镍转炉溅渣护炉热态模拟

D0L:10.13374h.issn1001-053x.2011.04.018 第33卷第4期 北京科技大学学报 Vol.33 No.4 2011年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2011 镍转炉溅渣护炉热态模拟 马德刚四 陈伟庆郝占全 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:madegang02@yahoo.com.cn 摘要为将溅渣护炉技术应用于炼镍转炉，在实验室镁铬质坩埚中进行了热态模拟溅渣实验.结果表明：F0一F20一 SiO2MgO0渣系为镍转炉溅渣护炉的合理渣型，增加渣中Mg0和F©0，含量可以明显提高炉渣熔化温度，相应渣中高熔点相 铁镁橄榄石和磁铁矿显著增加，采用此类炉渣溅渣可在镁铬砖内壁形成高熔点的溅渣层：溅渣后坩埚内壁的溅渣层由反应层 和挂渣层组成，其中反应层物相为镁铁固溶体和镁铬铁铝尖晶石，挂渣层主要由铁镁橄榄石和磁铁矿组成.溅渣时采用空气 喷吹可增加渣中Fe,O,,适合作为溅渣气源. 关键词炼镍；转炉：溅渣：热分析 分类号TF806.2 Thermal simulation of slag splashing in a nickel converter MA De-gang,CHEN Wei-qing,HAO Zhan-quan School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083.China Corresponding author.E-mail:madegang02@yahoo.com.cn ABSTRACT In order to apply the technology of slag splashing into a nickel smelting converter,the thermal simulation of slag splas- hing in a nickel converter was carried out with a Mg-Cr crucible in the laboratory.The results show that the FeO-Fe,O,SiO,Mgo sys- tem is a reasonable slag type for slag splashing,increasing the contents of Mgo and Fe2O,in the slag can remarkably raise the molten temperature,and accordingly,such high melting phases as ferrohortonolite and magnetite increase dramatically.The slag splashing lay- er with high melting temperature can be formed by means of such a kind of slag.The inner surface of the crucible includes a reaction layer and a slag sticking layer.Phases in the reaction zone are Mg-Fe solid solution and Mg-Cr-Fe-Al spinal,while phases in the slag sticking layer are ferrohortonolite and magnetite.The Fe,O,content can be increased by air injection,which is an ideal gas for slag splashing. KEY WORDS nickel smelting:converters;slag splashing:thermal analysis 将低冰镍吹炼成高冰镍通常采用卧式空气侧吹 渣护炉的合理渣型、溅渣气源的选择和溅渣层的形 转炉，而炼镍转炉炉龄一直处于较低的水平，现有工. 成机理进行了研究，以便为该项技术的工业应用提 艺条件下镍转炉平均大修炉役不足350炉次.目 供理论依据. 前，国内外提高镍转炉炉龄主要依靠改善耐火砖质 量、改造转炉炉型结构和优化生产过程等手段). 1实验方法 炼钢转炉溅渣护炉技术已获得广泛应用，炉龄 1.1实验炉渣 得到大幅度提高.由于镍转炉在炉型、吹炼方式和 实验所用炉渣的化学成分如表1所示，其中镍 渣型等方面的特殊性，镍转炉溅渣护炉的研究工作 原渣取自镍转炉生产现场，改质渣由镍原渣添加 在国内外仍为空白.为配合金川公司镍转炉溅渣护 Mg0化学试剂配制. 炉技术的开发，笔者利用取自现场的镍转炉渣，在实 1.2实验方法 验室进行了溅渣护炉热态模拟实验，并对镍转炉溅 溅渣实验在碳管炉内进行，采用镍转炉炉衬使 收稿日期：2010-0601

