承钢高炉炉缸高铝高钛沉积物的物化性能_张振峰.pdf

2008 年 12 月 December 2008 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 27，No． 6 470 ～472 收稿日期 2008- 05- 28; 修订日期 2008- 08- 20 基金项目 国家自然科学基金资助项目 50574036 作者简介 张振峰 1968 － ， 男， 河北承德人， 博士研究生， 主要从事炼铁及相关领域的研究。E- mail zhang_shts163． com。 通讯作者 吕庆 1954 － ， 男， 河北晋县人， 教授， 从事炼铁及冶金物理化学方面相关的研究工作。E- mail lq heut． edu． cn。 文章编号 0254- 5357 2008 06- 0470- 03 承钢高炉炉缸高铝高钛沉积物的物化性能 张振峰1， 2，吕庆2*，陈红建2，张淑会2，李福民2 1． 东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳110004; 2． 河北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山063009 摘要 采用电子探针仪测定了承钢高炉炉缸高铝高钛沉积物的化学组成， 利用显微镜对其进行矿相分析， 并用扫描电镜观察该沉积物中主要元素的分布形态。研究结果可为进一步分析承钢高炉炉缸沉积物形成机理奠 定基础。 关键词 显微分析; 高铝高钛沉积物; 矿相结构; 物化性能; 碳化钛 中图分类号 P575; P616文献标识码 B Physical- Chemical Properties of Deposits with High Aluminum and Titanium in Chenggang Blast Furnace Hearth ZHANG Zhen- feng1， 2，LQing2*，CHEN Hong- jian2，ZHANG Shu- hui2，LI Fu- min2 1． School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang110004，China; 2． College of Metallurgy and Energy，Hebei Polytechnic University，Tangshan063009，China Abstract Chemical composition of deposits with high aluminum and titanium in Chenggang blast furnace hearth was determined by electron probe instrument． The mineral structure was analyzed using microscope and the distribution of main elements in the deposits observed． The results provide the basis for further study on mechanism of deposits ation in Chenggang blast furnace hearth． Key words microscopic analysis; deposits with high aluminum and titanium; mineral structure; physical- chemical property; titanium carbide 承德地区有丰富的钒钛磁铁矿资源， 其储量仅次于攀 西地区， 位居国内第 2 位， 主要分布在大庙、 黑山、 头沟的基 性、 超 基 性 杂 岩 体 内， 其 原 矿 平 均 品 位 TiO2含 量 为 8［1 －4 ］。承德钢铁集团有限公司 以下简称承钢 以冶炼 钒钛磁铁矿石而著称。由于冶炼原料所带入的 TiO2不同， 炉渣中的钛含量亦不同， 承德高炉渣中 TiO2含量为 16 ～ 18， 为中钛型高炉渣。此外， 近年来随着我国钢铁工业的 迅速发展， 国内铁矿石资源已不能满足高炉生产的需要; 但 是大量使用国外矿石会普遍导致高炉渣的 Al2O3含量升高。 