转炉渣中MgO的饱和溶解度分析与研究

吴 政， 兰 天

(宝钢股份，湛江钢铁炼钢厂，广东湛江 524000)



转炉渣中MgO的饱和溶解度分析与研究

吴 政， 兰 天

(宝钢股份，湛江钢铁炼钢厂，广东湛江 524000)

本文分析转炉镁碳砖熔损机理可知影响镁碳砖熔损主要因素之一为炉渣与方镁石之间的固溶反应；通过分析影响转炉渣中MgO的饱和溶解度因素，分析表明：钢水温度、炉渣碱度和渣中FeO为其主要影响因素，炉渣中MgO的饱和溶解度随温度增加而增加，MgO的饱和溶解度随碱度增加而增加；在酸性渣中，MgO的溶解度随着FeO含量的增加而降低，并且碱度越小，MgO的溶解度受渣中FeO的影响越大；在高碱度渣中，FeO含量对MgO溶解度几乎没有什么影响。根据分析湛钢现场数据与理论研究可知，为了提高转炉炉衬的使用寿命，转炉渣中MgO含量需要达到8%～12%之间，转炉冶炼前期渣中FeO尽量控制高些，炉渣碱度控制在3～4之间，钢水温度在满足冶炼钢种要求下尽可能低。

MgO； 转炉炉渣； 饱和溶解度； 熔损机理

1 引言

要提高转炉炉龄关键是提高渣中MgO含量到饱和或稍过饱和，渣中MgO饱和值成为各企业比较关心的问题。在炉渣涂覆技术中，炉渣中的MgO是一个很重要的因素，若炉渣中MgO含量达不到饱和状态，则炉渣将与镁碳砖中的MgO发生固溶反应，加快镁碳砖的损毁过程。特别在长寿命氧气转炉上采用低MgO炉渣是很危险的。

转炉终渣中的MgO饱和值的主要影响因素是T.Fe、碱度(CaO/SiO2)和温度。

2 镁碳砖损毁机理

2.1 镁碳砖中碳氧化侵蚀

镁碳砖中含有一定数量的碳，使得其与熔渣的润湿角较大，其润湿性比较差，这样阻碍着熔渣向砖体内的渗透，根据观察，镁碳砖残砖表面较光滑，附着一层0～5 mm的渣层。用肉眼是很难看到熔渣在镁碳砖表面的渗透出与脱碳层，只有在显微镜下才可观察到渗透层与脱碳层的存在[1,2]。

镁碳砖在工作过程中，工作表层的碳受到熔渣中FeO、Fe2O3等氧化物及O2、CO2等氧化性气体的氧化作用以及高温条件下镁碳砖内MgO的还原反应使得镁碳砖工作层形成脱碳层，其反应如下所示[3]。

FeO+C=CO+Fe

(1)

CO2+C=2CO

(2)

MgO+C=CO+Mg

(3)

在电子显微镜下观察镁碳砖残砖表面时，发现脱碳层有金属铁粒，这从侧面证明碳被FeO氧化。镁碳砖砖体的工作表面由于碳的氧化，使得砖体组织结构松动不完整，形成小气孔，砖体在炉渣的冲刷下而侵蚀。

2.2 镁碳砖与炉渣的化学反应侵蚀

当镁碳砖与碱度低、T.Fe含量低的炉渣接触时，炉渣中的钙、硅、铁等元素会侵入到镁碳砖表层，与镁碳砖中方镁石反应生成CMS(CaO·MgO·SiO2)和C3MS2(3CaO·MgO·2SiO2)等低熔点的矿物。起初这种液相矿物比较粘稠，暂时留在方镁石晶粒的表面，起到阻碍炉渣的进一步侵蚀。但是随着反应的继续，温度不断升高，低熔点化合物不断增加，液相矿物粘度不断降低，直至不能粘结在方镁石晶粒表面，引起方镁石的侵蚀和镁砂的解体，因而方镁石晶粒分离浮游而进入熔渣中，砖体熔损也就形成[4]。

2.3 炉渣与方镁石间的固溶反应

镁碳砖与碱度高、T.Fe含量高的熔渣接触时，铁以FeO的形式侵入砖体，与方镁石晶粒形成固溶体，也称镁浮氏体。当FeO固溶量超过一定限度后，就会形成镁铁型矿物、镁浮氏体与镁铁矿物共存。由于FeO的侵入，伴随着温度与炉气气氛的变化，镁浮氏体与镁铁矿物相互的转化，其体积亦发生变化，从而产生微细裂纹，此时熔渣中硅、钙等成分侵入方镁石晶粒，使方镁石晶体脱落砖体而流入熔渣中。