第 33 卷 第 4 期 2011 年 4 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 4 Apr． 2011 镍转炉溅渣护炉热态模拟 马德刚 陈伟庆 郝占全 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083  通信作者，E-mail: madegang02@ yahoo． com． cn 摘 要 为将溅渣护炉技术应用于炼镍转炉，在实验室镁铬质坩埚中进行了热态模拟溅渣实验． 结果表明: FeO--Fe2O3 -- SiO2 --MgO 渣系为镍转炉溅渣护炉的合理渣型，增加渣中 MgO 和 Fe2O3 含量可以明显提高炉渣熔化温度，相应渣中高熔点相 铁镁橄榄石和磁铁矿显著增加，采用此类炉渣溅渣可在镁铬砖内壁形成高熔点的溅渣层; 溅渣后坩埚内壁的溅渣层由反应层 和挂渣层组成，其中反应层物相为镁铁固溶体和镁铬铁铝尖晶石，挂渣层主要由铁镁橄榄石和磁铁矿组成． 溅渣时采用空气 喷吹可增加渣中 Fe2O3，适合作为溅渣气源． 关键词 炼镍; 转炉; 溅渣; 热分析 分类号 TF806. 2 Thermal simulation of slag splashing in a nickel converter MA De-gang ，CHEN Wei-qing，HAO Zhan-quan School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: madegang02@ yahoo． com． cn ABSTRACT In order to apply the technology of slag splashing into a nickel smelting converter，the thermal simulation of slag splas￾hing in a nickel converter was carried out with a Mg-Cr crucible in the laboratory． The results show that the FeO-Fe2O3-SiO2-MgO sys￾tem is a reasonable slag type for slag splashing，increasing the contents of MgO and Fe2O3 in the slag can remarkably raise the molten temperature，and accordingly，such high melting phases as ferrohortonolite and magnetite increase dramatically． The slag splashing lay￾er with high melting temperature can be formed by means of such a kind of slag． The inner surface of the crucible includes a reaction layer and a slag sticking layer． Phases in the reaction zone are Mg-Fe solid solution and Mg-Cr-Fe-Al spinal，while phases in the slag sticking layer are ferrohortonolite and magnetite． The Fe2O3 content can be increased by air injection，which is an ideal gas for slag splashing． KEY WORDS nickel smelting; converters; slag splashing; thermal analysis 收稿日期: 2010--06--01 将低冰镍吹炼成高冰镍通常采用卧式空气侧吹 转炉，而炼镍转炉炉龄一直处于较低的水平，现有工 艺条件下镍转炉平均大修炉役不足 350 炉次． 目 前，国内外提高镍转炉炉龄主要依靠改善耐火砖质 量、改造转炉炉型结构和优化生产过程等手段［1--7］． 炼钢转炉溅渣护炉技术已获得广泛应用，炉龄 得到大幅度提高． 由于镍转炉在炉型、吹炼方式和 渣型等方面的特殊性，镍转炉溅渣护炉的研究工作 在国内外仍为空白． 为配合金川公司镍转炉溅渣护 炉技术的开发，笔者利用取自现场的镍转炉渣，在实 验室进行了溅渣护炉热态模拟实验，并对镍转炉溅 渣护炉的合理渣型、溅渣气源的选择和溅渣层的形 成机理进行了研究，以便为该项技术的工业应用提 供理论依据． 1 实验方法 1. 1 实验炉渣 实验所用炉渣的化学成分如表 1 所示，其中镍 原渣取自镍转炉生产现场，改质渣由镍原渣添加 MgO 化学试剂配制． 1. 2 实验方法 溅渣实验在碳管炉内进行，采用镍转炉炉衬使 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.04.018

