“两步法”重构钢渣物相变化特征及黏度调控机制_甄常亮.pdf

第5 8卷 第7期 2 0 2 3年7月钢 铁I r o na n dS t e e lV o l.5 8,N o.7,p 1 4 4-1 5 3 J u l y2 0 2 3 D O I:1 0.1 3 2 2 8/j.b o y u a n.i s s n 0 4 4 9-7 4 9 x.2 0 2 3 0 0 4 0“两步法”重构钢渣物相变化特征及黏度调控机制甄常亮1,程翠花2,张巧荣1,赵 凯1(1.华北理工大学冶金与能源学院,河北 唐山0 6 3 2 1 0;2.河钢集团唐钢公司技术中心,河北 唐山0 6 3 0 0 0)摘 要:针对“改质+还原”两步法钢渣在线重构工艺过程涉及的物相与黏度协同调控问题,采用F a c t S a g e模拟软件对S i O2-C a O-M g O-A l2O3-F exO五元渣系物相组成和液相区分布进行研究,并结合黏度试验及修正后的E i n-s t e i n-R o s c o e公式对渣系的黏度进行了分析,确定各成分含量变化对重构不同阶段熔渣的物相及黏度的影响规律。结果表明,钢渣主要物相包括金属氧化物、硅酸盐类、铝酸镁、镁硅钙石(C a3M g S i2O8)等,铁元素以C a2F e2O5、F e3O4、F e O形式存在,自由C a O质量分数由2.4 9%至5.8 1%不等;提高酸性改质剂比例,改质渣析出物相以铝酸钙、硅酸二钙、偏硅酸钙、铝黄长石(C a2A l2S i O7)、钙长石(C a2A l2S i2O8)类物相为主,后期铝酸镁完全消失,转变为C a2A l2S i O7和C a M g2A l1 6O2 7;还原阶段铁氧化物不断还原为金属铁与渣相分离,提铁尾渣中堇青石(M g2A l4S i5O1 8)和辉石类物相析出范围增大,当碱度由1.4 7降低至0.9 5时,偏硅酸钙和钙长石析出显著增多,自由C a O完全消解。改质剂的加入使钢渣的熔化性温度由14 5 0以上显著降低至13 3 0,F e O、M g O含量增加可降低熔化性温度、改善熔渣流动性,而碱度和A l2O3的影响规律恰好相反;还原阶段尾渣碱度、F e O质量分数对熔化性温度影响显著,碱度为0.9 5、F e O质量分数为3.6 9%时,尾渣熔化性温度约为13 5 0,F e O质量分数降低至0时尾渣熔化性温度提高了约2 7,需保证供热以克服流动性恶化问题并满足还原耗热;M g O和A l2O3质量分数对熔化性温度影响不大。综上,基于适宜的渣系成分及工艺调控,“两步法”重构钢渣方案可以满足熔池内物相反应及均质行为对熔渣流动性的要求。关键词:钢渣;重构;改质;还原;物相;黏度文献标志码:A 文章编号:0 4 4 9-7 4 9 X(2 0 2 3)0 7-0 1 4 4-1 0P h a s e c h a n g e c h a r a c t e r i s t i c sa n dv i s c o s i t yr e g u l a t i o nm e c h a n i s md u r i n g t w o-s t e p s t e e l s l a gr e c o n s t r u c t i o np r o c e s sZ HE NC h a n g l i a n g1,CHE NGC u i h u a2,Z HANGQ i a o r o n g1,Z HAOK a i1(1.S c h o o l o fM e t a l l u r g ya n dE n e r g y,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a n0 6 3 2 1 0,H e b e i,C h i n a;2.T e c h n i c a lC e n t r e,H B I SG r o u pT a n gS t e e lC o m p a n y,T a n g s h a n0 6 3 0 0 0,H e b e i,C h i n a)基金项目:中央引导地方科技发展资金资助项目(2 2 6 Z 3 8 0 2 G)作者简介:甄常亮(1 9 8 3),男,博士,高级工程师;E-m a i l:z h e n c h a n g l i a n g a l i y u n.c o m;收稿日期:2 