炼钢初渣中活性石灰的熔解

炼钢初渣中活性石灰的熔解

作者：陈燕

来源：《商品与质量·学术观察》2013年第04期

摘要：使用旋转圆柱法研究了石灰煅烧温度、炉渣成分和温度对活性石灰在转炉炼钢初渣中熔解速率的影响。结果表明：1 000℃煅烧的活性石灰熔解速率最大；增加渣中∑FeO含量、较少的MgO含量、较低的炉渣碱度、提高炉渣温度，均有利于活性石灰的熔解。活性石灰在转炉初渣中的熔解过程包括变质解体和扩散溶解，变质解体起主要作用。

关键词：活性石灰熔解炼钢炉渣

转炉炉渣中的游离氧化钙含量较高，用于铺路和生产水泥要求渣中游离w（CaO）≤3%[1-2]，因而需要长时间陈化处理，影响了炉渣的利用[3-5]。有关石灰在炼钢初渣中熔解机理的研究已有报导，但主要是针对高温煅烧的死烧石灰试样进行的研究，认为在化渣前期石灰表面首先生成高熔点的2CaO·SiO2壳，影响了石灰的进一步熔解；增加渣中FeO/SiO2可阻止

2CaO·SiO2壳的形成[6]，有利于石灰熔解。但对于具有大量气孔的活性石灰熔解机理的实验室研究较少。为了降低转炉渣中游离氧化钙含量，针对钢厂所用的活性石灰，对炼钢初渣中活性石灰的熔解机理进行了实验室研究。

1、实验方法

1.1活性石灰试样的制备

为制得试验需要的活性石灰圆柱试样，采用石灰石作原料，首先破碎成粉，再用水做结合剂压制成带内孔的石灰石圆柱（直径25mm，高20mm），然后在电阻炉内采用不同温度煅烧。煅烧好的活性石灰试样和浸渣后的试样经检测，1 000℃煅烧120min的石灰试样的活性最好，其活性度为403ml，体积密度1.76g/cm3，显气孔率47.23%；通过对比煅烧试验，制成的活性石灰圆柱与采用石灰石块在相同条件下煅烧得到的活性石灰块的活性度、体积密度和显气孔率相近。

1.2 活性石灰扩散溶解速率实验

在碳管炉温度达到预定值时，将配好的炉渣加入纯铁坩埚内，炉渣完全熔化后，将固定活性石灰试样的钼棒调整到一定的转速（150r /min）；然后将活性石灰试样降到渣面之上预热

1min，接着将试样浸入炉渣内，旋转一定的时间后将试样升起，并保持旋转把粘在石灰试样表面的渣子甩掉；最后，测量尚未冷却时的浸渣后石灰试样的直径，计算浸渣后石灰圆柱的体积，得到石灰的扩散溶解速率。

1.3 活性石灰变质速率实验

实验时观察到，活性石灰浸渣一定时间后，因炉渣侵入石灰内部生成硅酸二钙和铁酸钙导致石灰变质，试样已变质的黑色部分在冷却后会粉化，但试样中心仍存在少量未粉化的白色石灰小块。通过称量浸渣后未粉化的白色石灰小块，可计算出已变质的石灰质量，从而得到石灰的变质速率。实验时发现，如果石灰浸渣时间较长，圆柱试样会完全变质解体成碎粒，而无法得到变质速率的试验结果；如果石灰浸渣时间较短，则圆柱试样直径减少不明显；因而试样的溶解和变质试验的浸渣时间难以同一，所以分别按不同浸渣时间进行溶解和变质试验。

2、实验结果

2.1 活性石灰在熔渣中变质和溶解速率的影响因素

2.1.1石灰煅烧温度的影响

不同温度煅烧的石灰在1 400℃浸渣的实验结果，可以看出，1 000℃煅烧的石灰的溶解和变质的速率均为最大；当煅烧温度大于1 100℃，即石灰在过烧的情况下，石灰的溶解和变质速率明显变慢。对比石灰溶解和变质速率可以看出，石灰的变质速率远大于石灰的溶解速率。实验中发现，当石灰完全变质后，虽然试样直径仅有少量减少（因扩散溶解），但在旋转搅拌下圆柱试样会很快解体成小颗粒分散在熔渣中，说明在活性石灰熔解过程中变质解体起主要作用。

