Al2O3對中鈦高爐渣冶金性能影響的實驗研究

周 姣，唐道文，王海峰，徐恒旭

(貴州大學 材料與冶金學院，貴陽 550025)

Al2O3對中鈦高爐渣冶金性能影響的實驗研究

周 姣，唐道文，王海峰，徐恒旭

(貴州大學 材料與冶金學院，貴陽 550025)

為實現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含量變化對爐渣黏度及熔化性溫度的影響.研究結果表明，在爐渣二元堿度1.15，w(TiO2)=12%，w(MgO)=9%的條件下，實驗爐渣在w(Al2O3)=14%時具有良好的流動性和最低的熔化性溫度(1 348℃).為高爐實際生產提供一定的理論依據.

中鈦高爐渣;Al2O3;黏度;溶化性溫度

隨著鋼鐵產業的快速發展，鐵礦石需求量增大。我國鐵礦石進口量不斷增加，而鐵礦石價格也不斷上漲.結合目前國際鐵礦石市場形勢及國內釩鈦磁鐵礦資源的利用現狀，將高Al2O3礦石與釩鈦磁鐵礦合理搭配使用已成為高爐生產的趨勢［1］.目前，國內外對低鈦(TiO2質量分數＜5%)型和高鈦(TiO2質量分數＞20%)型高爐渣的性能進行了許多研究，并已成功實現了不同類型含鈦爐渣的高爐冶煉，而對中鈦型高爐渣研究則相對較少［2］.為此研究了中鈦高爐渣中Al2O3含量變化對高爐渣冶金性能的影響.尋找高爐渣合適組分，為高爐實際生產提供一定的依據.

1 實驗方法

實驗以實際生產高爐渣成分為基準［3］，用分析純化學試劑進行配料合成，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.對實驗渣樣進行XRD分析檢測，結合爐渣理論進行討論分析.

每次實驗用總渣質量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%.

實驗設備采用ND－II型爐渣測試儀，盛爐渣的坩堝為石墨坩堝，實驗過程中爐內通氬氣保護.實驗測試溫度度從1 500℃開始，每下降1℃記錄一次數據，直至測試黏度值超過4 Pa·s時完成一次測試.

2 實驗結果及分析

2.1 實驗數據

實驗共6組，w(Al2O3)變化范圍為13%～18%，每組實驗遞增1%.MgO，TiO2在合成渣中質量分數保持不變.表1列出配比高爐渣在1 500℃及1 420℃時的黏度以及爐渣熔化性溫度的實驗數據.

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

2.2 Al2O3含量對爐渣熔化性溫度的影響

通過對實驗數據匯總分析，Al2O3含量變化對爐渣的黏度－溫度曲線的影響效果如圖1所示.

圖1 實驗爐渣的黏度溫度圖Fig.1 The experimental slag viscosity－temperature diagramAl2O3質量分數: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，得到實驗渣樣的熔化性溫度隨Al2O3質量分數的變化如圖2所示:由圖2可知，在實驗條件下，渣中Al2O3質量分數自13%至14%，爐渣熔化性溫度有較大的降低，當渣中Al2O3質量分數為14%時，實驗爐渣有最低的熔化性溫度(1348℃).繼續增加渣中Al2O3含量，爐渣熔化性溫度隨Al2O3含量增加呈逐漸上升的趨勢.當Al2O3質量分數由17%增至18%時，實驗爐渣熔化性溫度由1355℃增至1 378℃，增量約23℃.

Al2O3質量分數為13%時渣樣的XRD分析如圖3所示:

圖3 Al2O3質量分數為13%的渣樣XRD分析圖Fig.3 XRD pattern for the slag with 13%Al2O3

由圖3可知，實驗渣樣中鈣黃長石、鎂黃長石、鈣鈦礦以及輝石類物質占渣樣質量的90%以上，對爐渣物理性能變化有主要影響.結合渣相圖［4］對測試結果分析如下:

(1)Al2O3含量由13%增至14%時，分析比較如圖4所示.

