FeO和Al2O3质量分数对高炉初渣粘度的影响

刘田，李廷乐，孙长余，汪琦

（辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山114051）

FeO和Al2O3质量分数对高炉初渣粘度的影响

刘田，李廷乐，孙长余，汪琦

（辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山114051）

以高铝烧结矿在高炉软熔滴落过程中形成的高炉初渣为主要研究对象，在实验室条件下采用分析纯试剂进行初渣的制备，分别探讨了CaO-SiO2-MgO-Al2O3-FeO五元渣系中，FeO（5%～15%）及Al2O3（6%～15%）质量分数对初渣粘度和熔化性温度的影响规律。实验结果表明：在碱度（CaO/SiO2）为2.0时，炉渣粘度随FeO质量分数的增加而减小，且FeO质量分数越多，炉渣的熔化性温度越低；当FeO质量分数为5%时，随着Al2O3质量分数的增大，炉渣粘度和熔化性温度都呈降低的趋势。

高炉；初渣；粘度；熔化性温度

高炉熔渣是高炉炼铁的主要副产品之一，其性能对高炉炼铁过程起着不可忽视的作用［1］。当今，随着优质铁矿石原料的逐渐减少和对降低生产成本需求的不断提高，廉价的高铝铁矿石原料在高炉中的有效利用成为了人们关注的焦点。高铝铁矿石原料的引入，不仅对高炉终渣的粘度造成影响，也势必导致软熔滴落过程中高炉初渣的粘度性能发生变化［2］。

对于高炉终渣的研究已经取得了一定的成果，终渣粘度随碱度的增大而减小，而Al2O3质量分数的增加会导致粘度增大。然而，对于高炉初渣的研究相对还不完善。侯利明研究二元碱度在1.0～1.4范围，FeO质量分数在3%～30%的炉渣时发现，随FeO质量分数的增大炉渣粘度降低［3］。RO K J测定了二元碱度在1.35～1.45、Al2O3质量分数为10%～18%、FeO的质量分数为5%的试样粘度，结果表明：Al2O3质量分数为10%时熔化温度最低，氧化铝质量分数增大，粘度增加［4］。目前的研究针对碱度较低的高炉初渣性能进行了一定的探讨，然而，对于高碱度烧结矿形成的高炉初渣粘度性能的研究报道很少［5-6］。

本文针对高铝高碱度的高炉初渣——五元渣系CaO-SiO2-Al2O3-SiO2-FeO的粘度性能进行研究。在固定炉渣二元碱度（CaO/SiO2）为2.0的条件下，分别通过改变FeO质量分数（5%～25%）和Al2O3质量分数（6%～15%），探讨FeO和Al2O3质量分数对高炉初渣粘度的影响规律，并且获得FeO和Al2O3质量分数与高炉初渣粘流活化能和熔化性温度的关系。为高铝高碱度烧结矿在高炉冶炼中的有效利用提供基础数据。

1 实验装置与方法

本实验试样采用分析纯试剂配制渣样来模拟高炉冶炼进行实验。实验室用CaCO3来替代CaO；用FeC2O4·2H2O代替FeO。高炉初渣的成分比例如表1所示。

实验中采用实验室RTW-10型熔体物性综合测定仪测定初渣粘度，实验装置如图1所示。温度由双铂铑热电偶控制。实验过程中保持通入1.5 L/min的氩气用以保护铁坩埚和铁探头在高温下不被氧化，应用旋转柱体法测定熔体粘度。实验中将铁坩埚（Ф40 mm×80 mm）放入高温炉内，当炉温至1 773 K时，恒温30 min，待高炉渣熔化且均匀之后，放入铁转头，进行第一个温度点的粘度测定，测定5次后取平均值即为该温度点的粘度。然后，高温炉温度下降10 K，待均匀稳定后，进行第二个温度点高炉渣粘度的测定；依次下降10 K，进行粘度测定，直至粘度较大时，停止测定，结束实验。

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

图1 粘度测定装置Fig.1 Schematic graph of apparatus for viscosity measurement

2 实验结果分析与讨论

2.1 FeO及Al2O3含量对初渣粘度的影响

图2为Al2O3质量分数为12%，二元碱度2.0，FeO质量分数分别为5%、15%、25%时的粘度-温度曲线。炉渣粘度随温度升高而降低，并逐渐趋于稳定。随FeO质量分数增大炉渣粘度减小。此结论与文献［7］研究结果一致。由于FeO熔化温度较低，其质量分数的增大直接导致炉渣粘度和结晶温度的降低；另外，FeO在Si-O网络结构中提供自由移动的Fe2+和O2-，而Fe2+和O2-与Si-O网络结构相比较小，使炉渣粘度降低［7］。