第4期 马德刚等：镍转炉溅渣护炉热态模拟 ·487· 用的镁铬砖制成内径为中35mm、高度为100mm的 内壁各部位溅渣层厚度，同一高度不同位置多次测 坩埚.实验时将200g炉渣放入坩埚中，并升温至 量取平均值.炉渣熔化温度的测定采用半球法测 1250℃恒温20min使熔渣熔化均匀，然后将内径为 定.实验前后炉渣物相组成以及坩埚壁溅渣层物相 5mm的钢管喷枪插入熔渣液面以下喷吹空气（或 组成采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)及 氨气)进行溅渣，溅渣结束后将坩埚取出在空气中 能谱分析仪测定.溅渣实验方案和实验过程主要参 冷却. 数如表2所示. 将实验后的坩埚沿中心线纵向切开，测量坩埚 表1实验用炉渣化学成分 Table 1 Chemical composition of tested slags 质量分数/% 类型 TFe/SiO, Si02 Ca0 Mgo TFe FeO Fe203 镍原渣 25.53 0.50 0.76 51.17 62.58 3.61 1.48 2.01 改质渣 24.44 0.48 5.00 48.98 59.90 3.46 1.42 2.00 表2溅渣实验方案和结果 Table 2 Test scheme of slag splashing 编号 炉渣类型 喷吹气体 炉渣温度/℃ 气体流量/(mL'min-) 气体压力/MPa 溅渣时间/min 1 镍原渣 空气 1250 0.5-3.0 1w1.5 15 2 MgO改质渣 空气 1250 0.5-3.0 1-1.5 5 3 MgO改质渣 氨气 1250 0.53.0 1-1.5 15 2实验结果与分析 2.1溅渣层形貌 溅渣实验后坩埚内壁如图1所示.可以发现坩 埚内壁表面形成一层溅渣层.自坩埚顶向下明显分 为3个区域：上部、中部及下部溅渣层区.上部溅渣 层疏松，呈灰黑色，厚度约为1.8mm;中部溅渣层结 构比较致密，约为2.3mm;下部（坩埚1/2高度处） 溅渣层致密，呈红棕色，厚度约为3.0mm.坩埚壁溅 渣层出现上下的厚度差异一是由于溅到坩埚上部的 图1溅渣后坩埚内壁 液态炉渣从坩埚壁表面向下流淌，因而炉渣与坩埚 Fig.1 Inner surface of the crucible after slag splashing 壁上部反应不充分；二是由于坩埚壁下部炉渣反复 冲击坩埚壁且反应充分，随溅渣进行，渣中Mg0和 的Mg0质量分数仅为0.76%，空气喷吹镍原渣溅渣 磁铁矿逐渐增加，渣的黏度和熔化温度也逐渐升高， 后Mg0增至10.32%，增加幅度达9.56%：改质渣 溅渣高度也逐渐降低，导致下部溅渣层较厚.溅渣 溅后渣中Mg0增幅不足5%.说明溅渣前的渣中需 层物相研究表明：上部挂渣层主要是炉渣的典型矿 要加入接近饱和的MgO,以防溅渣时对炉衬中MgO 物铁镁橄榄石和磁铁矿，说明上部溅渣层主要是机 的溶解.②溅后渣中Fe203含量不同程度增加.空 械黏附；下部溅渣层由挂渣层和反应层构成，说明下 表3溅渣后炉渣化学成分（质量分数） 部溅渣层由机械黏附和化学结合构成. Table 3 Chemical composition of slag after test % 2.2溅渣前后炉渣成分及性能变化 炉渣类型和 编号 Mgo TFe Fe0 Fe203 2.2.1溅渣前后炉渣化学成分变化 气体类型 溅渣后残余在坩埚内炉渣的化学成分如表3所 1镍原渣+空气10.32 52.27 59.28 8.85 示.可以看出，①溅后渣中Mg0均明显升高，Mg0 2 改质渣+空气 8.54 47.75 56.80 5.14 质量分数增至8.5%~10.3%：尽管溅渣前镍原渣 3 改质渣+氮气 9.78 47.33 57.16 4.14

第 4 期 马德刚等: 镍转炉溅渣护炉热态模拟 用的镁铬砖制成内径为 35 mm、高度为 100 mm 的 坩埚． 实验时将 200 g 炉渣放入坩埚中，并升温至 1 250 ℃恒温 20 min 使熔渣熔化均匀，然后将内径为 5 mm 的钢管喷枪插入熔渣液面以下喷吹空气( 或 氮气) 进行溅渣，溅渣结束后将坩埚取出在空气中 冷却． 将实验后的坩埚沿中心线纵向切开，测量坩埚 内壁各部位溅渣层厚度，同一高度不同位置多次测 量取平均值． 炉渣熔化温度的测定采用半球法测 定． 实验前后炉渣物相组成以及坩埚壁溅渣层物相 组成采用 X 射线衍射仪( XRD) 、扫描电镜( SEM) 及 能谱分析仪测定． 溅渣实验方案和实验过程主要参 数如表 2 所示． 表 1 实验用炉渣化学成分 Table 1 Chemical composition of tested slags 类型 质量分数/% SiO2 CaO MgO TFe FeO Fe2O3 S TFe /SiO2 镍原渣 25. 53 0. 50 0. 76 51. 17 62. 58 3. 