Al2O3對高爐渣物化性能影響的理論分析

戴正多，陳布新，鄧青宇，扈玫瓏

(1. 北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043；2. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044)

礦石資源開發(fā)利用對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要支撐作用[1-4]。隨著國際鐵礦石價格不斷上漲及礦石品位不斷惡化，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐冶煉不得不考慮配加成本低、資源豐富的高鋁礦，如澳大利亞、巴西和印度的粉礦等，這些典型鐵礦粉中Al2O3含量普遍偏高。同時，由于國際礦產(chǎn)資源環(huán)境惡化，開發(fā)國內(nèi)鐵礦資源變得越來越迫切。我國擁有豐富的高鋁礦資源，主要分布在安徽、廣東、廣西等地，是未來國內(nèi)鐵礦的主要資源。

近年來，冶金工作者非常關(guān)注含鋁原料高爐冶煉的研究，主要集中在氧化鋁對爐渣的影響[5-7]。文獻(xiàn)研究結(jié)果表明[8-9]，在二元堿度和MgO含量不變時，爐渣黏度隨Al2O3含量的增加而成正比增加。Du等[10]提供了一種KTH黏度預(yù)測模型，并指出Al2O3含量增加，爐渣黏度增加。梁子怡等[11]和胡夏雨等[12]發(fā)現(xiàn)高爐渣黏度隨MgO含量和二元堿度增加而減小，隨Al2O3含量增加而增加。呂學(xué)偉等[13]開展了渣中鋁含量在16%～24%范圍內(nèi)變化對爐渣黏度、表面張力等影響的研究，并獲得了相應(yīng)的黏度理論模型，表明在現(xiàn)有的操作制度下，當(dāng)高爐渣二元堿度不變，Al2O3含量升高，爐渣的熔化性溫度相應(yīng)升高，黏度增加。Masashi等[14]發(fā)現(xiàn)當(dāng)爐渣中Al2O3、CaO、MgO和SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為35%、43.1%、7.5%和14.4%時，爐渣的黏度能滿足高爐正常冶煉要求。文獻(xiàn)[15-17]中的研究結(jié)果顯示，在CaO-SiO2-Al2O3-MgO熔渣中，Al2O3含量較低時，隨著Al2O3含量增加爐渣黏度也增大，但當(dāng)熔渣中Al2O3含量增加到一定值后，爐渣黏度開始降低，也就是說爐渣黏度隨Al2O3含量增加先增加后減小。研究[18-19]表明，堿度不變時，隨著Al2O3含量增加熔渣黏度先增大而后降低，轉(zhuǎn)折點在Al2O3含量為24%時。孫常余等[20]發(fā)現(xiàn)，固定二元堿度為1.1及Al2O3含量為17%，爐渣中MgO在5%～13%范圍內(nèi)增加，爐渣黏度降低，MgO含量為9%的爐渣具有較好的黏度。

關(guān)于Al2O3對爐渣流動性影響的研究較多，但是對高爐渣由低鋁到高鋁過程中Al2O3對爐渣流動性變化影響的系統(tǒng)性研究卻很少，對爐渣熔化性能影響的研究也不多見。高爐冶煉要求爐渣具有適宜的熔化溫度及良好的熱穩(wěn)定性。熔化溫度過高會導(dǎo)致爐渣熔化困難，呈半熔融狀且流動性差，爐渣和煤氣 “難行”，渣鐵難以分離；熔化溫度過低則會導(dǎo)致爐內(nèi)熱量不足，難以維持爐缸區(qū)域適宜的溫度。因此，研究Al2O3對CaO-SiO2-8%MgO-Al2O3-1%TiO2五元渣系熔化性能的影響，為實際生產(chǎn)中爐渣的熔化性能提供理論支持，對指導(dǎo)高爐冶煉具有重要的實際意義。

本研究以不同Al2O3含量，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%的低鋁，10%～15%的中鋁和15%～30%的高鋁為研究對象，利用FactSage熱力學(xué)軟件分析含鋁量對高爐冶煉中爐渣熔化性和流動性的影響，并提出相應(yīng)的理論解決途徑，為高爐冶煉高鋁原料提供研究基礎(chǔ)。

1 計算方法

本研究中采用FactSage8.0計算軟件中的Phase Diagram、Equilib、Viscosity計算模塊，開展高爐渣CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2五元體系相平衡、熔化性質(zhì)及黏度計算。采用Ftoxid氧化物和Fact純物質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下計算，為了加快計算速度，體系中加有O2。

熱力學(xué)性質(zhì)和相平衡用Gibbs能最小算法計算，在等溫、等壓的多元多相體系中，平衡條件為體系的Gibbs自由能G最小:

G=Gmin。

(1)

(2)

質(zhì)量約束條件為：

(4)

