盡管濺渣護(hù)爐技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，并獲得了巨大的成功。但在濺渣護(hù)爐技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究方面，卻處于空白狀態(tài)。最近該方面的研究已經(jīng)引起國內(nèi)外廣大冶金學(xué)者的重視?！ ?/p>
本文將簡單總結(jié)鋼鐵研總院工藝所在下述領(lǐng)域里的研究結(jié)果：
(1)熔池濺渣動(dòng)力學(xué)的研究；
(2)濺渣層與爐襯的結(jié)合機(jī)理；
(3)濺渣層的浸蝕試驗(yàn)；
(4)合理的終渣成分控制。
熔池濺渣動(dòng)力學(xué)的研究
如何有效地利用高速氮?dú)馍淞鲗t渣均勻地噴濺在爐襯表面，是濺渣護(hù)爐的技術(shù)關(guān)鍵。其效果決定于以下控制因素：
(1)熔池內(nèi)留渣量和渣層厚度；
(2)熔渣的物理狀態(tài)：爐渣熔點(diǎn)、過熱度、表面張力與粘度；
(3)濺渣氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)：噴吹壓力、槍位以及噴槍夾角和孔數(shù)等?！ ?/p>
通過水力學(xué)模型試驗(yàn)和理論分析，研究了熔池濺渣動(dòng)力學(xué)過程，初步提出優(yōu)化濺渣的工藝參數(shù)?！ ?/p>
1水模型測定
(1)噴吹工藝對濺渣高度的影響
1)對不同的介質(zhì)，不同高度條件下的濺渣量的分布基本相似，隨著濺渣高度的升高，濺渣量逐漸降低?！ ?/p>
2)當(dāng)濺渣高度hs/D=1.0時(shí)，不同高度下的濺渣量的分布規(guī)律發(fā)生變化。當(dāng)hs/D≤l.0時(shí)，濺渣量的比例高達(dá)總渣量的30%~60%，隨著高度的增加，濺渣量將迅速降低。在hs/D≥1.0以后濺渣量隨高度增加，濺渣量減少的速率降低。在這一高度的范圍內(nèi)，濺渣量約占濺渣總量的0~20%。由此推論，爐內(nèi)濺渣存在兩個(gè)反應(yīng)區(qū)：當(dāng)hs/D≤1.0時(shí)，濺渣以渣液面波動(dòng)為主，濺渣量大，并隨濺渣高度增加迅速降低。當(dāng)hs/D>1.0時(shí)，濺渣主要通過反射的高速氮?dú)馍淞鲓A帶的渣液為主。濺渣量低，但隨高度的增加，濺渣量衰減比較緩慢?！ ?/p>
3)槍位對濺渣高度有較為明顯的影響。在同樣氣源壓力下，采用較低的槍位易于造成渣液面的劇烈攪動(dòng)，有利于轉(zhuǎn)爐下部(hs/D≤1.0)濺渣；高槍位，易于爐渣的破碎、乳化，有利于轉(zhuǎn)爐上部(hs/D>1.0)濺渣。[nextpage]
(2)爐渣物性的影響為了測定爐渣物性對濺渣效果的影響，水模中分別采用水、鹽水和水玻璃模擬爐渣。濺渣介質(zhì)的變化對轉(zhuǎn)爐下部、以渣液面波動(dòng)為濺渣機(jī)制的影響較大。隨爐渣密度和粘度的升高，渣液面波動(dòng)造成濺渣量迅速降低。說明對于密度、粘度較高的爐渣，將消耗更多的射流沖擊能才能造成液面的劇烈波動(dòng)。而對于轉(zhuǎn)爐上部濺渣，濺渣介質(zhì)的變化對濺渣量的影響不大，說明爐渣表面張力的變化對射流乳化和攜帶液體爐渣能力影響較小。由于熔池濺渣總量主要決定于下部濺渣(約占60%~70%)量，因而在不同壓力和噴吹槍位下，鹽水濺渣的總濺渣量明顯高于水玻璃?！ ?/p>
(3)噴吹壓力與槍位的影響
爐內(nèi)濺渣決定于兩種不同的機(jī)制：液面波動(dòng)濺渣與射流攜帶濺渣。高槍位利于渣滴的乳化與飛濺，適用于轉(zhuǎn)爐的上部濺渣。低槍位利于熔池波動(dòng)濺渣，適用于轉(zhuǎn)爐下部濺渣。因此，對于不同的氣源壓力，有一最佳槍位使兩種濺渣機(jī)制有機(jī)地協(xié)調(diào)配合，達(dá)到最佳的濺渣效果。
2理論分析