0 2 3-0 2-0 2通信作者:赵 凯(1 9 8 1),男,博士,教授;E-m a i l:h e r o z k 1 6 3.c o mA b s t r a c t:A i m i n gt h ep r o b l e mo f s y n e r g e t i cc o n t r o l o np h a s e sa n dv i s c o s i t yd u r i n gt h e m o d i f i c a t i o na n dr e d u c t i o n t w o-s t e ps t e e l s l a go n l i n er e c o n s t r u c t i o np r o c e s s,p h a s e sa n dv i s c o s i t yo fS i O2-C a O-M g O-A l2O3-F exO m u l t i-m o l t e ns l a gw e r ed i s c u s s e db yu s i n gF a c t s a g es i m u l a t i o ns o f t w a r e,v i s c o s i t yt e s ta n dr e v i s e dE i n s t e i n-R o s c o ef o r m u l a,t h e nt h e i n f l u e n c eo f e a c hc o m p o n e n t c o n t e n t v a r i a t i o no np h a s e s a n dv i s c o s i t yo f s t e e l s l a gw a r e c o n f i r m e da t d i f f e r e n t r e-c o n s t r u c t i o ns t a g e s.T h e r e s u l t s s h o wt h a t,t h em a i np h a s e s o f s t e e l s l a g i n c l u d em e t a l o x i d e s,s i l i c a t e s,m a g n e s i u ma-l u m i n a t e,m e r w i n i t e(C a3M g S i2O8)a n ds oo n,i r o ne x i s t s i nt h e f o r mo fC a2F e2O5,F e3O4a n dF e O,t h em a s sp e r c e n to f f r e eC a Ov a r i e s f r o m2.4 9%t o5.8 1%.T h ep r e c i p i t a t e dp h a s e so fm o d i f i e ds l a ga r em a i n l yc a l c i u ma l u m i n a t e,d i-c a l c i u ms i l i c a t e,c a l c i u m m e t a s i l i c a t e,a l u m i n i u m m e l i l i t e(C a2A l2S i O7)a n da k e r m a n i t e(C a2A l2S i2O8)w h e nt h ep r o-p o r t i o no f a c i dm o d i f i e r i n c r e a s e d,a n dm a g n e s i u ma l u m i n a t e c o m p l e t e l yd i s a p p e a r e da n dt r a n s f o r m e d i n t oC a2A l2S i O7a n dC a M g2A l1 6O2 7i nt h e l a t e r s t a g eo fm o d i f i c a t i o n.T h e i r o no x i d e sa r ec o n t i n u o u s l yr e d u c e dt om e t a l l i c i r o na n ds e p a-r a t e df r o mt h es l