赤泥基熔劑應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐造渣生產(chǎn)研究與實(shí)踐

覃勝苗，韋軍尤，陸志堅(jiān)，李健暢，楊正府

（廣西柳州鋼鐵集團(tuán)公司，廣西 柳州 545002）

赤泥是氧化鋁在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢渣，因含有大量氧化鐵而呈紅色，故被稱為赤泥，大約每生產(chǎn)l t氧化鋁要排放1.0 t～1.8 t的赤泥[1]。中國作為世界第一大氧化鋁生產(chǎn)大國，每年排放的赤泥廢棄物高達(dá)數(shù)千萬噸。國內(nèi)鮮有赤泥成功的大規(guī)模綜合利用的報(bào)道，只能依靠大面積的在堆場堆放，占用了大量的土地資源，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，已經(jīng)對(duì)人類的生產(chǎn)、生活造成多方面的直接或間接的影響。所以最大限度的減少赤泥的產(chǎn)量和危害，實(shí)現(xiàn)多渠道、大規(guī)模的資源化合理利用已迫在眉睫[2]。

赤泥主要成分為Al2O3、Fe2O3、TiO2、SiO2、Na2O等，國內(nèi)學(xué)者對(duì)赤泥的綜合利用做了系統(tǒng)理論分析[1]，但規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用還停留在論證階段。由于赤泥富含Al2O3、Fe2O3，理論上可以作為資源廣泛應(yīng)用于煉鋼生產(chǎn)。廣西是氧化鋁工業(yè)大省，2017年氧化鋁產(chǎn)量累計(jì)達(dá)到1045萬噸，按此估算赤泥排放量達(dá)到1500萬噸左右。為了在煉鋼領(lǐng)域探索赤泥新的綜合治理利用途徑，筆者在廣西柳州鋼鐵集團(tuán)公司（下簡稱柳鋼）轉(zhuǎn)爐煉鋼廠進(jìn)行了相關(guān)的研究及工業(yè)試驗(yàn)，成功運(yùn)用赤泥為原料制造出轉(zhuǎn)爐高效化渣劑并運(yùn)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼造渣生產(chǎn)，改善了轉(zhuǎn)爐的煉鋼生產(chǎn)工藝，降低煉鋼生產(chǎn)成本，為赤泥資源的綜合治理利用開辟了新的途徑。

1 柳鋼煉鋼工藝簡介

柳鋼坐落于廣西壯族自治區(qū)中部，為華南地區(qū)特大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)。裝備有國內(nèi)主流先進(jìn)的煉鋼工藝裝備，在產(chǎn)量、品種、質(zhì)量上面已達(dá)到國內(nèi)同類企業(yè)先進(jìn)水平，2017年鋼產(chǎn)量達(dá)到1300萬噸規(guī)模，品種涵蓋了建筑、造船、橋梁、汽車、及其他工業(yè)用材。煉鋼廠的主要裝備有：三個(gè)生產(chǎn)作業(yè)區(qū)（相當(dāng)于煉鋼分廠），第一作業(yè)區(qū)裝備三座150噸轉(zhuǎn)爐，年產(chǎn)鋼500萬噸，第二作業(yè)區(qū)裝備三座120 t轉(zhuǎn)爐，年產(chǎn)鋼450萬噸，第三作業(yè)區(qū)裝備兩座150噸轉(zhuǎn)爐，年產(chǎn)鋼350萬噸。全廠共計(jì)8座轉(zhuǎn)爐，配備鐵水預(yù)處理、LF精煉、RH精煉、全連鑄等工藝裝備及輔助生產(chǎn)設(shè)備。

煉鋼生產(chǎn)工藝流程為：鐵水→轉(zhuǎn)爐冶煉→出鋼→氬站→精煉→連鑄。

轉(zhuǎn)爐造渣是煉鋼生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)爐造渣的主要目的是去除有害雜質(zhì)磷和硫。造渣熔劑主要以石灰、生白云石為主,以螢石等為輔助化渣手段。由于螢石對(duì)爐襯有嚴(yán)重的侵蝕作用，目前國內(nèi)轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)逐步淘汰螢石作為化渣手段的造渣工藝。近年來開發(fā)了無氟化渣劑作為螢石的替代品[5-8]，直接將鐵礬土、鋁礬土、除塵泥、含硼礦物或復(fù)合化渣劑等用作轉(zhuǎn)爐造渣化渣劑,也取得一定的效果?？傮w而言Al2O3基化渣劑應(yīng)用較為常見。近年來煉鋼生鐵硅含量都有走低的趨勢，這雖然對(duì)鋼鐵工業(yè)降低生產(chǎn)成本有利，但給轉(zhuǎn)爐煉鋼造渣化渣增加了難度。在這樣的背景下很多煉鋼生產(chǎn)工作者都在探索新的造渣化渣工藝。柳鋼的鐵水條件及造渣工藝如表1所示。

