馬鋼300 t轉爐爐渣成分對濺渣效果的影響

李海波

(馬鋼股份公司四鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243000)

轉爐煉鋼過程中,鐵水中元素氧化形成的氧化物與造渣劑以及熔蝕的耐火材料等結合成爐渣。爐渣在煉鋼過程中起到去除有害雜質、防止鋼水吸氣、保溫和提高熱效率等作用[1]。濺渣護爐采用高壓氮氣將出鋼后留在爐內的爐渣濺起來涂敷在爐襯上形成濺渣層,對下一爐冶煉起到保護爐襯的作用,因此轉爐終渣不僅需要滿足冶煉過程要求,還需符合濺渣護爐條件[2,3]。為有效實現濺渣護爐,合適的轉爐終渣應具備以下特性:

(1)爐渣在高溫段內黏度較小且對溫度靈敏性低,即爐渣高溫流動性好,在高壓氮氣作用下容易噴濺,且氮氣造成一定溫降范圍內,其流動性不會劇烈惡化而影響噴濺效果;

(2)爐渣在低溫段內黏度較大且對溫度靈敏性高,即噴濺至爐襯上的爐渣隨著溫度的進一步降低,因爐渣結構變化或固相質點析出,使其黏度增加幅度較大,從而能有效粘附在爐壁上形成濺渣層,不易滴落;

(3)爐渣在凝固過程中能析出合適的結晶礦相,從而與爐襯很好地結合,以提高濺渣層的抗高溫侵蝕能力。

綜上所述,爐渣的基本性質主要由爐渣成分所決定,而爐渣成分通常取決于鐵水成分、終點鋼水碳含量、供氧制度、造渣制度和冶煉工藝等因素。鑒于轉爐終渣成分主要由CaO、SiO2、(FeO)、Mg O 和其它少量Al2O3、Mn O、P2O5等組分組成,因此,首先通過相圖計算獲得爐渣高溫液相區,然后進一步考察堿度(R=CaO/SiO2)、(FeO)、MgO 和其它助熔劑含量對爐渣流動和結晶特性的影響機制,從而確定滿足濺渣護爐要求的爐渣成分范圍,為轉爐濺渣工藝的選擇和調整提供理論依據。

1 實驗

鑒于轉爐終渣中鐵氧化物存在多種價態形式,即存在FeO、Fe2O3和Fe3O4,而各種鐵氧化物之間的具體比例難以確定,由于黏度計算過程的復雜性,以及Al2O3、Mn O 和P2O5等助熔劑的含量相對較少,暫不考慮助熔劑對黏度的影響,主要考察CaO-SiO2-Fe2O3-MgO 四元系爐渣黏度的變化規律。同時,通過計算不同成分爐渣在冷卻過程中的析晶礦相比例,并且比較不同成分爐渣在同一溫度條件下所對應的同一析晶礦相比例的大小,可以獲得爐渣組分對其結晶特性的影響規律。這與實際生產過程存在一定偏差,但仍能提供理論指導。

CaO-SiO2-Fe2O3-Mg O(6%)-P2O5(2.5%)-Mn O(3%)渣系的等溫截面圖如圖1所示。由圖1可見,為獲得爐渣1700℃以內液相區,合適的成分范圍有堿度R(CaO/SiO2)=2.5-3.0和Fe2O3=25-30%,若堿度進一步增加,所對應的Fe2O3含量也需增加。因此,在此基礎上適當擴大組分范圍為R(CaO/SiO2)=2.0-4.0、Fe2O3=20-36%、MgO=3-9%進行系統研究。

