基本介紹
- 中文名：高爐造渣
- 外文名：the slag formation in the blastfurnace
- 定義：將不雜誌質熔化成液態爐渣
- 爐渣分類：初渣、中間渣、終渣
- 影響：生鐵的品種和質量
- 熔劑選擇：一般採用鹼性熔劑
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基本介紹
礦石的脈石和焦炭的灰分多系SiO2、Al2O3等酸性氧化物，它們的熔點都很高，分別為1723℃和2060℃，不可能在高爐中熔化。由SiO2和化合物3Al2O3·2SiO2組成的共晶體，其熔化溫度仍然很高(約1545℃)，在高爐中只能形成非常黏稠的物質，難於流動，造成渣鐵不分。這樣，高爐冶煉就不能進行。為此需加入助熔物質——熔劑，如石灰石(CaCO3)、白雲石(CaCO3·MgCO3)等。儘管由石灰石、白雲石分解生成的鹼性氧化物CaO、MgO自身的熔化溫度也很高(CaO 2570℃，MgO2800℃)，但它們與SiO2和Al2O3結合生成的低熔點(<1400℃)化合物在高爐內能充分熔化，形成流動性良好的熔渣，並由於密度不同(鐵水6.8～7.0 g/cm，熔渣2.2～3.2 g/cm3)而與鐵水分離，使高爐冶煉得以正常進行。熔劑種類的選擇應針對礦石脈石和焦炭灰分的成分而定。由於一般情況下礦石脈石和焦炭灰分系酸性氧化物，所以主要採用鹼性熔劑。熔劑加入的方法有兩種：一種是將熔劑加到燒結礦或球團礦中;另一種是直接加到高爐內。現代高爐冶煉時，多採用自熔性燒結礦和球團礦，或高鹼度燒結礦與天然塊礦和酸性球團礦配合的爐料結構，熔劑已不再直接加入高爐或直接加入量已減至很小的程度。
作用
生鐵品種質量
高爐造渣對生鐵的品種和質量有著重大的影響和作用。通過造渣可控制爐渣的成分和性質，抑制一些元素的還原，或促進另一些元素的還原，達到富集元素，提高元素回收率。例如釩鈦磁鐵礦的冶煉中抑制Ti的還原，促進V的還原;又如高爐冶煉鐵合金時，提高Mn的回收率;在冶煉普通生鐵時，則控制Si的還原，使產品成為鑄造生鐵或煉鋼生鐵。造渣的另一個重要作用是脫硫，生產中可通過造渣選擇合適的爐渣鹼度控制生鐵中的含硫量。
爐襯
高爐造渣對爐襯有很大的影響和作用。中國包頭鐵礦石中含有CaF2，含CaF2熔渣對爐襯有強烈的侵蝕作用，為此高爐造渣時添加足夠的CaO，以防止爐渣的熔化性和粘度過低，削弱其侵蝕作用，以保護爐襯。近年來中國推廣了低鈦渣護爐法，即在高爐配料中加入含TiO2物料，使渣中TiO2含量達到2%～3%左右。由於TiO2還原生成的高熔點化合物TiC、TiN及Ti(C、N)在鐵液中的溶解度是有限的，它們自鐵液中析出和沉積，對爐缸、爐底的磚襯起到了保護作用。
冶煉過程
高爐造渣對冶煉過程極為重要，無論對爐內料柱透氣性、爐況的穩定順行和熱狀態等方面都有很大的影響。可以說：煉鐵就是煉渣，要煉好鐵就要煉好渣。爐渣的組成 高爐渣主要由酸性氧化物SiO2、Al2O3和鹼性氧化物CaO、MgO 4種成分組成。在用普通鐵礦石冶煉煉鋼生鐵的情況下，這4種成分之和在95%以上，另有少量的FeO、MnO和硫化物(CaS、MnS等)。在冶煉特殊礦石時，爐渣中還含有其他成分。例如，在冶煉攀枝花釩鈦磁鐵礦時，爐渣中含有20%～30%TiO2;(見釩鈦磁鐵礦的高爐冶煉)在冶煉含氟礦石時，爐渣中含有18%左右的CaF2;(見白雲鄂博礦的高爐冶煉)在冶煉錳鐵時，爐渣中含有較高的MnO。
造渣過程
