杏彩体育:冶炼过程中炉渣瞬时行为作用第一部分

　　炉渣样通常是在炼钢过程结束时进行取样收集的，炉渣成分通常被用作冶炼工艺控制和耐材保护的参考数值。虽然这些终点渣样是非常重要和必要的参数，但它们不能反映冶炼过程中发生脱磷、脱硫和夹杂物吸收等精炼反应的瞬时渣的情况。这篇两部分的论文将着重讨论这些瞬时渣的作用，以及如何使它们对氧气转炉、电弧炉和钢包精炼炉过程中产生有利的作用。本文还将对炼钢钢渣的物理化学性质提供一些见解。

　　“炼好钢就要炼好渣”是句古老的格言，现在面对新而复杂的钢种生产，炼好渣变得更加重要。炼钢车间的自动化和二级计算机系统的不断进步，允许在冶炼过程中控制和跟踪冶金辅料的添加量和确定添加的时间。当与在线生产控制和能量平衡工具组合运用时，渣的控制比以往任何时候都要更加精确定时定量。

　　了解渣的基本原理，它们的演变情况和设计冶炼渣是当今炼钢工作者的基本要求。在炼钢过程中形成的过程瞬时渣的行为，实质上控制着渣/钢水和渣/耐材的相互作用，与最终的渣样成分同样重要。本文将重点研究这些过程瞬时渣以及如何对其进行优化，以达到最终的目标渣样，这倒是是炼钢工作者关注的焦点。

　　氧化物渣系的相图已成为设计助熔剂渣料配方的重要工具，它的使用也消除了其神秘的特点。这些图相当复杂，可能会吓到大多数用户新手。大多数炼钢冶炼是在1600°C(2912°F)左右温度下进行的，因此，如果在该温度下的等温截面中检查相的关系，图表可以大大简化。然而，由于相图的2D性质，对渣料的详细了解仅限于二元和简单的三元和四元体系。幸运的是，热力学软件如FactSage的炉渣数据库的最新进展允许对复杂的多组分炉渣系统进行综合评价和分析，这将在本文中进行演示。

　　认识到相图和热力学软件表示的平衡条件也是很重要的，而在冶炼过程中并不总是能达到平衡条件。因此，炼钢过程中造渣的“速度”在很大程度上取决于“造渣路径”，以及用于获得最终渣料成分的原材料的选择。本文的第一部分将提供一些关于渣料的物理化学方面的见解，而第二部分将单独发表，将侧重于不同炼钢工艺(碱性氧气炉(BOF)、电弧炉(EAF)和精炼工艺)中瞬态过程渣的例子。

　　从炼钢炉或者钢包等容器中提取渣样，并经x射线荧光(XRF)炉渣分析仪分析，大多数炉渣样代表了炉渣的大样的成分，通常是固相和液相的混合物。使用吹氧管进入炉内或钢包内蘸取液态渣样，这样得到的炉渣试样就代表了炉渣的整体成分。然而，将吹氧管浸入渣中抽出，马上就看到在吹氧管上“结皮”，这会导致大部分液态渣粘在吹氧管上，很可能更能代表渣的液态部分，而不是渣的整体成分。因此，在收集流动性不是很高的渣样时应特别小心，在这种情况下，从钢包搅拌吹出天眼处取杯样，这样将更能代表钢包内的总体渣样。

　　整体渣和液态渣组成的概念可以用图1中CaO-MgO-SiO2渣系在1600°C(2912°F)的等温相图来表示。渣相示意如图2所示，相对应的渣成分列于表1。图1中的渣A是含有一些固相且具有“乳化状”成分(红点)渣的整体成分。图1渣B为整体渣的液态组成(黑点)。整体渣(渣A)由约80%的液相(渣B)和20%的Ca2SiO4组成。吹氧管蘸渣样A的XRF化学组成可能更接近于组成B而不是A的成分。

　　图1 1600℃(2912℉)的CaO-MgO-SiO2渣系的等温相图。渣A表示整体渣的成分，渣B表示渣的液态部分

　　在渣A中多加石灰(CaO)将使整体渣成分远离液相线而向CaO顶点移动，这肯定会使整体渣样成分更加碱性化，而会进一步增加渣中固相的Ca2SiO4生成，减少液态渣的含量，其成分在图1中B点基本保持不变。在炼钢过程中，所有的精炼反应都是由渣中的液态渣部分负责的，因此，在脱硫方面，有时用“以稀为胜”的口号来强调碱性渣的高流动性对有效脱硫是必不可少的(此处为B渣)。

