D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.0M.001 第21卷第4期 北京科技大学学报 Vol.21 No.4 1999年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.1999 埋弧精炼渣发泡行为的研究 李金锡 张鉴 张建平 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)马鞍山钢铁公司钢研所 摘要以马鞍山钢铁公司埋弧精炼渣的成分(CaO-MgO-MnO-FeO-Al,O,-SiO)为依据，采用 正交实验法，对不同成分的炉渣发泡性能进行了研究，得到了一组具有最伟发泡性能的基础渣 成分。 关键词埋弧精炼渣；正交实验；发泡指数 分类号T044.6 埋弧精炼在电弧炉炼钢、炉外精炼过程中具 成分的选取更全面和具有代表性，因此确定测量 有十分重要的作用.为了实现埋弧精炼，必须选 的碱度范围为2.5~6.0.此碱度范围较大，而且 择具有良好发泡性能的基础渣和合适的操作条 其他炉渣成分变化范围也较大，对此进行发泡性 件，而精炼渣物理性能的好坏直接影响到炉渣能 能的逐一测量既耗时又需要大量资金.为此，我 否正常发泡，从而影响埋弧精炼的效果.在温度 们采用了正交实验方法得到最佳的试验结果.基 较为恒定的条件下，基础渣的成分决定炉渣的物 础渣碱度的水平分别为2.8,3.6,4.5,6.0，确定其 理性能，从而影响炉渣的发泡性能好坏， 他炉渣成分的水平（质量分数）：Mg0为5%和 些研究者研究了熔融还原、转炉炼钢等熔 10%;Fe0为0.6%和1.2%：Al:0为10%和15%： 池冶炼过程的发泡行为及发泡机理”，探讨了炉 CaF:为5%和10%. 渣成分对炉渣发泡性能的影响，并且以发泡指数 表1马钢精炼渣组成(w)和成分范围 % ()作为衡量发泡性能的指标.但是已研究的渣 组成Cao SiO:MnO FeO Al.O,Mg0 系往往为低碱度渣，仅适用于高炉和转炉冶炼。 范围40-6510-200-1.50.4-1.68-244-16 在高碱度渣发泡性能方面，特别是应用于电弧 所以，在本实验中(CaO)/(SiO),(MgO), 炉、炉外精炼过程的精炼渣研究较少 (FeO),(Al:O),(CaF)5种渣的碱度为正交实验的 作者在喷吹氮气的条件下对马鞍山钢铁公 5个内素，碱度采用四水平，其他4个因素采用二 司第一炼钢厂钢桶炉高碱度精炼渣(CaO-MgO- 水平，所采用的正交表为L(4×2).实验所考察 MnO-FeO-Al,O,-SiO2渣系)的发泡性能进行了研 的指标为渣系在：同样氨气体积流量下的相对发 究，下面介绍所得结果 泡高度.由正交表L(4×2)可得到本实验所用基 础渣的组成(%)，见表2. 1基础渣成分的实验 表28组基础渣的组成(w) % 1.1实验方法 序号碱度MgO Al.O,CaF:Feo Cao SiO. 为了尽可能使所研究的基础渣系接近实际 12.8 10 20101.243.315.5 精炼过程中的炉渣成分，并且达到埋弧精炼的要 2 3.6 10 15 10 0.651.414.0 求，作者参照马钢SKF精炼渣的成分（见表1），对 3 4.5 10 15 5 1.256.312.5 基础渣的成分进行了研究. 4 6.010 20 5 0.655.29.2 马钢精炼渣系的碱度大（碱度最高可达6.5）， 2.8 5 15 0.6 54.819.6 3.6 5 20 5 1.253.815.0 而目前国内精炼渣碱度普遍偏低，为了使基础渣 6 4.5 5 20 100.652.711.7 1998-07-08收稿幸金锡男.26岁.硕1： 86.0 51510 1.259.09.8 ★治金部基础研究基金资助项目
