氧化鉀對爐渣黏度和熔化性溫度的作用的論文

時間：2021-03-25 17:14:22 論文我要投稿

　　隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，高品位、有害元素含量低的鐵礦石逐漸減少。鉀、鈉等有害元素含量較高的鐵礦石逐漸被高爐所用，再加上鋼鐵企業(yè)普遍面臨成本、環(huán)保壓力，企業(yè)內(nèi)部的除塵灰等有害元素含量較高的含鐵廢料在高爐配料中使用，高爐入爐堿負荷呈現(xiàn)逐年升高的趨勢。煉鐵工作者一直比較關(guān)注堿金屬對高爐的危害，寶鋼、首鋼、石鋼等大型鋼鐵企業(yè)都對堿金屬入爐負荷及堿金屬排出情況進行平衡分析，基本明晰了堿金屬主要入爐來源及排出形式[1-3].王成立、呂慶、龐真麗等[4-7]通過試驗研究了爐渣成分、溫度、渣量等因素對爐渣排堿能力的影響，為提高爐渣排堿能力提供了試驗依據(jù)。高爐的順行、爐渣脫硫能力、渣鐵之間的分離等都與爐渣黏度和爐渣熔化性溫度密切相關(guān)。通過前人研究發(fā)現(xiàn)進入高爐的堿金屬85 %以上通過爐渣排出爐外，堿金屬進入高爐渣勢必會對爐渣黏度和熔化性溫度造成影響。Yasukouchi T等[8]通過對Ca O-Si O2二元渣系研究發(fā)現(xiàn)堿金屬氧化物（Li2O,Na2O,K2O）的加入可明顯降低爐渣黏度。S. Sukenaga,GH Zhang等[9]在Ca O-Si O2-Al2O3三元渣系中添加K2O發(fā)現(xiàn)黏度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，黏度的最大值出現(xiàn)在K2O與Al2O3物質(zhì)的量比在0. 7 ~ 0. 9,并在微觀結(jié)構(gòu)上給出了理論解釋。王成立等[10]對廣鋼Ca O-Si O2-Al2O3-Mg O-Ti O2-K2O實際渣系研究發(fā)現(xiàn)K2O有降低爐渣的熔化性溫度和黏度的作用。綜合來看，關(guān)于堿金屬對爐渣黏度和熔化性溫度的研究數(shù)據(jù)還比較有限。某鋼鐵企業(yè)A高爐入爐堿金屬負荷在3. 5 ~ 4. 0 kg /t,且有升高的趨勢，針對鋼鐵企業(yè)對堿金屬的重視，擬利用A高爐渣系為基準添加不同含量的氧化鉀，利用高溫黏度儀研究K2O對Ca O-Si O2-Al2O3-Mg O四元系黏度和熔化性溫度的影響。

氧化鉀對爐渣黏度和熔化性溫度的作用的論文

　　1 試驗方案及方法

　　1. 1試驗方案

　　A高爐現(xiàn)場高爐渣成分化驗結(jié)果見表1,使用純化學(xué)試劑配制不同成分的試驗爐渣，研究爐渣中K2O含量對爐渣熔化性溫度ts和爐渣黏度η的影響。高爐模擬計算、堿金屬熱力學(xué)分析、高爐解剖均證實堿金屬在高爐內(nèi)部循環(huán)富集明顯，高爐初渣中的堿金屬含量可達到入爐堿金屬負荷的10 ~ 15倍[11-13],排出高爐的終渣中堿金屬質(zhì)量分數(shù)一般小于1 %,主要因為堿金屬化合物在爐缸中被碳還原生成氣態(tài)單質(zhì)，爐渣在爐內(nèi)的堿金屬含量高于檢測爐渣中堿金屬含量，因此試驗方案在排出高爐渣堿金屬含量的基礎(chǔ)上適當放大來研究K2O對爐渣冶金性能影響的規(guī)律，具體試驗方案見表2.考慮到K2O在試驗過程中易于揮發(fā)[14],配渣時K2O以K2CO3的形式加入。每種純化學(xué)試劑都經(jīng)600 ℃高溫焙燒2 h.為提高試驗的準確性，先預(yù)熔試驗渣樣，使之形成均相渣。按比例稱量經(jīng)過處理的Ca O,Si O2,Mg O,Al2O3,K2CO35種氧化物混合后放入馬弗爐中，在氬氣保護下，1 500 ℃熔融、水淬、磨碎后備用。

