1、邢钢高炉渣冶金性能的实验室研究万爱珍摘 要 对邢钢高炉渣粘度、脱硫能力、熔化温度进行了实验测定和分析研究。研究结果表明:该渣是比较难熔且热稳定性不良的短渣,高温下流动性好但脱硫能力一般,配合系列人工合成渣样实验研究,初步预报了邢钢高炉渣适宜的成分范围。关键词 高炉渣 冶金性能 实验室研究LABORATORY STUDY ON METALLURGICAL PROPERTIESOF BF SLAG IN XINGTAI IRON MgO: 7 %8 %;SiO 2: 28 %40 %;Al2O3: 10%13 %;S: 0.5 %1.5 %;FeO: 0.3 %0.6 %。测试研究的炉渣成分范围在
2、现场统计平均成分范围的基础上适当展宽,特别对碱度稍高的渣样进行了较多补充。为兼顾洗炉渣,在试验炉渣中配加了CaF2,除选取生产渣渣样以外,按混料单形重心设计配制了人工合成渣,并按 R2w(CaO)/w(SiO 2)、w(S)、w(MgO)、w(Al 2O3)和 w(CaF2)5 个因素各 3 个数据水平进行编排,表 1 是高炉生产渣样和人工合成渣样成分表。表 1 邢钢高炉生产渣样和人工合成渣样成分(w) %渣样号 CaO SiO2 S MgO Al2O3 CaF2 FeO R2 R392073 号 38.90 33.55 1.02 7.88 11.22 0.00 0.54 93.11 1.15
3、9 1.3949号 38.90 33.55 1.06 7.66 11.44 0.00 92.61 1.159 1.38870929 号 38.72 35.75 1.08 7.43 11.26 0.00 0.54 94.78 1.083 1.29170930 号 38.48 37.12 1.10 7.58 12.17 0.00 96.45 1.037 1.24192160 号 32.35 40.60 0.96 7.65 12.51 0.00 0.38 94.45 0.797 0.98692135 号 36.30 38.86 1.08 7.95 13.01 0.00 0.54 97.74 0.93
4、4 1.13971111 号 36.26 38.76 1.08 7.85 11.54 0.00 0.48 95.97 0.936 1.13842299 号 28.05 31.47 1.24 7.76 11.30 0.00 0.56 80.38 0.891 1.13842208 号 32.22 40.04 0.51 7.96 11.40 0.00 0.45 92.58 0.805 1.00370921 号 36.03 36.86 1.20 7.81 10.72 0.00 0.51 93.13 0.977 1.189合成 1 号 42.81 35.69 0.50 10.00 11.00 0.00
5、0.00 100.00 1.199 5 1.480 0合成 2 号 38.75 38.75 1.50 10.00 11.00 0.00 0.00 100.00 1.000 0 1.258 0合成 3 号 38.75 36.75 0.50 15.00 11.00 0.00 0.00 100.00 1.000 1.408合成 4 号 38.25 38.25 0.05 10.00 13.00 0.00 0.00 100.00 1.000 1.261合成 5 号 34.25 34.25 0.05 10.00 11.00 10.00 0.00 100.00 1.000 1.292合成 6 号 40.86
6、 37.14 1.00 10.00 11.00 0.00 0.00 100.00 1.100 1.369合成 9 号 38.50 35.00 0.50 10.00 11.00 5.00 0.00 100.00 1.100 1.386合成 10 号 37.75 37.75 1.00 12.50 11.00 0.00 0.00 100.00 1.000 1.325合成 11 号 38.50 38.50 1.00 10.00 12.00 0.00 0.00 100.00 1.000 1.260合成 12 号 36.50 36.50 1.00 10.00 11.00 5.00 0.00 100.00