　　在许多炼钢过程中，渣料含有一定量饱和相或“第二相”粒子，从而有效增加渣的黏度，可以增强电弧炉的渣料泡沫化，通过渣的乳化与耐材相适应(渣中含有一些Ca2SiO4第二相微粒)，例如表1中的渣样A。渣的有效粘度的测定方法如下：整体渣中的相组成和相数量由FactSage 7.3软件中的平衡模块和con3数据库(FactSage联合数据库)确定，液相的粘度由FactSage 7.3中的粘度模块测定。简单渣系的相数量可以通过相图(在本例中)确定，但对于更复杂的渣系，FactSage是计算相数量和组成不可或缺的工具。由上述信息和修正的Einstein-Roscoe方程确定了整体渣的有效粘度:

　　原来的Einstein-Roscoe方程使用的是“固态体积分数”而不是“固体分数”，修正了组织上的术语，但所有这些值对一般固体来说不是非常明白，作为近似，这个方程使用了固体分数(重量分数)。

　　在钢包精炼操作的标准做法是向液态渣中加入石灰，直到其黏度变化成为乳化一致的渣，也就是说，炉渣只是饱和的石灰渣料。然而，与铝酸盐渣相比，当加入过多石灰时，硅酸盐渣对粘度的快速变化更为敏感，这是由于CaO-MgO-SiO2和CaO-MgO-Al2O3渣系中独特的相关系，以及两个渣系中液相到固相杠杆长度上的差异(杠杆定律)造成的。在1600°C(2912°F)的液相线%液态渣中添加100 kg石灰，考虑对渣的影响。从表2和图3a可以看出，对于硅酸盐渣，由于液固杠杆比较短，对粘度的影响非常明显；而对于铝酸盐渣(图3b)，影响就要小得多。B3比(C/(S + A))通常用于含可观数量的SiO2和/或Al2O3的炉渣。表2

　　石灰，可以形成大量的Ca2SiO4 (CaO饱和相)，使渣中的液体量下降到46%。渣的有效粘度由1.04 poise增加至6.74 poise，导致渣的结壳。整体渣中的液态渣部分的粘度较低(0.98泊)，而液态渣的量也很低。相比之下，在铝酸盐渣中加入100公斤石灰，只产生9%的固相(CaO)和乳化渣，整体渣的有效粘度变化较小，即从0.95 poise到1.26 poise。炼钢渣中石灰和白云石的溶解

　　MgO是碱性耐火材料的主要成分，因此也是与耐火材料接触的炉渣主要成分。石灰和白云石通常被添加进入炉内、如转炉和钢包渣中，以使炉渣中的这些成分达到饱和状态，将耐火材料的侵蚀降至最低。碱性渣(CaO含量高)也有利于炉内脱磷和钢包内脱硫。改善钢的质量和/

　　或耐材寿命而向炉渣中添加CaO和MgO的一个关键点是CaO和MgO能够快速溶解，以确保渣的组分保护耐材，以及与钢水进行反应提高钢的纯净度。考虑溶解率时，以下因素很重要:1.加入的渣料尺寸。粗大颗粒尺寸需要相当长时间达到完全溶解，渣料太细粉尘量大损耗大，而且易受潮导致氢的进入。

　　(见第二部分转炉和电炉讨论)。添加散装渣料往往可能导致在上层形成“孤岛”，未反应的渣料漂浮一段时间。如果可能的话，通常建议逐步添加材料，或以预先混合的CaO和MgO与一些助熔剂的混合形式添加，以确保快速溶解和顶渣的形成。3.渣料类型

　　(石灰、镁砂、白云石或石灰/白云石混合物)。如果假设冶炼过程中处于平衡状态，那么加入的渣料类型并不重要。然而，在许多情况下，不可能达到平衡状态的，因此，在渣中溶解更快的渣料就会比其他材料有明显的优势。4.添加各种溶剂或酸性渣料到液态渣中，渣料中的基本成分熔点非常高，

　　CaO熔点为2572°C(4662°F)，MgO熔点为2852°C(5166°F)，因此，这些碱性成分要液化形成良好的流动性，必须在炼钢温度下与酸性成分发生反应，以形成液态渣。简单的二元相图和三元等温截面相图是评估CaO