a gp h a s e i n r e d u c t i o ns t a g e,t h er a n g eo f c o r d i e r i t e(M g2A l4S i5O1 8)a n dp y r o x e n ep h a s ep r e c i p i t a t i o ni n c r e a s e s i nt a i l i n g sa f t e r i r o ne x t r a c t i o n,a n da s t h eb a s i c i t yd e c r e a s i n gf r o m1.4 7t o0.9 5,c a l c i u m m e t a s i l i c a t ea n da n o r t h i t e i n c r e a s es i g n i f i c a n t l y,a n d f r e eC a Ow a sd i g e s t e dc o m p l e t e l y.T h em e l t i n g t e m p e r a t u r eo f s t e e l s l a gd e c r e a-s e ss i g n i f i c a n t l yf r o ma b o v e14 5 0 t o13 3 0 w i t ht h ea d d i t i o no fm o d i f i e r,t h em e l t i n gt e m p e r a t u r ew a sd e-c r e a s e da n d t h e l i q u i d i t yw a s i m p r o v e dc a u s e db y t h e i n c r e a s eo fF e Oa n dM g Om a s sp e r c e n t,a l s o t h e r e d u c e db a s i c i-第7期甄常亮,等:“两步法”重构钢渣物相变化特征及黏度调控机制t ya n dA l2O3m a s sp e r c e n t.I nt h er e d u c t i o ns t a g e,t h eb a s i c i t ya n dF e O m a s sp e r c e n to ft h et a i l i n g se f f e c to nt h em e l t i n gt e m p e r a t u r es i g n i f i c a n t l y.T h e m e l t i n gt e m p e r a t u r eo ft h et a i l i n g si sa b o u t13 5 0 w h e nR=0.9 5,w(F e O)=3.6 9%,a n dt h em e l t i n g t e m p e r a t u r eo f t h e t a i l i n g s i n c r e a s eb ya b o u t 2 7 w h e n t h em a s sp e r c e n t o fF e Od e c r e a s e t o0,s oh e a t s u p p l ys h o u l db e e n s u r e d t oo v e r c o m e t h ep r o b l e mo f l i q u i d i t ya n dm e e t t h e r e d u c t i o nr e a c t i o n.T h e i n f l u e n c eo fM g Oa n dA l2O3m a s sp e r c e n t o nt h em e l t i n gt e m p e r a t u r e i n s i g n i f i c a n t l y.S ob a s e do nt h e a p p r o p r i-a t es l a gc o m p o s i t i o na n dp r o c e s sc o n t r o l,t h e t w o-s t e ps t e e l s l a gr e c o n s t r u c t i o ns c h e m e c a nm