李偉,張玉柱,邢宏偉,龍躍

(河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北 唐山063000)

0 引 言

我國鋼渣的年排放量在1億噸以上,而且每年遞增。對(duì)它的處理和再利用是實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境保護(hù)的重要措施。研究鋼渣的性質(zhì),一般都需要將其熔融,這就要求有好的熔化鋼渣的容器。氧化鎂制品由于其耐高溫,耐酸堿,并且對(duì)熔渣的侵蝕有一定的抵抗作用,所以被廣泛用做熔化鋼渣的容器。

1 氧化鎂坩堝的性質(zhì)

高純氧化鎂坩堝的主要成分是M gO,含量在99%以上,主晶相為方鎂石,熔點(diǎn)在2700℃左右,最高使用溫度為2000℃,氣孔率≤1.0%,體積密度在3.3～3.5 g/cm2,露置空氣中極易吸水變成Mg(OH)2,因此需要密閉保存。由于其性質(zhì)的特殊,所以其坩堝制品抗熔融金屬的還原作用特別強(qiáng)。

2 鋼渣的性質(zhì)

鋼渣是一種礦物熔渣,是煉鋼過程中排出的冶金熔渣[1]。它主要是由鈣、鐵、硅、鎂、錳、磷等氧化物構(gòu)成的,其中鈣、鐵、硅、鎂的氧化物占絕大部分[2]。鋼渣組分對(duì)侵蝕的影響是非常大的,過程也是非常復(fù)雜的。鋼渣的化學(xué)成分見表1。

表1 鋼渣化學(xué)成分

3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)選用的氧化鎂坩堝尺寸為60 mm×40 mm,壁厚為5mm。預(yù)先稱好鋼渣25 g放入氧化鎂坩堝中,將試樣連同坩堝一起放入實(shí)驗(yàn)爐內(nèi)。選取不同升溫速度將試樣升到所需溫度。保溫不同的時(shí)間觀察坩堝侵蝕的程度。

3.2 實(shí)驗(yàn)條件

表2 實(shí)驗(yàn)條件

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在不同的升溫速度下,保溫相同的時(shí)間,鋼渣對(duì)氧化鎂坩堝的侵蝕程度是不一樣的。這說明,升溫速率對(duì)坩堝侵蝕的事有一定影響的。在相同的升溫速率下,保溫不同的時(shí)間,鋼渣對(duì)氧化鎂坩堝的侵蝕程度也是不同的。保溫時(shí)間越長,鋼渣對(duì)氧化鎂坩堝的侵蝕程度越嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)后的坩堝見下圖。

由圖可見,不同的升溫速率及保溫時(shí)間對(duì)坩堝的侵蝕程度是不同的。升溫速度快鋼渣對(duì)坩堝的侵蝕程度較輕;保溫時(shí)間長,鋼渣對(duì)坩堝的侵蝕程度也嚴(yán)重。在實(shí)驗(yàn)條件下試樣的侵蝕以滲透為主。對(duì)于1號(hào)樣而言,渣侵蝕部位由原來的白色變?yōu)楹谏蛏詈稚?結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬,離開渣蝕面顏色變化不明顯。對(duì)于2號(hào)樣來說,渣侵蝕部位由原來的白色變?yōu)楹稚蛏罨疑?結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬,離開渣蝕面顏色顏色逐漸變淺。坩堝內(nèi)幾乎無鋼渣,僅僅在渣蝕面上可以看到一層鋼渣。從圖中可以看出不同的實(shí)驗(yàn)條件鋼渣對(duì)氧化鎂坩堝的侵蝕程度是不同的。

4 結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)后的坩堝進(jìn)行分析,觀察其侵蝕結(jié)果。對(duì)侵蝕后的氧化鎂坩堝進(jìn)行能譜分析,主要元素如下。

由圖中可以看出,侵蝕前后坩堝中鎂的含量是變化的。究其原因,認(rèn)為鋼渣中氧化鎂含量升高有兩個(gè)因素:一是鋼渣侵蝕坩堝,使M gO擴(kuò)散至鋼渣中;一是鋼渣中低熔點(diǎn)組分在實(shí)驗(yàn)溫度下滲透到試樣中。

這點(diǎn)也可從反應(yīng)前后的鋼渣中看出來。

由圖5和圖6可以看出,附渣層中氧化鎂含量明顯高于原渣中的含量。

陳肇友[3]經(jīng)近似計(jì)算,繪制了M gO在1600℃時(shí)在CaO-A l2O3-SiO2渣中的等溫溶解度曲線,如圖3所示。

圖7 1600℃時(shí)MgO在CaO-A l2 O3-SiO2渣中的等溫溶解度曲線

將使用前鋼渣中的CaO、A l2 O3、SiO2的原含量按三元系換算后,其含量為:CaO(46.81)-A l2 O3(17. 78)-SiO2(35.41)。MgO在該渣中的溶解度為15%,而原始?xì)獯沅撛蠱 gO的含量是7.88%,顯然在該渣中未飽和,仍可從坩堝中吸收MgO。這一結(jié)果與能譜檢測結(jié)果一致。

從圖3和圖4中?？梢钥闯銎渌氐淖兓?為了進(jìn)一步研究侵蝕過程,對(duì)侵蝕后的氧化鎂坩堝進(jìn)行XRD衍射,結(jié)果見下圖。

由衍射結(jié)果可以看出,主要是在高溫條件下形成了一些尖晶石及其固溶體。在高溫階段,晶體的熱平衡空位數(shù)量大增,它對(duì)擴(kuò)散的作用大于晶界。固溶體的形成主要是由于氧化物中存在空位?？瘴坏臄?shù)量和溫度有很大關(guān)系,溫度越高,熱平衡空位越多,氧化物中正負(fù)離子的擴(kuò)散就越容易,反應(yīng)就越容易。相應(yīng)的固溶體的生成量就越多。在實(shí)驗(yàn)條件下,主要是鐵,鈣,鋁及硅的氧化物溶于M gO中形成了多種不同的固溶體,如圖8所示。

圖8 侵蝕后的氧化鎂坩堝XRD圖

5 小 結(jié)

5.1 鋼渣對(duì)氧化鎂坩堝的侵蝕主要可以歸結(jié)為兩點(diǎn)。一是鋼渣的M gO沒有達(dá)到其飽和溶解度,可以繼續(xù)吸收坩堝的MgO。二是鋼渣中的低熔點(diǎn)組分滲透到坩堝中,與其結(jié)合生成不同的固溶體。

5.2 針對(duì)這兩點(diǎn),設(shè)計(jì)了解決方案。首先是針對(duì)鋼渣的組分作調(diào)整,盡量使其達(dá)到M gO的飽和溶解度;其次是控制升溫速度和保溫時(shí)間。經(jīng)過試驗(yàn),這種方法能夠有效的控制氣淬鋼渣對(duì)氧化鎂坩堝的侵蝕。

[1] 趙青林,周明凱,魏茂.德國冶金渣及其綜合利用情況[J].硅酸鹽通報(bào),2006,25(6):165～171.

[2] 侯貴華,李偉峰,郭偉,陳景華,羅駒華,王京剛.轉(zhuǎn)爐鋼渣的顯微形貌及礦物相[J].硅酸鹽學(xué)報(bào),2008,36(4):436～443.

[3] 陳肇友.化學(xué)熱力學(xué)與耐火材料[M].北京,冶金工業(yè)出版社,2005.