工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响 张国成王雅军罗果萍 Effect of slag composition on desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag for Bayan Obo iron ore ZHANG Guo-cheng.WANG Ya-jun,LUO Guo-ping 引用本文： 张国成，王雅军，罗果萍.炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响[.工程科学学报，优先发表.d: 10.13374j.issn2095-9389.2020.11.19.001 ZHANG Guo-cheng.WANG Ya-jun,LUO Guo-ping.Effect of slag composition on desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag for Bayan Obo iron ore[J].Chinese Journal of Engineering,In press.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.19.001 在线阅读View online::https:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2020.11.19.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响 张国成 王雅军 罗果萍 Effect of slag composition on desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag for Bayan Obo iron ore ZHANG Guo-cheng, WANG Ya-jun, LUO Guo-ping 引用本文: 张国成, 王雅军, 罗果萍. 炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响[J]. 工程科学学报, 优先发表. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.19.001 ZHANG Guo-cheng, WANG Ya-jun, LUO Guo-ping. Effect of slag composition on desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag for Bayan Obo iron ore[J]. Chinese Journal of Engineering, In press. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.19.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.19.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in
工程科学学报.第44卷，第X期：1-11.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-11,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.19.001;http://cje.ustb.edu.cn 炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的 影响 张国成2)区，王雅军)，罗果萍2)四 1)包头师范学院化学学院，包头0140302)内蒙古科技大学材料与治金学院，包头0140103)内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心， 包头014010 ☒通信作者，张国成，E-mail:644942242@qq.com,罗果萍，E-mai:luoguoping3@126.com 摘要为了探明炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响，在实际高炉渣成分的基础上，通过正交试验和 Factsage7.1热力学模拟软件绘制不同组分高炉渣渣系五元伪三元相图，探究了自由碱度(R。)、w(MgO)和w(Al2O3)对高炉渣 脱硫、排碱能力的影响规律，并结合生产实际给出了适宜的炉渣自由碱度(R)、wMgO)和(AlO,)的控制范围.研究表明： R。是影响炉渣脱硫、排碱能力的最显著因素，R。增加，渣中O2浓度升高，促使硅氧复合阴离子SO解体，炉渣黏度减小，炉 渣与金属液体之间的传质过程得到促进，使得$更容易向渣中迁移，炉渣脱硫的热力学和动力学条件改善，脱硫能力提高， 适宜的R。应控制在1.05~1.15；wMgO)是影响炉渣脱硫能力的次要因素，wMgO)增加，炉渣的流动性和稳定性提高，有利于 改善炉渣脱硫的动力学条件，且可降低炉渣中(K,O+NO)的活度，提高排碱能力，适宜w(MgO)应控制在15%左右： w(Al2O)是影响炉渣排碱能力的次要因素，w(Al2O,)增加，易生成镁铝尖晶石(MgAl2O4)等高熔点物质，使炉渣中的自由氧离 子消耗量增多，不利于脱硫反应动力学条件的改善，虽然增加w(Al2O)有益于排碱，但高w(A0,)不利于脱硫，且会导致炉 渣黏度上升，适宜w(A12O3)应控制在12%左右. 