圖1 CaO-SiO2-Fe2 O3-MgO(6%)-P2 O5(2.5%)-MnO(3%)渣系等溫截面圖

2 結果與討論

2.1 堿度對爐渣特性的影響規律

(1)堿度對爐渣流動特性的影響規律

圖2所示為堿度R(CaO/SiO2)對CaO-SiO2-Fe2O3-MgO(6%)渣系黏度-溫度曲線的影響規律。

圖2 堿度R=CaO/SiO 2 對CaO-SiO2-Fe2 O 3-Mg O(6%)渣系黏度-溫度曲線的影響規律

從圖2中可以看出,當Fe2O3為28%和30%時,1620-1700℃高溫段內,不同堿度爐渣的黏度差值不大,且隨著溫度的降低較小幅度的增加;溫度低于1620℃時,隨著溫度的進一步降低,各堿度條件下爐渣黏度均大幅度上升,且堿度越大,增加趨勢越明顯。這主要是因為高溫段內,爐渣黏度主要受熔渣微觀結構以及過熱度的綜合影響,具體為堿度增加使得熔渣微觀結構變簡單,從而導致爐渣黏度降低,但同時堿度增加使得爐渣液相線溫度增加,從而降低過熱度致使爐渣黏度增加。因此,綜合而言,高溫段內堿度對爐渣黏度的影響不明顯。而較低溫段內,特別低于爐渣液相線溫度時,爐渣黏度主要受析出固相質點的影響,堿度的增加促進了爐渣的析晶能力,從而固相質點比例的增加使得黏度大幅度的增加。因此,為有效控制爐渣黏度,不同出鋼溫度情況下,應選擇合適爐渣堿度,以獲得合理的液相線溫度以及黏度范圍。

(2)堿度對爐渣結晶特性的影響規律

堿度R=3.0 的CaO-SiO2-Fe2O3(26%)-MgO(6%)渣系冷凝過程的析晶行為如圖3所示,其中SLAGA#1代表熔融渣相;aC2SA 和bC2SA的主要組成均為2CaO·SiO2,同時含少量2Mg O·SiO2;MeO_A#1的主要組分為Mg O;MeO_A#2的主要組分為Ca O;Bred的主要組分為7Ca O·Mg O·4SiO2。從圖中可以看出,當溫度降至1800℃時,有少量MgO 析出,溫度進一步降低至約1645℃時,2CaO·SiO2開始大量析出,溫度約1420℃時,液渣消失即爐渣完全凝固,其中2Ca O·Fe2O3開始大量析出,且有少量CaO 析出。1420℃-1645℃范圍內,爐渣析晶礦相以2CaO·SiO2為主,外加少量Mg O,1120℃-1420℃范圍內,爐渣冷凝礦相主要為2CaO·SiO2和2CaO·Fe2O3,外加少量Mg O 和CaO。

圖3 堿度R=3.0時,CaO-SiO2-Fe2 O3(26%)-Mg O(6%)渣系冷凝過程的析晶礦相

通過比較如圖4 所示CaO-SiO2相圖和圖5所示CaO-Fe2O3相圖,純化合物2CaO·SiO2的熔點較高,為2154℃,而純化合物2CaO·Fe2O3的熔點較低,為1450℃左右。因此,濺渣層中高熔點氧化物2CaO·SiO2能更好抵抗高溫侵蝕。

