MgO/Al2O3比值對高爐爐渣流動性和結構的影響

龍明華，張東升，肖揚武，朱博洪，劉清才，孟　飛，劉國慶

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司，貴州 六盤水　553028；

2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶　400044)

MgO/Al2O3比值對高爐爐渣流動性和結構的影響

龍明華1，張東升1，肖揚武1，朱博洪2，劉清才2，孟飛2，劉國慶2

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司，貴州 六盤水553028；

2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400044)

摘要：針對高爐爐渣中Al2O3的含量偏高會導致爐渣黏度增大、流動性變差等問題，通過黏度測試實驗，研究了在高Al2O3含量條件下不同MgO/ Al2O3比值對爐渣熔化性溫度和黏度的影響。利用傅里葉紅外光譜儀(FITR)研究了不同MgO/ Al2O3比值對爐渣結構的影響。結果表明：爐渣的熔化性溫度與MgO/Al2O3比值呈線性相關，且滿足 MgO/Al2O3比值每增加0.1熔化性溫度降低約7.8℃的關系。此外，隨著MgO/Al2O3比值的增加，爐渣的黏度減小，且測試溫度愈低，爐渣黏度的減小趨勢愈明顯。通過FITR分析可知，這是由于隨著MgO/Al2O3比值的增大，爐渣中自由氧離子(O2-)的數目也逐漸增加，這些自由氧離子與硅酸鹽的橋氧(O0)相互作用，使得爐渣中復雜的Si-O結構逐漸解聚，從而造成爐渣黏度減小。

關鍵詞：MgO/Al2O3比值；高爐爐渣；黏度；爐渣結構

近年來，高爐煉鐵在走向大型化的同時，經濟煉鐵也越來越受到各大鋼鐵企業的重視。鋼鐵企業在經濟配礦原則的指導下，將含有較高Al2O3等有害元素的礦石廣泛應用于高爐生產中。由此，高爐爐渣中Al2O3的含量也隨之增加，且隨著Al2O3含量的增加，爐渣中極易出現結晶能力很強的高熔點礦物尖晶石，使得高爐爐渣黏度增大、流動性變差，導致爐渣冶金性能急劇下降。為此，一些研究人員[1-4]通過提高MgO的含量來彌補由于Al2O3含量過高給對黏度、熔點及脫硫能力帶來的不利影響，促進爐況順行。但MgO含量過高，不僅會造成燒結熔劑量增加，還會使得高爐焦比升高，不符合經濟煉鐵的原則，因此研究MgO/ Al2O3比值對高爐爐渣冶金性能的影響至關重要。Park等[5]研究表明，在CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系中Al2O3表現出兩性性質，隨著Al2O3含量的增加，爐渣黏度先增加后減小。杜鶴桂等[6]對高爐氧化鎂渣的選擇進行了研究，認為MgO對熔化性溫度的影響由Al2O3含量來決定，MgO的增加使熔化性溫度升高，在Al2O3含量一定時，對應允許的MgO值是確定的。然而上述研究結果都是基于在Al2O3含量較低的情況下得出的，就較高Al2O3含量以及其不同MgO/Al2O3比值條件下的爐渣流動性能和熔化性能的研究依舊不是很具體，且其冶金性能變化機理也不是很清晰。

針對以上問題，研究了在高Al2O3含量(15%)條件下，不同MgO/Al2O3比值對爐渣流動性的影響，流動性通過爐渣的熔化性溫度和黏度來表征。此外，通過FITR分析測試，研究了不同MgO/Al2O3比值對爐渣結構的影響。

1實驗

1.1　原料準備

實驗渣樣通過混合CaO，SiO2，MgO 和Al2O3這4種分析純試劑得到，固定渣樣Al2O3質量分數為15%，二元堿度(CaO/SiO2)為1.20。每組渣樣取200 g混合物，將其分別置于高溫管式爐中，在1 500 ℃的溫度條件下加熱1h，使其完全熔化并混合。1h后，將完全混合熔融后的渣樣取出，并倒入裝有冷水的器皿中，使其迅速冷卻。最后將冷卻后的渣樣破碎，制得實驗所需的樣品渣。每組渣樣具體成分如表1所示。

表1　爐渣化學成分　質量分數

1.2　實驗裝置與過程

旋轉式黏度測試爐采用硅鉬棒作為發熱體，爐管為剛玉材質，爐膛下部設有耐火材料底座，爐身周圍有循環冷卻水裝置，通過控制柜改變爐子電流和電壓的大小來調節其溫度。該裝置示意圖如圖1所示。