3 影响转炉终渣MgO饱和溶解度的因素

3.1 温度对MgO饱和溶解度的影响

温度对MgO饱和溶解度影响很大，周兆保、李素梅等人[4]研究结果表明温度升高，氧化镁饱和溶解度增加，温度每提高约50℃，MgO饱和溶解度提高1%～1.3%，在炉渣终渣碱度为3时，温度由1600℃升高到1700℃，炉渣中MgO饱和溶解度则由6%增加到8.5%，所以要控制出钢温度不宜过高，否则也会加剧炉衬的损坏。

3.2 碱度对MgO饱和溶解度的影响

图1是CaO-SiO2-FeO-MgO四元系中MgO的溶解度曲线[5,6]，从图1中可知炉渣碱度对于MgO的溶解度有重要影响。在酸性渣中MgO可以有很高的溶解度；随着碱度的提高，MgO的溶解度下降。当碱度一定时，渣中FeO升高使MgO溶解度下降，表明FeO在四元系中对MgO的溶解能力低于SiO2。其它关于CaO-SiO2-FeO-MgO系中MgO饱和溶解度的研究结论与毕晓普等人相似，只是表达方式不一样。

图1 CaO-SiO2-FeO-MgO四元系中MgO的溶解度(1600℃)

3.3 渣中FeO对MgO饱和溶解度的影响

从图1中可以看出炉渣中FeO对于MgO的溶解度有重要影响。在酸性渣中，MgO的溶解度随着FeO含量的增加而降低，并且碱度越小，MgO受渣中FeO的影响越大；在高碱度渣中，FeO含量对MgO溶解度几乎没有什么影响[7,8]。在转炉冶炼过程中，冶炼初期由于碱度比较低，渣中MgO溶解度比较大，到冶炼后期，碱度为3～4，MgO溶解度降低，所以在冶炼过程中尽可能的提高渣中MgO含量，从而减少镁碳砖中MgO向炉渣中溶解。

图2为MgO-FeO的二元系相图，从图2可知，MgO与FeO可以形成连续的固溶体[9,10]。当FeO达到50%时，此时固溶体的软化温度仍高于1800℃。MgO与Fe2O3也能化合成铁酸镁(MgO·Fe2O3)，如图3所示为MgO与Fe2O3二元相图，铁酸镁又能与MgO生成固溶体，这两种物质都耐高温。当Fe2O3含量达到70%时，其软化温度在1800℃以上。

图2 MgO与FeO二元系相图

图3 Fe2O3与MgO二元相图

为了使炉渣具有较高的耐火度和粘度，转炉终渣MgO应控制为：终渣TFe分别为8%～14%、15%～22%、23%～30%时，终渣MgO分别为7%～8%、9%～10%、11%～13%。

4 湛钢转炉炉渣MgO值的分析

湛江钢铁转炉(350t)通过用轻烧白云石造渣，吹炼初期把轻烧白云石(MgO含量约为30%)全部加入，约7t，炉渣量25t～35t，出钢温度在1650-1710℃之间。通过从湛江钢铁现场取转炉终点炉渣检测其成分，如表1所示。

表1 湛钢转炉炉渣终点成分

从表1可知，渣中MgO含量在4%～8%之间波动，T.Fe含量在15%～25%之间。从温度对MgO溶解度影响的分析中可知，当温度达到1700℃时，MgO饱和溶解度为8.5%；从碱度来分析，湛江钢铁转炉渣终点碱度平均值为3.2，平均T.Fe含量为20.9%，从图1可知，在1600℃时，碱度为3.2，T.Fe含量为20.9%时，MgO饱和溶解度大于8%，又由于温度越高，MgO饱和溶解度越大，由此可知湛江钢铁转炉终渣中MgO含量远没有达到饱和溶解度。

表2 各厂转炉采用溅护炉操作时终渣样成分

表3 各厂转炉溅渣护炉成分

表3为各厂转炉采用溅护炉操作时在吹炼过程中所取渣样成分。从表2可知，这几家渣中MgO含量控制在8%～14%之间。因此根据理论分析与实际厂家对比得出结论：渣中MgO含量不能太低，最好在8%～14%之间。

