姜喆¹，車玉滿¹，郭天永¹，孫鵬¹，姚碩¹，趙立軍²

（1. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009；2. 鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧營口115007）

摘要：針對(duì)國內(nèi)高爐煉鐵原料中Al₂O₃含量不斷提高和高爐爐渣中（MgO）/（Al₂O₃）偏高的情況，通過相圖分析和對(duì)比高（MgO）/（Al₂O₃）和低（MgO）/（Al₂O₃）渣的爐渣粘度和熔化性溫度，提出了當(dāng)高爐采用低（MgO）/（Al₂O₃）渣制度時(shí)應(yīng)采取的冶煉措施。分析表明，爐渣中MgO 含量低時(shí)，可以通過適當(dāng)提高二元堿度和爐渣過熱度的方法保證爐渣的流動(dòng)性，但二元堿度不易超過1.25，否則爐渣熔化性溫度超過1380℃，高爐操作抗波動(dòng)能力下降。

關(guān)鍵詞： 高爐；Al₂O₃；爐渣；過熱度；二元堿度

隨著高Al₂O₃鐵礦石用量增加， 爐渣中Al₂O₃含量大幅度增加，國內(nèi)個(gè)別高爐爐渣中的Al₂O₃含量超過20%，引起爐渣粘度增加、燃料比升高，導(dǎo)致爐況不順。為解決這一問題，國內(nèi)煉鐵工作者通常在造塊過程中添加白云石或蛇紋石等含MgO熔劑，以稀釋爐渣、提高爐渣流動(dòng)性。但是燒結(jié)礦和球團(tuán)礦中MgO 含量提高容易造成燒結(jié)礦和球團(tuán)礦強(qiáng)度下降，燃耗增加^［1-2］。與國內(nèi)冶煉高鋁礦的造渣制度不同， 韓國鋼鐵廠高爐普遍采用高氧化鋁低氧化鎂的造渣制度，爐渣中的MgO 含量在4%~5%之間^［3］。在造塊過程中不需要額外加入MgO 熔劑，不僅降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)降低了噸鐵渣比，保證了高爐順行^［4］。為此，鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院根據(jù)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)相圖分析深入探討了MgO 和二元堿度對(duì)爐渣冶金物理性能的影響，為高Al₂O₃含量條件下合理的選擇造渣制度提供理論依據(jù)。

1  實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.1  實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)選用由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、儀表柜、熔體測定儀等組成的RTW-10 型熔體物性綜合測定儀。高溫爐為Ф55mm 二硅化鉬電阻爐，高溫區(qū)恒溫帶大于60mm，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序控溫；石墨坩堝的尺寸為Ф40mm×70mm，測溫范圍為0~1600℃；溫度變送器精度為±0.05%，控溫方式由A/D 板輸入、輸出；熔體測定儀精度為0.000 1 Pa·S。為使樣品在坩堝內(nèi)的高度保證在40mm，一般所測爐渣質(zhì)量在140g 左右， 以確保熔化爐渣在恒溫區(qū)內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

為全面了解在CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO四元渣系中二元堿度和MgO對(duì)爐渣性能的影響，用純化學(xué)試劑為原料配制不同化學(xué)成分的爐渣進(jìn)行爐渣粘度和熔化性溫度實(shí)驗(yàn)， 研究CaO對(duì)高Al₂O₃渣中MgO 的替代作用，實(shí)驗(yàn)方案中爐渣成分見表1所示。

2  MgO 對(duì)爐渣性能的影響

2.1  MgO 對(duì)爐渣粘度的影響

圖1為堿度（R₂）為1.15，Al₂O₃含量為16%時(shí)MgO 含量與爐渣粘度和溫度的關(guān)系。

由圖1可以看出，當(dāng)渣中Al₂O₃含量和二元堿度確定時(shí)，爐渣粘度隨渣中MgO 含量增加總體呈降低趨勢， 當(dāng)渣中MgO 含量從4.5%變化到10%時(shí)，爐渣粘度分別從1490℃、1450℃和1 410℃時(shí)的0.51、0.79 和1.02 Pa·s 降到0.17、0.32 和0.59 Pa·s，高Al₂O₃渣的流動(dòng)性和爐渣隨溫度的穩(wěn)定性可以明顯改變復(fù)雜的硅鋁酸鹽網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)解聚。很顯然在二元堿度為1.15，Al₂O₃含量為16%條件下，高Al₂O₃低MgO 渣不利于高爐冶煉。