7、1.000 1.274合成 13 号 37.50 37.50 0.50 12.50 12.00 0.00 0.00 100.00 1.000 1.333合成 14 号 35.50 35.50 0.50 12.50 11.00 5.00 0.00 100.00 1.000 1.352合成 15 号 36.25 36.25 0.50 10.00 12.00 5.00 0.00 100.00 1.000 1.276合成 16 号 39.25 39.25 0.50 10.00 11.00 0.00 0.00 100.00 1.000 1.255在熔点、粘度和脱硫能力实验中,各渣样重复两次,以检验数据的
8、重现性。熔点、粘度测定结果见表 2。脱硫能力测定结果见表 3。 表 2 邢钢高炉渣样和人工合成渣样熔化性质与热稳定性数据渣样号熔化温度/=20 泊时的温度/=1.0时的温度/ 从 20 泊至 50 泊的温度间隔/(t25)的 /泊92073 号 1 382 1 385 1 391 1 385-1 378=7 -11=9号 1 392 1 396 1 394.5 1 396-1 381=15 160-14.5=145.570929 号 1 413 1 414 1 415.5 1 414-1 410=4 172.5-10=162.570930 号 1 396 1 391 1 392 1 391-1
9、 382=9 175-13=16292160 号 1 408 1 415 1 418 1 415-1 402=13 156-12=14492135 号 1 395 1 390 1 394 1 390-1 379=11 -14=71111 号 1 412 1 425 1 435 1 425-1 404=21 114-10=10442299 号 1 420 1 411 1 414 1 412-1 405=7 235-9.5=225.542208 号 1 416 1 413 1 418 1 411-1 400=11 152-13=13970921 号 1 387 1 386 1 393 1 386-
10、1 380=6 238-9.5=228.5人工合成 1号 1 444 1 548 1 487 1 548-1 507=41 29.5-15=14.5人工合成 2号 1 407 1 417 1 423 1 417-1 416=1 400-8=392人工合成 3号 1 412 1 463 1 450 1 463-1 441=22 72-14.5=57.5人工合成 4号 1 397 1 425 1 436 1 425-1 418=7 168.5-6.5=162人工合成 5号 1 308 1 293 1 300 1 293-1 290=3 137-8.5=128.5人工合成 6号 1 465 1 47
11、0 1 469 1 470-1 453=17 68-10=58人工合成 7号 1 472 1 628 1 4931 628-1 492=136 22.5-17.5=5人工合成 8号 1 418 1 481 1 430 1 481-1 425=56 26-16.5=9.5人工合成 9号 1 360 1 392 1 367 1 392-1 356=36 36-15.5=20.5人工合成 10号 1 426 1 473 1 422 1 473-1 417=56 28-14.5=13.5人工合成 11号 1 403 1 467 1 447 1 467-1 435=32 40.5-9.5=31人工合成
12、12号 1 345 1 355 1 359 1 355-1 348=7 -5.5=人工合成 13号 1 409 1 462 1 437 1 462-1 426=36 34.5-14.5=20人工合成 14号 1 333 1 363 1 365 1 363-1 346=17 73-5.5=67.5人工合成 15号 1 312 1 328 1 302 1 328-1 296=32 37-11.5=25.5人工合成 16号 1 407 1 471 1 448 1 471-1 438=33 39.5-9=30.5表 3 邢钢高炉生产渣样和人工合成渣样脱硫能力测定值样号 w(s)/% ws/% Ls 样
13、号 w(s)/% ws/% Ls92073 1.88 0.065 28.923 合成 4 1.03 0.071 14.5079 1.88 0.067 27.891 合成 5 1.69 0.011 153.63670929 1.64 0.065 25.231 合成 6 1.74 0.036 48.33370930 1.34 0.077 17.403 合成 7 0.99 0.038 26.05392160 1.44 0.093 15.484 合成 8 1.14 0.072 15.83392135 2.66 0.150 17.733 合成 9 2.06 0.029 71.03471111 1.52
