高炉渣合理碱度和镁铝比的理论研究.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A I ．I ．U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 高炉渣合理碱度和镁铝比的理论研究① 杨润德，侯晓川，李贺长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要采用高炉实际生产工艺数据，应用热力学计算的方法，以C a O - S i O 一A 1 0 ，- M g O - F e O 五元系终渣为研究对象，探讨了碱度 C a O ／S i O 和镁铝比 M g O ／A 1 O ，对炉渣性质的影响规律，应用F a c t S a g e 热力学软件理论，解析了碱度和镁铝比对炉渣液相线温度和粘度的影响规律，得出了高炉渣中最佳的碱度和镁铝比，为高炉操作提供技术指导和理论依据。关键词高炉渣；碱度；镁铝比；液相线；粘度中图分类号T F 5 1 2文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．1 1 0 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 0 4 0 2 一0 4 高炉渣主要由各种金属氧化物组成o ，此外还有少量硫化物、氟化物等。所有这些组分基本上可分为 “碱性的”和“酸性的”两大类。碱性氧化物，如K O 、 N a ，O 、B a O 、C a O 、M n O 、F e O 、Z n O 、M g O 等，易于在炉渣中离解，离解为金属离子及含氧负离子，即K 、N a 、 B a 2 、C a 2 、M n “、F e 2 、Z n 2 和M 9 2 以及0 2 。。酸性的组分则吸收氧离子，组成复合阴离子团，如S i O 、A 1 O ，和P 0 ，吸附0 } ，形成S i O 。4 ‘、A 1 0 33 - 及P O 。卜。表征炉渣特性的参数之一是炉渣碱度，即渣中碱性物与酸陛物的量之比。碱度的具体表达形式很多，可以用摩尔浓度或质量分数来表示，并且有的按不同组分酸碱性的强弱需附加以不同的系数。本文研究计算中的炉渣碱度选择二元碱度，即 R 芸渣的碱度在一定程度上决定了其熔化温度、粘度及粘度随温度变化的特征，脱硫能力及各种组分的活度。因此，碱度是代表炉渣成分性质的一个非常重要的参数，具有很强的实用性。此外，影响炉渣粘度和液相线温度的因素很多∽j ，其中两个重要因素是炉渣温度和成分，当炉温相对稳定时，炉渣成分成为主要影响因素。渣中的 A l ，O ，和M g O 对炉渣粘度影响很大，本文通过相关研究，得出了随着炉渣中A l O ，含量的升高炉渣粘度显著升高，随着A 1 O ，含量的升高，液相线温度呈现先降低后升高的趋势；同时，M g O 对炉渣粘度和液相线温度的影响相对复杂，A 1 0 ，含量的不同而表现出不同的影响规律。因此，为了综合分析A 1 0 ，和M g O 对炉渣粘度和液相线温度的影响规律，有必要将二者结合，选取镁铝比作为新的研究因数，分析、研究在不同 M g O ／A 1 0 ，的成分组成对炉渣粘度和液相线温度的影响规律，得出高炉渣最适宜的A 1 0 ，和M g O 含量，以优化高炉渣的理化性能。 1 实验 1 ．1 原料根据某钢厂高炉的实际生产数据，高炉人炉原料为烧结矿、球团矿和块矿，其中球团矿包括P U K 球团矿、P S C - 1 球团矿、P S C - 2 球团矿、C V R D 球团矿4 种，块矿包括S I S H E N 块矿、R o b e 块矿两种，所选用各种矿原料成分组成如表1 所示。表1 矿石组成成分质量分数／％ ①收稿日期2 0 1 4 0 6 2 8 基金项目湖南省自然科学基金资助项目 1 4 J J 4 0 6 5 ；长沙矿冶研究院基金资助项目 A 2 0 1 2 1 0 2 ；国际海域资源调查与开发“十二五”资助项目 D Y l 2 5 1 l T 一0 2 作者简介杨润德 1 9 8 9 - ，男，甘肃张掖人，硕士研究生，主要从事冶金分离科学与工程研究。万方数据 2 0 1 4 年0 8 月杨润德等高炉渣合理碱度和镁铝比的理论研究考虑高炉实际炉料使用情况，将原料按照一种烧结矿、一种球团矿、一种块矿的形式进行配料组合，共得到8 种不同矿石组合，依次记为A 。、A 、B 。、B 、C ，、 c 、D ，、D ，各组组成如表2 所示。然后根据入炉原料实际配比，采取烧结矿6 5 ．9 7 ％、球团矿1 8 ．0 5 ％、块矿 1 5 ．9 8 ％的配比，通过各矿石的成分计算得到混合矿原料中各元素的比例，结果如表3 所示。