赤泥基熔劑應用于轉爐造渣生產研究與實踐

覃勝苗，韋軍尤，陸志堅，李健暢，楊正府

（廣西柳州鋼鐵集團公司，廣西 柳州 545002）

赤泥是氧化鋁在生產過程中產生的廢渣，因含有大量氧化鐵而呈紅色，故被稱為赤泥，大約每生產l t氧化鋁要排放1.0 t～1.8 t的赤泥[1]。中國作為世界第一大氧化鋁生產大國，每年排放的赤泥廢棄物高達數千萬噸。國內鮮有赤泥成功的大規模綜合利用的報道，只能依靠大面積的在堆場堆放，占用了大量的土地資源，對環境造成了嚴重的污染，已經對人類的生產、生活造成多方面的直接或間接的影響。所以最大限度的減少赤泥的產量和危害，實現多渠道、大規模的資源化合理利用已迫在眉睫[2]。

赤泥主要成分為Al2O3、Fe2O3、TiO2、SiO2、Na2O等，國內學者對赤泥的綜合利用做了系統理論分析[1]，但規模化的工業應用還停留在論證階段。由于赤泥富含Al2O3、Fe2O3，理論上可以作為資源廣泛應用于煉鋼生產。廣西是氧化鋁工業大省，2017年氧化鋁產量累計達到1045萬噸，按此估算赤泥排放量達到1500萬噸左右。為了在煉鋼領域探索赤泥新的綜合治理利用途徑，筆者在廣西柳州鋼鐵集團公司（下簡稱柳鋼）轉爐煉鋼廠進行了相關的研究及工業試驗，成功運用赤泥為原料制造出轉爐高效化渣劑并運用于轉爐煉鋼造渣生產，改善了轉爐的煉鋼生產工藝，降低煉鋼生產成本，為赤泥資源的綜合治理利用開辟了新的途徑。

1 柳鋼煉鋼工藝簡介

柳鋼坐落于廣西壯族自治區中部，為華南地區特大型鋼鐵聯合企業。裝備有國內主流先進的煉鋼工藝裝備，在產量、品種、質量上面已達到國內同類企業先進水平，2017年鋼產量達到1300萬噸規模，品種涵蓋了建筑、造船、橋梁、汽車、及其他工業用材。煉鋼廠的主要裝備有：三個生產作業區（相當于煉鋼分廠），第一作業區裝備三座150噸轉爐，年產鋼500萬噸，第二作業區裝備三座120 t轉爐，年產鋼450萬噸，第三作業區裝備兩座150噸轉爐，年產鋼350萬噸。全廠共計8座轉爐，配備鐵水預處理、LF精煉、RH精煉、全連鑄等工藝裝備及輔助生產設備。

煉鋼生產工藝流程為：鐵水→轉爐冶煉→出鋼→氬站→精煉→連鑄。

轉爐造渣是煉鋼生產的重要環節。轉爐造渣的主要目的是去除有害雜質磷和硫。造渣熔劑主要以石灰、生白云石為主,以螢石等為輔助化渣手段。由于螢石對爐襯有嚴重的侵蝕作用，目前國內轉爐煉鋼生產逐步淘汰螢石作為化渣手段的造渣工藝。近年來開發了無氟化渣劑作為螢石的替代品[5-8]，直接將鐵礬土、鋁礬土、除塵泥、含硼礦物或復合化渣劑等用作轉爐造渣化渣劑,也取得一定的效果?？傮w而言Al2O3基化渣劑應用較為常見。近年來煉鋼生鐵硅含量都有走低的趨勢，這雖然對鋼鐵工業降低生產成本有利，但給轉爐煉鋼造渣化渣增加了難度。在這樣的背景下很多煉鋼生產工作者都在探索新的造渣化渣工藝。柳鋼的鐵水條件及造渣工藝如表1所示。