　　1. 2試驗方法及結(jié)果

　　采用RTW熔體物性測定儀測定爐渣黏度和熔化性溫度。進入爐渣中的旋轉(zhuǎn)測頭為鉬質(zhì)測頭，采用鉬坩堝（內(nèi)徑Φ 39 mm × 60 mm）盛渣，為防止漏渣外套石墨坩堝（內(nèi)徑Φ40 mm × 80 mm）。試驗過程中從爐管底部通入氬氣，其流量為2 L / min.將預(yù)熔渣樣分別稱取2份進行定溫測定黏度和變溫測定黏度。

　　1. 2. 1定溫測量黏度

　　將爐渣溫度升高到1 550 ℃，保溫60 min,均勻溫度、成分。測定溫度從1 550 ℃開始，每降低25 ℃，保溫60 min定溫測量爐渣黏度，降溫速度為2 ℃ /min,連續(xù)測量5個定點的黏度值，測量結(jié)果如表3所示。

　　1. 2. 2變溫測量黏度

　　將爐渣溫度升高到1 500 ℃，保溫60 min,均勻溫度、成分。爐渣黏度測定從1 550 ℃開始，到爐渣黏度為3 Pa·s左右時結(jié)束。爐渣黏度測定時降溫速度自動控制為2 ℃ /min,得出爐渣的η-t曲線，如圖1所示。

　　2 試驗結(jié)果與分析

　　2. 1堿金屬對高爐渣熔化性溫度的影響

　　對于爐渣熔化性溫度，不同文獻有不同的定義。通常有2種定義方法：1）定黏度法，因為爐渣的熔化性溫度表示爐渣可以自由流動時的溫度，取一定黏度值時的溫度作為爐渣的熔化性溫度；2）切線法，取45°直線與（η-t）曲線相切點所對應(yīng)的溫度為熔化性溫度[15].多數(shù)學(xué)術(shù)論文以第2種定義為準，但本文作者認為第2種定義中沒有給定溫度、黏度的標準量綱，不同的畫圖坐標導(dǎo)致不同的'熔化性溫度且差別較大；其次，高爐煉鐵要求爐渣具有一定的流動性，爐渣黏度能夠很好地表征爐渣的流動性特性。因此，本文取爐渣黏度為1. 5 Pa·s時對應(yīng)的爐渣溫度作為爐渣的熔化性溫度。

　　從表4可以看出，隨著爐渣中堿金屬含量的升高爐渣熔化性溫度呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢。一般認為K2O屬于強堿性氧化物，K2O的加入可以和Ca O,Si O2,Al2O3等氧化物生成低熔點物質(zhì)，K2O的加入可以明顯降低爐渣的熔化性溫度，試驗結(jié)果卻出現(xiàn)熔化性溫度先降低后升高的趨勢，本文擬利用Fact Sage 6. 4熱力學(xué)軟件進行計算分析。

　　利用Fact Sage 6. 4熱力學(xué)軟件中的平衡模塊，計算表1中不同渣系的液相線溫度，計算結(jié)果如圖2所示。由計算結(jié)果可以看出隨著K2O的加入爐渣的液相線同樣呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，w（K2O）低的條件下，隨w（K2O）的升高液相溫度降低較為平緩，w（K2O）高的條件下，隨w（K2O）升高液相線溫度升高較快，其最小的溫度值出現(xiàn)在w（K2O）為4. 5 %左右的位置。

　　圖2看出，隨w（K2O）的升高，爐渣初晶相從黃長石（2Ca O·Mg O·2Si O2- 2Ca O·Al2O3·Si O2）轉(zhuǎn)化為鎂鋁尖晶石相（Mg O·Al2O3）。K2O是強堿性氧化物，與酸性氧化物Si O2的結(jié)合能力強于Mg O和Al2O3,這就造成在降溫析晶過程中K2O逐漸替代黃長石中的Mg O和Al2O3,使其初晶相轉(zhuǎn)變?yōu)殒V鋁尖晶石相，從而使析出溫度顯著升高。用掃描電子顯微鏡觀察黃長石和尖晶石的初晶相可以發(fā)現(xiàn)，黃長石初晶相比較粗大，尖晶石呈現(xiàn)細小顆粒彌散狀，如圖3所示[16].所以，w（K2O）為0 %和w（K2O）為3. 0 %相比由于其析晶溫度下降導(dǎo)致其熔化性溫度相應(yīng)降低；w（K2O）為6 %和w（K2O）為3. 0 %相比析晶溫度升高，但是析出的尖晶石較為細小，黏度升高不大，其熔化性溫度沒有很大提高；w（K2O）為9. 0 %和w（K2O）為6. 0 %相比，由于其析晶溫度明顯升高，所以其熔化性溫度有較大的升高。

