高鋁高堿度中鈦型爐渣脫硫能力試驗研究

來源：2018年第六屆煉鐵對標、節(jié)能降本及新技術(shù)研討會論文集|瀏覽：次|評論：0條 [收藏] [評論]

高鋁高堿度中鈦型爐渣脫硫能力試驗研究李霞（酒鋼集團宏興股份公司鋼鐵研究院甘肅嘉峪關(guān) 735100）摘要：以現(xiàn)場渣為基準，研究了高Al2O3、高堿度、中鈦型高爐渣脫硫性能以及影響脫硫…

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高鋁高堿度中鈦型爐渣脫硫能力試驗研究

李霞
（酒鋼集團宏興股份公司鋼鐵研究院甘肅嘉峪關(guān) 735100）

摘要：以現(xiàn)場渣為基準，研究了高Al2O3、高堿度、中鈦型高爐渣脫硫性能以及影響脫硫能力的各種因素。結(jié)果表明，在高堿度、高Al2O3、中鈦型條件下，有利于脫硫的爐渣成分為：二元堿度不宜超過1.30，MgO的質(zhì)量分數(shù)約為12%，Al2O3的質(zhì)量分數(shù)控制16%以下，TiO2的質(zhì)量分數(shù)為不宜超過10%。

關(guān)鍵詞：高爐渣；硫分配系數(shù)；堿度；Al2O3

隨著進口鐵礦石價格的不斷提升，國內(nèi)許多鋼廠不斷加大高鋁礦和釩鈦磁鐵礦的使用量，這使得高爐渣Al2O3的質(zhì)量分數(shù)上升幅度較大，爐渣中TiO2含量隨之提高到12%左右，這對高爐的順行和爐渣的脫硫能力產(chǎn)生了一定影響。因此，本文根據(jù)高鋁、中鈦型高爐爐渣冶煉特點，研究了在高堿度條件下爐渣成分對脫硫性能的影響，為改善高鋁、中鈦型、高堿度高爐爐渣的冶金性能提供一定依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗方法

某鋼廠高爐使用高鋁礦、釩鈦磁鐵礦冶煉，爐渣Al2O3質(zhì)量分數(shù)達到11~15%，TiO2 達到12%左右，實際渣量約為500kg/t鐵，硫負荷為3.5~5.8kg/t。進行脫硫?qū)嶒灂r，渣鐵比以現(xiàn)場實際渣量為依據(jù)取500kg/t，硫負荷取4.8kg/t，脫硫平衡實驗證明，溫度在1500℃時，脫硫反應(yīng)進行大約45min后基本達到平衡[1]，因此，在進行脫硫?qū)嶒灂r，升溫到1500℃，恒溫時間取50min。

以現(xiàn)場渣成分為依據(jù)，用純化學(xué)試劑配制堿度、Al2O3、MgO、TiO2 四個系列共計20個合成渣試樣進行脫硫?qū)嶒灐Ｃ看螌嶒灧Q取100g高硫鐵屑和已配制好的合成渣樣50g分別置于上、下層坩堝內(nèi)，然后放入MoSi2電阻爐中，待鐵屑和爐渣熔化，溫度升溫到1500℃后，提起上層坩堝中的石墨塞棒，這時高溫鐵液開始滴落穿過渣層落入下層坩堝底部，此時開始計時，恒溫50min后取出坩堝，待冷卻后分別分析鐵中w[s]含量和渣中w(s)含量，并計算出硫分配系數(shù)LS。

1.2 實驗裝置

實驗使用MoSi2電阻爐，內(nèi)裝8只U型MoSi2發(fā)熱件，其內(nèi)為剛玉爐管，爐溫通過可控調(diào)壓器調(diào)整輸入功率來控制，測溫用雙鉑銠熱電偶。實驗采用上、下兩層石墨坩堝（見圖1）。上層坩堝底部有漏孔，用石墨塞棒來堵塞漏孔。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 堿度對爐渣脫硫性能的影響

眾所周知，爐渣中的CaO是主要的脫硫劑[2]，從熱力學(xué)條件來看，提高堿度有助于脫硫反應(yīng)的進行，從而提高爐渣的脫硫能力。取MgO含量11%，Al2O3含量16%，TiO2含量11%，爐渣堿度1.15倍到1.35倍，系列合成渣進行脫硫?qū)嶒�，實驗結(jié)果見表1。
表1 堿度系列合成渣的脫硫?qū)嶒灲Y(jié)果

編號	合成渣成分設(shè)計（%）			R₂	實驗結(jié)果
編號	Al₂O₃	MgO	TiO₂	R₂	w(S)/%	w(S)/%	L_S
R-1	16	11	11	1.15	0.75	0.028	26.8
R-2	16	11	11	1.20	0.77	0.022	35.0
R-3	16	11	11	1.25	0.67	0.020	33.5
R-4	16	11	11	1.30	0.72	0.018	40.0
R-5	16	11	11	1.35	0.73	0.029	25.2