2.2  MgO 對(duì)爐渣熔點(diǎn)的影響

研究了ω（MgO）對(duì)爐渣熔化性溫度和粘度的影響。隨著ω（MgO）的升高，熔化性溫度逐漸升高。當(dāng)爐渣中MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，熔化性溫度最高,達(dá)1 367℃；當(dāng)MgO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5%時(shí)，爐渣熔化溫度最低，達(dá)1333 ℃，兩者相差34 ℃。MgO是一種堿性氧化物，在CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO四元渣系中，提高M(jìn)gO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以促使部分復(fù)合陰離子解體。在渣系相圖中可知，解體的離子會(huì)與Al₂O₃等形成尖晶石、方鎂石等高熔點(diǎn)化合物，從而提高爐渣熔化性溫度。

3  高爐高Al₂O₃渣中CaO 對(duì)MgO 替代作用影響

3.1  CaO 替代MgO 后對(duì)爐渣高溫粘度的影響

ω（Al₂O₃）為16%的渣樣在不同二元堿度爐渣粘度曲線和ω（Al₂O₃）為16%的不同爐渣粘度曲線渣粘度對(duì)比分別見圖2和圖3。

從圖2和圖3可以看出，隨著渣中CaO/SiO₂比的增加， 粘度逐漸降低，說明CaO是堿性氧化物，可以在高溫下有效提高氧自由離子，解聚渣中復(fù)雜的硅鋁酸鹽層狀結(jié)構(gòu)， 從而降低爐渣粘度，提高爐渣流動(dòng)性。但降低幅度要小于提高M(jìn)gO含量時(shí)爐渣粘度下降的幅度。當(dāng)二元堿度從1.15 提高到1.25，ω（CaO）從42.52%提高到44.17%時(shí)，ω（CaO）提高1.65%， 爐渣溫度在大于1360℃時(shí)的6 號(hào)渣高溫粘度與二元堿度為1.15、ω（MgO）為6%時(shí)的2號(hào)渣粘度相當(dāng),其爐渣粘度略大于二元堿度為1.15、ω（MgO）為8%時(shí)的3號(hào)渣粘度。當(dāng)6號(hào)渣的渣溫高于3 號(hào)渣20 ℃以上時(shí)，爐渣粘度基本上與二元堿度為1.15、ω（MgO）為8%時(shí)的3 號(hào)渣粘度相當(dāng)。為了使高鋁低鎂渣滿足大高爐對(duì)高爐渣流動(dòng)性的要求，需要高爐溫操作，目前國內(nèi)冶煉高鋁礦的高爐爐渣中ω（MgO）一般控制在7%～12%，（MgO）/（Al₂O₃）普遍控制在0.6 以上^［5-6］，出鐵溫度下限一般控制在1480℃以上, 因此當(dāng)高爐采用高Al₂O₃低MgO的冶煉制度時(shí)，為了保證高爐渣的流動(dòng)性，出鐵溫度下限至少控制在1500 ℃以上。

3.2  CaO替代MgO后對(duì)爐渣熔化性溫度的影響

圖4顯示了渣樣的熔化性溫度隨渣中CaO/SiO₂比值的不同所發(fā)生的變化。

由圖4可知，1號(hào)、5號(hào)和6號(hào)渣樣的粘度-溫度曲線表現(xiàn)出“短渣”特性。溫度低于轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度時(shí)，隨著溫度的降低，爐渣的粘度快速升高，很快增加到2.0 Pa.s 以上， 而且渣中CaO/SiO₂比值越高，該渣樣轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度越高，即熔化性溫度越高。這可能是由于爐渣二元堿度增加后，生成的高熔點(diǎn)硅酸鈣（2CaO·SiO₂）數(shù)量增加，或者直接析出CaO 固體，導(dǎo)致渣中出現(xiàn)微小不溶固體，使?fàn)t渣變成不均勻液相，從而提高了爐渣的粘度。

相比于MgO 對(duì)爐渣熔化性溫度的影響，二元堿度對(duì)爐渣熔化性溫度影響更加明顯，二元堿度為1.25 的6號(hào)渣樣， 熔化性溫度已經(jīng)達(dá)到1382 ℃。雖然堿度提高有利于脫硫等化學(xué)反應(yīng)和降低高溫下爐渣粘度，使流動(dòng)性得到改善，但是這種渣熔化性溫度過高，允許高爐波動(dòng)空間小，受爐溫和爐渣成分的影響更加敏感， 一旦爐況或原燃料條件出現(xiàn)波動(dòng)，爐渣粘度就可能急劇變化。因此操作時(shí)一定要選擇合適的二元堿度， 不可為降低爐渣粘度過度提高渣中二元堿度來達(dá)到提高爐渣流動(dòng)性的目的。當(dāng)爐渣二元渣堿度較高時(shí)，同時(shí)還應(yīng)選擇高爐溫操作方式， 增加高爐允許的爐況或成分波動(dòng)空間，尤其是冶煉高Al₂O₃渣，否則當(dāng)出現(xiàn)異常爐況或休風(fēng)后恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，爐缸內(nèi)部爐渣溫度過低，爐渣熔化性溫度高，原先熔化的渣鐵，容易重新凝固，引起爐缸堆積，造成高爐出渣出鐵困難。ω（Al₂O₃）為16%、二元堿度為1.15、ω（MgO）分別為8%和10%時(shí)的3 號(hào)和4 號(hào)渣熔化性溫度分別為1363℃和1368℃，而相同Al₂O₃含量，二元堿度為1.25、ω（MgO）為4.5%的爐渣熔化性溫度為1382℃，二者相差在20℃之內(nèi)，如3.1所述增加出鐵溫度下限到1500 ℃， 完全可以保證高爐的爐況或成分波動(dòng)空間在可控范圍之內(nèi)。

