高爐渣和脫硫渣對Al2O3-SiC-C質澆注料的侵蝕研究

溫太陽 崔園園 鐘 凱 楊 彬

首鋼集團有限公司技術研究院 北京100043

在鋼鐵生產過程中，鐵水預脫硫工序可去除鐵水中的硫，這對進一步優化鋼鐵生產流程，提高煉鋼生產效率和降低煉鋼成本具有積極意義。該過程中每噸鐵產生了6～12 kg的冶金脫硫渣鐵（簡稱脫硫渣）。為了減少環境污染和資源浪費，有效回收利用脫硫渣，如在轉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，實現了脫硫渣中鐵資源的回收利用［4］。為進一步降低生產成本，一些鋼鐵企業在鐵水罐或魚雷罐中“回吃”脫硫渣，以回收鐵資源。Al2O3-SiC-C質耐火材料具有較高的力學強度和抗熱震性能，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域應用廣泛。

在本工作中，由實驗室制備硅溶膠結合Al2O3-SiC-C質澆注料，通過靜態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、內孔為φ20 mm×50 mm的試驗坩堝試樣。坩堝試樣在室溫下養護24 h后，放置烘箱于110℃保溫24 h烘干。

硅溶膠結合Al2O3-SiC-C質澆注料理化性能指標見表1。

表1 澆注料的理化性能指標

1.2 試驗過程和性能檢測

試驗采用靜態坩堝法。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反應界面的直徑和侵蝕深度。對坩堝中心界面正上方進行拍照，利用Photoshop圖像處理軟件進行處理，計算坩堝內爐渣侵蝕和滲透區域所占的像素數。侵蝕率=P/P0×100%，式中：P為坩堝內爐渣侵蝕和滲透區域所占的像素總數，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組成和堿度見表2。

對爐渣與坩堝反應界面分別進行SEM、EDS和XRD分析。

表2 高爐渣和脫硫渣的化學組成和堿度

2 結果與分析

2.1 侵蝕情況

抗渣侵蝕試驗后試樣反應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界面直徑和侵蝕深度

由表3可見，兩個抗渣試樣反應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，實際生產中“回吃”脫硫渣的工藝在一定程度上會影響以Al2O3-SiC-C質耐火材料為襯體的鐵水罐和魚雷罐的使用壽命。

2.2 顯微結構分析

靜態坩堝抗渣試驗后試樣反應界面的顯微結構照片見圖1。

圖1 抗渣試驗后試樣反應界面的SEM照片

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

為進一步比較兩種爐渣對Al2O3-SiC-C質澆注料的侵蝕程度，對圖1中鋁、鈣和鎂元素的分布進行EDS分析，結果見圖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層，故滲透程度較淺；脫硫渣中的鈣元素明顯滲透進原磚層，使原磚層的鈣含量大幅增加。反應界面的棕剛玉顆粒已經明顯被鈣元素包圍。

兩個靜態坩堝抗渣試樣反應界面處的XRD圖譜如圖3所示。由圖3可知，靜態坩堝抗高爐渣試樣反應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）。靜態坩堝抗脫硫渣試樣反應界面的主要物相為硅酸鋁鎂（MgAl2（SiO3）4）、輝石（Ca（Mg，Fe）Si2O6）、剛玉和鈣鋁黃長石。兩種爐渣反應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。結果表明，在靜態坩堝抗脫硫渣試樣中，高溫熔渣沿著氣孔滲透進入到澆注料中，與Al2O3和SiC發生了較為充分的反應。

圖3 靜態坩堝抗渣試樣反應界面的XRD圖譜

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

在脫硫工藝中，由于復合脫硫劑（CaO和CaF2的質量比為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發生反應，生成低熔點的MgAl2（SiO3）4、2CaO·Al2O3·SiO2和Ca（Mg，Fe）Si2O6等，對反應界面處的Al2O3侵蝕更為嚴重。由此可見，高堿度脫硫渣對Al2O3-SiC-C質澆注料的侵蝕更強。

3 結語

高堿度的脫硫渣對Al2O3-SiC-C質澆注料的侵蝕能力更強。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發生反應，生成低熔點的MgAl2（SiO3）4、2CaO·Al2O3·SiO2和Ca（Mg，Fe）Si2O6等化合物導致的。