关键词高炉渣：白云鄂博矿：炉渣成分：脱硫：排碱 分类号TF046 Effect of slag composition on desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag for Bayan Obo iron ore ZHANG Guo-cheng WANG Ya-jun,LUO Guo-ping? 1)Department of Chemistry,Baotou Teachers'College,Baotou 014030,China 2)School of Materials and Metallurgy,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China 3)Technical Center,Steel Union Corp.of Baotou Steel in Inner Mongolia,Baotou 014010,China Corresponding author,ZHANG Guo-cheng.E-mail:644942242@qq-com;LUO Guo-ping,E-mail:luoguoping3@126.com ABSTRACT To investigate the effect of slag composition on desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag for smelting Bayan Obo ore,based on the actual composition of blast furnace slag,the effect of free basicity(R),w(MgO),and (Al2O3)on the desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag was investigated by performing orthogonal experiments and on the basis of five-element pseudoternary phase diagrams of various components of a blast furnace slag system calculated and drawn using Factsage 7.1 thermodynamic simulation software,and the appropriate control range of Rw(MgO)and w(Al2O)in the slag were given in combination with the production practice.The results show that:R is the most significant factor affecting slag desulfurization and 收稿日期：2020-11-19 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51664045)
炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的 影响 张国成1,2) 苣，王雅军3)，罗果萍2) 苣 1) 包头师范学院化学学院, 包头 014030 2) 内蒙古科技大学材料与冶金学院, 包头 014010 3) 内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心, 包头 014010 苣通信作者， 张国成，E-mail: 644942242@qq.com; 罗果萍，E-mail: luoguoping3@126.com 摘 要 为了探明炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响，在实际高炉渣成分的基础上，通过正交试验和 Factsage 7.1 热力学模拟软件绘制不同组分高炉渣渣系五元伪三元相图，探究了自由碱度（Ro）、w(MgO) 和 w(Al2O3 ) 对高炉渣 脱硫、排碱能力的影响规律，并结合生产实际给出了适宜的炉渣自由碱度（Ro）、w(MgO) 和 w(Al2O3 ) 的控制范围. 研究表明： Ro 是影响炉渣脱硫、排碱能力的最显著因素，Ro 增加，渣中 O 2−浓度升高，促使硅氧复合阴离子 Si−O 解体，炉渣黏度减小，炉 渣与金属液体之间的传质过程得到促进，使得 S 2−更容易向渣中迁移，炉渣脱硫的热力学和动力学条件改善，脱硫能力提高， 适宜的 Ro 应控制在 1.05～1.15；w(MgO) 是影响炉渣脱硫能力的次要因素，w(MgO) 增加，炉渣的流动性和稳定性提高，有利于 改善炉渣脱硫的动力学条件，且可降低炉渣中 (K2O+Na2O) 的活度，提高排碱能力，适宜 w(MgO) 应控制在 15% 左右； w(Al2O3 ) 是影响炉渣排碱能力的次要因素，w(Al2O3 ) 增加，易生成镁铝尖晶石 (MgAl2O4 ) 等高熔点物质，使炉渣中的自由氧离 子消耗量增多，不利于脱硫反应动力学条件的改善，虽然增加 w(Al2O3 ) 有益于排碱，但高 w(Al2O3 ) 不利于脱硫，且会导致炉 渣黏度上升，适宜 w(Al2O3 ) 应控制在 12% 左右. 