（钢铁冶金专业论文）氟和氧化镁对包钢高炉渣物理性能和矿物组成影响的研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 本文重点研究了包钢低含氟炉渣组成对炉渣熔化特性、粘度以及矿物组成的影响。 采用正交实验法设计实验，采用综合热分析仪和熔体物性分析仪对包钢低含氟高炉渣开 始熔化温度、熔化区间、熔化性温度和粘度进行测量和研究，并对炉渣进行矿相观察， 分析了矿物组成对炉渣性能的影响和作用。主要结论如下： ( 1 ) 考察了氟、氧化镁、碱度对炉渣粘度和熔化性温度的影响。随着炉渣氟含量 的升高，炉渣粘度和熔化性温度均降低。对于碱度大于1 1 5 的高碱度渣，氟含量对炉 渣粘度的影响更明显。随着氧化镁含量的增加，炉渣粘度降低，熔化性温度升高。氧化 镁含量为“5 时，熔化温度达到最大值，所以氧化镁含量不易超过1 1 5 。增加炉渣 的碱度，粘度降低，熔化性温度先降低后升高。炉渣碱度为1 1 时，熔化性温度达到最 低点。适宜的高炉炉渣成分范围为m g o 在8 l1 ，碱度在1 0 5 1 1 5 。 ( 2 ) 研究了氟、氧化镁、碱度对炉渣开始熔化温度和熔化区间的影响。随着氟含 量的升高，炉渣开始熔化温度降低，熔化区间增大。随着氧化镁含量和碱度的升高，炉 渣开始熔化温度升高，熔化区间减小。 ( 3 ) 通过不同碱度下炉渣矿物组成的矿相观察发现，m 9 0 含量小于6 ，碱度大 于1 3 时，提高碱度，炉渣易进入硅酸二钙结晶区，致使炉渣粘度突变，降低炉渣热稳 定性。 关键词：高炉渣熔化性温度开始熔化温度粘度矿物组成 一2 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 t h ei n n u e n c eo ft h en u o r i n ea n dm a g n e s i ao nt h ep h y s i c a l p e r f b r m a n c ea n dm i n e r a lc o m p o s i t i o no fb a o g a n gb fs l a g a b s t i 翟c t t h e 伽p o s m o no f l o 、vn u 嘣n cc o 胀呲i ns l a gh a sg r e a ti 1 1 _ f l u e n c eo n 砥m e l t i n gp r ( 氍啊， 、，i s c o s i t y 锄dm m e r a lc o m p o s i t i o n h e r e i n ，m ep r _ o p e m e ss u c ha ss t a r tm e i t i i l g 把m 】) e r a c u 毪 m e l d i l gi i l 地删，m d d i 唱t e 玎1 p 黜a t u r ea n d 哳s c o s i 哆o f t h el a wn u o r i d cs l a g 矗d mb a o t o ui r o n & s t e e l ( g r o u p ) c oh a v eb 嘲ld e t e n l l i n e da n ds m d i e d 恤曲。讪o g o n a le x p 豳e n t a t i o i l sl l s i n g a ni n t e g r a 捌m e m 词删y z e ra n dap h y s i c a lc t 】a r a c 矧s t ca i l a l y z e r t h em i n e - 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p l a s e ni sf o 眦dm a tw h e n 龇 3 一 内蒙古科技大学硕士学位论文 c o n l e n t o f m g o i s l e s s m a l l6 a i l da l 埘i i l i t y i s m o m 竹姗1 3 ，a 1 1 da l o n g 、i t i l 吐玲硫糟a s e o f 删i i l 时，i ti se 硒yf o rt l l es l a gt 0e m e rm ec a l c i 啪s i l i c a t ec r y s t a lz o n e ，廿m sr c s l l m n gi nb o m t l l es 1 1 a i r pc