[科普中国]-高炉泡沫渣

简介

高炉冶炼钒钛磁铁矿时，炉渣中TiO2高达一定值后会有大量气体以气泡形式分散于渣中使炉渣的体积膨胀。这种炉渣即为泡沫渣，它是特殊矿冶炼高炉造渣的一个重要问题。泡沫渣的产生将造成高炉生产过程渣铁出不尽，料柱透气性恶化，风口易挂渣，给高炉炉况顺行和强化带来困难。当炉渣进入渣罐后由于其体积膨大使渣罐利用率降低，甚至从渣罐上部溢出，造成事故。泡沫渣的形成有两个条件，一是有大量的分散气体生成，二是炉渣性能使分散气体稳定存在，从而使渣中气体量不断增加。在钒钛磁铁矿的高炉冶炼中，高炉下部有较多的FeO、TiO2等氧化物从渣中还原，从而产生大量CO气体。同时，高钛型高炉渣表面吸附，富集的活性物质比普通渣高得多。表面活性物的存在使液膜的表面黏度比体积黏度高，从而阻碍了排气速度，延长了泡沫的寿命。表面活性物的存在又使炉渣表面张力大大下降，造成渣内分散气泡合并上浮困难，使气泡更稳定，从而形成泡沫渣。解决泡沫渣问题的办法是采用一切手段提高渣中“氧势”，抑制TiO2还原，减少Ti(C、N)等胶质微粒的生成，也即减少表面吸附的活性物质量，从而阻止泡沫形成。

高炉冶炼钒钦磁铁矿，当其炉渣中Ti02含量超过15%时，炉渣变稠现象开始严重，只有采取特殊的冶炼措施高炉才能正常冶炼。若炉渣中Ti02继续增高，到一定数量时就会出现泡沫渣，攀锵现场冶炼经验认为泡沫渣明显生成的TiO2界限含量为25%。

泡沫渣现象不仅出现于炉外，而且产生于炉内。在炉内产生泡沫渣，由于液泛现象及焦炭夹层的通液性变井，使高炉厂部透气性变坏，容易造成风口涌渣，挂渣，给高炉顺行和强化带来困难。若在炉外形成泡沫浓，则渣罐利用率低，粘沟粘罐现象严卫，给炉前操作和生产调度带来困难。探索泡沫清生成机理，寻求满意的消泡方法，提高钒钛矿高炉冶炼水平，直至目前仍不失为具有现实意义的研究课题。1979-1983年间，攀钢和昆明冶金研究所等单位一起进行了由实验室、半工业直到巨业性的试验研究，取得了良好效果1。

高炉中泡沫渣生成的原因在高炉冶炼过程中气休产物呈小气泡分散于熔渣中，造洁成大量相界面的片散系，叫做泡沫渣。产生泡沫渣的条件大致是:

(1)能够迅速产生大量气体;

(2)小的气泡在上升过程和液滴相碰撞产生集并，体积长大;

(3)形成的气泡具有一定的强度和稳定性。

集并是一个自动过程，因而是不可避免的。在高炉冶炼的具体条件下，即使行程正常，铁元素在炉腹部分也不是全部被还原。

同时已还原元素经过风口氧化区将受到再氧化作用。因此，铁、锰、钒、硅、钦等元素总是有一部分在炉缸被还原。所以高炉炉缸溶渣中金属氧化物被还原转入铁液的同时，会有相当数量的气体逸出。即使冶炼普通矿也是如此。对于冶炼钒钛磁铁矿，由于TiO2的还原产生TiC，加之低硅钛操作，炉缸温度相应较低.，由热力学可知，当炉缸温度在1450℃以下时，一铁水中的硅、锰等元素对铁中的碳起保护作用，有利于铁中碳的氧化。因此，相对而言冶炼钒钛矿较之冶炼普通矿产生的气体量要多些。而且渣中TiO2含最越多产生气体的量就越多。这是冶炼钒钛矿产生泡沫渣的一个原因。