式中：?ij為組元i中j元素的原子數(shù)；bj為元素j物質(zhì)量的總量。

根據(jù)某鋼廠一年內(nèi)高爐現(xiàn)場渣成分變化范圍，確定本研究渣系CaO-SiO2-8%MgO-Al2O3-1%TiO2中CaO、SiO2和Al2O3的質(zhì)量百分含量，固定二元堿度R2為1.2，MgO質(zhì)量百分含量為8%，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，設(shè)計多組以Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為變量的高爐渣成分，如表1所示；采用FactSage計算軟件中的Phase Diagram、Equililib、Viscosity計算模塊對該高爐渣中CaO-SiO2-8%MgO-Al2O3-1%TiO2五元渣系進(jìn)行熱力學(xué)計算，研究Al2O3含量w(Al2O3)對高爐渣平衡物相、熔化溫度、相析出溫度的影響以及高鋁渣液相區(qū)變化和黏度變化。

表1 渣系組分

2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3含量對高爐渣物相的影響

圖1所示為固定二元堿度R2為1.2時不同Al2O3含量的渣系平衡相圖，其中，鈦酸鈣(s)、鈦酸鈣(s2)、鈣長石(s2)等為純物質(zhì)相。

圖1 不同Al2O3含量下的渣系平衡相圖Fig. 1 Equilibrium phase diagram of slag system with different w(Al2O3)

從圖1中可以看出隨著溫度降低，高爐渣CaO-SiO2-8%MgO-Al2O3-1%TiO2五元渣系中的第一析出相為黃長石相，當(dāng)爐渣為低鋁(5%～10%)、中鋁(10%～15%)含量時，爐渣析出相為黃長石相和純物質(zhì)相；爐渣為高鋁(15%～30%)含量時，爐渣析出相為尖晶石相、黃長石相和純物質(zhì)相。

基于以上理論計算，建立了高爐渣熔化溫度隨Al2O3含量(5%～30%)變化關(guān)系，如圖2所示。從圖中可以看出，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%升至10%時，高爐渣的熔化溫度從1593 ℃降低至1 422 ℃；爐渣含鋁量為中鋁(10%～15%)和高鋁(15%～30%)時，爐渣的熔化溫度增加。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%升至30%時，爐渣熔化溫度從1 422 ℃增加至1 549 ℃。

圖2 渣系熔化溫度隨Al2O3含量的變化Fig. 2 Variation of melting temperature of slag system with different w(Al2O3)

爐渣中Al2O3的含量不僅對爐渣熔化溫度有影響，對其他物相的析出也有一定的影響。圖3為高爐渣中各相的析出溫度隨Al2O3含量的變化情況。

圖3 渣系中各相析出溫度隨Al2O3含量的變化Fig. 3 Variation of precipitated temperature of each phase with different w(Al2O3) in slag system

隨著Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加至30%，黃長石相的析出溫度從1 350 ℃增加到1 475 ℃，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從20%增加至30%，尖晶石相的析出溫度從1 400 ℃增加到1 525 ℃，因此，黃長石相和尖晶石相的析出溫度隨Al2O3含量增加而增加；而鈦酸鈣相的析出溫度從1 312 ℃降低到1 260 ℃。這表明高爐渣的流動性能隨Al2O3含量增加而降低，特別是渣中Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于15%后，爐渣流動性能降低幅度較大。

圖4為CaO-SiO2-8%MgO-Al2O3-1%TiO2渣系液相投影圖，圖中圓點表示表1中的爐渣組分。當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增加至30%時，爐渣物相分別為α-(Ca,Sr)2SiO4(1 475 ℃)、鎂硅鈣石Ca3MgSi2O8(1 450 ℃)、黃長石 (1 325 ℃)、TiO2尖晶石 (1 450 ℃)。爐渣中液相溫度隨Al2O3含量增加先降低后升高，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%升至10%時，液相溫度從1 475 ℃降低至1 325 ℃；Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%升至30%時，液相溫度從1 325 ℃增加至1 450 ℃。

圖4 渣系的液相投影圖Fig. 4 Liquid phase projection of slag system

圖5為CaO-SiO2-8%MgO-Al2O3-1%TiO2渣系的液相投影截面圖，圖中圓點表示表1中爐渣組分。當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)由5%增加30%時，爐渣液相線溫度從Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時的1 600 ℃降低至Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時的1 400 ℃，再增加至Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時的1 550 ℃。

圖5 渣系的液相投影截面圖Fig. 5 Cross section of liquid phase projection of slag system

2.2 MgO/Al2O3質(zhì)量比、二元堿度R2和TiO2含量對渣系的影響

眾所周知，爐渣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度是影響爐渣流動性的根本原因，而堿性氧化物由于其結(jié)合氧的能力強，常作為爐渣結(jié)構(gòu)修飾子而起到改善爐渣流動性的作用。MgO是有效的爐渣修飾子，因此，在研究爐渣性能影響因素中是主要考慮的因素之一，本研究中主要以MgO和Al2O3的質(zhì)量比來考慮其影響。設(shè)定MgO/Al2O3質(zhì)量比、二元堿度R2、TiO2含量w(TiO2) 3個變量，通過改變單因素變量分別研究MgO/Al2O3質(zhì)量比、二元堿度R2、TiO2含量對高爐渣固相析出溫度和爐渣黏度的影響。黏度計算時，分別取Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、10%、15%、20%、25%、30%，在不同Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，改變單因素變量MgO/Al2O3質(zhì)量比、二元堿度R2、TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)來研究爐渣黏度變化情況。析出溫度計算時，固定Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%，改變MgO/Al2O3質(zhì)量比，固定二元堿度R2為1.2，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，如表2所示；改變二元堿度R2值，固定MgO/Al2O3質(zhì)量比為0.5，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，如表3所示；改變TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)值，固定MgO/Al2O3質(zhì)量比為0.5，二元堿度R2為1.2，如表4所示。