图2 三种w(FeO）的炉渣粘度与温度的关系Fig.2 Influence of FeO content on tviscosity of slag

图3为FeO质量分数为5%、二元碱度为2.0、Al2O3的质量分数分别为6%、9%、12%、15%的初渣粘度-温度图。随Al2O3的质量分数增大，粘度呈现减小趋势。Al2O3在炉渣中存在两性：一方面，破坏了部分硅酸根离子所形成的网络结构［8］；另一方面，生成一些相对简单的［AlO6］5-八面体结构［9］。对于高炉终渣来说，由于碱度较低，随着Al2O3质量分数的增加，炉渣粘度也随之增大，流动性变差。但是，在本研究中，初渣碱度为2.0，可以认为Al2O3在初渣中主要以简单的［AlO6］5-八面体结构存在，间接地降低了初渣的碱度，使初渣中由于高碱度而引起的固相组分比例降低，进而降低了初渣的粘度。

当温度较低时，粘度增加明显，其原因可能是由于炉渣温度降低，渣中的SiO2和Al2O3吸收O2-构成SiO44-和AlO45-复合阴离子团，增加炉渣结构的聚合度，同时还会伴随着一些熔点较高的固相物质析出，致使粘度急剧上升。

图3 w(FeO）=5%时，不同w(Al2O3）炉渣粘度与温度的关系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含量对初渣粘流活化能的影响

炉渣粘度的对数lnη与温度的倒数1/T可以用一个线性函数关系来表示，斜率为-Eη/R，截距为lnA。其关系如图4所示。

图4 不同w(Al2O3）的lnη与1/T的关系Fig.4 Relationship oflnηto1/Tat differentw(Al2O3）

通过图4可计算出不同成分炉渣活化能Eη，其具体活化能Eη如表2所示。炉渣的活化能与试样成分有着密切关系，并且与图2、图3的粘度值基本吻合。在FeO为单一变量的实验中，FeO的质量分数为5%时，炉渣的活化能最大为528.41 kJ/mol，炉渣中的复杂阴离子团较多；随着FeO质量分数增至15%，活化能变化不大，炉渣中简单的Fe2+和O2-离子的比例增大，流体阻力降低，粘度减小。另外，炉渣活化能随Al2O3质量分数的增大而减小，与图3的粘度曲线有很好的一致性；Al2O3表现为酸性，提供了炉渣简单的［AlO6］5-八面体结构，从而降低炉渣粘度。

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

2.3 FeO及Al2O3含量对炉渣熔化性温度的影响

本实验将温度-粘度图的曲线拐点对应温度作为炉渣的熔化性温度。根据图2和图3得到本实验6组试样的熔化性温度，图5给出了熔化性温度与FeO质量分数、Al2O3的质量分数的关系。

图5 三种w(FeO）的炉渣w(Al2O3）与熔化性温度的关系Fig.5 Influence of FeO and Al2O3contents on melting temperature

由图5可知，Al2O3和FeO质量分数对熔化性温度影响明显。熔化性温度随FeO质量分数的增大而降低，且质量分数越大熔化性温度减小的幅度越大；FeO质量分数每增加1%，熔化性温度平均减小3.0℃；可以解释为FeO的熔点低于渣系中其余氧化物，随FeO质量分数增大炉渣熔化温度降低。另外，熔化性温度随Al2O3质量分数的增大而减小，Al2O3质量分数每增加1%，熔化性温度平均降低3.3℃。可以认为，Al2O3表现为酸性物质，中和了炉渣的碱性，减少了钙铝黄长石等高熔点析出相的产生，使炉渣熔化性温度降低。本实验6组试样的熔化性温度在1 300℃左右波动，且在1 500℃时粘度较小，炉渣性能较稳定。

3 结论

（1）初渣粘度随FeO质量分数的增大而减小，且FeO质量分数对初渣稳定性有明显影响，高FeO炉渣不利于高炉操作。

（2）随Al2O3的质量分数增大炉渣粘度减小。认为在此渣系中Al2O3表现为酸性，提供简单的［AlO6］5-八面体结构。

（3）炉渣的活化能与炉渣粘度的变化规律一致。当Al2O3的质量分数为15%时炉渣活化能最小为318.32 kJ/mol，此时炉渣中的复杂阴离子团最少，炉渣性能最稳定。

（4）Al2O3、FeO质量分数对熔化性温度的影响显著。熔化性温度随Al2O3、FeO质量分数的增大而降低，质量分数越大熔化性温度的降低幅度越大。本实验6组试样的炉渣性能均较稳定。

［1］梁丽华.黏度在炼铁生产中的作用分析［J］.科技情报开发与经济，2004，14（11）：249-251.

［2］杨润德，侯晓川，李贺.高炉渣合理碱度和镁铝比的理论研究［J］.矿冶工程，2014，34（s1）：402-405.

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［5］张芳，安胜利，罗果萍，等.高炉初渣及中间渣软熔性质的研究［J］.钢铁钒钛，2014，35（5）：98-102.

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［8］秦学武，宋灿阳，阎媛媛.高炉高铝炉渣性能研究［J］.山东冶金，2006，28（1）：29-32.

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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。

国家自然基金项目（No.U1361212）。

刘田（1991—），女，辽宁鞍山人。

汪琦（1960-—），男，黑龙江哈尔滨人，教授。