李 榮, 郭 江

(濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金化工系， 河南 濟(jì)源 459000)

銅冷卻壁有較高的導(dǎo)熱性能、抗熱震性能和較大的熱承載能力，在各大高爐廣泛使用。在實(shí)際生產(chǎn)中由于高爐爐況波動(dòng)引發(fā)渣皮脫落,破壞了操作爐型,影響煤氣流分布[1-2],使得銅冷卻壁暴露在高溫煤氣中。隨著熱流密度的波動(dòng)產(chǎn)生熱振,爐襯和鑲磚剝落,銅冷卻壁隨之產(chǎn)生裂紋或燒蝕[3-4],冷卻水管燒損，導(dǎo)致冷卻壁失效。因此穩(wěn)定的渣皮性能對(duì)于銅冷卻壁的使用至關(guān)重要。

高爐渣中F和堿金屬含量嚴(yán)重影響渣皮的冶金性能[5]，其中CaF2占主導(dǎo)地位。本文通過研究CaF2和K2O對(duì)河南濟(jì)源鋼鐵(集團(tuán))有限公司(簡稱“濟(jì)鋼”)高爐渣的軟熔性的影響，為濟(jì)鋼高爐冷卻制度的調(diào)整和渣皮傳熱的數(shù)值分析提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原料及方案

本試驗(yàn)原料為：FeO試劑；CaF2、K2CO3、Na2CO3分析純?cè)噭?；?jì)鋼高爐終渣(成分見表1)。以濟(jì)鋼高爐渣為基礎(chǔ)爐渣，通過配置不同比例的ω(K2O)和ω(CaF2)來模擬現(xiàn)場爐渣，具體方案見表2，模擬渣成分見表3、表4。通過改變?chǔ)?K2O)和ω(CaF2)來研究爐渣的軟熔性。

表1 濟(jì)鋼高爐渣成分 %

表2 試驗(yàn)用濟(jì)鋼高爐渣的配比方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 模擬渣的軟熔溫度

圖1和圖2為二組模擬渣在堿度為1、ω(FeO)為15%時(shí)測(cè)定的軟熔溫度。其中，圖1為變?chǔ)豄2O(%)條件下測(cè)得的軟熔溫度，圖2為變?chǔ)谻aF2(%)條件下測(cè)得的軟熔溫度。

表3 不同ω(K2O)模擬渣成分含量 %

表4 不同ω(CaF2)模擬渣成分含量 %

圖1 ω(K2O)對(duì)爐渣軟熔性質(zhì)的影響

圖2 ω(CaF2)對(duì)爐渣軟熔性質(zhì)的影響

綜合比較圖1各曲線得出，隨著爐渣中ω(K2O)由1.05%增加到3.05%，爐渣的軟化溫度、熔化溫度、流動(dòng)溫度均呈下降趨勢(shì)；爐渣的軟化溫度從1 265 ℃降到1 204 ℃、熔化溫度從1 271 ℃降到1 206 ℃、流動(dòng)溫度從1 280 ℃降到1 209 ℃；同時(shí)可以看出，ω(K2O)每增加0.5%，其軟熔溫度降低18 ℃左右，降溫幅度非常均勻。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著ω(K2O)增加，流動(dòng)溫度降低，高爐渣的穩(wěn)定性降低。與此同時(shí)，高爐渣的軟化溫度和半球溫度一直降低，使高爐渣更容易熔化，不利于在銅冷卻壁熱面凝固，從而不利于掛渣[6]。

綜合比較圖2各曲線得出：隨著ω(CaF2)由1.47%增加到2.67%，爐渣的熔化溫度和軟化溫度所受影響很小，整體不變；對(duì)流動(dòng)溫度有一定影響，呈先增加后下降的趨勢(shì)，并在ω(CaF2)為2.07%時(shí)達(dá)到最高。ω(CaF2)每增加0.3%，其流動(dòng)溫度下降2 ℃左右，而熔化溫度和軟化溫度基本不變，綜合以上分析，說明ω(CaF2)對(duì)高爐渣的軟熔性能的影響并不明顯。

2.2 凝固模擬渣礦相組成

圖4和圖5分別為CaF2百分含量為2.07%和1.77%的凝固模擬渣不同位置掃描電鏡觀察和能譜分析的結(jié)果。

圖5 ω(CaF2)為1.77%凝固渣樣的掃描電鏡觀察和能譜分析結(jié)果

從圖4兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)可以分析出，在渣樣的玻璃相中沒有發(fā)現(xiàn)含有F、K、Na等特殊組分的元素，而在渣樣的結(jié)晶相中發(fā)現(xiàn)了這些特殊組分的元素含量，說明結(jié)晶相中有F和堿金屬含量，玻璃相中沒有。

從圖5兩個(gè)掃描電鏡測(cè)試點(diǎn)的顯微結(jié)構(gòu)和能譜分析可以看出，結(jié)晶相和玻璃相的邊界是存在F和堿金屬含量的，而且結(jié)晶相內(nèi)部也存在F和堿金屬，但是，在邊界的F和堿金屬含量相對(duì)低一些，而在內(nèi)部的F和堿金屬含量要高。說明它們的含量是從邊界到內(nèi)部遞增的過程。

綜上所述，當(dāng)ω(CaF2)為2.07%時(shí)，渣樣中的玻璃相是不含有F和堿金屬這些特殊組分的，而結(jié)晶相中是含有這些特殊組分的；當(dāng)ω(CaF2)為1.77%時(shí)，在結(jié)晶相內(nèi)部和邊界均存在F和堿金屬，而且在結(jié)晶相中每個(gè)部位的特殊組分含量都不一樣。

3 結(jié)論

(1)ω(FeO)為15%，堿度為1時(shí)，隨著ω(K2O)由1.05%增加到3.05%，高爐渣的軟熔溫度呈不斷下降趨勢(shì)，高爐渣的穩(wěn)定性變差，高爐渣更易熔化，進(jìn)而導(dǎo)致高爐渣在銅冷卻壁熱面上形成的渣皮的穩(wěn)定性下降。

(2)ω(FeO)為15%，堿度為1時(shí)，隨著ω(CaF2)由1.47%增加到2.67%，高爐渣的軟熔溫度變化趨勢(shì)不明顯，對(duì)爐渣熔化性質(zhì)影響不大，對(duì)高爐渣在銅冷卻壁熱面上形成的渣皮的穩(wěn)定性影響不顯著。

(3)渣樣的顯微結(jié)構(gòu)顯示，玻璃相不含有F和堿金屬，但在玻璃相和結(jié)晶相的界面以及結(jié)晶相的內(nèi)部均含有F和堿金屬，而且結(jié)晶相中F和堿金屬的含量呈由邊界到內(nèi)部呈遞增的趨勢(shì)。