2 赤泥用于轉爐煉鋼造渣的可行性分析

轉爐造渣主要以CaO、SiO2、FeO三元渣系為基礎，一般配入一定含量的MgO以達到保護爐襯的作用，可近似看成查看CaO-SiO2-FeO三元渣系。查看相圖可知，在煉鋼溫度下該三元渣系相圖液相區窗口不大，隨著爐渣堿度（R=CaO/SiO2）的提高，爐渣熔點會落入高熔點區域而出現爐渣不化或“返干”的現象[4]。鐵水硅含量的走低以及過分追求大廢鋼比冶煉加劇了化渣的難度，容易導致粘槍、粘煙罩、磷高、硫高等冶煉事故而影響生產順行。螢石作為化渣手段固然效果明顯，但其侵蝕爐襯、化渣持續性有限、污染環境等負面影響也比較突出而逐漸被淘汰。

圖1 赤泥對CaO-SiO2-FeO渣系液相區的影響

根據爐渣熔點理論，煉鋼渣系中引入除CaO、SiO2、FeO以外的其它組元可以都可以降低爐渣熔點，Al2O3就是最常見的降煉鋼爐渣熔點常用組元之一。赤泥為氧化鋁生產工業生產排放的廢棄物，來源廣泛廉價易得，其中富含Al2O3、FeO、TiO2、SiO2、Na2O等成分，理論上可以作為化渣劑使用。研究了赤泥對煉鋼爐渣熔點的影響，表明加入赤泥后顯著擴大CaO-SiO2-FeO渣系的液相區，如圖1所示。

表1 鐵水條件及現有造渣工藝參數

表3化渣性能試驗數據

表4 試驗終點對比情況

Al2O3為兩性氧化物，對轉爐渣的脫磷、脫硫影響較小，研究表明轉爐渣系中加入一定量的Al2O3后反而促進富磷離子團的富集從而對脫磷有利[9]。且Al2O3基化渣劑與CaF基化渣劑相比對爐襯侵蝕作用小，對護爐提高爐齡有利。

綜上所述，以赤泥為煉鋼熔劑理論上完全可行。

3 赤泥基高效化渣劑造制造流程

赤泥資源來源于廣西平果鋁廠，通過造球、晾干后可得到赤泥基化渣劑。制造工藝流程如下：晾曬—加粘接劑—混勻—壓球成型—晾干—成品入庫。生產工藝簡單，成品制成球后得到的赤泥基化渣劑理化指標如表2所示。

表2 赤泥基化渣劑理化指標

4 赤泥基化渣劑用于轉爐造渣試驗

4.1 試驗方法

①正常吹煉過程中，加入一定量的赤泥基化渣劑參與造渣。②觀察吹煉過程的化渣效果，比對終點情況。③觀察終渣狀態并取樣分析成分。④分析加入赤泥基化渣劑后評估其其它冶金效果。

4.2 試驗結果

在柳鋼120噸轉爐上進行了試驗，試驗數據經過匯總后如表3所示。

試驗結果表明：加了赤泥基化渣劑造渣的爐次轉爐成渣速度明顯加快，吹煉過程“返干”程度明顯降低，化渣效果得到改善。在同一鋼種上對轉爐終渣取樣分析發現，加赤泥基化渣劑爐次渣中Al2O3、SiO2略有升高的趨勢，終渣終TFe有下降的趨勢，轉爐終點明顯改善渣。如表4所示。

雙渣操作在硅高鐵水及冶煉低磷鋼上經常被采用，雙渣操作存在的技術問題主要是冶煉前期爐溫低，前期渣不容易形成高堿度渣，脫磷效率低，前期渣流動性不好，排渣時帶鐵多鐵損大等。赤泥基化渣劑在雙渣爐次上確實也具有出色的冶金效果，主要體現在促進前期渣早化，提高了爐渣的流動性和鋼渣分離效果，較好地解決了上述雙渣的技術問題。