61 1. 48 2. 01 改质渣 24. 44 0. 48 5. 00 48. 98 59. 90 3. 46 1. 42 2. 00 表 2 溅渣实验方案和结果 Table 2 Test scheme of slag splashing 编号 炉渣类型 喷吹气体 炉渣温度/℃ 气体流量/( mL·min － 1 ) 气体压力/MPa 溅渣时间/min 1 镍原渣 空气 1 250 0. 5 ～ 3. 0 1 ～ 1. 5 15 2 MgO 改质渣 空气 1 250 0. 5 ～ 3. 0 1 ～ 1. 5 15 3 MgO 改质渣 氮气 1 250 0. 5 ～ 3. 0 1 ～ 1. 5 15 2 实验结果与分析 2. 1 溅渣层形貌 溅渣实验后坩埚内壁如图 1 所示． 可以发现坩 埚内壁表面形成一层溅渣层． 自坩埚顶向下明显分 为 3 个区域: 上部、中部及下部溅渣层区． 上部溅渣 层疏松，呈灰黑色，厚度约为 1. 8 mm; 中部溅渣层结 构比较致密，约为 2. 3 mm; 下部( 坩埚 1 /2 高度处) 溅渣层致密，呈红棕色，厚度约为3. 0 mm． 坩埚壁溅 渣层出现上下的厚度差异一是由于溅到坩埚上部的 液态炉渣从坩埚壁表面向下流淌，因而炉渣与坩埚 壁上部反应不充分; 二是由于坩埚壁下部炉渣反复 冲击坩埚壁且反应充分，随溅渣进行，渣中 MgO 和 磁铁矿逐渐增加，渣的黏度和熔化温度也逐渐升高， 溅渣高度也逐渐降低，导致下部溅渣层较厚． 溅渣 层物相研究表明: 上部挂渣层主要是炉渣的典型矿 物铁镁橄榄石和磁铁矿，说明上部溅渣层主要是机 械黏附; 下部溅渣层由挂渣层和反应层构成，说明下 部溅渣层由机械黏附和化学结合构成． 2. 2 溅渣前后炉渣成分及性能变化 2. 2. 1 溅渣前后炉渣化学成分变化 溅渣后残余在坩埚内炉渣的化学成分如表 3 所 示． 可以看出，①溅后渣中 MgO 均明显升高，MgO 质量分数增至 8. 5% ～ 10. 3% ; 尽管溅渣前镍原渣 图 1 溅渣后坩埚内壁 Fig． 1 Inner surface of the crucible after slag splashing 的 MgO 质量分数仅为 0. 76% ，空气喷吹镍原渣溅渣 后 MgO 增至 10. 32% ，增加幅度达 9. 56% ; 改质渣 溅后渣中 MgO 增幅不足 5% ． 说明溅渣前的渣中需 要加入接近饱和的 MgO，以防溅渣时对炉衬中 MgO 的溶解． ②溅后渣中 Fe2O3 含量不同程度增加． 空 表 3 溅渣后炉渣化学成分( 质量分数) Table 3 Chemical composition of slag after test % 编号 炉渣类型和 气体类型 MgO TFe FeO Fe2O3 1 镍原渣 + 空气 10. 32 52. 27 59. 28 8. 85 2 改质渣 + 空气 8. 54 47. 75 56. 80 5. 14 3 改质渣 + 氮气 9. 78 47. 33 57. 16 4. 14 ·487·

·488 北京科技大学学报 第33卷 气喷吹条件下溅后渣中Fe,O3的质量分数增幅较大 状磁铁矿共同析出，另外还有少量的金属硫化物 (增加5.24%)；而氨气喷吹改质渣条件下Fe203含 夹裹在基体中，其中磁铁矿晶粒大小为20~50 量增幅较小，仅为0.68%.说明空气喷吹可氧化渣 μm,体积分数约为15%；②溅后渣的物相主要为 中Fe0生成Fe,O3.炉渣由溅渣前的FeO-SiO2系变 铁镁橄榄石和磁铁矿等，其中磁铁矿晶粒大小为 化成为Fe0-fe203Si02-Mg0系. 10~20μm,约占30%.溅后渣高熔点相铁镁橄榄 2.2.2溅渣前后炉渣物相变化 石由溅前渣低熔点相铁橄榄溶解部分MgO而形 XRD结果表明：溅前渣中物相为Fe,SiO,和 成，同时被置换出的FeO氧化成为高熔点磁铁矿， FeO4,溅后渣中主要物相为铁镁橄榄石(Fe, 块状磁铁矿受到气体冲击作用破碎成为粒度细小 Mg),SiO,和磁铁矿Fe3O,·SEM照片如图2所示. 而均匀的“骨架”分布在基体铁镁橄榄石中.另 结合渣中物相的能谱分析结果，可以看出：①溅前渣 外，在溅后渣中还发现块状未充分溶解的Mg0,如 的物相主要为铁橄榄石，片状铁橄榄石共品体和柱 图2(c)所示. 1,3一铁橄使石：2一磁铁矿：4一金属硫化物：5一铁镁橄榄石 图2溅渣前后炉渣SEM照片.(a)溅前渣；(b)溅后渣：(c)溅后渣中未熔Mg0 Fig.2 SEM images of slags before and after slag splashing:(a)before slag splashing:(b)after slag splashing:(c)undissolved Mgo in slag after slag splashing 2.2.3溅渣前后炉渣熔化温度变化 1500 溅渣前后的炉渣熔化温度对比情况如图3所 ☐镶原清 1460 1450 回原渣+空气 示.