关键词 高炉渣；白云鄂博矿；炉渣成分；脱硫；排碱 分类号 TF046 Effect of slag composition on desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag for Bayan Obo iron ore ZHANG Guo-cheng1,2) 苣 ，WANG Ya-jun3) ，LUO Guo-ping2) 苣 1) Department of Chemistry, Baotou Teachers’ College, Baotou 014030, China 2) School of Materials and Metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China 3) Technical Center, Steel Union Corp. of Baotou Steel in Inner Mongolia, Baotou 014010, China 苣 Corresponding author, ZHANG Guo-cheng, E-mail: 644942242@qq.com; LUO Guo-ping, E-mail: luoguoping3@126.com ABSTRACT To investigate the effect of slag composition on desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag for smelting Bayan Obo ore, based on the actual composition of blast furnace slag, the effect of free basicity (Ro ), w(MgO), and w(Al2O3 ) on the desulfurization and alkali removal ability of blast furnace slag was investigated by performing orthogonal experiments and on the basis of five-element pseudoternary phase diagrams of various components of a blast furnace slag system calculated and drawn using Factsage 7.1 thermodynamic simulation software, and the appropriate control range of Ro , w(MgO) and w(Al2O3 ) in the slag were given in combination with the production practice. The results show that: Ro is the most significant factor affecting slag desulfurization and 收稿日期: 2020−11−19 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51664045） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−11，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−11, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.19.001; http://cje.ustb.edu.cn
2 工程科学学报，第44卷，第X期 alkali removal ability.With the increase in R the O-concentration in slag increases,resulting in Si-O disintegration,and slag viscosity decreases.In addition,the mass transfer between slag and metal liquid is accelerated,which makes S2easier to migrate into slag.the thermodynamic and kinetic conditions of slag desulfurization are improved,thus improving the desulfurization ability.The appropriate Ro should be controlled within the range of 1.05-1.15.w(MgO)is a secondary factor affecting the slag desulfurization ability.With the increase in w(MgO),the fluidity and stability of the slag are improved,which are beneficial for improving the kinetic conditions of slag desulfurization and reducing the activity of(K2O+NaO)in the slag,thus improving the alkali removal ability.Appropriate w(MgO) should be controlled at approximately 15%.w(Al2O)is a secondary factor affecting the alkali removal ability of blast furnace slag.With the increase in w(Al,O3),high melting point materials such as MgAl2O are easily formed,thereby