邢钢高炉渣冶金性能的实验室研究.docx
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邢钢高炉渣冶金性能的实验室研究
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
LABORATORYSTUDYONMETALLURGICALPROPERTIES
OFBFSLAGINXINGTAIIRON&STEELCORP.
WanAizhen
（InstituteofScience&TechnologyHebei）
Synopsis Laboratorymeasurementsandanalysishavebeenmadeontheviscosity,desulphurizingabilityandmeltingtemperatureoftheBFslaginXingtaiIron&SteelCorp.Resultsindicatethattheslagidentifiedastheshortslagismoredifficulttomeltdownandincompleteofthermalstability.Althoughitsdesulphurizingabilityisnottoodesirable,yetitshowsexcellentflowabilityunderhightemperaturecondition.IncombinationofthelaboratorystudyonthesyntheticslagseriesproperchemicalcompositionsoftheBFslaginXingtaiIron&SteelCorp.havebeendetermined.
Keywords BFslag metallurgicalproperty laboratorystudy
1 前 言
邢台钢铁厂自投产以来尚无系统的高炉渣性质实验研究资料,难以提供选择渣制度的科学依据。
本测试研究试图通过对炉渣熔点、熔化性温度、粘度、熔渣脱硫能力进行测定与推算,辅以计算机分析,寻找出各性质（粘度、脱硫能力）与炉渣成分和炉渣温度的关系。
同时对邢台钢铁厂高炉渣样有选择地进行了矿相镜下观察,为分析和改善造渣制度提供了依据。
2 测试实验设计和实验方法
对邢台钢铁厂高炉两个月生产数据进行统计分析,结果表明炉渣化学成分波动范围很小,CaO:
30%～40%;MgO:
7%～8%;SiO2:
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R2［w（CaO）/w（SiO2）］、w（S）、w（MgO）、w（Al2O3）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
Σ
R2
R3
92073号
38.90
33.55
1.02
7.88
11.22
0.00
0.54
93.11
1.159
1.394
9—号
38.90
33.55
1.06
7.66
11.44
0.00
92.61
1.159
1.388
70929号
38.72
35.75
1.08
7.43
11.26
0.00
0.54
94.78
1.083
1.291
70930号
38.48
37.12
1.10
7.58
12.17
0.00
96.45
1.037
1.241
92160号
32.35
40.60
0.96
7.65
12.51
0.00
0.38
94.45
0.797
0.986
92135号
36.30
38.86
1.08
7.95
13.01
0.00
0.54
97.74
0.934
1.139
71111号
36.26
38.76
1.08
7.85
11.54
0.00
0.48
95.97
0.936
1.138
42299号
28.05
31.47
1.24
7.76
11.30
0.00
0.56
80.38
0.891
1.138
42208号
32.22
40.04
0.51
7.96
11.40
0.00
0.45
92.58
0.805
1.003
70921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
0.00
100.00
1.1995
1.4800
合成2号
38.75
38.75
1.50
10.00
11.00
0.00
0.00
100.00
1.0000
1.2580
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
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
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
/℃
η=20泊时的
温度/℃
=1.0时的
温度/℃
η从20泊至50泊的
温度间隔/℃
（t±25）℃的Δη/泊
92073号
1382
1385
1391
1385-1378=7
∝-11=∝
9××××号
1392
1396
1394.5
1396-1381=15
160-14.5=145.5
70929号
1413
1414
1415.5
1414-1410=4
172.5-10=162.5
70930号
1396
1391
1392
1391-1382=9
175-13=162
92160号
1408
1415
1418
1415-1402=13
156-12=144
92135号
1395
1390
1394
1390-1379=11
∝-14=∝
71111号
1412
1425
1435
1425-1404=21
114-10=104
42299号
1420
1411
1414
1412-1405=7
235-9.5=225.5
42208号
1416
1413
1418
1411-1400=11
152-13=139
70921号
1387
1386
1393
1386-1380=6
238-9.5=228.5
人工合成1号
1444
1548
1487
1548-1507=41
29.5-15=14.5
人工合成2号
1407
1417
1423
1417-1416=1
400-8=392
人工合成3号
1412
1463
1450
1463-1441=22
72-14.5=57.5
人工合成4号
1397
1425
1436
1425-1418=7
168.5-6.5=162
人工合成5号
1308
1293
1300
1293-1290=3
137-8.5=128.5
人工合成6号
1465
1470
1469
1470-1453=17
68-10=58
人工合成7号
1472
1628
1493
1628-1492=136
22.5-17.5=5
人工合成8号
1418
1481
1430
1481-1425=56
26-16.5=9.5
人工合成9号
1360
1392
1367
1392-1356=36
36-15.5=20.5
人工合成10号
1426
1473
1422
1473-1417=56
28-14.5=13.5
人工合成11号
1403
1467
1447
1467-1435=32
40.5-9.5=31
人工合成12号
1345
1355
1359
1355-1348=7
