Al2O3對(duì)中鈦高爐渣冶金性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

周 姣，唐道文，王海峰，徐恒旭

(貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴陽 550025)

Al2O3對(duì)中鈦高爐渣冶金性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

周 姣，唐道文，王海峰，徐恒旭

(貴州大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，貴陽 550025)

為實(shí)現(xiàn)高鋁礦與釩鈦磁鐵礦的合理搭配，研究了含鋁中鈦高爐渣中Al2O3含量變化對(duì)爐渣黏度及熔化性溫度的影響.研究結(jié)果表明，在爐渣二元堿度1.15，w(TiO2)=12%，w(MgO)=9%的條件下，實(shí)驗(yàn)爐渣在w(Al2O3)=14%時(shí)具有良好的流動(dòng)性和最低的熔化性溫度(1 348℃).為高爐實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù).

中鈦高爐渣;Al2O3;黏度;溶化性溫度

隨著鋼鐵產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鐵礦石需求量增大。我國(guó)鐵礦石進(jìn)口量不斷增加，而鐵礦石價(jià)格也不斷上漲.結(jié)合目前國(guó)際鐵礦石市場(chǎng)形勢(shì)及國(guó)內(nèi)釩鈦磁鐵礦資源的利用現(xiàn)狀，將高Al2O3礦石與釩鈦磁鐵礦合理搭配使用已成為高爐生產(chǎn)的趨勢(shì)［1］.目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)低鈦(TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜5%)型和高鈦(TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞20%)型高爐渣的性能進(jìn)行了許多研究，并已成功實(shí)現(xiàn)了不同類型含鈦爐渣的高爐冶煉，而對(duì)中鈦型高爐渣研究則相對(duì)較少［2］.為此研究了中鈦高爐渣中Al2O3含量變化對(duì)高爐渣冶金性能的影響.尋找高爐渣合適組分，為高爐實(shí)際生產(chǎn)提供一定的依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)以實(shí)際生產(chǎn)高爐渣成分為基準(zhǔn)［3］，用分析純化學(xué)試劑進(jìn)行配料合成，通過改變爐渣中Al2O3的含量來研究爐渣黏度及熔化性溫度的變化.對(duì)實(shí)驗(yàn)渣樣進(jìn)行XRD分析檢測(cè)，結(jié)合爐渣理論進(jìn)行討論分析.

每次實(shí)驗(yàn)用總渣質(zhì)量200 g.合成渣中各組元成分為w(CaO)+w(SiO2)+w(Al2O3)+w(MgO)+ w(TiO2)=100%.配比渣二元堿度擬定1.15，w (TiO2)=12%，w(MgO)=9%，渣中w(Al2O3)擬定13%～18%.

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用ND－II型爐渣測(cè)試儀，盛爐渣的坩堝為石墨坩堝，實(shí)驗(yàn)過程中爐內(nèi)通氬氣保護(hù).實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度度從1 500℃開始，每下降1℃記錄一次數(shù)據(jù)，直至測(cè)試黏度值超過4 Pa·s時(shí)完成一次測(cè)試.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)共6組，w(Al2O3)變化范圍為13%～18%，每組實(shí)驗(yàn)遞增1%.MgO，TiO2在合成渣中質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變.表1列出配比高爐渣在1 500℃及1 420℃時(shí)的黏度以及爐渣熔化性溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

表1 合成高爐渣的熔化性溫度在1500℃及1420℃時(shí)的黏度Table 1 Viscosities of the blast furnace slag when the melting temperature at 1 500℃ and 1 420℃

2.2 Al2O3含量對(duì)爐渣熔化性溫度的影響

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總分析，Al2O3含量變化對(duì)爐渣的黏度－溫度曲線的影響效果如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)爐渣的黏度溫度圖Fig.1 The experimental slag viscosity－temperature diagramAl2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù):①—w1=13%;②—w2=14%;③—w3=15;④—w4=16%;⑤—w5=18%;⑥—w6=17%

圖2 Al2O3含量變化對(duì)爐渣熔化性溫度的影響Fig.2 Influence of Al2O3on the slag melting temperature

通過黏度－溫度曲線圖，利用45(°)切線法，得到實(shí)驗(yàn)渣樣的熔化性溫度隨Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖2所示:由圖2可知，在實(shí)驗(yàn)條件下，渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)自13%至14%，爐渣熔化性溫度有較大的降低，當(dāng)渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，實(shí)驗(yàn)爐渣有最低的熔化性溫度(1348℃).繼續(xù)增加渣中Al2O3含量，爐渣熔化性溫度隨Al2O3含量增加呈逐漸上升的趨勢(shì).當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由17%增至18%時(shí)，實(shí)驗(yàn)爐渣熔化性溫度由1355℃增至1 378℃，增量約23℃.

Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%時(shí)渣樣的XRD分析如圖3所示:

圖3 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%的渣樣XRD分析圖Fig.3 XRD pattern for the slag with 13%Al2O3

由圖3可知，實(shí)驗(yàn)渣樣中鈣黃長(zhǎng)石、鎂黃長(zhǎng)石、鈣鈦礦以及輝石類物質(zhì)占渣樣質(zhì)量的90%以上，對(duì)爐渣物理性能變化有主要影響.結(jié)合渣相圖［4］對(duì)測(cè)試結(jié)果分析如下:

(1)Al2O3含量由13%增至14%時(shí)，分析比較如圖4所示.

圖4 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%及14%的渣樣XRD分析圖Fig.4 XRD patterns for the slag with 13%and 14%Al2O3

渣中黃長(zhǎng)石相波峰強(qiáng)度略有加強(qiáng)，而輝石類物質(zhì)的波峰強(qiáng)度有明顯增強(qiáng)現(xiàn)象，同時(shí)，渣中鈣鈦礦礦相波峰強(qiáng)度有明顯下降.通過使用X’Pert分析軟件對(duì)爐渣XRD分析圖中波峰強(qiáng)度發(fā)生變化的礦相進(jìn)行半定量分析，結(jié)果表明，當(dāng)爐渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由13%增量變化1%的時(shí)候，渣中黃長(zhǎng)石相含量略有升高，增加量約在2%，而渣中輝石類物質(zhì)含量增量明顯，增加了大約一倍左右，與此同時(shí)，渣中鈣鈦礦物質(zhì)含量則有明顯降低，降低為原來含量的60%左右.對(duì)爐渣共熔溫度的降低形成正效應(yīng)，從而使得爐渣熔化性溫度在此階段有明顯的降低.

(2)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由14%增至17%時(shí)各渣樣XRD分析比較如圖5所示.

圖5表明渣中輝石物質(zhì)檢測(cè)波峰強(qiáng)度呈現(xiàn)漸強(qiáng)現(xiàn)象，而鈣鈦礦相的波峰強(qiáng)度呈現(xiàn)漸減現(xiàn)象，同時(shí)，渣中鎂橄欖石(2MgO·SiO2)礦相及尖晶石(MgO·Al2O3)礦相波峰強(qiáng)度逐漸加強(qiáng).通過使用X’Pert分析軟件對(duì)爐渣XRD波形圖進(jìn)行礦相半定量分析表明，當(dāng)爐渣中Al2O3含量由14%增加至17%的時(shí)候，渣中黃長(zhǎng)石相含量呈現(xiàn)少量的遞減現(xiàn)象，遞減量不足1%，而渣中輝石類物質(zhì)含量有所遞增，當(dāng)渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)其約占爐渣總量的18%.與此同時(shí)，渣中鈣鈦礦物質(zhì)含量則成遞減趨勢(shì)，至渣中 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%時(shí)，鈣鈦礦遞減為初始含量的60%左右.而渣中高熔點(diǎn)礦相物質(zhì)鎂橄欖石(2MgO·SiO2)及尖晶石(MgO·Al2O3)含量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，其在渣中的含量增加近一倍.使得不同成分組成的爐渣的共熔溫度在此階段呈現(xiàn)出平穩(wěn)遞增的現(xiàn)象，因而溶化性溫度遞增.

(3)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由17%增至18%時(shí)渣樣XRD分析比較如圖6所示.

由圖6可以看到，當(dāng)實(shí)驗(yàn)爐渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由17%增至18%時(shí)，渣中黃長(zhǎng)石相與鈣鈦礦相波峰強(qiáng)度基本保持不變，而輝石類物質(zhì)的波峰強(qiáng)度略有增強(qiáng)，同時(shí)，渣中尖晶石相波峰強(qiáng)度略有增強(qiáng).通過使用分析軟件對(duì)爐渣XRD分析圖圖譜中進(jìn)行分析表明，當(dāng)爐渣中 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由17%增至18%時(shí)，渣中黃長(zhǎng)石相與鈣鈦礦相含量基本保持不變，而渣中輝石類物質(zhì)含量增加約1%左右，與此同時(shí)，渣中尖晶石礦相含量增量約為5%，莫來石含量增加近一倍，使?fàn)t渣熔化性溫度呈現(xiàn)激增趨勢(shì).

2.3 Al2O3含量變化對(duì)爐渣黏度的影響

結(jié)合高爐實(shí)際生產(chǎn)［5］，分別選取1 500℃和1 420℃兩個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)爐渣黏度隨渣中Al2O3含量變化規(guī)律進(jìn)行分析，圖7(a)和圖7(b)分別為1 500℃和1 420℃時(shí)爐渣黏度隨Al2O3含量變化關(guān)系圖.