e e t t h e r e q u i r e m e n t so fs l a gf l u i d i t yf o rp h a s er e a c t i o na n dh o m o g e n i z a t i o nb e h a v i o r i nt h em o l t e np o o l.K e yw o r d s:s t e e l s l a g;r e c o n s t r u c t i o n;m o d i f i c a t i o n;r e d u c t i o n;p h a s e;v i s c o s i t y 热态钢渣是转炉炼钢的主要副产物,富含铁、硅、钙、镁等有价元素,同时蕴含丰富热能,属于宝贵的次生资源。目前,中国钢渣处置主要集中在有价金属回收和尾渣的资源化应用,即钢渣经由冷却、破碎、分拣、磁选等工序,回收的渣钢、熔剂等返回冶炼环节进行厂内循环,尾渣则多用于水泥建材、筑路回填等领域。此外,基于钢渣的土壤改良、环境净化、碳捕集与碳封存、新材料制备等技术1-5,虽然可以消纳部分钢渣,但受限于钢渣种类成分差异显著、体积安 定 性 差、R O相(熔 有 以F e O、M g O为 主 及M n O等其他二价的金属氧化物形成的广泛固溶体)含量高、胶凝活性低等问题,尚缺乏可大量消纳钢渣的下游用户。针对上述问题,国内外开展了钢渣重构技术的研究,即向热态钢渣中分步加入改质剂和还原剂,利用钢渣的显热使改质组分与钢渣发生物相反应,对钢渣进行重构,制备高活性建材同时回收金属铁和钢渣显热,可被视作钢渣全量资源化利用的一条可行途径。日本在2 0世纪7 0年代末提出将硅砂和空气注入熔渣中可以对钢渣成分进行改性,从而减少游离C a O和游离M g O含量6;XU EP等7通过试验和F a c t S a g e 6.4软件分析发现,向熔融B O F渣中添加质量分数为6%的S i O2后,重构渣从14 0 0 冷却到12 7 0时会有大量的M g F e2O4形成,由于M g F e2O4磁性增强,该磁性渣经磁选全铁质量分数达到3 7%,而未经改质处理的原始B O F磁选全铁质量 分 数 仅 为2 1.2%;J UNG SS等8研 究 了A l2O3质量分数为1 3%的钢渣重构过程,结果表明磁性的、非化学计量的M g A l F e O4相在碱度为1.0 8时析出,在12 0 0等温冷却过程中,尖晶石相的形成和长大导致非晶相组分与富铁相组分分离,有利于后续铁化合物的磁选。Z O N GY等9将飞灰以质量分数为5%的比例倒入渣罐底部,然后将16 5 0的熔渣倒入罐中与飞灰混合,重构渣中自由C a O和R O相含量减少,C a S i O3相出现,易磨性能明显改善;铁尾矿1 0可以作为组分调节材料高温重构钢渣,当重构温度为12 5 0、掺加铁尾矿质量分数为2 0%时,钢渣中自由C a O质量分数的降幅可达到6 2.4%,重构钢渣2 8d活性指数提高了7%;高温重构的钢渣生成硅酸三钙、硅酸二钙等胶凝性矿物,R O相中的F e O转化为磁铁矿(F e3O4);粉煤灰1 1作为组分调节材料重构钢渣研究表明,重构后的钢渣生成黄长石、辉石等硅酸盐矿物,并吸收钢渣中的自由C a O,体积安定性得到提高;K I T AMUR A S等1 2向熔渣中添加废玻璃改性剂来降低钢渣碱度,使得硅酸二钙含量大大减少。其他相关研究1 3-2 3也证明了该项工艺的可行性及其对碳减排的重要意义,但大多以实验室重熔试验及重构后钢渣性能研究为主,对钢渣重构过程调控的关注度普遍不高。钢渣重构过程中熔渣物相组成与熔池流动性对反应的均质效果至关重要,为制约钢渣重构工艺迈向工业化实践的限制性环节。因此,笔者基于“渣、铁、热”协同回收的思路,提出采用“两步法”熔融钢渣在线重构工艺,针对改质剂、还原剂分别加入钢渣后熔渣物性转变的过程,利用F a c t S a g e模拟软件对S i O2-C a O-M g O-A l2O3-F exO多元渣系物相进行计算,并结合黏度试验及修正后的E i n s t e i n-R o s c o e公式对该渣系黏度进行了分析,研究钢渣重构不同反应阶段各组元比例变化对重构渣系物相组成、黏度的影响,以确定钢渣在线重构工艺适宜的温度、成分控制区间。