∝-5.5=∝
人工合成13号
1409
1462
1437
1462-1426=36
34.5-14.5=20
人工合成14号
1333
1363
1365
1363-1346=17
73-5.5=67.5
人工合成15号
1312
1328
1302
1328-1296=32
37-11.5=25.5
人工合成16号
1407
1471
1448
1471-1438=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）
/%
w［s］
/%
Ls
样号
w（s）
/%
w［s］
/%
Ls
92073
1.88
0.065
28.923
合成4
1.03
0.071
14.507
9××××
1.88
0.067
27.891
合成5
1.69
0.011
153.636
70929
1.64
0.065
25.231
合成6
1.74
0.036
48.333
70930
1.34
0.077
17.403
合成7
0.99
0.038
26.053
92160
1.44
0.093
15.484
合成8
1.14
0.072
15.833
92135
2.66
0.150
17.733
合成9
2.06
0.029
71.034
71111
1.52
0.093
15.670
合成10
2.34
0.180
13.034
42299
1.80
0.119
15.126
合成11
1.80
0.061
29.508
42208
1.75
0.112
15.625
合成12
2.09
0.040
52.250
70921
2.13
0.094
22.660
合成13
1.61
0.050
32.200
709211h
1.59
0.107
14.860
合成14
1.73
0.051
33.922
709212h
2.16
0.097
22.268
合成15
1.90
0.034
55.882
709211400℃
1.620
0.109
14.862
合成16
0.62
0.030
20.667
709211350℃
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1h;18号～16号平衡2h;19号～20号于1400℃下平衡;20号～12号于1350℃下平衡
熔点测定采用渣柱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ND—1改型熔渣粘度测定仪上进行,渣样120g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0.4∶1.0,渣样坩埚装入渣样50g,铁样坩埚装入125g,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1.5h,实验温度为1450℃。
同时做了变温1400℃和1350℃、变时1h和2h的对比实验。
实验表明1.5h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:
η=12.0646323w（SiO2）+
81.2511027R2+243.838348R3-
499.354847-0.241127939t
（1）
为简化计算,可采用近似式
η=12.065w（SiO2）+81.251R2+
243.838R3-499.355-0.241t
（2）
式中 η——熔渣的粘度
w（SiO2）——熔渣中SiO2的百分含量
R2——碱度，
R3——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1400℃下和1450℃下的等粘度曲线图（MgO:
0%～25%;SiO2:
30%～70%部分）。
图1 1400℃下CaO-MgO-10%Al2O3-SiO2赝三元系等粘度图［w（MgO）:
0%～22.5%,w（SiO2）：
30%～70%部分］
图2 1450℃下CaO-MgO-10%Al2O3-SiO2赝三元系等粘度图［w（MgO）:
0%～22.5%,w（SiO2）：
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1450℃下）
η=32.19w（CaO）+64.88W（SiO2）+
281.44w（MgO）+0.502w（Al2O3）+
541.87w（S）-0.21w（CaO）.w（SiO2）-
7.32w（SiO2）.w（MgO）-14.69w（CaO）.
w（S）-3053.373
（3）
当渣中w（Al2O3）≈10%,w（MgO）≈10%,w（S）=1%,上式又可简化为:
η≌9.21w（CaO）-8.3w（SiO2）-
0.21w（CaO）w（SiO2）+307.92
（4）
依照脱硫实验数据,可得出1450℃下炉渣脱硫能力即渣铁间硫的分配比L1450S的回归方程:
L1450S=985.3775R2+72.7804R3-
24.6077w（CaO）+1.7369w（MgO）+
23.8448w（SiO2）+3.1235w（S）-
1.0377w（CaF2）+6.1082×
10-6w（Al2O3）-60.1132
（5）
L1450S=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L1450S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（1450℃）
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 360×
4 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（1382～1425℃）,熔化性温度也较高（1385～1425℃）,熔化温度区间极窄（粘度从2Pa.s到5Pa.s的温度间隔仅7～21℃,
平均10.4℃）,热稳定性不良［（t20±25）℃时的Δη最小为10.4Pa.s,最大为∞］,是典型的短渣。
该渣熔后粘度不大（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）CaF2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η≤0.5Pa.s为界限）1400℃:
w（MgO）＞11.2%,R2＜0.8;1450℃:
w（MgO）＞5.5%,R2＜0.8。
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（MgO）=10%,R3=1.274的条件下,可知L1450S=52.50,L1400S=24.189,L1350S-=6.488,即由1450℃降温50℃,LS下降（52.52-24.189）/52.50=53.93%;由1400℃再降温50℃,LS下降（24.189-6.488）/24.189=73.34%。
邢钢高炉渣样70921号的对比实验,由1450℃降温50℃,ΔLS=34.42%,由1400℃降温50℃,ΔLS=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。
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