天然礬土原料對轉爐鋼渣熔點的影響

余 超，鄧承繼，祝洪喜，丁 軍，劉水旺，樊國棟，冷光輝

（1． 武漢科技大學，省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢 430081；2． 河南東大高溫節能材料有限公司，河南 鶴壁 458030）

天然礬土原料對轉爐鋼渣熔點的影響

余 超1，鄧承繼1，祝洪喜1，丁 軍1，劉水旺1，樊國棟2，冷光輝2

（1． 武漢科技大學，省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室，湖北 武漢 430081；2． 河南東大高溫節能材料有限公司，河南 鶴壁 458030）

以天然礬土原料為改質劑引入轉爐鋼渣中，研究了不同礬土添加量對MgO飽和溶解、轉爐鋼渣堿度及半球點溫度的影響。隨礬土加入量的增加，MgO飽和溶解度沒有發生明顯改變，轉爐鋼渣的堿度逐漸下降，而半球點溫度呈現出先降低后升高的趨勢。

礬土；轉爐鋼渣；半球點

0 引 言

鋼鐵冶煉是以冶金用金屬鐵為主料、渣為輔助料，經高溫熱處理后熔化為兩個互不相溶解的液相，使鋼液和雜質分離，而其中分離出的雜質為鋼渣[1,2]。轉爐鋼渣是轉爐煉鋼結束后產生的一種廢渣，其出爐時呈液態且溫度超過1400 ℃，主要化學成分由CaO和SiO2組成；而礦物相主要為C3S、C2S、鈣鐵橄欖石、游離氧化鈣等。爐渣的成分與鋼水成分、終鋼碳含量、供氧制度、造渣制度和冶煉工藝等因素有關[3-5]。

改質渣是在轉爐出完鋼后通過添加少量石灰或鎂質材料，主要是調整爐渣的過熱度和粘度使改質渣滿足濺渣的要求，其成分與堿度基本和終渣相同。轉爐終渣成分的主要影響因素有：冶煉鋼種、改質劑、材料條件、操作水平、精煉及澆注方式等。改質劑的作用是改變終渣的性能，包括耐火度和流動性[6,7]。經過改質后的改制渣被噴濺到爐襯上，具有一定的耐火度和抗渣潤濕性，以保護爐襯免受終渣的潤濕。

礬土資源豐富，已在耐火、化工、冶金等多個行業中應用[8-10]，為了開辟礬土資源高效綜合利用的新途徑。本工作以天然礬土原料為改質劑，研究了礬土對轉爐鋼渣堿度、MgO飽和溶解度及半球點溫度的影響，為提高礬土的應用范圍提供理論依據。

1 實 驗

本文采用轉爐鋼渣和礬土生料作為基本原料，化學成分見表1和表2。實驗測試采用半球法，將稱量好的渣和礬土按表3進行配料，將原料均勻混合后裝入模具，壓制成Φ3 mm×Φ3 mm的圓柱試樣，置入110 ℃烘箱中。將干燥的試樣放在墊片上，將內導管推入爐內高溫區，調整鏡頭架的位置，使試樣在屏幕的影像最清晰，大小適當，記下試樣影像在屏幕上的高、寬尺寸，然后通電加熱，不斷觀察爐溫和試樣影像。當爐溫接近試樣熔點時盡量放慢升溫速率，當試樣高度將至3/4時的溫度為軟化點，當試樣高度降至1/2時的溫度為半球點，當試樣高度降至1/4時的溫度為流動點。對14個試樣依次進行實驗，得到實驗數據。

表1 轉爐鋼渣的成分 (wt.%)Tab.1 The composition of slag sample (wt.%)

表2 鋁礬土的成分 (wt.%)Tab.2 The composition of bauxite (wt.%)

表3 初始原料配比 (wt.%)Tab.3 The composition of starting materials (wt.%)

2 結果與討論

圖1 渣的堿度隨礬土加入量的變化Fig.1 The basicity of BOF slag with different bauxite content

從圖1可以看出，隨著礬土量的增加，渣的堿度呈現出逐漸下降的趨勢。鋁礬土的主要成分為SiO2和Al2O3，根據二元堿度公式R=C/S，堿度呈下降趨勢。

從圖2可以看出，隨著礬土量的增加，MgO的飽和溶解度呈現出逐漸下降的趨勢，且變化幅度很小。根據Park J M的渣中氧化鎂飽和值半經驗公式[11]，飽和溶解度與渣中TFe和SiO2的含量有關，而加入礬土中的TFe和SiO2含量較低，因此MgO的飽和溶解度變化不大。

圖2 MgO飽和溶解度隨礬土加入量的變化Fig.2 The saturated solubility of MgO with different bauxite content

式中，a=7．9890-0．1547WTFe+0．001232WTFe2；

b=-0．4374+0．01034WTFe；

c=0．01354；

WCaO+WSiO2+WTFe=100%；

WTFe=WFeO+WFe2O3

T=絕對溫度，K。

圖3給出了不同礬土含量渣的軟化溫度、半球點溫度和流動溫度。從圖中可以看出，當礬土含量為0-10wt．%時，隨著渣中礬土含量的增加，渣的熔點呈下降的趨勢。當礬土的含量為10wt．%-20wt．%時，渣的軟化溫度、半球點溫度和流動溫度變化較小，大體呈現出緩慢增加的趨勢；當礬土含量為20wt．%-40wt．%時，三種溫度均表現出顯著增加的趨勢；當含量為40wt．%-50wt．%時，三種溫度增加趨勢減緩。