2 赤泥用于轉(zhuǎn)爐煉鋼造渣的可行性分析

轉(zhuǎn)爐造渣主要以CaO、SiO2、FeO三元渣系為基礎(chǔ)，一般配入一定含量的MgO以達(dá)到保護(hù)爐襯的作用，可近似看成查看CaO-SiO2-FeO三元渣系。查看相圖可知，在煉鋼溫度下該三元渣系相圖液相區(qū)窗口不大，隨著爐渣堿度（R=CaO/SiO2）的提高，爐渣熔點(diǎn)會(huì)落入高熔點(diǎn)區(qū)域而出現(xiàn)爐渣不化或“返干”的現(xiàn)象[4]。鐵水硅含量的走低以及過分追求大廢鋼比冶煉加劇了化渣的難度，容易導(dǎo)致粘槍、粘煙罩、磷高、硫高等冶煉事故而影響生產(chǎn)順行。螢石作為化渣手段固然效果明顯，但其侵蝕爐襯、化渣持續(xù)性有限、污染環(huán)境等負(fù)面影響也比較突出而逐漸被淘汰。

圖1 赤泥對(duì)CaO-SiO2-FeO渣系液相區(qū)的影響

根據(jù)爐渣熔點(diǎn)理論，煉鋼渣系中引入除CaO、SiO2、FeO以外的其它組元可以都可以降低爐渣熔點(diǎn)，Al2O3就是最常見的降煉鋼爐渣熔點(diǎn)常用組元之一。赤泥為氧化鋁生產(chǎn)工業(yè)生產(chǎn)排放的廢棄物，來源廣泛廉價(jià)易得，其中富含Al2O3、FeO、TiO2、SiO2、Na2O等成分，理論上可以作為化渣劑使用。研究了赤泥對(duì)煉鋼爐渣熔點(diǎn)的影響，表明加入赤泥后顯著擴(kuò)大CaO-SiO2-FeO渣系的液相區(qū)，如圖1所示。

表1 鐵水條件及現(xiàn)有造渣工藝參數(shù)

表3化渣性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 試驗(yàn)終點(diǎn)對(duì)比情況

Al2O3為兩性氧化物，對(duì)轉(zhuǎn)爐渣的脫磷、脫硫影響較小，研究表明轉(zhuǎn)爐渣系中加入一定量的Al2O3后反而促進(jìn)富磷離子團(tuán)的富集從而對(duì)脫磷有利[9]。且Al2O3基化渣劑與CaF基化渣劑相比對(duì)爐襯侵蝕作用小，對(duì)護(hù)爐提高爐齡有利。

綜上所述，以赤泥為煉鋼熔劑理論上完全可行。

3 赤泥基高效化渣劑造制造流程

赤泥資源來源于廣西平果鋁廠，通過造球、晾干后可得到赤泥基化渣劑。制造工藝流程如下：晾曬—加粘接劑—混勻—壓球成型—晾干—成品入庫。生產(chǎn)工藝簡單，成品制成球后得到的赤泥基化渣劑理化指標(biāo)如表2所示。

表2 赤泥基化渣劑理化指標(biāo)

4 赤泥基化渣劑用于轉(zhuǎn)爐造渣試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

①正常吹煉過程中，加入一定量的赤泥基化渣劑參與造渣。②觀察吹煉過程的化渣效果，比對(duì)終點(diǎn)情況。③觀察終渣狀態(tài)并取樣分析成分。④分析加入赤泥基化渣劑后評(píng)估其其它冶金效果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

在柳鋼120噸轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過匯總后如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：加了赤泥基化渣劑造渣的爐次轉(zhuǎn)爐成渣速度明顯加快，吹煉過程“返干”程度明顯降低，化渣效果得到改善。在同一鋼種上對(duì)轉(zhuǎn)爐終渣取樣分析發(fā)現(xiàn)，加赤泥基化渣劑爐次渣中Al2O3、SiO2略有升高的趨勢，終渣終TFe有下降的趨勢，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)明顯改善渣。如表4所示。