圖4 Al2O3質量分數為13%及14%的渣樣XRD分析圖Fig.4 XRD patterns for the slag with 13%and 14%Al2O3

渣中黃長石相波峰強度略有加強，而輝石類物質的波峰強度有明顯增強現象，同時，渣中鈣鈦礦礦相波峰強度有明顯下降.通過使用X’Pert分析軟件對爐渣XRD分析圖中波峰強度發生變化的礦相進行半定量分析，結果表明，當爐渣中Al2O3質量分數由13%增量變化1%的時候，渣中黃長石相含量略有升高，增加量約在2%，而渣中輝石類物質含量增量明顯，增加了大約一倍左右，與此同時，渣中鈣鈦礦物質含量則有明顯降低，降低為原來含量的60%左右.對爐渣共熔溫度的降低形成正效應，從而使得爐渣熔化性溫度在此階段有明顯的降低.

(2)Al2O3質量分數由14%增至17%時各渣樣XRD分析比較如圖5所示.

圖5表明渣中輝石物質檢測波峰強度呈現漸強現象，而鈣鈦礦相的波峰強度呈現漸減現象，同時，渣中鎂橄欖石(2MgO·SiO2)礦相及尖晶石(MgO·Al2O3)礦相波峰強度逐漸加強.通過使用X’Pert分析軟件對爐渣XRD波形圖進行礦相半定量分析表明，當爐渣中Al2O3含量由14%增加至17%的時候，渣中黃長石相含量呈現少量的遞減現象，遞減量不足1%，而渣中輝石類物質含量有所遞增，當渣中Al2O3質量分數為17%時其約占爐渣總量的18%.與此同時，渣中鈣鈦礦物質含量則成遞減趨勢，至渣中 Al2O3質量分數為17%時，鈣鈦礦遞減為初始含量的60%左右.而渣中高熔點礦相物質鎂橄欖石(2MgO·SiO2)及尖晶石(MgO·Al2O3)含量呈現遞增趨勢，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出平穩遞增的現象，因而溶化性溫度遞增.

(3)Al2O3質量分數由17%增至18%時渣樣XRD分析比較如圖6所示.

由圖6可以看到，當實驗爐渣中Al2O3質量分數由17%增至18%時，渣中黃長石相與鈣鈦礦相波峰強度基本保持不變，而輝石類物質的波峰強度略有增強，同時，渣中尖晶石相波峰強度略有增強.通過使用分析軟件對爐渣XRD分析圖圖譜中進行分析表明，當爐渣中 Al2O3質量分數由17%增至18%時，渣中黃長石相與鈣鈦礦相含量基本保持不變，而渣中輝石類物質含量增加約1%左右，與此同時，渣中尖晶石礦相含量增量約為5%，莫來石含量增加近一倍，使爐渣熔化性溫度呈現激增趨勢.

2.3 Al2O3含量變化對爐渣黏度的影響

結合高爐實際生產［5］，分別選取1 500℃和1 420℃兩個溫度點對爐渣黏度隨渣中Al2O3含量變化規律進行分析，圖7(a)和圖7(b)分別為1 500℃和1 420℃時爐渣黏度隨Al2O3含量變化關系圖.

根據圖7(a)所示，實驗條件下，1 500℃時Al2O3含量變化對爐渣黏度影響規律為:當渣中Al2O3質量分數為14%時，爐渣黏度達到實驗最低點0.180 2 Pa·s，隨著渣中Al2O3增加，爐渣黏度相應升高，當渣中Al2O3質量分數增至16%時，爐渣黏度達到實驗最高點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質量分數為14%、15%及17%時渣樣XRD分析圖Fig.5 XRD patterns for the slag with 14%，15%and 17%Al2O3

圖6 Al2O3質量分數為17%及18%的渣樣XRD分析圖Fig.6 XRD patterns for the slag with 17%and 18%Al2O3

根據圖7(b)表明，實驗條件下，在溫度為1420℃時，Al2O3含量變化對爐渣黏度影響規律是:當渣中Al2O3質量分數為13%時，爐渣黏度為0.525 7 Pa·s，當渣中Al2O3質量分數為14%時，爐渣黏度出現測試最低點(0.326 9 Pa·s)，隨著爐渣中Al2O3質量分數持續增加直至18%時，爐渣黏度也呈現持續增加態勢.

