黎均紅,柳 浩,宋明明,張曉林

(1.重慶鋼鐵股份有限公司,重慶 401220; 2.重慶科技學(xué)院,重慶 401331)

重鋼2500 m3高爐爐渣流動性的實(shí)驗(yàn)研究

黎均紅1,柳 浩2,宋明明1,張曉林1

(1.重慶鋼鐵股份有限公司,重慶 401220; 2.重慶科技學(xué)院,重慶 401331)

以重鋼2500 m3高爐實(shí)際爐渣為基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)研究了MgO、Al2O3和R2對爐渣流動性能的影響。結(jié)果表明,爐渣中MgO含量的增加可以降低爐渣的粘度,但粘度的變化相比于其它兩個(gè)因素的影響較小;Al2O3含量對粘度的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,分界點(diǎn)為16%;R2的提高有利于降低爐渣的粘度,但當(dāng)R2超過1.35以后,降低趨勢變得平緩。

高爐;爐渣;流動性能

1 引言

隨著重鋼澳超特粉、巴西粗粉、PB澳粉等礦粉使用量的增多,高爐入爐礦石品位提高的同時(shí),爐渣中Al2O3含量也隨之增加,高爐爐渣出現(xiàn)粘度大、流動性差等現(xiàn)象,導(dǎo)致爐渣冶金性能下降,對高爐生產(chǎn)造成了一定的影響,特別是對高爐初始煤氣分布、爐身中下部軟熔帶造成影響。為此,需要對重鋼高爐爐渣流動性能進(jìn)行研究,考察各影響因素,以期采取針對性措施確保高爐穩(wěn)定順行。

2 粘度實(shí)驗(yàn)方案及過程

在實(shí)驗(yàn)室條件下,通過外配分析純試劑的形式,考察了高爐爐渣中MgO、Al2O3和R2對其流動性能的影響。分別研究MgO含量在7%～11%范圍內(nèi)變化時(shí),Al2O3含量在12%～17%范圍內(nèi)變化時(shí),爐渣R2(CaO/SiO2)在1.07～1.50范圍內(nèi)變化時(shí)對高爐渣粘度的影響。當(dāng)考察某一因素時(shí),其余兩個(gè)因素固定在現(xiàn)場渣的平均水平保持不變。實(shí)驗(yàn)中所用爐渣是以現(xiàn)場渣(見表1)為基礎(chǔ)配加一定的化學(xué)試劑來實(shí)現(xiàn)成分變化,這樣便可準(zhǔn)確找出粘度和熔化性溫度與高爐爐渣化學(xué)成分的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)中也包含了所有微量元素的影響。具體的實(shí)驗(yàn)方案見表2所示。

實(shí)驗(yàn)過程中采用旋轉(zhuǎn)測粘度的方法進(jìn)行測量,在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行,其中氬氣流量控制為1.5 L/min恒定不變;測試所用坩堝為鉬坩堝,坩堝尺寸為:直徑為50 mm,高度為100 mm;鉬測頭的尺寸為:直徑為12 mm,高度為20 mm,測頭浸入熔渣液面以下5 mm;每次實(shí)驗(yàn)更換一次測頭,并進(jìn)行校正。

表1 重鋼2500 m3高爐爐渣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

表2 爐渣性能研究實(shí)驗(yàn)方案(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 定點(diǎn)粘度

3.1.1 MgO含量的影響

當(dāng)爐渣R2=1.18,TiO2=5%,Al2O3=12%時(shí),MgO含量從7%升高至11%時(shí),爐渣粘度隨Mg O含量的變化情況見圖1所示。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸計(jì)算得知,在實(shí)驗(yàn)條件下,隨著爐渣Mg O含量的增加,爐渣粘度逐漸減小,爐渣Mg O含量每增加1%,粘度降低約0.2～1.5泊。從圖1中可以看出,在溫度相同的情況下,爐渣粘度隨著MgO含量的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢,可一定程度改善爐渣的流動性。當(dāng)溫度大于1450℃時(shí),爐渣粘度隨Mg O含量的升高,其降低的趨勢變緩;當(dāng)溫度低于1450℃時(shí),粘度降低趨勢較為明顯。主要是因?yàn)镸gO是堿性氧化物,可提供自由氧離子,也可解體熔渣中的硅氧復(fù)合陰離子,使得NBO/Si數(shù)增加,降低聚合度,從而降低爐渣的粘度,改善爐渣的流動性。同時(shí),隨著Mg O含量的升高,使得爐渣中低熔點(diǎn)的含MgO的礦物也增多,如鈣鎂橄欖石(Ca O· Mg O·SiO2)、鎂薔薇輝石(3CaO·Mg O· 2SiO2)等[2]。

