林有志
宝武集团广东韶关钢铁有限公司炼钢厂
摘要：转炉钢渣是转炉炼钢过程中产生的废渣，主要来源于铁水与废钢中所含元素氧化后形成的氧化物。我国排放的转炉渣量约8000多万吨，已有2亿多吨以上的转炉钢渣积存。受近年来钢铁行业产能过剩影响，炼钢企业经济效益不佳，做好炼钢成本控制成为炼钢企业关注的重点。结合转炉炼钢工艺，炼钢企业可从造渣环节入手加强研究，提高造渣质量的同时，降低造渣成本。
关键词：生白云石；转炉炼钢；溶解；研究
引言
采用石灰石原矿代替经过煅烧的活性石灰进行造渣对降低转炉冶炼成本、减少煅烧石灰产生的CO2气体外排量有一定优势。该技术近几年在国内炼钢厂应用较为普遍。但是，石灰石造渣炼钢的煅烧分解机理、快速成渣理论以及科学合理应用该技术的研究相对滞后。
1白云石溶解试验方案
转炉初期渣为硅锰氧化期，氧化性较高，属于ＣａＯ－ＦｅＯ－ＳｉＯ２渣系。根据生产条件，在实验室采用化学试剂配制转炉初渣系，渣组分为ｗ（ＣａＯ）＝３０％，ｗ（ＦｅＯ）＝３６％，ｗ（ＳｉＯ２）＝３０％，ｗ（ＭｇＯ）＝４％。试验配制转炉渣１５０ｇ，将称取的样品放入烧杯中混匀，混匀之后放入坩埚中。为研究生白云石溶解机理，并与轻烧白云石溶解机理对比分析，试验中选择粒度约２０ｍｍ方的生白云石块和轻烧白云石块，其成分见表１。
试验采用硅钼电阻炉，将准备好坩埚放入炉中，升温至１３５０℃。配制渣熔化过程中进行机械搅拌，以保证熔渣均匀且熔化完全。待渣完全熔化后，将事先准备好的生白云石块或轻烧白玉石块放入渣中，约２ｍｉｎ后，取出坩埚，并用空压机吹风迅速冷却至室温。坩埚冷却至室温后，沿纵向剖开坩埚，首先观察白云石宏观溶解情况，然后对试样进行切割，制取试样，在扫描电镜（ＰＨＩＬ－ＩＰＳＸＬ３０ＴＭＰ）下白云石溶解试样的形貌，并使用能谱仪（ＥＤＡＸＰＨＯＥＮＩＸ）分析不同位置组分，分析白云石溶解机理。
2生白云石溶解试验
2.1试验描述
试验材料：在实验室运用化学试剂配制150g转炉初渣系，渣系的百分比组成为4%的MgO、30%SiO2、36%FeO、30%CaO。将称取的各样品在烧杯中均匀混合，倒入坩埚中。选取约20mm粒度的生白云石试块，并使用同等粒度的轻烧白云石试块作对比。两者的化学成分及组成比例为：生白云石中含有50%的烧碱、0.02%的硫、0.40%的SiO2、31%的CaO以及18%的MgO。轻烧白云石含有0.01%的硫、1%的SiO2、60%的CaO、35%的MgO。实验操作：将坩埚置于硅钼电阻炉中，将温度调至1350℃。为保证熔渣完全熔化且均匀性良好，熔化期间进行机械搅拌。待熔化完全后将生白云石、轻烧白云石置于渣中，2min后取出，冷却至室温后，观察并使用扫描电镜、能谱仪研
究白云石溶解情况。
2.2试验结果
试验过程中生白云石与轻烧白云石在转炉炼钢渣中的溶解情况为：一方面，从熔渣纵剖面角度来看，生白云石中未溶解比例较轻烧白云石小，可推断生白云石在渣中的溶解速度快于轻烧白云石。原因为在于生白云石溶解时产生CO2气体，使得分解位置出现较多孔隙，熔渣更加容易进入到白云石内部生成MgO，与此同时，CaO的活性得以提升，进一步促进生白云石的溶解。另一方面，未溶解的生白云石碎裂，而轻烧白云石未溶解部分体积较大。原因在于生白云石溶解时，短时间内产生较多的CO2，而分解过程中生白云石表面粉化剥落，在CO2作用下产生较小碎块。
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2.3生白云石溶解机理