可以看出，溅后渣半球点温度分别为1416、 1400 四四改质清+空汽14斯 1314和1293℃，均高于正常吹炼最高炉温 国改质清+氢气 21350 130 (1250℃).与溅前渣相比，溅后渣半球点温度均有 较大幅度提高，增幅分别达232、130和109℃.空气 61250 喷吹镍原渣实验的溅后渣半球点温度最高，由表3 1200 可知，此炉渣的Mg0和FezO3含量最高，说明渣中 I184 1150. 142 增加Mg0或磁铁矿均可提高炉渣熔化温度.文 1100 献[89]认为，炉渣黏度随Mg0和FezO3增加而增 软熔点 车球点 流动点 大，适当提高黏度有助于炉渣与耐火砖的黏结，溅渣 图3溅渣前后炉渣熔化性能对比 Fig.3 Comparison of slag melting prosperities before and after slag 实验后观察到坩埚内壁有明显黏渣 splashing 为研究Mg0和Fe,O3对炉渣熔化温度的影响， 分别在实验室向镍转炉原渣（表1）中添加不同含量 镁铬铝尖晶石组成：反应层的物相组成和结构为脱 Mg0和在生产现场取不同Fe,0,含量的镍转炉渣 溶镁铬铁尖晶石呈细小、弥散态分布于镁铁固溶体 (渣中Mg0质量分数相近，为1%~2%)，测定其熔 中，尖晶石周围多数伴有气孔存在：挂渣层主要由铁 化温度，结果如图4所示.可以看出，增加渣中Mg0 镁橄榄石和磁铁矿晶粒组成. 和FezO3含量，可显著提高炉渣的半球点温度，这与 不同气体溅渣条件下坩埚壁物相结构特点有明 热力学计算结果相吻合 显的差异：)空气喷吹镍原渣条件下，在原砖层和反 2.3溅渣层结构及物相组成 应层之间存在一个明显的渗透层带，物相组成主要 坩埚壁溅渣层的物相如图5所示.结合炉渣的 为铁镁橄榄石和镁铁固溶体；空气喷吹改质渣条件 能谱分析结果可以看出，坩埚壁沿径向分为原砖层、 下，反应层十分发达：反应层附近的挂渣层中，磁铁 反应层和挂渣层三个层带.原砖层主要由方镁石和 矿的粒度和数量较多.②氨气喷吹改质渣条件下

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 气喷吹条件下溅后渣中 Fe2O3 的质量分数增幅较大 ( 增加 5. 24% ) ; 而氮气喷吹改质渣条件下 Fe2O3 含 量增幅较小，仅为 0. 68% ． 说明空气喷吹可氧化渣 中 FeO 生成 Fe2O3 ． 炉渣由溅渣前的 FeO--SiO2 系变 化成为 FeO--Fe2O3 --SiO2 --MgO 系． 2. 2. 2 溅渣前后炉渣物相变化 XRD 结果表明: 溅前渣中物相为 Fe2 SiO4 和 Fe3O4，溅 后 渣 中 主 要 物 相 为 铁 镁 橄 榄 石 ( Fe， Mg) 2 SiO4和磁铁矿 Fe3O4 ． SEM 照片如图 2 所示． 结合渣中物相的能谱分析结果，可以看出: ①溅前渣 的物相主要为铁橄榄石，片状铁橄榄石共晶体和柱 状磁铁矿共同析出，另外还有少量的金属硫化物 夹裹在基体中，其中磁铁矿晶粒大小为 20 ～ 50 μm，体积分数约为 15% ; ②溅后渣的物相主要为 铁镁橄榄石和磁铁矿等，其中磁铁矿晶粒大小为 10 ～ 20 μm，约占 30% ． 溅后渣高熔点相铁镁橄榄 石由溅前渣低熔点相铁橄榄溶解部分 MgO 而形 成，同时被置换出的 FeO 氧化成为高熔点磁铁矿， 块状磁铁矿受到气体冲击作用破碎成为粒度细小 而均匀的“骨架”分布在基体铁镁橄榄石中． 另 外，在溅后渣中还发现块状未充分溶解的 MgO，如 图 2( c) 所示． 图 2 溅渣前后炉渣 SEM 照片 . ( a) 溅前渣; ( b) 溅后渣; ( c) 溅后渣中未熔 MgO Fig． 2 SEM images of slags before and after slag splashing: ( a) before slag splashing; ( b) after slag splashing; ( c) undissolved MgO in slag after slag splashing 2. 2. 3 溅渣前后炉渣熔化温度变化 溅渣前后的炉渣熔化温度对比情况如图 3 所 示． 可以看出，溅后渣半球点温度分别为 1 416、 1 314 和 1 293 ℃，均 高 于 正 常 吹 炼 最 高 炉 温 ( 1 250 ℃ ) ． 与溅前渣相比，溅后渣半球点温度均有 较大幅度提高，增幅分别达 232、130 和 109 ℃ ． 空气 喷吹镍原渣实验的溅后渣半球点温度最高． 由表 3 可知，此炉渣的 MgO 和 Fe2O3 含量最高，说明渣中 增加 MgO 或磁铁矿均可提高炉渣熔化温度． 文 献［8--9］认为，炉渣黏度随 MgO 和 Fe2O3 增加而增 大，适当提高黏度有助于炉渣与耐火砖的黏结，溅渣 实验后观察到坩埚内壁有明显黏渣． 为研究 MgO 和 Fe2O3 对炉渣熔化温度的影响， 分别在实验室向镍转炉原渣( 表 1) 中添加不同含量 MgO 和在生产现场取不同 Fe2O3 含量的镍转炉渣 ( 渣中 MgO 质量分数相近，为 1% ～ 2% ) ，测定其熔 化温度，结果如图 4 所示． 