熔渣氧化性对其黏度和发泡性的影响.pdf

研究了不同氧化性电炉熔渣中熔解碳质材料后熔渣成分、物相、微观组织、黏度以及钢渣稳定性的变化。结果表明：随着熔渣中FeO含量的增加,加入碳质材料后,反应后熔渣中的FeO减少量逐渐增加；熔渣中的C,F和RO含量逐渐增加,C,S和方镁石相逐渐减少,反应后剩余的Fe0主要以C,F相存在;Fe0含量为15%时的熔渣黏度和发泡效果最好,其相转变点温度最低为132 0,对应的黏度为0.50 17 9 Pas，对应的碱度为2.310,发泡高度为原先的2.8 9 倍。关键词：钢渣；氧化性；黏度中图分类号：TF741.99The Effect of Adding Carbonaceous Materials to the Viscosity of Electric Furnace Slag with Different Oxidation PropertiesAbstract:The changes of composition,phase,microstructure,viscosity and stability of molten slag after melting carbonaceous materials in dif-ferent oxidizing EAF slag were studied.The results show that with the increase of FeO content in slag,the decrease of FeO in slag increasesgradually after adding carbonaceous materials.The contents of C,F and RO in the slag gradually increased,and the C,S and cubic magnesitephases gradually decreased,and the remaining FeO mainly existed in C,F phase.When FeO content is 15%,the slag viscosity and foamingeffect are the best,the lowest phase transition point temperature is 1 320 C,the corresponding viscosity is 0.501 79 Pa s,the correspondingbasicity is 2.310,and the foaming height is 2.89 times of the original.Key Words:steel slag;oxidation;viscosity在电炉冶炼过程中往往会向炉内添加一定量的碳质材料,碳质材料的添加主要有两个作用1-3：增加炉内的化学热，降低电能消耗，促进前期废钢的熔解；加快形成泡沫渣，碳质材料的添加会与钢渣中的氧化物或者钢液中熔解的氧进行反应生成CO/CO,气体，由于熔渣的表面张力和黏度较大因此反应所生成的气体进人熔渣中会则会形成泡沫渣。泡沫渣对于电炉冶炼至关重要，不但可以减少钢液温度的快速散失、增加夹杂物的吸收，还可以进行埋弧操作从而提高电弧传热效率,减少电能消耗,降低冶炼成本4-8 。但是加人碳质材料之后，在高温下与熔渣进行反应会改变熔渣的成分组成，并且碳质材料包含一定量的灰分和挥发分也会对熔渣成分有一定的影响；熔渣成分的改变必然会导致熔渣特性的变化，因此有必要对碳质材料的熔解对熔渣特性的影响进行研究，从而更好地指导实际工艺生产。因此，本文就不同氧化性熔渣条件下，碳收稿日期:2 0 2 2-0 7-17作者简介：张晨（19 9 7 一）,男，助理工程师,研究方向为冶金工程；通信作者：戴劲（19 9 4一），男，初级工程师，研究方向为冶金工程.13INDUSTRIALHEATING熔渣氧化性对其黏度和发泡性的影响张晨,戴?劲,刘济业,王强，张永堂，孙志强（河钢集团唐钢公司，河北唐山0 6 30 0 0）文献标志码：A文章编号：10 0 2-16 39(2 0 2 3)0 6-0 0 13-0 5ZHANG Chen,DAI Jin,LIU Jiye,WANG Qiang,ZHANG Yongtang,SUN ZHiqiang(Tangshan Iron and Steel Company of Hebei Iron and Steel Group,Tangshan 063000,China)7.5224.44表2实验用碳质材料成分全水灰分挥发分全硫固定碳w(O)W(N)w(H)6.911.98根据所提供钢渣的成分进行调整，利用CaO、SiO2、A l,0，三种分析纯试剂,在保证钢渣碱度不变的情况下将钢渣中的Fe0含量分别调整至10%、15%和20%。