h a r l g eo f t l l es l a gv i s c o s i 哆a 1 1 dt l l er e d u c t i o no f t l l es l a gs t a b i l i 可 k e y w o r d s ： b i a s tf u m a c es l a 舀m e m n gt e m p e m t 1 阳，s t a r t i gm e l 伽g 钯i n p e 豫t u 心， v j s c o s j t y ，m 缸e m l 咖p o s i t i o d 内豢占科技大学硕士学位论文 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名：硅垂硷 日期： 关于论文使用授权的说明 ) 6 。w 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：塞童盐导师签名：氲宝 日期： 椰- s 、w 内蒙占科技大学硕士学位论文 1 绪论 高炉冶炼不仅要求还原出金属铁，而且要求未被还原的s i 、c a 、m g 、a l 、t i 等元 素的氧化物以及金属硫化物形成炉渣，使铁与炉渣熔化，从而利用它们比重的不同使之 分离，以液态生铁和液态炉渣排出。造渣制度就是根据高炉的原料和冶炼的生铁品种等 条件，选择一个流动性、粘度、熔化性温度和脱硫能力等都能适宜的终渣成分。它对于 高炉的产量、生铁质量、焦比、生铁成本和高炉寿命等都有重大的影响【1 】。 炉渣的形成过程：高炉炉料在下降过程中，只有焦碳一直保持固体状态，到风口前 才燃烧。而矿石和熔剂逐渐加热、分解和还原，到达一定温度( 大约1 0 0 0 以上) ， 各种末还原的氧化物逐渐化为炉渣，即所谓初渣。初渣中带有较多的f e o 和一定量的 h 恤0 。初渣不断下降，温度升高，渣中f e 0 、h 恤o 和s i 0 2 有部分被直接还原进入铁 中。炉料中的c a o 、m g o 不断进入渣中，使炉渣的碱度和熔化温度均升高。当炉渣到 达风口部位时，焦碳中的灰分进入渣中，脱硫生成的硫化物c a s 也进入炉渣，最后形成 终渣，从炉缸中放出闭。 在冶炼过程中，炉渣是决定金属成品最终成分及温度的关键因素。炉渣具有以下作 用口捌： ( 1 ) 在高炉所能达到的温度下，炉渣具有良好的流动性，以便利用比重不同而与液 态生铁分离。若渣铁不分，则高炉冶炼无法进行。 ( 2 ) 应使炉渣具有最大脱硫能力，以洗除生铁中的硫。 ( 3 ) 具有能促进或阻止某些元素的还原的能力。 不同性质的炉渣，对完成上述三个作用是不同的，所以在冶炼不同种类的生铁时， 应该有不同的炉渣成分。如果炉渣的成分不合适，就会影响到高炉的顺行和铁的产量。 1 1 白云鄂博矿炉渣的陛能和特点概述 白云鄂博矿是一个铁、稀土、铌等多种矿物共生的矿床。由于矿床成因复杂，致使 不同部位形成不同的矿物组合，现己查明矿床中含有7 1 种元素、1 7 0 多种矿物【4 】。白云 鄂博矿大部分为含铁品位较低的贫矿( t f e 3 0 左右) ，需经过选矿提高其品位，去除 部分有害杂质，并选出稀土矿物进行综合利用。白云鄂博矿是包钢的主要矿区，由于白 内蒙占科技大学硕士学位论文 云鄂博矿所含元素种类多，矿物成分复杂并且里细粒互相嵌布，因此给烧结、冶炼工艺 带来一系列的困难口】。 由于白云鄂博精矿含氟较高，故通常也称含氟精矿。使用白云鄂博精矿为高炉主要 原料的包钢高炉渣被称为含氟高炉渣。氟是最活泼得元素，它的离子半径与氧接近， ( f r 是1 3 6 a ，0 2 一是1 3 2 a ) ，能与许多元素起反应。它在冶炼过程中，主要以氟化钙的 形式进入炉渣，少量随炉尘离开高炉，极少量以挥发物形态进入煤气参加循环富集。 白云鄂博矿的炉渣特点是流动性好，1 3 0 0 1 4 0 0 时的粘度一般在0 2p a s 以 下；熔化温度低，约1 1 5 0 1 2 0 0 ，比一般高炉渣低1 5 0 2 5 0 。熔化区间窄 小，一般在5 0 以内。所以属于短渣【3 】。 1 1 1 化学成分 白云鄂博矿末渣的成分与普通矿炉渣的成分亦有所不同，见表1 1 。渣中c a f 2 及 k o v 含量高，而f e o 很低，这是显著的不同之处。普通的炉渣中f e o 为o 5 o 7 ， 而白云鄂博矿炉渣仅o 2 4 。c a o 和s 0 。2 则随碱度的变动而变化。通常炉渣的碱度 越低，进入炉渣的k 2 0 和n a 2 0 越多；相反，碱度越高，进入炉渣的k 2 0 和n a 2 0 越 少。