楊 福,畢學工,周進東

(武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室,湖北武漢,430081)

助熔劑種類與配比對高磷鐵水脫磷渣高溫性能的影響

楊 福,畢學工,周進東

(武漢科技大學鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點實驗室,湖北武漢,430081)

分別以CaF2和B2O3為助熔劑,在實驗室條件下研究了助熔劑種類與配比對脫磷渣熔點的影響,并測定了脫磷渣在不同溫度下的黏度值。結果表明,以CaF2為助熔劑時,在保證脫磷渣熔點較低和流動性較好的同時,為了減輕設備腐蝕和環(huán)境污染程度,脫磷渣中CaF2與CaO的質量分數(shù)比值以0.50為最佳;以B2O3作為助熔劑時,只有當脫磷渣中B2O3與CaO的質量分數(shù)比值達到0.16時,助熔效果才比較明顯。

脫磷渣;助熔劑;黏度;熔點

目前,在工業(yè)生產中絕大多數(shù)鐵水預處理脫磷方法僅適用于含磷量為0.10%左右的低磷鐵水。隨著世界范圍內優(yōu)質鐵礦石資源的不斷消耗,開發(fā)利用高磷鐵礦成為發(fā)展趨勢。在高爐煉鐵過程中是不能脫磷的,因此由高磷鐵礦冶煉出的高爐鐵水含磷量必然很高。在采用高磷鐵水的煉鋼工藝中較具代表性的有荷蘭米塔爾鋼鐵公司的轉爐吹煉高磷鐵水技術[1]和印度塔塔鋼鐵公司的高磷鐵水生產低磷鋼技術[2]。上述工藝是將高磷鐵水直接裝入轉爐進行煉鋼,其生產率很低且成本較高,因此,采用鐵水預處理技術對高磷鐵水進行脫磷,使之達到煉鋼的要求,是開發(fā)利用高磷鐵礦的關鍵技術之一。

鐵水脫磷預處理的反應溫度比轉爐煉鋼溫度低,對于常用的CaO基脫磷劑,需要在其中加入助熔劑。工業(yè)生產中一般采用 CaF2作為助熔劑,但使用CaF2助熔會帶來一系列環(huán)境問題,如污染水源、釋放多種含氟氣體損害人的健康等[3],同時也不利于脫磷廢渣的資源綜合利用。因此,迫切需要研制少氟、甚至無氟的脫磷劑。

B2O3的熔點(450℃)比CaF2的熔點(1 419℃)低很多,B2O3能與FeO、CaO、M gO等形成熔點較低的化合物,其比CaF2更具有快速成渣的優(yōu)勢,且硼對于動植物來說都是有益元素。因此,用B2O3替代CaF2作為助熔劑,既可減少脫磷劑的含氟量,又能達成鐵水預處理的目標。文獻[4]對用B2O3部分替代CaF2作為助熔劑進行了研究,而本文則在實驗室條件下嘗試用B2O3完全替代 CaF2,對比分析了助熔劑種類(CaF2和B2O3)和配比對高磷鐵水預處理脫磷渣的黏度和熔點的影響,以期為高磷鐵水預處理技術的應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗原料與脫磷渣成分

試驗原料包括CaO、SiO2、P2O5、CaF2、B2O3(以上均為分析純)和 FeO,其中 FeO是通過FeC2O4·2H2O在隔絕氧氣的條件下900℃受熱分解制得。

以CaF2作為助熔劑的脫磷渣(以下簡稱CaF2渣系)成分如表1所示。以B2O3作為助熔劑的脫磷渣(以下簡稱B2O3渣系)成分如表2所示。

表1 CaF2渣系的成分Table 1 Chem ical compositions of CaF2slag system

表2 B2O3渣系的成分Table 2 Chem ical compositions of B2O3slag system

1.2 測試方法

脫磷渣的黏度在RTW-10型熔體物性綜合測定儀上采用旋轉法進行測定。熔化渣用石墨坩堝的規(guī)格為φ52 mm×φ40 mm×80 mm。為保證渣樣熔化后的渣層高度為40 mm,根據(jù)經驗每次使用樣品約140 g。將待測渣樣混勻后裝入坩堝內;將高溫爐中心溫度升至1 550℃后恒溫20 min,用剛玉棒多次攪拌,使渣吸熱而充分熔化,并使渣的成分均勻;將測定儀旋轉頭浸入熔化的渣液中使之開始旋轉,同時使爐溫按規(guī)定速度(一般為2℃/min)降溫,直至脫磷渣黏度增大到2.00 Pa·s以上。脫磷渣黏度值較小時,測定儀使用較高的轉速以提高測定精度;脫磷渣黏度值較大時,可以降低測定儀轉速,使其可以測定較高的黏度。