1 钢渣重构过程物相变化特征采用中试1 0 0k g电炉对1号钢渣进行重构,将2 0k g改质剂和6k g还原剂先后加入到1 0 0k g钢渣中,电炉升温重熔加热至16 5 0时出渣,渣铁分离后将尾渣样品送检,尾渣成分性能合格,物相以C a2A l2S i O7、C a2M g S i2O7、C a M g S i O4为 主,自 由C a O完全消解。原料、尾渣成分等相关检测结果如表1表4和图1所示。541钢 铁第5 8卷表1 钢渣主要成分(质量分数)T a b l e1 C o m p o s i t i o no f s t e e l s l a g s送检样品w(S i O2)/%w(C a O)/%w(M g O)/%w(A l2O3)/%w(F e2O3)/%碱度自由C a O质量分数/%1号钢渣1 5.7 73 9.2 41 0.6 37.0 21 9.7 42.4 96.8 72号钢渣1 2.7 43 6.6 28.8 14.5 61 7.5 42.8 72.0 63号钢渣1 3.3 23 8.41 1.2 65.5 42 5.5 22.8 82.7 44号钢渣1 1.2 64 2.51 1.4 85.6 42 1.3 83.7 75.1 25号钢渣6.5 63 8.1 21 0.7 14.2 82 7.6 25.8 18.2 2表2 铁尾矿成分(质量分数)T a b l e2 C o m p o s i t i o no f i r o nt a i l i n g s%S i O2C a OM g OA l2O3F e2O34 5.9 21 3.6 86.5 81 4.4 61 1.7 4表3 煤的工业分析(质量分数)T a b l e3 I n d u s t r i a l a n a l y s i so f c o a l%灰分挥发分硫固定碳水分9.1 41 9.2 50.3 27 2.1 31.7表4 重构尾渣成分(质量分数)T a b l e4 C o m p o s i t i o no f r e c o n s t r u c t i n g t a i l i n g s%送检样品S i O2A l2O3F e2O3C a OM g O自由C a O金属铁C尾渣2 93 691 2043 74 371 00金属铁9 39 44图1 尾渣X R D检测结果F i g.1 X R Dt e s t r e s u l t so f t a i l i n g s 重构过程中熔渣成分和物相组成的变化,对熔池均质效果及最终产品质量至关重要。因此,本研究针对不同阶段的熔渣成分,应用F a c t s a g e软件对S i O2-C a O-M g O-A l2O3-F exO五元渣系进行物相计算,分别确定原始钢渣、重构改质渣、还原提铁尾渣3个阶段渣系的物相变化特征。1.1 原始钢渣物相根据表1中1号原始钢渣成分计算钢渣相图,结果如图2所示。文献、生产数据以及检测结果分析表明,由于钢渣出炉后会发生部分氧化,实际钢渣中铁元素分别以F e2O3和F e O存在,通常F e O含量略高,由于炼钢工艺和钢渣成分的波动,两者的质量比 在 一 定 范 围 内 波 动。据 此,文 中 计 算 设 定F e2O3和F e O质量比为46。计算结果显示,计算温度内,不同企业原始钢渣主要析出相及其随温度变化的转变规律基本一致。图2 1号钢渣相图F i g.2 P h a s ed i a g r a mo fN o.1s t e e l s l a g高温区物相析出以纯物质为主,随着温度的降低,冷却过程中熔渣中钙硅等先后以C a O相、硅酸钙相和铁酸二钙等形式结晶,镁铝等元素先后以M g O、尖晶石、镁铝硅酸盐等复杂物相结构析出。钢渣低温物相中,出现金属氧化物、硅酸钙、铝酸镁、镁硅钙石等物相,铁元素以F e3O4、C a2F e2O5、F e O形式存在,随着渣中铁含量升高,低温区F e3O4析出相区面积明显扩张,F e O析出相区面积则基本没有变化。钢渣碱度提高,钢渣中硅酸二钙向硅酸三钙转变,钢渣冷却过641第7期甄常亮,等:“两步法”重构钢渣物相变化特征及黏度调控机制程中,当冷却速度不够时,硅酸三钙可分解生成硅酸二钙和C a O,其中C a O处于游离状态2 4。1.2 改质渣物相改质为钢渣重构的第一步,为具体描述随着改质剂加入量不断增加不同温度下物相析出的变化规律,确定5组方案进行改质渣相图的热力学计算。计算选用1号钢渣,设定其中铁元素分别以F e2O3和F e O形式存在,质量比为46,设计方案见表5。