氧化钾对炉渣黏度和熔化*温度的作用

随着钢铁工业的发展，高品位、有害元素含量低的铁矿石逐渐减少，下面是小编搜集整理的一篇探究氧化钾对炉渣黏度和熔化*温度作用的论文范文，欢迎阅读查看。

1试验方案及方法

1.1试验方案

A高炉现场高炉渣成分化验结果见表1,使用纯化学试剂配制不同成分的试验炉渣，研究炉渣中K2O含量对炉渣熔化*温度ts和炉渣黏度η的影响。高炉模拟计算、碱金属热力学分析、高炉解剖均证实碱金属在高炉内部循环富集明显，高炉初渣中的碱金属含量可达到入炉碱金属负荷的10~15倍[11-13],排出高炉的终渣中碱金属质量分数一般小于1%,主要因为碱金属化合物在炉缸中被碳还原生成气态单质，炉渣在炉内的碱金属含量高于检测炉渣中碱金属含量，因此试验方案在排出高炉渣碱金属含量的基础上适当放大来研究K2O对炉渣冶金*能影响的规律，具体试验方案见表2.考虑到K2O在试验过程中易于挥发[14],配渣时K2O以K2CO3的形式加入。每种纯化学试剂都经600℃高温焙烧2h.为提高试验的准确*，先预熔试验渣样，使之形成均相渣。按比例称量经过处理的CaO,SiO2,MgO,Al2O3,K2CO35种氧化物混合后放入马弗炉中，在氩气保护下，1500℃熔融、水淬、磨碎后备用。

1.2试验方法及结果

采用RTW熔体物*测定仪测定炉渣黏度和熔化*温度。进入炉渣中的旋转测头为钼质测头，采用钼坩埚(内径Φ39mm×60mm)盛渣，为防止漏渣外套石墨坩埚(内径Φ40mm×80mm)。试验过程中从炉管底部通入氩气，其流量为2L/min.将预熔渣样分别称取2份进行定温测定黏度和变温测定黏度。

1.2.1定温测量黏度

将炉渣温度升高到1550℃，保温60min,均匀温度、成分。测定温度从1550℃开始，每降低25℃，保温60min定温测量炉渣黏度，降温速度为2℃/min,连续测量5个定点的黏度值，测量结果如表3所示。

1.2.2变温测量黏度

将炉渣温度升高到1500℃，保温60min,均匀温度、成分。炉渣黏度测定从1550℃开始，到炉渣黏度为3Pa·s左右时结束。炉渣黏度测定时降温速度自动控制为2℃/min,得出炉渣的η-t曲线，如图1所示。

2试验结果与分析

2.1碱金属对高炉渣熔化*温度的影响

对于炉渣熔化*温度，不同文献有不同的定义。通常有2种定义方法：1)定黏度法，因为炉渣的熔化*温度表示炉渣可以自由流动时的温度，取一定黏度值时的温度作为炉渣的熔化*温度;2)切线法，取45°直线与(η-t)曲线相切点所对应的温度为熔化*温度[15].多数学术论文以第2种定义为准，但本文作者认为第2种定义中没有给定温度、黏度的标准量纲，不同的画图坐标导致不同的熔化*温度且差别较大;其次，高炉炼铁要求炉渣具有一定的流动*，炉渣黏度能够很好地表征炉渣的流动*特*。因此，本文取炉渣黏度为1.5Pa·s时对应的炉渣温度作为炉渣的熔化*温度。

从表4可以看出，随着炉渣中碱金属含量的升高炉渣熔化*温度呈现出先降低后升高的趋势。一般认为K2O属于强碱*氧化物，K2O的加入可以和CaO,SiO2,Al2O3等氧化物生成低熔点物质，K2O的加入可以明显降低炉渣的熔化*温度，试验结果却出现熔化*温度先降低后升高的趋势，本文拟利用FactSage6.4热力学软件进行计算分析。

利用FactSage6.4热力学软件中的平衡模块，计算表1中不同渣系的液相线温度，计算结果如图2所示。由计算结果可以看出随着K2O的加入炉渣的液相线同样呈现先降低后升高的趋势，w(K2O)低的条件下，随w(K2O)的升高液相温度降低较为平缓，w(K2O)高的条件下，随w(K2O)升高液相线温度升高较快，其最小的温度值出现在w(K2O)为4.5%左右的位置。