第 21 卷 第 4 期 1 9 9 9 年 8 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n i v e r s i yt o f S e i e n e e a n d eT e h n o l o g y B e ij i n g 、 b l . Z I N 0 . 4 A u g . 1 9 9 9 埋弧精炼 渣发泡行为 的研究 李金锡 张 鉴 l )北京科技大学冶金学院 , 北京 10 0 0 8 3 张建平 2) 马鞍 山钢铁公司 钢研所 摘 要 以马鞍 山钢铁 公司埋 弧精炼 渣 的成分 (C a o 一 M g O 一 M n O 一 eF o 一 1A 2 O 飞一 51 0 2 ) 为 依据 , 采 用 正交实 验法 , 对 不 同成 分 的炉渣 发泡 性能进 行 了研 究 , 得到 了 一 组 具有最 佳发 泡性 能的基础渣 成分 . 关键词 埋 弧精炼 渣 ;正 交实验 ; 发泡指 数 分类号 T O 4 4 . 6 埋弧精炼在电弧炉炼钢 、 炉外精炼过 程中具 有十分重 要 的作用 . 为了实现埋 弧精炼 , 必须选 择具 有 良好发泡 性能 的基 础 渣 和合 适 的操 作 条 件 , 而精炼渣物理性能的好坏直接影 响到炉渣能 否 正常发泡 , 从而影 响埋弧精炼 的效 果 . 在 温度 较为恒定的条件下 , 基础 渣 的成 分决定炉渣的物 理性能 , 从而 影响炉渣的发泡性能好坏 . 一些研究者研究了熔融还 原 、 转炉炼钢 等熔 池冶炼过 程的发泡行 为及发泡机理 { ’ 一 , , , 探讨 了炉 渣成分对 炉渣发泡 性 能的影响 , 并且 以发泡 指数 阁 作为衡量 发泡性能 的指标 . 但是 己研 究 的渣 系往往为低碱度渣 , 仅适用 于高炉和 转 炉冶 炼 . 在 高碱度渣发泡性能 方面 , 特别 是应 用 于 电弧 炉 、 炉外精炼过程的精炼渣研究较少 !橄 6 { . 作者在 喷吹 氮气 的条件下 对 马鞍 山钢 铁 公 司第一炼钢 厂钢桶炉高碱度精炼渣 ( C a O 一 M g O - M n O 一 eF O 一 1A 2 O 3一 51 0 2 渣系) 的发泡 性能进行 了研 究 , 下面 介绍所得 结果 . 成分 的选取 更 全面 和具 有代表性 , 因此确定测量 的碱度范 围为 .2 5 一 .6 0 . 此碱度范 围较大 , 而 且 其 他 炉渣成分 变化 范 围也较大 , 对此进行发泡 性 能的逐一测 量 既耗时又 需要 大量 资金 . 为此 , 我 们 采用 了正交实验 方法得 到 最佳 的试验结 果 . 基 础 渣碱度的水平分别为 2 . 8 , 3 . 6 , 4 . 5 , 6 . 0 , 确定 其 他 炉渣成 分 的水平 (质量分 数 ) : M g O 为 5 % 和 10 % ; F e O 为 0 . 6 % 和 1 . 2 % ; A I : 0 3为 10 % 和 1 5 % ; C a F : 为 5 % 和 10 % . 表 l 马钢精炼渣组成 (w) 和成分范围 % 组成 范围 C a O 4 0 一 6 5 5 10 2 10 一 2 0 M n O F e O A 1 2 0 3 0 一 1 . 5 0 . 4 一 1 . 6 8 一 2 4 M g O 4 一 16 1 基础 渣成分的实验 1 . 1 实验方法 为 了尽可 能使所研究 的基 础 渣 系接 近 实际 精炼过程中 的炉渣成 分 , 并且达 到埋 弧精炼 的要 求 , 作者参照 马钢 S K F 精炼渣 的成分 ( 见表 1 ) , 对 基础 渣 的成分进行 了研究 . 马钢 精炼渣系的碱度大 (碱 度最 高可 达 6 . 5) , 而 目前国 内精炼渣碱 度普遍偏低 , 为 了使基 础渣 19 9 8 一 0 7 一 0 8 收稿 李金锡 男 , 26 岁 , 硕 十 * 冶金部基础研究基金资助项 目 所 以 , 在 本 实 验 中 ( C a O ) /( 5 10 : ) , (M g O ) , ( F e O ) , (A 1 2 O 3 ) , (C a F Z ) 5 种渣的碱度 为正交实验 的 5 个 因素 , 碱度采 用 四水平 , 其他 4 个因 素采用 二 水 平 , 所 采用的正 交表为 L S ( 4 ’ ` 2 ` ) . 实验所考察 的 指标 为渣 系在 同样氮气 体积 流量 下 的相 对 发 泡 高度 . 