目前， 承钢使用澳大利亚等国外矿石比例已超过 60， 加 之冶炼钒钛磁铁矿本身固有的特点， 致使承钢高炉渣中 Al、 Ti 含量都比较高， 高炉炉缸黏结现象不断发生， 严重影响高 炉正常生产。本文通过对承钢高炉炉缸沉积物的物性进行 试验研究 ［5 －11 ］， 确定其化学组成及矿相结构， 为进一步分 析其形成机理奠定基础。 1试验方法 对承钢高炉炉缸沉积物的不同部位取样， 采用日本岛 津公司 EPMA －1600 电子探针仪进行分析以确定其化学组 成。采用日本岛津公司 SSX － 550 型扫描电镜 Scanning Electron Microscope， SEM 观察沉积物中主要元素的分布。 其测试步骤为 先将待测试样表面用砂纸粗磨， 再用 0． 5 μm 金刚石研磨膏进行抛光， 然后清洗、 干燥后， 用导电胶粘 在铝质样品座上， 经 SBC －2 表面处理机喷镀厚约 10 nm 的 一层金， 然后采用扫描电镜进行观察。在沉积物的不同部 位取样磨片， 利用德国蔡司 AXIOSKOP40 偏反两用研究型 显微镜分析其矿相结构。 2结果与讨论 实验得到承钢高炉炉缸沉积物的矿物组成见表 1， 化 学成分组成见表2。由表1 可知， 承钢高炉炉缸沉积物的主 要矿相有 巴依石、 黄长石、 钛辉石、 尖晶石、 铝酸二钙与金 红石的合成物、 TiC、 TiC 与 TiN 的固溶体 Ti N， C 和 Ti C， N 、 玻璃质和沉积炭等。 074 ChaoXing 表 1高炉炉缸沉积物的矿物组成 Table 1Mineral composition of blast furnace hearth deposits wB/ 样 品 号 金 属 铁 Ti N， C Ti C， N TiC 巴 依 石 黄 长 石 钛 辉 石 尖 晶 石 铝酸二钙和 金红石的 合成物 玻 璃 质 沉 积 炭 1 7 ～10少量微量1 ～2 40 ～45 25 ～30 10 ～12－－2 ～3 5 ～7 2 40 ～45 少量少量 10 ～12 5 ～7 1 ～27 ～102 ～315 ～20少量 7 ～10 3 7 ～10少量1 ～25 ～73 ～56 ～8－65 ～70－1 ～2 3 ～5 ①“ － ” 表示没有某物相或该物相含量特别低。 表 2高炉炉缸沉积物化学组成① Table 2Chemical composition of the blast furnace hearth deposits 取样 部位 样号 wB/ ONaMgAlSiKCaTiCrFe 铁水层 1 －13． 121． 101． 472． 521． 170． 332． 390． 4987． 41 1 －27． 090． 212． 751． 170． 713． 520． 4384． 12 1 －3 10． 058． 621． 620． 301． 870． 5177． 03 钛沉 积层 2 －1 25． 130． 430． 962． 221． 170． 6265． 610． 433． 43 2 －2 25． 240． 000． 181． 490． 860． 6063． 020． 488． 14 2 －3 42． 081． 2910． 881． 410． 2540． 293． 80 2 －4 43． 761． 1912． 801． 520． 4238． 182． 13 过渡 侵蚀层 3 －1 45． 582． 651． 2812． 96 15． 164． 376． 506． 590． 134． 78 3 －2 45． 931． 382． 9312． 77 13． 752． 138． 777． 990． 134． 21 3 －3 43． 700． 503． 0512． 28 10． 840． 3211． 98 12． 940． 134． 27 3 －4 43． 081． 650． 9611． 79 13． 400． 2814． 046． 780． 137． 89 4 －1 47． 480． 2923． 61 17． 109． 201． 230． 10 4 －2 47． 320． 130． 3122． 87 17． 380． 0410． 161． 690． 09 4 －3 43． 050． 070． 4048． 682． 430． 061． 142． 