表3为各厂转炉溅渣护炉成分，从表3中可知，各厂家溅渣护炉成分虽然各不相同，但炉渣中MgO成分最后调整都比较接近，在9%～14%之间。

5 结论

(1)从理论分析与各厂家数据对比可知，为了提高转炉炉龄，湛钢转炉渣中MgO含量需要提高到8%以上，也即是轻烧白云石需要至少需加入9～10t，并且为了得到更好的溅渣效果，需要调整终渣成分，使渣中MgO含量进一步提高。

(2)转炉炉渣中MgO饱和溶解度随温度增加而增加；MgO饱和溶解度随碱度增加而增加；在酸性渣中，MgO的溶解度随着FeO含量的增加而降低，并且碱度越小，MgO受渣中FeO的影响越大，在高碱度渣中，FeO含量对MgO溶解度几乎没有什么影响。

(3)为了提高转炉炉衬的使用寿命，转炉渣中MgO含量需要达到8%～12%之间，转炉冶炼前期渣中FeO尽量控制高些，炉渣碱度控制在3～4之间，钢水温度在满足冶炼钢种要求下尽可能低。

[1] 刘庆华, 王华. 镁碳质耐火材料蚀损机理的研究[J]. 钢铁钒钛, 1992(13):9-15．

[2] 王守权. MgO-C砖在CaO-SiO2-Fe2O3系渣中的蚀损机理[J]. 国外耐火材料, 2005(5):40-44．

[3] ZUSHU LI, KUSUHIRO MUKAI, ZAINAN TAO. Reactions between MgO-C refractory, molten slag and metal[J]. ISIJ International, 2000, 40:101-105.

[4] 朱荣, 董履仁, 张鉴. CaO-SiO2-FeO-Fe2O3-MgO渣系MgO饱和溶解度的研究[J]. 炼钢, 1998, 5(11):24-26.

[5] 周兆保，李素梅，程官江. 安钢转炉渣中MgO的饱和溶解度分析[J]. 耐火材料, 2000(4):248-252．

[6] 代文彬, 李宇, 苍大强, 等. 转炉钢渣热态改性对镁质耐火材料的侵蚀行为[J]. 耐火材料, 2013, 2(8)：12-15.

[7] SUNG MO, JUNG. FeO含量对石灰基炉渣中MgO溶解度的影响[J]. 现代冶金, 2013(3):1-4.

[8] N. HELLSTEN, J Hamuyuni, P. TASKINEN. High-temperature phase equilibria of Cu-O-MgO system in air[J]. Thermochemical Acta, 2016,623:107-111.

[9] MOHAMMED A. TAYED, ANDRE N ASSIS, SEETHARAMAN SRIDHAR, et al, MgO solubility in steelmaking slags[J]. Metallurgical and Materials Transaction B, 2015, 46(3):1112-1114.

[10]SUITO H, INOUE R. Experimental measurement of the solubility of MgO in metallurgical slags to control the slag-induced corrosion of periclase-carbon refractories[J]. Refractories & Industrial Ceramics, 2014, 55(2):114-116.

Analysis and Research of Saturated Solubility of MgO in the Converter Slag

WU Zheng, LAN Tian

(Baoshan Iron & Steel, Steel plant of Zhanjiang Iron & Steel, Guangdong, Zhanjiang 524000, China)

This article analyzed the mechanism of converter magnesia-carbon brick damage. Results show that one of the main factors of magnesia-carbon brick damage was the solid state reaction between the slag. This article also studied the saturated solubility of MgO in the converter slag. The study show that molten steel temperature, slag basicity and the content FeO in the slag was main influencing factors. The saturated solubility of MgO in the slag increased with molten steel temperature and slag basicity. In acidic slag, MgO solubility with increasing FeO content in the slag decreased and MgO solubility was extremely affected by slag FeO when the slag basicity was smaller. In the high basicity slag, the content of FeO is almost no impact on the MgO solubility. According to the analysis of field data and theoretical study of Zhanjiang Iron & Steel, in order to improve the service life of converter lining, the content of MgO in the converter slag needed to be reached between 8%～12%, and the content of FeO need to be higher and slag basicity was controlled between 3～4, the temperature of the molten steel to meet the requirements was controlled as low as possible.

MgO； converter slag； saturated solubility； damage mechanism

吴政(1988-)，男，江西上饶，硕士研究生,中级工程师，研究方向：夹杂物控制.

TF703.6

A

1671-3818(2016)03-0013-04