increasing the consumption of free oxygen ions in the slag.This increase is not conducive to the improvement of desulfurization reaction kinetic conditions.Although increasing w(AlO)is beneficial for removing alkali,high w(AlO)is not conducive to desulfurization and leads to an increase in slag viscosity.Appropriate w(Al2O3)should be controlled at approximately 12% KEY WORDS blast furnace slag;Bayan Obo iron ore;slag composition;desulfurization;alkali removal 内蒙古白云鄂博矿蕴藏着160多种矿物， 成分控制的相关研究，由于白云鄂博矿含有害元 70多种元素，其中铁矿储量9.5亿吨，稀土矿工业 素F、K、Na,会对高炉渣脱硫、排碱造成一定影 储量3600万吨，占全世界的36%，占全国的 响，因此，有必要开展冶炼白云鄂博矿高炉渣的脱 90%以上，综合利用价值极高-.采用高炉流程 硫、排碱实验研究.目前，高炉冶炼白云鄂博矿的 冶炼白云鄂博矿时，由于该矿所含F、K、Na等有 原料条件和炉渣成分均发生了较大变化，进口富 害元素使矿石软熔性能较差，炉料难顺行，且在高 矿粉用量的增加使炉渣w(A12O3)由最初的7%升 炉内极易形成循环富集，导致炉渣的熔化性温度 高到14%左右，w(A1203)显著升高，使高炉渣冶金 下降，使炉渣“易熔、易凝、难重熔”，并破坏焦炭 性能特点发生显著变化刀.因此，在高w(Al2O3)条 强度脱硫是高炉冶炼优质生铁的关键环节， 件下，对R。、w(MgO)和w(Al2O,)与白云鄂博矿高 为了提高炉渣的脱硫能力，降低生铁中的硫含量， 炉渣脱硫、排碱能力的关系进行研究，可探明适宜 需要稳定和充足的炉缸温度，并保持较高的炉渣 的炉渣成分控制范围 碱度：但是为了降低炉内碱金属的危害，确保顺 本文通过正交试验研究炉渣成分对白云鄂博 行，又需要采用较低碱度的酸渣排碱，以消除结瘤门 矿高炉渣脱硫、排碱能力的影响规律，并辅助相图 因此，在高炉实际生产中存在着炉渣脱硫与排碱 理论，采用Factsage热力学软件计算并绘制出不同 之间的矛盾 炉渣成分条件下的CaO-SiO2-MgO-Al2O3CaF2 针对炉渣成分对高炉渣脱硫、排碱能力的影 五元伪三元相图，探究R。、w(MgO)和1w(Al2O3)对 响研究，国内外已有大量介绍，袁骧等懰研究了炉 炉渣脱硫、排碱能力的影响，研究成果不仅可以丰 渣中w(MgO)和w(Al,O)对硫的质量分数的影响， 富我国白云鄂博矿冶炼过程中炉渣合理造渣要求 认为当w(MgO)小于12%，w(Al203)小于15%时， 控制理论，而且可以为高炉实际生产提供理论指 提高镁铝比可以显著提高炉渣的脱硫能力；吕庆 导和依据，对于合理利用我国特殊矿资源具有十 等例根据广州钢铁高炉实际炉渣成分，研究了 分重要的意义和价值. w(CaO)hr(SiO2)、w(MgO)、w(Al2O3)对炉渣脱硫和 排碱的影响，认为广钢适宜的炉渣成分为： 1 实验原料及方案 w(CaO)hw(SiO)控制在1.0，w(MgO)控制在12%、 w(A1,0)控制在15%：张旭升等u01以承钢高炉渣 实验方案采用三因素四水平的正交试验，研 为基础，研究了钛、镁、铝对炉渣黏度、熔化性温 究自由碱度(R。)、w(MgO)和w(Al2O3)三个因素对 度和脱硫能力的影响，认为炉渣适宜成分为： 白云鄂博矿高炉渣脱硫、排碱能力的影响，高炉渣 w(CaO)/hr(SiO2)控制在1.12，w(MgO)控制在 实际成分见表1，正交试验设计方案见表2.各因 13.95%、w(Al2O3)控制在13.75%，w(TiO2)控制在 素的水平设置为：R。选取0.95、1.05、1.15、1.25： 10.57%以下.已有研究表明，高炉渣成分不同，其 1w(MgO)选取10%、12%、14%、16%：1w(A12O3)选 脱硫、排碱能力也不尽相同-，在当前已有的研 取11%、13%、15%、17%：每组实验重复三次，结 究中，尚且缺少针对冶炼白云鄂博矿的适宜炉渣 果取平均值
alkali removal ability. With the increase in Ro , the O2− concentration in slag increases, resulting in Si−O disintegration, and slag viscosity decreases. In addition, the mass transfer between slag and metal liquid is accelerated, which makes S2− easier to migrate into slag, the thermodynamic and kinetic conditions of slag desulfurization are improved, thus improving the desulfurization ability. The appropriate Ro should be controlled within the range of 1.05–1.15. w(MgO) is a secondary factor affecting the slag desulfurization ability. With the increase