將測完黏度后的渣樣保留下來,經破碎至粒徑約0.074 mm后,在GX-III型高溫物性測試儀上采用試樣變形法測定其熔點,具體方法為:將破碎后的渣樣置于蒸發(fā)皿內,加入3%(質量分數(shù))左右的糊精水溶液,均勻研混后裝入專用的制樣器中,施加一定的壓力制成φ3 mm×3 mm的圓柱體試樣,取出后烘干;將墊片放置在測試儀支撐管的頂端,再將烘干試樣放置在墊片上,使其位置正好處于熱電偶測量點的上方;將支撐管緩緩推入爐內高溫區(qū),擰緊支撐管與爐殼間的連接栓,高溫爐開始升溫;計算機自動檢測試驗全過程,并記錄試樣原形狀及變形至試樣原始高度的75%、50%、25%時的對應溫度,分別記為熔化開始溫度、半球點(熔點)溫度和流動溫度。

2 試驗結果

2.1 脫磷渣的黏度

試驗中發(fā)現(xiàn),在1 510℃時脫磷渣C1的黏度為6.11 Pa·s,其黏度值太大、沒有流動性,所以這種渣不能用于實際生產。脫磷渣C2的黏度隨溫度的變化如圖1所示,脫磷渣C3～C5的黏度隨溫度的變化如圖2所示。

在測定B2O3渣系的黏度時發(fā)現(xiàn),脫磷渣B1～B3在1 500℃時呈半熔融態(tài),即沒有流動性,所以其黏度無法測定。脫磷渣B4的黏度隨溫度的變化如圖3所示,脫磷渣B5的黏度隨溫度的變化如圖4所示。

圖1 脫磷渣C2的黏度隨溫度的變化Fig.1 Variation of viscosity of dephosphorization slag C2 at different temperatures

圖2 脫磷渣C3～C5的黏度隨溫度的變化Fig.2 Variation of viscosity of dephosphorization slag C3～C5 at different temperatures

圖3 脫磷渣B4的黏度隨溫度的變化Fig.3 Variation of viscosity of dephosphorization slag B4 at different temperatures

由圖1和圖3可見,只有在溫度達到1 500℃以上時,脫磷渣C2和B4才具有較小的黏度值(0.90 Pa·s左右),這兩種渣的高溫性能在實際生產中表現(xiàn)為流動性比較差、脫磷率很低;由圖2可見,脫磷渣C3～C5在較低溫度下就有很小的黏度值,即具有很好的流動性,在鐵水脫磷反應中,該渣系能與鐵水中的磷充分接觸,從而提高脫磷率;由圖4可見,當溫度達到1 430℃以上時,脫磷渣B5才有較小的黏度值,這就需要加強鐵水脫磷反應時的攪拌,以增加其流動性,例如采用復吹轉爐冶煉高磷鐵水,其底吹就可保證良好的化渣效果,并且使渣具有良好的流動性[5-6]。

圖4 脫磷渣B5的黏度隨溫度的變化Fig.4 Variation of viscosity of dephosphorization slag B5 at different temperatures

2.2 脫磷渣的熔點

在CaF2渣系中,脫磷渣 C1的熔點無法測出,其超出了本試驗所用高溫物性測試儀的額定溫度(1 480℃),在高溫爐達到1 480℃時,試樣高度為其原始高度的58%;在B2O3渣系中,脫磷渣B1的熔點也超出了高溫物性測試儀的額定溫度,其在高溫爐內基本不能熔化。兩種渣系的熔點測定結果如表3和表4所示。

表3 CaF2渣系的熔點(℃)Table 3 Melting points of CaF2slag system

表4 B2O3渣系的熔點(℃)Table 4 Melting poin ts of B2O3slag system

由表3可見,隨著CaF2含量的增加,脫磷渣的熔點逐漸降低,除C1外,CaF2渣系中其余渣樣都有較低的熔點,而脫磷渣C2的熔點(1 166℃)就已經能滿足脫磷反應的要求;由表 4可見, B2O3渣系的熔點普遍偏高,當B2O3的質量分數(shù)達到9.65%時(脫磷渣B5),其才有較低的熔點(1 342℃)。

