Al2O3、MgO和二元堿度對高爐渣穩(wěn)定性影響研究

姜喆 ，車玉滿 ，郭天永 ，孫鵬 ，姚碩 ，趙立軍

（1.鞍鋼集團鋼鐵研究院，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）

高爐爐渣穩(wěn)定性是評價爐渣冶金性能的重要指標［1］，包括溫度穩(wěn)定性和成分穩(wěn)定性，即爐溫波動和成分波動時爐渣保持自身流動性不變或微變的能力。若爐渣成分變化±2%、爐溫變化±25 ℃，黏度變化在 1 Pa·s以內(nèi)［2］，則爐渣穩(wěn)定性良好。高爐冶煉過程對爐渣穩(wěn)定性要求很高。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱鞍鋼鲅魚圈）4038 m3高爐冶煉使用高鋁礦后，高爐抗爐況波動和變料能力顯著變差，爐缸容易凍結(jié)。針對此問題，研究了Al2O3、MgO和二元堿度對鞍鋼鲅魚圈高爐渣溫度穩(wěn)定性和成分穩(wěn)定性的影響，為高爐冶煉高鋁礦提供技術(shù)支持。

1 實驗設(shè)備及方案

1.1 實驗設(shè)備

實驗選用由計算機、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Ф55 mm二硅化鉬電阻爐，高溫區(qū)恒溫帶大于60 mm，用計算機進行程序控溫；石墨坩堝的尺寸為Φ40 mm×70 mm，測溫范圍為0～1 600℃；溫度變送器精度為±0.05%，控溫方式為A/D板輸入、輸出；熔體測定儀精度為0.000 1 Pa·s。所測樣品放置在坩堝內(nèi)，保證樣品在坩堝內(nèi)的高度為40 mm，所測爐渣質(zhì)量視爐渣密度而定，一般在140 g左右，確保熔化爐渣在恒溫區(qū)內(nèi)。

1.2 實驗方案

隨機抽取鞍鋼鲅魚圈現(xiàn)場高爐渣作為主要原料，其主要化學組成成分及質(zhì)量分數(shù)為：CaO 40.7%、SiO235.27%、A12O314.14%、MgO 7.5%。 以Al2O3、MgO 和二元堿度(R2=CaO/SiO2)為因素，應(yīng)用L16（43）正交實驗表優(yōu)化試驗設(shè)計，正交因素水平如表1所示。測定爐渣黏度和熔化溫度，并使用Factsage軟件計算相圖，對爐溫波動和成分波動時爐渣的穩(wěn)定性進行研究。

表1 正交試驗因素水平表

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 爐渣溫度穩(wěn)定性研究

定義爐渣溫度穩(wěn)定性指數(shù)如下：

式 中：1/Δη為爐 渣溫 度穩(wěn)定性指 數(shù)，Pa-1·s-1；η1450℃、η1500℃分別為 1 450 ℃、1 500 ℃的爐渣黏度，Pa·s。爐渣溫度穩(wěn)定性指數(shù)越大，則爐渣溫度穩(wěn)定性越好。根據(jù)實驗方案取料制樣后，應(yīng)用熔渣物性測定儀對爐渣黏度和熔化性溫度進行測試。不同爐渣試樣的黏度和熔化性溫度測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同爐渣試樣的黏度和熔化性溫度測試結(jié)果

根據(jù)表1各因素不同水平下的爐渣溫度穩(wěn)定性指數(shù)，得到不同因素對爐渣溫度穩(wěn)定性影響的重要程度，即極差值，極差值越大，則因素對判據(jù)的影響越大［3－4］。爐渣溫度穩(wěn)定性極差分析見表 3。

表3 爐渣溫度穩(wěn)定性極差分析表

結(jié)合表1和表3可以看出，隨Al2O3含量增加，爐渣溫度穩(wěn)定性指數(shù)減小，爐渣溫度穩(wěn)定性變差；隨MgO含量和R2的增加，爐渣溫度穩(wěn)定性指數(shù)增大，爐渣溫度穩(wěn)定性變好，即爐渣黏度隨溫度波動變小，爐渣抗溫度波動能力變強。比較表3中各因素的極差值大小得出，Al2O3含量對爐渣溫度穩(wěn)定性的影響最為顯著，其次是R2，而MgO含量對爐渣溫度穩(wěn)定性的影響最小。