圖1 粘度隨MgO含量的變化情況

3.1.2 Al2O3含量的影響

當(dāng)R2=1.18,TiO2=5%,Mg O=12%時(shí), Al2O3含量從12%升高至18%時(shí),爐渣粘度隨Al2O3含量增加的變化情況見圖2所示。同時(shí),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸計(jì)算得知,在實(shí)驗(yàn)條件下,隨著爐渣Al2O3含量的增加,爐渣粘度逐漸增加,超過16%后逐漸降低。在16%之前,爐渣Al2O3含量每增加1%,粘度增加約0.2～1.2泊。從圖中可以看出,隨著Al2O3含量的增加,爐渣粘度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,當(dāng)溫度為1500℃時(shí),粘度的變化趨勢較為平緩,當(dāng)溫度低于1500℃后,粘度的變化趨勢完全一致;當(dāng)Al2O3含量低于16%時(shí),粘度隨Al2O3含量的增加而升高,之后隨著Al2O3含量的進(jìn)一步升高而降低。

在熔渣中,Al與其周圍的O相結(jié)合時(shí)可以存在兩種配位形式,一種呈四配位,Al3+代替部分的Si進(jìn)入絡(luò)陰離子,起網(wǎng)絡(luò)形成子的作用;另一種是Al3+可以呈六配位存在于硅氧骨干之外,起著類似Mg2+、Fe2+等陽離子的作用,在結(jié)構(gòu)中充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)修飾子,因此,Al2O3是一種兩性氧化物,在熔渣中它既是網(wǎng)絡(luò)形成子的酸性氧化物,又是網(wǎng)絡(luò)修飾子的堿性氧化物。在本實(shí)驗(yàn)中,隨著Al2O3含量的增加,爐渣粘度呈現(xiàn)上升的趨勢,這說明在實(shí)驗(yàn)熔渣中Al2O3表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)形成子的酸性氧化物行為,使得爐渣的聚合度增加,粘度升高。

圖2 粘度隨Al2O3含量的變化情況

3.1.3 R2的影響

當(dāng)TiO2=5%,Mg O=8%,Al2O3=12%時(shí), R2從1.07升高至1.27時(shí),爐渣粘度隨R2的變化情況見圖3所示。同時(shí),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸計(jì)算得知,在實(shí)驗(yàn)條件下,隨著爐渣R2的增加,爐渣粘度逐漸降低,爐渣堿度每增加0.01,粘度降低約0.2泊。從圖中可以看出,隨著爐渣堿度的增大,爐渣粘度呈現(xiàn)減小的趨勢,當(dāng)堿度低于1.35時(shí),減小趨勢非常明顯,之后趨于平緩;當(dāng)溫度低于1450℃時(shí),堿度變化對爐渣粘度的影響較大。

隨著堿度的增加,CaO的分解向熔渣中提供更多的自由氧離子(O2-),這些自由氧離子與橋氧(O0)相互作用,破壞了爐渣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),導(dǎo)致爐渣粘度的降低。隨著堿度的進(jìn)一步升高,由于只有相對少量的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以與之作用,使得向熔渣中提供的自由氧離子數(shù)目將會過量,不再會進(jìn)一步解聚爐渣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而對爐渣粘度的影響減小。