高爐煉鐵是一個把固態鐵氧化物在高溫下還原成液態鐵水的過程。為了使高爐穩產高產、並能生產出優質鐵水,這需要有一個適當的爐渣形成過程,即鐵礦石中的脈石、燃料中的灰分以至熔劑中的各組分熔解後形成的液態爐渣要具有良好的性能。在軟熔帶,爐渣的形成是一個複雜的過程。從部分爐料的軟化開始,隨著不同爐料如熔劑、鐵礦石中的脈石以及直接還原和滲碳所消耗燃料中灰分組分的相互熔解,軟化熔融部分的數量逐漸增多,直至生成液態金屬和爐渣而滴落。在這個過程中,爐渣在化學成份和物理性能方面都發生了很大變化。物理方面,爐料逐漸從固態發生軟化、半熔化直至最後完全熔融,爐料的孔隙度降低,透氣性變差;化學方面,爐渣成份不僅依賴於入爐原料的化學成份,而且與到達軟熔帶時鐵礦石的還原度及入爐原料的分布有關。在爐渣形成階段主要發生兩個反應:a)鐵礦石中剩餘鐵氧化物的直接還原。b)熔劑在渣中的熔解使爐渣鹼度發生改變。這兩個反應導致了所生成的爐渣粘度和熔點的不穩定。
高爐內的爐料在下降過程中，其中焦炭始終保持固體狀態，除少部分碳素參加還原和生鐵滲碳外，絕大部分到達風口時才燃燒和氣化。爐料中的礦石和熔劑逐漸被上升的煤氣流加熱而發生還原、分解和固相反應，在達到一定溫度後就出現粘結，進而軟化和熔融成初渣。熔融的初渣在向下滴落過程中，其中FeO和MnO不斷被還原而減少，同時不斷地吸收熔劑中的CaO和MgO，以及隨煤氣流上升的焦炭燃燒後殘留的灰分，因而其化學成分在不斷變化著。當熔渣在爐缸中完成脫硫和還原反應以後，最後作為終渣定期地或連續地被排出爐外。20世紀50年代以來，特別是在70年代，日本等國家對高爐進行的解體研究，對查明爐內的造渣過程起到了十分重要的作用。
根據高爐解體研究的結果，高爐內的料柱結構由上而下可分為塊狀帶、軟熔帶、滴落帶等。在塊狀帶中，礦石和焦炭保持著原來的層狀結構而下降，隨著溫度的升高進行著還原、分解等固相反應，例如CaO與SiO2，SiO2與Fe3O4，CaO與Fe2O3，SiO2與FeO以及CaO與Al2O3之間都能進行著固相反應。隨著爐料的下降，固相反應生成的低熔點化合物首先呈現出少量的局部的熔化，即礦石開始軟化。隨著溫度的繼續升高和還原反應的繼續進行，液相不斷增多，最終完全熔融成為液相的爐渣向下流動。這個礦石開始軟化到完全熔融的區域，就是軟熔帶。在軟熔帶中礦石軟熔層和焦炭層仍保持層狀結構。煤氣主要是穿過焦炭層這個“焦窗”向上流動。
軟熔帶的形狀有倒V形、W形和V形三種，分別與高爐內煤氣流分布的中心氣流發展、邊緣和中心兩道氣流和邊緣氣流發展相對應。中國首鋼試驗高爐和日本廣畑1號高爐的軟熔帶屬倒V形，日本洞岡4號高爐的屬W形，前蘇聯葉那基耶夫426m高爐的屬V形。一般，軟熔帶形成的溫度為1100℃左右，完全熔化滴落的溫度為1400～1500℃。在軟熔帶中生成的液相爐渣，以珠狀和冰凌狀穿過軟熔帶下面焦炭區域(文獻中常稱之為死料柱)向下滴落。這個區域就是滴落帶。
爐渣分類
高爐爐渣按其在爐內形成過程可以分為初渣、中間渣和終渣。
初渣
指在高爐軟熔帶中剛開始出現的液態渣。其中含有較多的FeO和MnO。這是因為由礦石中Fe2O3、Fe3O4還原生成的FeO和由礦石中MnO2、Mn2O3、Mn3O4還原生成的MnO，易與SiO2結合成低熔點的矽酸鐵、矽酸錳。礦石的還原性愈差，或礦石在高爐上部的還原程度愈低，初渣的FeO含量就愈高。這是初渣與終渣在化學成分上的最大差別。
中間渣