由表1作爐渣堿度對硫分配系數(shù)LS的關(guān)系曲線，見圖2。

由圖2可知，堿度從1.15倍變化到1.30倍時，渣鐵硫分配系數(shù)從26.8上升到40.0，此時爐渣脫硫能力整體上隨堿度的提高而增強；當爐渣堿度由1.30倍變化到1.35倍時，渣鐵硫分配系數(shù)急劇降低。

根據(jù)爐渣理論[3]，爐渣粘度取決于渣中復(fù)合陰離子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，渣中O2-濃度越高，硅氧或鋁氧復(fù)合陰離子結(jié)構(gòu)越簡單，爐渣粘度越低，提高爐渣堿度，加入堿性物質(zhì)，即提高渣中O/Si，使渣中復(fù)雜的復(fù)合硅氧離子分解為簡單的硅氧離子，粘度降低，從而改善脫硫反應(yīng)的動力學(xué)條件。但當堿度過高時，渣中復(fù)雜陰離子完全分解后，多余的CaO易形成固溶體或與TiO2形成高熔點的鈣鈦礦（CaO.TiO2），使爐渣粘度升高，脫硫反應(yīng)的動力學(xué)條件惡化，從而爐渣脫硫能力下降，圖2中，堿度高于1.30倍以上時硫分配系數(shù)下降就能說明這一點。因此，高鋁中鈦型爐渣隨著堿度的提高，爐渣的脫硫能力逐步增強，但堿度過高爐渣脫硫能力反而降低，為此，在采用高堿度時，堿度不宜超過1.30倍。

2.2 TiO2對爐渣脫硫性能的影響

TiO2是弱酸性物質(zhì)，它的存在對爐渣脫硫反應(yīng)影響較大。TiO2吸收渣中自由的O2-，形成復(fù)合鈦氧陰離子(TiO6)8-，使O2-的濃度降低，整體上不利于脫硫反應(yīng)的進行。取MgO含量11%，Al2O3含量16%，TiO2含量9%~13%，固定爐渣堿度1.25倍，系列合成渣進行脫硫?qū)嶒�，實驗結(jié)果見表2。
表2 TiO₂對中鈦渣脫硫的影響

編號	合成渣成分設(shè)計（%）			R₂	實驗結(jié)果
編號	Al₂O₃	MgO	TiO₂	R₂	w(S)/%	w(S)/%	L_S
T-1	16	11	9	1.25	0.72	0.022	32.7
T-2	16	11	10	1.25	0.73	0.019	38.4
T-3	16	11	11	1.25	0.67	0.020	33.5
T-4	16	11	12	1.25	0.71	0.035	27.3
T-5	16	11	13	1.25	0.71	0.026	20.3

由表2作w(TiO₂)對硫分配系數(shù)L_S的關(guān)系曲線，見圖3。

TiO2在渣中以八面體結(jié)構(gòu)的復(fù)合(TiO6)8-形式存在[4]，(TiO6)8-有兩方面作用：一方面，(TiO6)8-彌散嵌鑲在硅氧復(fù)雜陰離子團的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之中，使得部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)解體，對復(fù)雜的硅氧陰離子團結(jié)構(gòu)起破壞作用，從而在一定程度上流動性得到改善。圖3中，TiO2從9%變化到10%時，爐渣脫硫性能得到增強就是這種作用；另一方面，TiO2形成(TiO6)8-復(fù)合陰離子，除自身攜帶的O2-外，還需吸收更多的O2-，O2-可來源于硅氧離子團，使得爐渣中硅氧復(fù)合陰離子中的O/Si比值進一步減小，使硅氧聚合度增加，從而使得爐渣粘度增加。圖3中，TiO2含量超過10%后爐渣脫硫性能快速降低也有這種原因存在。另外，當TiO2含量增加到一定程度后就會形成高熔點的鈣鈦礦（CaO.TiO2）和Ti(C,N)等物質(zhì)[5]，使得爐渣脫硫動力學(xué)條件惡化，這也是隨著TiO2含量增加使爐渣脫硫性能降低的一個重要原因。所以，整體上高鋁高堿度中鈦型爐渣脫硫能力隨TiO2含量升高而減弱，TiO2含量不易超過10%。

2.3 Al2O3對爐渣脫硫能行的影響

取MgO含量11%，TiO2含量11%，Al2O3含量14%~18%，固定爐渣堿度1.25倍，系列合成渣進行脫硫?qū)嶒�，實驗結(jié)果見表3。
表3 Al₂O₃系列合成渣的脫硫?qū)嶒灲Y(jié)果

