爐渣巖相檢驗的實驗研究

爐渣巖相檢驗的實驗研究

通過巖石相測試方法，我們可以了解爐渣中巖石相的組成和分布。爐渣的礦相組成與爐渣的化學成分有密切關系。把爐渣巖相檢驗結果與爐渣化學分析、熔點測定、爐渣的相圖知識結合起來可以更全面地認識爐渣的性質。鋼鐵研究總院在進行轉爐高效吹氧、復合吹煉、不同成分鐵水煉鋼(正常含硅鐵水、低硅鐵水、中磷鐵水、高磷鐵水)的多項研究中都應用巖相檢驗方法,并取得了良好效果。本文將對這些研究工作進行介紹。1礦相、礦相的測定正常鐵水通常指鐵水w(Si)=0.4%～0.6%,w(P)<0.012%,其它合金元素(V、Ti、Cr)不高的鐵水。大多數轉爐都用這種成分的鐵水煉鋼,其成渣過程和巖相組成具有代表性。在寶鋼第一煉鋼廠的300t轉爐利用副槍每隔3min左右取一次渣樣、鋼樣并測溫。所取試樣都進行化學分析,爐渣進行巖相檢驗(表1)和熔點測定。吹氧量達到20%,爐渣主要礦相是綠色鈣鎂橄欖石的粗大柱狀晶體CaO·(Mg,Fe,Mn)O·SiO2,占總礦相的90%,中間充填少量RO相(二價陽離子氧化的化合物)[圖1(a)]。隨著吹煉的進行,爐渣礦相出現(xiàn)少量鎂硅鈣石(3CaO·MgO·SiO2)[圖1(b)]。當吹氧量達到60%時,爐渣堿度1.8,渣中主要礦相為黑褐色粒狀硅酸二鈣(2CaO·SiO2)和淺綠色隱條狀的鎂硅鈣石,兩者各占總礦相量的40%。低熔點橄欖石和RO相各占10%,充填在晶界上[圖1(c)]。隨著吹煉的進行,渣中高堿度礦相量增加,到吹煉終點時渣中主要礦相是蘭色粒狀硅酸三鈣(3CaO·SiO2)和褐色粒狀硅酸二鈣,兩者各占30%和45%,RO相與未熔MgO兩者之和約20%,并有少量鐵酸鈣(2CaO·FeO)[圖1(e)]。[圖1(f)]是渣中被硅酸二鈣殼所包裹的未熔石灰照片。從巖相照片看寶鋼一煉鋼轉爐化渣情況是比較好的,爐渣各礦相的分布均勻。渣中的硅酸三鈣相有30%～40%,RO相有15%～20%,還有鐵酸鈣相,這種礦相組成有利于脫磷。2吹煉過程的化渣高爐鐵水硅降低0.1%,可以降低焦比4kg/t,提高產量1.0%～1.5%。寶鋼高爐鐵水硅的質量分數已降低到0.2%左右;“三脫”鐵水硅的質量分數可降到0.1%。低硅鐵水煉鋼帶來成渣困難、粘槍和脫磷率下降等問題。為此,對低硅鐵水煉鋼的爐渣性質進行了研究(表2)。圖2是吹煉過程中所取爐渣的巖相照片。本爐鐵水成分(質量分數,%):Si0.26,Mn0.33,P0.085,S0.006。吹氧30%所取渣樣的礦相組成見圖2(a),主要礦相為鎂硅鈣石,占50%～55%,硅酸二鈣占20%～25%,RO相占20%。與正常鐵水不同,吹煉初期渣中并沒有橄欖石類的低熔點礦相,硅酸二鈣出現(xiàn)得較早,爐渣的流動性差。吹氧到50%時,爐渣的巖相組成如圖2(b),鎂硅鈣石下降到40%,硅酸二鈣上升到40%,RO相與鐵酸鈣相之和為20%。此礦相組成的特點是高熔點相多、低熔點相少。爐渣的過熱度僅為54℃。爐渣的流動性差,易產生金屬噴濺。吹氧到70%時,爐渣的巖相組成如圖2(c),爐渣的礦相組成與圖2(b)相近,只是高熔點相硅酸二鈣的比例增加到45%。爐渣氧化鐵含量下降,低熔點礦相含量減少,爐渣的流動溫度達到1430℃以上。