【摘要】转炉渣中添加CaF₂助熔剂降低其熔化温度可用于铁水预处理。实验确定合适的CaF₂添加量为15%～20%。在此基础上,应用转炉渣对铁水进行脱硅、脱磷预处理实验。结果表明,采用转炉渣(80%)-CaF₂(20%)的转炉渣剂对铁水脱硅、脱磷预处理,相应的脱硅、脱磷率可分别达到70%和78%左右。在1350℃～1450℃的温度范围内,温度的升降明显影响铁水脱硅、脱磷率。

　 【关键词】转炉渣　 铁水脱硅　 铁水脱磷

1 前言

　 转炉渣是转炉炼钢的主要排放废弃物,由于它的排出量多(约占钢产量的10% ) , 而目前的利用率又低，己成为钢厂环保难题。转炉渣具有较高的碱度和氧化性,它符合铁水脱硅、脱磷的热力学条件。但由于转炉渣熔化温度高,难以适应铁水预处理的温度要求,因此需添加CaF₂等助熔剂以降低其熔化温度。此外,转炉渣中含有不等含量的P₂O₅,必须考虑铁水预处理时转炉渣中磷的热力学行为和渣的二次再脱磷能力。利用转炉渣进行铁水预处理的初步实验表明,其技术是可行的。本文应用马钢转炉渣配制用于铁水预处理的脱硅、脱磷剂实验测定转炉渣剂优化组成及相应铁水脱硅、脱磷效果。

2 实验方法

　 实验采用马钢的转炉渣,转炉渣的组成如表1所示(本文的组成含量均为质量百分数)。

表1　　 马钢转炉渣的组成

　

　 利用表1的马钢转炉渣配制铁水脱硅剂和脱磷剂,脱硅剂和脱磷剂的基本组成为:转炉渣-Ca0-Fe₂0₃-CaF₂,其中CaO,Fe₂O₃,CaF₂均采用化学试剂。

　 实验用生铁来自马钢高炉.其组成为(质量分数，%):

　 C 4.50～4.60，Si 0.20～0.60， Mn 0.17～0.19，P 0.10～0.12，S 0.02～0.03，其余为Fe。

　 上述生铁经过脱硅处理并使其[Si]含量≤0.15%时,再用于铁水脱磷。

　 采用CaF₂作为转炉渣助熔剂。CaF₂对转炉渣熔化温度影响的测定是在GXA型熔点仪上进行,用半球点法测定渣剂熔化温度。试样按预定组成配制,每个组成的试样测两次,取其平均值为该试样熔化温度。

　 铁水脱硅、脱磷实验在硅化钼炉内进行。实验时,将硅化铝炉升温至预定温度,再将装有生铁料的坩埚置于硅化钼炉中,当坩埚内金属料熔清后,将转炉渣剂加入坩埚中,待其熔化后,每隔5min用纯铁棒加以搅拌,到达预定时间后用石英管吸取金属样供化学分析用。其余主要实验条件见表2。

表2　　 铁水脱硅、脱磷主要实验条件

	坩埚材质	处理时间/min	实验温度/℃	熔剂：铁水/g·g-1
铁水脱硅	Al2O3	15	1350-1450	8:100
铁水脱磷	MgO	15	1350-1540	10:100

　

　 实验内容包括:

　 (1)CaF₂对转炉渣剂熔化温度的影响。

　 (2)转炉渣剂对铁水预脱硅处理。

　 (3)转炉渣剂对铁水预脱磷处理。

3 实验结果与讨论

3.1 添加CaF₂对转炉渣熔化温度的影响

　 为了模拟转炉渣的各种组成,采用化学试剂人工配制Ca0-Si0₂-Fe₂0₃-Mg0(10%)-MnO₂ (2%)-A1₂0₃(3%)-P₂0₅(2%)系熔剂,控制熔剂碱度R=(%Ca0)/(%SiO₂)为3.0～3.5,熔剂中W(Fe₂0₃)在10%～30%范围内。在上述组成范围内,测定CaF₂助熔剂对其熔化温度的影响,其结果示于图1,各试样对应的组成见表3。

　

　

　

表3　　 模拟转炉渣的组成*

渣剂种类	W(CaF2) /%	R	W(Fe2O3)/%	W(MgO)/%
S1	15	3.0	10-30	10
S2	15	3.5	10-30	10
S3	10	3.0	10-30	10
S4	10	3.5	10-30	10

