转炉钢渣形成过程及改性方法

转炉钢渣形成过程及改性方法

郭辉1，殷素红1,2，余其俊1,2，韦江雄1,2，李建新1，宫晨琛1,2，钟根1

(1.华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510640; 2.华南理工大学特种功能材料

教育部重点实验室，广州 510640)

摘 要：C 3S 含量低、部分C 2S 被包裹及RO 相固溶于C 2S 是造成转炉钢渣胶凝活性差的主要原因。基于此，本文以粘土和生石灰调整转炉钢渣组成，掺重构钢渣水泥28d 抗压强度活性指数为95.5%。添加C 粉，在1500℃下N 2气氛炉中促进RO 相还原，还原钢渣矿物组成以为C 2S 、金属铁为主。 关键词关键词：：钢渣；矿物组成；改性；岩相；还原

FORMATION AND MODIFICATION OF CONVERTER

SLAG

GUO Hui 1

, YIN Su-hong 1,2

, YU Qi-jun 1,2

, WEI Jiang-xiong 1,2

, LI Jian-xin 1

, GONG

Chen-chen 1,2

, ZHONG-Gen 1

(1. College of Materials Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China ;2. Key Laboratory of Specially Functional Materials, Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract: The main reason of low cementitious activity for converter steel slag is low C 3S content, some C 2S packed, RO phase filtered into C 2S. Based on this, the compositions of converter steel slag is adjusted with clay and lime 。The activity index of 28d compressive strength of the cement with reconstructed steel slag at is 95.5%. C powder is mixed to promote RO phase to reduce at 1500℃ in N 2 furnace. C 2S and metallic iron are main mineral composition of reduced steel slag.

Key words: steel slag; mineral composition; modification; petrographic facies; reduce

炼钢时，生铁中杂质的氧化和造渣材料的熔化产生渣相[1]。这种渣相，又称钢渣，乃是各种元素（铁、钙、锰、镁、铝、磷、铬等）的氧化物熔体。数量约为钢产量的15%～20%，2008年我国钢产量为5.02亿吨，年钢渣产量约为7500～10000万吨。据不完全统计，我国钢渣利用率不足20%，大量钢渣弃置堆积，占用土地，污染环境，钢渣的高效利用已迫在眉睫。

基金项目基金项目：：国家科技支撑计划（2006BAF02A24） 第一作者第一作者：：郭辉(1986～)，男，硕士研究生。E-mail: hui.guo@ 通讯作者通讯作者：：殷素红(1971～)，女，博士，副教授。E-mail: imshyin@

1 钢渣形成过程

氧气转炉中及早地造成活跃的炉渣以保证氧化过程和去除有害杂质的顺利进行是十分重要的工艺任务之一。碱性炼钢过程中的成渣阶段是石灰在熔渣中的溶解。

1.1 CaO-FeO-SiO2三元相图与造渣过程[2]

巴登豪尔(Bardenheuer)等发现，尽管炉渣成分相当复杂，但整个吹炼过程中渣中CaO+SiO2+FeO n的总和几乎不变，约占80%，因而，目前通用的简化处理方法是把冶炼低磷生铁时的炉渣，简化为CaO、SiO2、FeO。三元系，把其它一些次要组元分别归入这三个组元中。如把Al2O3、P2O5并入SiO2中，把MnO并人FeO n中，把Mg0并入CaO中，这样炉渣就成为通常所说的CaO-FeO-SiO2假三元系。

LD冶炼征开吹的头几分钟内，由于溶池温度比较低（约1400℃左右)，所加的第一批渣料中只有铁磷可以熔化，石灰不可能熔化也不可能溶解完(只是刚开始溶解)。也由于熔池温度比较低，铁液中Fe、Si、Mn等元素将优先氧化，生成以FeO n和SiO2及MnO为主的初渣。由于这两力面的原因，LD冶炼的初渣必然是高氧化性的酸性渣，其成分范围相当于图1中的A区。

吹炼后期为了去硫去磷，要求终渣具有一定碱度，通常CaO/SiO2=3-5。为了保证终渣具有—定流动性和氧化性，以满足所炼钢种的要求，终渣中FeO n通常在20-30%，这就决定了终渣的成分范围相当于图1中的C区。