in w(MgO), the fluidity and stability of the slag are improved, which are beneficial for improving the kinetic conditions of slag desulfurization and reducing the activity of (K2O+Na2O) in the slag, thus improving the alkali removal ability. Appropriate w(MgO) should be controlled at approximately 15%. w(Al2O3 ) is a secondary factor affecting the alkali removal ability of blast furnace slag. With the increase in w(Al2O3 ), high melting point materials such as MgAl2O4 are easily formed, thereby increasing the consumption of free oxygen ions in the slag. This increase is not conducive to the improvement of desulfurization reaction kinetic conditions. Although increasing w(Al2O3 ) is beneficial for removing alkali, high w(Al2O3 ) is not conducive to desulfurization and leads to an increase in slag viscosity. Appropriate w(Al2O3 ) should be controlled at approximately 12%. KEY WORDS blast furnace slag；Bayan Obo iron ore；slag composition；desulfurization；alkali removal 内蒙古白云鄂博矿蕴藏 着 160 多种矿物 ， 70 多种元素，其中铁矿储量 9.5 亿吨，稀土矿工业 储 量 3600 万 吨 ， 占 全 世 界 的 36%， 占 全 国 的 90% 以上，综合利用价值极高[1−2] . 采用高炉流程 冶炼白云鄂博矿时，由于该矿所含 F、K、Na 等有 害元素使矿石软熔性能较差，炉料难顺行，且在高 炉内极易形成循环富集，导致炉渣的熔化性温度 下降，使炉渣“易熔、易凝、难重熔”，并破坏焦炭 强度[3−6] . 脱硫是高炉冶炼优质生铁的关键环节， 为了提高炉渣的脱硫能力，降低生铁中的硫含量， 需要稳定和充足的炉缸温度，并保持较高的炉渣 碱度；但是为了降低炉内碱金属的危害，确保顺 行，又需要采用较低碱度的酸渣排碱，以消除结瘤[7] . 因此，在高炉实际生产中存在着炉渣脱硫与排碱 之间的矛盾. 针对炉渣成分对高炉渣脱硫、排碱能力的影 响研究，国内外已有大量介绍，袁骧等[8] 研究了炉 渣中 w(MgO) 和 w(Al2O3 ) 对硫的质量分数的影响， 认为当 w(MgO) 小于 12%，w(Al2O3 ) 小于 15% 时 ， 提高镁铝比可以显著提高炉渣的脱硫能力；吕庆 等[9] 根据广州钢铁高炉实际炉渣成分 ，研究了 w(CaO)/w(SiO2 )、w(MgO)、w(Al2O3 ) 对炉渣脱硫和 排 碱 的 影 响 ， 认 为 广 钢 适 宜 的 炉 渣 成 分 为 ： w(CaO)/w(SiO2 ) 控 制 在 1.0， w(MgO) 控 制 在 12%、 w(Al2O3 ) 控制在 15%；张旭升等[10] 以承钢高炉渣 为基础，研究了钛、镁、铝对炉渣黏度、熔化性温 度和脱硫能力的影响 ，认为炉渣适宜成分为 ： w(CaO)/w(SiO2 ) 控 制 在 1.12， w(MgO) 控 制 在 13.95%、 w(Al2O3 ) 控 制 在 13.75%， w(TiO2 ) 控 制 在 10.57% 以下. 已有研究表明，高炉渣成分不同，其 脱硫、排碱能力也不尽相同[11−16] ，在当前已有的研 究中，尚且缺少针对冶炼白云鄂博矿的适宜炉渣 成分控制的相关研究，由于白云鄂博矿含有害元 素 F、K、Na，会对高炉渣脱硫、排碱造成一定影 响，因此，有必要开展冶炼白云鄂博矿高炉渣的脱 硫、排碱实验研究. 目前，高炉冶炼白云鄂博矿的 原料条件和炉渣成分均发生了较大变化，进口富 矿粉用量的增加使炉渣 w(Al2O3 ) 由最初的 7% 升 高到 14% 左右，w(Al2O3 ) 显著升高，使高炉渣冶金 性能特点发生显著变化[17] . 因此，在高 w(Al2O3 ) 条 件下，对 Ro、w(MgO) 和 w(Al2O3 ) 与白云鄂博矿高 炉渣脱硫、排碱能力的关系进行研究，可探明适宜 的炉渣成分控制范围. 本文通过正交试验研究炉渣成分对白云鄂博 矿高炉渣脱硫、排碱能力的影响规律，并辅助相图 理论，采用 Factsage 热力学软件计算并绘制出不同 炉渣成分条件下 的 CaO−SiO2−MgO−Al2O3−CaF2 五元伪三元相图，探究 Ro、w(MgO) 和 w(Al2O3 ) 对 炉渣脱硫、排碱能力的影响，研究成果不仅可以丰 富我国白云鄂博矿冶炼过程中炉渣合理造渣要求 控制理论，而且可以为高炉实际生产提供理论指 导和依据，对于合理利用我国特殊矿资源具有十 分重要的意义和价值. 1 实验原料及方案 实验方案采用三因素四水平的正交试验，研 究自由碱度（Ro）、w(MgO) 和 w(Al2O3 ) 三个因素对 白云鄂博矿高炉渣脱硫、排碱能力的影响，高炉渣 实际成分见表 1，正交试验设计方案见表 2. 各因 素的水平设置为 ： Ro 选取 0.95、 1.05、 1.15、 1.25； w(MgO) 选 取 10%、 12%、 14%、 16%； w(Al2O3 ) 选 取 11%、13%、15%、17%；每组实验重复三次，结 果取平均值. · 2 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期