　　和MgO，以及各种助熔剂组分之间反应的有用工具。展示这些相图超出了本文的范围，但是从这些相图得到的结果将在下一节中详细讨论。这些图主要表明，当CaO和MgO与助熔剂接触时达到初始的饱和相，液相快速形成，而当中间高温相( 1600℃，2,912°F)形成时，延缓了CaO和MgO在渣中的溶解。造渣料

　　MgO-SiO2二元渣系相图表明，CaO和MgO均与SiO2发生反应生成高熔点中间化合物Ca2SiO4(2,130℃，3870℉)和Mg2SiO4(1910℃，3470℉)，限制了纯组分在硅酸盐渣中的溶解度。当SiO2与CaO反应时，首先由CaO与SiO2反应形成中间相Ca2SiO4，然后Ca2SiO4与SiO2反应形成CaSiO3，CaSiO3逐渐熔融。Ca2SiO4是一种难熔相，它可以在CaO颗粒周围形成一层涂层，从而延缓CaO在渣中的溶解(图4)。

　　中间相的形成，纯MgO的行为与CaO相似。然而，当CaO和MgO组合使用时，例如煅烧白云石(CaO 58%，MgO 39%)，与SiO2反应将产生低熔点的Ca、Mg -硅酸盐相，在炼钢温度下为液态。这促进了CaO和MgO在炉渣中的溶解，因此在实际生产中，煅烧白云石比石灰溶解得快得多。操作经验还表明，在某些情况下，含MgO(高达15% MgO)的石灰比普通石灰(94% CaO)的脱硫效果更好，因为渣中所有的CaO形成液态渣更快。CaF2作为CaO

　　屏障来增加石灰的溶解动力学，并增加CaO的溶解度，以便更好地脱硫。CaO-CaF2-SiO2渣系在1600℃(2912℉)等温截面如图5所示。值得注意是，在二元的CaO-CaF2渣系中（点A-25%CaO）CaO溶解度低，但随着渣的SiO2含量的增加，CaO的溶解度增加到了58% (B点)。在设计上一个非常重要的考虑是，添加萤石使用一些助溶剂材料混合，也就是说，混合物中包含一些SiO2，这样形成熔化液渣温度比纯石灰/石膏混合温度要低。从图中还可以看出，CaO溶解度最高的渣所需要的CaF2的最大用量是15% CaF2(点B)。

　　、Al2O3和FeO，任何液态渣，如果渣中与耐材有关的成分没有达到饱和程度，都可能导致耐材侵蚀磨损。在造渣初期，如果掺入CaF2或与其他成分混合，对耐火材料磨损的影响是良性的。然而，当集中加入形成流化硬化炉渣时，可能导致局部耐材侵蚀。通过绘制双重饱和渣(CaO和MgO)的组成与CaF2含量的函数，可以很好地说明CaF2对渣的影响，如图6和7所示。作为比较，双重相饱和渣作为Al2O3含量的函数也显示在这些图上。当CaF2或Al2O3代替SiO2作为助熔组分时，MgO的溶解度显著降低(图6)。基于CaF2的渣料实际上对镁质耐火材料更“宽容”，因为含CaF2的渣料比含Al2O3的矿渣溶解度下降更快。渣中CaF2和Al2O3的实际百分比也列在图中。

　　将CaF2或Al2O3双重饱和度渣中的MgO含量添加到1600℃(2912℉)的SiO2渣中。图上的数字是渣料中的%CaF2和%Al2O3萤石作为一种成分并不是一种强的脱硫剂，但它对石灰溶解度的影响，在渣料中使用萤石是用来加强脱硫。图7

　　为CaF2和Al2O3作用下双重饱和渣的CaO溶解度对比图。从图中可以看出，CaF2是一种比Al2O3更有效的溶解CaO的组分，其含量小于15%。

　　Al2O3的反应生成了一个非常稳定的高熔点尖晶石相(MgAl2O4)，熔点为2135℃(3875℉)，在炼钢温度下不会形成液相。在CaO为饱和相的条件下，CaO与Al2O3的反应在炼钢温度下表现出很好的流动性，因此Al2O3是一种优良的石灰助熔剂。CaO不与Al2O3反应形成尖晶石相的原因是Ca2+阳离子太大(1.14 Å)而无法进入尖晶石结构。其他二价阳离子，如Mg2+ (0.86 Å)和Fe2+(0.92 Å)都很小，足以适合尖晶石结构，在这些体系中都与尖晶石结构形成中间相。FeO作为CaO

　　FeO在整个组成范围内构成一个完整的固溶体，因此FeO对于MgO来说是很差的助溶。