圖3 半球點溫度隨礬土加入量的變化Fig.3 The hemisphere point temperature of BOF slag with different bauxite content

圖4 堿度與渣系半球點溫度的變化關系Fig.4 The relationship between the basicity and the hemisphere point temperature of BOF slag

圖4 給出了改質渣的堿度和其軟化溫度、半球點溫度及流動溫度的變化關系。從圖中可以看出，隨著渣堿度的增加，軟化溫度、半球點溫度和流動溫度呈現出先降低后升高的趨勢。在堿度為2．1-2．2時，三種溫度均緩慢下降；在堿度為2．2-2．3時，三種溫度呈現出急速下降的趨勢；在堿度為2．3-2．55時，三種溫度的變化趨于平緩；當堿度為2．55-2．6時，三種溫度都呈現出急劇增加的趨勢。

通過熱力學軟件FactSage計算了在1250 ℃-1400 ℃、0．1 MPa條件下系統中礬土加入量與系統內部物相變化的關系，其中橫坐標定義為礬土加入量與總質量之比，橫坐標的取值范圍為0-0．5。根據圖5可知，礬土加入量的增加有利于尖晶石的生成，隨礬土加入量增加，C2S向C3S和鈣黃長石轉化，影響轉爐鋼渣的熔點；進一步增加礬土含量，當礬土加入量與總質量之比≥0．4時，CaO開始出現，對轉爐鋼渣的熔點起到提升作用。根據熱力學計算，相同溫度下隨礬土加入量的增加，轉爐鋼渣中的Ca元素由C2S逐步向C3S、鈣黃長石及CaO轉化，與半球點溫度的變化基本相符。

圖5 不同溫度下隨礬土加入量增加系統的物相組成Fig.5 Phases change of BOF slag with different temperature and bauxite content

3 結 論

本文研究了天然礬土原料加入量對MgO飽和溶解度、轉爐鋼渣堿度及半球點溫度的影響。隨鋁礬土加入量的增加，堿度呈下降趨勢，MgO的飽和溶解度呈現出微弱下降的趨勢，半球點溫度呈現出先降低后升高的趨勢。熱力學計算表明，相同溫度下隨礬土加入量的增加，轉爐鋼渣中的Ca元素由C2S逐步向C3S、鈣黃長石及CaO轉化，與改質渣熔點的變化基本符合。

[1] 蘇天森, 劉瀏, 王維興． 轉爐濺渣護爐技術[M]． 北京: 冶金工業出版社, 2002,7-9．

[2] 何環宇, 王慶祥, 曾小寧． MgO 含量對高爐爐渣粘度的影響[J]． 鋼鐵研究學報, 2006, 18(6): 11-13．

[3] 黃志勇, 顏根發, 左都偉, 等． 轉爐爐渣噴濺的機理及預防措施[J]． 金屬材料與冶金工程, 2008 (3): 12-15．

[4] 劉道孟． 轉爐爐渣噴濺問題以及對策分析[J]． 山西冶金, 2010, 1: 71-72．

[5] 喻承歡． 武鋼二煉鋼復吹轉爐濺渣護爐工藝技術研究[J]． 鋼鐵, 2000, 5: 17．

[6] 陳偉． 淺析昆鋼轉爐終渣∑ FeO與堿度及其關系[J]． 煉鋼, 2006, 22(5): 8-11．

[7] 吳偉, 鄒宗樹, 馬嵩, 等． 梅鋼頂底復吹轉爐冶煉終渣及鋼水成分的研究[J]． 煉鋼, 2004, 20(2): 47-50．

[8] 鐘香崇, 李廣平． 高鋁礬土加熱過程的變化和燒結機理[J]． 硅酸鹽學報, 1964, 3(4): 261-279．

[9] 張巍, 么蔭智, 戴文勇． 藍晶石對鋁礬土基噴涂料性能的影響[J]． 非金屬礦, 2009, 32(3): 27-28．

[10] 孟勁松, 姜茂發, 朱英雄． 復吹轉爐應用無氟造渣劑-鐵礬土的生產實踐[J]． 煉鋼, 2005, 21(2): 1-3．

[11] PARK J M, KEUM C H． Reaction equilibria between molten iron and CaO-CaOsal-FetO-SiO2-MnO(2～30%)-∑MxOyslag [C]// Steelmaking Conference Proceeding, 1994, 77: 461-470．

Effect of Bauxite on Melting Point of BOF Slag

YU Chao1, DENG Chengji1, ZHU Hongxi1, DING Jun1, LIU Shuiwang1, FAN Guodong2, LENG Guanghui2
(1. The State Key Laboratory of Refractories and Metallurgy, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, Hubei, China; 2. Henan Dongda High Temperature & Energy Saving Material Co., Ltd, Hebi 458030, Henan, China)

The effects of bauxite content on the saturated solubility of MgO, basicity and hemisphere point temperature of BOF slag have been investigated by using bauxite and BOF slag as the starting materials. With the increase of bauxite content, the saturated solubility of MgO showed no signif i cant change, the slag basicity decreased, and the hemisphere point temperature showed the trend which fi rst decreased and then increased.

Bauxite; BOF slag; hemisphere point temperature

TQ174.4

A

1006-2874(2017)02-0010-04

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.02.002

2016-10-15。

2016-10-18。

國家自然科學基金(51574187)；國際合作項目(2015DFR50800)聯合資助。

鄧承繼，男，博士，教授。

Received date:2016-10-15. Revised date: 2016-10-18.

Correspondent author:DENG Chengji, male, Ph.D., Professor.

E-mail:cjdeng@wust.edu.cn