若只从炉渣流动性而言，则可以在较大的碱度范围内变动，而不致影响炉渣的流动 性。增加渣中m g o 含量可以改善炉渣的冶金性能和提高熔解碱金属的能力。目前炉渣 m 9 0 含量约8 左右，这对高炉排碱有利在生产实践中己得到证实。 表1 1 末渣的化学成分 化学成分 生产日期自由碱度备注 c a 0 s i o z a 1 2 0 3m g o m n 0f e os f 2r e ；0 。 波动范围4 2 - 4 92 0 - 2 8 7 9 2 40 4 - l70 2 040 9 - 1 49 - 1 53 7 1 9 5 9 l o o 白云 1 9 6 3 年 鄂博块矿 一般值 4 6 2 2 7 5 3 50 8o 31 21 24 51 2 8 1 9 8 3 53 823 2 0 4 79 6 7 6 31 7 4 60 4 50 8 1 65 5 53 8 60 9 4 1 9 9 2 13 9 0 23 0 8 l1 2 352 510 2 1 号高炉 高炉冶炼时矿石中的稀土氧化物全部进入炉渣，故末渣中含有较多的稀土氧化物 一2 一 内蒙古科技大学硕士学何论文 但现在已经加强从选矿过程中选取稀土氧化物，因而炉渣中的稀土氧化物含量亦随之降 低。关于稀土氧化物对高炉炉渣性能的影响至今未做深入研究，在高炉冶炼过程中也没 有发现其显著的影响。此外，炉渣中还含有氧化钍( t h 0 2 约为o 0 3 8 ) 。钍为放射性 元素，以前包钢的高炉水渣因含有放射性而未能利用，但现在通过选矿降低了钍的含 量，从而可使高炉渣的放射性降到使用要求，因此现在包钢的高炉渣已可以利用。 1 1 2 终渣的矿物组成 根据北京地质学院苏良赫教授及中国科学院化工冶金研究所对1 0 0 自云鄂博矿冶 炼时的盐相鉴定，末渣的矿物组成如下所述。 1 1 2 1 高炉渣中含量较多的矿物 a 黄长石( m ( 2 c a o s i 0 2 m 2 0 3 ) n ( 2 c a o s i 0 2 m g o ) ) 这是普遍出现的矿物，结晶完善的为柱状。因末渣中f e o 、m n o 及碱金属均低， 所以是钙镁黄长石的固熔体，其中含稀土矿物约1 3 。 b 枪晶石( 3 c a o 2 s i 0 2 c a f 2 ) 这是含氟炉渣中所特有而较多的物相，有时是长柱状晶体，有时包围在黄长石晶体 周围。 c 稀土矿物 呈黄绿色，主要为鞍山石【7 ( c a l a n d p r ) 2 s i 0 4 ( f o ) 1 0 是一种含稀土约 5 5 的碱性硅酸盐以及铈镧钕石，其中稀土氧化物约4 6 ，成分为 ( c a l a n d p r ) 【t i m f e 】0 3 。 d 萤石( c a f 2 ) 是较多的物相，呈小圆柱粒状，无色透明。 1 1 2 2 高炉渣中含量较少的矿物 a 褐硫钙石 褐硫钙石( c a s ) 是微小颗粒，分散在黄长石及玻璃体中，其它有乙型正硅酸钙 ( b 2 c a 0 s i 0 2 ) 及硅钙石( 3 c a o s i 0 2 ) 。近年来高炉渣碱度降低，此类矿物当更 少了。 b 玻璃体 3 内蒙古科技人学硕士学位论文 渣中还有未形成结晶体的玻璃体，其量高含量达1 0 。这种玻璃体的成分比较复 杂，除可能含有上述各元素外，尚含有少量的锶、钡和碱余属。渣中的氟分别存在于枪 晶石和萤石中，钙绝大部分组成萤石、枪晶石和褐硫钙石，小部分则与硅结合成各类硅 酸钙。 从以上矿物组成可以看出，稀土和f 含量比较高，这对炉渣的流动性和熔化温度带 来很大的影响，由于含有f ，流动性良好，但是f 具有腐蚀性，对风口冲刷严重；并且 萤石的熔点很低，且一旦凝固难以重熔。目前，炉渣中的稀土和f 含量已经随着选矿技 术进步和熟料的改善降到很低。所以本论文研究了目前包钢低氟炉渣的矿物组成，了解 矿物组成对炉渣性能的影响，为高炉生产提供理论指导。 1 1 3 冶金性能 1 1 3 1 粘度 白云鄂博矿末渣的冶金性能与普通矿的末渣有所不同。国内有关单位对此进行了大 量的研究工作，其结果基本一致。含氟炉渣的基本特点是粘度远比一般硅酸盐炉渣低， 且为短渣。一般当温度大于1 4 0 0 时粘度在o 1 p a s 以下，熔化区间一般在5 0 以 下，有的仅2 0 3 0 。这个特点对高炉冶炼带来了不利影响。因为，这种类型的炉渣 在熔点附近不允许温度有过大的波动，否则会很快凝结。 a 氟化钙对粘度的影响 图l - 1 是m 9 0 为5 5 ，a 1 2 0 3 为8 5 ，碱度为1 o 时c a f 2 与粘度的关系嘲。