表2 原料配料组合编号组成编号组成 A l烧结矿 P U A S I S H E NA 2烧结矿 P U A R o b e B 烧结矿 P S C l S I S H E N B 2 烧结矿 P S C - 1 R o b e c l烧结矿 P S C - 2 S 1 S H E Nc 2烧结矿 P S C 一2 R o b e D l烧结矿 C V R D S I S H E ND 2烧结矿 C V R D R o b e 表3 混合矿成分质量分数／％ 1 ．2 试验方法首先，根据高炉实际生产物料配比进行物料平衡计算，得出高炉渣的成分及含量。在此基础上，选取对炉渣液相线温度和粘度具有较大影响的C a O 、S i O 、 A 1 O ，、M g O 、F e O 组成五元渣系，以碱度 C a O ／S i 0 2 和镁铝比 M g O ／A I O ，为研究对象，通过成分调节，得到多组不同C a O ／S i 0 2 和M g O ／A 1 2 0 3 的炉渣组成，然后利用F a c t S a g e 软件∞1 计算多组不同成分含量的炉渣的液相线温度和粘度，进而分析得出液相线温度和粘度随C a O ／S i O 和M g O ／A l 0 3 变化规律。 2 结果及讨论 2 ．1 物料平衡计算炉渣主要成分为C a O 、S i 0 2 、A 1 2 0 3 、M g o 、F e O 、M n O 等组分，该类组分主要来源于入炉混合矿、焦炭、煤粉和熔剂，在生产过程中，这些成分的流失主要集中在炉尘、炉渣以及元素相互反应消耗等。因此，通过物料平衡计算，可以得出炉渣成分含量，结果如表4 所示。表4 渣量及成分计算结果质量分数／％ 1 单位为k g ／t 。在计算得出不同混合矿使用条件下的终渣成分后，通过调整碱度，得到碱度分别为R 1 ．0 和R 1 ．1 的终渣成分含量，而后选取C a O 、S i O 、A 1 0 ，、M g O 、 F e O 五种组分组成五元渣系，同时将不同碱度下的成分总和折算为1 0 0 ％。以使用混合矿A 。烧结矿 P U A S I S H E N 为例，所得分离出的五元渣系成分及含量如表5 所示。表5 五元渣系成分 2 ．2C a O ／S i O ，对液相线温度和粘度的影响规律解析计算过程中，碱度的调整主要采用原料配比为烧结矿6 5 ．9 7 ％、球团矿1 8 ．0 5 ％、块矿1 5 ．9 8 ％的终渣，固定M 静、A l O ，的成分，调整C a O 和S i O 的含量，使得 C a O ／S i O 比值变化范围为1 ．o ～1 ．2 5 ，具体计算公式如下 ∞’s ．o ， 1 0 0 一甜M 柏一g ．D A l ，o ，／ 1 尺万方数据矿冶工程第3 4 卷 ∞’c a o 2 0 3 ’ i 0 2 ‘R 式中∞’。。o 为调整后的C a O 含量，％；t o ’或o ，为调整后的 S i 0 2 含量，％；∞M ∞为调整前固定的M g o 含量，％； O 口A 1 2 0 3 为调整前固定的A 1 0 ，含量，％；R 为固定的碱度，取值为1 ．0 1 ．2 5 。通过调整计算得出多组不同碱度下的成分组成，然后应用F a c t S a g e 热力学软件分别计算出A ，一D 组液相线温度及12 0 0 ～15 2 0 ℃温度下的粘度数据，采用O r i g i n P r o8 软件作出液相线温度变化趋势图如图1 所示。所得粘度变化趋势图从总体来看，各组所得趋势相似，因此本文只列出其中具有代表性的B 。、C 、D ，组趋势图，如图2 所示。 C a O ／S i O C a O ／S i O ；图lA ．～D 组五元渣系液相线温度随C a O ／S i O 变化图 C a O ／S i 0 2 图2B ．、C 、D I 组五元渣系粘度随C a O ／S i O 变化图由图1 可以得出，二元碱度对终渣液相线温度的影响很大，随着碱度增大，液相线温度显著升高，碱度每升高0 ．0 5 ，液相线温度升高约3 0 ℃。由图2 可以得出，同一温度下，随着C a O ／S i O 的增加，炉渣粘度逐渐降低。温度越高，粘度随着C a O ／S i O 的增加而降低的幅度越小，如碱度从1 增大至1 ．2 5 时，在12 0 0 ℃时，粘度降低了0 ．7 5P a s ，而在l5 2 0 ℃时，粘度降低了 0 ．0 8P a s 。这是由于当C a O ／S i 0 2 增大时H J ，等效于升高了C a O 的含量，也便更多的提供了可利用的自由 0 2 。与硅酸盐和铝酸盐中的桥氧 0 0 反应，从而减少了炉渣中复杂的S i O 结构和A l O 结构。随着硅酸盐结构和铝酸盐结构的解聚，粘度随之降低。 2 ．3 M g O ／A I O ，对液相线温度和粘度的影响规律解析计算过程中，M g O ／A 1 0 ，调整，采取原料配比为烧结矿6 5 ．