4  Al₂O₃-CaO-MgO-SiO₂相圖分析

如圖5所示，將相圖中的液相線溫度固定為1350℃， 使體系中MgO 的含量分別為4.5%、6.0%、8.0%、10.0%， 做出SiO₂、CaO 和Al₂O₃連續(xù)變化的相圖，以便研究渣中MgO 含量和二元堿度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。做出代表堿度為0.9 和1.3 的直線。隨著MgO 含量的增加，爐渣的液相線向低堿度的方向移動(dòng)。即MgO 含量越低時(shí)，所允許的最高二元堿度越高；MgO 含量越高時(shí)，所允許的最高二元堿度越低，否則爐渣熔點(diǎn)增加，容易造成高爐爐缸堆積，高爐難以操作，其結(jié)果與廣鋼的研究結(jié)果一致^［7］。

圖6是將爐渣中Al₂O₃含量固定為16%，其他三個(gè)組分逐漸變化的四元相圖。等溫線由內(nèi)向外溫度逐漸增加，每兩條等溫線的溫差為20℃，在同一等溫線上的點(diǎn)組分雖然不同，但其熔點(diǎn)是相同的，熔點(diǎn)即為所在等溫線對(duì)應(yīng)的溫度。

在相圖中直線1代表堿度為1.0的組分，直線2代表堿度為1.15的組分， 直線3代表堿度為1.25的組分， 直線4代表MgO為4.5%的組分，直線5代表MgO為10%的組分。直線4、5截直線1、2和3的部分就表示爐渣中ω（A1₂O₃）為16%、二元堿度分別為1、1.15 和1.25，MgO含量分別由4.5%到10%的變化過程。

由圖6可以看出， 隨著MgO含量的增加，二元堿度為1.00 和1.15 的爐渣熔點(diǎn)緩慢增加。直線1和直線3截直線4和直線5的部分就表示爐渣中ω（A1₂O₃）為16%、MgO 含量分別為4.5%和10.0%，堿度分別由1.00到1.25的變化過程。隨著二元堿度的增加，爐渣熔點(diǎn)迅速升高。MgO含量為4.5%時(shí)，爐渣的熔點(diǎn)由二元堿度為1.00 時(shí)的低于1300℃增加到大于1380℃；MgO含量為10.0%時(shí)，爐渣的熔點(diǎn)由二元堿度為1.00 時(shí)的1300℃也增加到大于1380℃。相比于MgO含量變化對(duì)爐渣熔點(diǎn)的影響，二元堿度對(duì)爐渣熔點(diǎn)的影響更加靈敏。這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致，因此在高爐使用低（MgO)/（A1₂O₃）造渣制度生產(chǎn)過程中一定要嚴(yán)格控制二元堿度的波動(dòng)。

5  結(jié)論

（1）爐渣中適宜的ω(MgO)含量有助于提高爐渣流動(dòng)性，但是隨著ω(MgO)含量的增加，爐渣熔化性溫度也增加，所允許的最高二元堿度也降低。

（2）對(duì)于高A1₂O₃含量低(MgO)/（A1₂O₃）爐渣，可以通過提高二元堿度來改善爐渣的流動(dòng)性，但是二元堿度不可高于1.25， 否則高爐爐渣熔化性溫度過高， 當(dāng)爐況出現(xiàn)波動(dòng)或休風(fēng)后復(fù)風(fēng)時(shí)容易引起爐缸堆積，出渣出鐵困難。

（3）充足的熱量是低（MgO）/（A1₂O₃）冶煉高爐順行的基礎(chǔ)，可以提高爐渣過熱度，有效地降低（MgO）/（A1₂O₃）冶煉時(shí)因爐渣熔化性溫度升高，而產(chǎn)生爐缸凍結(jié)、堆積和出渣出鐵困難的風(fēng)險(xiǎn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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