由图 l l 可见，随着c a f 2 含量的增加，粘度急剧下降。但粘度值降低与c a f 2 量的增加并不 是直接关系， c a f 2 含量在1 5 处出现一个转折点，再增加c a f 2 含量对粘度的影响就 不大了。以碱度1 o 的炉渣为例( 图1 1 ) ，在1 4 0 0 以下，当c a f 2 小于1 5 时，每 增加l c a f 2 ，粘度值降低o 1 p a s ，而当c a f 2 大于1 5 时，每增加l c a f 2 ，粘度 只降低0 0 0 7 p a s 。这个转折点对含氟炉渣的粘度是一个重要参数。东北工学院( 现东 北大学) 所做的测定，亦同样指出了这些特点啊。 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 1 炉渣c a f 2 含量对炉渣粘度的影响 从中可以得出，欲使含氟炉渣的粘度达到一般硅酸盐炉渣粘度的7 0 时，则炉渣 氟化钙含量应该降到5 以下。 b 炉渣碱度对粘度的影响 在不同的氟含量情况下，随着碱度的提高，粘度降低。但当碱度超过一定值后，粘 度基本不变，这一特点的碱度值与c a f 2 含量有关不同c a f 2 含量的炉渣其拐点碱度值 如下： 当c a f 2 1 3 ；1 o 左右；o 7 左右时c a f 2 含量对炉渣熔点的影响 化学成分， 化学成分， 熔点。c熔点。c 试样 碱试样 碱 编号度编号度 全 c a nm g o开始芈熔全熔c a f 2m 9 0卅始半熔 熔 1 4 2 45 5 l4 4 13 2 1 1 0 9 1 2 2 91 2 4 23 0 j6 2 0 9 4 7 10 21 2 2 61 2 8 31 2 9 0 1 1 98 5l5 415 51 0 8 】1 2 5 41 2 5 4c 6 4 595 510 11 2 l l1 2 9 01 2 9 5 - 1 468 3l7 515 21 1 7 61 2 3 91 2 5 3 c 一8 27 l9 3 810 41 2 3 l1 2 7 91 3 0 7 _ 42 2 3 662 l13 51 1 3 51 2 0 53 5095 l】q 31 2 1 61 2 8 91 2 9 7 2 1 9 0 052 515 61 1 7 01 2 0 7l 一33 11 24 40 6 21 0 2 71 0 7 51 0 8 4 珏一21 25 857 2l6 51 1 1 21 2 0 11 2 0 5i _2 6 9 8l2 607 】1 0 6 61 1 2 21 1 4 6 b _ 39 2 456 3l6 11 0 8 21 2 1 91 2 2 8 1 一l i 2 11 6l5 40 6 61 0 1 61 0 1 51 0 9 l b 467 056 4l4 91 2 0 81 2 6 61 2 7 4l 1 61 55 8l2 l0 6 51 0 0 41 0 9 81 1 0 8 3 叫2 3 0 795 9l6 01 1 0 71 15 91 1 6 71 02 5l7 607 41 l l l1 1 4 91 1 6 2 3 8180 996 7l5 41 1 4 91 1 7 71 19 2l 七34 9 0l5 007 31 2 0 71 2 9 41 3 2 5 l i2 88 5i 8 7l1 21 1 7 4u 7 7a i 229 320 0o7 51 1 3 81 2 2 l1 4 6 l 1 一1 4 1 44 0l7 3l0 51 0 5 91 1 2 4 1 1 4 02 q2 4 7 0 54 0 o 6 01 0 1 3 1 0 5 3 1 一1 8 1 16 023 00 9 11 1 1 】1 1 4 91 1 6 2 2 一1 2 2 10 056 705 31 0 3 7 1 一1 7 1 03 3l4 ll1 61 0 6 71 1 6 41 18 0 2 一1 61 6 2 2 55 506 l 1 0 7 7 a q3 1 615 4o 9 61 14 l1 2 1 61 2 2 8 2 一1 9 1 0 7 75 0 4o ，51 0 9 61 2 0 2】2 2 7 l 崆5015 010 l1 1 6 01 2 3 41 2 8 02 之368 454 80 7 01 1 4 l1 2 0 81 2 2 2 2 _ 52 5 8 054 30 9 91 0 8 31 1 6 6b - 