9 7 ％、球团矿1 8 ．0 5 ％、块矿1 5 ．9 8 ％的终渣，在碱度为1 ．0 和1 ．1 的基础上，固定C a O 、S i O 的成分，调整M g O 和A 1 0 ，的含量，使M g O ／A 1 0 ，在原始比例的基础上，各加减2 个0 ．0 5 比值单位，从而得到5 组数据，具体调整计算公式为 0 3 ’A I ，o ， 1 0 0 一∞c 。o 一∞s i o ，／ 1 K 棚’M g O2 ∞m 2 0 3 ‘K 式中O M 。g O 为调整后的M g O 含量，％；o J ’A l 舢为调整后的 A 1 2 0 3 含量，％；∞c 。o 为调整前固定的C a O 含量，％； S i 0 2 为调整前固定的S i 0 2 含量，％；K 为M g O ／A 1 2 0 3 设定值，取值由原比例加减2 个0 ．0 5 比值单位。 2 ．3 ．1 M g O ／t d ，0 ，对液相线温度的影响规律理论解析根据计算得到的A ，～D 组矿石组合下五元渣系随M g O ／A 1 0 ，变化的液相线温度数据，作图如图3 ～4 所示。通过分析A ，、A 组五元渣系的成分组成，得出在低A 1 2 0 3 含量下 A 1 2 0 3 1 5 ％ M g O ／A 1 2 0 3 变化对炉渣液相线温度的影响规律如图3 所示。从图3 可以看出，在低A 1 0 3 含量下，随着M g O ／A 1 2 0 3 增加，液相线 x l g o ／A b 0 3 图3A ．、A 2 组五元渣系液相线温度随M g O ／A I O ，含量变化图、[ g O ／A L O 、图4B ．～D 组五元渣系液相线温度随M g O ／A I O ，含量变化图万方数据 2 0 1 4 年0 8 月杨润德等高炉渣合理碱度和镁铝比的理论研究温度先减小后增大，～I g O ／A ] 0 ，对液相线温度的影响存在一个拐点，拐点处液相线温度最低，所对应的炉渣也最为理想。因此，在低A 1 2 0 3 含量下 A 1 2 0 ， 1 5 ％ M g O ／A 1 2 0 3 变化对炉渣液相线温度的影响规律如图4 所示。从图4 可以看出，在高A I 0 ，含量下，随着M g o ／灿0 ，的不断增大，炉渣液相线温度几乎呈线性趋势降低。这表明在高舢0 3 1 5 ～2 1 ％含量下，升高M s O ／A ] 2 0 3 有利于降低炉渣的液相线温度。此外，从图3 和图4 同样可以看出，无论在高 A 1 0 ，含量下，还是在低灿O ，情况下，碱度升高，均会使得炉渣的液相线温度升高，这与之前研究结论一致。 2 ．3 ．2 M g O ／A I 0 ，对粘度的影响规律理论解析计算得到A 。组矿石组合下五元渣系随M s O ／A ] 0 ，变化的炉渣粘度数据，分析作图得到图5 所示趋势。由图5 可知，在同样的温度下，随着M g O ／A ] 0 ，的增加，粘度逐渐降低；温度越高，粘度随着M g O ／A ] 0 ，的增加而降低的幅度越小。如r , t s , o ／灿0 ，从0 ．4 3 增大至0 ．6 3 时，土 3 ． 2 ．童邑2 ’ 交1 舞1 ． 0 ． 0 ． M g , O ／S i 0 2M g r S i O , 图5A 。组五元渣系粘度随M g O ／A I 0 3 含量变化图在12 0 0 。C 时，粘度降低了0 ．5 2P a s ；在15 2 0 ℃时，粘度降低了0 ．0 4P a s 。A ～D 2 组粘度随M g O ／A 1 2 0 ，变化的趋势与A ，组相似，其原因与C a O ／S i O 对渣粘度的影响规律相似。 3 结论 1 随着C a O ／S i O 的升高，液相线不断升高， C a O ／S i O 每升高0 ．0 5 比值单位，对应的液相线温度会升高3 0 ℃左右。 2 当炉渣A 1 2 0 3 1 6 ％时，随着M g o ／m 2 0 3 逐渐升高，炉渣液相线逐渐降低。因此，提高M g o 的含量可使炉渣液相线降低。 4 随着C a O ／S i O 、M g O ／A ] 2 0 3 的逐渐增大，炉渣粘度不断降低，这种降低趋势在低温下比较显著，高温下变化不大。参考文献 [ 1 ] 成兰伯．高炉炼铁工艺及计算[ M ] ．北京冶金工艺出版社，1 9 9 7 ． [ 2 ]杨金福．高炉渣合适镁铝比的试验研究与分析[ J ] ．南方金属， 2 0 1 2 5 2 卜2 4 ． [ 3 ]曹战民，宋晓艳，乔芝郁．热力学模拟计算软件‰t s a g e 及其应用 [ J ] ．稀有金属，2 0 0 8 ，3 2 2 2 1 6 - 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