结合实际生产中配加碳质材料比例和碳质材料与所配制钢渣的C/O比确定本实验所加人的碳质材料的量，本实验所用钢渣量为10 0 g，配加碳质材料量为5g。1.2实验方法实验所用设备为高温立式管式炉，在空气气氛下质材料熔解对熔渣特性的影响进行了详细研究。1实验材料与方法1.1实实验材料试验所用钢渣和碳质材料由国内某电炉厂和某企业提供，CaO、Si O 2、A l,O，均为分析纯试剂，钢渣的成分如表1所示，碳质材料的成分如表2 所示。表1试验所用钢渣成分w(CaO)w(FeO)w(SiO,)w(Al,O,)w(MgO)w(MnO)w(Cr,O,)w(P,)35.9824.7616.077.685.180.36%1.140.922%82.201.881.042.56工業加熟.14.INDUSTRIALHEATING进行该实验，将原始钢渣研磨至2 0 0 目以下，然后根据目标成分进行称量，称量好的各个样品进行充分混匀后放人刚玉埚中，然后一并放入高温管式炉内进行加热，具体升温曲线如图1所示；待温度升至1450 后，向熔渣中加人称量好的碳质材料，反应结束后，随炉冷却试样,将取出的试样分为两份，一份用破碎机进行破碎成粉末状（2 0 0 目以下），一部分则进行镶样等待后续检测。1600F设定温度1.450，保温时间1h升温曲线1400升温速率2.9/min12001000800升温速率6:1/min600随炉冷却至室温40020000图1实验高温管式炉升温曲线1.3检测方法采用X射线荧光分析仪(XRF)对粉末状钢渣的成分进行检测；采用X射线衍射仪（XRD)对粉末状钢渣进行物相分析；采用扫描电子显微镜（SEM-EDS）对钢渣的微观结构和元素分别进行分析；利用高温黏度Samplew(FeO)10%Fe03.568415%Fe06.3520%Fe010.231 9(ne)/M2030图2 不同熔渣氧化性试样的XRD检测图谱图2 为三种熔渣的XRD检测图谱，从图2 中可以看出，三种熔渣中主要的物相包括2 CaOSiOz（C,S）、3CaOSiO,（C,S）、2 Ca O Fe,O,（C,F）、R O、镁铝尖晶石、方镁石以及f-CaO;并且随着钢渣中的FeO含量的降低,反应后的钢渣中的C,S和C,S所对应的峰值明显升高,说明C,S和C,S含量增加,而C,F和RO相对减少；这主要是因为加入的碳质材料与钢渣中的铁氧化物进行反应,从而减少了C,F和RO相,并将其中结合的CaO置换出来,因此C,S和C,S含量会随之增加。2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023熔点测试仪（型号为：BCT1700）对反应后钢渣的黏度进行检测。2实验结果与讨论2.1熔渣成分和物相分析表3为三种熔渣成分检测结果，从表3中可以看出,随着钢渣中的FeO含量的增加，加入碳质材料后，熔渣中的Fe0分别下降了6.4316%、8.6 5%和9.7681%；而熔渣碱度R=Ca0/Si02，则是有所升高，分别升高至2.0 9 1、2.310 和2.52 3。可以看出熔渣中的FeO含量明显下降，这主要是由于在高温下碳质材料的加入必然会与渣中的FeO进行反应,从而置换出其中的Fe单质，并且初始熔渣中的FeO含量越高,则124时间/hw(Cao)43.548740.699 939.981 220%Fc15%Fc010%FeO405020/(）686010表3三种熔渣XRF检测结果w(Sio,)w(Al,0,)20.823 719.751 917.618 4 19.987 315.844 123.192.2熔渣微观结构分析图3为10%钢渣的显微结构和能谱图，从图3中可以看出，钢渣表面有很多孔洞和黑色块状物质，孔洞的形成主要是碳质材料与钢渣反应后形成的CO/CO,气泡残留在熔渣之中导致的,而对A点处的黑色物质进行点扫描分析，其主要成分是C元素并且还有70少量的Ca、Fe、S等元素,因此该黑色物质主要是未完全反应的碳质材料；对基体B点处进行点扫描分析，其主要成分Fe、C a、A l、Si 等元素，说明基体主要是该四种元素的氧化物；并且钢渣表面主要有平整区域和凹凸区域组成，结合图3可以看出，平整区域主要为CaO、SiO 2,由上述XRD结果分析可知,平整区域的物相主要是C,S和C,S,凹凸区域主要是MgO和FeO,由上述XRD结果分析可知，该区域的物相主要是RO 相。