這時爐渣明顯返干,渣中有較多的未熔石灰,如圖2(d)。照片中間部分是硅酸二鈣和硅酸三鈣外殼所包裹的未熔石灰。吹氧量90%的巖相組成如圖2(e)。硅酸二鈣占總礦相的35%,硅酸三鈣占25%,RO相+C2F占25%～30%,未熔MgO結晶占5%。照片的中間部分為未熔石灰。各礦相分布不均勻,表明這時爐渣仍未化好。吹煉終點的爐渣巖相組成如圖2(f)。此渣樣的巖相組成與圖2(e)相似,只是硅酸二鈣的比例更高(45%),低熔點相RO相+C2F稍有減少。渣中有較多的未熔石灰和未熔MgO結晶。爐渣的礦相分布不均勻,爐渣流動溫度1405℃,比圖2(e)提高40℃。與正常硅含量鐵水相比,整個吹煉過程的化渣情況惡化,產生粘槍、粘爐口現(xiàn)象,脫磷率、金屬收得率、噴頭壽命等指標都明顯惡化。2002～2004年經過改進氧槍噴頭參數、采用合成渣、調整渣量和優(yōu)化供氧造渣制度解決了低硅鐵水煉鋼的成渣困難問題。3爐渣的巖相特征鐵水成分(質量分數,%):C4.16,Si0.79,Mn0.28,P0.37,S0.021,溫度1317℃。吹氧20%所取渣樣的巖相組成如圖3(a)。爐渣主要礦相為富氏體(Fe,MgO)O,約占總礦相量的40%;基體為玻璃相,主要成分是硅酸鹽(爐渣堿度1.55)。渣中有較高的氧化鐵,熔池溫度1458℃。由于此時爐渣礦相分布均勻,未見明顯的固相物。吹氧40%的爐渣巖相組成如圖3(b)。由于爐渣堿度提高(R=2.31)和脫磷反應的進行,渣中析出磷酸三鈣(3CaO·P2O5),占總礦相的10%～15%。白色枝狀晶為富氏體,約占40%。鎂硅鈣石(3CaO·MgO·2SiO2)約占20%,并有少量硅酸二鈣析出(2CaO·SiO2),約占5%。尚有少量玻璃相。吹氧60%的爐渣巖相組成如圖3(c)。由于石灰熔化,硅酸二鈣增加,占總礦相的40%～50%。RO相減少(白色枝狀或細粒狀),但有新生細小的RO相析出,這是由于石灰熔解,氧化鈣與硅酸鹽反應而被置換出來。此外,尚有10%～15%的磷酸鈣和10%～15%的鐵酸二鈣(2CaO·FeO)。吹氧80%爐渣的巖相組成如圖4(d)。深褐色結晶為硅酸二鈣,占總礦相的50%以上?；疑珬l狀的磷酸鈣約占15%,白色粒狀結晶為RO相,約占15%,條狀鐵酸二鈣占15%～20%,稍高于前一渣樣。由于石灰熔化,渣量增大,渣中磷酸鈣變化不大。吹煉終點的爐渣巖相組織如圖3(e)。渣中主要礦相是蘭色條狀硅酸三鈣,結晶發(fā)育良好,長度可達200μm,占總礦相量45%～50%。硅酸三鈣間的粒狀褐色晶體為硅酸二鈣,占總礦相量的25%。白色為RO相及鐵酸鈣,占15%。還有少量未熔MgO結晶。爐渣的礦相分布均勻,爐渣熔化良好。停氧后用底吹惰性氣體攪拌2min,所取渣樣礦相組成如圖3(f)。其主要礦相為C3S和C2S,但有較多的大塊未熔MgO結晶,這是由于熔池溫度高后攪拌期間爐襯的MgO進入爐渣。在后攪拌期爐渣氧化鐵降低2%,渣中鐵酸鈣相稍有降低,約為13%。中磷鐵水煉鋼爐渣的巖相組成和普通鐵水煉鋼渣相比,主要是出現(xiàn)磷酸三鈣,由于渣中氧化鐵較高,鐵酸鈣有所增加。