流變特性對冶金渣纖維化過程的影響機(jī)理研究

張遵乾，宮娟，龍躍

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué)外國語學(xué)院河北 唐山 063210)

近年來，國內(nèi)外科研工作者及鋼鐵企業(yè)越來越重視產(chǎn)量巨大的熔渣中所蘊(yùn)含的大量熱能，提出熔渣制備微珠的風(fēng)淬、旋轉(zhuǎn)杯破碎等粒化方式[1-3]，以及熔渣制備礦渣棉的噴吹、離心甩絲等纖維化處理方式[4-7]。干法?；?纖維化需要對熔渣調(diào)質(zhì)以滿足產(chǎn)品性能要求，但調(diào)質(zhì)后由于熔渣潛熱有限，調(diào)質(zhì)熔渣物化性能變化很大，而流變特性及其對?；?纖維化過程的影響的研究還很不充分。

在離心成纖的過程中，熔體液絲在拉伸階段發(fā)生斷裂進(jìn)而依靠表面張力收縮成球，是形成渣珠的一種重要途徑。同樣，在對液態(tài)高爐渣離心粒化或氣淬?；膶?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微珠生成的同時(shí)會有大量的纖維產(chǎn)生。目前國內(nèi)外研究者通過調(diào)整熔渣組分、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤直徑或噴吹氣體體積流率等手段，可以改善產(chǎn)物中渣棉或渣珠過多的問題[8-9]，以達(dá)到控制產(chǎn)品形態(tài)的目的。但熔渣纖維化和?；g轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)及其影響機(jī)理尚不明確，本文針對熔渣的非牛頓流體特性，從流體動(dòng)力學(xué)角度，分析了流變特性對熔渣纖維化過程的影響機(jī)理，為工業(yè)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)提供了理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本研究的主要原料來自某企業(yè)現(xiàn)場的紅土鎳礦礦渣，原料成分見表1，且現(xiàn)場原料中硅、鐵渣質(zhì)量比為18:2。此外，為對熔渣成分進(jìn)行調(diào)整以滿足適宜纖維化的要求，所添加的MgO、CaO以及SiO2均為化學(xué)分析純。

表1 原料成分/%Table 1 Components of raw materials

根據(jù)硅、鐵渣原始成分配比，并綜合考慮熔渣堿度等因素，通過添加或不添加MgO、CaO或SiO2的方式，按照表2中硅、鐵渣質(zhì)量百分比進(jìn)行成分調(diào)整，設(shè)計(jì)了No.1 ～ No.6六組實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行了黏度實(shí)驗(yàn)。

表2 不同質(zhì)量比的實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Test scheme with different mass ratio

根據(jù)以上六組不同配比，第1、2、4、5組原料配比酸度系數(shù)為1.23，第3組酸度系數(shù)為2.3，第6組酸度系數(shù)為1.4。

1.2 黏溫特性實(shí)驗(yàn)

利用RTW-13型熔體物性綜合測定儀對不同配比方案的熔渣的黏度-溫度變化曲線進(jìn)行了測試，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 r/min（對應(yīng)剪切速率為70/s），測試結(jié)果見圖1。

圖1 不同實(shí)驗(yàn)方案的熔渣的黏度-溫度變化曲線Fig.1 Viscosity-temperature curve of slag with different test schemes

熔渣的黏度μ是影響其纖維化的主要參數(shù)，一般來說，熔渣適宜成纖的黏度范圍在1 ～ 3 Pa·s，根據(jù)黏度曲線可以看出：第2組和第4組配比條件下，黏度—溫度變化曲線在1 ～ 3Pa·s黏度區(qū)間的溫度跨度很大，分別為135℃和120℃，即熔渣適宜成纖的溫度區(qū)間較寬，適宜成纖生產(chǎn)。在原料酸度系數(shù)不變條件下，可以全部用CaO替代MgO，或者用CaO替代一半的MgO。

1.3 非牛頓流體特性實(shí)驗(yàn)

為了測定熔渣是否具有非牛頓流體特性，再次利用RTW-13型熔體物性綜合測定儀，設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為150 r/min、100 r/min和50 r/min(對應(yīng)剪切速率分別為53/s、35/s和18/s）。對實(shí)驗(yàn)方案為No.2熔渣分別在黏度為1Pa·s 的溫度點(diǎn)1489℃（No.2A）、黏度為3Pa·s 的溫度點(diǎn)1353℃（No.2C）以及中間溫度點(diǎn)1421℃（No.2B）進(jìn)行黏度測試；對實(shí)驗(yàn)方案為No.4的熔渣分別在黏度為1Pa·s 的溫度點(diǎn)1408℃（No.4A）、黏度為3Pa·s 的溫度點(diǎn)1288℃（No.4C）以及中間溫度點(diǎn)1348℃（No.4B）進(jìn)行黏度測試，對應(yīng)的黏度值見圖2。