每組渣樣準備100g放入5cm×10cm的鉬坩堝中，將坩堝置于旋轉式黏度測試爐底座上部的恒溫帶。在氬氣(1NL/min)保護條件下，將渣樣加熱至1 500 ℃，并保溫1h，使之完全達到熱態平衡。整個黏度測試過程以3 ℃/min的降溫速度進行，且渣樣黏度值通過扭矩傳感器獲得，并傳輸至電腦進行實時記錄。黏度測試實驗后，將渣樣再次冷卻并破碎，用傅氏紅外線光譜分析儀(FTIR)對其結構進行測定。

圖1　黏度測試實驗裝置示意圖

2實驗結果及分析

2.1　MgO/Al2O3比值對爐渣熔化性溫度的影響

Park和Sridhar等[7-8]將在降溫過程中爐渣突然急劇下降時的溫度定義為爐渣的熔化性溫度。圖2為不同MgO/Al2O3比值對爐渣的黏溫曲線及熔化性溫度的影響。從圖中可以看出：隨著溫度降低，爐渣的黏度緩慢增加；當溫度降低至某一溫度時，爐渣的黏度急劇升高，爐渣表現為短渣的特性，也將這個轉折溫度定義為爐渣的熔化性溫度。

此外，在MgO/Al2O3比值從0.40增加至0.60的過程中，爐渣的熔化性溫度逐漸降低。研究發現，在本實驗條件下爐渣的熔化性溫度與MgO/Al2O3比值呈線性相關，且滿足MgO/Al2O3比值每增加0.1熔化性溫度降低約7.8 ℃的關系。

圖2　不同MgO/Al2O3比值對爐渣的黏溫曲線及熔化性溫度的影響(wAl2O3=15%)

2.2　MgO/Al2O3比值對爐渣黏度的影響

固定二元堿度(CaO/SiO2)為1.20，Al2O3質量分數為15%，MgO/Al2O3比值從0.40增加到0.60時，爐渣黏度測量值如表2所示。

表2　不同MgO/Al2O3比值條件下爐渣黏度測量值

圖3為MgO/Al2O3比值對爐渣黏度的影響。從圖中可以發現，在同一溫度條件下，隨著MgO/Al2O3比值的增加，爐渣的黏度減小，且測試溫度愈低，爐渣黏度的減小趨勢愈明顯。這可能是由于隨著MgO/Al2O3增加，MgO也相應增加，而MgO為堿性氧化物，是一種網絡修飾子，可以向熔渣中提供自由氧離子，使得熔渣中復雜的硅氧復合陰離子解體，從而降低爐渣的黏度。此外，隨著MgO/Al2O3比值升高，爐渣中含氧化鎂的礦物如鈣鎂橄欖石(CaO·MgO·SiO2)、鎂方柱石(2CaO·MgO·SiO2)和鎂薔薇輝石(3CaO·MgO·2SiO2)等低熔點礦物也有所增加。

圖3　不同MgO/Al2O3比值對爐渣黏度的影響

2.3　MgO/Al2O3比值對爐渣結構的影響

圖4為組號1~5渣樣樣本的FTIR分析結果。有研究表明[9-10]，硅酸鹽渣的紅外光譜一般分布在1 200cm-1到400cm-1的波數段，且此波數段由Si-O軸對稱伸縮振動(1 200～800cm-1)、[AlO4]5-反對稱彎曲振動(720～630cm-1)、[AlO6]9-振動(570～520cm-1)以及Si-O-Al振動(500cm-1)組成。

圖4　傅里葉紅外光譜分析結果

從FTIR分析結果可以發現，隨著MgO/Al2O3比值從0.40增加到0.60，[AlO4]5-反對稱彎曲振動和[AlO6]9-振動這2個波數段并沒有明顯變化，但是Si-O-Al振動段的溝槽中心位置向右移動，且強度亦有減弱的趨勢，說明Si-O-Al結構在減少。

此外，在Si-O軸對稱振動區域內，Mysen等[11]研究發現，在1 100～1 050，980～950，920～900和880～850cm-1處所對應的峰分別為Q3，Q2，Q1和Q0的非橋氧對稱伸縮振動。從Q0到Q3，爐渣的聚合程度逐漸增加。爐渣結構中的非橋氧數目與結合氧數目的比值表示爐渣的聚合程度，用NBO/T表示，其計算公式如式(1)所示[12]。表3為各種CaO-SiO2爐渣組成的NBO/T和Q。