随w(K2O)的升高，炉渣初晶相从黄长石(2CaO·MgO·2SiO2-2CaO·Al2O3·SiO2)转化为镁铝尖晶石相(MgO·Al2O3)。K2O是强碱*氧化物，与**氧化物SiO2的结合能力强于MgO和Al2O3,这就造成在降温析晶过程中K2O逐渐替代黄长石中的MgO和Al2O3,使其初晶相转变为镁铝尖晶石相，从而使析出温度显着升高。用扫描电子显微镜观察黄长石和尖晶石的初晶相可以发现，黄长石初晶相比较粗大，尖晶石呈现细小颗粒弥散状，如图3所示[16].所以，w(K2O)为0%和w(K2O)为3.0%相比由于其析晶温度下降导致其熔化*温度相应降低;w(K2O)为6%和w(K2O)为3.0%相比析晶温度升高，但是析出的尖晶石较为细小，黏度升高不大，其熔化*温度没有很大提高;w(K2O)为9.0%和w(K2O)为6.0%相比，由于其析晶温度明显升高，所以其熔化*温度有较大的升高。

2.2碱金属对高炉渣黏度的影响

由图1可以看出，不同w(K2O)的高炉渣在高温条件下黏度差别较小，4条曲线基本上处于黏滞的状态;在温度低于1375℃的条件下，不同w(K2O)的炉渣黏度表现出较大的差异。w(K2O)从0%~3%炉渣逐渐趋向于长渣，黏度突变趋于平缓;炉渣w(K2O)从3%~9%炉渣又从长渣向短渣转变，炉渣的黏度突变重新趋于陡峭。

图4为碱金属含量对炉渣黏度的影响。从图可以看出，在各个温度条件下炉渣的黏度开始随着碱金属含量的增加而增大，随后随着碱金属含量的增加而减小，但是随着碱金属含量的升高，炉渣黏度变化趋势逐渐变缓，炉渣黏度对碱金属敏感*降低。

根据表2的数据画出炉渣CaO-SiO2-MgO-Al2O3-K2O黏度的自然对数和温度的倒数之间的关系图，如图5所示。由图5中可以看出在高温条件下，黏度的自然对数和温度的倒数呈现较强的线*关系，符合牛顿流体的特征。根据阿仑尼乌斯公式可以计算出不同渣系对应的表观活化能[17].

式中：

η0是比例常数，R是气体常数，Eη是粘*流体的表观活化能。表观活化能表示粘*流体流动时的摩擦阻力，因此表观活化能的变化可以表征熔渣内部微观结构的变化。对公式(1)变形见公式(2),计算不同K2O含量条件下，炉渣的表观活化能，其计算结果如表5所示。

由计算结果可以看出，CaO-SiO2-MgO-Al2O3-K2O渣系中w(K2O)为3.0%,6.0%,9.0%的炉渣表观活化能之间差别较小，相对差别仅有2.1%,说明炉渣离子之间的空间结构变化不大。但是含有K2O和不含K2O的炉渣相比较，炉渣的表观活化能差别较大，其相对差别达到7.5%.国内外许多研究者通过拉曼和红外光谱分析发现在炉渣中有Al2O3存在的情况下，在CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元系中，在碱*金属离子Ca2+和Mg2+离子电荷补偿的作用下，渣中的Al3+代替Si4+形成空间四面体结构，但是在补偿的过程中，Al3+是+3价需要+1价的阳离子补偿就足够，Ca2+和Mg2+离子是+2价，同时补偿2个Al3+离子，形成的空间结构相对不稳定。炉渣中存在K2O的条件下，K2O在高温条件下解离发生如下反应：

K2O=2K++O2-

由于K+在电荷补偿中的优势，使K+替换Ca2+作为电荷补偿。由于Al3+和K+之间的结合能力大于Al3+和Mg2+及Ca2+之间的结合能力，由K+充当电荷补偿离子之后炉渣结构变得更为稳定，导致炉渣黏度升高;但是K2O是强碱*氧化物其电离的O2-对主要由Si4+形成的空间网状结构具有解离作用，导致炉渣黏度降低。因此在炉渣中添加K2O对炉渣黏度变化同时存在相反的两方面的作用，在低含量K2O下炉渣本身为碱*条件，其解离作用不明显，电荷补偿作用主要导致炉渣黏度升高;在高含量K2O下，电荷补偿基本完成其碱*解离作用占主导地位，导致炉渣黏度有一定程度的降低。碱金属K对炉渣黏度的影响是正反两方面的，因此炉渣黏度值整体变化幅度不大。

3结语

1)炉渣熔化*温度随K2O含量的升高呈现先降低后升高的趋势，炉渣熔化*温度从1381℃降低到1362℃，其最大差值在20℃左右。利用FactSage6.4热力学软件分析发现，K2O的加入改变了炉渣的初晶相导致熔化*温度变化。

2)高炉渣的黏度随K2O含量的升高出现先升高后降低的趋势，在高K2O含量条件下，K2O含量对炉渣黏度影响不大，总体来看炉渣黏度随K2O的加入变化幅度不大。

3)通过计算发现不同K2O含量条件下炉渣表观活化能基本相等，这和炉渣随K2O的加入黏度变化不大相一致。

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