观察生白云石、轻烧白云石溶解的低倍形貌可知，两者溶解过程中出现较为清晰的过渡层，过渡层中的组织结构较为疏松，从未溶解至熔渣密度逐渐增大，其中生白云石过渡层的宽度较小，表明其在熔渣中较容易溶解。分析两者的高倍形貌以及能谱得知，生白云石与轻烧白云石过渡层的化学组分相似，表明溶解时两者发生的化学反应相似。但化学组分表现形式不同，表明溶解过程中两者经历的物理过程不同。其中生白云石未溶解部分、溶解产生的低熔点液渣分别呈微粒岛状、网状分布。形成的高熔点的硅酸钙较少，分布较稀疏。未溶解的轻烧白云石为块状分布，产生的低熔点液渣则分布在孔隙间。另外，在液渣层与轻烧白云石间出现较多的高熔点硅酸钙。分析两者的微观形貌，因生白云石溶解期间发生裂解反应，未溶解部分形成碎裂，产生较多微粒，微粒直径在1~8μm不等，能够较容易的溶解至渣中。但未溶解的轻烧白云石，虽内部存在较多孔隙与裂缝，但整体上仍较为完整。借助能谱仪分析知，未溶解的生白云石不存在MgCO3、CaCO3，只有MgO与CaO，表明炼钢初期生白云石的分解是一步完成的，具体的化学方程式为：CaMg(CO3)2=MgO+CaO+2CO2。
3生白云石造渣的影响分析
以上研究表明，生白云石代替轻烧白云石造渣，成渣速度更快，更有利于转炉钢渣反应。另一方面也有利于降低生产成本和ＣＯ２排放。为研究生白云石给炼钢造成的影响，某炼钢厂分别使用生白云石、轻烧白云石，运用相同的操作方法，对三个月的生产数据进行对比分析得知，一方面，生白云石造渣时的脱磷率为84.1%、增硫质量分数为71×10-6，轻烧白云石脱磷率为83.2%。增硫质量分数为78×10-6，由此可知，生白云石较轻烧白云石具有更快的造渣速度。终点钢水成分控制优于轻烧白云石。另一方面，使用生白云石时氧化镁质量分数、碱度较之前提高明显，而终渣氧化铁质量分数明显降低，尽管终渣略发泡，但黏度适中，方便炉衬维护。另外，使用生白云石造渣熔剂成本每吨可降低2.98元。
为保证生白云石优势的充分发挥，应用中应注重生白云石用量以及添加时机的控制。一方面，严格遵守造渣制度，综合考虑炉渣中MgO的量确定生白云石用量。另一方面，加入生白云石的时机是否合理直接影响成渣质量。如在开吹前将生白云石全部加入，会造成炉内温度降低，而且生白云石的熔化难度较大，成渣困难，甚至会发生低温喷溅、低温返干情况，因此，应用中应确保冶炼初期渣中含有较高的MgO，满足化渣温度要求，分段分批次的添加生白云石。例如，开吹1min后加入总量50%的生白云石；开吹2~3min，炉中Mn、Si等元素氧化快完成时添加20%的生白云石。为控制喷溅应在冶炼至中后期添加10%的生白云石。在溅渣护炉前添加20%的生白云石。
结束语
在现行转炉钢渣利用模式下，开拓了转炉渣很多利用途径，也取得了很多瞩目的成就，在一定规模上实现了转炉渣的有效利用。为优化转炉炼钢工艺，本文通过试验对比生白云石、轻烧白云石在转炉钢渣中的溶解情况进行研究，得出以下结论：
(1)在炼钢渣中生白云石、轻烧白云石溶解机理并不相同，其中在较高温度条件下，生白云石发生分解反应，产生CaO、MgO微粒，而后与熔渣发生溶解反应。同时，生产CO2气泡，使得动力学条件明显改善，生白云石的溶解速度较轻烧白云石快。
(2)炼钢期间使用生白云石时，其中的CaCO3与MgCO3分解几乎是同步进行的，生成CaO、MgO以及CO2。
(3)实践表明，使用转炉炼钢使用白云石较轻烧白云石更具优势，其不仅提高脱磷率，降低增硫质量分数，而且方便维护炉衬，节约熔剂成本。
参考文献
[1]张思维.生白云石部分替代轻烧白云石转炉冶炼实践[J].武钢技术.2018(06).
[2]康乐,冯佳,李晨晓,李宏.可用于炼钢造渣的若干富含碳酸钙矿石的物性考察[J].炼钢.2018(06).
论文作者:林有志
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第21期
论文发表时间:2019/11/26
标签：白云石论文; 转炉论文; 钢渣论文; 坩埚论文; 机理论文; 较多论文; 分解论文; 《中国西部科技》2019年第21期论文;