图4为15%钢渣的显微结构和能谱图，从图4中可以看出，当钢渣中Fe0含量为15%时，钢渣与碳质材料的反应较充分，没有肉眼可见的碳质材料颗粒,并12碳质材料的反应越充分；熔渣碱度随着初始熔渣中的FeO含量的升高而升高,这是因为铁氧化物在钢渣中的存在主要是以2 CaOFe2O;（C,F）、R O（M g O/Fe O/MnO等组成的固溶体）相存在,因此当加人碳质材料后,其中的C元素与上述物相中的铁氧化物反应,从而只剩下CaO等物相,因此熔解后的钢渣中的CaO含量会增加从而导致碱度的增加。%w(MgO)w(MnO)6.440 412.825 165.7924.199 85.5494.894 6w(P,0,)0.490 10.700 10.738 5工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023元素%C9.10Fe23.31Ca16.79A111.21Si5.49EHT=20.00WVWD=7.0mm且基体仍是由平整区域和凹凸区域构成，两种区域相对比较明显，结合图4可以看出，平滑区域主要是CaO、Si O 2、Fe O,因此结合其相对应的XRD分析可知，15%Fe015INDUSTRIALHEATING10%Fe0元素%C89.32Fe0.40Ca1.46S0.15BSigralA-SElMag=243xPhoto No.=41图310%Fe0熔渣的电镜图谱和面扫结果镁铝尖晶石相。O-KSi-KDate:6Nov2021ZEISSTime:21:44:32Mg-KCa-KAS-KAP-KA该区域主要为C,S、C,S和C,F物相；凹凸区域主要是MgO、A l,O,以及少量的FeO,因此该区域主要的物相为A1-KFe-KAC-K40um元素%+C11.73BFe16.58元素%C18.93Fe10.16Ca0.15A127.33SiO-KCa13.90S4.80.12Mg-KSi-KCa-KAAI-KFe-KA20umH图5为2 0%钢渣的显微结构和能谱图，从图5中可以看出，钢渣表面也是由平整区域和凹凸区域组成，并且其中还出现了大块灰色物质；对该灰色物质A点处进行点扫描分析，该物质主要为C元素，伴有少量的Fe和S元素，说明该物质为未反应的碳质材料颗粒，由于反应在其表面形成了一层煤灰进而阻止了其进一步20%Fe0元素%C81.42Fe1.16S0.620umEHT=20.00WVWD=8.5mmEHT-20.00WVWD=8.0mmSigralA=SElMag=243XPhotoNo.=38图415%Fe0熔渣的电镜图谱和面扫结果C-KFe-KAA+SigralA=SElMag=625XPhotoNo.=38图52 0%Fe0熔渣的电镜图谱和面扫结果Date:6Nov2021Time:21:43:27B十元素%C10.29Fe13.57Ca15.89A121.00Si8.87Date:6Nov2021ZEISSTime:21:43:27ZEISS40umS-KAP-KA反应;结合图5可知,2 0%Fe0钢渣中的平整区域主要为CaO、Si O,和FeO氧化物，而凹凸区域主要为Al,O,、Fe O和MgO氧化物，结合15%FeO熔渣的XRD分析可知，该钢渣中平整区域也主要是C,S、C,S 和C,F相,而凹凸区域主要是镁铝尖晶石相和RO相。S-KAO-KSi-KP-KACa-KAC-KAI-KMg-K工業加熟.16.INDUSTRIALHEATING2.3熔渣黏度和发泡性能分析图6 为三种钢渣的黏度测试曲线，斜率为1的直线与黏度曲线相切的点即为对应钢渣的相转变点9-1,从图6 中可以看出，钢渣中含有10%Fe0时，对应的相转变点温度为140 0,黏度为0.337 45Pas；钢渣Fe0含量为15%时，对应相变点温度为132 0，黏度为0.50 17 9 Pas;钢渣Fe0含量为2 0%时，对应相变点温度为138 0，黏度为0.549 0 2 Pas；因此随着渣中FeO含量的增加,熔渣的相转变温度先降低后升高，同一温度下，含有15%Fe0的钢渣黏度最低，相应的熔渣的流动性也最好；结合图2 和表3可知，当钢渣Fe0为10%时,钢渣中的CaO含量较高因此导致熔渣黏度的较大，而钢渣Fe0为2 0%时，钢渣的碱度增加,且Fe0含量也较高为10.2 3%，因此其熔渣黏度也较高。