由正 交表 L : (4 ’ 只 2 4 ) 可得 到本实验所用基 础 渣 的组 成 ( % ) , 见表 2 . 表 2 8 组基础渣的组成 w( ) % 序 号 碱度 M g O A I : O ; C a F Z Fe O C a O 5 10 : 1 2 . 8 1 0 2 0 10 1 . 2 4 3 . 3 15 . 5 2 3 . 6 1 0 1 5 1 0 0 . 6 5 1 . 4 1 4 . 0 3 4 . 5 1 0 1 5 5 1 . 2 5 6 . 3 1 2 . 5 4 6 . 0 1 0 2 0 5 0 6 5 5 2 9 . 2 5 2 . 8 5 1 5 5 0 . 6 5 4 . 8 19 . 6 6 3 . 6 5 2 0 5 1 . 2 5 3 . 8 15 0 7 4 . 5 5 2 0 1 0 0 . 6 5 2 . 7 1 1 . 7 8 6 . 0 5 1 5 1 0 1 . 2 5 9 . 0 9 . 8 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 04. 001
·322 北京科技大学学报 1999年第4期 1,2实验设备与实验方法和结果 2.5f 此次实验的主要设备是钼丝炉、控温仪、氨 2.0 气裂解炉，见图1.炉渣发泡高度的测量采用钼丝 挂渣法，见图2.实验主要测量不同氨气流量下 1.5 (q)的炉渣的发泡高度. 1.0 4 0.5 0.0 出水 0.060.13 0.180.23 9s(m3.h) 1.5 控温仪 1.0 氨气 冷却水 热电偶 氢气 0.5 0.0 0.060.080.100.130.150.17 图1钼丝炉实验测量装置示意图 9x/(m'.h) 氮气 图3气体流量与相对发泡高度(18为表2中序号) 2.2炉渣物理性质的计算与分析 碳管 基础渣物理性质的计算.发泡指数()的计 钼丝 算采用Fruehan R J等u3制在研究熔融还原渣、LF 炉埋弧渣以及BOS渣中的公式，即气体穿过泡沫 渣层的平均时间： -4h qeA (2) 0 炉渣 式中，E为发泡指数，s;9为气体流量，mm/s;A为 坩埚截面积，mm;△h为起泡渣与未起泡平静渣 坩埚 的高度差(h-h),mm. 利用7元渣系物理性质的计算模型，将各 组基础渣的成分依次代入模型中进行计算，分别 图2发泡高度的测量示意图 可以得到1500℃下Ca0-Mg0-MnO-FeO-Al,O- SiO,-CaF2渣系的物理性质参数， 2实验结果与分析 炉渣粘度计算公式： 2.1实验结果 n=A,T-exp(10'B,/T)Pa-s (3) 基础渣在不同氨气流量下(9、)对相对发泡 h/D=芝AN+(I0D2B,N (4) f-0 高度△H作图，可得到q一△H关系图. 炉渣表面张力的计算公式： △H的计算公式如下： G=ΣA,N,+B,/T N/m (5) △H=(h,-ho)/ho (1) 式中：h为起泡后炉渣的高度，mm;h为起泡前平 炉渣密度的计算公式： 静熔渣的高度，mm. p=艺A,N+B,/T kg/m' (6) 将不同氮气流量与对应的相对发泡高度作 其中：N=1,N为炉渣结构单元的摩尔分数，仁 图，如图3(a)和(b)所示. 131
一 3 2 2 - 北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 9 年 第 4 期 ō、 é n ù I ùnU . … `, 1 ` .1.1 1 . 2 实验设备与实验方法 和 结果 此次实验的主要 设备 是铝 丝炉 、 控温仪 、 氨 气裂解炉 , 见 图 1 . 炉渣发泡高度 的测 量采用 铝丝 挂渣法 {刀 , 见 图 2 . 实验主 要测量不 同氮气流量下 (争 : ) 的炉渣 的发泡高度 . t 尾气 匕」 亡』 . 卫 控温仪 一丫 出水 0 . 0 6 0 . 13 0 . 18 q 、 / (m , · h 一 ’ ) 0 . 2 3 氮气 氢气 0 . 06 0 . 0 8 0 . 10 0 . 13 0 . 1 5 0 . 