根據(jù)能量守恒定律可以確定氮?dú)馍淞髋c渣池間的能量關(guān)系：
E∑=Es+EI+Eб+ER (1)
即噴吹射流的總能量等于射流對熔池作用的表面功Es與射流對熔池的沖擊功EI、射流對熔池的攪拌能Eб以及攜帶渣滴的反射射流的能量ER的總和?！ ?/p>
化簡式(1)可求出爐內(nèi)淺渣平均高度兒與各種工藝參數(shù)的關(guān)系式(1)?！ ?/p>
濺渣層與爐襯結(jié)合機(jī)理與抗浸蝕性能
1濺渣過程中爐渣成分和結(jié)構(gòu)的變化
冶煉和濺渣過程中，隨著爐渣成分的改變，爐渣巖相結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化。
(1)初期渣：轉(zhuǎn)爐開吹5min，熔池溫度約為1420℃，爐渣堿度為R=1.6~1.7，渣中TFe含量較低，MgO含量約為6%~7%，接近或達(dá)到飽和值。初期渣礦相組成幾乎全部為硅酸鹽結(jié)構(gòu)。結(jié)晶相為鎂硅鈣石(3CaO?MgO.2SiO2)，結(jié)合相為橄欖石[CaO.(Mg、Fe、Mn)O?SiO2]。未發(fā)現(xiàn)RO相。MgO、FeO皆賦存于硅酸鹽相中?！ ?/p>
(2)終點(diǎn)渣：普通轉(zhuǎn)爐終渣(如太鋼渣)，堿度為3.3~3.7。渣中全鐵波動(dòng)在13%~18%。渣中MgO的飽和濃度為3%~4%，但實(shí)際中MgO含量達(dá)到3%~13%，超過飽和溶解度值。終渣硅酸鹽相以發(fā)達(dá)的板條狀C3S為主，C2S含量極少。結(jié)合相為鐵酸二鈣(C2F)和RO相，約占總量的15%。結(jié)晶的MgO包裹在C3S晶體中或游離的結(jié)合相中?！ ?/p>
采用半鋼冶煉的終渣(如承鋼終渣)，鐵酸鹽高達(dá)40%~50%，C2S相只占20%~25%，還有少在量未熔的MgO顆粒。
(3)改質(zhì)渣：轉(zhuǎn)爐出鋼后，如果出鋼溫度過高、濺渣粘度較低時(shí)，往往需要添加少量石灰或續(xù)質(zhì)材料調(diào)整爐渣成分和溫度，以利于濺渣護(hù)爐。改質(zhì)爐渣中往往出現(xiàn)彌散未熔的石灰或MgO顆粒。同時(shí)C2S含量增加并發(fā)育為良好的板條狀?！ nextpage]
(4)濺后渣：濺渣后由于氣流的冷卻作用，使?fàn)t渣的巖相結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變。粗大發(fā)育良好的板條狀C3F被破碎成細(xì)小的顆粒，均勻彌散地分布于鐵酸鈣結(jié)合相中，使?fàn)t渣的密度增高?！ ?/p>
2濺渣層與爐襯的結(jié)合機(jī)理
為了研究濺渣層與爐襯耐火材料的結(jié)合機(jī)理，在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了小型柑堝濺渣試驗(yàn)。濺渣后的柑堝在爐內(nèi)緩冷后縱向剖開進(jìn)行巖相觀察?！ ?/p>
巖相分析結(jié)果證明，濺渣沿縱向分布很不均勻：
(1)由渣池向上，柑堝側(cè)壁上的濺渣層由厚逐漸變薄，上部濺渣層的厚度僅為0.1~0.5mm；而柑堝下部是較厚的密實(shí)濺渣層?！ ?/p>
(2)上部濺渣層顏色黑亮有金屬光澤；下部渣層顏色暗，表面粗糙，有表面顯微裂紋和氣孔?！ ?/p>
(3)從渣池底部向上連續(xù)濺渣層的礦物組成，發(fā)現(xiàn)隨高度的增加，濺渣層的礦物組成逐漸發(fā)生明顯的變化。在柑堝的底部，被氣流破碎的粒狀C3S和C2S以及結(jié)晶MgO顆粒富集在鐵酸鹽結(jié)合相內(nèi)?！ ?/p>
隨濺渣高度的增加，高熔點(diǎn)氧化物(C3S、C2S和MgO顆粒)逐漸減少，鐵相增加。在柑堝上部形成以鐵酸鹽為主的低熔點(diǎn)濺渣層?！ ?/p>
濺渣層與Mg-C磚的結(jié)合部可細(xì)分為三個(gè)區(qū)域：