圖3 粘度隨R2的變化情況

3.2 粘流活化能

3.2.1 MgO含量的影響

實(shí)驗(yàn)所求得的粘流活化能隨Mg O含量的變化情況見圖4。從圖中可以看出,隨著MgO含量的升高,爐渣的粘流活化能呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,且當(dāng)MgO含量超過9%以后,粘流活化能的下降趨勢明顯大于之前。由于所測定點(diǎn)粘度均在爐渣熔點(diǎn)以上,爐渣處于完全流動狀態(tài),假定溫度對粘流活化能的大小沒有影響,爐渣粘流活化能的變化主要是由于爐渣結(jié)構(gòu)的變化所引起。隨著MgO含量的不斷增加,渣中的硅氧絡(luò)離子不斷解聚,粘滯流動單元成為結(jié)構(gòu)簡單的質(zhì)點(diǎn),尺寸變小,移動時(shí)所需的粘流活化能減小,爐渣的粘度相應(yīng)地降低。這也與定點(diǎn)粘度測試結(jié)果得到了很好的相互印證。

圖4 爐渣的粘流活化能隨Mg O含量的變化情況

3.2.2 Al2O3含量的影響

圖5所示為所求得的粘流活化能隨Al2O3含量的變化情況。從圖中可以看出,隨著Al2O3含量的升高,爐渣的粘流活化能呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。當(dāng)Al2O3含量低于14%時(shí),爐渣的粘流活化能隨著Al2O3含量的升高逐漸升高;當(dāng)Al2O3含量高于14%以后,隨著Al2O3含量的升高,爐渣的粘流活化能迅速下降;當(dāng)Al2O3含量進(jìn)一步升高至15.5%以后,爐渣的粘流活化能逐漸趨于平緩。

圖5 爐渣的粘流活化能隨Al2O3含量的變化情況

3.2.3 R2的影響

圖6所示為所求得的粘流活化能隨R2的變化情況。從圖中可以看出,隨著R2的升高,爐渣的粘流活化能整體上呈現(xiàn)下降的趨勢。堿度在1.12升高至1.27的過程中,爐渣的粘流活化能的變化較小[2]。

圖6 爐渣的粘流活化能隨R2的變化

3.3 熔化性溫度

爐渣的熔化溫度是爐渣中固相完全消失的溫度,但此時(shí)熔渣的粘度是比較高的,甚至在相當(dāng)大的溫度范圍內(nèi)還處于半流動狀態(tài)。為使高爐順行,應(yīng)使?fàn)t渣熔化后的溫度保證爐渣達(dá)到自由的流動。這個(gè)最低溫度稱之為熔化性溫度,與熔渣的粘度密切相關(guān)。

3.3.1 Mg O含量的影響

當(dāng)R2=1.18,TiO2=5%,Al2O3=12%時(shí),不同Mg O含量時(shí)的熔化性溫度的變化情況見圖7。從實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),隨著溫度降低爐渣的粘度逐漸降低,當(dāng)降低至某一溫度時(shí),爐渣的粘度急劇升高,爐渣表現(xiàn)為短渣的特性。當(dāng)MgO含量從7%增加至11%的過程中,爐渣的熔化性溫度逐漸升高,且熔化性溫度與MgO含量變化關(guān)系滿足如下二次函數(shù)。

式中:x—爐渣中的MgO含量;

Y—爐渣的熔化性溫度。

Mg O含量在7%～11%的范圍內(nèi)變化時(shí),爐渣的熔化性溫度變化約為18℃,每增加1%,爐渣的熔化性溫度增加4℃。這主要是因?yàn)?隨著MgO含量的進(jìn)一步增加,爐渣中諸如尖晶石(Mg O· Al2O3)和方鎂石(MgO)等高熔點(diǎn)礦物開始析出。

圖7 不同Mg O含量時(shí)的粘溫曲線及熔化性溫度的變化

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析,可以認(rèn)為重鋼高爐渣R2= 1.18,Al2O3=12%,TiO2=5%,MgO含量在7%～ 11%的范圍內(nèi)變化時(shí),爐渣在高溫熔融狀態(tài)下的粘度均在5泊以下,流動性較好,爐渣的熔化性溫度變化有18℃左右,從熔化性溫度角度看,重鋼高爐渣MgO含量應(yīng)控制在11%以下。