指處於滴落過程中的，其成分和溫度在不斷變化著的液態渣。渣中FeO、MnO不斷被還原而減少。熔渣的流動性隨溫度的升高而增大。由於焦炭灰分的酸性組分主要是在風口處釋放後才被吸收，因而中間渣的鹼度常常比終渣高。實際上，中間渣就是在軟熔帶以下、風口水平以上的處於滴落過程中的爐腹渣。中間渣能否順利滴落通過焦炭層，取決於原料成分和爐溫的穩定。使用天然礦石冶煉時，尤其是在礦石成分波動大時，大量石灰石直接入爐，往往產生爐溫和中間渣成分的激烈波動，造成中間渣熔化性和黏度的激烈變化，導致爐況不順，難行、懸料、崩料甚至結瘤。使用成分穩定的自熔性熟料或使用高鹼度熟料加酸性料冶煉時，只要注意保持爐溫的穩定及爐料和煤氣流的合理分布，就可以基本排除以上弊病。焦炭是滴落帶中惟一的固態骨架物料，因而焦炭的冷態強度和熱態強度是保持中間渣順利滴落的基本條件。
終渣
指已經下達爐缸渣鐵積存區的液態渣。中間渣在降落過程中，其化學成分有一次重大變化。即吸收燃燒帶中焦炭和噴吹煤粉燃燒後殘留下來的灰分參與造渣，使渣中Al2O3和SiO2含量明顯升高，而CaO和MgO含量則相對降低。這樣的熔渣流入爐缸下部的渣鐵積存區，其成分和性質已基本穩定，不會再有明顯的變化。鐵滴穿過爐缸下部熔渣層以及熔渣層和鐵液層之間渣鐵界面上發生的脫硫反應和各種還原反應使熔渣成分發生一些相應的變化。但是這些變化對終渣成分影響都很小。一般泛稱的高爐渣就是指終渣。高爐操作者必須通過合理的配料，保證終渣具有適宜的成分和性質。
影響
高爐內煤氣流上升過程中受到阻力最大的區域是軟熔帶。根據實測數據，軟熔帶及其以下區域的煤氣壓差大約為全部壓差的60%～80%。因此，軟熔帶的位置、厚度、形狀等對高爐冶煉的順行、強化和煤氣的分布等有著重大的影響。
軟熔帶位置
軟熔帶的位置高，意味著透氣性差的軟熔帶及其以下區域向上延伸，將導致整個料柱透氣性變差;反之，軟熔帶的位置低，將會使整個料柱透氣性得到改善。此外，軟熔帶位置高，使在塊狀帶內進行的氣固相還原反應減少，造成初渣中FeO含量高。這種熔化溫度低、流動性好且未充分加熱的初渣，能以較快的速度降落到高爐下部高溫區，大量FeO的直接還原使下部消耗的熱量增多，導致焦比升高和產量下降。軟熔帶位置過低也不利於爐況順行。若礦石降落到爐腹部位才開始軟化，將會因爐腹斷面的收縮而使爐料卡塞，造成難行和懸料。因此，保持軟熔帶位置適當，對高爐冶煉的順行和強化是十分重要的。
軟熔帶厚度
軟熔帶愈薄，對上升煤氣流的阻力愈小，愈有利於高爐冶煉的順行和強化;反之，軟熔帶愈厚，上升煤氣流遇到的阻力愈大，愈不利於高爐冶煉的順行和強化。決定軟熔帶厚度的關鍵是礦石的軟熔性質。一般說來，與天然礦石相比較，自熔性和高鹼度的燒結礦和球團礦具有較高的開始軟化溫度和較窄的軟熔溫度區間;與低品位和高SiO2含量的礦石相比較，高品位和低SiO2含量的礦石具有較高的開始軟化溫度和較窄的軟熔溫度區間。故而高爐使用自熔性燒結礦和球團礦，將使軟熔帶變薄，有利於改善料柱透氣性，有利於高爐冶煉的順行和強化。當使用天然礦石的品種較多時，由於各種礦石的還原性質和軟熔性質的不同，也將使軟熔帶變厚，從而不利於爐況順行和強化。
軟熔帶形狀
軟熔帶的形狀對高爐內煤氣流的分布，煤氣熱能和化學能的利用以及高爐冶煉的順行和強化十分重要。倒V形軟熔帶，促進中心氣流發展，有利於活躍中心，使燃燒帶產生的煤氣易於穿過中心焦炭柱，並橫向穿過軟熔帶的焦窗，折射向上，因而有利於降低高爐內煤氣流壓差和改善煤氣流的二次分布，提高煤氣熱能和化學能的利用率。同時，由於邊緣煤氣流相對減弱，可減輕其對爐襯的沖刷並降低爐襯承受的熱負荷。V形軟熔帶則與之相反，是中心過重而邊緣煤氣流過分發展的結果。在這種情況下，中心爐料堆積，料柱透氣性差，煤氣流壓差升高;大量煤氣從邊緣通過，極不利於煤氣能量的利用，對爐襯的破壞也十分嚴重。W形軟熔帶是適當發展中心和邊緣兩道煤氣流的結果，是長時期來，在原料不精，上下部調節手段少的情況下高爐操作的傳統形式。在這種情況下，高爐能保持順行，但冶煉的技術經濟指標達不到最好的水平，尤其是焦比偏高，已不能滿足大型高爐進一步強化和降低燃料比的要求。
