新造渣模式下转炉炼钢成渣过程的岩相研究①

虎晓东， 王攀峰， 杨立春， 兰二明， 周冠伟， 赵昌明*

(1.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁 鞍山　114051； 2.南京钢铁股份有限公司，江苏 南京　210035 )

引　言

随着市场形势的不断恶化，为进一步降低冶炼渣料成本，南京钢铁集团第一炼钢厂从2016年初开始进行取消轻烧白云石冶炼的工艺攻关，将钢渣料结构逐步优化为“石灰+石灰石+生白云石”模式，成为国内生料使用比例最高的转炉。该渣料模式的应用虽然大幅度降低了钢渣料成本，但因冶炼成渣体系的大幅变化，冶炼过程中出现返干、溢渣、炉况侵蚀等问题，对生产顺行带来了一些负面影响。

本研究通过对转炉冶炼过程的钢渣取样，结合目前的造渣模式根据数据对冶炼过程中钢渣的成分进行分析。采用岩相检验分析方法确定钢渣的矿物组成和分布情况，将分析结果与渣的化学成分、物相组成等结合起来，可更加全面地认识新造渣模式下钢渣的性质。本研究结果可为改善转炉造渣模式、降低成本和延长炉衬寿命提供科学依据和理论支持[1-3]。

1　研究方法

对南京钢铁集团第一炼钢厂150 t转炉在“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式进行钢渣分阶段的现场取样，分别取冶炼5 min、冶炼12 min、终点渣、溅渣前和溅渣后的渣样。

对各阶段提取的渣样分别进行化学成分分析、物相分析并对渣样进行镶嵌、切割、抛光、浸蚀(工业酒精，纯度99.97%)处理，将制好的试样进行矿相组成检测分析，以此得到具体的化学成分。此外，采用FESEM(场发射扫描电子显微镜)结合EDS(能谱仪)和偏光显微镜进行岩相分析，以此得到具体的显微结构。

2　转炉成渣过程的基本反应

“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式中生白云石的主要成分是CaCO3和MgCO3，在分解过程中吸收大量的热。生白云石在受热900℃以上条件下分解方式分为两步，具体的分解反应式如下：

CaCO3=CaO+CO2, lgPCo2=-8908/T+7.53

(1)

MgCO3=MgO+CO2, lgPCo2=-6180/T+6.80

(2)

CaCO3和MgCO3的分解温度分别为910 ℃和640 ℃，均低于转炉内的铁水温度。由式(1)和(2)可知，生白云石加入炉内时可立即发生分解反应并生成CO2。转炉冶炼过程中铁水表面温度高达1100 ℃，火点区域温度高达3000 ℃，分解生成的CO2气体瞬间膨胀4000倍以上，推动生成的CaO和MgO飞到渣中；同时，由于CO2的逸出，使新生成的轻烧呈多孔细晶状，提高了成渣速度[4]。

根据转炉泡沫渣的形成机理分析，前期渣形成过程中，由于生白云石分解生成CO2气体弥散在初期渣中，有利于初期泡沫渣的形成，增大了气-熔渣-金属的界面，加快了炉内的化学反应速度，有利于前期脱磷反应的进行，使渣中的磷始终处于较低的水平。

3　新造渣模式下转炉钢渣的岩相组成

“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式与传统造渣模式相比，生白云石煅烧的过程由转炉外移至转炉内，可以充分利用转炉富余的热量，实现转炉冶炼过程热量平衡，同时可降低熔剂消耗成本[5]。

3.1　化学成分分析和矿相组成分析

对冶炼5 min、冶炼12 min、终点渣、溅渣前和溅渣后的渣样进行矿相组成检测，其化学成分分析如表1所示，矿相组成如表2所示。

表1　转炉部分钢渣化学成分统计

表2　不同成渣阶段的矿相组成

由表1和表2可知，冶炼5 min渣样的矿相组成为黄长石相、RO相、方镁石和玻璃质；冶炼12 min渣样的矿相组成为RO相、方镁石、玻璃质和钙铁相；终点渣样的矿相组成为C2S，RO相、方镁石、玻璃质和钙铁相；溅渣前(后)渣样的矿相组成为C2S，RO相、方镁石、玻璃质和钙铁相。

