FeO和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對高爐初渣粘度的影響

劉田，李廷樂，孫長余，汪琦

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051）

FeO和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對高爐初渣粘度的影響

劉田，李廷樂，孫長余，汪琦

（遼寧科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧鞍山114051）

以高鋁燒結(jié)礦在高爐軟熔滴落過程中形成的高爐初渣為主要研究對象，在實驗室條件下采用分析純試劑進行初渣的制備，分別探討了CaO-SiO2-MgO-Al2O3-FeO五元渣系中，F(xiàn)eO（5%～15%）及Al2O3（6%～15%）質(zhì)量分?jǐn)?shù)對初渣粘度和熔化性溫度的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明：在堿度（CaO/SiO2）為2.0時，爐渣粘度隨FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，且FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越多，爐渣的熔化性溫度越低；當(dāng)FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，爐渣粘度和熔化性溫度都呈降低的趨勢。

高爐；初渣；粘度；熔化性溫度

高爐熔渣是高爐煉鐵的主要副產(chǎn)品之一，其性能對高爐煉鐵過程起著不可忽視的作用［1］。當(dāng)今，隨著優(yōu)質(zhì)鐵礦石原料的逐漸減少和對降低生產(chǎn)成本需求的不斷提高，廉價的高鋁鐵礦石原料在高爐中的有效利用成為了人們關(guān)注的焦點。高鋁鐵礦石原料的引入，不僅對高爐終渣的粘度造成影響，也勢必導(dǎo)致軟熔滴落過程中高爐初渣的粘度性能發(fā)生變化［2］。

對于高爐終渣的研究已經(jīng)取得了一定的成果，終渣粘度隨堿度的增大而減小，而Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加會導(dǎo)致粘度增大。然而，對于高爐初渣的研究相對還不完善。侯利明研究二元堿度在1.0～1.4范圍，F(xiàn)eO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3%～30%的爐渣時發(fā)現(xiàn)，隨FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大爐渣粘度降低［3］。RO K J測定了二元堿度在1.35～1.45、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～18%、FeO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的試樣粘度，結(jié)果表明：Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時熔化溫度最低，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，粘度增加［4］。目前的研究針對堿度較低的高爐初渣性能進行了一定的探討，然而，對于高堿度燒結(jié)礦形成的高爐初渣粘度性能的研究報道很少［5-6］。

本文針對高鋁高堿度的高爐初渣——五元渣系CaO-SiO2-Al2O3-SiO2-FeO的粘度性能進行研究。在固定爐渣二元堿度（CaO/SiO2）為2.0的條件下，分別通過改變FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5%～25%）和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)（6%～15%），探討FeO和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對高爐初渣粘度的影響規(guī)律，并且獲得FeO和Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)與高爐初渣粘流活化能和熔化性溫度的關(guān)系。為高鋁高堿度燒結(jié)礦在高爐冶煉中的有效利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗裝置與方法

本實驗試樣采用分析純試劑配制渣樣來模擬高爐冶煉進行實驗。實驗室用CaCO3來替代CaO；用FeC2O4·2H2O代替FeO。高爐初渣的成分比例如表1所示。

實驗中采用實驗室RTW-10型熔體物性綜合測定儀測定初渣粘度，實驗裝置如圖1所示。溫度由雙鉑銠熱電偶控制。實驗過程中保持通入1.5 L/min的氬氣用以保護鐵坩堝和鐵探頭在高溫下不被氧化，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)柱體法測定熔體粘度。實驗中將鐵坩堝（Ф40 mm×80 mm）放入高溫爐內(nèi)，當(dāng)爐溫至1 773 K時，恒溫30 min，待高爐渣熔化且均勻之后，放入鐵轉(zhuǎn)頭，進行第一個溫度點的粘度測定，測定5次后取平均值即為該溫度點的粘度。然后，高溫爐溫度下降10 K，待均勻穩(wěn)定后，進行第二個溫度點高爐渣粘度的測定；依次下降10 K，進行粘度測定，直至粘度較大時，停止測定，結(jié)束實驗。

表1 高爐初渣成分比例，%Tab.1 Preparation of experimental samples of slag，%

圖1 粘度測定裝置Fig.1 Schematic graph of apparatus for viscosity measurement

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 FeO及Al2O3含量對初渣粘度的影響

圖2為Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，二元堿度2.0，F(xiàn)eO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、15%、25%時的粘度-溫度曲線。爐渣粘度隨溫度升高而降低，并逐漸趨于穩(wěn)定。隨FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大爐渣粘度減小。此結(jié)論與文獻［7］研究結(jié)果一致。由于FeO熔化溫度較低，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大直接導(dǎo)致爐渣粘度和結(jié)晶溫度的降低；另外，F(xiàn)eO在Si-O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中提供自由移動的Fe2+和O2-，而Fe2+和O2-與Si-O網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比較小，使?fàn)t渣粘度降低［7］。

圖2 三種w(FeO）的爐渣粘度與溫度的關(guān)系Fig.2 Influence of FeO content on tviscosity of slag

圖3為FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、二元堿度為2.0、Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%、9%、12%、15%的初渣粘度-溫度圖。隨Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，粘度呈現(xiàn)減小趨勢。Al2O3在爐渣中存在兩性：一方面，破壞了部分硅酸根離子所形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［8］；另一方面，生成一些相對簡單的［AlO6］5-八面體結(jié)構(gòu)［9］。對于高爐終渣來說，由于堿度較低，隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，爐渣粘度也隨之增大，流動性變差。但是，在本研究中，初渣堿度為2.0，可以認(rèn)為Al2O3在初渣中主要以簡單的［AlO6］5-八面體結(jié)構(gòu)存在，間接地降低了初渣的堿度，使初渣中由于高堿度而引起的固相組分比例降低，進而降低了初渣的粘度。