造渣過程穩定
無論使用生礦或熟礦，保持穩定的造渣過程是高爐冶煉順行和強化所必須的。高爐內造渣過程的劇烈波動，必然導致爐況不順，嚴重時將出現爐況難行、懸料(見懸料與坐料)等現象。造成爐內造渣過程不穩定的原因主要有兩個方面。一是原燃料品種、質量不穩定；二是高爐操作制度波動或發生設備事故等。因為不論是入爐礦石的品位、性質、粒度組成和配比等經常性的波動或變化，還是操作制度的變動或失誤均必然引起爐內軟熔帶位置、厚度和形狀的波動或變化，從而破壞爐況順行和煤氣流的合理分布。
渣量
礦石品位低，高爐冶煉時生成的噸鐵渣量大，不但使焦比升高，而且由於高爐下部渣焦比的增大，使軟熔帶和滴落帶的透氣性降低，不利於高爐冶煉的順行、強化以及噴吹燃料。因此，提高礦石品位，減少渣量，不僅可以降低焦比，而且可增加噴吹燃料量，提高冶煉技術經濟指標。
造渣與結瘤
高爐結瘤的根本原因之一是正常的造渣過程受到嚴重的破壞。不同FeO含量和不同鹼度的初渣，其抵抗溫度和成分急劇變化而保持穩定的能力是不同的。高FeO含量的初渣，當溫度急劇升高使FeO被大量迅速還原時，爐渣的熔化性急劇升高，已熔化的初渣會重新凝固，嚴重時會粘結於爐牆，結成鐵質爐瘤。如此反覆，爐瘤愈長愈大，從而破壞高爐的正常生產。若爐頂裝料時石灰石被集中裝到爐牆邊緣處，造成初渣鹼度局部增高也會使已熔化的初渣重新凝固，嚴重時結成石灰質爐瘤。
爐渣性能
包括其化學性能和物理性能。化學性能指爐渣鹼度、組分的活度、脫硫性能(見高爐脫硫)和排鹼性能(見爐渣排鹼)等，物理性能指爐渣熔化性、流動性、表面性能和爐渣穩定性等。
鹼度
通常用爐渣中鹼性氧化物與酸性氧化物的質量百分數的比值表示。爐渣中CaO/SiO2的比值稱為鹼度或二元鹼度;(CaO+MgO)/SiO2的比值稱為總鹼度或三元鹼度;而(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)的比值稱為全鹼度或四元鹼度。爐渣鹼度是爐渣的一個特性指數。在一定的冶煉條件下，Al2O3和MgO含量相對穩定。為簡便起見，實際生產中通常採用二元鹼度。在普通礦石冶煉的情況下，習慣上把CaO/SiO2>1的爐渣稱為鹼性渣，CaO/SiO2<1的爐渣稱為酸性渣。爐渣鹼度的選擇主要根據礦石的成分、冶煉鐵種對爐渣性質的要求而定。它對高爐爐況和生鐵質量有很大的影響。
熔化性
指爐渣熔化的難易程度，可用熔化溫度和熔化性溫度兩個指標來表示。熔化溫度是爐渣加熱過程中固相完全消失的溫度，或液態爐渣在冷卻過程中開始析出固相的溫度。它影響軟熔帶與滴落帶的界面位置。高爐冶煉過程要求適當的熔化溫度，如果這一溫度過高，表明爐渣過分難熔，在冶煉所能達到的溫度下只能達到半熔融、半流動的狀態，爐料粘結成糊狀，煤氣很難通過，造成爐況難行、渣鐵不分等。這一溫度過低，物料在固態時受熱就不足，熔滴溫度過低，使爐缸高溫熱量消耗過多，影響難還原元素的還原和渣鐵溫度，以及產品的質量。