1 2 3 1 6 55 50 6 5 j 0 4 l1 1 9 81 2 1 5 2 一1 0 2 14 559 40 51 0 6 01 1 5 62 之6050 007 3 1 1 8 81 2 2 51 2 3 7 2 1 41 4 9 5 58 7 l0 41 2 0 5 3 7 “4 098 205 61 0 2 01 0 4 21 0 5 2 2 2 l6 2 255 8l0 61 1 7 21 2 0 51 2 13卜1 22 l0 094 5o 6 51 0 4 51 0 5 81 0 6 4 b q 22 954 310 2 1 17 4 1 2 3 01 2 4 5 3 一1 6 95 4o6 21 0 8 21 0 9 31 1 1 9 2 鬯5o54 410 51 2 2 41 2 7 41 2 8 7 3 一1 9 】04 59 9 60 7 2】1 1 71 1 9 91 2 2 6 3 _ 52 36 499 0lo1 0 9 61 1 8 4 l l8 93 3 54 096 0o 6 81 1 3 3i j 6 71 2 0 0 3 一1 4 1 4 0 01 0 1 00 9 7 1 1 7 9 1 1 9 71 2 0 6c 一1 i28 4 9 9 8 0 “1 1 6 11 2 1 21 2 2 1 ，一1 89 3 4 92 2 09 71 0 8 81 1 8 61 2 0 3 3 崆6 0 95 4 06 81 1 9 11 2 1 61 2 2 8 7 内蒙古科技大学硕士学位论文 由表1 3 还可以看出：随着m g o 的增加，炉渣熔点略有升高，当氟含量相同时， 随着碱度的升高，炉渣熔点亦有所升高。综合表1 3 可见，若使含氟炉渣熔点接近一般 酸性炉渣的熔点，应使c a f 2 小于6 。 1 1 3 3 高炉渣的脱硫能力 a 碱度对脱硫能力的影响 含氟炉渣由于粘度低，所以单从炉渣流动性的角度，允许提高碱度。从图1 - 2 中可 以看出，高碱度炉渣比低碱度炉渣的脱硫能力强。 碱度对脱硫效果起了决定性的作用。中国科学院冶金陶瓷研究所口】的实验资料办指 出，脱硫能力随碱度的升高而升高。 3 丽 2 o ， l - 1 ， - _ _ ， 图l - 2 含氟炉渣硫分配系数与碱度的关系 这里，有一点必须指出，白云鄂博矿含碱金属较高，高碱度炉渣虽然对脱硫有利， 但是提高碱度却对排除碱金属不利。因此，在高炉冶炼时不宜采用高碱度渣操作。为保 证生铁质量，采用炉外脱硫的方法。 b 氟对炉渣脱硫能力的影响 在相同的碱度和生铁含硅范围内，当炉渣含氟量变动时，硫分配系数l s 有较大的 改变。针对包钢高炉渣的特殊组成，分析c a f 2 含量对炉渣脱硫能力的影响规律。 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 3 炉渣c a f 2 含量与炉渣脱硫分配比l ( s ) 的关系 由图l 一3 可以看出，炉渣硫分配系数随着渣中w ( c a f 2 ) 的增加而升高，这是因为 c a f 2 的加入，刚氐了炉渣粘度，改善了炉渣的流动性，有利于加速脱硫反应【9 】。 1 2 包钢高炉渣及国内外高炉渣研究的发展 1 2 1 包钢高炉渣研究的发展 含f 炉渣具有地域特殊性，主要是包头钢铁厂生产。因为在历史上国内外都没有冶 炼过这种铁矿石，所以国外对这种炉渣研究的几乎没有。所以系统的进行含f 炉渣研究 对我国包头钢铁公司高炉生产有重大意义。 包钢自1 9 5 9 年投产以来，由于包钢高炉渣是以白云鄂博铁矿为主要原料，白云鄂 博矿伴生天然放射性钍( 以n q 形式存在) ，其含量平均在o 0 3 8 0 4 2 左右。近 年来随着精料方针的贯彻，加强质量管理，高炉渣中放射性水平明显降低。目前高炉渣 含t h 0 2 量为o 0 4 0 0 6 4 ，而原来高炉渣中含t h 0 20 0 8 o 1 【1 0 1 。 自1 9 5 4 年以来有关院、校、研究院、所及高炉工作者对白云鄂博矿的炉渣的形成 和性能开展了一系列的研究工作。1 9 5 4 年包头铁矿石第一次冶炼试验结束后，东北工 学院炼铁教研室受包钢的委托开始进行含f 炉渣的粘度和熔化性这项研究工伊“】。1 9 5 5 年，中i 雪科学院冶金陶瓷研究所周仁、邹元羲【8 l 就对氟对高炉熔渣粘度、熔化性及脱硫 能力的影响进行了研究。1 9 5 8 年中国科学院冶金陶瓷研究所对11 m 3 的高炉冶炼包头矿 一9 内蒙古科技大学硕士学位论文 中成渣过程进行了研究【1 2 l 。