新造渣模式下轉(zhuǎn)爐煉鋼成渣過程的巖相研究①

虎曉東， 王攀峰， 楊立春， 蘭二明， 周冠偉， 趙昌明*

(1.遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山　114051； 2.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京　210035 )

引　言

隨著市場形勢的不斷惡化，為進(jìn)一步降低冶煉渣料成本，南京鋼鐵集團(tuán)第一煉鋼廠從2016年初開始進(jìn)行取消輕燒白云石冶煉的工藝攻關(guān)，將鋼渣料結(jié)構(gòu)逐步優(yōu)化為“石灰+石灰石+生白云石”模式，成為國內(nèi)生料使用比例最高的轉(zhuǎn)爐。該渣料模式的應(yīng)用雖然大幅度降低了鋼渣料成本，但因冶煉成渣體系的大幅變化，冶煉過程中出現(xiàn)返干、溢渣、爐況侵蝕等問題，對生產(chǎn)順行帶來了一些負(fù)面影響。

本研究通過對轉(zhuǎn)爐冶煉過程的鋼渣取樣，結(jié)合目前的造渣模式根據(jù)數(shù)據(jù)對冶煉過程中鋼渣的成分進(jìn)行分析。采用巖相檢驗(yàn)分析方法確定鋼渣的礦物組成和分布情況，將分析結(jié)果與渣的化學(xué)成分、物相組成等結(jié)合起來，可更加全面地認(rèn)識(shí)新造渣模式下鋼渣的性質(zhì)。本研究結(jié)果可為改善轉(zhuǎn)爐造渣模式、降低成本和延長爐襯壽命提供科學(xué)依據(jù)和理論支持[1-3]。

1　研究方法

對南京鋼鐵集團(tuán)第一煉鋼廠150 t轉(zhuǎn)爐在“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式進(jìn)行鋼渣分階段的現(xiàn)場取樣，分別取冶煉5 min、冶煉12 min、終點(diǎn)渣、濺渣前和濺渣后的渣樣。

對各階段提取的渣樣分別進(jìn)行化學(xué)成分分析、物相分析并對渣樣進(jìn)行鑲嵌、切割、拋光、浸蝕(工業(yè)酒精，純度99.97%)處理，將制好的試樣進(jìn)行礦相組成檢測分析，以此得到具體的化學(xué)成分。此外，采用FESEM(場發(fā)射掃描電子顯微鏡)結(jié)合EDS(能譜儀)和偏光顯微鏡進(jìn)行巖相分析，以此得到具體的顯微結(jié)構(gòu)。

2　轉(zhuǎn)爐成渣過程的基本反應(yīng)

“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式中生白云石的主要成分是CaCO3和MgCO3，在分解過程中吸收大量的熱。生白云石在受熱900℃以上條件下分解方式分為兩步，具體的分解反應(yīng)式如下：

CaCO3=CaO+CO2, lgPCo2=-8908/T+7.53

(1)

MgCO3=MgO+CO2, lgPCo2=-6180/T+6.80

(2)

CaCO3和MgCO3的分解溫度分別為910 ℃和640 ℃，均低于轉(zhuǎn)爐內(nèi)的鐵水溫度。由式(1)和(2)可知，生白云石加入爐內(nèi)時(shí)可立即發(fā)生分解反應(yīng)并生成CO2。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中鐵水表面溫度高達(dá)1100 ℃，火點(diǎn)區(qū)域溫度高達(dá)3000 ℃，分解生成的CO2氣體瞬間膨脹4000倍以上，推動(dòng)生成的CaO和MgO飛到渣中；同時(shí)，由于CO2的逸出，使新生成的輕燒呈多孔細(xì)晶狀，提高了成渣速度[4]。

根據(jù)轉(zhuǎn)爐泡沫渣的形成機(jī)理分析，前期渣形成過程中，由于生白云石分解生成CO2氣體彌散在初期渣中，有利于初期泡沫渣的形成，增大了氣-熔渣-金屬的界面，加快了爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度，有利于前期脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，使渣中的磷始終處于較低的水平。

3　新造渣模式下轉(zhuǎn)爐鋼渣的巖相組成

“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式與傳統(tǒng)造渣模式相比，生白云石煅燒的過程由轉(zhuǎn)爐外移至轉(zhuǎn)爐內(nèi)，可以充分利用轉(zhuǎn)爐富余的熱量，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉過程熱量平衡，同時(shí)可降低熔劑消耗成本[5]。

3.1　化學(xué)成分分析和礦相組成分析

對冶煉5 min、冶煉12 min、終點(diǎn)渣、濺渣前和濺渣后的渣樣進(jìn)行礦相組成檢測，其化學(xué)成分分析如表1所示，礦相組成如表2所示。

表1　轉(zhuǎn)爐部分鋼渣化學(xué)成分統(tǒng)計(jì)

表2　不同成渣階段的礦相組成

由表1和表2可知，冶煉5 min渣樣的礦相組成為黃長石相、RO相、方鎂石和玻璃質(zhì)；冶煉12 min渣樣的礦相組成為RO相、方鎂石、玻璃質(zhì)和鈣鐵相；終點(diǎn)渣樣的礦相組成為C2S，RO相、方鎂石、玻璃質(zhì)和鈣鐵相；濺渣前(后)渣樣的礦相組成為C2S，RO相、方鎂石、玻璃質(zhì)和鈣鐵相。