根据表5数据对5种渣型物相进行计算,计算结果如图3所示。表5 重构改质渣型设计方案(质量分数)T a b l e5 R e c o n s t r u c t i o no fm o d i f i e ds l a g t y p ed e s i g ns c h e m e%渣型S i O2A l2O3C a OM g OF e2O3F e OG-1号2 6.6 07.9 83 9.0 19.7 57.0 99.5 7G-2号2 8.1 38.7 93 6.9 38.7 97.3 99.9 7G-3号2 9.6 59.5 93 4.8 87.8 57.6 71 0.3 6G-4号3 1.1 41 0.3 83 2.8 76.9 27.9 61 0.7 4G-5号3 2.6 01 1.1 53 0.8 96.0 18.2 41 1.1 2(a)G-1号;(b)G-2号;(c)G-3号;(d)G-4号;(e)G-5号图3 改质渣相图F i g.3 P h a s ed i a g r a mo fm o d i f i e ds l a g741钢 铁第5 8卷 由图3重构改质阶段未进行还原的S i O2-C a O-M g O-A l2O3-F exO多元渣系图谱可知,由于硅、铝等元素的加入,熔渣高温改质导致渣中物相结晶析出行为出现明显变化,物相结构和析出行为呈现以下特征:重构反应初期,低温析出物相区主要集中在相图中上部和底部位置,包括F e2O3、S i O2、M g S i O3、辉石(C a M g S i2O6)、镁黄长石(C a2M g S i O7)、M g O、斜长石(C a2A l2S i O7)、-C a2S i O4、C a2F e O5、F e O等。由于 酸 性 改 质 剂 的 添 加 比 例 不 断 增 加,C a S i O3、C a M g2A l1 6O2 7、C a2A l2S i O7等物相的析出显著增加,而铝酸镁(M g A l2O4)逐步减少,钢渣重构后期M g A l2O4完全消失,低温析出物相有所变化,F e2O3和C a A l2S i2O8析出范围扩大,其他物相与1号渣型基本一致,包括S i O2、辉石(C a M g S i2O6)、镁黄长石(C a2M g S i O7)、C a A l2O4、C a2F e O5、F e O等。上述重构改质渣中均含有大量F e3O4和F e O析出相,为改善渣中物相、提高铁元素回收效率,重构过程还需要进行铁氧化物的还原。还原后的金属铁由于密度、凝固温度、比热容等参数与渣相存在一定差异,在熔渣流动性和黏度优化的条件下,能够在熔池中或后期水淬过程中实现渣铁分离,获得生铁和尾渣产品。1.3 还原提铁尾渣物相改质渣中的铁氧化物被还原成生铁与渣相分离,中试尾渣样品送检结果显示:尾渣中全铁质量分数(以F e2O3计)平 均 仅 为1.4 5%,回 收 率 为9 4.7 3%,为进一步反映铁氧化物不同还原程度时熔渣的物相与黏度特征变化,设定了还原阶段渣中F e2O3质量分数为0、1%、2%、3%、4%5水平,鉴于F e2O3易于还原,还原后期渣中残留铁氧化物以F e O计,加 权 计 算 后 对 应F e O质 量 分 数 为03.6 9%,分别对应铁回收率为8 3.3 3%1 0 0%5水平,析出金属铁活度为1。5种计算方案及绘制尾渣中各组元物相析出物相图分别如表6和图4所示。表6 还原尾渣成分设计方案T a b l e6 D e s i g ns c h e m eo f r e d u c i n g t a i l i n g s c o m p o s i t i o n渣型w(S i O2)/%w(A l2O3)/%w(C a O)/%w(M g O)/%w(F e O)/%碱度H-1号3 1.9 19.5 74 6.8 11 1.7 001.4 7H-2号3 3.7 21 0.5 44 4.2 61 0.5 40.9 51.3 1H-3号3 5.4 91 1.4 84 1.7 59.3 91.8 81.1 8H-4号3 7.2 31 2.4 13 9.3 08.2 72.7 91.0 6H-5号3 8.9 31 3.3 23 6.8 97.1 73.6 90.9 5841第7期甄常亮,等:“两步法”重构钢渣物相变化特征及黏度调控机制(a)H-1号;(b)H-2号;(c)H-3号;(d)H-4号;(e)H-5号图4 提铁尾渣相图F i g.4 P h a s ed i a g r a mo f i r o n l e s s t a i l i n g s 对图4中5种尾渣组分的相图进行分析可知,随着渣中F e O含量逐渐提高,尾渣物相呈现明显变化。