14、0.093 15.670 合成 10 2.34 0.180 13.03442299 1.80 0.119 15.126 合成 11 1.80 0.061 29.50842208 1.75 0.112 15.625 合成 12 2.09 0.040 52.25070921 2.13 0.094 22.660 合成 13 1.61 0.050 32.200709211 h 1.59 0.107 14.860 合成 14 1.73 0.051 33.922709212 h 2.16 0.097 22.268 合成 15 1.90 0.034 55.882709211400 1.620 0.109 1
15、4.862 合成 16 0.62 0.030 20.667709211350 0.839 0.101 8.307 合成 17 1.60 0.140 11.429合成 1 1.87 0.024 133.570 合成 18 2.35 0.110 21.364合成 2 2.09 0.218 9.587 合成 19 1.79 0.074 24.189合成 3 1.92 0.143 12.724 合成 20 1.67 0.259 6.448注:其中 17 号16 号平衡 1 h;18 号16 号平衡 2 h;19 号20 号于 1 400 下平衡;20 号12 号于 1 350 下平衡 熔点测定采用渣柱
16、自由塌落的试样变形法,将熔毕即渣柱完全液化的温度视为熔点测定值。熔渣粘度测定在 ND1 改型熔渣粘度测定仪上进行,渣样 120 g 装入高纯石墨坩埚中,坩埚内衬金属衬片,实验在液氨分解产生的 3H3+N2弱还原性保护气氛下进行。各渣样升温最高点参照熔点测定值确定,一般超过熔点 100 左右。至少测定 5 个温度点下的粘度值,各相邻温度点间一般温度间隔 20 ,在粘度变化大的温度区域则缩短至 10 ,每个粘度测定值至少重复两次,以重现平均值作为测定值。为测定熔渣脱硫能力,配制了高硫铁试样。由于采用在高炉前用高炉铁水溶解块状分析纯的 FeS2来配制高硫铁样,因而它可以视为饱和碳饱和硫的试样。由本实
17、验测算的渣铁间硫分配比是高炉条件下的分配比,而不是渣与仅只含硫的 Fe-S 二元系相平衡的理论分配比。按照实际高炉生产数据确定脱硫实验的渣铁比为 0.41.0,渣样坩埚装入渣样 50 g,铁样坩埚装入 125 g,渣铁全熔后使熔铁瞬时落入渣液中,参照有关资料确定恒温脱硫时间 1.5 h,实验温度为 1 450 。同时做了变温 1 400 和 1 350 、变时 1 h 和 2 h 的对比实验。实验表明 1.5 h 脱硫可达平衡,故 LS可视为平衡值,无须再做饱和度校核。3 测试结果与数据处理3.1 炉渣性能依照实验数据进行计算机辅助分析,可获得下列粘度回归方程:=12.064 632 3w(S
18、iO 2)+81.251 102 7R2+243.838 348 R3-499.354 847-0.241 127 939t(1)为简化计算,可采用近似式=12.065w(SiO 2)+81.251R2+243.838R 3-499.355-0.241t(2)式中 熔渣的粘度w(SiO 2)熔渣中 SiO2的百分含量R 2碱度，R 3碱度，t熔渣温度/图 1 和图 2 是按方程(2)绘制的 CaO-MgO-SiO2-10 %Al2O3赝三元系炉渣在 1 400 下和 1 450 下的等粘度曲线图(MgO:0 %25 %;SiO2:30 %70 %部分)。图 1 1 400 下 CaO-MgO-
19、10 %Al2O3-SiO2赝三元系等粘度图w(MgO):0 %22.5 %,w(SiO 2)：30 %70 %部分图 2 1 450 下 CaO-MgO-10 %Al2O3-SiO2赝三元系等粘度图w(MgO):0 %22.5 %,w(SiO 2)：30 %70 %部分实际炉渣不是简单的赝三元系渣,它们的熔融粘度值与方程(1)、方程(2)的计算值或图 1、图 2 的标示值将有所差别。按邢台钢铁厂现场条件可按下式估算实际炉渣的熔融粘度(在 1 450 下)=32.19w(CaO)+64.88W(SiO 2)+281.44w(MgO)+0.502w(Al 2O3)+541.87w(S)-0.21
