冶煉前期轉(zhuǎn)爐渣熔體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變行為

馮曉明

（承德建龍?zhí)厥怃撚邢薰?，河?承德 067000）

轉(zhuǎn)爐煉鋼是一個(gè)復(fù)雜的多相反應(yīng)過(guò)程，轉(zhuǎn)爐渣在整體的冶煉中作用非常重要，對(duì)脫磷脫碳，以及其效率的掌控均有著重要的影響，同時(shí)將直接關(guān)系到冶煉過(guò)程中穩(wěn)定性的控制。對(duì)合理的轉(zhuǎn)爐渣成分進(jìn)行控制，以此更好的適用于各個(gè)冶煉階段，是相關(guān)行業(yè)研究人員一直致力的問(wèn)題。提高成渣的速度是轉(zhuǎn)爐冶煉初期的重要目標(biāo)，這樣才可以實(shí)現(xiàn)促進(jìn)脫磷、脫硅、脫碳操作的順利進(jìn)行。泡沫化的操作是穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)冶煉初期目標(biāo)的核心手段。爐渣泡沫化的黏度以及表面的張力是一種物理性質(zhì)，存在緊密的聯(lián)系[1]。而微觀結(jié)構(gòu)將決定爐渣的物理性質(zhì)，也就是說(shuō)爐渣泡沫化的性能是由熔體的結(jié)構(gòu)來(lái)決定的。合理的解釋與詳細(xì)的分析轉(zhuǎn)爐渣的熔體結(jié)構(gòu)，對(duì)于轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程中冶金行為的理解與控制具有十分重要的含義與價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)方法

參考相關(guān)書籍中工業(yè)轉(zhuǎn)爐渣在不同的吹煉階段所包含的成分，選用CaO-SiO2-FexO來(lái)用作基礎(chǔ)的渣系，設(shè)計(jì)了四組實(shí)驗(yàn)渣，這四組實(shí)驗(yàn)渣伴隨著堿度的升高其FexO質(zhì)量分?jǐn)?shù)將逐漸的降低，使用這樣的方法來(lái)模擬冶煉初期轉(zhuǎn)爐渣具體的成分變化。

實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)渣的配置將使用分析純?cè)噭〤aO、SiO2以及Fe2C2O4.2H2O，由Fe2C2O4.2H2O來(lái)折算FeO與Fe2O3的用量。使用高溫淬火爐對(duì)實(shí)驗(yàn)渣進(jìn)行制備。實(shí)驗(yàn)中加入高純的氬氣，用作保護(hù)性的氣體，以恒定的速度將溫度升高至1450℃，維持這一溫度一小時(shí)之后移開滑蓋，松動(dòng)鉬絲，在冰水的混合物中加入鉑坩堝迅速進(jìn)行淬冷。然后把干燥之后的淬冷試樣細(xì)磨成粉，制成0.074mm以下大小的微粒，玻璃相是預(yù)熔渣的主要成分，這樣就可以是熔體的溫度狀態(tài)維持在高溫狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)中使用激光聚焦Raman光譜儀來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)爐渣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。Raman光譜儀的掃描波數(shù)數(shù)值范圍為100cm～4000cm-1，激光波總長(zhǎng)488nm，狹縫寬度為300μm，分辨率為0.65cm-1。將完成測(cè)試的數(shù)據(jù)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，使用Origin9.0軟件來(lái)平滑原始的譜線，并將其基線去除，之后使用高斯擬合線法來(lái)對(duì)譜線進(jìn)行分縫操作。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在冶煉的初期其成分會(huì)受到CaO-SiO2-FexO熔渣的結(jié)構(gòu)的直接影響。整個(gè)波段中特征最為明顯的波峰出現(xiàn)在中頻區(qū)400cm～780cm-1，以及高頻區(qū)780cm～1100cm-1的范圍之內(nèi)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料中記載，585cm-1與cm-1附近分別是與[FeO6]9-八面體，以及[FeO4]5-四面體結(jié)構(gòu)相關(guān)的特征峰，853、914、972以及1027cm-1，其附近的橋氧數(shù)值為0、1、2、3的硅氧四面體，這之中的Si-O可以經(jīng)過(guò)堆積形成具備伸縮振動(dòng)功能的特征峰。多組分硅酸鹽渣系中的Qi位置受到不同陽(yáng)離子的直接影響，所以需要保證特征一致的峰如果存在于不同的渣系，需要具備足夠的差異性。

如果熔渣的堿度為0.35.硅氧四面體的峰值在1019cm-1處，就會(huì)出現(xiàn)峰肩[2]。峰肩將會(huì)伴隨堿度的增加不斷左移。如果堿度為0.96，肩峰則轉(zhuǎn)移至855cm-1的位置，這就說(shuō)明了高聚合態(tài)中的硅氧四面體在熔渣中的含量越來(lái)越少，但是低聚合態(tài)的硅氧四面體含量卻在一點(diǎn)一點(diǎn)增加。