可以看出，增加渣中 MgO 和 Fe2O3 含量，可显著提高炉渣的半球点温度，这与 热力学计算结果相吻合． 2. 3 溅渣层结构及物相组成 坩埚壁溅渣层的物相如图 5 所示． 结合炉渣的 能谱分析结果可以看出，坩埚壁沿径向分为原砖层、 反应层和挂渣层三个层带． 原砖层主要由方镁石和 图 3 溅渣前后炉渣熔化性能对比 Fig． 3 Comparison of slag melting prosperities before and after slag splashing 镁铬铝尖晶石组成; 反应层的物相组成和结构为脱 溶镁铬铁尖晶石呈细小、弥散态分布于镁铁固溶体 中，尖晶石周围多数伴有气孔存在; 挂渣层主要由铁 镁橄榄石和磁铁矿晶粒组成． 不同气体溅渣条件下坩埚壁物相结构特点有明 显的差异: ①空气喷吹镍原渣条件下，在原砖层和反 应层之间存在一个明显的渗透层带，物相组成主要 为铁镁橄榄石和镁铁固溶体; 空气喷吹改质渣条件 下，反应层十分发达; 反应层附近的挂渣层中，磁铁 矿的粒度和数量较多． ②氮气喷吹改质渣条件下， ·488·

第4期 马德刚等：镍转炉溅渣护炉热态模拟 ·489· 1340 1280r E1300 1260 120 1240 1220 180 9 12 15 11806 10152025 流中M0质量分数% 清中F,0,质量分数% 图4炉渣半球点温度与渣中Mg0和F2O3含量的关系 Fig.4 Relations of hemisphere temperature to Mgo and Fe,O;contents 方镁石 磁铁矿 镁铬尖品石 铁镁嫩镜石 M0-F0溶体 1g0-FO固溶体 5 um 图5坩埚壁溅渣层SEM照片.(a)从左至右：原砖层→反应层→挂渣层：(b)反应层 Fig.5 SEM images of the slag splashing layer on the crucible wall:(a)original brick-reaction layer-slag sticking layer,from left to right;(b)re- action layer 炉渣渗透较为微弱，反应层薄：反应层附近的磁铁矿 过化学结合具有良好的强度，因此可以较好地抵抗 粒度小，数量明显少于空气喷吹条件 炉渣的冲刷作用；最后，溅渣层可以有效减少流动性 2.4溅渣层形成机理 良好的炉渣对砖衬本体渗透和化学破坏作用.同 溅渣初期，在气流带动作用下，流动性良好的炉 理，溅渣层也可以降低冰镍向砖体的渗透和冲刷 渣反复冲击坩埚壁，并沿坩埚壁表面显微裂纹、气孔 3合理的溅渣渣型和喷吹气体探讨 及晶间等渗入.坩埚壁耐火材料中Mg0与炉渣中 F©0反应生成镁铁固溶体，附着于耐材表面的铁氧 为了研究Mg0和Fe,O,对镍转炉炉渣性能的影 化物固溶于尖晶石，并破坏其结构，最终镁铁固溶体 响及炉渣改质基础，采用Factsage软件计算了FeO- 与脱溶的细小镁铬铁尖晶石形成反应层. Fe,03SiO2-Mg0系不同Mg0及Fe30,含量的炉渣 反应层形成后，熔渣在其表面不断冷凝沉积形 液相组成，并进行了分析.设定Compound Species 成表面的挂渣层.在预先加入Mg0或渣中溶入 和Solution Species分别为Solid和Fact-Slag液渣数 Mg0的条件下，炉渣熔化温度和黏度都会提高；当 据库，采用Equilib模块中Normal算法.计算初始条 炉渣中吹入空气时，渣中Fe0被氧化成FezO,生成 件：压力101kPa,温度从1100℃到1400℃，步长为 磁铁矿也会提高炉渣熔化温度：最后形成以磁性矿 20℃，每个渣样得到16组热力学平衡数据.计算结 颗粒为骨架、铁镁橄榄石为基体的具有较高熔化温 果如图6所示. 度和黏度的挂渣层. 由图6(a)可知，当Mg0质量分数为1%时，随 2.5溅渣层抗渣侵蚀分析 着镍转炉渣中Fe,0,的质量分数增加，1250℃时固 镍渣对砖衬的主要破坏作用是熔损、冲刷及化 相比例增加较为明显.图6(b)表明，当渣中Fe,O, 学侵蚀.上述结构的溅渣层对炉渣的侵蚀作用 为10%时、在Mg0质量分数在3%~7%范围内， 具有明显的抵抗作用.首先，溅渣层熔点较高，在正 1250℃炉渣中液相比例随渣中Mg0含量增加而显 常吹炼前期炉温较低时可以抵抗炉渣的高温熔损： 著减少：炉渣开始出现液相和完全变为液相的温度 其次，由于溅渣层均匀、密度较大且与炉衬之间的通 随Mg0含量增加而升高：炉渣液相比例为50%对应