2.2 爐渣成分穩(wěn)定性研究

利用Factsage軟件繪制CaO-SiO2-MgO-Al2O3偽三元相圖，即爐渣中MgO含量固定為10%時，其他三個組分逐漸變化的四元相圖，見圖1。圖中不同顏色的線為不同溫度的等溫線，每兩條等溫線的溫差為20℃。同一等溫線上的各點成分不同，熔點相同，熔點即為所在等溫線的溫度。

圖1 SiO2-CaO-MgO-Al2O3四元相圖（MgO含量固定為10%）

由圖1可以看出：相比于Al2O3含量波動，R2波動對爐渣熔點的影響更為明顯，當爐渣R2超過1.0后，隨堿度增加，爐渣熔點升高。當R2從1.0增加到 1.3、Al2O3含量為 15%時，爐渣熔點從1 300℃增加到了1 450℃，說明爐渣R2波動對爐渣成分穩(wěn)定性影響明顯，即液態(tài)爐渣黏度抗堿度波動的能力弱，在高爐實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)嚴格控制R2的波動。相比于R2，Al2O3含量增加可以提高爐渣熔點，但趨勢緩慢。在高爐造渣成分范圍內(nèi)，當Al2O3含量超過15%時，等溫線與R2線的夾角變大，爐渣熔點隨Al2O3含量的增加而升高的趨勢加快，即爐渣成分穩(wěn)定性變差；當Al2O3含量超過20%時，等溫線與堿度夾角趨近于90°，爐渣熔點隨Al2O3含量的增加而升高的趨勢進一步加快，爐渣成分穩(wěn)定性變得更差。因此，高爐冶煉時應(yīng)控制Al2O3含量在15%以下；當冶煉特殊礦種時，將Al2O3含量控制在20%以下。

利用Factsage軟件繪制得到溫度為1 450℃時MgO質(zhì)量分數(shù)分別為5.5%、7.5%、10%、12%的CaOAl2O3-SiO2-MgO四元渣系液相面區(qū)域圖，見圖2。

圖2 CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系液相面區(qū)域圖（不同MgO質(zhì)量分數(shù)）

由圖2可以看出，相比于MgO含量波動，R2波動對爐渣熔點的影響更為明顯，當R2從1.1變化到1.3時，爐渣熔點迅速升高，爐渣易凝固。隨著MgO含量增加，爐渣的液相面積先增加后減小，在MgO含量為7.5%時，相圖具有最大液相面積。但在高爐造渣區(qū)域范圍內(nèi)，即R2在1.1～1.3、Al2O3含量在10%～20%范圍內(nèi)，MgO含量從5.5%變化到12%對液相面積影響不大，說明MgO含量不影響爐渣成分穩(wěn)定性，即MgO含量不影響爐渣抗成分波動的能力。

3 結(jié)論

（1）實驗條件下，爐渣溫度穩(wěn)定性隨MgO含量和R2的增加而變好，隨Al2O3含量的增加而變差；而Al2O3含量對爐渣溫度穩(wěn)定性的影響最為顯著，其次是R2，MgO含量對爐渣溫度穩(wěn)定性的影響最小。

（2）Factsage軟件計算結(jié)果表明：相比于MgO和Al2O3含量波動，R2波動對爐渣成分穩(wěn)定性的影響最為明顯，在高爐冶煉過程中，應(yīng)嚴格控制R2的波動。

（3）當Al2O3含量超過15%時，爐渣成分穩(wěn)定性變差；當Al2O3含量超過20%時，爐渣成分穩(wěn)定性變得更差。因此，高爐冶煉應(yīng)控制Al2O3含量在15%以下，當冶煉特殊礦種時，將Al2O3含量控制在20%以下。

（4）在高爐造渣區(qū)域范圍內(nèi)，MgO含量不影響爐渣成分穩(wěn)定性。