赤泥基熔剂应用于转炉造渣生产研究与实践

覃胜苗，韦军尤，陆志坚，李健畅，杨正府

（广西柳州钢铁集团公司，广西 柳州 545002）

赤泥是氧化铝在生产过程中产生的废渣，因含有大量氧化铁而呈红色，故被称为赤泥，大约每生产l t氧化铝要排放1.0 t～1.8 t的赤泥[1]。中国作为世界第一大氧化铝生产大国，每年排放的赤泥废弃物高达数千万吨。国内鲜有赤泥成功的大规模综合利用的报道，只能依靠大面积的在堆场堆放，占用了大量的土地资源，对环境造成了严重的污染，已经对人类的生产、生活造成多方面的直接或间接的影响。所以最大限度的减少赤泥的产量和危害，实现多渠道、大规模的资源化合理利用已迫在眉睫[2]。

赤泥主要成分为Al2O3、Fe2O3、TiO2、SiO2、Na2O等，国内学者对赤泥的综合利用做了系统理论分析[1]，但规模化的工业应用还停留在论证阶段。由于赤泥富含Al2O3、Fe2O3，理论上可以作为资源广泛应用于炼钢生产。广西是氧化铝工业大省，2017年氧化铝产量累计达到1045万吨，按此估算赤泥排放量达到1500万吨左右。为了在炼钢领域探索赤泥新的综合治理利用途径，笔者在广西柳州钢铁集团公司（下简称柳钢）转炉炼钢厂进行了相关的研究及工业试验，成功运用赤泥为原料制造出转炉高效化渣剂并运用于转炉炼钢造渣生产，改善了转炉的炼钢生产工艺，降低炼钢生产成本，为赤泥资源的综合治理利用开辟了新的途径。

1 柳钢炼钢工艺简介

柳钢坐落于广西壮族自治区中部，为华南地区特大型钢铁联合企业。装备有国内主流先进的炼钢工艺装备，在产量、品种、质量上面已达到国内同类企业先进水平，2017年钢产量达到1300万吨规模，品种涵盖了建筑、造船、桥梁、汽车、及其他工业用材。炼钢厂的主要装备有：三个生产作业区（相当于炼钢分厂），第一作业区装备三座150吨转炉，年产钢500万吨，第二作业区装备三座120 t转炉，年产钢450万吨，第三作业区装备两座150吨转炉，年产钢350万吨。全厂共计8座转炉，配备铁水预处理、LF精炼、RH精炼、全连铸等工艺装备及辅助生产设备。

炼钢生产工艺流程为：铁水→转炉冶炼→出钢→氩站→精炼→连铸。

转炉造渣是炼钢生产的重要环节。转炉造渣的主要目的是去除有害杂质磷和硫。造渣熔剂主要以石灰、生白云石为主,以萤石等为辅助化渣手段。由于萤石对炉衬有严重的侵蚀作用，目前国内转炉炼钢生产逐步淘汰萤石作为化渣手段的造渣工艺。近年来开发了无氟化渣剂作为萤石的替代品[5-8]，直接将铁矾土、铝矾土、除尘泥、含硼矿物或复合化渣剂等用作转炉造渣化渣剂,也取得一定的效果。总体而言Al2O3基化渣剂应用较为常见。近年来炼钢生铁硅含量都有走低的趋势，这虽然对钢铁工业降低生产成本有利，但给转炉炼钢造渣化渣增加了难度。在这样的背景下很多炼钢生产工作者都在探索新的造渣化渣工艺。柳钢的铁水条件及造渣工艺如表1所示。

2 赤泥用于转炉炼钢造渣的可行性分析

转炉造渣主要以CaO、SiO2、FeO三元渣系为基础，一般配入一定含量的MgO以达到保护炉衬的作用，可近似看成查看CaO-SiO2-FeO三元渣系。查看相图可知，在炼钢温度下该三元渣系相图液相区窗口不大，随着炉渣碱度（R=CaO/SiO2）的提高，炉渣熔点会落入高熔点区域而出现炉渣不化或“返干”的现象[4]。铁水硅含量的走低以及过分追求大废钢比冶炼加剧了化渣的难度，容易导致粘枪、粘烟罩、磷高、硫高等冶炼事故而影响生产顺行。萤石作为化渣手段固然效果明显，但其侵蚀炉衬、化渣持续性有限、污染环境等负面影响也比较突出而逐渐被淘汰。

图1 赤泥对CaO-SiO2-FeO渣系液相区的影响

根据炉渣熔点理论，炼钢渣系中引入除CaO、SiO2、FeO以外的其它组元可以都可以降低炉渣熔点，Al2O3就是最常见的降炼钢炉渣熔点常用组元之一。赤泥为氧化铝生产工业生产排放的废弃物，来源广泛廉价易得，其中富含Al2O3、FeO、TiO2、SiO2、Na2O等成分，理论上可以作为化渣剂使用。研究了赤泥对炼钢炉渣熔点的影响，表明加入赤泥后显著扩大CaO-SiO2-FeO渣系的液相区，如图1所示。

表1 铁水条件及现有造渣工艺参数

表3化渣性能试验数据

表4 试验终点对比情况

Al2O3为两性氧化物，对转炉渣的脱磷、脱硫影响较小，研究表明转炉渣系中加入一定量的Al2O3后反而促进富磷离子团的富集从而对脱磷有利[9]。且Al2O3基化渣剂与CaF基化渣剂相比对炉衬侵蚀作用小，对护炉提高炉龄有利。

综上所述，以赤泥为炼钢熔剂理论上完全可行。

3 赤泥基高效化渣剂造制造流程

赤泥资源来源于广西平果铝厂，通过造球、晾干后可得到赤泥基化渣剂。制造工艺流程如下：晾晒—加粘接剂—混匀—压球成型—晾干—成品入库。生产工艺简单，成品制成球后得到的赤泥基化渣剂理化指标如表2所示。