　

　 *其余组成:Mn0₂(2%)，A1₂0₃(3%)，P₂O₅(2%)

　 从图1可看出:以1170℃为界,S1, S2熔化温度曲线位于1170℃水平分界线之下,而 S3,S4曲线则在分界线之上。

　 根据铁水预处理温度为1350℃～1400℃ ,熔渣过热度控制在150℃～180℃,则降低转炉渣熔化温度达到≤1170℃时.可使其适应铁水预处理温度要求。

　 结合表3可知,S1,S2和S3,S4曲线分布于1170℃线的上下位置是由于CaF₂添加量不同引起的。当CaF₂添加量达到15%时,可使上述组成的转炉渣熔化温度≤1170℃。由于表1中马钢转炉渣碱度R=4.3,W(Mg0)=12.27%,均大于模拟转炉渣,因此铁水脱硅、脱磷实验时,马钢转炉渣中CaF₂添加量应适当增加,选择在15%～20%。

3.2 转炉渣剂对铁水预脱硅处理

3.2.1 脱硅剂中转炉渣配比对铁水脱硅的影响

　 采用的脱硅剂基料组成为:Ca0(42%)-Fe₂0₃(30%)-CaF₂(28%),通过改变加入基料中的转炉渣配比,测定渣剂中转炉渣配比变化对铁水脱硅的影响,实验结果示于表4和图2中,表4中同时列出相应的转炉渣脱硅剂组成。

　

　

　

表4　　 渣剂中转炉渣配比对铁水脱硅的影响

试样号	转炉渣/%	CaO/%	Fe2O3/%	CaF2/%	[Si]i/%	[Si]f/%	ηsi/%
1	0	42.0	30.0	28.0	0.280	0.077	72.5
2	16.0	33.6	24.0	26.4	0.212	0.062	70.7
3	24.0	29.4	21.0	25.6	0.178	0.047	73.6
4	32.0	25.2	18.0	24.8	0.270	0.082	69.6
5	40.0	21.0	15.0	24.0	0.197	0.052	73.6
6	48.0	16.8	12.0	23.2	0.260	0.091	65.0
7	56.0	12.6	9.0	22.4	0.241	0.062	74.3
8	64.0	8.4	6.0	21.6	0.251	0.075	70.1
9	80.0	0	0	20.0	0.270	0.082	69.6

　

　 图2表明,Ca0基合成基料中加入转炉渣对铁水脱硅率影响不大。当脱硅剂中转炉渣配比从0增加到80%时,其相应脱硅率波动于(70±5)%的范围内。

　 由铁水脱硅反应的热力学分析可知,在碱性渣状态下,影响脱硅效果的主要因素是熔渣氧化性,而渣的氧化性可由渣中∑(% Fe0)来表示。对于上述组成的Ca0基合成基料和马钢转炉渣,按全铁法计算,其∑(% Fe0)值分别为27.0%和27.41%,这表明两类渣料的脱硅能力大致相近。

　 脱硅剂中转炉渣合适配比的确定既要考虑其脱硅能力,又必须考虑转炉渣配比的增加对降低脱硅剂成本和提高转炉渣资源再利用率的有利影响。据此,确定脱硅剂的优化组成为:转炉渣(80%)-CaF₂(20%),其相应脱硅率可达到70%左右。

　 根据铁水脱磷对铁水硅含量的限制值要求为≤0.15%,结合上述组成的转炉渣剂的脱硅率为70%,经热力学计算可知,当铁水脱硅前[Si]_i≤0.50%时,经脱硅后可满足后步铁水脱磷对硅含量的要求;而对于[Si]_i> 0.50%的铁水,如果采用转炉渣脱硅剂则必须经过一次脱硅处理才能满足要求。

3.2.2 温度对铁水脱硅的影响

　 温度对铁水脱硅的影响关系如图3所示。采用的脱硅剂组成为:转炉渣(80%)–CaF₂(20%),在1350℃～1450℃温度范围内,当温度由1450℃降低到1350℃时,相应脱硅率由58%升高到74%左右,这表明温度变化对铁水脱硅有较大影响。将实验数据进行回归处理得到温度对η_si的影响关系式为:

　 η_si/%=276.44-0.15t/℃(r=0.9896)　　 (1)