1 7 图 1 钥 丝炉实验测量装置示意图 氮气 叮 、 j (m 3 · h 一 , ) 图 3 气体流量与相对发泡高度( 1一8 为表 2 中序号 ) .2 2 炉渣物理性质的计算与分 析 基础渣物理性质的计算 . 发泡指数 (幻 的计 算采用 Fur he an R J 等 `, 庄 8] 在研究熔融还原渣 、 L F 炉埋弧渣 以及 B O S 渣中的公式 , 即气体穿过泡沫 渣层 的平 均时间: 碳铝 一 △h 乙 = 一一 下一丁 q g /A ( 2 ) 炉渣 增祸 〕 O O O O O O 图 2 发 泡高度 的测量示意图 2 实验结果 与分析 2 . 1 实验结果 基础渣在不 同氮气流量 卜 (q 、 ) 对相 对发泡 高度 △万 作图 , 可得到争一△厅关 系图 . △万 的计算公 式如下〔4 , : A H = ( h t 一 h 。 ) /h 。 ( l ) 式中: h 、 为起泡后 炉渣的 高度 , m m ; h 。 为起泡前平 静熔渣的 高度 , m m . 将不 同氮 气流量 与 对 应 的 相 对发泡 高度作 图 , 如 图 3 ( a )和 ( b )所示 . 式 中 , 万 为发泡 指数 , ;s 头为气体流量 , m m s/ ; A 为 柑祸截面积 , m m , ; △h 为起泡渣与未起泡平静渣 的高度差 ( h t 一 h 。 ) , m m . 利用 7 元渣系物理性质的计算模型 〔9] , 将各 组基础渣的成分依次代入 模型中进行计算 , 分别 可 以得到 1 5 0 0 0C 下 C a o 一 M g o 一 M n o 一 F e O 一 A 1 2 0 3 - 5 10 2一 C aF Z 渣系的物理性质参数 . 炉渣粘度计算公式 : (5)34 叮= A : T · e x P( 1 0 ,及 /力 P a · s (6) =i ` n (“ /力一 恿月 ,从 + ( ` o , /乃恿B ,茂 炉渣表面张力的计算公式 : 口 = 艺 A ` 拟 十 B 。 /T N m/ 炉渣密度的计算公式 : 户二 艺 A ;凡 + B 。 /T k g /m , 其中: N0 二 1 , 从 为炉渣结构单元 的摩尔分数 , l 一3 1
Vol.21 No.4 李金锡：埋弧精炼渣的发泡行为的研究 ·323· 由此计算得到1500℃下Ca0-Mg0-MnO- 3结论 FeO-Al,O,-SiO2渣系物理性质参数和相应发泡指 数如表3. 通过采用正交实验法，对CaO-MgO-MnO- 表3基础渣物理性质参数的计算值和发泡指数 FeO-CaFz-Al,O,-SiO2渣系进行了发泡性能的研 渣号 粘度/ 密度/表面张力1发泡指数/ 究，确定了一组具有良好发泡性能的基础渣成 Pa.s kg.m N.m 5 分，这为实验室和现场的埋弧精炼渣发泡剂研究 1 0.246 2806 0.418 0.75 性能打下了基础. 2 0.161 2864 0.428 0.9t 3 0.162 3009 0.431 0.87 参考文献 4 2.152 3042 0.471 0.17 1 Ito K,Fruehan R J.Slag Foaming in Smelting Reduction 5 0.304 2807 0.385 0.51 Process Steel Research,1989,60(3+4):151 6 0.228 3001 0.390 0.66 2 Roth R E,Jiang R,Fruehan R J.Foaming of Ladle and 0.257 2847 0.396 0.72 BOS-Mn Smelting Slags.Transaction of Iron and Steel 8 0.273 3022 0.403 0.62 Society,.1993,14:95 3 Jiang R,Fruehan R J.Slag Foaming in Bath Smelting. 23结果分析 Metall Trans,1991,22B(4):481 (1)由表3和图3可以看出，配方2、3号炉渣 4牛四通.埋弧渣工艺及其物理性质的研究：[博士论 具有良好的发泡性能，而且炉渣的粘度较小，表 文].