3.3.2 Al2O3含量的影響

當(dāng)R2=1.17,TiO2=5%,MgO=8%時(shí),不同Al2O3含量時(shí)的粘溫曲線及熔化性溫度的變化情況見圖8。從實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn),隨著溫度降低爐渣的粘度逐漸降低,當(dāng)降低至某一溫度時(shí),爐渣的粘度急劇升高,爐渣表現(xiàn)為短渣的特性。當(dāng)Al2O3含量從11%升高至18%的過程中,爐渣的熔化性溫度呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。爐渣中的(Al O4)5-離子團(tuán)數(shù)量增加,渣中高熔點(diǎn)的復(fù)雜化合物也較易形成,相圖中尖晶石區(qū)域擴(kuò)大,鋁方柱石增加,黃長石區(qū)域逐漸縮小,爐渣的熔化性溫度升高。

圖8 不同Al2O3含量時(shí)的粘溫曲線及熔化性溫度的變化

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在R2=1.17,TiO2=5%,Mg O =8%時(shí),爐渣中Al2O3含量不宜超過16%,此時(shí)爐渣的粘度和熔化性均較高,爐渣穩(wěn)定性較差,一旦爐溫出現(xiàn)較大的波動,將造成爐況不順。但后來增做的Al2O3為17%和18%的結(jié)果顯示,隨著Al2O3的進(jìn)一步升高,爐渣的粘度呈現(xiàn)下降的趨勢。

3.3.3 R2的影響

當(dāng)Al2O3=12%,TiO2=5%,MgO=8%時(shí),不同R2時(shí)的粘溫曲線及熔化性溫度的變化情況見圖9。隨著R2的升高,爐渣的熔化性溫度呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。

圖9 不同Ca O/SiO2時(shí)的粘溫曲線及熔化性溫度的變化

4 結(jié)論

(1)重鋼高爐爐渣中MgO含量的增加可以降低爐渣的粘度,但粘度的變化相比于Al2O3含量、CaO/SiO2兩個(gè)因素的影響較小。

(2)從實(shí)驗(yàn)情況看,重鋼高爐渣Al2O3含量對粘度的影響呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,分界點(diǎn)為16%;高爐渣中CaO/SiO2的提高有利于降低爐渣的粘度,但當(dāng)R2超過1.35以后,降低趨勢變緩。

(3)基于重鋼現(xiàn)場渣及實(shí)驗(yàn)結(jié)果看,重鋼高爐渣Al2O3控制在12%～15%之間比較合適,MgO控制在7%～11%,但工業(yè)生產(chǎn)中要考慮其經(jīng)濟(jì)性。

[1] 李仁生,趙仕清,張曉林,等.Mg O對重鋼高爐渣冶金性能的影響[J].煉鐵,2014,33(6):33-36.

[2] 郭德勇,張 杰,魯?shù)虏?等.堿度對CaO-SiO2-Al2O3-Mg O-TiO2渣系黏度的影響[J].鋼鐵,2014,49(10):13 -17.

Experimental Study on Blast Furnace Slag Fluidity in Chongqing Steel

LI Junhong1,LIU Hao2,SONG Mingming1,ZHANG Xiaolin1
(1.Chongqing Iron and Steel Co.Ltd.,Chongqing 401220,China; 2.Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331,China)

Based on the actual slag of 2500 m3blast furnace in Chongqing steel,the influence of Mg O,Al2O3and R2on the slag flow performance was studied experimentally.The results show that the increase of MgO content in slag can reduce the viscosity of slag,but compared to the other two factors,it had little effect on the viscosity change. The effect of Al2O3content on the viscosity increased first and then decreased,and the cut-off point was 16%.The improvement of R2was beneficial to reduce the viscosity of the slag,but the decreasing trend slowed down when it exceeded 1.35.

blast furnace,slag,flow-ability

TF534.1

A

1001-5108(2017)03-0022-05

黎均紅,碩士,高級工程師,主要從事高爐煉鐵技術(shù)和管理工作。