圖6 不同Al2O3含量的渣系黏度變化曲線Fig. 6 Viscosity change curve of slag system with different w(Al2O3)

表2 不同MgO/Al2O3質(zhì)量比時的爐渣組分

表3 不同二元堿度的爐渣組分及其含量

表4 含TiO2渣系組分及其含量

2.2.1 MgO/Al2O3質(zhì)量比對渣系固相析出溫度和黏度的影響

圖7所示為CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2渣系固相析出溫度、黏度隨MgO/Al2O3質(zhì)量比的變化。圖7(a)中計算所用渣系成分如表2所示；圖7(b)中，固定二元堿度R2為1.2和TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取5%、10%、15%、20、25%、30%，改變單因素變量MgO/Al2O3質(zhì)量比研究爐渣黏度變化情況。

由圖7(a)可知，MgO/Al2O3質(zhì)量比由0.3增加至0.6，渣系固相析出溫度先降低后升高，MgO/Al2O3的質(zhì)量比為0.5時，渣系固相析出溫度最低，為1 445 ℃。MgO/Al2O3質(zhì)量比由0.3增加至0.5時，渣系固相析出溫度降低速度較低；MgO/Al2O3質(zhì)量比由0.5增加至0.6時，渣系固相析出溫度急速增加。

圖7 渣系固相析出溫度、黏度隨MgO/Al2O3的變化Fig. 7 Variation of solid phase precipitated temperature and viscosity of slag system with different MgO/Al2O3

由圖7(b)可知，MgO/Al2O3質(zhì)量比由0.3增加0.6時，爐渣黏度降低，說明MgO提供O2-離子，破壞了熔渣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此適度增加MgO/Al2O3質(zhì)量比有利于降低爐渣的黏度，改善爐渣流動性。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，爐渣黏度降低速度越大。

2.2.2 二元堿度R2對渣系固相析出溫度和黏度的影響

圖8所示為CaO-SiO2-MgO-Al2O3-1%TiO2渣系固相析出溫度、黏度隨R2的變化。圖8(a)中計算所用渣系成分如表3所示；圖8(b)中， 固定MgO/Al2O3質(zhì)量比為0.5，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取5%、10%、15%、20、25%、30%，改變單因素變量二元堿度R2研究爐渣黏度變化情況。

由圖8(a)可知，渣系固相析出溫度隨著二元堿度R2增加而增加，二元堿度R2由1.0增加至1.3時，渣系固相析出溫度由1 404 ℃增至1 451 ℃。二元堿度R2由1.0增加至1.2時，渣系固相析出溫度增加速度較快，二元堿度R2由1.2增加至1.3時，渣系固相析出溫度增加較小。

圖8 渣系固相析出溫度、黏度隨二元堿度R2的變化Fig. 8 Variation of solid phase precipitated temperature and viscosity of slag system with different basicity R2

2.3 TiO2含量對渣系固相析出溫度和黏度的影響

圖9所示為CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2渣系固相析出溫度、黏度隨TiO2含量的變化。圖9(a)中計算所用渣系成分如表4所示；圖9(b)中，固定二元堿度R2為1.2，MgO/Al2O3質(zhì)量比為0.5，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別取5%、10%、15%、20%、25%、30%，改變單因素變量TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)研究爐渣黏度變化情況。

由圖9(a)可知，渣系固相析出溫度隨TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加先降低后升高。TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，渣系固相析出溫度最低，為1 408 ℃；TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3%增加至10%時，渣系固相析出溫度下降速度較快；TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10%增加至20%時，渣系固相析出溫度增加不大。

由圖9(b)可知，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3%增加至20%時，爐渣黏度降低，這說明TiO2以Ti六配位離子居多，在未還原條件下起著稀釋爐渣的作用，溫度越低，稀釋作用越強。Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，爐渣黏度降低速度越大。

圖9 渣系固相析出溫度、黏度隨TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig. 9 Variation of solid phase precipitated temperature and viscosity of slag system with different w(TiO2)

3 結(jié) 語

利用FactSage熱力學(xué)軟件分析了w(Al2O3)對高爐渣平衡物相、熔化溫度、相析出溫度的影響以及高鋁渣液相區(qū)變化和黏度變化規(guī)律，為高爐冶煉高鋁原料的研究提供一定的基礎(chǔ)。