編號	合成渣成分設(shè)計（%）			R₂	實驗結(jié)果
編號	Al₂O₃	MgO	TiO₂	R₂	w(S)/%	w(S)/%	L_S
A-1	14	11	11	1.25	0.74	0.019	38.9
A-2	15	11	11	1.25	0.76	0.022	34.5
A-3	16	11	11	1.25	0.67	0.020	33.5
A-4	17	11	11	1.25	0.72	0.025	28.8
A-5	18	11	11	1.25	0.82	0.035	23.4

由表3作w(Al₂O₃)對硫分配系數(shù)L_S的關(guān)系曲線，見圖4。

由圖4可知，爐渣脫硫性能隨著Al2O3含量的提高而降低。當Al2O3含量高于16%以后，爐渣脫硫性能急劇降低，其原因是：隨著爐渣中Al2O3含量增加，Al2O3吸收O2-形成鋁氧復(fù)合陰離子（AlxOy）z-或硅鋁氧復(fù)合陰離子，另外，當Al2O3含量過高時，易與渣中MgO形成尖晶石，或與CaO和SiO2形成固溶體，使爐渣流動性變差，惡化脫硫反應(yīng)動力學(xué)條件，不利于脫硫反應(yīng)的進行。因此，高鋁高堿度中鈦渣中Al2O3含量不宜超過16%。

2.4 MgO含量對對爐渣脫硫性能的影響

取MgO含量9%~13%，TiO2含量11%，Al2O3含量16%，固定爐渣堿度1.25倍，系列合成渣進行脫硫?qū)嶒�，實驗結(jié)果見表4。
表4 MgO系列合成渣的脫硫?qū)嶒灲Y(jié)果

編號	合成渣成分設(shè)計（%）			R₂	實驗結(jié)果
編號	Al₂O₃	MgO	TiO₂	R₂	w(S)/%	w(S)/%	L_S
M-1	16	9	11	1.25	0.72	0.025	28.8
M-2	16	10	11	1.25	0.71	0.022	32.3
M-3	16	11	11	1.25	0.67	0.020	33.5
M-4	16	12	11	1.25	0.75	0.016	46.9
M-5	16	13	11	1.25	0.72	0.015	48.0

由表4作爐渣w(MgO)對硫分配系數(shù)L_S的關(guān)系曲線，見圖5。

由圖5可知，爐渣脫硫能力隨著MgO含量的提高而增強，但當MgO含量超過12%時，爐渣的脫硫能力不在增強反而有下降的趨勢。

從脫硫反應(yīng)熱力學(xué)角度看，Mg2+對O2-親和力比Ca2+強[6]，從而MgO脫硫能力趕不上CaO，但也具有一定的脫硫能力，更為重要的是，適當增加爐渣中的MgO含量能改善爐渣流動性，從而改善爐渣脫硫反應(yīng)的動力學(xué)條件，但當渣中MgO含量過高時，渣中易形成高熔點尖晶石和方鎂石，使爐渣流動性變差，惡化脫硫反應(yīng)的動力學(xué)條件。因此，高鋁高堿度中鈦型爐渣MgO含量不宜超過12%。

3 結(jié) 論

（1）高鋁中鈦型高爐渣在高堿度條件下，脫硫能力隨爐渣堿度的增加而提高，單純考慮脫硫時，爐渣堿度為1.30時，脫硫能力最佳。

（2）高鋁高堿度中鈦型高爐渣的脫硫能力，整體上隨渣中TiO2含量的增加而降低，在采用高堿度時，渣中含量不宜超過10%。

（3）高鋁高堿度中鈦型高爐渣的脫硫能力，隨渣中Al2O3含量的增加而降低，Al2O3含量超過16%時爐渣脫硫能力急劇降低，因此，在高堿度、中鈦型的條件下，渣中Al2O3含量不宜超過16%。

（4）高鋁高堿度中鈦型高爐渣的脫硫能力，隨渣中MgO含量的增加而增強，在高鋁、高堿度、中鈦型的情況下，MgO含量在12%左右爐渣脫硫能力最佳。

參考文獻

[1] 劉瑾.高斌.包鋼高爐渣脫硫性能的研究.包鋼科技,2010,36(05):20.

[2] 王筱留.鋼鐵冶金學(xué). 北京:冶金工業(yè)出版社,2000.

[3] 周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊. 北京:冶金工業(yè)出版社,2012.

[4] 郭興忠,文光遠,張丙懷.中鈦高爐渣冶金性能的研究.四川冶金2000（3）:18-22.

[5] 黃希祜.鋼鐵冶金原理（第三版）.北京:冶金工業(yè)出版社,2006:214-215.

[6] 宋相國,周國凡,龍防.高Al2O3含高爐爐渣脫硫性能研究.河南冶金2007（6）:38.

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