还原阶段铁氧化物不断还原为金属铁与渣相分离,尾渣中堇青石(M g2A l4S i5O1 8)和辉石类物相析出范围增大,当碱度由1.4 7降低至0.9 5时,偏硅酸钙和钙长石析出显著增多,结合化学成分检测可知,自由C a O已经全部被消解。H-1号、H-2号和H-3号渣成分所在区域的液相线分布更为密集,且液相线的温度均较高,结合已有熔渣理论可知,此类炉渣的热稳定性和化学稳定性均较差,铁氧化物还原及渣铁界面反应极易受温度和成分波动的影响,不利于渣铁分离过程铁水质量的调控;H-4号和H-5号成分所在区域的液相线分布较为均匀,热稳定性和化学稳定性较好,炉渣碱度更低,F e O含量较高,有利于熔渣高温黏度、流动性以及渣铁分离等性能的改善。对比上述5个渣型析出相种类和含量随温度变化曲线可知,5种组分中,随着成分和温度的变化,析出相的种类逐渐减少,且析出温度逐渐降低,主要析出相为长石、辉石类矿相,其次为尖晶石。因此,为了满足改质过程熔渣物相析出温度和流动性,建议二元碱度不高于1.2,在对后续水化性能不造成较大影响的前提下,渣中可保留F e O质量分数不超过3%。2 重构过程黏度调控机制2.1 试验测定黏度测定试验:将约1 4 0g钢渣试样加入到石墨坩埚,然后将坩埚放入刚玉炉管中加热,待升温到15 5 0时恒温3 0m i n,恒温结束后开始变温测黏度。上述装置与方法通常用于高炉渣黏度的测定,与高炉渣相比,钢渣存在熔化性温度高、黏度大且F e O对钼锤和坩埚有侵蚀等问题。试验尝试在石墨坩埚内部设置一层刚玉坩埚的方法,待钢渣升温至15 5 0并延长恒温时间,开始进行变温度黏度检测。2次 试 验 结 束 后 试 样 及 坩 埚 形 貌 如 图5所示。(a)1号钢渣;(b)4号钢渣图5 黏度检测反应后试样形貌F i g.5 V i s c o s i t y t e s t s a m p l em o r p h o l o g ya f t e r r e a c t i o n图5(a)所示为1号钢渣,在15 5 0恒温下,钼转子测头至渣液面以下开始测定时,由于初始黏度偏高,黏度曲线偏移严重,转杆扭矩过大断裂,检测中断。由图5(a)可以看出,石墨坩埚有所侵蚀且内壁出现金属铁珠,这表明渣中F e O被石墨还原形成金属铁,附着在坩埚内壁,随着渣中F e O含量变化,炉渣黏度曲线呈现漂移现象。图5(b)为4号钢渣,此次在石墨坩埚内部增加一层刚玉坩埚,虽然得到部分黏度曲线,但刚玉坩埚已经严重熔损,熔渣固结在炉管内部。试验测定部分钢渣黏度曲线如图6所示。由图6可知,钢渣黏度曲线与正常高炉渣黏度941钢 铁第5 8卷(a)1号钢渣;(b)4号钢渣图6 钢渣黏度曲线F i g.6 S t e e l s l a gv i s c o s i t yc u r v e曲 线 有 明 显 区 别,14 6 0 时 黏 度 值 已 经 达 到2P as且尚未出现拐点,钢渣黏度试验方法仅绘制部分黏度曲线,且出现明显的漂移问题。2.2 熔渣黏度热力学计算鉴于以上问题,研究采用F a c t S a g e热力学仿真计算软件黏度模块,分别对钢渣、改质渣、尾渣黏度进行了计算,并采用E i n s t e i n-R o s c o e公式对计算数据进行了修正,系统研究了熔渣组分变化对还原重构不同阶段熔渣黏度及熔化性温度的影响规律,参考相关文献2 5-2 8,E i n s t e i n-R o s c o e公式及常数取值详见式(1)。=0(1-a f)-2.5(1)式中:为所求含固相颗粒非均相熔渣黏度;0为不含固相颗粒的熔渣黏度;a为常数,表征固相颗粒的形状系数,参考E i n s t e i n模型中a取值为2.5;f为固相颗粒的体积分数。式(1)中0和f由F a c t S a g e软件黏度模块计算得到。2.2.1 原始钢渣黏度以试验获得的4号钢渣部分黏度曲线为基准,用F a c t S a g e软件结合修正后的E i n s t e i n-R o s c o e公式计算了S i O2-C a O-M g O-A l2O3-F exO五元钢渣黏度,计算过程中F e O质量分数占全铁的6 0%,温度步长设置为1 0。