流變特性對冶金渣纖維化過程的影響機理研究

張遵乾，宮娟，龍躍

(1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學外國語學院 河北 唐山 063210)

近年來，國內外科研工作者及鋼鐵企業越來越重視產量巨大的熔渣中所蘊含的大量熱能，提出熔渣制備微珠的風淬、旋轉杯破碎等粒化方式[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]。干法粒化/纖維化需要對熔渣調質以滿足產品性能要求，但調質后由于熔渣潛熱有限，調質熔渣物化性能變化很大，而流變特性及其對粒化/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生斷裂進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，在對液態高爐渣離心粒化或氣淬粒化的實驗中發現，微珠生成的同時會有大量的纖維產生。目前國內外研究者通過調整熔渣組分、轉盤轉速、轉盤直徑或噴吹氣體體積流率等手段，可以改善產物中渣棉或渣珠過多的問題[8-9]，以達到控制產品形態的目的。但熔渣纖維化和粒化之間轉變的臨界點及其影響機理尚不明確，本文針對熔渣的非牛頓流體特性，從流體動力學角度，分析了流變特性對熔渣纖維化過程的影響機理，為工業實驗和工業生產提供了理論支撐。

1 實驗原料及方法

1.1 實驗原料

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

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

根據硅、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、鐵渣質量百分比進行成分調整，設計了No.1～No.6六組實驗方案，并進行了黏度實驗。

表2 不同質量比的實驗方案Table 2 Test scheme with different mass ratio

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

1.2 黏溫特性實驗

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-溫度變化曲線進行了測試，轉子轉速設定為200 r/min（對應剪切速率為70/s），測試結果見圖1。

圖1 不同實驗方案的熔渣的黏度-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，一般來說，熔渣適宜成纖的黏度范圍在1～3 Pa·s，根據黏度曲線可以看出：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間較寬，適宜成纖生產。在原料酸度系數不變條件下，可以全部用CaO替代MgO，或者用CaO替代一半的MgO。

1.3 非牛頓流體特性實驗

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，設定轉子轉速分別為150 r/min、100 r/min和50 r/min(對應剪切速率分別為53/s、35/s和18/s）。對實驗方案為No.2熔渣分別在黏度為1Pa·s 的溫度點1489℃（No.2A）、黏度為3Pa·s 的溫度點1353℃（No.2C）以及中間溫度點1421℃（No.2B）進行黏度測試；對實驗方案為No.4的熔渣分別在黏度為1Pa·s 的溫度點1408℃（No.4A）、黏度為3Pa·s 的溫度點1288℃（No.4C）以及中間溫度點1348℃（No.4B）進行黏度測試，對應的黏度值見圖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，呈現剪切變稀性質的非牛頓流體特性。區別在于實驗方案為No.4的熔渣在高溫時剪切變稀性質比No.2的熔渣弱，而在低溫區，熔渣黏度較大時，其剪切變稀性質比No.2的熔渣強。

2 流變特性影響機理研究

熔渣的粒化/纖維化分解是熔渣物性與外力耦合作用的結果。從熔渣黏溫曲線上來看，“長渣”適用于制備礦渣纖維，如實驗方案No.2和No.4；“短渣”適用于制備礦渣微珠，如實驗方案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，熔體液絲的黏性與表面張力對穩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主要參數韋伯數We、奧內佐格數Oh，主要與流體流動特性與流體動力學穩定性有關，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；

R——輥輪半徑，m。

對于黏性、不可壓縮流體流動，其連續性方程與動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；

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數是影響流體細絲松弛動力學的重要參數，并且當Oh數超過某一臨界值時，熔體液絲的斷裂不再發生。而Oh數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。但這兩個參數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，表面張力起促進作用。因此當Oh數大于某一臨界值時會抑制纖維的斷裂。

從與制備工藝直接相關的外力作用來說，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過時間t之后，應變速率 可以表示為：

一般認為端部液滴的運動軌跡和以輥輪半徑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 結論

（1）針對現場紅土鎳礦礦渣，通過添加不同配比的MgO、CaO對其調質以制備礦渣纖維，利用黏度實驗發現，質量比滿足實驗方案No.2（硅渣:鐵渣:CaO=18:2:9）或者實驗方案No.4（硅渣:鐵渣:MgO:CaO=18:2:4.5:4.5）時，調質渣適宜成纖的溫度區間較寬，分別達到135℃和120℃，較適宜進行纖維化實驗。

（2）分別對實驗方案No.2和No.4的調質渣進行非牛頓流體特性的測試，結果發現：兩組熔渣黏度均隨著剪切速率的增大而逐漸減小，即呈現剪切變稀性質的非牛頓流體特性；實驗方案為No.2的熔渣在高溫時剪切變稀性質比No.4的熔渣強，在低溫區，其剪切變稀性質比No.4的熔渣弱。

（3）基于流體動力學理論，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，發現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定性降低，即隨著溫度的降低，剪切變稀特性較強的No.4熔渣成纖效果會變差，從這個角度來說，實驗方案為No.2的熔渣更適宜進行纖維化生產。