综合而言，钢渣中Fe0含量为15%，钢渣碱度为2.310 时，钢渣的黏度最优。因此在正常的冶炼过程中应适当地控制熔渣中的FeO含量以及碱度,从而更好地控制熔渣的黏度，利于冶炼的顺利进行并确原始样品10%Fe0高度/mm1315%Fe0高度/mm13.520%Fe0高度/mm133结论(1)随着熔渣中FeO含量的增加,加人碳质材料后，熔渣中的Fe0减少量逐渐增加，熔渣碱度由2.0 9 1逐渐增加至 2.532;(2)熔渣中的物相C2S和C3S含量随着氧化性的增强而逐渐增加,剩余的 FeO 仍以 C,F 和 RO 相存在于钢渣中；(3)电炉钢渣主要由平整区域和凹凸区域组成，平整区域主要是C,S、C,S和C,F相,凹凸区域主要是镁铝尖晶石相和RO相；(4)Fe0含量为15%时的熔渣黏度和发泡效果最好,其相转变点温度最低2 为132 0，对应的黏度为0.50179Pas,对应的碱度为2.310,发泡高度较之前增长2.8 9 倍;Fe0含量过高或者过低都会使熔渣的黏度增大，不利于冶炼生产。参考文献1 MAYYAS M,NEKOUEI R K,SAHAJWALLA V.Valoriza-tion of Lignin Biomass as a Carbon Feedstock in Steel Indus-try:Iron Oxide Reduction,Steel Carburizing and Slag FoamingJ.Journal of Cleaner Production,2019,219(MAY 10):2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023保较好的冶炼效果。20001800:160014001200100800(1320,501.79)6004002000125013001350140014501500温度/图6 三种氧化性钢渣的黏度测试曲线表4为三种Fe0含量所对应熔渣不同时间的发泡高度，从中可以看出，当熔渣Fe0含量为15%时，熔渣的发泡效果最好，其发泡高度最高39 mm，相比原始熔渣高度增长2.8 9 倍,并且在反应时间9 min时,发泡仍在发生；而Fe0含量为10%和2 0%时，熔渣最大发泡高度分别为33mm和30.5mm，与原始熔渣相比，分别增长2.54和2.35倍。表4不同氧化性炉渣的发泡高度1 min3min203331.5391830.52张玉柱，雷云波，李俊国，等钢渣矿相组成及其显微形貌分析J.冶金分析，2 0 11,31(9):11-17.3黄毅，徐国平，程慧高，等典型钢渣的化学成分、显微形貌及物相分析J硅酸盐通报，2 0 14，33（8）：6.4 LUANF,LI X,JIE S,et al.Reduction of Nitrobenzene BySteel Convert Slag with Fe(II)System:The Role of Calcium inSteel SlagJ.Journal of Hazardous Materials,2012,217-218(May 30):416-421.5 JK A,GAA B.Valorization of Electric Arc Furnace SlagViaCarbothermic Reduction Followed by Acid Baking-waterLeaching J.Resources,Conservation and Recycling,2021,173(1):105 710.6杨志杰，苍大强，郭文波，等碱度对转炉钢渣熔融还原提铁的影响J冶金能源，2 0 11，30（4）：6.7彭犇热态钢渣改性及改性渣物理化学性质研究D.