雙渣操作在硅高鐵水及冶煉低磷鋼上經(jīng)常被采用，雙渣操作存在的技術(shù)問題主要是冶煉前期爐溫低，前期渣不容易形成高堿度渣，脫磷效率低，前期渣流動(dòng)性不好，排渣時(shí)帶鐵多鐵損大等。赤泥基化渣劑在雙渣爐次上確實(shí)也具有出色的冶金效果，主要體現(xiàn)在促進(jìn)前期渣早化，提高了爐渣的流動(dòng)性和鋼渣分離效果，較好地解決了上述雙渣的技術(shù)問題。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)赤泥基化渣劑對(duì)終點(diǎn)泡沫渣具有良好的抑制作用。通過多爐反復(fù)試驗(yàn)，驗(yàn)證了其出色的壓渣效果，與原來專用外購的壓渣劑功能相當(dāng)或更優(yōu)，并且具有成本低廉的優(yōu)勢。分析認(rèn)為，冶金過程熔渣的泡沫、乳化現(xiàn)象是較為常見的，轉(zhuǎn)爐煉鋼正是利用了爐渣發(fā)達(dá)的乳化現(xiàn)象極大的提高了鋼-渣接觸面積，為冶煉過程化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行提供了良好的動(dòng)力學(xué)條件。然而，冶煉達(dá)到終點(diǎn)后，人們又希望抑制爐渣的發(fā)泡程度而利于出鋼操作和濺渣護(hù)爐。相關(guān)研究表明，影響爐渣泡沫化的主要因素是爐渣表面張力、粘度、爐渣比重，泡沫化程度與爐渣的粘度成正比，與爐渣的表面張力和密度成反比[10]。赤泥良好的化渣作用降低了爐渣的粘度因而能制止?fàn)t渣的泡沫化。爐渣中存在氣泡和固體質(zhì)點(diǎn)對(duì)爐渣泡沫化也有促進(jìn)作用[10]，泡沫渣是一種亞穩(wěn)態(tài)，加入因赤泥基化渣劑后，因其本身水分含量較高，加入高溫的爐渣中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的炸裂作用，破壞了渣中氣泡和固體質(zhì)點(diǎn)的穩(wěn)定狀態(tài)，從而抑制了爐渣的泡沫化程度。另外，相關(guān)研究表明，表面活性物質(zhì)對(duì)爐渣的泡沫化程度影響相對(duì)復(fù)雜，理論上研究認(rèn)為，表面活性物質(zhì)能促進(jìn)泡沫化，然而有些研究卻得出相反的結(jié)論，是由于氣泡表面張力梯度引起的馬蘭各尼效應(yīng)會(huì)造成氣泡間渣液在排出時(shí)會(huì)使氣泡破裂。

綜上所述，由于赤泥基化渣劑同時(shí)具備了化渣、雙渣造渣、出鋼壓渣等多種冶金功能，試驗(yàn)取得了良好的冶金效果。

4.3 其它方面影響和討論

主要研究赤泥基化渣劑對(duì)爐襯侵蝕、鋼質(zhì)量的影響及擴(kuò)大使用規(guī)模的討論。

（1）實(shí)踐表明，赤泥基化渣劑與螢石相比，對(duì)爐襯的侵蝕作用要小得多。雖然赤泥能夠降低爐渣熔點(diǎn)，但有研究表明，Al2O3基化渣劑對(duì)爐襯的侵蝕作用比螢石要小得多[7]，筆者在實(shí)踐過程中也驗(yàn)證了這一結(jié)論，但大量使用是否會(huì)造成爐襯侵蝕還有待驗(yàn)證。在當(dāng)前只用作于化渣（噸鋼用量≤5kg/t）、壓渣（噸鋼用量≤2kg/t）的前提下，不會(huì)對(duì)爐襯侵蝕造成影響。

（2）鑒于赤泥基化渣劑的水分含量比較高，可能對(duì)鋼中的氫含量造成影響。為此做了跟蹤對(duì)比分析，表明加赤泥基化渣劑爐次與不加赤泥基化渣劑爐次，鋼中氫含量沒有差別。分析原因認(rèn)為，用于化渣的赤泥基化渣劑加入時(shí)機(jī)在前期，由于整個(gè)吹煉過程大量的脫碳反應(yīng)釋放大量的CO氣泡，為鋼中氫的去除創(chuàng)造了良好條件，因而對(duì)增氫不會(huì)造成影響。而出鋼過程壓渣所加的赤泥基化渣劑量小，而且與鋼液沒有緊密接觸，是不會(huì)發(fā)生增氫作用的。

（3）由于赤泥中含有Fe2O3較高，有一定的回收利用價(jià)值。品位高或經(jīng)過磁選、配礦等加工后，或許可以替代鐵礦石作為冷卻劑應(yīng)用于煉鋼生產(chǎn)領(lǐng)域，則為赤泥的綜合治理利用降開辟更加廣闊的途徑。

（4）赤泥基化渣劑出色的化渣能力，較高的氧化性（Fe2O3高），是良好的脫磷劑，應(yīng)用于鐵水脫磷預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)工藝、雙渣工藝，少渣冶煉工藝等勢必也是良好的應(yīng)用途徑。

5 結(jié)論

（1）赤泥壓制成球后，成功用作轉(zhuǎn)爐化渣劑、壓渣劑，并在雙渣冶煉操作時(shí)，能用作輔助脫磷劑和鋼-渣分離劑，用在轉(zhuǎn)爐冶煉操作上具有成本低、冶金效果好的優(yōu)點(diǎn)，并對(duì)爐襯及鋼水質(zhì)量均無負(fù)面影響。

（2）以赤泥作為基料制造出的高效化-壓渣劑在柳鋼研制成功，并規(guī)模化應(yīng)用于生產(chǎn)煉鋼，獲得良好效果。

（3）赤泥用于煉鋼生產(chǎn)前景廣闊，對(duì)環(huán)境保護(hù)及廢物綜合治理具有重大意義，更加廣闊的應(yīng)用途徑或許即將開辟。