試驗過程中發現赤泥基化渣劑對終點泡沫渣具有良好的抑制作用。通過多爐反復試驗，驗證了其出色的壓渣效果，與原來專用外購的壓渣劑功能相當或更優，并且具有成本低廉的優勢。分析認為，冶金過程熔渣的泡沫、乳化現象是較為常見的，轉爐煉鋼正是利用了爐渣發達的乳化現象極大的提高了鋼-渣接觸面積，為冶煉過程化學反應的順利進行提供了良好的動力學條件。然而，冶煉達到終點后，人們又希望抑制爐渣的發泡程度而利于出鋼操作和濺渣護爐。相關研究表明，影響爐渣泡沫化的主要因素是爐渣表面張力、粘度、爐渣比重，泡沫化程度與爐渣的粘度成正比，與爐渣的表面張力和密度成反比[10]。赤泥良好的化渣作用降低了爐渣的粘度因而能制止爐渣的泡沫化。爐渣中存在氣泡和固體質點對爐渣泡沫化也有促進作用[10]，泡沫渣是一種亞穩態，加入因赤泥基化渣劑后，因其本身水分含量較高，加入高溫的爐渣中會產生強烈的炸裂作用，破壞了渣中氣泡和固體質點的穩定狀態，從而抑制了爐渣的泡沫化程度。另外，相關研究表明，表面活性物質對爐渣的泡沫化程度影響相對復雜，理論上研究認為，表面活性物質能促進泡沫化，然而有些研究卻得出相反的結論，是由于氣泡表面張力梯度引起的馬蘭各尼效應會造成氣泡間渣液在排出時會使氣泡破裂。

綜上所述，由于赤泥基化渣劑同時具備了化渣、雙渣造渣、出鋼壓渣等多種冶金功能，試驗取得了良好的冶金效果。

4.3 其它方面影響和討論

主要研究赤泥基化渣劑對爐襯侵蝕、鋼質量的影響及擴大使用規模的討論。

（1）實踐表明，赤泥基化渣劑與螢石相比，對爐襯的侵蝕作用要小得多。雖然赤泥能夠降低爐渣熔點，但有研究表明，Al2O3基化渣劑對爐襯的侵蝕作用比螢石要小得多[7]，筆者在實踐過程中也驗證了這一結論，但大量使用是否會造成爐襯侵蝕還有待驗證。在當前只用作于化渣（噸鋼用量≤5kg/t）、壓渣（噸鋼用量≤2kg/t）的前提下，不會對爐襯侵蝕造成影響。

（2）鑒于赤泥基化渣劑的水分含量比較高，可能對鋼中的氫含量造成影響。為此做了跟蹤對比分析，表明加赤泥基化渣劑爐次與不加赤泥基化渣劑爐次，鋼中氫含量沒有差別。分析原因認為，用于化渣的赤泥基化渣劑加入時機在前期，由于整個吹煉過程大量的脫碳反應釋放大量的CO氣泡，為鋼中氫的去除創造了良好條件，因而對增氫不會造成影響。而出鋼過程壓渣所加的赤泥基化渣劑量小，而且與鋼液沒有緊密接觸，是不會發生增氫作用的。

（3）由于赤泥中含有Fe2O3較高，有一定的回收利用價值。品位高或經過磁選、配礦等加工后，或許可以替代鐵礦石作為冷卻劑應用于煉鋼生產領域，則為赤泥的綜合治理利用降開辟更加廣闊的途徑。

（4）赤泥基化渣劑出色的化渣能力，較高的氧化性（Fe2O3高），是良好的脫磷劑，應用于鐵水脫磷預處理、轉爐雙聯工藝、雙渣工藝，少渣冶煉工藝等勢必也是良好的應用途徑。

5 結論

（1）赤泥壓制成球后，成功用作轉爐化渣劑、壓渣劑，并在雙渣冶煉操作時，能用作輔助脫磷劑和鋼-渣分離劑，用在轉爐冶煉操作上具有成本低、冶金效果好的優點，并對爐襯及鋼水質量均無負面影響。

（2）以赤泥作為基料制造出的高效化-壓渣劑在柳鋼研制成功，并規模化應用于生產煉鋼，獲得良好效果。

（3）赤泥用于煉鋼生產前景廣闊，對環境保護及廢物綜合治理具有重大意義，更加廣闊的應用途徑或許即將開辟。