2.1.2渣中∑FeO含量的影响

1 000℃煅烧的活性石灰在1 400℃下不同∑FeO含量的初渣中的溶解和变质速率，可以看出，增加渣中∑FeO含量有利于活性石灰的熔解。并且渣中∑FeO含量对活性石灰变质速率的影响比对溶解速率的影响更明显，这说明增加渣中的∑FeO促进活性石灰熔解的主要原因是加快了活性石灰的变质速率。

2.2 浸渣后活性石灰的扫描电镜分析

活性石灰圆柱试样浸渣后，在冷却后已粉化的试样中挑出带有黑边的尚未粉化的白色石灰小颗粒，用扫描电镜进行分析，石灰小粒从左到右分为3部分，能谱分析表明：左边部分是CaO，组织形貌仍保持活性石灰的晶粒结构；CaO晶粒右边缘的不连续细小物相是炉渣渗入石灰内部与CaO反应生成的2CaO·SiO2（硅酸二钙）和少量CaO·Fe2O3（铁酸钙）；最右边连续的带状区域是沿活性石灰孔隙、裂纹浸入的炉渣，主要物相为CaO·FeO·SiO2（钙铁橄榄石）。

3、活性石灰熔解机理分析

上述实验结果表明，活性石灰在转炉初渣中的熔解过程包括变质解体和扩散溶解，以下进行分析。

3.1石灰的扩散溶解

假定炉渣与石灰之间的边界层内的传质为限制性环节，石灰溶解速率方程如下：

VCaO=JCaO·A=KCaO·（CS-Cb）·A=（D/δ）·ΔCaO·A（1）式（1）中，VCaO为CaO溶解速率，mol/s；JCaO为传质通量，mol/（cm2·s）；A为石灰的表面积，cm2；KCaO为CaO 的传质系数，cm/s；D为扩散系数，cm2/s；δ为边界层厚度，cm；CS、Cb为分别为渣中CaO 的饱和溶解度和CaO在渣中的实际浓度，mol/cm3。由式（1）可知：当熔渣的温度增加，D 值增大，则K值增大，石灰溶解速率增加；当增加搅拌时，边界层δ减小，K值增大，溶解速率增加；渣中ΔCaO越大，即溶解驱动力越大，溶解速率越快；增加石灰的表面积，即A值增大，石灰的溶解速率增大。受这些因素影响的石灰熔化称为石灰的溶解。

3.2活性石灰的变质解体

液态熔渣向石灰内部的渗透深度可由式（2）表示[8]：x2=Aζ·cosθ·Kμ·εt（2）式（2）中，x为熔渣渗入深度；A为常数；ζ为熔渣表面张力；θ为熔渣在石灰上的润湿角；μ为熔渣粘度；K为石灰的空隙率；ε为石灰的透过率；t为时间。由式（2）可知，当ζ、θ、K、ε一定时，高温下炉渣渗入石灰的深度主要取决于炉渣的粘度。炉渣渗入石灰内部，熔渣中的组分与石灰发生反应，使石灰从内部开始变质，其结果是生成熔点较低的物相，在搅拌作用下，使石灰从内部解体、碎裂成小颗粒分散进入渣中，这一过程称为活性石灰的变质解体。活性石灰的变质速率取决于熔渣的渗透深度。对活性石灰变质速率的试验结果分析如下：

（1）石灰煅烧温度对石灰变质速率的影响：煅烧温度不同，石灰的体积密度和显气孔率也不相同。1 000℃煅烧的石灰显气孔率最大，有利于熔渣的渗入，石灰的变质速率最大。

（2）炉渣碱度对活性石灰变质速率的影响：随着炉渣碱度的增加，熔渣的粘度μ增大[8]。不利于炉渣的渗入，从而石灰的变质速率降低。

（3）渣中∑FeO对活性石灰变质速率的影响：由于增加渣中FeO能够显著降低炉渣粘度μ，有利于熔渣向石灰中渗透，从而加快了石灰的变质速率。另外，炉渣中Fe2+、Fe3+的离子半径最小，渗透能力最强，渗入活性石灰后会生成低熔点的铁酸钙，使石灰变质速率显著增加。

4、结论

（1）活性石灰在炼钢初渣中的熔解过程包括变质解体和扩散溶解，其中变质解体速率远大于扩散溶解速率。由于熔渣渗入活性石灰内部发生反应，形成硅酸二钙和低熔点化合物铁酸钙使石灰变质，在熔池搅拌的作用下，活性石灰解体成细小颗粒分散进入熔渣，进而与渣中FeO、SiO2发生反应形成钙铁橄榄石低熔点化合物而被进一步熔化。活性石灰的解体也使其扩散溶解速率大大加快。