计算得到的钢渣黏度与试验测定黏度曲线的变化趋势基本一致,如图7所示。因此,本研究应用该方法对不同重构阶段熔渣各成分质量分数对黏度的影响进行了分析。5种钢渣黏度曲线如图8所示。当渣系达到黏度突变的温度时,渣系的流动性会发生质变,这个特征温度点即为熔化性温度。通常认为黏度在1图7 两种方法绘制钢渣黏度曲线F i g.7 T w om e t h o d s f o rd r a w i n gv i s c o s i t yc u r v eo f s t e e l s l a g图8 5种钢渣黏度曲线F i g.8 V i s c o s i t yc u r v e so f5k i n d so f s t e e l s l a g1.5P as范围时高炉渣具备较好的流动性2 9,参考高炉渣这一特性,图8中作1.5P as黏度线标尺,与钢渣黏度曲线交点对应的温度即认为是本研究中的钢渣熔化性温度。计算结果显示,5种钢渣的熔化性温度在14 5 8 14 9 5不等,而高炉渣的熔化性温度仅为13 5 013 7 53 0,这表明若要改善钢051第7期甄常亮,等:“两步法”重构钢渣物相变化特征及黏度调控机制渣重构过程中的流动性,向钢渣中添加酸性改质剂,将其调整为类似低黏度高炉渣的方案是可行的。2.2.2 改质渣黏度改质剂、还原剂分别加入到钢渣的重构过程,熔渣体系黏度的变化对反应进程、成分均质的影响至关重要。本研究以尾渣成分值为基准,调整其中各组元含量,研究不同组元成分变化对改质渣、尾渣黏度和熔化性温度的影响规律,确定还原重构过程熔渣的适宜成分区间。改质阶段不同组元含量对改质渣黏度及熔化性温度的影响分别如图9和图1 0所示。图9 各组元质量分数对改质渣黏度的影响F i g.9 E f f e c t o f c o m p o n e n tm a s sp e r c e n t o nv i s c o s i t yo fm o d i f i e ds l a g图1 0 各组元质量分数对改质渣熔化性温度的影响规律F i g.1 0 E f f e c t o f c o m p o n e n tm a s sp e r c e n t o nm e l t i n gt e m p e r a t u r eo fm o d i f i e ds l a g由图9和图1 0可知,重构前期由于改质剂的加入,熔渣黏度和熔化性温度较原始钢渣黏度显著降低,改善了熔渣流动性。其中,F e O和M g O含量增加导致熔渣体系的黏度和熔化性温度降低,A l2O3和C a O含量增加导致熔渣的黏度和熔化性温度呈现总体增大的趋势。S i O2含量对熔渣黏度的影响较为复杂,高碱度钢渣中添加S i O2能够对黏度的改善起到积极作用;但是随着硅含量的增加,渣中S i O2与C a O结合能力较强,易形成高熔点的硅酸盐,这样会对黏度的改善起到抑制作用;渣中S i O2含量过高时,能与渣中F e O生成熔点较低的铁橄榄石相,导致熔渣熔化性温度在S i O2质量分数为3 1.1 4%左右时再次出现拐点。由于F e O熔点较低,其含量增加导致炉渣黏度和结晶温度的降低;另外,F e O在硅氧四面体网络结构中提供自由移动的F e2+、O2-,而F e2+和O2-与硅氧四面体网络结构相比较小,也会促使炉渣黏度降低。因此,在还原重构反应进行的初期,高F e O熔渣流动性较好,熔池内的熔化和均质反应较为容易。2.2.3 还原提铁尾渣黏度还原阶段尾渣碱度、F e O含量对熔化性温度影响最为显著,碱度为0.9 5、w(F e O)=3.6 9%时,尾渣熔化性温度约为13 5 0,F e O含量降低导致尾渣熔化性温度提高了约2 7,可能会出现钢渣“返干”的问题,应保证供热以克服流动性恶化问题并满足还原耗热,M g O和A l2O3含量对熔化性温度影响不大。还原阶段,不同组元含量对提铁尾渣黏度及熔化性温度的影响分别如图1 1和图1 2所示。图1 1 各组元质量分数对尾渣黏度的影响F i g.1 1 E f f e c t o f c o m p o n e n tm a s sp e r c e n to nv i s c o s i t yo f t a i l i n g s由图1 1和图1 2可知,F e O和S