410． 041． 72 ① 电子探针扫描小区域内不存在 Na。 2． 1沉积物的外观和物理性能 沉积物呈黑色， 包裹着带有金属光泽的铁， 其形状有圆 形、 长方形、 方形， 尺寸 1 ～10 mm， 包裹着黑色的焦炭颗粒， 呈不规则形状。硬度大， 不易破碎， 1600℃时变软但不熔。 2． 2沉积物的显微结构分析 对 2 号样品进行矿相分析， 得到其结构如图 1 所示。 根据图 1 可以看出， 该沉积物矿物组成复杂， 结构较均匀， 主要为全晶质粒状嵌晶结构; 气孔大小不一， 分布不均匀， 气孔大者偏多且形态不规则， 气孔率 5 ～ 7; 矿片中沉 积炭较多， 出现大量的金属铁。 各矿相的显微结构特点如下。 1 金属铁 多呈他形粒状分布， 部分为细小圆粒状。 粒度大小不一， 一般为 0. 04 ～ 2. 8 mm; 粗粒中含有大量的 裂纹， 其上分布有浑圆状或条状、 他形晶金属铁初熔体， 部 分周围被碳化钛包围。 2 铝酸二钙和金红石的合成物 多呈柱状， 结晶完好， 粒度一般为0. 04 mm 0. 1 mm ～0. 14 mm 0. 7 mm， 分布不 均匀， 主要以斑晶形式分布于沉积物中， 部分斑晶中集中分 布有金属铁。两者均为透明矿物， 透射光下多色性明显， 为 蓝色–褐紫色–褐黄色， 干涉色为一级顶部到二级底部， 斜 消光。 3 钛辉石 多呈他形粒状、 柱状， 结晶粒度一般为 0. 04 ～0. 25 mm; 分布不均匀， 以基底形式分布于沉积物中。 4 巴依石 晶形完好， 主要呈柱状、 燕尾状， 多呈斑晶 形式分布于沉积物中。 5 尖晶石 主要呈自形–半自形–他形晶， 多呈单晶 体， 结晶粒度不等， 一般为 0. 02 ～ 0. 35 mm， 以斑晶或基底 两种形式存在于沉积物中; 在透射光下为绿色， 分布不均 匀， 多集中出现在样品边缘， 少量分散分布在沉积物中。 6 黄长石 主要呈针状、 编织状、 他形晶， 构成沉积物 的基底相。 7 TiC 含量较多， 主要为他形粒状， 结晶粒度不均 匀， 一般为 0. 02 ～ 0. 15 mm; 多呈粒状， 分布于金属铁周围 或金属铁中。 8 Ti N， C 、 Ti C， N 含量均较少; 其中 Ti N， C 多 呈圆点状， 分布于铝酸二钙和金红石的合成物中， 粒度一般 为 0. 003 ～0. 01 mm。 图 1 2 号沉积物样品矿相结构 Fig．1Mineral structure of sample 2 a集中分布的铝酸二钙和金红石的合成物; b集中分布的暗绿色尖晶石; c金属铁 亮白色 周围分布有 TiC 暗灰色 及乳滴状金属铁初熔体; d呈圆点状分散分布于铝酸二钙和金红石的 合成物 灰色 中的 Ti N， C 紫红色 。 2． 3沉积物的化学组成分析 由表2 可知， 沉积物可分为3 层 ① 铁水层。在这一层 中主要金属元素为 Fe 和 Al， 并且含有 1. 87 ～ 3. 52 的 Ti， 结合表 1 可以看出， 此层的 Ti 主要以 TiC 形式存在; ② 钛沉积层。钛沉积层中含 Ti 较高 60 左右 ， 主要以 Ti N， C 形式存在， Al 含量高且逐渐增加; ③ 过渡侵蚀层。 过渡侵蚀层中 Ti、 Fe 含量逐渐减少， Al 含量逐渐增多， 并且 此层含有较高的 O， 可见此层金属多以氧化物形式存在。 为进一步了解沉积物的层次组成及形成机理， 对沉积物 不同部位进行面扫描， 得到主要元素 Fe、 Ti 及 Al 的面分布。 由图2 ～图4 可知， 铁水层中可以看出此样品中含有大量的 Fe， Ti 在样品中团聚， 并且呈不规则分布， 同时样品中 Al 元 素较多; 钛沉积层中 Ti 元素大量堆积， Fe 元素团聚在 Ti 元 素空隙中， Al 元素有所减少; 与钛沉积层相比， 过渡侵蚀层中 Fe 元素和 Ti 元素均减少， Ti 元素分布在 Fe 元素周围; 而 Al 元素增加， 这主要是由熔损的耐火材料高铝砖造成的。 174 第 6 期张振峰等 承钢高炉炉缸高铝高钛沉积物的物化性能第 27 卷 ChaoXing 图 2铁水层 Fe、 Ti 和 Al 元素分布 Fig．2Distribution of Fe，Ti and Al in iron- bearing water layer 图 3钛沉积层 Fe、 Ti 和 Al 元素分布 Fig．