高炉渣和脱硫渣对Al2O3-SiC-C质浇注料的侵蚀研究

2021-04-13温太阳崔园园

耐火材料 2021年2期

温太阳崔园园钟凯杨彬

首钢集团有限公司技术研究院北京100043

在钢铁生产过程中，铁水预脱硫工序可去除铁水中的硫，这对进一步优化钢铁生产流程，提高炼钢生产效率和降低炼钢成本具有积极意义。该过程中每吨铁产生了6～12 kg的冶金脱硫渣铁（简称脱硫渣）。为了减少环境污染和资源浪费，有效回收利用脱硫渣，如在转炉中加入脱硫渣替代部分废钢［1-3］。另外，在一罐到底工艺的铁水罐中加入脱硫渣，利用高温铁水熔化渣铁，实现了脱硫渣中铁资源的回收利用［4］。为进一步降低生产成本，一些钢铁企业在铁水罐或鱼雷罐中“回吃”脱硫渣，以回收铁资源。Al2O3-SiC-C质耐火材料具有较高的力学强度和抗热震性能，尤其对碱度较低的高炉炉渣具有良好的抗渣侵蚀性能，在铁水罐、鱼雷罐和高炉炉前等区域应用广泛。

在本工作中，由实验室制备硅溶胶结合Al2O3-SiC-C质浇注料，通过静态坩埚法研究了普通高炉炉渣（简称高炉渣）和脱硫渣对Al2O3-SiC-C质浇注料的侵蚀。

1 试验

1.1 坩埚试样的理化性能

采用振动成型工艺制备成外形尺寸为70 mm×70 mm×70 mm、内孔为φ20 mm×50 mm的试验坩埚试样。坩埚试样在室温下养护24 h后，放置烘箱于110℃保温24 h烘干。

硅溶胶结合Al2O3-SiC-C质浇注料理化性能指标见表1。

表1 浇注料的理化性能指标

1.2 试验过程和性能检测

试验采用静态坩埚法。取两个坩埚试样，分别加入30 g高炉渣和脱硫渣，在空气气氛下均加热至1 500℃保温3 h后自然冷却。然后沿中心轴线切开坩埚，分别测量两个坩埚内反应界面的直径和侵蚀深度。对坩埚中心界面正上方进行拍照，利用Photoshop图像处理软件进行处理，计算坩埚内炉渣侵蚀和渗透区域所占的像素数。侵蚀率=P/P0×100%，式中：P为坩埚内炉渣侵蚀和渗透区域所占的像素总数，P0为原坩埚剖面的总像素。抗渣侵蚀试验所用高炉渣和脱硫渣的化学组成和碱度见表2。

对炉渣与坩埚反应界面分别进行SEM、EDS和XRD分析。

表2 高炉渣和脱硫渣的化学组成和碱度

2 结果与分析

2.1 侵蚀情况

抗渣侵蚀试验后试样反应界面直径和侵蚀深度如表3所示。

表3 不同渣侵蚀试验后试样反应界面直径和侵蚀深度

由表3可见，两个抗渣试样反应界面直径和侵蚀深度的差距较大。高炉渣和脱硫渣对Al2O3-SiCC质浇注料的侵蚀率分别为3.07%和3.49%，脱硫渣的侵蚀程度明显大于高炉渣的。由此可见，实际生产中“回吃”脱硫渣的工艺在一定程度上会影响以Al2O3-SiC-C质耐火材料为衬体的铁水罐和鱼雷罐的使用寿命。

2.2 显微结构分析

静态坩埚抗渣试验后试样反应界面的显微结构照片见图1。

图1 抗渣试验后试样反应界面的SEM照片

由图1可见，两个静态坩埚抗渣试样的渣层、渗透层和原砖层界面相对清晰。但是，经高炉渣侵蚀试样的渗透层比经脱硫渣侵蚀试样的薄。文献［5］显示Al2O3-SiC-C质材料中的Al2O3和SiO2可与CaO和FeO等发生反应，生成低熔点化合物，从而加速材料损毁。

为进一步比较两种炉渣对Al2O3-SiC-C质浇注料的侵蚀程度，对图1中铝、钙和镁元素的分布进行EDS分析，结果见图2。

图2 图1中铝、钙和镁元素的EDS分析

由图2可见，两种炉渣中的钙和镁元素均渗透进入原砖层，镁元素的渗透程度低于钙元素的。高炉渣中的钙元素基本在铝元素的表面附近生成变质层，故渗透程度较浅；脱硫渣中的钙元素明显渗透进原砖层，使原砖层的钙含量大幅增加。反应界面的棕刚玉颗粒已经明显被钙元素包围。

两个静态坩埚抗渣试样反应界面处的XRD图谱如图3所示。由图3可知，静态坩埚抗高炉渣试样反应界面的主要物相为钙铝黄长石（2CaO·Al2O3·SiO2）、刚玉、碳化硅（SiC）和钙长石（CaAl2Si2O8）。静态坩埚抗脱硫渣试样反应界面的主要物相为硅酸铝镁（MgAl2（SiO3）4）、辉石（Ca（Mg，Fe）Si2O6）、刚玉和钙铝黄长石。两种炉渣反应界面均有残存的刚玉相，但高炉渣中刚玉相的残存量明显高于脱硫渣中的，另外还有SiC相。结果表明，在静态坩埚抗脱硫渣试样中，高温熔渣沿着气孔渗透进入到浇注料中，与Al2O3和SiC发生了较为充分的反应。

图3 静态坩埚抗渣试样反应界面的XRD图谱

炉渣在耐火材料中渗透，并与耐火材料发生反应，改变了耐火材料的组织结构和渣的成分［6］。从理论上来说，酸性耐火材料应用在低碱度炉渣中，或碱性耐火材料应用在高碱度炉渣中，耐火材料组分与炉渣之间不容易发生化学反应，耐火材料的抗渣渗透和侵蚀性能会更好些。

在脱硫工艺中，由于复合脱硫剂（CaO和CaF2的质量比为9∶1）的加入，生成的高碱度脱硫渣中的CaO和FeO的含量相对高炉渣中的含量大幅上升。炉渣中钙、镁和铁等元素与原砖层中的Al2O3发生反应，生成低熔点的MgAl2（SiO3）4、2CaO·Al2O3·SiO2和Ca（Mg，Fe）Si2O6等，对反应界面处的Al2O3侵蚀更为严重。由此可见，高碱度脱硫渣对Al2O3-SiC-C质浇注料的侵蚀更强。