　

　

3.3 转炉渣剂对铁水预脱磷处理

3.3.1 脱磷剂中转炉渣配比对铁水脱磷影响

　 铁水脱磷时采用的转炉渣剂组成与上述铁水脱硅渣剂相同，渣剂中转炉渣配比对铁水脱磷影响的实验结果示于图4和表5。　　

　

　

表5　　 渣剂中转炉渣配比对铁水脱磷影响的实验结果

试样号	转炉渣/%	CaO/%	Fe2O3/%	CaF2/%	[Pi]i/%	[P]f/%	ηP/%
1	0	42.0	30.0	28.0	0.147	0.058	60.5
2	16.0	33.6	24.0	26.4	0.057	0.019	66.6
3	24.0	29.4	21.0	25.6	0.075	0.022	70.6
4	32.0	25.2	18.0	24.8	0.099	0.032	67.6
5	40.0	21.0	15.0	24.0	0.084	0.021	75.0
6	48.0	16.8	12.0	23.2	0.106	0.033	68.8
7	56.0	12.6	9.0	22.4	0.096	0.030	68.7
8	64.0	8.4	6.0	21.6	0.103	0.028	72.8
9	80.0	0	0	20.0	0.131	0.029	77.8

　

　 图4表明,随着渣剂中转炉渣配比的增大,相应铁水脱磷率呈平缓上升趋势;当转炉渣配比由16%升高到80%时,η_P值由67%缓慢增大到78%;对于转炉渣80%和CaF₂20%配制的转炉渣剂,其相应铁水脱磷率可达到78%左右。

　 文献采用转炉渣(80%)-CaF₂(20%)进行铁水脱磷处理其转炉渣碱度R= 4.38 ,W(Fe0)=25.89%、W(P₂0₅)=2%，在1350℃下得到η_P为80%，这和本实验结果很接近。

　 比较上述图4和图2的实验结果发现,采用相同的转炉渣剂组成分别对铁水进行脱硅、脱磷处理时,其相应的铁水脱硅、脱磷结果有所不同。这是由于本实验条件下,脱硅主要受渣剂中氧化性大小控制;而对于脱磷,渣剂中氧化性和碱度均为铁水脱磷的主要影响因素。结合表5分析可知,铁水脱磷时随着渣剂中转炉渣配比的增大,渣剂中合成基料的Ca0, Fe₂O₃的加入比例相应降低。转炉渣配比增大对η_P的正面影响和Ca0, Fe₂0₃含量降低对η_P的负面影响相互作用,当对η_P的正面影响作用大少负面影响时,综合表现为η_P升高。由于对η_P负面影响的存在使得η_P值升高幅度大大减缓,这和图4的实验结果是相符的。

　 综上所述,确定对铁水脱硅、脱磷的渣剂优化组成为:转炉渣(80%)-CaF₂(20%) ,其相应的铁水脱硅率、脱磷率可分别达到70%和78%左右。该优化组成渣剂的特点,一是转炉渣配比高,二是在不用另外配加石灰和氧化铁皮的条件下仍具有较高脱硅、脱磷能力。这对于提高转炉渣在铁水预处理中的工业应用价值具有重要意义。

3.3.2 温度对铁水脱磷的影响

　 温度对铁水脱磷的影响关系示于图5。　

　

　

　 采用的脱磷剂组成为:转炉渣(85%)-CaF₂(15%)。当处理温度从1450℃降低到1350℃时, η_P从62%升高到80%左右。说明温度的升降对铁水脱磷率有很大影响,温度对脱磷率η_P的影响关系式为:

　 η_P/%=326.80-0.18t/℃(r=0.9964)　 (2)

4 结论

　 (1)转炉渣用于铁水预处理时,可在转炉渣中添加CaF₂助熔剂以降低其熔化温度,实验确定合适的CaF₂添加量为处理剂总量的15%～20%。

　 (2)采用转炉渣(80%)-CaF₂(20%)的转炉渣剂对铁水脱硅、脱磷预处理时,相应的脱硅率、脱磷率可分别达到70%和78%左右。

　 (3)铁水脱硅、脱磷在1350℃～1450℃范围内进行,温度的升降明显影响铁水脱硅、脱磷率,其影响关系式分别为:

　 η_si/%=276.44-0.15t/℃

　 η_P/%=326.80-0.18t/℃