另一方面是高钛渣表面张力小，表面活性物质及固相分散物的量多，使得气泡的稳定性好，机械强度高形成泡沫渣。

高钛渣是一种复杂渣系，其中的Fe2O8,SiO2, TiO2, Na3O, CaF2等，均能形成静电矩很小的复合阴离子，成为渣中表面活性物质，降低熔渣的表面张力。此外，固相分散物如细小铁珠，石灰粉，矿粒或冶炼形成的高熔点产物也能在气泡表面吸附，提高气泡的机械强度。

从流体力学知，两种液体与气体的边界相交，或气固液三相接触的清况下，若溶剂的表面张力小，它对于其上的液体或固体就不能够很好的润湿。这就十分有利于气泡的形成和表面活性物质及固相分散物在气泡表面吸附。

消泡措施及效果为了减少和消除泡沫渣，强化高炉冶炼，改善炉前操作，提高生铁含钒，方法之一是在高炉原料中配入一部分钒钛富块矿(-10%)。

配加钒钛富块矿就是以其难还原性和高FeO适当增加炉缸的直接还原，利用Fe0比Ti02具有更高的氧势，达到抑制TiO2的还原减轻或消除泡沫渣的日的。同时由于原料带入的总钒量增加,在钒收率变化不大的情况下，生铁含钒提高。配矿的效果主要有以下几点。

1涨泡高度降低

实验室测定的不同原料配比情况下的涨泡高度，以太和块矿的消泡效果最好。半工业性试验现场渣样测定与实验结果亦相吻合。

2.风量增加，透气性指数改善

在配加太和块矿半工业试验阶段，由于渣铁流动性改善，在理论渣量增加近100公斤的情况下，高炉下部阻损仍有所降低，风量自动增加，透气性指数改善。

配加马块矿半工业试验及攀钢大高炉试验期间透气性指数也都有所增加

3.生铁含钒量增加

根据攀钢大高炉试验，与配加普通块矿比较，由于每吨生铁炉料带入的钒量增加0,34-0,535公斤，生铁增钒幅度为0.017%2。

配加钒钛块矿消泡机理浅析1钒钦块矿的难还原性

由于钒钦磁铁矿原矿嵌布特征呈稠密浸染状或块状，结构致密，使得它在高炉内的还原动力学条件差。目前普遍认为:高炉内铁矿石的还原速度处于过渡范围，即界面化学反应和内扩散成为限制环节。据化冶所球大光等同志的研究，钒钦磁铁矿的还原反应机理也具有相同性质。鉴于钒钛块矿的结构特点，无论对界面反应向核心推移或是克服内扩散阻力都是不利的。所以钒钛块矿是很难还原的，欲使其较好的还原，有赖于在炉缸高温区完成。配太和块矿半工业试验期间，炉腰采取的物料样品中曾发现生矿就是证明。

2.FeO的作用

钒钦块矿含FeO高，利用它比Ti02具有较高的氧势，抑制TiO2在炉腹的还原。

混合矿=90%钒烧矿+10%太和块矿

配加钒钦块矿对钛的还原有抑制作用，并能减少Ti(CN)的生成和钦的低价氧化物的含量。同时可以看出似乎烧结矿中的氧化铁(FeO)在炉腹区容易直接还原，而块矿中的FeO在炉腹还原较差。

3.炉渣表面张力与涨泡高度的关系

采用各种不同配矿方法，降低了渣中TiC及TiN含量，炉渣表面张力增大，涨泡高度降低，流动性改善。与前述泡沫渣的生成原因是一致的。

总结1.冶炼高钛型钒钛磁铁矿时会在高炉炉缸和渣罐中生成稳定的泡沫渣。由于TiO2的还原生成钦的低价氧化物和Ti(CN)，它一方面导致炉缸产生气体的量较普通矿冶炼为多，同时使炉渣表面张力降低，增加表面活性物质和固相分散物，这是泡沫渣形成的一个重要原因。

2.在钒钛烧结矿中配加百分之十左右的钒钛原块矿，以取代普通富块矿，减少泡沫渣的生成，并增加生铁含钒量3。