氧化鉀和氟化鈣對高爐渣皮穩(wěn)定性的試驗研究

李 榮, 郭 江

(濟源職業(yè)技術學院冶金化工系， 河南 濟源 459000)

銅冷卻壁有較高的導熱性能、抗熱震性能和較大的熱承載能力，在各大高爐廣泛使用。在實際生產中由于高爐爐況波動引發(fā)渣皮脫落,破壞了操作爐型,影響煤氣流分布[1-2],使得銅冷卻壁暴露在高溫煤氣中。隨著熱流密度的波動產生熱振,爐襯和鑲磚剝落,銅冷卻壁隨之產生裂紋或燒蝕[3-4],冷卻水管燒損，導致冷卻壁失效。因此穩(wěn)定的渣皮性能對于銅冷卻壁的使用至關重要。

高爐渣中F和堿金屬含量嚴重影響渣皮的冶金性能[5]，其中CaF2占主導地位。本文通過研究CaF2和K2O對河南濟源鋼鐵(集團)有限公司(簡稱“濟鋼”)高爐渣的軟熔性的影響，為濟鋼高爐冷卻制度的調整和渣皮傳熱的數值分析提供依據。

1 試驗原料及方案

本試驗原料為：FeO試劑；CaF2、K2CO3、Na2CO3分析純試劑；濟鋼高爐終渣(成分見表1)。以濟鋼高爐渣為基礎爐渣，通過配置不同比例的ω(K2O)和ω(CaF2)來模擬現場爐渣，具體方案見表2，模擬渣成分見表3、表4。通過改變ω(K2O)和ω(CaF2)來研究爐渣的軟熔性。

表1 濟鋼高爐渣成分 %

表2 試驗用濟鋼高爐渣的配比方案

2 試驗結果及分析

2.1 模擬渣的軟熔溫度

圖1和圖2為二組模擬渣在堿度為1、ω(FeO)為15%時測定的軟熔溫度。其中，圖1為變ωK2O(%)條件下測得的軟熔溫度，圖2為變ωCaF2(%)條件下測得的軟熔溫度。

表3 不同ω(K2O)模擬渣成分含量 %

表4 不同ω(CaF2)模擬渣成分含量 %

圖1 ω(K2O)對爐渣軟熔性質的影響

圖2 ω(CaF2)對爐渣軟熔性質的影響

綜合比較圖1各曲線得出，隨著爐渣中ω(K2O)由1.05%增加到3.05%，爐渣的軟化溫度、熔化溫度、流動溫度均呈下降趨勢；爐渣的軟化溫度從1 265 ℃降到1 204 ℃、熔化溫度從1 271 ℃降到1 206 ℃、流動溫度從1 280 ℃降到1 209 ℃；同時可以看出，ω(K2O)每增加0.5%，其軟熔溫度降低18 ℃左右，降溫幅度非常均勻。

實驗結果表明，隨著ω(K2O)增加，流動溫度降低，高爐渣的穩(wěn)定性降低。與此同時，高爐渣的軟化溫度和半球溫度一直降低，使高爐渣更容易熔化，不利于在銅冷卻壁熱面凝固，從而不利于掛渣[6]。

綜合比較圖2各曲線得出：隨著ω(CaF2)由1.47%增加到2.67%，爐渣的熔化溫度和軟化溫度所受影響很小，整體不變；對流動溫度有一定影響，呈先增加后下降的趨勢，并在ω(CaF2)為2.07%時達到最高。ω(CaF2)每增加0.3%，其流動溫度下降2 ℃左右，而熔化溫度和軟化溫度基本不變，綜合以上分析，說明ω(CaF2)對高爐渣的軟熔性能的影響并不明顯。

2.2 凝固模擬渣礦相組成

圖4和圖5分別為CaF2百分含量為2.07%和1.77%的凝固模擬渣不同位置掃描電鏡觀察和能譜分析的結果。

圖5 ω(CaF2)為1.77%凝固渣樣的掃描電鏡觀察和能譜分析結果

從圖4兩個測試點可以分析出，在渣樣的玻璃相中沒有發(fā)現含有F、K、Na等特殊組分的元素，而在渣樣的結晶相中發(fā)現了這些特殊組分的元素含量，說明結晶相中有F和堿金屬含量，玻璃相中沒有。

從圖5兩個掃描電鏡測試點的顯微結構和能譜分析可以看出，結晶相和玻璃相的邊界是存在F和堿金屬含量的，而且結晶相內部也存在F和堿金屬，但是，在邊界的F和堿金屬含量相對低一些，而在內部的F和堿金屬含量要高。說明它們的含量是從邊界到內部遞增的過程。

綜上所述，當ω(CaF2)為2.07%時，渣樣中的玻璃相是不含有F和堿金屬這些特殊組分的，而結晶相中是含有這些特殊組分的；當ω(CaF2)為1.77%時，在結晶相內部和邊界均存在F和堿金屬，而且在結晶相中每個部位的特殊組分含量都不一樣。

3 結論

(1)ω(FeO)為15%，堿度為1時，隨著ω(K2O)由1.05%增加到3.05%，高爐渣的軟熔溫度呈不斷下降趨勢，高爐渣的穩(wěn)定性變差，高爐渣更易熔化，進而導致高爐渣在銅冷卻壁熱面上形成的渣皮的穩(wěn)定性下降。

(2)ω(FeO)為15%，堿度為1時，隨著ω(CaF2)由1.47%增加到2.67%，高爐渣的軟熔溫度變化趨勢不明顯，對爐渣熔化性質影響不大，對高爐渣在銅冷卻壁熱面上形成的渣皮的穩(wěn)定性影響不顯著。

(3)渣樣的顯微結構顯示，玻璃相不含有F和堿金屬，但在玻璃相和結晶相的界面以及結晶相的內部均含有F和堿金屬，而且結晶相中F和堿金屬的含量呈由邊界到內部呈遞增的趨勢。