炉渣及其在高炉炼铁中的作用

炉渣及其在高炉炼铁中的作用

高炉 (BF) 是钢厂使用的各种反应器中最古老的（已有 700 多年的历史）。它用于生产液态铁（铁水）。高炉是一种复杂的高温逆流反应器，呈竖井状，在顶部交替装入含铁材料（矿石、烧结矿/球团）和焦炭以及熔剂材料（石灰石、白云石等）。在炉中形成分层炉料。预热空气从炉子下部通过风口吹入。该热空气与焦炭反应产生还原气体。下降的矿石负荷（氧化铁）被上升的还原气体还原并熔化以产生铁水。脉石材料和焦灰与助熔材料熔化形成熔渣。液态产品（铁水和炉渣）以一定的间隔通过出铁口从炉中排出（出铁）。获得的铁水的质量取决于熔渣的形成及其矿物学转化。优质的铁水需要优质的炉渣。炉渣是由含铁炉料的脉石和焦炭灰与炉料中的熔剂材料发生化学反应形成的低熔点化合物的混合物。硅酸盐、铝硅酸盐、铝硅酸钙等所有未还原的化合物也加入渣中。

众所周知，炉渣的成分，即二氧化硅 (SiO2) 和氧化铝 (Al2O3) 会增加粘度，而氧化钙的存在会降低粘度。炉渣的熔融区决定了高炉的凝聚区，因此炉渣的流动性和熔融特性对高炉的生产率起着重要作用。最初形成富铁渣，然后由于从熔剂材料中同化氧化钙 (CaO) 和氧化镁 (MgO)，渣的成分发生变化。随着炉渣的滴落，它会吸收焦炭燃烧产生的灰分中的 SiO2 和 Al2O3。滴落过程取决于炉渣的流动性（低粘度），进一步受其成分和温度的控制。

炉渣必须具有吸收杂质的亲和力，即炉料中的脉石以及影响铁水质量的其他有害杂质。了解炉渣的化学成分、矿物组成及其反应和捕获微量杂质的能力至关重要。此外，炉渣应在操作温度下自由流动，具有高炉渣-金属分离度，而不会夹带金属。因此，最终产品的各种特性直接受炉渣成分的影响。因此渣的理化性质对高炉的运行起着重要的作用。

在铁水生产过程中产生的高炉最终渣主要被认为是四种氧化物的混合物，即（i）SiO2、（ii）Al2O3、（iii）CaO和（iv）MgO。炉渣的微量成分包括 (i) 氧化亚铁 (FeO)、(ii) 氧化锰 (MnO)、二氧化钛 (TiO2)、碱金属（K2O 和 Na2O）和含硫化合物。高炉内不同区域产生四种不同成分的炉渣。 （图。1）。它们是 (i) 初级炉渣、(ii) 炉渣、(iii) 风口炉渣和 (iv) 最终炉渣。这四种熔渣分别在 (i) 粘着区、(ii) 滴落区、(iii) 滚道和 (iv) 炉缸产生。它是出钢的最终渣，因此为了获得良好的出钢，它必须具有适当的流动性（低液相线温度和低粘度）。

图1 BF渣的种类及其产生的区域

为了高炉的顺利运行，炉渣需要满足以下条件。

• 渣量应尽可能低。
• 炉渣具有去除碱的能力，
• 满足脱硫要求。
• 一次渣的成分必须均匀。
• 熔渣的形成被限制在高炉的有限高度内，熔渣必须稳定。
• 熔渣在熔渣形成区提供良好的渗透性。
• 熔渣的熔点不能太高也不能太低。
• 最终的炉渣应具有足够的流动性，以便可以通过出铁口排出，

含铁材料层在熔剂的影响下在主要温度下在粘合区开始软化和熔化，这大大降低了调节熔炉中材料（气体/固体）流动的层渗透性。它是炉内由顶部含铁材料软化和底部含铁材料熔化流动所束缚的区域。高软化温度加上相对较低的流动温度会在高炉下方形成狭窄的内聚区。这将通过减少硅的吸收来减少熔炉中液体的行进距离。另一方面，从炉腹区域流下到炉膛的最终熔渣是一种短熔渣，一旦软化就开始流动。因此熔合行为是评价高炉渣有效性的重要参数。