20、w(CaO) .w(SiO2)-7.32w(SiO 2).w(MgO)-14.69w(CaO).w(S)-3 053.373(3)当渣中 w(Al2O3)10 %,w(MgO)10 %,w(S)=1 %,上式又可简化为:9.21w(CaO)-8.3w(SiO 2)-0.21w(CaO)w(SiO 2)+307.92(4)依照脱硫实验数据,可得出 1 450 下炉渣脱硫能力即渣铁间硫的分配比 L1 450S的回归方程:L 1 450S=985.377 5R2+72.780 4R3-24.607 7w(CaO)+1.736 9w(MgO)+23.844 8w(SiO 2)+3.123 5w(S)-
21、1.037 7w(CaF 2)+6.108 210 -6w(Al2O3)-60.113 2(5)L 1 450S=985R2+73R3-25w(CaO)+2w(MgO)+24w(SiO2)-860(6)图 3 是按方程(6)绘制的 CaO-MgO-10%Al2O3-SiO2赝三元系的等 L1 450S曲线图,可用于查估炉渣脱硫能力。图 3 合成渣 LS在 CaO-MgO-10%Al2O3-SiO2赝三元系中的模拟分布图(1 450 )3.2 炉渣矿相矿相观察表明,邢钢高炉渣是结晶性能很强的铝黄长石镁铝黄长石型炉渣,很少含有玻璃相,却有少量 C2S 游离,见图 4、图 5、图 6。由图可见,由于
22、 71111 号与另两渣样相比碱度明显降低,因而铝黄长石含量显著减少,且有少量 C2S 相(2 %5 %)不均匀游离。图 4 92073 号正交偏光矿相照片 360图 5 70929 号正交偏光矿相照片 720图 6 71111 号正交偏光矿相照片 3604 分析与结论(1)邢钢高炉现用渣系是结晶性能极强的黄长石系炉渣,熔点较高(1 3821 425 ),熔化性温度也较高(1 3851 425 ),熔化温度区间极窄(粘度从 2Pa.s 到 5Pa.s 的温度间隔仅 721 , 平均 10.4 ),热稳定性不良(t 2025) 时的 最小为10.4Pa.s,最大为,是典型的短渣。该渣熔后粘度不大
23、(一般1.0Pa .s),且随温度的变化率不大,因此没有必要也不能依靠过热来改善其流动性。由于熔化区间窄又需有一定的过热度,要求炉缸有足够的热储备,以免炉温波动招致炉渣冻结。(2)CaF 2对邢钢渣系有降低熔点和降低熔融粘度的双重作用,但降低熔点的作用相当明显,而降低熔融粘度的作用并不明显,因而萤石只可作为助熔剂而不是稀释剂。(3)熔渣碱度特别是三元碱度 R3是影响熔渣粘度的主要因素。熔渣等粘度线大体上与等碱度线相平行。因此在定 w(Al2O3)及 w(MgO)的条件下改变 R2,或者定 R3条件下以镁代钙即增加 w(MgO)同时减小 w(CaO),都将导致熔渣粘度的较大变化。在固定 R2条件
24、下增加 w(MgO)则导致粘度缓升。(4)按等粘度线图分析,本渣系最低粘度应出现在(以 0.5Pa .s 为界限)1 400 :w(MgO)11.2 %,R 20.8;1 450 :w(MgO)5.5%,R 20.8。尽管等粘度线图仅是对生产渣的近似模拟,但至少低粘度区在 w(MgO)和 R2都不高的区域是可以肯定的。因此,就炉渣流动性而言,在现在的基础上适当降低 R2和 w(MgO)是必要的。(5)与人工合成渣脱硫能力不高相比,邢钢现用高炉渣脱硫能力较强,可承受的高炉硫负荷较大。炉缸温度是影响渣铁间脱硫反应的重要因素。按合成渣 12 号、19 号和 20 号渣样的比较,当 R2=1.0,w(
25、MgO)=10 %,R3=1.274 的条件下,可知 L1 450S=52.50,L1 400S=24.189,L1 350S-=6.488,即由 1 450 降温 50 ,L S下降(52.52-24.189)/52.50=53.93%;由 1 400 再降温 50 ,L S下降(24.189-6.488)/24.189=73.34 %。邢钢高炉渣样 70921 号的对比实验,由 1 450 降温 50 ,L S=34.42%,由 1 400 降温 50 ,L S=44.11 %。(6)碱度特别是二元碱度 R2的提高是改善炉渣脱硫的主要因素。实验表明,邢钢现用渣的 R2不能低于 0.9,否则脱硫能力将剧烈变坏。三元碱度 R3对 LS有不利影响,因此从炉渣脱硫的角度来看,邢钢炉渣中w(MgO)也不宜过高,特别是不能在固定 R3的条件下以镁代钙。(7)综合上述,邢钢高炉渣为取得较好的脱硫能力应当维持较高的二元碱度和不高的 w(MgO),为避免热稳定性不良带来的影响,又要维持较高的炉缸温度,使炉渣充分过热。