當(dāng)溫度較低時，粘度增加明顯，其原因可能是由于爐渣溫度降低，渣中的SiO2和Al2O3吸收O2-構(gòu)成SiO44-和AlO45-復(fù)合陰離子團，增加爐渣結(jié)構(gòu)的聚合度，同時還會伴隨著一些熔點較高的固相物質(zhì)析出，致使粘度急劇上升。

圖3 w(FeO）=5%時，不同w(Al2O3）爐渣粘度與溫度的關(guān)系Fig.3 Viscosity in 5%FeO-CaO-SiO2-Al2O3-MgO slag system as a function of temperature at different Al2O3content

2.2 FeO及Al2O3含量對初渣粘流活化能的影響

爐渣粘度的對數(shù)lnη與溫度的倒數(shù)1/T可以用一個線性函數(shù)關(guān)系來表示，斜率為-Eη/R，截距為lnA。其關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同w(Al2O3）的lnη與1/T的關(guān)系Fig.4 Relationship oflnηto1/Tat differentw(Al2O3）

通過圖4可計算出不同成分爐渣活化能Eη，其具體活化能Eη如表2所示。爐渣的活化能與試樣成分有著密切關(guān)系，并且與圖2、圖3的粘度值基本吻合。在FeO為單一變量的實驗中，F(xiàn)eO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，爐渣的活化能最大為528.41 kJ/mol，爐渣中的復(fù)雜陰離子團較多；隨著FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至15%，活化能變化不大，爐渣中簡單的Fe2+和O2-離子的比例增大，流體阻力降低，粘度減小。另外，爐渣活化能隨Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，與圖3的粘度曲線有很好的一致性；Al2O3表現(xiàn)為酸性，提供了爐渣簡單的［AlO6］5-八面體結(jié)構(gòu)，從而降低爐渣粘度。

表2 各成分爐渣的活化能Tab.2 Activation energy of slag with different composition

2.3 FeO及Al2O3含量對爐渣熔化性溫度的影響

本實驗將溫度-粘度圖的曲線拐點對應(yīng)溫度作為爐渣的熔化性溫度。根據(jù)圖2和圖3得到本實驗6組試樣的熔化性溫度，圖5給出了熔化性溫度與FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)、Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系。

圖5 三種w(FeO）的爐渣w(Al2O3）與熔化性溫度的關(guān)系Fig.5 Influence of FeO and Al2O3contents on melting temperature

由圖5可知，Al2O3和FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熔化性溫度影響明顯。熔化性溫度隨FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低，且質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大熔化性溫度減小的幅度越大；FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，熔化性溫度平均減小3.0℃；可以解釋為FeO的熔點低于渣系中其余氧化物，隨FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大爐渣熔化溫度降低。另外，熔化性溫度隨Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)每增加1%，熔化性溫度平均降低3.3℃?？梢哉J(rèn)為，Al2O3表現(xiàn)為酸性物質(zhì)，中和了爐渣的堿性，減少了鈣鋁黃長石等高熔點析出相的產(chǎn)生，使?fàn)t渣熔化性溫度降低。本實驗6組試樣的熔化性溫度在1 300℃左右波動，且在1 500℃時粘度較小，爐渣性能較穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）初渣粘度隨FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而減小，且FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對初渣穩(wěn)定性有明顯影響，高FeO爐渣不利于高爐操作。

（2）隨Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大爐渣粘度減小。認(rèn)為在此渣系中Al2O3表現(xiàn)為酸性，提供簡單的［AlO6］5-八面體結(jié)構(gòu)。

（3）爐渣的活化能與爐渣粘度的變化規(guī)律一致。當(dāng)Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時爐渣活化能最小為318.32 kJ/mol，此時爐渣中的復(fù)雜陰離子團最少，爐渣性能最穩(wěn)定。

（4）Al2O3、FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)對熔化性溫度的影響顯著。熔化性溫度隨Al2O3、FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大熔化性溫度的降低幅度越大。本實驗6組試樣的爐渣性能均較穩(wěn)定。

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Effect of FeO and Al2O3contents on viscosity of primary slag

LIU Tian，LI Tingle，SUN Changyu，WANG Qi
（School of Materials and Metallurgy，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China）

The primary slag of blast furnace slag，formed during the melting and dropping process of high alumina sinter，was studied in this paper.The primary slag was prepared by using analytical reagent under laboratory conditions.The effects of FeO concentration(5%～15%)and Al2O3concentration(6%～15%)on the viscosity and melting temperature of the FeO-CaO-SiO2-MgO-Al2O3slag system were investigated.The results showed that the viscosity and melting temperature of the slag decreased with the increase of the FeO content when the basicity(CaO/SiO2)was 2.0.With the increase of Al2O3content，the slag viscosity and melting temperature decreased at the FeO content of 5%.

blast furnace；primary slag；viscosity；melting temperature

November 20，2016）

TF534.1

A

1674-1048（2017）02-0081-04

10.13988/j.ustl.2017.02.001

2016-11-20。

國家自然基金項目（No.U1361212）。

劉田（1991—），女，遼寧鞍山人。

汪琦（1960-—），男，黑龍江哈爾濱人，教授。