北京：北京科技大学，1994 面张力较大，密度适中.考虑到3号渣更符合马钢 5任正德，礼重超，陈书元.40t钢包炉泡沫渣埋弧作业. 精炼渣的实际，因此在研究埋弧发泡剂等相关实 特殊钢，1995,16(4)41 10彭朝晖，肖中立，刘慧.采用发泡剂的电炉芯铁渣炼钢 验过程中采用基础渣成分的配方为3号渣， 工艺研究.钢铁，1996,31(4)：27 (2)由表3可以看到，4号基础渣物理性质数 7王力军，电弧炉泡沫渣及其脱磷能力的研究：[博士论 值偏大而发泡指数值偏低.分析其中的原因，可 文】.北京：北京科技大学，1993 能是由于在1500℃时炉渣内存在二相粒子，从 8 Ito K,Fruehan R J.Study on the Foaming of CaO-SiO:- 而引起粘度、密度、表面张力升高，发泡性能降 FeO Slags.Metall Trans,1989,20B(4):509 低，在以后研究中不作考虑. 9李金锡.埋弧渣物理性质的理论与实践的研究：[硕士 论文].北京：北京料技大学，1998 Research on Foaming Behavior of Arc Covering Slags Li Jinxi, Zhang Jian,Zhang Jianping Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Based on the compositions of refining slag of Maanshan Iron Steel Corporation and using orthogonal test,investigation on foaming behavior of arc covering slag is carried out.The optimized arc-cover- ing slag composition has been obtained,which has the best foaming property. KEYWORDS arc covering slag:orthogonal test;foaming index
V 6 1 . 年1 N o . 4 李金锡 : 埋弧精炼 渣的发泡行 为的 研究 . 3 2 3 - 由此 计算 得 到 1 5 0 ℃ 下 C a O 一 M g O 一 M n o - F e O 一 A 1 2 0 3一 51 0 2 渣系物理性质参数和 相应发泡指 数如表 3 . 裹 3 基础渣物理性质参数的计算值和发泡指数 渣 号 粘度 / P a · S 0 . 2 46 0 . 1 6 1 0 . 162 2 . 152 0 . 304 0 . 22 8 0 . 25 7 0 . 27 3 密度/ kg · m 一 3 28 0 6 2 86 4 30 0 9 3 04 2 2 80 7 3 00 1 2 84 7 3 02 2 表面张力/ 发泡指数/ N · m 一 l 0 . 4 1 8 0 . 4 2 8 0 . 4 3 1 0 . 4 7 1 0 . 3 8 5 0 . 39 0 0 . 3 96 0 . 4 0 3 0 . 7 5 0 . 9 1 0 . 87 0 . 17 0 . 5 1 0 . 66 0 . 7 2 0 . 6 2 6 1 口 .2 3 结果分析 ( l) 由表 3 和图 3 可 以看出 , 配方 2 、 3 号炉渣 具有 良好 的发泡性能 , 而且炉渣的粘度较小 , 表 面张力较大 , 密度适中 . 考虑到 3 号渣更 符合马钢 精炼渣的实际 , 因此在研究埋弧发泡 剂等相关实 验过程中采用基础渣成分的配方为 3 号渣 . (2 ) 由表 3 可 以看到 , 4 号基础渣物理性质数 值偏大而发泡指数值偏低 . 分析其 中的原因 , 可 能是 由于在 1 5 0 ℃ 时炉渣 内存在二相粒子 , 从 而引起粘度 、 密度 、 表面张力升高 , 发泡性能降 低 , 在以后研究中不作考虑 . 