圖4 CaO-SiO 2 系相圖

圖5 CaO-Fe2 O 3 系相圖

從圖6可以看出,在1500℃條件下,當Fe2O3含量為20-32%時,2CaO·SiO2和2Mg O·SiO2所占比例之和隨堿度增加呈現明顯的先增加后降低的趨勢,且CaO 和MgO 所占比例之和隨堿度增加而增加的幅度較大,當Fe2O3含量為34-40%時,2CaO·SiO2和2Mg O·SiO2所占比例之和先隨堿度增加而明顯增加,隨著堿度進一步增加時,其比例之和僅有較小幅度降低或趨于穩定,而CaO 和Mg O 所占比例之和隨著堿度增加的幅度一直較小。這說明,Fe2O3含量較低條件下,堿度低范圍內增加能增加爐渣中高熔點氧化物Ca(Mg)2SiO4的比例,從而有利于提高濺渣層的抗高溫侵蝕能力,但當堿度增加超過一定值時,爐渣中大量析出CaO 和Mg O,從而導致Ca(Mg)2SiO4比例有所降低,從而惡化爐渣高溫流動性,不利于爐渣噴濺;Fe2O3含量較高時,雖然爐渣能很好溶解各堿度條件下爐渣中CaO 和Mg O,從而保證爐渣高溫良好的流動性,但是由于各堿度條件下爐渣析出礦相Ca(Mg)2SiO4比例較小,從而對爐渣抗高溫侵蝕不利。因此,綜合考慮,1500℃時,若需同時保證爐渣析晶礦相Ca(Mg)2SiO4比例大于30%及Ca(MgO)比例小于5%,則合適的爐渣成分為堿度2.6-3.0和Fe2O3=26-30%。

圖6 1500℃時,堿度R=CaO/SiO2 對CaO-SiO 2-Fe2 O3-Mg O(6%)冷凝過程析晶礦相的影響規律

2.2 Fe2 O3 對爐渣特性的影響規律

(1)Fe2O3含量對爐渣流動特性的影響規律

Fe2O3對CaO-SiO2-Fe2O3-Mg O(6%)渣系黏度-溫度曲線的影響規律如圖7所示。

圖7 Fe2 O3 對CaO-SiO2-Fe2 O3 Mg O(6%)渣系黏度-溫度的影響規律

從圖7中可以看出,堿度為3.0和3.2時,高溫段內,同一溫度下,爐渣黏度隨Fe2O3含量的增加而降低,這主要是由于Fe2O3含量的增加降低了爐渣液相線溫度,從而提高爐渣過熱度以降低黏度;另一方面,低溫段內,Fe2O3含量低時,爐渣黏度隨溫度降低而增加的趨勢很明顯,當Fe2O3含量逐漸增加時,黏度隨溫度降低而增加的趨勢變得平緩,這主要是因為Fe2O3含量的增加抑制了高熔點氧化物硅酸鈣的析出,同時促進了低熔點氧化物鐵酸鈣的析出,使得爐渣的流動性較好。具體地,Fe2O3含量過低時,爐渣高溫黏度過高不利于噴濺,而Fe2O3含量過高時,爐渣低溫黏度靈敏性較低,不利于粘附。因此,為同時滿足爐渣高溫時的噴濺效果以及較低溫時爐渣在爐壁上的粘附能力,應對應不同的出鋼溫度,選擇合適的Fe2O3成分范圍。

(2)Fe2O3含量對爐渣結晶特性的影響規律

圖8為1500℃時,Fe2O3對堿度為2.8 的CaO-SiO2-Fe2O3-Mg O(6%)渣系冷凝過程析晶礦相的影響規律。

圖8 1500℃時,Fe2 O3 對堿度R=2.8的CaO-SiO2-Fe2 O3-MgO(6%)渣系冷凝過程析晶礦相的影響規律

從圖8中可以看出,隨著Fe2O3含量的增加,堿度為2.0-3.0 范圍內,高熔點礦相Ca(Mg)2SiO4所占比例大幅度地降低,不利于爐渣的高溫抗侵蝕能力,當堿度為3.2-4.0時,高熔點礦相Ca(Mg)2SiO4所占比例降低幅度很小,有利于爐渣的高溫抗侵蝕能力。但是,另外當堿度高于2.8 時,Fe2O3含量較低范圍內,爐渣析出的Ca(Mg)O 比例較高,不利于爐渣的高溫流動性。因此,為獲得1500℃條件下合適的Ca(Mg)2SiO4和Ca(Mg)O 比例,以保證爐渣良好的高溫流動性以及抗侵蝕能力,合適的爐渣成分范圍應為堿度R=2.6-3.0和Fe2O3=26-30%。

