新造渣模式下轉爐煉鋼成渣過程的巖相研究①

虎曉東， 王攀峰， 楊立春， 蘭二明， 周冠偉， 趙昌明*

(1.遼寧科技大學材料與冶金學院，遼寧 鞍山　114051； 2.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京　210035 )

引　言

隨著市場形勢的不斷惡化，為進一步降低冶煉渣料成本，南京鋼鐵集團第一煉鋼廠從2016年初開始進行取消輕燒白云石冶煉的工藝攻關，將鋼渣料結構逐步優化為“石灰+石灰石+生白云石”模式，成為國內生料使用比例最高的轉爐。該渣料模式的應用雖然大幅度降低了鋼渣料成本，但因冶煉成渣體系的大幅變化，冶煉過程中出現返干、溢渣、爐況侵蝕等問題，對生產順行帶來了一些負面影響。

本研究通過對轉爐冶煉過程的鋼渣取樣，結合目前的造渣模式根據數據對冶煉過程中鋼渣的成分進行分析。采用巖相檢驗分析方法確定鋼渣的礦物組成和分布情況，將分析結果與渣的化學成分、物相組成等結合起來，可更加全面地認識新造渣模式下鋼渣的性質。本研究結果可為改善轉爐造渣模式、降低成本和延長爐襯壽命提供科學依據和理論支持[1-3]。

1　研究方法

對南京鋼鐵集團第一煉鋼廠150 t轉爐在“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式進行鋼渣分階段的現場取樣，分別取冶煉5 min、冶煉12 min、終點渣、濺渣前和濺渣后的渣樣。

對各階段提取的渣樣分別進行化學成分分析、物相分析并對渣樣進行鑲嵌、切割、拋光、浸蝕(工業酒精，純度99.97%)處理，將制好的試樣進行礦相組成檢測分析，以此得到具體的化學成分。此外，采用FESEM(場發射掃描電子顯微鏡)結合EDS(能譜儀)和偏光顯微鏡進行巖相分析，以此得到具體的顯微結構。

2　轉爐成渣過程的基本反應

“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式中生白云石的主要成分是CaCO3和MgCO3，在分解過程中吸收大量的熱。生白云石在受熱900℃以上條件下分解方式分為兩步，具體的分解反應式如下：

CaCO3=CaO+CO2, lgPCo2=-8908/T+7.53

(1)

MgCO3=MgO+CO2, lgPCo2=-6180/T+6.80

(2)

CaCO3和MgCO3的分解溫度分別為910 ℃和640 ℃，均低于轉爐內的鐵水溫度。由式(1)和(2)可知，生白云石加入爐內時可立即發生分解反應并生成CO2。轉爐冶煉過程中鐵水表面溫度高達1100 ℃，火點區域溫度高達3000 ℃，分解生成的CO2氣體瞬間膨脹4000倍以上，推動生成的CaO和MgO飛到渣中；同時，由于CO2的逸出，使新生成的輕燒呈多孔細晶狀，提高了成渣速度[4]。

根據轉爐泡沫渣的形成機理分析，前期渣形成過程中，由于生白云石分解生成CO2氣體彌散在初期渣中，有利于初期泡沫渣的形成，增大了氣-熔渣-金屬的界面，加快了爐內的化學反應速度，有利于前期脫磷反應的進行，使渣中的磷始終處于較低的水平。

3　新造渣模式下轉爐鋼渣的巖相組成

“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式與傳統造渣模式相比，生白云石煅燒的過程由轉爐外移至轉爐內，可以充分利用轉爐富余的熱量，實現轉爐冶煉過程熱量平衡，同時可降低熔劑消耗成本[5]。

3.1　化學成分分析和礦相組成分析

對冶煉5 min、冶煉12 min、終點渣、濺渣前和濺渣后的渣樣進行礦相組成檢測，其化學成分分析如表1所示，礦相組成如表2所示。

表1　轉爐部分鋼渣化學成分統計

表2　不同成渣階段的礦相組成

由表1和表2可知，冶煉5 min渣樣的礦相組成為黃長石相、RO相、方鎂石和玻璃質；冶煉12 min渣樣的礦相組成為RO相、方鎂石、玻璃質和鈣鐵相；終點渣樣的礦相組成為C2S，RO相、方鎂石、玻璃質和鈣鐵相；濺渣前(后)渣樣的礦相組成為C2S，RO相、方鎂石、玻璃質和鈣鐵相。