3.2　巖相分析

為了進(jìn)一步地觀察鋼渣的顯微結(jié)構(gòu)，對渣樣進(jìn)行鑲嵌、切割、拋光、浸蝕(工業(yè)酒精，純度99.97%)處理，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察和鑒定，采用FESEM(場發(fā)射掃描電子顯微鏡)結(jié)合EDS(能譜儀)和偏光顯微鏡進(jìn)行巖相分析。不同階段的顯微結(jié)構(gòu)和巖相如表3所示。

從表3中可知：冶煉5 min的顯微結(jié)構(gòu)是黃長石相的形貌主要為紡錘狀和編織狀；RO相多為雛晶狀，少部分局部呈現(xiàn)圓粒狀與方鎂石相聚集在一起；方鎂石相呈現(xiàn)四方狀，常被RO相包裹，多以游離態(tài)零散地存在于渣中，少部分未能夠及時(shí)溶解的集中聚集，并與C2S，RO相和玻璃質(zhì)相伴相生；玻璃質(zhì)為渣中的液相基體則構(gòu)成鋼渣的骨架，為無定形貌，另外，鐵粒和氣孔多以渾圓狀存在于渣中；冶煉12 min的顯微結(jié)構(gòu)是C2S相呈現(xiàn)圓粒狀或者珊瑚狀形貌，方鎂石呈四方形，RO相分為兩種，白亮的為FeO為主體的RO相，淺灰色的為CaO為基體的RO相，兩者交織在一起，并且無規(guī)則形貌。鈣鐵相呈現(xiàn)粒狀，分布在各礦相間，有一些鈣鐵相會(huì)以f-CaO的形式從中析出；終點(diǎn)渣樣的纖維結(jié)構(gòu)是C2S相的形貌主要為圓粒狀和珊瑚狀，少部分出現(xiàn)長條柱狀；RO相多為無定形貌，常與方鎂石相互伴生，并包裹在方鎂石相外圍；玻璃質(zhì)為渣中的液相基體與和鈣鐵相共同構(gòu)成鋼渣的骨架，無固定形貌，鐵粒多以渾圓狀存在于渣中，而渾圓氣孔相對5 min渣樣較少；濺渣前(后)渣樣的典型微區(qū)礦物組成與終點(diǎn)渣樣較為類似，但是C2S發(fā)育較好，晶粒粗大，呈現(xiàn)大圓粒狀，方鎂石相顆粒仍然以四方狀存在，且被無定形RO相所包圍，玻璃質(zhì)和鈣鐵相共同構(gòu)成鋼渣的骨架，渾圓鐵粒和氣孔零散地存在于渣中。

4　結(jié)束語

(1)利用生白云石可以更好地加快爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速度，有利于前期脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，使渣中的磷始終處于較低的水平。

(2)“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式下，冶煉5 min渣樣的礦相組成為黃長石相、RO相、方鎂石和玻璃質(zhì)；冶煉12 min渣樣的礦相組成為RO相、方鎂石、玻璃質(zhì)和鈣鐵相；終點(diǎn)渣樣的礦相組成為C2S，RO相、方鎂石、玻璃質(zhì)和鈣鐵相；濺渣前(后)渣樣的礦相組成為C2S，RO相、方鎂石、玻璃質(zhì)和鈣鐵相。

表3　不同成渣階段的顯微結(jié)構(gòu)和巖相

注：1.C2S；2.黃長石；3.方鎂石相；4.RO相；5.鐵珠；6.玻璃質(zhì)；7.孔洞；9.鈣鐵相；10.FeO；11.鎂薔薇輝石

(3)“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式下，冶煉5 min的顯微結(jié)構(gòu)是黃長石相的形貌主要為紡錘狀和編織狀，RO相多為雛晶狀，方鎂石相呈現(xiàn)四方狀；冶煉12 min的顯微結(jié)構(gòu)是C2S相呈現(xiàn)圓粒狀或者珊瑚狀形貌，方鎂石呈四方形，RO相分為兩種，白亮的為FeO為主體的RO相，淺灰色的為CaO為基體的RO相，兩者交織在一起，并且無規(guī)則形貌。終點(diǎn)渣樣的顯微結(jié)構(gòu)是C2S相的形貌主要為圓粒狀和珊瑚狀，RO相多為無定形貌；濺渣前(后)渣樣的顯微是C2S發(fā)育較好，晶粒粗大，呈現(xiàn)大圓粒狀，方鎂石相顆粒仍然以四方狀存在，且被無定形RO相所包圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊文遠(yuǎn)，王明林，崔淑賢，等. 爐渣的巖相研究在轉(zhuǎn)爐煉鋼中的應(yīng)用[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2007，19(12)：10—15.

[2]任允芙. 冶金工藝礦物學(xué)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[3]孟華棟，劉瀏. 轉(zhuǎn)爐煉鋼成渣過程的巖相研究[J]. 鋼鐵，2010，45(6)：26—30.

[4]李宏，曲英. 氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼用石灰石代替石灰節(jié)能減排初探[J]. 中國冶金，2010，20(9)：45—48.

[5]張思維. 生白云石部分替代輕燒白云石轉(zhuǎn)爐冶煉實(shí)踐[J]. 武鋼技術(shù)，2014，52(6)：4—6.