表2 赤泥基化渣剂理化指标

4 赤泥基化渣剂用于转炉造渣试验

4.1 试验方法

①正常吹炼过程中，加入一定量的赤泥基化渣剂参与造渣。②观察吹炼过程的化渣效果，比对终点情况。③观察终渣状态并取样分析成分。④分析加入赤泥基化渣剂后评估其其它冶金效果。

4.2 试验结果

在柳钢120吨转炉上进行了试验，试验数据经过汇总后如表3所示。

试验结果表明：加了赤泥基化渣剂造渣的炉次转炉成渣速度明显加快，吹炼过程“返干”程度明显降低，化渣效果得到改善。在同一钢种上对转炉终渣取样分析发现，加赤泥基化渣剂炉次渣中Al2O3、SiO2略有升高的趋势，终渣终TFe有下降的趋势，转炉终点明显改善渣。如表4所示。

双渣操作在硅高铁水及冶炼低磷钢上经常被采用，双渣操作存在的技术问题主要是冶炼前期炉温低，前期渣不容易形成高碱度渣，脱磷效率低，前期渣流动性不好，排渣时带铁多铁损大等。赤泥基化渣剂在双渣炉次上确实也具有出色的冶金效果，主要体现在促进前期渣早化，提高了炉渣的流动性和钢渣分离效果，较好地解决了上述双渣的技术问题。

试验过程中发现赤泥基化渣剂对终点泡沫渣具有良好的抑制作用。通过多炉反复试验，验证了其出色的压渣效果，与原来专用外购的压渣剂功能相当或更优，并且具有成本低廉的优势。分析认为，冶金过程熔渣的泡沫、乳化现象是较为常见的，转炉炼钢正是利用了炉渣发达的乳化现象极大的提高了钢-渣接触面积，为冶炼过程化学反应的顺利进行提供了良好的动力学条件。然而，冶炼达到终点后，人们又希望抑制炉渣的发泡程度而利于出钢操作和溅渣护炉。相关研究表明，影响炉渣泡沫化的主要因素是炉渣表面张力、粘度、炉渣比重，泡沫化程度与炉渣的粘度成正比，与炉渣的表面张力和密度成反比[10]。赤泥良好的化渣作用降低了炉渣的粘度因而能制止炉渣的泡沫化。炉渣中存在气泡和固体质点对炉渣泡沫化也有促进作用[10]，泡沫渣是一种亚稳态，加入因赤泥基化渣剂后，因其本身水分含量较高，加入高温的炉渣中会产生强烈的炸裂作用，破坏了渣中气泡和固体质点的稳定状态，从而抑制了炉渣的泡沫化程度。另外，相关研究表明，表面活性物质对炉渣的泡沫化程度影响相对复杂，理论上研究认为，表面活性物质能促进泡沫化，然而有些研究却得出相反的结论，是由于气泡表面张力梯度引起的马兰各尼效应会造成气泡间渣液在排出时会使气泡破裂。

综上所述，由于赤泥基化渣剂同时具备了化渣、双渣造渣、出钢压渣等多种冶金功能，试验取得了良好的冶金效果。

4.3 其它方面影响和讨论

主要研究赤泥基化渣剂对炉衬侵蚀、钢质量的影响及扩大使用规模的讨论。

（1）实践表明，赤泥基化渣剂与萤石相比，对炉衬的侵蚀作用要小得多。虽然赤泥能够降低炉渣熔点，但有研究表明，Al2O3基化渣剂对炉衬的侵蚀作用比萤石要小得多[7]，笔者在实践过程中也验证了这一结论，但大量使用是否会造成炉衬侵蚀还有待验证。在当前只用作于化渣（吨钢用量≤5kg/t）、压渣（吨钢用量≤2kg/t）的前提下，不会对炉衬侵蚀造成影响。

（2）鉴于赤泥基化渣剂的水分含量比较高，可能对钢中的氢含量造成影响。为此做了跟踪对比分析，表明加赤泥基化渣剂炉次与不加赤泥基化渣剂炉次，钢中氢含量没有差别。分析原因认为，用于化渣的赤泥基化渣剂加入时机在前期，由于整个吹炼过程大量的脱碳反应释放大量的CO气泡，为钢中氢的去除创造了良好条件，因而对增氢不会造成影响。而出钢过程压渣所加的赤泥基化渣剂量小，而且与钢液没有紧密接触，是不会发生增氢作用的。

（3）由于赤泥中含有Fe2O3较高，有一定的回收利用价值。品位高或经过磁选、配矿等加工后，或许可以替代铁矿石作为冷却剂应用于炼钢生产领域，则为赤泥的综合治理利用降开辟更加广阔的途径。

（4）赤泥基化渣剂出色的化渣能力，较高的氧化性（Fe2O3高），是良好的脱磷剂，应用于铁水脱磷预处理、转炉双联工艺、双渣工艺，少渣冶炼工艺等势必也是良好的应用途径。

5 结论

（1）赤泥压制成球后，成功用作转炉化渣剂、压渣剂，并在双渣冶炼操作时，能用作辅助脱磷剂和钢-渣分离剂，用在转炉冶炼操作上具有成本低、冶金效果好的优点，并对炉衬及钢水质量均无负面影响。

（2）以赤泥作为基料制造出的高效化-压渣剂在柳钢研制成功，并规模化应用于生产炼钢，获得良好效果。

（3）赤泥用于炼钢生产前景广阔，对环境保护及废物综合治理具有重大意义，更加广阔的应用途径或许即将开辟。