(1)燒結(jié)層：鐵酸鈣鹽C2F沿續(xù)碳磚表面的顯微氣孔和裂紋，向致密的MgO機(jī)體內(nèi)擴(kuò)散。溶解與Mg0顆粒反應(yīng)生成鐵續(xù)橄欖石(MgO-Fe2O3)燒結(jié)層?！ ?/p>
(2)結(jié)合層：在濺渣層一MgC磚表面，濺渣層中的鐵酸鈣將磚襯中突出的MgO顆粒包裹起來，形成鎮(zhèn)鐵橄欖石的化學(xué)結(jié)合。同時(shí)，濺渣層中C3S、C2S和MgO顆粒在氣流的作用下鑲嵌在粗糙的耐火襯表面，形成機(jī)械結(jié)合?！ ?/p>
(3)濺渣層：以粗大的高熔點(diǎn)顆粒狀C3S、C2s和MgO晶團(tuán)為骨架，固溶在R0相和鐵酸鈣結(jié)合相中?！ ?/p>
通過上述分析，推論出濺渣層與爐襯磚的結(jié)合機(jī)理如下：
在濺渣初期，低熔點(diǎn)流動(dòng)性強(qiáng)的富鐵爐渣首先濺射到爐襯表面，沿襯磚表面顯微氣孔和裂紋向MgO機(jī)體內(nèi)擴(kuò)散，形成以(MgO?CaO)Fe2O3為主的燒結(jié)層?！ ?/p>
隨濺渣的繼續(xù)，顆粒狀的高熔點(diǎn)氧化物(C3S、C2S和MgO)被氣流濺射到爐襯磚表面，形成以鑲嵌為主的機(jī)械結(jié)合。同時(shí)富鐵的低熔點(diǎn)爐渣包裹在耐火磚表面突出的MgO顆粒周圍形成化學(xué)結(jié)合層?！ ?/p>
隨著濺渣的進(jìn)一步進(jìn)行，使大顆粒C3S、C2S和MgO晶團(tuán)濺射到結(jié)合層表面并與鐵酸鈣RO相相結(jié)合，冷卻固溶形成襯磚表面濺渣層?！ ?/p>
3濺渣層的浸蝕特性
為了研究濺渣層的抗浸蝕性能，在試驗(yàn)室內(nèi)測定了兩種合成渣在初渣和終渣條件下的浸蝕速度?！ ?/p>
試驗(yàn)結(jié)果證明：
(1)濺渣層對轉(zhuǎn)爐初期渣有較強(qiáng)的抗浸蝕能力，能夠起到保護(hù)爐襯的作用。[nextpage]
(2)濺渣層對高溫終渣的抗浸蝕能力很差。進(jìn)一步提高濺渣層的熔點(diǎn)是提高濺渣層抗浸蝕能力的關(guān)鍵。同時(shí)，在生產(chǎn)實(shí)踐中堅(jiān)持一爐一濺和低溫出鋼，將有利于提高濺渣護(hù)爐的效果。
適宜濺渣護(hù)爐的終渣成分控制
試驗(yàn)證明，高溫熔化將造成濺渣層的嚴(yán)重浸蝕。因此，改變爐渣成分，進(jìn)一步提高爐渣的熔化性溫度，有利于濺渣護(hù)爐?！ ?/p>
在一定的堿度條件下，提高渣中TFe含量將使?fàn)t渣熔化性溫度明顯降低。而堿度變化對爐渣熔化性溫度影響不大。在正常煉鋼條件下，控制渣中TFe=15%~20%，爐渣熔化性溫度波動(dòng)在1720~1780℃之間。
在渣中TFe=20%的前提下，改變渣中MgO含量和爐渣堿度，可以調(diào)整爐渣的熔化性溫度?！ ?/p>
(1)當(dāng)渣中MgO含量小于8%時(shí)，對同一堿度，隨MgO含量的增加，爐渣熔化性溫度降低。在此范圍內(nèi)，增加MgO含量有利于熔池化渣，不利于濺渣護(hù)爐。當(dāng)渣中MgO含量大于8%以后，對于確定的堿度，增加MgO含量有利于提高爐渣的熔化性溫度?！ ?/p>
(2)當(dāng)MgO含量小于8%時(shí)，對同一MgO含量，提高爐渣堿度，將降低爐渣熔化性溫度；當(dāng)M束。含量大于8%以后，對同一MgO含量，提高爐渣堿度，會(huì)提高爐渣熔化性溫度?！ ?/p>
(3)對于正常爐渣堿度范圍(R=2.1~3.8)，控制爐渣MgO含量為8%~10%，將使?fàn)t渣熔化性溫度降低至最低點(diǎn)(l700~1725℃)，不利于濺渣護(hù)爐?！ ?/p>
(4)從濺渣護(hù)爐的觀點(diǎn)出發(fā)，最佳的爐渣成分控制為：
低堿度、低MgO含量區(qū)域(R=2.l~2.4；MgO≤4%、TFe=20%) 高堿度、低MgO含量區(qū)域(R=3.0~3.8；Mg0≥l2%、TFe=20%)
該區(qū)域內(nèi)，爐渣的熔化性溫度可達(dá)到1800~1870℃。