圖2 不同剪切速率下熔渣的黏度值Fig.2 Viscosity of slag at different shear rates

從圖2可以看出，在剪切速率由18/s增大到70/s的過程中，兩組熔渣黏度均隨剪切速率的增大而逐漸減小，呈現(xiàn)剪切變稀性質(zhì)的非牛頓流體特性。區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)方案為No.4的熔渣在高溫時(shí)剪切變稀性質(zhì)比No.2的熔渣弱，而在低溫區(qū)，熔渣黏度較大時(shí)，其剪切變稀性質(zhì)比No.2的熔渣強(qiáng)。

2 流變特性影響機(jī)理研究

熔渣的粒化/纖維化分解是熔渣物性與外力耦合作用的結(jié)果。從熔渣黏溫曲線上來看，“長渣”適用于制備礦渣纖維，如實(shí)驗(yàn)方案No.2和No.4；“短渣”適用于制備礦渣微珠，如實(shí)驗(yàn)方案No.1、No.3和No.5。熔渣破碎后在慣性及離心作用下逐漸拉伸變長變細(xì)，熔體液絲的黏性與表面張力對穩(wěn)定性的影響都不容忽視。從熔渣物性方面考慮。反映熔渣物性的兩個(gè)主要參數(shù)韋伯?dāng)?shù)We、奧內(nèi)佐格數(shù)Oh，主要與流體流動(dòng)特性與流體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)，分別見公式（1）、（2）[8-9]。

式中ρ——熔渣密度，kg/m3；

σ——表面張力，N/m；

μ——熔渣黏度，Pa·s；

v——熔渣流速，kg/s；

Re——雷諾數(shù)；

R——輥輪半徑，m。

對于黏性、不可壓縮流體流動(dòng)，其連續(xù)性方程與動(dòng)量方程的無量綱形式可以表示為[10]：

式中u——速度矢量；

p——壓力；

δ——表面張力系數(shù)；

K——平均曲率；

n——自由表面法線方向。

無量綱形式的控制方程表明Oh數(shù)是影響流體細(xì)絲松弛動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，并且當(dāng)Oh數(shù)超過某一臨界值時(shí)，熔體液絲的斷裂不再發(fā)生。而Oh數(shù)表明熔體液絲破碎過程中黏性與慣性和表面張力的相對重要性，這也就說明黏性和表面張力在很大程度上影響了熔體液絲的破碎。但這兩個(gè)參數(shù)在熔體液絲破碎過程中所起的作用與在熔體薄膜破碎過程中所起的作用不同，對于熔體液絲的破碎，黏性起阻礙作用，表面張力起促進(jìn)作用。因此當(dāng)Oh數(shù)大于某一臨界值時(shí)會抑制纖維的斷裂。

從與制備工藝直接相關(guān)的外力作用來說，需要考慮熔渣流變特性的影響。在利用四輥離心機(jī)制備礦渣纖維過程中，纖維拉伸示意圖見圖3。

圖3 纖維拉伸示意圖Fig.3 Schematic diagram of fiber drawing

從礦渣纖維開始拉伸到經(jīng)過時(shí)間t之后，應(yīng)變速率 可以表示為：

一般認(rèn)為端部液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和以輥輪半徑R為基圓的漸開線一致[11]，見圖4。

圖4 纖維端部液滴跡線Fig.4 Fiber head droplet pathline

3 結(jié) 論

（1）針對現(xiàn)場紅土鎳礦礦渣，通過添加不同配比的MgO、CaO對其調(diào)質(zhì)以制備礦渣纖維，利用黏度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量比滿足實(shí)驗(yàn)方案No.2（硅渣:鐵渣:CaO=18:2:9）或者實(shí)驗(yàn)方案No.4（硅渣:鐵渣:MgO:CaO=18:2:4.5:4.5）時(shí)，調(diào)質(zhì)渣適宜成纖的溫度區(qū)間較寬，分別達(dá)到135℃和120℃，較適宜進(jìn)行纖維化實(shí)驗(yàn)。

（2）分別對實(shí)驗(yàn)方案No.2和No.4的調(diào)質(zhì)渣進(jìn)行非牛頓流體特性的測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩組熔渣黏度均隨著剪切速率的增大而逐漸減小，即呈現(xiàn)剪切變稀性質(zhì)的非牛頓流體特性；實(shí)驗(yàn)方案為No.2的熔渣在高溫時(shí)剪切變稀性質(zhì)比No.4的熔渣強(qiáng)，在低溫區(qū)，其剪切變稀性質(zhì)比No.4的熔渣弱。

（3）基于流體動(dòng)力學(xué)理論，利用自由拉伸的液絲的方法研究了流變特性對熔渣纖維化過程的影響，發(fā)現(xiàn)由于剪切變稀特性引起的黏度降低會使熔渣成纖過程中的穩(wěn)定性降低，即隨著溫度的降低，剪切變稀特性較強(qiáng)的No.4熔渣成纖效果會變差，從這個(gè)角度來說，實(shí)驗(yàn)方案為No.2的熔渣更適宜進(jìn)行纖維化生產(chǎn)。