1 9 6 3 年包钢炼铁厂集体对含氟矿石的高炉冶炼进行了总结 【1 0 1 。1 9 6 6 年包钢中央试验室对包头矿冶炼时高炉的还原选渣过程进行了研究1 3 】。1 9 7 9 年北京钢铁研究院对含氟炉渣的物化性质进行了研究【5 6 】。1 9 8 2 年包头钢铁厂的董一 诚、冯志坚、李绍周等对包头矿在高炉中软熔和成渣特点进行了研究 1 4 】。综合以上的研 究在1 9 9 5 年由包钢和白云鄂博矿矿冶工艺学编辑委员会创作了一本白云鄂博矿冶工 艺学书，其中对以前冶炼过的含f 炉渣进行了总结。 众所周知，包头白云鄂博矿中除以含f e 为主外，还伴生f 、k 、n a 等元素，几十 年来，包钢逐渐认识到f 、k 、n a 的危害( 特别是f ) ，1 9 9 0 年选矿攻关取得巨大进 展，铁精矿氟含量已由1 9 7 9 年的1 8 下降到1 2 1 0 ；( k 2 0 + n a 2 0 ) 减少，并保 持在0 2 0 3 水平m 。烧结矿氟含量大幅度降低，由1 9 9 3 年的1 7 5 降低到1 9 9 5 年的o 5 o 6 。与此同时，高炉配加普通不含氟的球团，使渣中的c a f 2 的含量由大 于1 0 降低到5 5 6 5 的水平，大大改善了含氟炉渣的冶金性能。 由于包钢高炉渣中氟和碱金属含量严重影响炉渣的冶金性能，其中c a f 2 占主导地 位。所以杜鹤桂、马喜明在1 9 9 7 年对渣中氟和碱金属限量进行研究 1 5 】，结果表明渣中 c a f 2 和( k 2 0 + n a 扣) 分别降至2 5 2 和0 1 9 左右时，炉渣粘度和熔化性温度就可接 近普通高炉渣的水平。将渣中c a f 2 降至2 5 2 以下，对提高包钢高炉渣的表面张力才 会有明显效果。但是他们主要是对炉渣中f 和碱金属进行了研究，固定了m g o 的含 量，这样就对于烧结矿和炉渣都有重要作用的氧化镁的作用没有研究。 1 9 9 9 年对包钢的铁水含硫量检测，发现包钢的高炉在2 0 0 0 m 3 以上大高炉组中，居 下游水平i l6 j 。2 0 0 0 年包头钢铁学院王艺慈、那树人和包钢钢研所陈春元、王瑞军等又 对包钢炉渣提高排碱金属及其脱硫能力进行了研究，发现碱金属在炉内的不利影响，除 了降低炉料碱负荷外，应尽量提高炉渣的排碱能力，通过造低碱度高w ( m g o ) 渣，达 到排碱目的i 。提高渣中w ( m g o ) 有利于脱硫，也有利于排碱。w ( m 9 0 ) = 1 0 1 3 的炉渣，稳定性较好，在此范围内，尽可能提高渣中w ( m g o ) ，脱硫效果会更好 【9 】。但是对于具体的原因没有进行分析，并且只是对于脱硫和排碱金属进行了研究，对 于炉渣的物理性能没有进行研究。 一l o 内蒙古科技大学硕士学位论文 为了包头钢铁公司经济需要和市场需求，在本地矿中加入了外地矿，形成了本地矿 配加外地矿的新冶炼格局。这种新型炉渣中的f 含量又进一步降低，且对其研究很少。 1 2 2 国内外高炉渣研究的发展 炉渣约占钢材生产工序中产生的全部副产物的8 0 ，从节省资源，保护环境的观 点出发，抑制其发生和有效利用颇为重要，以前都积极进行了其用途开发。 7 0 8 0 年代炉渣的两大用途，即面向水泥原料和面向路基材料，并实现了标准化 【1 7 1 。 上个世纪国内对于高炉渣的研究，一方面是对特殊高炉渣的综合利用方面。像目前 攀钢每年副产2 0 0 余万吨高炉渣。由于其中钛含量偏高( 以t i 0 2 计，约含t i 0 22 2 2 6 ) ，攀钢高炉渣不能像普通高炉渣那样用于生产矿渣水泥，又因钛品位不够高，而 不能用它作钛工业的原料1 8 1 9 1 。如此大量的炉渣得不到合理利用，不仅浪费资源，而且 污染环境。因此，研究如何综合利用攀铜高炉渣是目前研究一个热点。主要提出采用相 分离法处理攀钢高炉渣新工艺【2 0 】；攀钢西渣场开发利用可行性研究：攀技花高炉渣中钙 钛矿选矿试验研究；攀枝花高炉渣选矿工艺矿物学性质研究等，都已经实践应用。 另一方面是根据钢铁厂的需求进行研究以改善造渣制度。如在1 9 9 7 年文光远，裴 鹤年根据安阳钢铁公司高炉的原料条件和冶炼情况，实验研究了a 1 2 0 3 、二元碱度 ( c a o s i 0 2 ) 、m g o 和t i 0 2 对高炉渣的粘度、熔化性温度和脱硫性能的影响，为安钢 高炉优化造渣制度提供了理论和实验依据【盈1 ；1 9 9 9 年岑明进，孙丽霞，叶兵，文志 军，夏衍秉，覃昌倬通过对武钢现场高炉渣的性能测定，探讨了炉渣主要成分对炉渣粘 度、脱硫效率等性能影响及原因，指出了炉渣中合理m g o 含量及碱度，据此提出了针 对武钢各高炉的合理造渣制度【纠。