3.2　岩相分析

为了进一步地观察钢渣的显微结构，对渣样进行镶嵌、切割、抛光、浸蚀(工业酒精，纯度99.97%)处理，在光学显微镜下进行观察和鉴定，采用FESEM(场发射扫描电子显微镜)结合EDS(能谱仪)和偏光显微镜进行岩相分析。不同阶段的显微结构和岩相如表3所示。

从表3中可知：冶炼5 min的显微结构是黄长石相的形貌主要为纺锤状和编织状；RO相多为雏晶状，少部分局部呈现圆粒状与方镁石相聚集在一起；方镁石相呈现四方状，常被RO相包裹，多以游离态零散地存在于渣中，少部分未能够及时溶解的集中聚集，并与C2S，RO相和玻璃质相伴相生；玻璃质为渣中的液相基体则构成钢渣的骨架，为无定形貌，另外，铁粒和气孔多以浑圆状存在于渣中；冶炼12 min的显微结构是C2S相呈现圆粒状或者珊瑚状形貌，方镁石呈四方形，RO相分为两种，白亮的为FeO为主体的RO相，浅灰色的为CaO为基体的RO相，两者交织在一起，并且无规则形貌。钙铁相呈现粒状，分布在各矿相间，有一些钙铁相会以f-CaO的形式从中析出；终点渣样的纤维结构是C2S相的形貌主要为圆粒状和珊瑚状，少部分出现长条柱状；RO相多为无定形貌，常与方镁石相互伴生，并包裹在方镁石相外围；玻璃质为渣中的液相基体与和钙铁相共同构成钢渣的骨架，无固定形貌，铁粒多以浑圆状存在于渣中，而浑圆气孔相对5 min渣样较少；溅渣前(后)渣样的典型微区矿物组成与终点渣样较为类似，但是C2S发育较好，晶粒粗大，呈现大圆粒状，方镁石相颗粒仍然以四方状存在，且被无定形RO相所包围，玻璃质和钙铁相共同构成钢渣的骨架，浑圆铁粒和气孔零散地存在于渣中。

4　结束语

(1)利用生白云石可以更好地加快炉内的化学反应速度，有利于前期脱磷反应的进行，使渣中的磷始终处于较低的水平。

(2)“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式下，冶炼5 min渣样的矿相组成为黄长石相、RO相、方镁石和玻璃质；冶炼12 min渣样的矿相组成为RO相、方镁石、玻璃质和钙铁相；终点渣样的矿相组成为C2S，RO相、方镁石、玻璃质和钙铁相；溅渣前(后)渣样的矿相组成为C2S，RO相、方镁石、玻璃质和钙铁相。

表3　不同成渣阶段的显微结构和岩相

注：1.C2S；2.黄长石；3.方镁石相；4.RO相；5.铁珠；6.玻璃质；7.孔洞；9.钙铁相；10.FeO；11.镁蔷薇辉石

(3)“石灰+石灰石+生白云石”造渣模式下，冶炼5 min的显微结构是黄长石相的形貌主要为纺锤状和编织状，RO相多为雏晶状，方镁石相呈现四方状；冶炼12 min的显微结构是C2S相呈现圆粒状或者珊瑚状形貌，方镁石呈四方形，RO相分为两种，白亮的为FeO为主体的RO相，浅灰色的为CaO为基体的RO相，两者交织在一起，并且无规则形貌。终点渣样的显微结构是C2S相的形貌主要为圆粒状和珊瑚状，RO相多为无定形貌；溅渣前(后)渣样的显微是C2S发育较好，晶粒粗大，呈现大圆粒状，方镁石相颗粒仍然以四方状存在，且被无定形RO相所包围。

参考文献：

[1]杨文远，王明林，崔淑贤，等. 炉渣的岩相研究在转炉炼钢中的应用[J]. 钢铁研究学报，2007，19(12)：10—15.

[2]任允芙. 冶金工艺矿物学[M]. 北京：冶金工业出版社，1996.

[3]孟华栋，刘浏. 转炉炼钢成渣过程的岩相研究[J]. 钢铁，2010，45(6)：26—30.

[4]李宏，曲英. 氧气转炉炼钢用石灰石代替石灰节能减排初探[J]. 中国冶金，2010，20(9)：45—48.

[5]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，2014，52(6)：4—6.