北京：北京科技大学，2 0 16.8甄云璞，宗燕兵，苍大强，等熔融态下掺人粉煤灰对钢渣性质的影响研究J钢铁，2 0 0 9，44（12）：4.9 LUO Z,WANG Y,YANG G,et al.Effect of Curing Tempera-ture on Carbonation Behavior of Steel Slag CompactsJ.Con-struction and Building Materials,2021,291(1):123 369.10 CHEN Z,LI R,ZHENG X,et al.Carbon Sequestration of10%Fe0+15%Fe020%Fe0(1380,549.02)+i+1400,337.45)5min7 min2516.533312718971-980.9min1317.513.5工業加熟2023年第52 卷第6 期Vol.52No.62023Steel Slag and Carbonation for Activating RO Phase J.Ce-ment and Concrete Research,2021,139(1):106 271.11黄柱成，金芸芸，易凌云，等生物质热解特性及其还原铁精矿研究J烧结球团，2 0 2 1，46（3）：7.12吴启帆,包燕平,林路，等.不同工艺钢渣物相组成及其.17INDUSTRIALHEATING显微形貌研究J.工业安全与环保，2 0 1541（8）：8 6-8 9.13刘慎坦，薛鸿普，仇登菲,等基于活性炭再生技术的研究进展及前景展望J烧结球团，2 0 2 1，46（1）：7.14李贺，刘超，王辉,等生物质复合烧结燃料制备机理分析J.烧结球团，2 0 2 0，45（2）：5.(上接第12 页)5杨艳华.重力式毛细管黏度仪恒温水浴温度控制系统研究4结 论通过对整流栅的不同结构参数进行数值模拟分析及试验检验,研究其对恒温槽工作性能的影响,可以得出以下结论：（1)其他设置条件相同的条件下，整流栅结构对恒温槽的温度均匀性有明显的提升作用,验证了安装整流栅结构对于恒温槽的重要性。(2)在相同的设置条件下，所设置条件中,离底空隙为30 mm，上半区孔间距为35mm，下半区孔间距为35mm的带空隙分层整流栅为最优整流栅结构。（3）通过恒温槽工作区性能试验检验可知：安装有所得最优整流栅结构的恒温槽，设置温度分别为37 的情况下,对应工作区域上下水平面的最大温差为0.0 0 7与0.0 0 6,恒温槽工作区最大温差小于0.0 1,其温度均匀性能良好,达到了设计要求,满足使用恒温槽的相关试验要求。参考文献1徐文祥,秦凯胜.多室多温数控恒温水浴锅的研制与开发J.山西师范大学学报：自然科学版,2 0 11,2 5（3）：8 385.2吴江涛.高精度流体热物性测试实验系统的研制及二甲醚热物理性质的研究D.西安：西安交通大学,2 0 0 3.3冯晓娟，许心皓，方锦，等.高精度流体热物性实验系统及测试J.工程热物理学报,2 0 0 9，30（4）：56 5-56 8.4吴勤，李振杰.恒温槽温度均匀性测量不确定度分析J.计量与测试技术,2 0 12,39(6):6 2-6 3,6 5.D.长沙：湖南师范大学,2 0 10.6湖南大学.高精度智能恒温水溶装置：中国，2 0 18 2 0 0 53331.1P.2009-08 26.7辽宁省计量科学研究院.单侧断层溢流式恒温水浴：中国，201510266244.9P.2017-09-26.8王凯,虞军.搅拌设备M.北京：化学工业出版社,2 0 0 3.9卢傅安,孙玉莹,李云,等.预旋整流栅对9 0 弯管流动均匀性及离心压缩机性能影响的试验研究J.风机技术，2017,59(1):65-70.10贾林权,赵小明,刘志刚.大容量高精度高温恒温槽的研制C/2011年中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议.武汉：出版者不详,2 0 11：1-8.11甄瑞英,尹建国,赵贯甲,等.大容量液体恒温槽温度场和流场的数值模拟J.河南科技大学学报：自然科学版，2015,36(5):36-41,6.12范春艳.轴流式搅拌桨设计方法初探J.科技资讯,2 0 10(25):84.13梁久立，宣益民，连文磊.发动机整流支板及帽罩积冰的数值模拟J.工程热物理学报,2 0 2 0,41（8）：19 9 1-19 9 6.14 PETROV A,ISAEV N,KULESHOVA M.Test Bench FlowStraightener Design Investigation and Optimization with Com-putational Fluid Dynamics Methods J.IOP Conference Se-ries:Materials Science and Engineering，2 0 19,49 2(1):012036.15王福军.计算流体动力学分析M.北京：清华大学出版社,2 0 0 4.16】全国温度计量技术委员会.JJG10302010，恒温槽技术性能测试规范S.北京：国家质检出版社,2 0 11.