實(shí)驗(yàn)渣絡(luò)合峰的明顯變化發(fā)生在500cm～780cm-1頻率范圍內(nèi)。FexO含量的不斷減少，使得[FeO6]9-八面體與[FeO4]5-四面體的特征峰不斷發(fā)生疏散的變化，同時(shí)，[FeO4]5-四面體特征峰的峰寬越來(lái)越窄，峰形越來(lái)越尖銳，這就說(shuō)明[FeO4]5-四面體在Fe3+中占據(jù)的比例逐漸增大，形成認(rèn)定的結(jié)構(gòu)單元。硅氧四面體之間Si-O-Si鍵的彎曲振動(dòng)可以由400cm～500cm-1段的位移來(lái)表示，聚合程度的變化情況可以通過(guò)這一峰值的強(qiáng)弱變化來(lái)直接反映。熔體的聚合程度較高，那么峰值就較強(qiáng)。

一號(hào)-四號(hào)的實(shí)驗(yàn)渣中，硅氧基團(tuán)的含量越來(lái)越少，而鐵氧基團(tuán)的含量卻越來(lái)越多[3]。熔渣中的SiO2/FexO含量變化是導(dǎo)致這一情況發(fā)生的主要原因。同時(shí)，[FeO4]4-四面體相對(duì)面積的面積分?jǐn)?shù)與[FeO4]5-四面體的相對(duì)面積分?jǐn)?shù)比較要大得多，是熔體結(jié)構(gòu)中的主要物質(zhì)?？刂迫墼酆隙鹊闹饕罁?jù)是[FeO4]4-四面體的結(jié)構(gòu)形態(tài)。因此，以Qi的相對(duì)面積分?jǐn)?shù)為條件來(lái)對(duì)熔渣的非橋氧數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即可評(píng)估熔渣具體的聚合程度。摩爾分?jǐn)?shù)以及非橋氧數(shù)具體的計(jì)算公式如下。

堿度的增加Q0的相對(duì)面積分?jǐn)?shù)也不斷的增加，而Q3相對(duì)面積分?jǐn)?shù)越來(lái)越少，Q1和Q2整體的相對(duì)面積分?jǐn)?shù)變化不大。這一現(xiàn)象的出現(xiàn)原因是由于熔渣的成分影響。研究表明，堿度或堿土金屬氧化物極易對(duì)Si4+的結(jié)構(gòu)形態(tài)產(chǎn)生影響，CaO可使[FeO4]4四面體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)而重新分解聚集形成簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。因此，強(qiáng)化熔渣的解聚能力可以通過(guò)增加堿度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，結(jié)合通Qi相對(duì)面積分?jǐn)?shù)的變化，說(shuō)明Q2-破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)能夠與成分復(fù)雜的硅氧四面體進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而發(fā)生Q3-Q2-Q1-Q0的解聚過(guò)程，這就導(dǎo)致熔渣中Q0相對(duì)面積分?jǐn)?shù)增多，而Q3相對(duì)面積分?jǐn)?shù)減少[4]。在Q0、Q1、Q2和Q3的綜合作用下，熔渣的NBO/T明顯增高，進(jìn)而大幅度的降低了熔渣的聚合程度，這與譜線的分析結(jié)果是一樣的。

一號(hào)至四號(hào)試驗(yàn)渣，[FeO4]5-四面體相對(duì)面積分?jǐn)?shù)越來(lái)越大，[FeO6]9-八面體相對(duì)面積分?jǐn)?shù)越來(lái)越少，原因是因?yàn)镕e3+的存在形式與Fe3+/∑Fe之間存在緊密的聯(lián)系。隨著FexO相對(duì)面積分的減少，渣中Fe3+/∑Fe含量也越來(lái)越少，自由O2-的相對(duì)面積分?jǐn)?shù)不斷減少，F(xiàn)e3+形成八面的變化效果越來(lái)越不明顯，[FeO6]9-八面體的相對(duì)面積分?jǐn)?shù)不斷減少。

3 結(jié)論

（1）熔渣中存在Q0、Q1、Q2、Q3，其堿度會(huì)伴隨著冶煉的進(jìn)行而逐漸的增大，高聚合度的結(jié)構(gòu)單元將會(huì)發(fā)生由Q3-Q2-Q1-Q0的解聚過(guò)程，這就讓熔渣當(dāng)中的NBO/T數(shù)值不斷上漲，但是熔渣的聚合程度不斷減弱。

（2）Fe3+在CaO-SiO2-FexO渣系中以[FeO4]5-四面體與[FeO6]9-八面體的形式存在。如果Fe3+/∑Fe含量的不斷減少，會(huì)幫助Fe3+以[FeO4]5-四面體的結(jié)構(gòu)形式存在。