在2 0 0 0 年万爱珍对邢钢高炉渣冶金性能的实验室研 究，对邢钢高炉渣粘度、脱硫能力、熔化温度进行了实验测定和分析研究。研究结果表 明：该渣是比较难熔且热稳定性不良的短渣，高温下流动性好但脱硫能力一般，配合系 列人工合成渣样实验研究，初步预报了邢钢高炉渣适宜的成分范围】。 近几年来，由于世界范围内冶金工业的发展，矿石的需求量越来越大，冶金行业普 遍面临着优质矿石越来越少的难题；同时，由于冶盒行业竞争的加剧，迫切要求企业降 低生产成本。因此，低价劣质矿石的使用必将被提到日程上来。但由此带来的一个问题 内蒙古科技大学硕士学位论文 是这些矿石大部分都含有较高的a 1 2 0 3 。如澳大利亚罗布河粉矿中a 1 2 0 3 含量2 ，8 0 m j 。另一方面，为达到增铁节焦的目的，许多冶金企业都在进行高铁份低s i 0 2 烧结技 术的研究，随着入炉矿品位升高，高炉造渣量减少p 刀，使渣中a 1 2 0 3 的含量相对增加。 所以各地钢铁厂都针对目前生产对高炉渣进行了研究，以便找到最佳成分，稳定炉料， 提高高炉生产效率。 1 3 高炉渣化学成分对高炉渣冶金牲能的影响 造渣是高炉冶炼过程中重要的环节之一，它不但要实现金属与氧化物的分离，还要 满足高炉高产、优质、低耗、长寿的需要凹 。众所周知，高炉炉渣渣系主要由c a o 、 s i 0 2 、m g o 、a 1 2 0 3 等组成，高炉炉渣的成分是影响炉渣性能的关键，它还对高炉的稳 定、顺行以及降低炼铁成本有至关重要的作用口5 1 。所以高炉渣的化学成分对炉渣的粘 度、熔化性温度和脱硫能力的影响是高炉工作者十分关心的问题，通过调整炉渣成分来 达到炉渣理想的冶金性能是普遍采用的方法哳 。 1 3 1 氧化镁对高炉渣性能的影响 适当提高炉渣中m g o 的含量可以改善炉渣的性能，主要表现在：提高炉渣的稳 定性；提高炉渣的软熔温度；降低炉渣粘度；提高炉渣脱硫能力；提高炉渣排 碱能力。m g o 在炉渣中改变炉渣性能的原因： m g o = c a o 0 2 f s - o 一粘度l ?0 ， 排碱能力f bi脱硫能力fa l o 一熔点4 在高炉渣的主要成分中，m g o 含量是影响其粘度的重要因素。m g o 含量对粘度的 影响在目前炉渣碱度较大、a 1 2 0 3 古量较高的情况下显得更为明显。从理论上讲，a 1 2 0 3 含量比较高( 一般超过2 0 ) 的炉渣，其m g o 含量不宜控制太高，原因是在高 m g o 、高a 1 2 0 3 的炉渣中，m g o 和a 1 2 0 3 容易形成一些高熔点的化合物，如 m 9 0 a 1 2 0 3 ，炉渣的粘度和熔化性温度都将大幅度的提高，给高炉冶炼带来难以克服 的困难闭。 一1 2 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 在常见的高炉渣范围内，当m g o 5 1 0 时，继续增加m g o ，粘度的变化减小；当m g o 含量超过一定值后，炉 渣粘度将升高。 随着炉渣中m g o 含量的增加，炉渣粘度下降，流动性得到改善【2 3 。这是因为m g o 是种碱性氧化物，像c a o 一样能向熔渣提供02 。【2 7 1 。因此，一方面增加渣中m g o 的 含量，能使渣中复杂的硅氧复合阴离子s i 。o ，4 解体，使其简单化，从而降低熔渣的粘 度，改善熔渣的流动性。同时，增加渣中m g o 的含量，使熔渣的0 2 。的活度提高了，因 而也可以有效提高炉渣的脱硫性能。另一方面增加渣中m g o 含量的比率，可以带入较 多的o2 离子，因而减少了a 1 - o 阴离子团的聚合度，破坏了它们的网状结构，形成了简 单的单、双四面体结构；同时还能与a 1 2 0 3 生成一系列低熔点物质，改善炉渣的流动 性。另外，本溪钢铁公司m 9 0 渣冶炼经验证明，渣中m g o 可有效的扩大渣相中黄长 石区，降低炉渣的熔化温度，从而改善炉渣的流动性【瑚叭。 图1 _ 3 c a o 甾o z _ a 1 2 0 r m g o 四元系相图( a 1 2 0 产1 0 ) m g o 的主要作用是增加炉渣的稳定性【2 0 】。炉渣中m g o 含量的增加，使含氧化镁的 矿物( c a o m g o s i 0 2 、2 c a o m g o s i 0 2 、3 c a o m g o 2s i 0 2 等) 增加。