高炉中的炉渣流动性影响粘聚区的软熔行为、由于滴液区的液体滞留而导致的炉下部渗透性、炉膛内的液体流动以及排渣的能力。通过出铁口的炉渣。也影响其脱硫能力。渣的流动性受温度和成分的影响，后者受焦炭和煤粉的矿石脉石矿物和灰分物质的影响。

高炉渣主要属于三种渣系，即（i）CaO三系- Al2O3–SiO2, (ii) CaO的四元系- Al2O3–SiO2– MgO，和（iii）CaO的五元体系- Al2O3–SiO2– 氧化镁- 二氧化钛。一般来说，高炉渣在五元体系（SiO2-Al2O3-CaO-MgO-TiO2）液相线图中流动性好的主要操作区域是黄橄榄石相（akermanite的固溶体Ca2MgSi2O7和钙长石的固溶体Ca2Al2SiO7）。

高炉渣的成分对其物理化学特性有非常重要的影响，影响脱硫程度、操作的平稳性、渣的处理、焦炭消耗、透气性、传热、铁水生产率及其质量等。影响最大的渣性质是粘度、硫化物容量、碱容量和液相线温度。这些特性对整个高炉工艺有很大影响。渣的粘度受化学成分、结构和温度的影响很大。

渣粘度是与反应动力学和最终渣的还原程度有关的传输特性。渣粘度还决定了渣-金属分离效率，进而决定了金属收率和除杂能力。在操作过程中，炉渣粘度表示炉渣从炉中取出的难易程度，因此与工艺的能源需求和盈利能力有关。

如果炉控具有预测渣粘度和液相线温度的能力，那么它就有可能优化高炉运行过程中的分析和决策控制。在这种情况下，它取代了与炉渣成分有关的经验法则的使用。为此，过去已经做出了一些努力来测量和模拟不同炉渣系统的粘度。

液态渣可归类为牛顿流体，其剪切粘度与剪切速率无关，因此称为动态粘度。 粘度在很大程度上受键合和聚合程度的影响，SiO2 和 Al2O3 因其高度共价键而有助于提高粘度。相反，一氧化碳（如 CaO 和 MgO）表现出离子行为，导致硅酸盐链的破坏和粘度的降低。这仅适用于液态渣相体系，而在多相体系中，一氧化碳的增加会导致固相活性更高，并可能产生固体沉淀，从而增加有效（观察到的）粘度。

在可以改变炉渣成分的典型操作中，成分的变化通常具有相反的效果。例如，在较高碱度下实现较低粘度可能与液相线温度升高的不利影响有关。除了对物理化学性质的影响外，渣碱度还影响渣的脱硫能力（在一定程度上还影响脱磷能力）和铁水的硅含量。碱度越高，渣中的硫含量越高，金属中的硅含量越低。

低 Al2O3 渣一般具有低粘度、高硫化物容量和低液相线温度以及比 Al2O3 通常大于 15% 的高 Al2O3 渣低的渣体积。高 Al2O3 渣主要出现在印度高炉，因为铁矿石和烧结矿中的高 Al2O3/SiO2 比值以及焦炭中的高灰分含量。这些熔渣粘度很高。

液态炉渣的粘度主要由其温度和化学成分决定。在给定温度范围内，粘度对温度的依赖性通常用 Arrhenius 方程来描述，如下所示。

N =A exp (E/RT)

在哪里

N =炉渣粘度

A =前指数项

E =粘性流的活化能

R =气体常数

T =绝对温度

硅酸盐渣由 Si4+ 阳离子组成，Si4+ 阳离子被 4 个以正四面体形式排列的氧阴离子包围。这些 SiO4 4-四面体通过桥接氧以链或环的形式连接在一起。渣中的粘性流动取决于系统中离子物质的流动性，而这又取决于化学键的性质和离子物质的构型。在熔渣的情况下，离子间力取决于所涉及的离子的大小和电荷。因此，很自然地预期更强的离子间力会导致粘度增加。在具有高二氧化硅含量的硅酸盐熔体的情况下，聚合阴离子导致高粘度。随着金属氧化物浓度的增加，Si-O键逐渐断裂，网络尺寸减小，同时熔渣粘度降低。研究表明，添加高达 10-20 mol% 的碱金属氧化物会由于解聚作用而导致粘度急剧下降。