张国成等：炉渣成分对治炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响 3 表1高炉渣实际化学成分 Table 1 Actual chemical composition of blast furnace slag w(CaOV w(SiO2)/% w(MgO W(Al2O:V% r(F)% w(NazO)/% W(K20)/% (S)/% R。 34.93 35.70 9.70 11.77 0.38 0.46 0.56 1.39 0.96 表2实验设计方案 Table2 Experimental design scheme Experiment number R w(MgO) W(ALO:% 1# C31.15) A1(10) B2(13) 20 C1(0.95) A3(14) B4(17) 3# C3(1.15) A2(12) B417) 4# C1(0.95) A416) B2(13) 5# C1(0.95) A1(10) B3(15) 6的 C3(1.15) A3(14) B1(11) 7# C1(0.95) A2(12) B1(11) 8# C3(1.15) A416) B3(15) 9# C41.25) A1(10) B1(11) 10# C2(1.05) A3(14) B3(15) 11# C4(1.25) A2(12) B3(15) 12# C2(1.05) A416) B1(11) 13# C2(1.05) A1(10) B417) 14# C41.25) A3(14) B2(13) 15# C2(1.05) A2(12) B2(13) 16# C41.25) A416) B417) Note:R is the free basicity,and the calculation formula is as follows:Ro =[w(CaO)-1.473xw(F)l/w(SiO2),which is the representation method of basicity of fluorine-containing blast furnace slag in Bayan Obo iron ore. 实验所用高炉渣以B钢某高炉炉渣为基础， 铁产生的高炉渣质量)380kgt,脱硫反应温度 配加CaO、Mg0、SiO2、Al2O3四种99.5%的纯化学 1500℃，恒温时间50min,恒温时间由脱硫平衡实 试剂来调整炉渣中的R。、w(MgO)和w(Al2O3).纯 验确定，渣铁反应大约45min后脱硫反应基本达 化学试剂为国药市售产品，实验前在马弗炉内经 到平衡，因此取恒温时间为50min. 900℃高温焙烧2h,然后将实验渣样品先预熔，使 用已制成的合成渣样进行脱硫实验，称取铁 之形成均相渣，然后将经过处理的化学试剂混合 屑100g,渣样38g,分别装入坩埚内，放入MoSi2 后放入石墨坩埚，置于通氩气保护的高温电阻炉 炉中，炉渣坩埚在下，生铁坩埚在上，待生铁和渣 内，在1500℃高温下实验样品熔融20min,充分 料熔化后，提起上坩埚的塞棒，铁液滴下穿过渣层 搅拌，样品取出冷却后粉碎得到合成渣 落入下坩埚底部（如图1所示），同时开始计时，在 根据表2中的实验方案，通过配加CaO、MgO、 1500℃下恒温50min,然后取出坩埚，倒出渣样和 SO2、A1O3纯化学试剂来实现合成渣中的成分 铁样，并使其快速冷却，分别分析渣样中的硫的质 R。、w(MgO)和w(Al2O3)符合实验方案设计要求 量分数w(S)和铁样中的硫的质量分数w[S,最后 合成渣具体成分见下表3 得到硫分配系数Ls 2.2炉渣排碱能力实验 2实验过程 化渣及排碱实验使用设备与脱硫实验所用相 2.1炉渣脱硫能力实验 同.排碱实验采用上、中、下三层石墨坩埚，中层 化渣及脱硫实验均使用MoSi2电阻炉，内装 坩埚底部中心位置有一小孔，并插有一节刚玉管， 6只U型MoSi2发热体，其内为刚玉炉管.根据高 允许御蒸气从下层坩埚通过刚玉管进入炉渣中， 炉实际生产冶炼条件，实验中取渣铁比（生产1t 上层为一倒置石墨坩埚，起密封作用
实验所用高炉渣以 B 钢某高炉炉渣为基础， 配加 CaO、MgO、SiO2、Al2O3 四种 99.5% 的纯化学 试剂来调整炉渣中的 Ro、w(MgO) 和 w(Al2O3 ). 纯 化学试剂为国药市售产品，实验前在马弗炉内经 900 ℃ 高温焙烧 2 h，然后将实验渣样品先预熔，使 之形成均相渣，然后将经过处理的化学试剂混合 后放入石墨坩埚，置于通氩气保护的高温电阻炉 内 ，在 1500 ℃ 高温下实验样品熔融 20 min，充分 搅拌，样品取出冷却后粉碎得到合成渣. 根据表 2 中的实验方案，通过配加 CaO、MgO、 SiO2、Al2O3 纯化学试剂来实现合成渣中的成分 Ro、w(MgO) 和 w(Al2O3 ) 符合实验方案设计要求. 合成渣具体成分见下表 3. 2 实验过程 2.1 炉渣脱硫能力实验 化渣及脱硫实验均使用 MoSi2 电阻炉，内装 6 只 U 型 MoSi2 发热体，其内为刚玉炉管. 根据高 炉实际生产冶炼条件，实验中取渣铁比 (生产 1 t 铁产生的高炉渣质量)380 kg·t−1，脱硫反应温度 1500 ℃，恒温时间 50 min，恒温时间由脱硫平衡实 验确定，渣铁反应大约 45 min 后脱硫反应基本达 到平衡，因此取恒温时间为 50 min. 