高爐渣和脫硫渣對Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料的侵蝕研究

溫太陽 崔園園 鐘 凱 楊 彬

首鋼集團(tuán)有限公司技術(shù)研究院 北京100043

在鋼鐵生產(chǎn)過程中，鐵水預(yù)脫硫工序可去除鐵水中的硫，這對進(jìn)一步優(yōu)化鋼鐵生產(chǎn)流程，提高煉鋼生產(chǎn)效率和降低煉鋼成本具有積極意義。該過程中每噸鐵產(chǎn)生了6～12 kg的冶金脫硫渣鐵（簡稱脫硫渣）。為了減少環(huán)境污染和資源浪費，有效回收利用脫硫渣，如在轉(zhuǎn)爐中加入脫硫渣替代部分廢鋼［1-3］。另外，在一罐到底工藝的鐵水罐中加入脫硫渣，利用高溫鐵水熔化渣鐵，實現(xiàn)了脫硫渣中鐵資源的回收利用［4］。為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，一些鋼鐵企業(yè)在鐵水罐或魚雷罐中“回吃”脫硫渣，以回收鐵資源。Al2O3-SiC-C質(zhì)耐火材料具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和抗熱震性能，尤其對堿度較低的高爐爐渣具有良好的抗渣侵蝕性能，在鐵水罐、魚雷罐和高爐爐前等區(qū)域應(yīng)用廣泛。

在本工作中，由實驗室制備硅溶膠結(jié)合Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料，通過靜態(tài)坩堝法研究了普通高爐爐渣（簡稱高爐渣）和脫硫渣對Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料的侵蝕。

1 試驗

1.1 坩堝試樣的理化性能

采用振動成型工藝制備成外形尺寸為70 mm×70 mm×70 mm、內(nèi)孔為φ20 mm×50 mm的試驗坩堝試樣。坩堝試樣在室溫下養(yǎng)護(hù)24 h后，放置烘箱于110℃保溫24 h烘干。

硅溶膠結(jié)合Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料理化性能指標(biāo)見表1。

表1 澆注料的理化性能指標(biāo)

1.2 試驗過程和性能檢測

試驗采用靜態(tài)坩堝法。取兩個坩堝試樣，分別加入30 g高爐渣和脫硫渣，在空氣氣氛下均加熱至1 500℃保溫3 h后自然冷卻。然后沿中心軸線切開坩堝，分別測量兩個坩堝內(nèi)反應(yīng)界面的直徑和侵蝕深度。對坩堝中心界面正上方進(jìn)行拍照，利用Photoshop圖像處理軟件進(jìn)行處理，計算坩堝內(nèi)爐渣侵蝕和滲透區(qū)域所占的像素數(shù)。侵蝕率=P/P0×100%，式中：P為坩堝內(nèi)爐渣侵蝕和滲透區(qū)域所占的像素總數(shù)，P0為原坩堝剖面的總像素。抗渣侵蝕試驗所用高爐渣和脫硫渣的化學(xué)組成和堿度見表2。

對爐渣與坩堝反應(yīng)界面分別進(jìn)行SEM、EDS和XRD分析。

表2 高爐渣和脫硫渣的化學(xué)組成和堿度

2 結(jié)果與分析

2.1 侵蝕情況

抗渣侵蝕試驗后試樣反應(yīng)界面直徑和侵蝕深度如表3所示。

表3 不同渣侵蝕試驗后試樣反應(yīng)界面直徑和侵蝕深度

由表3可見，兩個抗渣試樣反應(yīng)界面直徑和侵蝕深度的差距較大。高爐渣和脫硫渣對Al2O3-SiCC質(zhì)澆注料的侵蝕率分別為3.07%和3.49%，脫硫渣的侵蝕程度明顯大于高爐渣的。由此可見，實際生產(chǎn)中“回吃”脫硫渣的工藝在一定程度上會影響以Al2O3-SiC-C質(zhì)耐火材料為襯體的鐵水罐和魚雷罐的使用壽命。

