高铝高碱度中钛型炉渣脱硫能力试验研究

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高铝高碱度中钛型炉渣脱硫能力试验研究李霞（酒钢集团宏兴股份公司钢铁研究院甘肃嘉峪关 735100）摘要：以现场渣为基准，研究了高Al2O3、高碱度、中钛型高炉渣脱硫性能以及影响脱硫…

高铝高碱度中钛型炉渣脱硫能力试验研究

李霞
（酒钢集团宏兴股份公司钢铁研究院甘肃嘉峪关 735100）

摘要：以现场渣为基准，研究了高Al2O3、高碱度、中钛型高炉渣脱硫性能以及影响脱硫能力的各种因素。结果表明，在高碱度、高Al2O3、中钛型条件下，有利于脱硫的炉渣成分为：二元碱度不宜超过1.30，MgO的质量分数约为12%，Al2O3的质量分数控制16%以下，TiO2的质量分数为不宜超过10%。

关键词：高炉渣；硫分配系数；碱度；Al2O3

随着进口铁矿石价格的不断提升，国内许多钢厂不断加大高铝矿和钒钛磁铁矿的使用量，这使得高炉渣Al2O3的质量分数上升幅度较大，炉渣中TiO2含量随之提高到12%左右，这对高炉的顺行和炉渣的脱硫能力产生了一定影响。因此，本文根据高铝、中钛型高炉炉渣冶炼特点，研究了在高碱度条件下炉渣成分对脱硫性能的影响，为改善高铝、中钛型、高碱度高炉炉渣的冶金性能提供一定依据。

1 实验部分

1.1 实验方法

某钢厂高炉使用高铝矿、钒钛磁铁矿冶炼，炉渣Al2O3质量分数达到11~15%，TiO2 达到12%左右，实际渣量约为500kg/t铁，硫负荷为3.5~5.8kg/t。进行脱硫实验时，渣铁比以现场实际渣量为依据取500kg/t，硫负荷取4.8kg/t，脱硫平衡实验证明，温度在1500℃时，脱硫反应进行大约45min后基本达到平衡[1]，因此，在进行脱硫实验时，升温到1500℃，恒温时间取50min。

以现场渣成分为依据，用纯化学试剂配制碱度、Al2O3、MgO、TiO2 四个系列共计20个合成渣试样进行脱硫实验。每次实验称取100g高硫铁屑和已配制好的合成渣样50g分别置于上、下层坩埚内，然后放入MoSi2电阻炉中，待铁屑和炉渣熔化，温度升温到1500℃后，提起上层坩埚中的石墨塞棒，这时高温铁液开始滴落穿过渣层落入下层坩埚底部，此时开始计时，恒温50min后取出坩埚，待冷却后分别分析铁中w[s]含量和渣中w(s)含量，并计算出硫分配系数LS。

1.2 实验装置

实验使用MoSi2电阻炉，内装8只U型MoSi2发热件，其内为刚玉炉管，炉温通过可控调压器调整输入功率来控制，测温用双铂铑热电偶。实验采用上、下两层石墨坩埚（见图1）。上层坩埚底部有漏孔，用石墨塞棒来堵塞漏孔。

2 实验结果及分析

2.1 碱度对炉渣脱硫性能的影响

众所周知，炉渣中的CaO是主要的脱硫剂[2]，从热力学条件来看，提高碱度有助于脱硫反应的进行，从而提高炉渣的脱硫能力。取MgO含量11%，Al2O3含量16%，TiO2含量11%，炉渣碱度1.15倍到1.35倍，系列合成渣进行脱硫实验，实验结果见表1。
表1 碱度系列合成渣的脱硫实验结果

编号	合成渣成分设计（%）			R₂	实验结果
编号	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作炉渣碱度对硫分配系数LS的关系曲线，见图2。

由图2可知，碱度从1.15倍变化到1.30倍时，渣铁硫分配系数从26.8上升到40.0，此时炉渣脱硫能力整体上随碱度的提高而增强；当炉渣碱度由1.30倍变化到1.35倍时，渣铁硫分配系数急剧降低。

根据炉渣理论[3]，炉渣粘度取决于渣中复合阴离子结构的复杂程度，渣中O2-浓度越高，硅氧或铝氧复合阴离子结构越简单，炉渣粘度越低，提高炉渣碱度，加入碱性物质，即提高渣中O/Si，使渣中复杂的复合硅氧离子分解为简单的硅氧离子，粘度降低，从而改善脱硫反应的动力学条件。但当碱度过高时，渣中复杂阴离子完全分解后，多余的CaO易形成固溶体或与TiO2形成高熔点的钙钛矿（CaO.TiO2），使炉渣粘度升高，脱硫反应的动力学条件恶化，从而炉渣脱硫能力下降，图2中，碱度高于1.30倍以上时硫分配系数下降就能说明这一点。因此，高铝中钛型炉渣随着碱度的提高，炉渣的脱硫能力逐步增强，但碱度过高炉渣脱硫能力反而降低，为此，在采用高碱度时，碱度不宜超过1.30倍。

2.2 TiO2对炉渣脱硫性能的影响

TiO2是弱酸性物质，它的存在对炉渣脱硫反应影响较大。TiO2吸收渣中自由的O2-，形成复合钛氧阴离子(TiO6)8-，使O2-的浓度降低，整体上不利于脱硫反应的进行。取MgO含量11%，Al2O3含量16%，TiO2含量9%~13%，固定炉渣碱度1.25倍，系列合成渣进行脱硫实验，实验结果见表2。
表2 TiO₂对中钛渣脱硫的影响

