高铝渣黏度和热力学性质分析

供稿|梁子怡，宁晓钧 / LIANG Zi-yi, NING Xiao-jun

内容导读

高炉炉渣是高炉炼铁最主要的副产品。炉渣的黏度和热力学性质对高炉生产过程中的炉渣流动性和高炉能量利用具有重要意义。文章运用FactSage热力学软件计算了炉渣的黏度、热容和焓变。结果表明，炉渣黏度随MgO和碱度的增加而降低，随Al2O3含量的增加而增大。随着MgO、Al2O3和碱度的增加，炉渣热容增大，但相比较而言，碱度对炉渣热容的影响最小。炉渣焓变随MgO和Al2O3含量的增加而显著增大，随碱度的增大而降低。从能量利用的角度来看，炉渣MgO和Al2O3含量的增加将增大因炉渣排出而带走的热量，而碱度的增大有利于减少高炉系统的能量消耗。

高炉炉渣是高炉炼铁过程中最主要的副产品之一，在高炉生产中发挥着重要的作用。高炉炉渣作为一种高温熔体，其物理化学性质主要受温度和成分的影响。其中，黏度是高炉炉渣最重要的性质之一，影响炉渣和铁水间的化学反应以及高炉生产的稳定性。另外，炉渣的热力学性质如炉渣热容和焓变等，对高炉系统的能量利用和能源消耗有着重要影响。因此，分析炉渣成分对其黏度、热容和焓变的影响，对于明确高炉生产过程中的炉渣流动性和高炉能量利用具有重要意义。

目前，关于炉渣成分对其黏度的影响，国内外已有许多研究[1-9]。同时，也有一些报道研究了炉渣成分对热容、焓变等热力学性质的影响[10-12]。然而，近些年来中国许多钢铁企业大量进口澳矿和印度矿，广泛使用这些矿石进行高炉冶炼使得高炉炉渣的Al2O3明显偏高，不少钢铁企业的高炉渣Al2O3含量已超过16%[13-14]。因此，为了考察在高铝渣条件下，炉渣成分对炉渣流动性和热力学性质的影响规律，本文借助FactSage热力学软件分析了MgO、Al2O3和碱度对炉渣黏度及热力学性质的影响。

实验方法与设计

用于实验的炉渣总质量为100 g，设置3个实验变量，即MgO、Al2O3和碱度，运用FactSage 6.4版本软件包进行模拟计算。具体计算方法为，采用Viscosity模块计算炉渣的黏度；采用Equilib模块计算炉渣的热容和焓变，在计算热容和焓变时将炉渣的初始条件设为25℃和101.325 kPa。具体的实验方案如表1所示。

实验结果与讨论

MgO对炉渣黏度与热力学性质的影响

根据FactSage计算结果，MgO对炉渣黏度的影响规律如图1所示。从图1可以看出，随着MgO含量的增加炉渣黏度逐渐降低；随着温度升高炉渣黏度逐渐降低。尽管炉渣成分有所不同，但这一结果与前人实验测量及FactSage计算的结果基本一致[3-6]。“对自然界的物质通常来说结构决定性质，性质反映结构。”这一准则，对于炉渣这种高温熔体而言仍然适用，其黏度同样和微观结构密切相关。镁是化学元素周期表中第3周期第2主族的元素，属于轻质碱土金属，因此MgO与CaO类似，属于碱性氧化物。炉渣这种高温硅酸盐熔体的粘性行为很大程度上取决于其内部结构的复杂程度，通常结构越复杂黏度就越大。根据前人的研究[8-9，15]，作为碱性氧化物，在炉渣熔体中MgO可以解离产生自由氧离子。这种氧离子可以破坏炉渣中复杂的硅酸盐网络结构，将大而复杂的网络结构解离为相对简单的结构，使炉渣黏度降低。

表1 实验渣样的化学成分(质量分数，%)

图1 MgO含量对炉渣黏度的影响

MgO对炉渣热容的影响如图2所示。物体在升温或降温过程中，要从外界吸收或放出热量。炉渣体系的温度每升高或下降1℃时，所吸收或释放的热量即为其热容。在实验中，计算设定的炉渣总质量为100 g，因此本文所讨论的热容和焓变均是以100 g炉渣为基础。由图2可知，随着炉渣中MgO含量的增加，炉渣热容逐渐增大。当炉渣成分一定时，在实验温度范围内，不同温度条件下的炉渣热容基本相同。这说明，在该条件下，MgO含量对炉渣热容影响较大，而此时温度对炉渣体系的热容几乎没有影响。