第 4 期 马德刚等: 镍转炉溅渣护炉热态模拟 图 4 炉渣半球点温度与渣中 MgO 和 Fe2O3 含量的关系 Fig． 4 Relations of hemisphere temperature to MgO and Fe2O3 contents 图 5 坩埚壁溅渣层 SEM 照片． ( a) 从左至右: 原砖层→反应层→挂渣层; ( b) 反应层 Fig． 5 SEM images of the slag splashing layer on the crucible wall: ( a) original brick→reaction layer→slag sticking layer，from left to right; ( b) re￾action layer 炉渣渗透较为微弱，反应层薄; 反应层附近的磁铁矿 粒度小，数量明显少于空气喷吹条件． 2. 4 溅渣层形成机理 溅渣初期，在气流带动作用下，流动性良好的炉 渣反复冲击坩埚壁，并沿坩埚壁表面显微裂纹、气孔 及晶间等渗入． 坩埚壁耐火材料中 MgO 与炉渣中 FeO 反应生成镁铁固溶体，附着于耐材表面的铁氧 化物固溶于尖晶石，并破坏其结构，最终镁铁固溶体 与脱溶的细小镁铬铁尖晶石形成反应层． 反应层形成后，熔渣在其表面不断冷凝沉积形 成表面的挂渣层． 在预先加入 MgO 或渣中溶入 MgO 的条件下，炉渣熔化温度和黏度都会提高; 当 炉渣中吹入空气时，渣中 FeO 被氧化成 Fe2O3 生成 磁铁矿也会提高炉渣熔化温度; 最后形成以磁性矿 颗粒为骨架、铁镁橄榄石为基体的具有较高熔化温 度和黏度的挂渣层． 2. 5 溅渣层抗渣侵蚀分析 镍渣对砖衬的主要破坏作用是熔损、冲刷及化 学侵蚀［10］． 上述结构的溅渣层对炉渣的侵蚀作用 具有明显的抵抗作用． 首先，溅渣层熔点较高，在正 常吹炼前期炉温较低时可以抵抗炉渣的高温熔损; 其次，由于溅渣层均匀、密度较大且与炉衬之间的通 过化学结合具有良好的强度，因此可以较好地抵抗 炉渣的冲刷作用; 最后，溅渣层可以有效减少流动性 良好的炉渣对砖衬本体渗透和化学破坏作用． 同 理，溅渣层也可以降低冰镍向砖体的渗透和冲刷． 3 合理的溅渣渣型和喷吹气体探讨 为了研究 MgO 和 Fe3O4对镍转炉炉渣性能的影 响及炉渣改质基础，采用 Factsage 软件计算了FeO-- Fe2O3 --SiO2 --MgO 系不同 MgO 及 Fe3O4含量的炉渣 液相组成，并进行了分析． 设定 Compound Species 和 Solution Species 分别为 Solid 和 Fact--Slag 液渣数 据库，采用 Equilib 模块中 Normal 算法． 计算初始条 件: 压力 101 kPa，温度从 1 100 ℃到 1 400 ℃，步长为 20 ℃，每个渣样得到 16 组热力学平衡数据． 计算结 果如图 6 所示． 由图 6( a) 可知，当 MgO 质量分数为 1% 时，随 着镍转炉渣中 Fe3O4的质量分数增加，1 250 ℃ 时固 相比例增加较为明显． 图 6( b) 表明，当渣中 Fe3O4 为 10% 时、在 MgO 质量分数在 3% ～ 7% 范围内， 1 250 ℃炉渣中液相比例随渣中 MgO 含量增加而显 著减少; 炉渣开始出现液相和完全变为液相的温度 随 MgO 含量增加而升高; 炉渣液相比例为50% 对应 ·489·

·490· 北京科技大学学报 第33卷 温度亦随之增加而升高，当渣中Mg0质量分数达到 为30%时炉渣在1250℃的液相比例降低更为显 7%时对应出现50%液相的温度约为1250℃. 著.图6()表明，当渣中Mg0质量分数为5%时， 对比图6(b)和图6(c)可知，Fe30,质量分数为 增加炉渣中FeO,含量会降低炉渣液相比例，但 10%和30%时，在相同温度下炉渣液相比例均随 Fe,0,质量分数在5%~35%范围内液相比例降幅 Mg0含量增加而减少，不同之处是FeO,质量分数 差异较小 ◆ 80 80 60 多60 -56Fe0 -9-10Fe0 40 ·-1条Mg0 ◆-20%Fr0 --3Mg) y-30Fr0. --5%Mg0 -35%Fr0 --7%1g0 1100115012001250130013501400 11001150 1200125013001350 1400 温度① 温度C 80 80 60 -。-1%M0 -5%Fr0 40 -4-3绿1(0 40 -o-10%Fr0 4-5%1) 4-20%Fr0 -7Mg0 --30%Fe0 --35Fe0 0。 1100115012001250130013501400 1100115012001250130013501400 温度 温度℃ 图6炉渣成分（质量分数）与液相比例关系.(a)1%Mg0,Fe/SiO2为2.0：(b)10%Fe304,Fe/Si02为2.0：(c)30%Fe304,Fe/Si02为 2.0:(d5%Mg0,fe/Si02为2.0 Fig.6 Relations between composition and liquid content in the slag:(a)1%MgO.Fe/Si2=2.0:(b)10%Fe0.Fe/SiO2=2.0:(c)30% Fe304,Fe/Si02=2.0:(d5%Mg0,Fe/Si02=2.0 上述分析表明，镍转炉溅渣护炉合理渣型为 产生明显的影响.现场初步试验表明，溅渣操作对 Fe0-Fe203-SiO2-Mg0,提高炉渣中的Mg0和 转炉和贫化炉生产扰动较小. Fe203含量，炉渣的熔化温度升高、黏度变大、渣中 4结论 高熔点相铁镁橄榄石和磁铁矿比例增大，即溅渣时 炉渣的可黏附性和溅渣层的耐蚀性增强.