用已制成的合成渣样进行脱硫实验，称取铁 屑 100 g, 渣样 38 g, 分别装入坩埚内，放入 MoSi2 炉中，炉渣坩埚在下，生铁坩埚在上，待生铁和渣 料熔化后，提起上坩埚的塞棒，铁液滴下穿过渣层 落入下坩埚底部（如图 1 所示），同时开始计时，在 1500 ℃ 下恒温 50 min，然后取出坩埚，倒出渣样和 铁样，并使其快速冷却，分别分析渣样中的硫的质 量分数 w(S) 和铁样中的硫的质量分数 w[S]，最后 得到硫分配系数 Ls . 2.2 炉渣排碱能力实验 化渣及排碱实验使用设备与脱硫实验所用相 同. 排碱实验采用上、中、下三层石墨坩埚，中层 坩埚底部中心位置有一小孔，并插有一节刚玉管， 允许钾蒸气从下层坩埚通过刚玉管进入炉渣中， 上层为一倒置石墨坩埚，起密封作用. 表 1 高炉渣实际化学成分 Table 1 Actual chemical composition of blast furnace slag w(CaO)/% w(SiO2 )/% w(MgO)/% w(Al2O3 )/% w(F)/% w(Na2O)/% w(K2O)/% w(S)/% Ro 34.93 35.70 9.70 11.77 0.38 0.46 0.56 1.39 0.96 表 2 实验设计方案 Table 2 Experimental design scheme Experiment number Ro w(MgO)/% w(Al2O3 )/% 1# C3(1.15) A1(10) B2(13) 2# C1(0.95) A3(14) B4(17) 3# C3(1.15) A2(12) B4(17) 4# C1(0.95) A4(16) B2(13) 5# C1(0.95) A1(10) B3(15) 6# C3(1.15) A3(14) B1(11) 7# C1(0.95) A2(12) B1(11) 8# C3(1.15) A4(16) B3(15) 9# C4(1.25) A1(10) B1(11) 10# C2(1.05) A3(14) B3(15) 11# C4(1.25) A2(12) B3(15) 12# C2(1.05) A4(16) B1(11) 13# C2(1.05) A1(10) B4(17) 14# C4(1.25) A3(14) B2(13) 15# C2(1.05) A2(12) B2(13) 16# C4(1.25) A4(16) B4(17) Note: R RO = [w(CaO)−1.473×w(F)]/w(SiO2) o is the free basicity, and the calculation formula is as follows: , which is the representation method of basicity of fluorine-containing blast furnace slag in Bayan Obo iron ore. 张国成等： 炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响 · 3 ·
工程科学学报，第44卷，第X期 表3合成渣实际化学成分 Table 3 Actual chemical composition of synthetic blast furnace slag Experiment number w(CaO) w(SiO2V% w(MgOV W(Al2O3% (F)/% w(Na2O)% rK2OV%w(S)/9%R。 1 36.03 30.44 9.83 12.78 0.98 0.68 0.41 1.171.14 2# 31.07 31.05 1321 16.21 0.73 0.59 0.32 1.01 0.96 3# 34.62 29.65 12.66 17.40 0.82 0.63 0.35 0.98 1.13 4# 32.56 32.16 14.73 13.14 0.82 0.58 0.41 1.06 0.97 5# 33.27 33.49 10.42 14.29 0.94 0.61 0.42 1.05 0.95 6# 35.93 30.22 13.63 11.66 0.91 0.63 0.45 1.16 1.14 7# 33.84 34.33 12.71 11.71 0.81 0.65 0.39 0.96 0.95 8# 32.75 27.98 16.38 15.27 0.72 0.58 0.35 0.87 1.13 9# 38.93 31.02 10.65 11.43 0.73 0.6 0.38 0.95 1.22 10# 32.52 30.25 14.52 15.54 0.79 0.67 0.37 0.96 1.04 11# 35.85 28.16 12.65 15.36 0.78 0.55 0.35 0.88 1.23 12# 33.16 31.11 15.92 11.13 0.82 0.66 0.38 0.97 1.03 13# 32.87 30.5 10.63 17.24 0.80 0.65 0.41 0.97 1.04 14# 36.22 28.71 14.68 13.57 0.73 0.56 0.35 0.86 1.22 15# 33.87 31.7 12.70 13.35 0.89 0.64 0.40 0.96 1.03 16# 32.84 26.59 16.31 17.72 0.65 0.55 0.32 0.821.20 Stopper Graphite cover Molten iron Corundum tube Slag Slag 图1高温熔渣脱硫实验装置 KCO Fig.1 High-temperature slag viscosity measuring device 图2高温熔渣排碱实验装置 先称取38g渣样加人坩埚，在炉内加热至 Fig.2 Experimental device for alkali removal of high-temperature slag 1450℃待炉渣熔化后，再将装有5gK,C03的坩 3实验结果及分析 埚放入炉内，同时加盖密封（见图2所示）.