在高炉渣的情况下，总是存在氧化铝并且AlO4 5- 基团与SiO4 4- 形成聚合物单元。在含有 CaO-MgO-SiO2-Al2O3 的炉渣中，氧化铝会增加粘度，就像二氧化硅一样。而提供氧气的石灰和氧化镁则对粘度有相反的影响。

炉渣的粘度取决于成分和温度。低粘度不仅有助于控制反应速率，因为它对液态渣中离子进出渣/金属反应界面的传输有影响。它还确保了高炉的平稳运行。碱性氧化物的增加和高于渣液相线温度的温度都会降低粘度。在系统 CaO-MgO-SiO2-Al2O3 的情况下，氧化铝和二氧化硅的作用在摩尔基础上并不相等，尽管两者都会增加这些熔体的粘度。氧化铝对粘度的影响取决于炉渣的石灰含量。这是因为 Al3+ 只有与 1/2 Ca2+ 结合才能取代硅酸盐网络中的 Si4+ 以保持电中性。

熔渣的熔化行为用四个特征温度来描述，即 (i) 初始变形温度 (IDT) 象征着表面粘性，对固态材料的运动很重要，(ii) 固态 (ST) 象征着塑料变形，表明塑性变形的开始，（iii）半球温度（HT），它也是熔化或液相线温度，象征着流动缓慢，在熔炉的空气动力学和传热传质中起重要作用，以及（iv ) 代表液体流动性的流动温度（FT）。

在内聚区形成的熔渣是主要熔渣，其以FeO作为主要助熔成分形成。 FeO对固相线温度、熔合温度、固相-熔合间隔有显着影响。这种熔渣与最终熔渣完全不同，最终熔渣主要是由于 CaO 或 MgO 等基本成分的存在而引起的。虽然不可能从高炉中获得初级炉渣，但始终可以在实验室中制备类似于初级炉渣的合成炉渣并研究其流动特性。最终渣是ST和FT相差很小的渣。这种炉渣获得了液体流动性，并尽快从熔炉中流下，远离它开始塑性变形的部位。这一作用暴露了新的反应点进行进一步反应，据推测是提高炉渣-金属反应速率的原因，影响了高炉操作和金属质量。

高炉渣的流动特性除受含铁材料中脉石的组成、质量和数量的影响外，还受低温下氧化铁还原程度（在颗粒区）的影响很大。高炉渣的CaO/SiO2比和MgO含量对其软熔性能有很大影响。后期MgO的可用性往往会导致凝聚区的温度范围较小，从而导致床层的渗透性更好，进而影响焦炭消耗量和生产的铁水质量。

铁矿石中Al2O3的增加不仅影响烧结矿的强度，而且影响其在凝聚区的高温特性。渣中的Al2O3浓度被认为是降低渣流动性和提高液相线温度的因素。渣中高铝的影响如下。

• 高铝渣在恒定碱度（CaO/SiO2）下具有高粘度。但随着碱性氧化物的增加和温度高于渣液相线温度，高铝渣的粘度有所降低。
• 高铝渣有较大的硅还原倾向，有增加铁水硅含量的趋势。
• 随着炉渣中氧化铝含量的增加，铁水的硫含量趋于增加。因此，高铝渣会降低脱硫效率。
• 随着熔渣中Al2O3浓度的增加，滴流区的压降增加。即使 CaO/SiO2 比值增加，滴液区的压降也会增加。

渣中高氧化铝的劣化作用通过增加其 MgO 含量来抵消。为避免铁渣在高炉下部堆积，降低渗透性，许多国家半经验将炉渣中氧化铝浓度设定在16%左右的上限。