根據(jù)圖7(a)所示，實(shí)驗(yàn)條件下，1 500℃時(shí)Al2O3含量變化對(duì)爐渣黏度影響規(guī)律為:當(dāng)渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，爐渣黏度達(dá)到實(shí)驗(yàn)最低點(diǎn)0.180 2 Pa·s，隨著渣中Al2O3增加，爐渣黏度相應(yīng)升高，當(dāng)渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至16%時(shí)，爐渣黏度達(dá)到實(shí)驗(yàn)最高點(diǎn)0.368 7 Pa·s，之后隨Al2O3含量增加略有降低，但仍在0.30 Pa·s以上.

圖5 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%、15%及17%時(shí)渣樣XRD分析圖Fig.5 XRD patterns for the slag with 14%，15%and 17%Al2O3

圖6 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%及18%的渣樣XRD分析圖Fig.6 XRD patterns for the slag with 17%and 18%Al2O3

根據(jù)圖7(b)表明，實(shí)驗(yàn)條件下，在溫度為1420℃時(shí)，Al2O3含量變化對(duì)爐渣黏度影響規(guī)律是:當(dāng)渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%時(shí)，爐渣黏度為0.525 7 Pa·s，當(dāng)渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，爐渣黏度出現(xiàn)測(cè)試最低點(diǎn)(0.326 9 Pa·s)，隨著爐渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加直至18%時(shí)，爐渣黏度也呈現(xiàn)持續(xù)增加態(tài)勢(shì).

Al2O3含量對(duì)中鈦爐渣黏度影響機(jī)理分析，根據(jù)爐渣離子模型理論［6］，熔渣體系各組分以離子團(tuán)形態(tài)存在，離子團(tuán)的復(fù)雜程度決定熔渣的體相黏度，熔渣中離子團(tuán)越龐大、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，各離子團(tuán)間的作用力就越大，熔渣的流動(dòng)性就越差，熔渣黏度就越大.另外，根據(jù)流體力學(xué)解釋，彌散于流體內(nèi)部的固體微細(xì)顆粒對(duì)流體的流動(dòng)性能有較大的影響.綜合來講，熔渣的黏度不僅受熔渣中離子團(tuán)結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響，也受高熔點(diǎn)結(jié)晶礦相的直接影響.

圖71 500℃時(shí)(a)與1420℃時(shí)(b)爐渣黏度隨Al2O3含量變化圖Fig.7 Viscosity varieties with Al2O3at 1 500℃(a)and 1 420℃(b)

在高爐冶煉過程中，Al2O3通常被視為中性氧化物，Al2O3與SiO2相比較，在熔渣中的酸性系數(shù)僅為0.12，Al3+離子在熔渣體系中通常只能結(jié)合2個(gè)O2－離子形成AlO2－，從而與金屬陽離子結(jié)合，打斷由金屬陽離子連接起來的復(fù)雜硅酸鹽化合物結(jié)構(gòu).隨熔渣體系中AlO2－離子團(tuán)的增加，熔渣中聚合態(tài)復(fù)雜硅酸鹽離子集群結(jié)構(gòu)被打破，從而形成單獨(dú)硅酸鹽離子團(tuán)或者部分離子團(tuán)聚合的小型離子集群，使熔渣流動(dòng)性能得到改善，爐渣黏度降低.但隨熔渣中Al2O3含量的增加，體系中AlO2－增加，渣中陽離子如Ca2+、Mg2+等與之相結(jié)合生成高熔點(diǎn)礦相，彌散于熔渣中，嚴(yán)重影響熔渣的流動(dòng)性，又會(huì)使熔渣黏度增大.

當(dāng)實(shí)驗(yàn)熔渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，熔渣黏度為本研究范圍的最低點(diǎn).其主要是因?yàn)樵须x子介入聚合離子團(tuán)結(jié)構(gòu)(主要為聚合黃長(zhǎng)石鏈狀結(jié)構(gòu))中，打斷其鏈狀結(jié)構(gòu)形態(tài)，形成單體島狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽.從實(shí)驗(yàn)爐渣配比情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)爐渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，合成渣中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.95%，Al元素與Si元素兩者之間的質(zhì)量比值接近1:2，也就是說AlO－2離子對(duì)鏈狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)的破壞作用達(dá)到或接近其上限.當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13%時(shí)，熔渣中主要組成物黃長(zhǎng)石相的離子團(tuán)存在長(zhǎng)鏈狀結(jié)構(gòu)，熔渣體相黏度要相對(duì)偏高.當(dāng)渣中Al2O3含量繼續(xù)增加時(shí)，渣中高熔點(diǎn)礦相(如CaO·Al2O3、MgO·Al2O3)生成量會(huì)隨之增加，其微晶顆粒彌散于熔渣中，造成熔渣黏度隨 Al2O3含量增加而升高，另外，因Al2O3含量超過一定值后，渣中開始出現(xiàn)游離態(tài)Al3+，它會(huì)連接單體或者小型離子官能結(jié)構(gòu)，組成架狀或網(wǎng)狀復(fù)雜離子團(tuán)，造成熔渣流動(dòng)性下降，熔渣體相黏度也會(huì)隨之而升高.