镍转炉原 (1)随渣中Mg0和Fe2O3含量增加，镍转炉渣 渣中Mg0含量很低（质量分数小于1%），因此溅渣 的半球点温度明显升高.热力学计算得出的炉渣液 时需要加入MgO.溅渣时采用空气喷吹可增加渣中 相比例表明，炉渣中增加Mg0和Fe,O,可以提高炉 磁铁矿，以提高炉渣熔化温度，并且与正常生产工艺 渣开始出现液相及出现50%液相的对应温度、 所采用的气体相同，即不需要另外铺设管道和增添 1250℃时的固相比例和完全熔化温度，因而对溅渣 储气设备就可以实现溅渣工艺.结合镍转炉炉型及 护炉有利. 生产特点，溅渣操作可由两台转炉配合进行，即一台 (2)镍转炉溅渣护炉的合理渣型为F0- 转炉加入调渣剂化渣并在炉渣成分及温度等达到溅 Fe203SiO2-Mg0,随炉渣Mg0及Fe203含量增加， 渣要求后放渣，另一台转炉接收化渣转炉返渣进行 渣中高熔点相磁铁矿和铁镁橄横石比例大幅增加， 溅渣操作].文献[8]报道，炉渣中Mg0和Fe,O, 采用此类炉渣溅渣，可在镁铬砖表面形成较高熔化 含量增加会影响渣和冰镍的分离及渣含冰镍指标， 温度的溅渣层， 但是镍转炉在一个吹炼周期内渣量很大并进行多次 (3)溅渣层由反应层和挂渣层组成.反应层主 放渣和进料操作，溅渣层虽然会被侵蚀进入炉内，由 要物相为镁铁固溶体和细小的脱溶镁铬铁尖品石； 于稀释作用不会对转炉吹炼及后续贫化炉处理指标 (下转第498页)

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 温度亦随之增加而升高，当渣中 MgO 质量分数达到 7% 时对应出现 50% 液相的温度约为 1 250 ℃ ． 对比图 6( b) 和图 6( c) 可知，Fe3O4质量分数为 10% 和 30% 时，在相同温度下炉渣液相比例均随 MgO 含量增加而减少，不同之处是 Fe3O4 质量分数 为 30% 时炉渣在 1 250 ℃ 的液相比例降低更为显 著． 图 6( d) 表明，当渣中 MgO 质量分数为 5% 时， 增加炉渣中 Fe3O4 含量会降低炉渣液相比例，但 Fe3O4质量分数在 5% ～ 35% 范围内液相比例降幅 差异较小． 图 6 炉渣成分( 质量分数) 与液相比例关系 . ( a) 1% MgO，Fe /SiO2 为 2. 0; ( b) 10% Fe3O4，Fe /SiO2 为 2. 0; ( c) 30% Fe3O4，Fe /SiO2 为 2. 0; ( d) 5% MgO，Fe /SiO2 为 2. 0 Fig． 6 Relations between composition and liquid content in the slag: ( a) 1% MgO，Fe /SiO2 = 2. 0; ( b) 10% Fe3O4，Fe /SiO2 = 2. 0; ( c) 30% Fe3O4，Fe /SiO2 = 2. 0; ( d) 5% MgO，Fe /SiO2 = 2. 0 上述分析表明，镍转炉溅渣护炉合理渣型为 FeO--Fe2O3 --SiO2 --MgO，提 高 炉 渣 中 的 MgO 和 Fe2O3 含量，炉渣的熔化温度升高、黏度变大、渣中 高熔点相铁镁橄榄石和磁铁矿比例增大，即溅渣时 炉渣的可黏附性和溅渣层的耐蚀性增强． 镍转炉原 渣中 MgO 含量很低( 质量分数小于 1% ) ，因此溅渣 时需要加入 MgO． 溅渣时采用空气喷吹可增加渣中 磁铁矿，以提高炉渣熔化温度，并且与正常生产工艺 所采用的气体相同，即不需要另外铺设管道和增添 储气设备就可以实现溅渣工艺． 结合镍转炉炉型及 生产特点，溅渣操作可由两台转炉配合进行，即一台 转炉加入调渣剂化渣并在炉渣成分及温度等达到溅 渣要求后放渣，另一台转炉接收化渣转炉返渣进行 溅渣操作［11］． 文献［8］报道，炉渣中 MgO 和 Fe3O4 含量增加会影响渣和冰镍的分离及渣含冰镍指标， 但是镍转炉在一个吹炼周期内渣量很大并进行多次 放渣和进料操作，溅渣层虽然会被侵蚀进入炉内，由 于稀释作用不会对转炉吹炼及后续贫化炉处理指标 产生明显的影响． 现场初步试验表明，溅渣操作对 转炉和贫化炉生产扰动较小． 4 结论 ( 1) 随渣中 MgO 和 Fe2O3 含量增加，镍转炉渣 的半球点温度明显升高． 热力学计算得出的炉渣液 相比例表明，炉渣中增加 MgO 和 Fe3O4可以提高炉 渣开始出现液相及出现 50% 液相的对应温度、 1 250 ℃时的固相比例和完全熔化温度，因而对溅渣 护炉有利． ( 2 ) 镍转炉溅渣护炉 的 合 理 渣 型 为 FeO-- Fe2O3 --SiO2 --MgO，随炉渣 MgO 及 Fe2O3 含量增加， 渣中高熔点相磁铁矿和铁镁橄榄石比例大幅增加， 采用此类炉渣溅渣，可在镁铬砖表面形成较高熔化 温度的溅渣层． ( 3) 溅渣层由反应层和挂渣层组成． 反应层主 要物相为镁铁固溶体和细小的脱溶镁铬铁尖晶石; ( 下转第 498 页) ·490·