图2 MgO含量对炉渣热容的影响

图3为MgO含量对炉渣焓变的影响。由热力学第一定律可知，炉渣熔化过程中的焓变可近似等于其熔化所吸收的热量。通过图3可以看出，随着MgO含量的增加，炉渣焓变呈线性单调增加。同时，温度越高炉渣的焓变值越大。由此可以看出，MgO含量的增加不仅改善炉渣的黏度，还使得一定温度下的炉渣热量增加。相同质量相同温度的炉渣热量增加有利于保证炉缸中炉渣的热量充沛，保证炉渣和铁水温度；但另一方面随着炉渣的排出，带走的热量的也增加，从而增大了高炉的热量消耗[10]。

图3 MgO含量对炉渣焓变的影响

Al2O3对炉渣黏度与热力学性质的影响

图4为Al2O3对炉渣黏度的影响。从图4中可以看出，随着Al2O3含量的增加，炉渣黏度逐渐增大；而且相比于1600℃时，1550℃和1500℃时Al2O3对炉渣黏度的影响更为明显。事实上，Al2O3既能与酸发生反应也能和碱发生反应，属于一种典型两性氧化物。根据文献[15-16]报道，在高炉炉渣熔体中Al2O3通常作为酸性氧化物。其产生的Al3+可以代替硅酸盐网络结构中的Si4+，使炉渣网络结构变得更加复杂，炉渣黏度增加。所以，在本实验条件下，炉渣黏度逐渐增大，主要是由Al2O3使得炉渣结构趋于复杂所致。因此，高炉炉渣中的Al2O3含量增加会明显恶化炉渣的流动性，此时需要适当调整炉渣成分以保证高炉的正常生产和运行。

图4 Al2O3含量对炉渣黏度的影响

图5为炉渣热容随Al2O3含量的变化。从图5可以看出，Al2O3与MgO对炉渣热容的影响规律类似，随着Al2O3含量的增加，炉渣热容增大。同时，不同温度下的炉渣热容也几乎没有差别。这说明炉渣中Al2O3含量的增加，炉渣的储热能力增大。图6为炉渣焓变随Al2O3含量的变化趋势。从图6可以看出，类似于MgO对炉渣焓变的影响，一定温度下炉渣焓变随Al2O3含量的增加而呈线性增大。因此，炉渣Al2O3含量增加不仅使黏度增大，炉渣排出所带走的热量也增加，从而增大了高炉的热量消耗。

图5 Al2O3含量对炉渣热容的影响

图6 Al2O3含量对炉渣焓变的影响

碱度对对炉渣黏度与热力学性质的影响

图7 碱度对炉渣黏度的影响

图7为二元碱度对炉渣流动的影响。从图7可以看出，随着碱度的增加炉渣黏度明显降低。由于CaO属于典型的碱性氧化物，炉渣中很容易解离出自由氧离子与复杂的硅酸盐网络结构发生反应，简化炉渣网络结构，从而降低炉渣黏度[17-18]。结合MgO对炉渣黏度的影响规律来看，该实验渣系条件下，CaO和MgO对炉渣黏度的影响规律非常相似。所以当高炉由于大量使用外矿或自产低品位劣质矿石等原因导致炉渣Al2O3含量升高时，适当添加碱性熔剂，提高炉渣碱度或MgO含量，对改善炉渣流动性具有显著作用。

炉渣热容和焓变随碱度的变化关系分别如图8和图9所示。由图8可知，随着炉渣碱度的增加，炉渣热容逐渐增大；温度越高时，炉渣热容有所降低。然而，从炉渣热容的绝对值来看，在该实验条件下，无论是碱度变化还是温度变化，对炉渣热容的影响都十分有限。从图9可知，不同温度下的炉渣焓变随着碱度的增大而降低，表明一定温度下，相同质量的炉渣所含热量随碱度增大而减少。从这个角度来说，高铝渣碱度的增加不仅有利于降低炉渣黏度、改善炉渣流动性，而且有利于减少高炉炼铁过程中的能源消耗。

图8 碱度对炉渣热容的影响

图9 碱度对炉渣焓变的影响

结束语

(1) 随着MgO和碱度的增加，炉渣黏度逐渐降低，流动性改善；随着Al2O3含量的增加，炉渣黏度显著增大。炉渣Al2O3含量增大导致流动性恶化时，可适当增大炉渣碱度或MgO含量来调整炉渣成分，改善炉渣流动性。

(2) 炉渣热容随MgO、Al2O3含量和碱度的增加而增大，但相比于MgO和Al2O3对炉渣热容的影响，碱度对炉渣热容的影响几乎可忽略不计。

(3) 炉渣焓变随MgO和Al2O3含量的增加而增大，随炉渣碱度的增大而降低。从高炉生产过程中能量利用的角度来看，MgO和Al2O3含量的增加在一定程度上将增大炼铁生产的能量消耗，而碱度的适当增大则有利于降低高炉系统的能源消耗。