编号	合成渣成分设计（%）			R₂	实验结果
编号	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)对硫分配系数L_S的关系曲线，见图3。

TiO2在渣中以八面体结构的复合(TiO6)8-形式存在[4]，(TiO6)8-有两方面作用：一方面，(TiO6)8-弥散嵌镶在硅氧复杂阴离子团的网状结构之中，使得部分网状结构解体，对复杂的硅氧阴离子团结构起破坏作用，从而在一定程度上流动性得到改善。图3中，TiO2从9%变化到10%时，炉渣脱硫性能得到增强就是这种作用；另一方面，TiO2形成(TiO6)8-复合阴离子，除自身携带的O2-外，还需吸收更多的O2-，O2-可来源于硅氧离子团，使得炉渣中硅氧复合阴离子中的O/Si比值进一步减小，使硅氧聚合度增加，从而使得炉渣粘度增加。图3中，TiO2含量超过10%后炉渣脱硫性能快速降低也有这种原因存在。另外，当TiO2含量增加到一定程度后就会形成高熔点的钙钛矿（CaO.TiO2）和Ti(C,N)等物质[5]，使得炉渣脱硫动力学条件恶化，这也是随着TiO2含量增加使炉渣脱硫性能降低的一个重要原因。所以，整体上高铝高碱度中钛型炉渣脱硫能力随TiO2含量升高而减弱，TiO2含量不易超过10%。

2.3 Al2O3对炉渣脱硫能行的影响

取MgO含量11%，TiO2含量11%，Al2O3含量14%~18%，固定炉渣碱度1.25倍，系列合成渣进行脱硫实验，实验结果见表3。
表3 Al₂O₃系列合成渣的脱硫实验结果

编号	合成渣成分设计（%）			R₂	实验结果
编号	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)对硫分配系数L_S的关系曲线，见图4。

由图4可知，炉渣脱硫性能随着Al2O3含量的提高而降低。当Al2O3含量高于16%以后，炉渣脱硫性能急剧降低，其原因是：随着炉渣中Al2O3含量增加，Al2O3吸收O2-形成铝氧复合阴离子（AlxOy）z-或硅铝氧复合阴离子，另外，当Al2O3含量过高时，易与渣中MgO形成尖晶石，或与CaO和SiO2形成固溶体，使炉渣流动性变差，恶化脱硫反应动力学条件，不利于脱硫反应的进行。因此，高铝高碱度中钛渣中Al2O3含量不宜超过16%。

2.4 MgO含量对对炉渣脱硫性能的影响

取MgO含量9%~13%，TiO2含量11%，Al2O3含量16%，固定炉渣碱度1.25倍，系列合成渣进行脱硫实验，实验结果见表4。
表4 MgO系列合成渣的脱硫实验结果

编号	合成渣成分设计（%）			R₂	实验结果
编号	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作炉渣w(MgO)对硫分配系数L_S的关系曲线，见图5。

由图5可知，炉渣脱硫能力随着MgO含量的提高而增强，但当MgO含量超过12%时，炉渣的脱硫能力不在增强反而有下降的趋势。

从脱硫反应热力学角度看，Mg2+对O2-亲和力比Ca2+强[6]，从而MgO脱硫能力赶不上CaO，但也具有一定的脱硫能力，更为重要的是，适当增加炉渣中的MgO含量能改善炉渣流动性，从而改善炉渣脱硫反应的动力学条件，但当渣中MgO含量过高时，渣中易形成高熔点尖晶石和方镁石，使炉渣流动性变差，恶化脱硫反应的动力学条件。因此，高铝高碱度中钛型炉渣MgO含量不宜超过12%。

3 结论

（1）高铝中钛型高炉渣在高碱度条件下，脱硫能力随炉渣碱度的增加而提高，单纯考虑脱硫时，炉渣碱度为1.30时，脱硫能力最佳。

（2）高铝高碱度中钛型高炉渣的脱硫能力，整体上随渣中TiO2含量的增加而降低，在采用高碱度时，渣中含量不宜超过10%。

（3）高铝高碱度中钛型高炉渣的脱硫能力，随渣中Al2O3含量的增加而降低，Al2O3含量超过16%时炉渣脱硫能力急剧降低，因此，在高碱度、中钛型的条件下，渣中Al2O3含量不宜超过16%。

（4）高铝高碱度中钛型高炉渣的脱硫能力，随渣中MgO含量的增加而增强，在高铝、高碱度、中钛型的情况下，MgO含量在12%左右炉渣脱硫能力最佳。

参考文献

[1] 刘瑾.高斌.包钢高炉渣脱硫性能的研究.包钢科技,2010,36(05):20.

[2] 王筱留.钢铁冶金学. 北京:冶金工业出版社,2000.

[3] 周传典.高炉炼铁生产技术手册. 北京:冶金工业出版社,2012.

[4] 郭兴忠,文光远,张丙怀.中钛高炉渣冶金性能的研究.四川冶金2000（3）:18-22.

[5] 黄希祜.钢铁冶金原理（第三版）.北京:冶金工业出版社,2006:214-215.

[6] 宋相国,周国凡,龙防.高Al2O3含高炉炉渣脱硫性能研究.河南冶金2007（6）:38.

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