(1)

從圖4中無法直觀地看出Q3，Q2，Q1和Q0這4個震動帶的變化情況，需要對其進行定量分析。對此采用傅里葉曲線擬合，對Si-O軸對稱振動區域進行分峰，分峰結果如圖5所示。

為了更加直觀表示Q3，Q2，Q1和Q0的量，將圖5中各峰進行處理，計算各個峰對應面積的相對含量來表征各個特征峰對應的Qi(i=0~3)的量，計算結果如圖6所示。從圖6可以明顯看出，隨著MgO/Al2O3比值的增大，Q3和Q2逐漸減少，Q1和Q0則有逐漸增多的趨勢。由此可知，隨著MgO/Al2O3比值的增大，爐渣中自由氧離子(O2-)的數目也逐漸增加，這些自由氧離子與硅酸鹽的橋氧(O0)相互作用，使得爐渣中復雜的Si-O結構逐漸解聚，聚合度降低，從而造成爐渣黏度減小。這也驗證了前面爐渣黏度實驗結果的正確性。

圖5　不同MgO/Al2O3比值的高爐渣的FTIR分峰結果

圖6　Qi相對含量隨MgO/Al2O3比值變化的情況(wAl2O3=15%)

3結論

1)MgO/Al2O3比值從0.40增加至0.60時，爐渣的熔化性溫度逐漸降低。在本實驗條件下，爐渣熔化性溫度與MgO/Al2O3呈線性關系，且滿足 MgO/Al2O3比值每增加0.1熔化性溫度降低約7.8 ℃的關系。

2) 在同一溫度條件下，隨著MgO/Al2O3比值的增加，爐渣的黏度減小，且測試溫度愈低，爐渣黏度的減小趨勢愈明顯。

3)MgO/Al2O3的比值變化對爐渣的Al-O結構影響不大。而對于爐渣的Si-O結構，隨著MgO/Al2O3比值的增大，爐渣中自由氧離子(O2-)的數目也逐漸增加，由于這些自由氧離子與硅酸鹽的橋氧(O0)相互作用，使得爐渣中復雜的Si-O結構逐漸解聚，聚合度降低，從而造成爐渣黏度減小。

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(責任編輯劉舸)

收稿日期：2015-02-26

基金項目：重慶市科學技術委員會應用開發基金資助項目(cstc2014yykfB100007)

作者簡介：龍明華(1975—)，男，貴州六枝人，工程師，主要從事煉鐵研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.009

中圖分類號：TF57

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2015)07-0049-05

EffectofMgO/Al2O3on Fluidity and Structure of
BlastFurnaceSlag
LONGMin-hua1, ZHANG Dong-sheng1, XIAO Yang-wu1, ZHU Bo-hong2,

LIUQing-cai2, MENG Fei2, LIU Guo-qing2

(1.ShougangShuichengIron&Steel(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui553028,China;

2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

Abstract:In view of the viscosity increases and fluidity performance becomes poor with a high content of Al2O3in blast furnace slag, the effect of MgO/Al2O3on the break temperature and viscosity were researched by the laboratory viscosity test. The effect of MgO/Al2O3on slag structure was also researched by using a FITR. The results demonstrated that the relationship between the break temperature and the ratio of MgO/Al2O3is linear, and it can be described that if the ratio of MgO/Al2O3increases 0.1, the break temperature would decrease about 7.8°C. In addition, an increase in the ratio of MgO/Al2O3tends to increase the viscosity of blast furnace slag, and the tendency of viscosity reducing becomes more obvious with the lower test temperature. Through the analysis of FITR, the amount of free oxygen ions (O2-) increases with the larger ratio of MgO/Al2O3in slag, and these free oxygen ions interacts with the bridge oxygen (O0) of silicate, which resulted in a higher potential of the depolymerization of the slag network structure and a decreasing viscosity of slag.

Key words：ratio of MgO/Al2O3; blast furnace slag; viscosity; slag structure

引用格式：龍明華，張東升，肖揚武，等.MgO/Al2O3比值對高爐爐渣流動性和結構的影響[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(7):49-53.

Citationformat：LONGMin-hua,ZHANGDong-sheng,XIAOYang-wu,etal.EffectofMgO/Al2O3on Fluidity and Structure of Blast Furnace Slag[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(7):49-53.