3.2　巖相分析

為了進一步地觀察鋼渣的顯微結構，對渣樣進行鑲嵌、切割、拋光、浸蝕(工業酒精，純度99.97%)處理，在光學顯微鏡下進行觀察和鑒定，采用FESEM(場發射掃描電子顯微鏡)結合EDS(能譜儀)和偏光顯微鏡進行巖相分析。不同階段的顯微結構和巖相如表3所示。

從表3中可知：冶煉5 min的顯微結構是黃長石相的形貌主要為紡錘狀和編織狀；RO相多為雛晶狀，少部分局部呈現圓粒狀與方鎂石相聚集在一起；方鎂石相呈現四方狀，常被RO相包裹，多以游離態零散地存在于渣中，少部分未能夠及時溶解的集中聚集，并與C2S，RO相和玻璃質相伴相生；玻璃質為渣中的液相基體則構成鋼渣的骨架，為無定形貌，另外，鐵粒和氣孔多以渾圓狀存在于渣中；冶煉12 min的顯微結構是C2S相呈現圓粒狀或者珊瑚狀形貌，方鎂石呈四方形，RO相分為兩種，白亮的為FeO為主體的RO相，淺灰色的為CaO為基體的RO相，兩者交織在一起，并且無規則形貌。鈣鐵相呈現粒狀，分布在各礦相間，有一些鈣鐵相會以f-CaO的形式從中析出；終點渣樣的纖維結構是C2S相的形貌主要為圓粒狀和珊瑚狀，少部分出現長條柱狀；RO相多為無定形貌，常與方鎂石相互伴生，并包裹在方鎂石相外圍；玻璃質為渣中的液相基體與和鈣鐵相共同構成鋼渣的骨架，無固定形貌，鐵粒多以渾圓狀存在于渣中，而渾圓氣孔相對5 min渣樣較少；濺渣前(后)渣樣的典型微區礦物組成與終點渣樣較為類似，但是C2S發育較好，晶粒粗大，呈現大圓粒狀，方鎂石相顆粒仍然以四方狀存在，且被無定形RO相所包圍，玻璃質和鈣鐵相共同構成鋼渣的骨架，渾圓鐵粒和氣孔零散地存在于渣中。

4　結束語

(1)利用生白云石可以更好地加快爐內的化學反應速度，有利于前期脫磷反應的進行，使渣中的磷始終處于較低的水平。

(2)“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式下，冶煉5 min渣樣的礦相組成為黃長石相、RO相、方鎂石和玻璃質；冶煉12 min渣樣的礦相組成為RO相、方鎂石、玻璃質和鈣鐵相；終點渣樣的礦相組成為C2S，RO相、方鎂石、玻璃質和鈣鐵相；濺渣前(后)渣樣的礦相組成為C2S，RO相、方鎂石、玻璃質和鈣鐵相。

表3　不同成渣階段的顯微結構和巖相

注：1.C2S；2.黃長石；3.方鎂石相；4.RO相；5.鐵珠；6.玻璃質；7.孔洞；9.鈣鐵相；10.FeO；11.鎂薔薇輝石

(3)“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式下，冶煉5 min的顯微結構是黃長石相的形貌主要為紡錘狀和編織狀，RO相多為雛晶狀，方鎂石相呈現四方狀；冶煉12 min的顯微結構是C2S相呈現圓粒狀或者珊瑚狀形貌，方鎂石呈四方形，RO相分為兩種，白亮的為FeO為主體的RO相，淺灰色的為CaO為基體的RO相，兩者交織在一起，并且無規則形貌。終點渣樣的顯微結構是C2S相的形貌主要為圓粒狀和珊瑚狀，RO相多為無定形貌；濺渣前(后)渣樣的顯微是C2S發育較好，晶粒粗大，呈現大圓粒狀，方鎂石相顆粒仍然以四方狀存在，且被無定形RO相所包圍。

參考文獻：

[1]楊文遠，王明林，崔淑賢，等. 爐渣的巖相研究在轉爐煉鋼中的應用[J]. 鋼鐵研究學報，2007，19(12)：10—15.

[2]任允芙. 冶金工藝礦物學[M]. 北京：冶金工業出版社，1996.

[3]孟華棟，劉瀏. 轉爐煉鋼成渣過程的巖相研究[J]. 鋼鐵，2010，45(6)：26—30.

[4]李宏，曲英. 氧氣轉爐煉鋼用石灰石代替石灰節能減排初探[J]. 中國冶金，2010，20(9)：45—48.

[5]張思維. 生白云石部分替代輕燒白云石轉爐冶煉實踐[J]. 武鋼技術，2014，52(6)：4—6.