Al2O3含量對中鈦爐渣黏度影響機理分析，根據爐渣離子模型理論［6］，熔渣體系各組分以離子團形態存在，離子團的復雜程度決定熔渣的體相黏度，熔渣中離子團越龐大、結構越復雜，各離子團間的作用力就越大，熔渣的流動性就越差，熔渣黏度就越大.另外，根據流體力學解釋，彌散于流體內部的固體微細顆粒對流體的流動性能有較大的影響.綜合來講，熔渣的黏度不僅受熔渣中離子團結構形態的影響，也受高熔點結晶礦相的直接影響.

圖71 500℃時(a)與1420℃時(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僅為0.12，Al3+離子在熔渣體系中通常只能結合2個O2－離子形成AlO2－，從而與金屬陽離子結合，打斷由金屬陽離子連接起來的復雜硅酸鹽化合物結構.隨熔渣體系中AlO2－離子團的增加，熔渣中聚合態復雜硅酸鹽離子集群結構被打破，從而形成單獨硅酸鹽離子團或者部分離子團聚合的小型離子集群，使熔渣流動性能得到改善，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+等與之相結合生成高熔點礦相，彌散于熔渣中，嚴重影響熔渣的流動性，又會使熔渣黏度增大.

當實驗熔渣中Al2O3質量分數為14%時，熔渣黏度為本研究范圍的最低點.其主要是因為渣中離子介入聚合離子團結構(主要為聚合黃長石鏈狀結構)中，打斷其鏈狀結構形態，形成單體島狀結構硅酸鹽.從實驗爐渣配比情況可以發現，當爐渣中Al2O3質量分數為14%時，合成渣中SiO2質量分數為29.95%，Al元素與Si元素兩者之間的質量比值接近1:2，也就是說AlO－2離子對鏈狀硅酸鹽結構的破壞作用達到或接近其上限.當Al2O3質量分數為13%時，熔渣中主要組成物黃長石相的離子團存在長鏈狀結構，熔渣體相黏度要相對偏高.當渣中Al2O3含量繼續增加時，渣中高熔點礦相(如CaO·Al2O3、MgO·Al2O3)生成量會隨之增加，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，渣中開始出現游離態Al3+，它會連接單體或者小型離子官能結構，組成架狀或網狀復雜離子團，造成熔渣流動性下降，熔渣體相黏度也會隨之而升高.

需要說明的是，當渣中 Al2O3質量分數由16%增至18%時，熔渣黏度在1500℃時略有下降，而在1420℃時卻成上升趨勢.其主要原因是，隨渣中Al2O3含量的增加，渣中高熔點礦相鋁酸鈣混合體熔點會隨Al2O3含量增加而降低，即熔渣中彌散的固體微晶顆粒會有所減少，表現在1500℃黏度測試結果上就呈現出熔渣黏度略有下降的趨勢;鈣鋁黃長石的熔點為1450℃，當爐渣溫度為1500℃時，鈣鋁黃長石為熔化狀態，而1420℃時熔渣中已經有其結晶相出現，同時因MgO·Al2O3結晶相生成量的增加，熔渣黏度會呈現出疊加升高的情況，測試結果則顯示此階段內熔渣黏度隨Al2O3含量增加而升高.

3 結論

(1)在本實驗爐渣成分范圍內，Al2O3質量分數為14%時，爐渣熔化性溫度最低(1 348℃).

(2)在本實驗爐渣成分范圍內，Al2O3質量分數為14%時，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質量分數為14%左右時，爐渣具有良好的流動性及較低的熔化性溫度，完全符合高爐實際生產中對爐渣黏度和熔化性溫度的要求.

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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.

貴州省工業攻關項目 (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，貴州大學副教授，E－mail:tangdaowen@sina.com.

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