需要說明的是，當(dāng)渣中 Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由16%增至18%時(shí)，熔渣黏度在1500℃時(shí)略有下降，而在1420℃時(shí)卻成上升趨勢(shì).其主要原因是，隨渣中Al2O3含量的增加，渣中高熔點(diǎn)礦相鋁酸鈣混合體熔點(diǎn)會(huì)隨Al2O3含量增加而降低，即熔渣中彌散的固體微晶顆粒會(huì)有所減少，表現(xiàn)在1500℃黏度測(cè)試結(jié)果上就呈現(xiàn)出熔渣黏度略有下降的趨勢(shì);鈣鋁黃長(zhǎng)石的熔點(diǎn)為1450℃，當(dāng)爐渣溫度為1500℃時(shí)，鈣鋁黃長(zhǎng)石為熔化狀態(tài)，而1420℃時(shí)熔渣中已經(jīng)有其結(jié)晶相出現(xiàn)，同時(shí)因MgO·Al2O3結(jié)晶相生成量的增加，熔渣黏度會(huì)呈現(xiàn)出疊加升高的情況，測(cè)試結(jié)果則顯示此階段內(nèi)熔渣黏度隨Al2O3含量增加而升高.

3 結(jié)論

(1)在本實(shí)驗(yàn)爐渣成分范圍內(nèi)，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，爐渣熔化性溫度最低(1 348℃).

(2)在本實(shí)驗(yàn)爐渣成分范圍內(nèi)，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%時(shí)，爐渣在1 500℃和1 420℃條件下的黏度分別0.180 2 Pa·s和0.326 9 Pa·s.

(3)在中鈦高爐渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%左右時(shí)，爐渣具有良好的流動(dòng)性及較低的熔化性溫度，完全符合高爐實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)爐渣黏度和熔化性溫度的要求.

［1］文光遠(yuǎn).鐵冶金學(xué)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，1993:60－85.

(WenGuangyuan.Ironmetallurgy［M］.Chongqing: Chongqing University Press，1993:60－85.)

［2］郭興忠.中鈦型高爐渣性能的研究［D］.重慶:重慶大學(xué)碩士論文，1999，6.

(Guo Xingzhong.The study about properties of medium titanium slag［D］.Chongqing:Chongqing University，1999，6.)

［3］徐恒旭，王海峰，唐道文.MgO含量對(duì)中鈦高爐渣黏度及溶化性溫度影響研究［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2002，23(4):67－69.

(Xue Hengxu，Wang Haifeng，Tang Daowen，et al.The research about influence of MgO stvle content to medium titanium oxide content＇s BF slag melt performance［J］.Modern，2002，23(4):67－69.)

［4］王儉，毛裕文，譯.渣圖集［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1989.

(Wang Jian，Mao Yuwen.Slag atlas［M］.Beijing:Metallurgy Industry Press，1989.)

［5］王筱留.鋼鐵冶金學(xué)(煉鐵部分)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1991.

(Wang Youliu.Iron and steel metallurgy(iron parts)［M］.Beijing:Metallurgy Industry Press，1991.)

［6］刁日升，王喜慶，王懷永，等.含TiO2熔渣離子團(tuán)結(jié)構(gòu)與體相黏度和密度的關(guān)系［J］.金屬學(xué)報(bào)，1992，28(3):101－105.

(Diao Risheng，Wang Xiqing，Wang Huaiyong，et al.TiO2slag containing ionic groups and the body structure of the phase relationship between viscosity and density［J］.Journal of Metal，1992，28(3):101－105.)

Research of influence of Al2O3on metallurgical properties for the medium titanium slag

Zhou Jiao，Tang Daowen，Wang Haifeng，Xu Hengxu
(School of Materials and Metallurgy，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

In order to find a reasonable ration for the high aluminum ore to the vanadium ilmenite，influence of Al2O3on viscosity and melting temperature for the medium aluminum slag were stuidied.The results showed that the slag had a good fluidity and mininum melting temperature when the binary basicity was1.15，TiO2was12% ，MgO was 9%and Al2O3was 14%.It helped that the finding may provide some theoretical criterion.

BF slag of medium titanium;Al2O3;viscosity;the melting temperature

TF 534

A

1671-6620(2014)01-0006-05

2013-10-14.

貴州省工業(yè)攻關(guān)項(xiàng)目 (黔科全GY字［2009］3055).

周姣 (1989—)，女，碩士研究生，E－mail:15085978335@163.com.

唐道文 (1972—)，男，貴州大學(xué)副教授，E－mail:tangdaowen@sina.com.

book=5,ebook=181