2.3 Mg O 對爐渣特性的影響規律

(1)MgO 含量對爐渣流動特性的影響規律

從圖9所示Mg O 對堿度為3.0的CaO-SiO2-Fe2O3-Mg O 渣系黏度-溫度曲線的影響規律可以看出,不同Fe2O3含量條件下,不同Mg O 含量對爐渣黏度-溫度曲線的影響不大,這主要是因為爐渣中Mg O 含量相對較少且其對爐渣液相線溫度影響較為復雜,因此,綜合而言,MgO 對爐渣黏度的影響較小。

圖9 MgO 對CaO-SiO2-Fe2 O3-MgO(6%)渣系液相線溫度的影響規律

(2)Mg O 含量對爐渣結晶特性的影響規律

1500℃時MgO 對堿度R=3.0的CaO-SiO2-Fe2O3(30%)-Mg O 渣系冷凝過程析晶礦相的影響規律如圖10所示。

圖10 1500℃時,Mg O 對CaO-SiO2-Fe2 O3(30%)-Mg O 渣系冷凝過程析晶礦相的影響規律

從圖10 中可以看出,不同堿度條件下,隨著MgO 含量的增加,高熔點礦相Ca(Mg)2SiO4所占比例呈現降低趨勢,而CaO+Mg O 礦相所占比例呈現升高趨勢。具體地,當堿度為2.0 時,Ca(Mg)2SiO4所占比例很小且隨Mg O 含量增加而降低的幅度很大,當堿度為2.5-4.0 時,Ca(Mg)2SiO4所占比例較大且隨Mg O 含量增加而降低的幅度很小,說明較高堿度條件下,不同Mg O含量的爐渣均能較好抵抗高溫侵蝕,但是,當堿度越高時,爐渣中析出的CaO+Mg O 所占比例很大且隨Mg O 含量的增加而增加,不利于爐渣高溫流動性。因此,綜合考慮,為保證爐渣良好的高溫流動性以及抗侵蝕能力,爐渣Mg O 含量應控制在較低范圍內,且爐渣堿度應大于2.0。

3 結論

在爐渣R(CaO/SiO2)=2.0-4.0、Fe2O3=20-36%、MgO=3-9%組分范圍內,研究了堿度、Fe2O3、Mg O 爐渣液相線溫度、黏度-溫度曲線和析晶礦相的影響規律,獲得爐渣流動特性及結晶特性利于濺渣護爐的組分范圍,并建立起爐渣液相線溫度和組分關系的數據庫,從而為獲得良好的濺渣護爐條件提供理論指導。所得具體結論如下:

(1)不同Fe2O3含量時,堿度在2.0-4.0范圍內增加時,爐渣液相線溫度單調增加;黏度-溫度曲線在高溫段內基本不變,低溫段內有所增加;1500℃時析晶礦相Ca(Mg)2SiO4比例先增加后降低,Ca(Mg)O 比例一直增加。

(2)不同堿度條件下,Fe2O3含量在20-40%范圍內增加時,爐渣液相線溫度單調遞減;同一溫度下的黏度有所降低,且Fe2O3含量對黏度-溫度曲線影響較大;1500℃時析晶礦相Ca(Mg)2SiO4和Ca(Mg)O 比例均呈現降低趨勢,且降低幅度因堿度而異。

(3)不同堿度和Fe2O3含量條件下,Mg O 含量在3-9%范圍內增加時,爐渣液相線溫度呈現先降低后升高的趨勢;黏度-溫度曲線基本不受MgO 含量影響;1500℃析晶礦相Ca(Mg)2SiO4比例有所降低,而Ca(Mg)O 比例有所增加。

(4)為獲得良好濺渣護爐條件,綜合考慮爐渣流動特性以及結晶特性,以保證良好的噴濺和抗高溫侵蝕能力,合適的爐渣成分范圍為堿度R=2.6-3.0、Fe2O3=26-30%、Mg O=3-6%。