2.2 顯微結(jié)構(gòu)分析

靜態(tài)坩堝抗渣試驗后試樣反應(yīng)界面的顯微結(jié)構(gòu)照片見圖1。

圖1 抗渣試驗后試樣反應(yīng)界面的SEM照片

由圖1可見，兩個靜態(tài)坩堝抗渣試樣的渣層、滲透層和原磚層界面相對清晰。但是，經(jīng)高爐渣侵蝕試樣的滲透層比經(jīng)脫硫渣侵蝕試樣的薄。文獻(xiàn)［5］顯示Al2O3-SiC-C質(zhì)材料中的Al2O3和SiO2可與CaO和FeO等發(fā)生反應(yīng)，生成低熔點化合物，從而加速材料損毀。

為進(jìn)一步比較兩種爐渣對Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料的侵蝕程度，對圖1中鋁、鈣和鎂元素的分布進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見圖2。

圖2 圖1中鋁、鈣和鎂元素的EDS分析

由圖2可見，兩種爐渣中的鈣和鎂元素均滲透進(jìn)入原磚層，鎂元素的滲透程度低于鈣元素的。高爐渣中的鈣元素基本在鋁元素的表面附近生成變質(zhì)層，故滲透程度較淺；脫硫渣中的鈣元素明顯滲透進(jìn)原磚層，使原磚層的鈣含量大幅增加。反應(yīng)界面的棕剛玉顆粒已經(jīng)明顯被鈣元素包圍。

兩個靜態(tài)坩堝抗渣試樣反應(yīng)界面處的XRD圖譜如圖3所示。由圖3可知，靜態(tài)坩堝抗高爐渣試樣反應(yīng)界面的主要物相為鈣鋁黃長石（2CaO·Al2O3·SiO2）、剛玉、碳化硅（SiC）和鈣長石（CaAl2Si2O8）。靜態(tài)坩堝抗脫硫渣試樣反應(yīng)界面的主要物相為硅酸鋁鎂（MgAl2（SiO3）4）、輝石（Ca（Mg，F(xiàn)e）Si2O6）、剛玉和鈣鋁黃長石。兩種爐渣反應(yīng)界面均有殘存的剛玉相，但高爐渣中剛玉相的殘存量明顯高于脫硫渣中的，另外還有SiC相。結(jié)果表明，在靜態(tài)坩堝抗脫硫渣試樣中，高溫熔渣沿著氣孔滲透進(jìn)入到澆注料中，與Al2O3和SiC發(fā)生了較為充分的反應(yīng)。

圖3 靜態(tài)坩堝抗渣試樣反應(yīng)界面的XRD圖譜

爐渣在耐火材料中滲透，并與耐火材料發(fā)生反應(yīng)，改變了耐火材料的組織結(jié)構(gòu)和渣的成分［6］。從理論上來說，酸性耐火材料應(yīng)用在低堿度爐渣中，或堿性耐火材料應(yīng)用在高堿度爐渣中，耐火材料組分與爐渣之間不容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，耐火材料的抗渣滲透和侵蝕性能會更好些。

在脫硫工藝中，由于復(fù)合脫硫劑（CaO和CaF2的質(zhì)量比為9∶1）的加入，生成的高堿度脫硫渣中的CaO和FeO的含量相對高爐渣中的含量大幅上升。爐渣中鈣、鎂和鐵等元素與原磚層中的Al2O3發(fā)生反應(yīng)，生成低熔點的MgAl2（SiO3）4、2CaO·Al2O3·SiO2和Ca（Mg，F(xiàn)e）Si2O6等，對反應(yīng)界面處的Al2O3侵蝕更為嚴(yán)重。由此可見，高堿度脫硫渣對Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料的侵蝕更強(qiáng)。

3 結(jié)語

高堿度的脫硫渣對Al2O3-SiC-C質(zhì)澆注料的侵蝕能力更強(qiáng)。這是由于爐渣中CaO、SiO2和FeO含量相對高爐渣中的含量大幅上升，與原磚層中的Al2O3發(fā)生反應(yīng)，生成低熔點的MgAl2（SiO3）4、2CaO·Al2O3·SiO2和Ca（Mg，F(xiàn)e）Si2O6等化合物導(dǎo)致的。