图1 吹炼过程中炉渣成分点在CaO-SiO2-FeO三元相图中的变化Change of the slag composition during oxygen blowing shown in CaO-SiO2-FeO

diagra m

由图1可以清楚看出，在LD 冶炼中初渣成分与终渣成分之间，隔着一个L+C 2S 二相区，要想从初渣成分过渡到终渣成分必须通过该两相区。

在吹炼过程中炉渣成分的控制主要依据当时熔池温度、C-O 反应以及去硫去磷反应进展程度，以及通过改变喷枪的枪位和加入造渣剂来实现。

1.2造渣过程化学组成和造渣过程化学组成和矿物矿物矿物组成变化组成变化组成变化过程过程

吹炼过程中炉渣化学成分的变化特点是不断地降低渣中SiO 2和MnO 的相对含量，并增加CaO 、FeO 、Fe 2O 3、MgO 的相对含量和绝对含量。石灰的最大溶解速度发生在吹炼的后半期，这与后期炉渣氧化性和温度升高有关。

吹炼初期炉渣的主要相乃是钙镁橄榄石，在钙镁橄榄石中，氧化亚铁同其他氧化物（MnO 、MgO 、CaO ）一起与二氧化硅结合的分子式是m[(Fe 、Mn 、Mg 、Ca) SiO 4]。随炉渣碱度增加，CaO 从钙镁橄榄石组成中挤出其他氧化物，同时形成硅酸钙（2CaO·SiO 2——硅酸二钙和3CaO·SiO 2硅酸三钙）。在碱度大于2时，出现多余的CaO ，由于CaO 对对酸性氧化物有非常高的结合键，多余的CaO 不能以自由CaO 的形式保留下来。与二氧化硅结合后，所剩余的全部氧化钙几乎

都形成铁酸钙（2CaO·Fe 2O 3）

。铁酸钙中的Fe 2O 3起酸性氧化物的作用。正是由于这个原因，随炉渣碱度的增加，FeO 的活度系数降低。在此的，要保持FeO 的活度在相对固定的水平上，就得靠增加边中总氧化铁含量。

根据德国G .特吕曼等人的数据，钙镁橄榄石是锰橄榄石(2MnO·SiO 2)、铁橄榄石(2 FeO·SiO 2)和硅酸二钙(2CaO·SiO 2)的混合结晶。钙铁橄榄石的化学成分很不一样[3]。

转炉吹炼造渣制度的任务在于使钙镁橄榄石炉渣尽可能快地转变成含有大量RO 相的硅酸二钙-硅酸三钙炉渣。

钙镁橄榄石转变成硅酸二钙和硅酸三钙是借助于氧化钙逐步地从钙镁橄榄石替出其他氧化物而完成的，钙镁橄榄石含的氧化物与SiO 2的化学亲合力比CaO 要小。在钙镁橄榄石中大量的MnO 和FeO 被CaO 所取代，这种钙镁橄榄石称为多矿物橄榄石以区别代表开吹特征的单矿物钙镁橄榄石。钙镁橄榄石转变为硅酸二钙和硅酸三钙，可以用以下形式来表示：

2(FeO 、MnO 、MgO 、CaO)·SiO 2 + CaO → 2CaO·SiO 2 + RO 相

分离出来的RO 相与2CaO·SiO 2形成低熔共熔体。在形成的瞬间RO 相大量渗进硅酸二钙核心。在吹炼后期发生硅酸二钙核心的归并长大，而RO 相完全聚集在硅酸二钙结晶之间。在吹炼终点RO 相的数量急剧增加。

在吹炼终点高碱度炉渣的情况下，形成硅酸三钙3CaO·SiO 2。硅酸三钙照例产生在未熔石灰粒上。它以长杆状结晶形式呈现出来。随着炉渣最后的均匀化和使炉渣化学成分混匀，硅酸三钙分解为硅酸二钙和石灰。石灰照样也与RO 相反应，形成铁酸二钙2CaO·Fe 2O 3。

2钢渣钢渣胶凝胶凝胶凝活性不高的原因活性不高的原因

转炉钢渣主要化学成分虽然与水泥熟料相似（主要包含CaO 、SiO 2、Fe 2O 3、