在炉内 恒温15min后取出渣样，冷却后分析样品中碱金 3.1高炉渣脱硫实验结果及分析 属(KO+Na2O)的含量.此时炉渣(K2O+Na2O)含 正交试验分析中，极差主要用来表征因素对 量就是碱金属在渣中的最大溶解量（即该炉渣的 结果影响的主次顺序，极差越大则表示对白云鄂 最大排碱率).因为K2CO3加热后挥发量比较大， 博矿高炉渣硫分配系数(L)的影响越主要，表4 实验结果有一定的误差，但仍可反映其变化趋势. 为高炉渣脱硫实验及极差分析结果，图3为高炉 1450℃时坩埚中的石墨与K2C03反应，生成 渣硫分配系数(Ls)的主观效应图，L是即w(S)和 钾蒸气，被熔融的炉渣吸收，直至炉渣中碱金属溶 w[S]的比值. 解量达到饱和状态为止，通过测定此时渣中碱金 根据表4极差分析结果可知因素对硫分配系 属(K2O+Na2O)含量来分析炉渣吸收碱金属的能 数影响的主次顺序，因此，炉渣成分对硫分配系数 力（亦即炉渣排碱能力）. 的影响主次顺序为：R。>w(MgO)）>(AlO3,各因素
先 称 取 38 g 渣样加入坩埚 ，在炉内加热 至 1450 ℃ 待炉渣熔化后，再将装有 5 g K2CO3 的坩 埚放入炉内，同时加盖密封（见图 2 所示）. 在炉内 恒温 15 min 后取出渣样，冷却后分析样品中碱金 属 (K2O+Na2O) 的含量. 此时炉渣 (K2O+Na2O) 含 量就是碱金属在渣中的最大溶解量 (即该炉渣的 最大排碱率). 因为 K2CO3 加热后挥发量比较大， 实验结果有一定的误差，但仍可反映其变化趋势. 1450 ℃ 时坩埚中的石墨与 K2CO3 反应，生成 钾蒸气，被熔融的炉渣吸收，直至炉渣中碱金属溶 解量达到饱和状态为止. 通过测定此时渣中碱金 属 (K2O+Na2O) 含量来分析炉渣吸收碱金属的能 力 (亦即炉渣排碱能力). 3 实验结果及分析 3.1 高炉渣脱硫实验结果及分析 正交试验分析中，极差主要用来表征因素对 结果影响的主次顺序，极差越大则表示对白云鄂 博矿高炉渣硫分配系数 (Ls ) 的影响越主要. 表 4 为高炉渣脱硫实验及极差分析结果，图 3 为高炉 渣硫分配系数 (Ls ) 的主观效应图, Ls 是即 w(S) 和 w[S] 的比值. 根据表 4 极差分析结果可知因素对硫分配系 数影响的主次顺序，因此，炉渣成分对硫分配系数 的影响主次顺序为：Ro>w(MgO)>w(Al2O3 )，各因素 表 3 合成渣实际化学成分 Table 3 Actual chemical composition of synthetic blast furnace slag Experiment number w(CaO)/% w(SiO2 )/% w(MgO)/% w(Al2O3 )/% w(F)/% w(Na2O)/% w(K2O)/% w(S)/% Ro 1# 36.03 30.44 9.83 12.78 0.98 0.68 0.41 1.17 1.14 2# 31.07 31.05 13.21 16.21 0.73 0.59 0.32 1.01 0.96 3# 34.62 29.65 12.66 17.40 0.82 0.63 0.35 0.98 1.13 4# 32.56 32.16 14.73 13.14 0.82 0.58 0.41 1.06 0.97 5# 33.27 33.49 10.42 14.29 0.94 0.61 0.42 1.05 0.95 6# 35.93 30.22 13.63 11.66 0.91 0.63 0.45 1.16 1.14 7# 33.84 34.33 12.71 11.71 0.81 0.65 0.39 0.96 0.95 8# 32.75 27.98 16.38 15.27 0.72 0.58 0.35 0.87 1.13 9# 38.93 31.02 10.65 11.43 0.73 0.61 0.38 0.95 1.22 10# 32.52 30.25 14.52 15.54 0.79 0.67 0.37 0.96 1.04 11# 35.85 28.16 12.65 15.36 0.78 0.55 0.35 0.88 1.23 12# 33.16 31.11 15.92 11.13 0.82 0.66 0.38 0.97 1.03 13# 32.87 30.5 10.63 17.24 0.80 0.65 0.41 0.97 1.04 14# 36.22 28.71 14.68 13.57 0.73 0.56 0.35 0.86 1.22 15# 33.87 31.7 12.70 13.35 0.89 0.64 0.40 0.96 1.03 16# 32.84 26.59 16.31 17.72 0.65 0.55 0.32 0.82 1.20 Stopper Molten iron Slag 图 1 高温熔渣脱硫实验装置 Fig.1 High-temperature slag viscosity measuring device Corundum tube Slag K2CO3 Graphite cover 图 2 高温熔渣排碱实验装置 Fig.2 Experimental device for alkali removal of high-temperature slag · 4 · 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期