3Distribution of Fe，Ti and Al in Ti- sediment layer 图 4过渡侵蚀层 Fe、 Ti 和 Al 元素分布 Fig．4Distribution of Fe， Ti and Al in transitional erosion layer 3结语 1 承钢高炉炉缸沉积物中主要矿物有巴依石、 黄长 石、 钛辉石、 尖晶石、 铝酸二钙与金红石的合成物、 TiC 及 TiC 与 TiN 的固溶体 Ti N， C 和 Ti C， N 、 玻璃质和沉积炭 等。其中 TiC 主要分布于金属铁的周围; Ti C， N 主要团聚 和分散在尖晶石或铝酸二钙和金红石的化合物中; 巴依石， 黄长石和钛辉石是高炉渣的基底物相。 2 沉积物上层为铁水层， 含较高的金属铁; 铁水层下 部为钛沉积层， 其中的含钛化合物为碳化钛和氮化钛及其 固溶体。从铁水层到钛沉积层铁元素逐渐减少， 而钛含量 逐渐增多。 4参考文献 ［ 1］吴贤， 张建． 中国钛资源分布及特点［J］． 钛工业进展， 2006， 23 6 8 －9． ［ 2］马家源． 高炉冶炼钒钛磁铁矿理论与实践［M］． 北京 冶金工 业出版社， 2000 23 －25． ［ 3］刁日升． 对高炉冶炼钒钛磁铁矿问题的新认识［J］． 钢铁， 1999， 24 6 12 －16． ［ 4］刁日升， 范云东． 含 TiO2高炉渣对不同耐火砖侵蚀的特点 ［J］． 钢铁钒钛， 2003， 24 2 1 －6． ［ 5］李永全，LI YUN，FRUEHAN R J． 高炉炉缸内碳氮化钛的生 成机理研究［J］． 钢铁， 2003， 28 2 58 －61． ［ 6］杜鹤桂． 高炉含钛物料护炉问题的探讨［C］∥中国钢铁年会 论文集．2003 474 －477． ［ 7］杜鹤桂． 含钛高炉渣铁侵蚀炉衬的显微结构分析［J］． 钢铁 钒钛， 2002， 23 2 1 －6． ［ 8］王文忠． 高炉含钛炉料的护炉机制［J］． 钢铁， 1988， 23 2 9 －14． ［ 9］付卫国， 刁日升， 黎建明， 宋国才， 李劲明． 攀钢 1 号高炉炉底 沉积物特点分析［J］． 钢铁钒钛， 2003， 24 3 37 －41． ［ 10］王秋林． 酒钢 1高炉缸砖衬破损原因及钛沉积物的护炉作 用［J］． 矿物岩石地球化学通报， 1999， 18 4 322 －325． ［ 11］翟兴华， 胡慧丽． 含钛物料护炉方法的探讨［J］． 钢铁研究， 1999 7  7 －10． 中国无机分析化学文摘 杂志 2009 年度征订启事 中国无机分析化学文摘 经国家科委批准， 1984 年创刊， 公开 发行 刊号 ISSN 1003- 5249/CN 11- 1835/O6 。本刊以文摘、 简介及 题录形式报道国内公开发行的有关无机分析化学的期刊 300 余种及 各种会议论文集、 新标准、 新书目等， 年收录文献约 4000 篇， 栏目分 为 一般问题、 重量法与滴定法、 光度法、 电化学分析、 光谱分析、 色谱 分析、 物相分析、 气体分析、 活化分析、 质谱分析、 分离方法、 贵金属分 析专栏等12 大类。为便于读者检索， 每期附有按被检测元素及阴离 子编排的索引。读者对象 冶金、 有色金属、 地质、 机械、 半导体材料、 宇航、 核技术、 石油、 化工、 建材、 环保、 食品、 农林、 医药、 卫生防疫、 商 品检验等部门分析化学工作者及有关院校师生。 在每次全国科技文献检索期刊评比中本刊均获奖。本刊是了解 国内无机分析动态的窗口; 是检索国内文献的理想工具; 是普及推广 新技术的阵地; 是分析工作者的得力助手。 本刊2009 年出版 4 期 季刊 及 2009 年度主题与作者索引一 本， 激光照排， 胶版印刷， 大16 开， 每期120 页左右， 定价14．00 元， 全 年订费为70．00 元 含邮费 ， 个人自费订户优惠价为60 元。2009 年 仍由编辑部发行。欲订阅者请向编辑部索取订单并汇款至 北京西直门外文兴街 1 号 邮政编码 100044 北京矿冶研究总院 中国无机分析化学文摘 编辑部 电话 010 88399621传真 010 68342279 274 第 6 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2008 年 ChaoXing