3 分析

熔點低的脫磷渣,其流動性不一定好,例如,脫磷渣C2的熔點為1 166℃,但在1 500℃時其黏度約為0.90 Pa·s(見圖1),流動性較差。從熱力學角度出發(fā),溫度較低(1 250～1 400℃)對脫磷有利,但考慮到鐵水脫磷過程中產生的溫降以及轉爐煉鋼對入爐鐵水溫度的要求,合適的鐵水脫磷溫度為1 380～1 480℃[7]。在實際生產中,由于鐵水的降溫,脫磷反應很難保證在該溫度區(qū)間內進行,而一般是在1 350℃左右進行,脫磷渣C2的熔點遠遠低于這一溫度,但此時其黏度卻超過了1.20 Pa·s,流動性很差,所以脫磷效果不好。脫磷渣C3～C5在較低溫度下就有很好的流動性(見圖2),并且在同一溫度下,隨著CaF2含量的增加,脫磷渣的黏度逐漸減小?？紤]到既要脫磷渣在脫磷溫度區(qū)間有較好的流動性(即黏度值較低),又要減少脫磷渣對設備的侵蝕以及對環(huán)境的污染,所以在保證其流動性的前提下應盡可能降低脫磷渣的CaF2含量,因此脫磷渣C3最適于鐵水預脫磷。

在B2O3渣系中,除B5以外,其余4種脫磷渣的熔點都較高,且脫磷渣B1的熔點在本文試驗條件下無法測出,這與黏度測定結果也相符,即脫磷渣B1～B3的黏度在本文試驗條件下無法測出,脫磷渣B4在高溫時的黏度值也比較大(見圖3)。綜合考慮熔點和黏度,只有脫磷渣B5適于脫磷,其熔點(1 342℃)比較低,同時,在脫磷溫度范圍內加強渣的攪拌,可以促進渣充分熔化,從而獲得較好的流動性,使渣與磷充分接觸,在很大程度上提高脫磷率。當溫度為1 450℃時,脫磷渣B5的黏度值為0.197 Pa·s,這時其流動性就已很好,隨著溫度繼續(xù)升高,其黏度變化不大。

4 結論

(1)在保證脫磷渣具有較低的熔點和黏度的同時,為了盡量減輕設備腐蝕和環(huán)境污染程度, CaF2助熔劑的加入量不宜太多,脫磷渣中CaF2與CaO質量分數(shù)之比的最佳值為0.50。

(2)以B2O3代替CaF2作為助熔劑,只有當脫磷渣中B2O3與CaO的質量分數(shù)比值達到0.16時,助熔效果才明顯,這時脫磷渣的熔點和黏度均能滿足鐵水脫磷預處理的要求。

(3)為了盡量降低B2O3的用量,同時保證脫磷渣的流動性較好,在脫磷反應過程中,需要對反應熔池加強攪拌以促進渣的熔化,增加渣的流動性,提高反應界面的傳質速率,從而提高脫磷效率。

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Influence of type and blending ratio of fluxing accelerating agen t on high-tem perature properties of dephosphorization slag in high phosphorus hotmetal

Yang Fu,B i Xuegong,Zhou Jindong
(Key Labo rato ry fo r Ferrous M etallurgy and Resources U tilization of M inistry of Education, Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)

To decrease the consump tion of calcium fluoride,CaF2and B2O3were used as fluxing agent respectively,the influence of type and blending ratio of fluxing agent on the melting point of dephosphorization slag was investigated under laboratory conditions,and the viscosity of dephosphorization slag at different temperatureswas also measured.The investigation show s that,w ith CaF2utilized as the fluxing agent,the op timum ratio of mass percent content of CaF2and CaO in slag is 0.5,w hich can sim ultaneously meet the demands of low er melting point,better fluidity,less erosion to equipment and less environment pollution.However,w hen B2O3is used as the fluxing agent,the fluxing effect is not obvious until the ratio of mass percent content of B2O3and CaO in slag exceeds 0.16.

dephosphorization slag;fluxing agent;viscosity;melting point

TF704.4

A

1674-3644(2010)05-0482-04

[責任編輯 尚 晶]

作者介紹:楊 福,男,1976年出生,2001年武漢科技大學礦物加工工程專業(yè)工學學士畢業(yè),2005年武漢科技大學鋼鐵冶金專業(yè)工學碩士畢業(yè),現(xiàn)攻讀武漢科技大學鋼鐵冶金專業(yè)博士學位。武漢科技大學工程師。發(fā)表論文5篇。近三年參與國家科技支撐計劃項目“高磷赤鐵礦精礦造塊與高磷鐵水高效及環(huán)境友好預處理技術”、湖北省自然科學基金項目“耐高溫氧化抗沖蝕長壽命高爐煤槍開發(fā)的應用基礎研究”等縱向課題的研究工作,并參與完成了4項橫向科研項目。主要研究方向為煉鐵原料制備技術、煉鐵技術、鐵水預處理等。

2010-05-04

國家科技支撐計劃項目(2007BAB15B04).

楊 福(1976-),男,武漢科技大學工程師,博士生.E-mail:sichuanyf666@126.com