4渣樣的巖相組成我國約有35億t高磷礦,其中約50%在湖北長陽地區(qū),其余50%分布在云南、湖南、江西、四川等地。吹氧20%所取爐渣巖相組成如圖4(a)。白色樹枝狀結晶為RO相(含有部分鐵酸鈣),占總礦相量的20%,深灰色粒狀結晶為硅磷酸鈣,占總礦相的25%～30%,主要成分為低堿度硅酸鹽的灰色基體玻璃相(含有部分橄欖石),占40%～45%。吹煉初期渣中出現(xiàn)硅磷酸鈣表明脫磷反應在爐渣堿度不高(R=1.08)時即已開始。低的熔池溫度和渣中較高的氧化鐵(全鐵的質量分數22.5%)是脫磷反應良好的熱力學條件。吹氧40%所取渣樣的爐渣巖相組成如圖4(b)。渣中的主要礦相是深灰色的粒狀結晶硅磷酸鈣,占總礦相量的70%～75%。石灰熔入渣中與SiO2和P2O5結合形成硅磷酸鈣。此時渣中w(P2O5)=18.41%,w(SiO2)=11.22%,w(CaO)=42.63%,爐渣堿度1.44,w(TFe)=17.29%。這是質量優(yōu)良的鋼渣磷肥。白色樹枝狀的RO相占15%～20%。由于爐渣堿度提高,玻璃相減少到約5%。對于硅磷酸鈣所進行的掃描電鏡分析結果(質量分數)列于表3。此渣樣中的磷元素含量較高,硅磷酸鈣的分子式近于4CaO·SiO2·P2O5。吹氧60%所取渣樣的爐渣巖相組成如圖4(c)。由于石灰的熔解和脫碳反應的進行,爐渣堿度升高,氧化鐵降低。爐渣的主要礦相是硅磷酸鈣,占總礦相的60%～65%。RO相明顯減少,鐵酸鈣與RO相之和為20%～25%。此外,有少量硅酸二鈣。吹氧80%所取渣樣的巖相組成如圖4(d)。主要礦相為灰褐色的硅磷酸鈣,占總礦相量的45%～50%。充填于硅磷酸鈣間隙的白色結晶為鐵酸鈣,占總礦相量的25%～30%。黑色團塊的物質為未熔石灰,占5%～8%。尚有少量硅酸二鈣。吹煉終點爐渣的巖相組成如圖4(e)。渣中主要礦相硅磷酸鈣占40%～45%,白色鐵酸鈣基底占30%～35%,分布均勻,游離石灰為8%～10%。本渣樣的硅磷酸鈣掃描電鏡元素分析結果見表3。硅磷酸鈣相中磷元素含量減少,鈣元素含量增加,這可能是由于爐渣堿度提高,硅磷酸鈣中溶入更多的CaO。CaO含量增加,使硅磷酸鈣更穩(wěn)定,可以減少吹煉終點熔池溫度高時的回磷現(xiàn)象。圖4(f)是停氧后底吹攪拌2min渣樣的礦相組成,此渣樣的礦相組成與圖4(e)相近。灰色硅磷酸鈣結晶40%～45%,白色鐵酸鈣基底約35%,圓粒狀灰黑色未熔石灰10%～12%。底吹攪拌后渣中各礦相分布更均勻。5氧鐵水鋼渣的制作(1)正常含硅鐵水煉鋼初期渣的礦相組成主要是鈣鐵橄欖石固熔體,占總礦相量70%以上,并有少量玻璃相和RO相。吹煉后期爐渣主要礦相是硅酸三鈣和硅酸二鈣,各占總礦相量的30%～40%,RO相+C2F約為15%,尚有約5%的未熔MgO結晶。(2)低硅鐵水煉鋼的初期渣主要礦相為鎂硅鈣石占50%～55%,硅酸二鈣和RO相各占20%～25%。吹煉后期主要礦相是C2S占40%～50%,C3S占15%～25%,RO相+C2F占20%,尚有少量未熔MgO結晶和fCaO。這種爐渣熔點高,流動性差,脫磷效果差。經過改進噴頭設計,采用合成渣,優(yōu)化供氧、造渣操作可使低硅鐵水煉鋼的爐渣接近正常鐵水煉鋼的水平