冶炼前期转炉渣熔体结构的转变行为

冯晓明

（承德建龙特殊钢有限公司，河北 承德 067000）

转炉炼钢是一个复杂的多相反应过程，转炉渣在整体的冶炼中作用非常重要，对脱磷脱碳，以及其效率的掌控均有着重要的影响，同时将直接关系到冶炼过程中稳定性的控制。对合理的转炉渣成分进行控制，以此更好的适用于各个冶炼阶段，是相关行业研究人员一直致力的问题。提高成渣的速度是转炉冶炼初期的重要目标，这样才可以实现促进脱磷、脱硅、脱碳操作的顺利进行。泡沫化的操作是稳步实现冶炼初期目标的核心手段。炉渣泡沫化的黏度以及表面的张力是一种物理性质，存在紧密的联系[1]。而微观结构将决定炉渣的物理性质，也就是说炉渣泡沫化的性能是由熔体的结构来决定的。合理的解释与详细的分析转炉渣的熔体结构，对于转炉吹炼过程中冶金行为的理解与控制具有十分重要的含义与价值。

1 实验方法

参考相关书籍中工业转炉渣在不同的吹炼阶段所包含的成分，选用CaO-SiO2-FexO来用作基础的渣系，设计了四组实验渣，这四组实验渣伴随着碱度的升高其FexO质量分数将逐渐的降低，使用这样的方法来模拟冶炼初期转炉渣具体的成分变化。

实验中实验渣的配置将使用分析纯试剂CaO、SiO2以及Fe2C2O4.2H2O，由Fe2C2O4.2H2O来折算FeO与Fe2O3的用量。使用高温淬火炉对实验渣进行制备。实验中加入高纯的氩气，用作保护性的气体，以恒定的速度将温度升高至1450℃，维持这一温度一小时之后移开滑盖，松动钼丝，在冰水的混合物中加入铂坩埚迅速进行淬冷。然后把干燥之后的淬冷试样细磨成粉，制成0.074mm以下大小的微粒，玻璃相是预熔渣的主要成分，这样就可以是熔体的温度状态维持在高温状态。

实验中使用激光聚焦Raman光谱仪来对转炉渣的微观结构进行测试。Raman光谱仪的扫描波数数值范围为100cm～4000cm-1，激光波总长488nm，狭缝宽度为300μm，分辨率为0.65cm-1。将完成测试的数据使用计算机进行分析，使用Origin9.0软件来平滑原始的谱线，并将其基线去除，之后使用高斯拟合线法来对谱线进行分缝操作。

2 实验结果与讨论

在冶炼的初期其成分会受到CaO-SiO2-FexO熔渣的结构的直接影响。整个波段中特征最为明显的波峰出现在中频区400cm～780cm-1，以及高频区780cm～1100cm-1的范围之内。根据相关文献资料中记载，585cm-1与cm-1附近分别是与[FeO6]9-八面体，以及[FeO4]5-四面体结构相关的特征峰，853、914、972以及1027cm-1，其附近的桥氧数值为0、1、2、3的硅氧四面体，这之中的Si-O可以经过堆积形成具备伸缩振动功能的特征峰。多组分硅酸盐渣系中的Qi位置受到不同阳离子的直接影响，所以需要保证特征一致的峰如果存在于不同的渣系，需要具备足够的差异性。

如果熔渣的碱度为0.35.硅氧四面体的峰值在1019cm-1处，就会出现峰肩[2]。峰肩将会伴随碱度的增加不断左移。如果碱度为0.96，肩峰则转移至855cm-1的位置，这就说明了高聚合态中的硅氧四面体在熔渣中的含量越来越少，但是低聚合态的硅氧四面体含量却在一点一点增加。

实验渣络合峰的明显变化发生在500cm～780cm-1频率范围内。FexO含量的不断减少，使得[FeO6]9-八面体与[FeO4]5-四面体的特征峰不断发生疏散的变化，同时，[FeO4]5-四面体特征峰的峰宽越来越窄，峰形越来越尖锐，这就说明[FeO4]5-四面体在Fe3+中占据的比例逐渐增大，形成认定的结构单元。硅氧四面体之间Si-O-Si键的弯曲振动可以由400cm～500cm-1段的位移来表示，聚合程度的变化情况可以通过这一峰值的强弱变化来直接反映。熔体的聚合程度较高，那么峰值就较强。

一号-四号的实验渣中，硅氧基团的含量越来越少，而铁氧基团的含量却越来越多[3]。熔渣中的SiO2/FexO含量变化是导致这一情况发生的主要原因。同时，[FeO4]4-四面体相对面积的面积分数与[FeO4]5-四面体的相对面积分数比较要大得多，是熔体结构中的主要物质。控制熔渣聚合度的主要依据是[FeO4]4-四面体的结构形态。因此，以Qi的相对面积分数为条件来对熔渣的非桥氧数进行计算，即可评估熔渣具体的聚合程度。摩尔分数以及非桥氧数具体的计算公式如下。

碱度的增加Q0的相对面积分数也不断的增加，而Q3相对面积分数越来越少，Q1和Q2整体的相对面积分数变化不大。这一现象的出现原因是由于熔渣的成分影响。研究表明，碱度或碱土金属氧化物极易对Si4+的结构形态产生影响，CaO可使[FeO4]4四面体的复杂结构进而重新分解聚集形成简单的结构。因此，强化熔渣的解聚能力可以通过增加碱度来实现。

同时，结合通Qi相对面积分数的变化，说明Q2-破坏网络结构时能够与成分复杂的硅氧四面体进行结合，进而发生Q3-Q2-Q1-Q0的解聚过程，这就导致熔渣中Q0相对面积分数增多，而Q3相对面积分数减少[4]。在Q0、Q1、Q2和Q3的综合作用下，熔渣的NBO/T明显增高，进而大幅度的降低了熔渣的聚合程度，这与谱线的分析结果是一样的。

一号至四号试验渣，[FeO4]5-四面体相对面积分数越来越大，[FeO6]9-八面体相对面积分数越来越少，原因是因为Fe3+的存在形式与Fe3+/∑Fe之间存在紧密的联系。随着FexO相对面积分的减少，渣中Fe3+/∑Fe含量也越来越少，自由O2-的相对面积分数不断减少，Fe3+形成八面的变化效果越来越不明显，[FeO6]9-八面体的相对面积分数不断减少。

3 结论

（1）熔渣中存在Q0、Q1、Q2、Q3，其碱度会伴随着冶炼的进行而逐渐的增大，高聚合度的结构单元将会发生由Q3-Q2-Q1-Q0的解聚过程，这就让熔渣当中的NBO/T数值不断上涨，但是熔渣的聚合程度不断减弱。

（2）Fe3+在CaO-SiO2-FexO渣系中以[FeO4]5-四面体与[FeO6]9-八面体的形式存在。如果Fe3+/∑Fe含量的不断减少，会帮助Fe3+以[FeO4]5-四面体的结构形式存在。