氧化钾和氟化钙对高炉渣皮稳定性的试验研究

李 荣, 郭 江

(济源职业技术学院冶金化工系， 河南 济源 459000)

铜冷却壁有较高的导热性能、抗热震性能和较大的热承载能力，在各大高炉广泛使用。在实际生产中由于高炉炉况波动引发渣皮脱落,破坏了操作炉型,影响煤气流分布[1-2],使得铜冷却壁暴露在高温煤气中。随着热流密度的波动产生热振,炉衬和镶砖剥落,铜冷却壁随之产生裂纹或烧蚀[3-4],冷却水管烧损，导致冷却壁失效。因此稳定的渣皮性能对于铜冷却壁的使用至关重要。

高炉渣中F和碱金属含量严重影响渣皮的冶金性能[5]，其中CaF2占主导地位。本文通过研究CaF2和K2O对河南济源钢铁(集团)有限公司(简称“济钢”)高炉渣的软熔性的影响，为济钢高炉冷却制度的调整和渣皮传热的数值分析提供依据。

1 试验原料及方案

本试验原料为：FeO试剂；CaF2、K2CO3、Na2CO3分析纯试剂；济钢高炉终渣(成分见表1)。以济钢高炉渣为基础炉渣，通过配置不同比例的ω(K2O)和ω(CaF2)来模拟现场炉渣，具体方案见表2，模拟渣成分见表3、表4。通过改变ω(K2O)和ω(CaF2)来研究炉渣的软熔性。

表1 济钢高炉渣成分 %

表2 试验用济钢高炉渣的配比方案

2 试验结果及分析

2.1 模拟渣的软熔温度

图1和图2为二组模拟渣在碱度为1、ω(FeO)为15%时测定的软熔温度。其中，图1为变ωK2O(%)条件下测得的软熔温度，图2为变ωCaF2(%)条件下测得的软熔温度。

表3 不同ω(K2O)模拟渣成分含量 %

表4 不同ω(CaF2)模拟渣成分含量 %

图1 ω(K2O)对炉渣软熔性质的影响

图2 ω(CaF2)对炉渣软熔性质的影响

综合比较图1各曲线得出，随着炉渣中ω(K2O)由1.05%增加到3.05%，炉渣的软化温度、熔化温度、流动温度均呈下降趋势；炉渣的软化温度从1 265 ℃降到1 204 ℃、熔化温度从1 271 ℃降到1 206 ℃、流动温度从1 280 ℃降到1 209 ℃；同时可以看出，ω(K2O)每增加0.5%，其软熔温度降低18 ℃左右，降温幅度非常均匀。

实验结果表明，随着ω(K2O)增加，流动温度降低，高炉渣的稳定性降低。与此同时，高炉渣的软化温度和半球温度一直降低，使高炉渣更容易熔化，不利于在铜冷却壁热面凝固，从而不利于挂渣[6]。

综合比较图2各曲线得出：随着ω(CaF2)由1.47%增加到2.67%，炉渣的熔化温度和软化温度所受影响很小，整体不变；对流动温度有一定影响，呈先增加后下降的趋势，并在ω(CaF2)为2.07%时达到最高。ω(CaF2)每增加0.3%，其流动温度下降2 ℃左右，而熔化温度和软化温度基本不变，综合以上分析，说明ω(CaF2)对高炉渣的软熔性能的影响并不明显。

2.2 凝固模拟渣矿相组成

图4和图5分别为CaF2百分含量为2.07%和1.77%的凝固模拟渣不同位置扫描电镜观察和能谱分析的结果。

图5 ω(CaF2)为1.77%凝固渣样的扫描电镜观察和能谱分析结果

从图4两个测试点可以分析出，在渣样的玻璃相中没有发现含有F、K、Na等特殊组分的元素，而在渣样的结晶相中发现了这些特殊组分的元素含量，说明结晶相中有F和碱金属含量，玻璃相中没有。

从图5两个扫描电镜测试点的显微结构和能谱分析可以看出，结晶相和玻璃相的边界是存在F和碱金属含量的，而且结晶相内部也存在F和碱金属，但是，在边界的F和碱金属含量相对低一些，而在内部的F和碱金属含量要高。说明它们的含量是从边界到内部递增的过程。

综上所述，当ω(CaF2)为2.07%时，渣样中的玻璃相是不含有F和碱金属这些特殊组分的，而结晶相中是含有这些特殊组分的；当ω(CaF2)为1.77%时，在结晶相内部和边界均存在F和碱金属，而且在结晶相中每个部位的特殊组分含量都不一样。

3 结论

(1)ω(FeO)为15%，碱度为1时，随着ω(K2O)由1.05%增加到3.05%，高炉渣的软熔温度呈不断下降趋势，高炉渣的稳定性变差，高炉渣更易熔化，进而导致高炉渣在铜冷却壁热面上形成的渣皮的稳定性下降。

(2)ω(FeO)为15%，碱度为1时，随着ω(CaF2)由1.47%增加到2.67%，高炉渣的软熔温度变化趋势不明显，对炉渣熔化性质影响不大，对高炉渣在铜冷却壁热面上形成的渣皮的稳定性影响不显著。

(3)渣样的显微结构显示，玻璃相不含有F和碱金属，但在玻璃相和结晶相的界面以及结晶相的内部均含有F和碱金属，而且结晶相中F和碱金属的含量呈由边界到内部呈递增的趋势。