高爐冶煉要求爐渣熔化後必須具有良好的流動性，但是一些爐渣在達到熔化溫度以上時流動性並不好。因此生產上用爐渣可以自由流動的最低溫度，即熔化性溫度來表示爐渣的熔化性。它把熔化溫度和流動性兩者聯繫在一起，通過測定爐渣在不同溫度下的黏度，畫出黏度-溫度曲線，然後用45°切線的切點確定熔化性溫度。實際生產中高爐渣的熔化性溫度常為1250～1350℃，控制適宜的熔化性溫度，並相應地控制適宜的爐溫水平，有利於高爐順行、強化冶煉和降低燃料比。
黏度
具有不同流動速度的各液層間的內摩擦力，常以η表示，其物理意義是，在單位面積上相距單位距離的兩液層之間，為維持單位速度差所必須克服的內摩擦力，以Pa·s(N·s/m2)為單位。它是說明爐渣流動性的參數，與流動性互為倒數。在正常冶煉情況下，適宜的高爐渣黏度範圍在0.5～2Pa·s之間。影響爐渣黏度的主要因素是溫度和爐渣成分。一般，爐渣黏度隨溫度的升高而降低，其變化規律由實驗測得的η-t曲線表示。在一定的溫度下，爐渣黏度主要決定於化學成分。對於通常的CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元系高爐渣來說，最低黏度區處於二元鹼度為0.8～1.2、三元鹼度為1.2～1.4的情況。隨渣中SiO2含量的增加，爐渣黏度不斷升高。CaO對爐渣黏度的影響與SiO2相反。在冶煉溫度超過爐渣熔化性溫度的條件下，隨著渣中CaO含量的增加，爐渣黏度逐漸降低，直至達到最低黏度值。超過最低黏度區再繼續增加CaO或減少SiO2，將引起黏度的急劇升高。其原因是渣中CaO含量過高，爐渣二元鹼度過大，致使在一定的冶煉溫度下爐渣不能完全熔化成均一的液相，在液相中懸浮著固相顆粒所致。MgO對爐渣黏度的影響與CaO相似。在一定的範圍內增加MgO含量可以降低爐渣黏度。當保持CaO/SiO2比值不變而增加MgO時，這種作用很明顯。當保持(CaO+MgO)/SiO2不變而以MgO代替CaO時，這種作用就有所降低。爐渣中的MgO含量不宜過大，否則會由於熔化性溫度的升高而使黏度升高。在鹼度和MgO含量相同的情況下，爐渣黏度隨著渣中Al2O3含量的增加而升高。一般高爐終渣中FeO和MnO含量很少(0.5%左右)，對爐渣黏度影響不大。但在初渣和中間渣中FeO含量較高，且波動範圍較大，因而影響很大。無論爐渣鹼度如何，在FeO低於25%時增加FeO含量會顯著地降低爐渣的在MnO含量低於15%時增加MnO含量，同樣顯著地降低爐渣的熔化性和黏度。黏稠的初渣和中間渣能堵塞固體焦炭顆粒間的空隙，惡化料柱透氣性，阻礙高爐的順行，嚴重時引起爐況難行和懸料，影響冶煉過程的強化，且易在爐牆上黏結，甚至結瘤。黏稠的終渣造成爐缸堆積，爐牆結厚，風口和渣口大量燒壞，出渣時渣流不暢，且渣中帶鐵嚴重影響高爐的正常生產。黏度過低，流動性太大的爐渣，尤其是熔化性也過低的爐渣，如含氟爐渣，則會加劇對高爐下部爐襯的化學侵蝕和機械沖刷作用，加劇爐襯的破壞。
爐渣黏度適中方能保證料柱良好的透氣性，保護爐襯，活躍爐缸，渣鐵暢流，保證爐況順行和冶煉強化，而且也有利於渣鐵之間的脫硫反應和各種還原反應的進行，獲得良好的技術經濟指標。
穩定性
指爐渣的化學成分或溫度波動時其物理性質(熔化性溫度、粘度等)保持穩定的能力。化學穩定性好的爐渣當其化學成分波動時物理性質變化不大或保持在允許範圍內;熱穩定性好的爐渣當溫度波動時其物理性質變化不大或保持在允許範圍內。採用穩定性良好的爐渣冶煉，有利於爐況順行和冶煉的強化，也有利於在爐襯上結成穩定的渣皮，保護爐襯，獲得良好的技術經濟指標。穩定性差的爐渣在原料成分波動或爐溫波動時，易造成爐況失常，如難行、懸料、崩料、結瘤或磚襯破壞等。