当 一1 3 内蒙古科技大学硕士学位论文 m 9 0 含量为1 0 1 5 ，a 1 2 0 3 含量为1 0 左右时，从c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 m g o 系相图阎 ( 见图1 3 ) 可以看出，炉渣成分处于黄长石( 2 c a 0 m g o s i 0 2 和 2 c a 0 a 1 2 0 3 s i 0 2 的固溶体) 、镁硅钙石( 3 c a o m g o 2s i 0 2 ) 和钙镁橄榄石区 域。该矿相区域，特别是黄长石区域，其炉渣的熔化性、流动性、稳定性和脱硫性能均 良好。安钢的炉渣性能实验【2 2 】结果很好地证实了这一点。因此，从c a o s i 0 2 a j 2 0 3 m g o 四元系相图来看，高炉渣成分应尽可能选在黄长石区域内。从c a o s i 0 2 - a 1 2 0 3 m g o 系相图还可看出，适宜的m g o 含量与2 0 3 含量和二元碱度有关。随着a 1 2 0 3 的 增加，适宜的m g o 含量下降，同时黄长石区域中液相线温度有升高的趋势；二元碱度 升高，适宜的m g o 含量下降；当二元碱度过高时，有可能脱离黄长石区域。在成分接 近方镁石区的炉渣中进一步增加氧化镁的量，将引起结晶相析出，并使粘度增加刚。 随着包钢高炉渣氟含量的降低，其性能接近了普通高炉渣，而保持合适的m g o 含 量，既有利于提高炉渣的稳定性，又可使二元碱度降低，允许提高三元碱度，增加氧负 离子浓度，从而有利于炉渣脱硫【3 ”。适量的氧化镁还可以抑制碱金属在炉内大量循环和 积累，提高炉渣排碱率。这是因为提高渣中m g o 含量，可使炉渣中碱金属( k 2 0 十 n a 2 0 ) 活度降低，其在炉内挥发数量也减少，有利于炉渣排碱1 3 2 1 。实践证明：低碱 度，高( s i 0 2 ) 、低【s i 】、大渣量操作是强化高炉排碱的有效措施。 近些年，随着烧结矿铁品位的提高，高炉入炉品位逐年提高，吨铁渣量逐年降低。 炉渣中保持适宜的m g o 含量，是解决炉渣排碱与脱硫这一对矛盾的有效措施之一。根 据理论分析和试验结果可见，适当提高炉渣中m g o 含量，炉渣的粘度下降，熔化性温 度降低，稳定性提高，提高了脱硫能力，有助于排碱，即适当提高炉渣中m 9 0 含量对 改善炉渣的流动性和难熔性、增加其稳定性是非常有效的口”。 1 3 2 碱度对高炉渣性能的影响 根据冶余炉渣的离子理论1 3 3 】，熔渣的粘度取决于渣中硅氧复合阴离子的结构的复杂 程度。随着渣中o s i 比值的降低，硅氧复合阴离子的结构变得愈来愈复杂，炉渣粘度 就愈来愈大。提高碱度，加入碱性氧化物，提供更多的0 2 ，使0 s i 比值增加，复杂的 硅氧复合阴离子解体分裂形成较简单的硅氧复合阴离子，所以炉渣粘度降低，流动性变 好。但当碱度过高时，渣中c a 0 完全使复杂的硅氧阴离子解体后，多余的c a 0 由于本 1 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 身熔点高，易结晶形成固熔体，使熔渣粘度增大。所以同一温度下，碱度较低的炉渣稳 定性较好，生产中较易控制【2 3 1 。 炉渣中c a o 是主要的脱硫剂，在其他条件不变下，一方面炉渣碱度( c a o s i 0 2 ) 的提高，也即c a o 含量的增加，使渣中0 2 。的活度提高，而随渣中0 2 的活度提高，脱 硫反应的l s 和反应速度都增大，炉渣脱硫能力增强；粘度试验表明，随着碱度 ( c a o s i 0 2 ) 的提高，粘度降低，流动性改善。可见提高碱度，这不仅增强脱硫的热力 学条件，而且炉渣流动性良好也改善了脱硫的动力学条件，故炉渣的脱硫能力提高。 另一方面当炉渣中c a o 过高时，会出现不溶解组分的质点，固相物不能完全为炉渣所 溶解，使炉渣粘度增大，炉渣粘度增大后，将影响炉渣与金属液之间的传质过程，影响 s 2 向渣中转移，恶化了脱硫的动力学条件f 3 5 1 。并且碱度高，氧化钙含量高，抑制碱金属 进入炉渣，降低了炉渣的排碱能力，考虑到以上影响，应选择低碱度炉渣。 1 3 3 氧化铝对高炉渣性能的影响 炉渣中a 1 2 0 3 含量的增加，将导致炉渣粘度和熔化性温度明显上升。这是由于炉渣 中的2 0 3 量提高后，炉渣中高熔点的复杂化合物也易形成，如尖晶石 ( m g o 舢2 0 3 ，熔点为2 1 3 5 ) 和铝酸钙( c a o a 1 2 0 3 ，熔点