3 结 论 通过采用正交实验法 , 对 C a O 一 M g O , Mh O - Fe O 一 C aF Z一 A 1 2 q 一 5 10 2 渣 系进行 了发泡 性能 的研 究 , 确 定 了一 组 具 有 良好发泡性能 的基础渣成 分 , 这为实验室和现场的埋弧精炼渣发泡剂研究 性能打下 了基础 . 参 考 文 献 1 Ito K , F ur e h an R J . Sl a g F o am i n g i n s m e l ti n g 称du e ti o n Por e e s s S t e e l eR s e ar e h , 1 989 , 6 0(3 + 4 ) : 1 5 1 2 R o t h R E , Ji a n g R , F ur e h an R J . F o am i n g o f L a d l e an d 5 0 5 一 M n Sm e l ti n g S l a g s . T r a n s a e ti o n o f I r o n a n d Set e l S o e i e t y, 1 9 9 3 , 1 4 : 9 5 3 Ji a n g R , Fur e h an R J . Sl a g F o am i n g i n B hat S m e l ti n g . M e at ll Tar n s , 19 9 1 , 22B ( 4 ) : 48 1 4 牛 四通 . 埋 弧渣工 艺及其物理性 质的研 究 : 〔博士论 文〕 . 北京 : 北京科技大学 , 1994 5 任正 德 , 礼重超 , 陈书元 . 4 0t 钢包炉泡沫渣埋弧作雌 . 特殊钢 , 19 9 5 , 16 ( 4 ) : 4 1 , 10 彭朝晖 , 肖中立 , 刘慧 . 采用发泡剂的电炉愈末渣炼钠 工艺研究 . 钢铁 , 19 9 6 , 3 1 ( 4 ) : 2 7 7 王力军 . 电弧炉泡沫渣及其脱磷 能力 的研究 : [博士论 文} . 北京 : 北京科技大学 , 19 93 8 It o K , F ur e h a n R J . S tu dy o n t h e F o am i n g o f C aO 一 5 10 2 - F e o S l a g s . M e t a l l rT a n s , 19 8 9 , 2 0B ( 4 ) : 5 0 9 9 李金锡 . 埋弧渣物理性质的理论与实践 的研究 : [硕 士 论文 ] . 北京 : 北京科 技大学 , 19 9 8 R e s e ar e h o n F o a m i n g B e h va i o r o f iA e C o v e r i n g S l a g s LI iJ nx i, hZ a gn ij an , hZ a gn j i a op ign M e t a ll u r留 S e h o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T RA C T B a s e d o n ht e e o m Po s it i o n s o f r e if n i n g s l a g o f M a an s h a n I r o n & S t e e l C o pr o art i o n an d u s i n g o hrt o g o n a l t e s t , ivn e s t ig at ion o n fo am i n g b e h a v i o r o f acr e o v e ir n g s lag 1 5 e ar i e d o ut . hT e o tP 加i z e d aer 一 e o v e -r i n g s l a g e o m P o s it i o n h a s b e e n o b t a i n e d , w h i e h h a s ht e b e st fo a m i n g Pr o Pe yrt . K E Y W O R D S acr e vo e r i n g s l a g : o hrt o g o n a l t e s t : fo am i n g i n d e x