　　2. 2堿金屬對高爐渣黏度的影響

　　由圖1可以看出，不同w（K2O）的高爐渣在高溫條件下黏度差別較小，4條曲線基本上處于黏滯的狀態(tài)；在溫度低于1 375 ℃的條件下，不同w（K2O）的爐渣黏度表現(xiàn) 出較大的差異。w（K2O）從0 % ~ 3 %爐渣逐漸趨向于長渣，黏度突變趨于平緩；爐渣w（K2O）從3 % ~ 9 %爐渣又從長渣向短渣轉(zhuǎn)變，爐渣的黏度突變重新趨于陡峭。

　　圖4為堿金屬含量對爐渣黏度的影響。從圖可以看出，在各個溫度條件下爐渣的黏度開始隨著堿金屬含量的增加而增大，隨后隨著堿金屬含量的增加而減小，但是隨著堿金屬含量的升高，爐渣黏度變化趨勢逐漸變緩，爐渣黏度對堿金屬敏感性降低。

　　根據(jù)表2的數(shù)據(jù)畫出爐渣Ca O-Si O2-Mg O-Al2O3-K2O黏度的自然對數(shù)和溫度的倒數(shù)之間的關(guān)系圖，如圖5所示。由圖5中可以看出在高溫條件下，黏度的自然對數(shù)和溫度的倒數(shù)呈現(xiàn)較強的線性關(guān)系，符合牛頓流體的特征。根據(jù)阿侖尼烏斯公式可以計算出不同渣系對應(yīng)的表觀活化能[17].

　　式中：

　　η0是比例常數(shù)，R是氣體常數(shù)，Eη是粘性流體的表觀活化能。表觀活化能表示粘性流體流動時的摩擦阻力，因此表觀活化能的變化可以表征熔渣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化。對公式（1）變形見公式（2） ,計算不同K2O含量條件下，爐渣的表觀活化能，其計算結(jié)果如表5所示。

　　由計算結(jié)果可以看出，Ca O-Si O2-Mg O-Al2O3-K2O渣系中w（K2O）為3. 0 %,6. 0 %,9. 0 %的爐渣表觀活化能之間差別較小，相對差別僅有2. 1 %,說明爐渣離子之間的空間結(jié)構(gòu)變化不大。但是含有K2O和不含K2O的爐渣相比較，爐渣的表觀活化能差別較大，其相對差別達到7. 5 % .國內(nèi)外許多研究者通過拉曼和紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)在爐渣中有Al2O3存在的情況下，在Ca O-Si O2-Al2O3-Mg O四元系中，在堿性金屬離子Ca2 +和Mg2 +離子電荷補償?shù)淖饔孟拢械腁l3 +代替Si4 +形成空間四面體結(jié)構(gòu)，但是在補償?shù)倪^程中，Al3 +是+ 3價需要+ 1價的陽離子補償就足夠，Ca2 +和Mg2 +離子是+ 2價，同時補償2個Al3 +離子，形成的空間結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定。爐渣中存在K2O的條件下，K2O在高溫條件下解離發(fā)生如下反應(yīng)：

　　K2O = 2K++ O2 -

　　由于K+在電荷補償中的優(yōu)勢，使K+替換Ca2 +作為電荷補償。由于Al3 +和K+之間的結(jié)合能力大于Al3 +和Mg2 +及Ca2 +之間的結(jié)合能力，由K+充當電荷補償離子之后爐渣結(jié)構(gòu)變得更為穩(wěn)定，導(dǎo)致爐渣黏度升高；但是K2O是強堿性氧化物其電離的O2 -對主要由Si4 +形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有解離作用，導(dǎo)致爐渣黏度降低。因此在爐渣中添加K2O對爐渣黏度變化同時存在相反的兩方面的作用，在低含量K2O下爐渣本身為堿性條件，其解離作用不明顯，電荷補償作用主要導(dǎo)致爐渣黏度升高；在高含量K2O下，電荷補償基本完成其堿性解離作用占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致爐渣黏度有一定程度的降低。堿金屬K對爐渣黏度的影響是正反兩方面的，因此爐渣黏度值整體變化幅度不大。

　　3 結(jié) 語

　　1）爐渣熔化性溫度隨K2O含量的升高呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，爐渣熔化性溫度從1 381 ℃降低到1 362 ℃，其最大差值在20 ℃左右。利用Fact Sage 6.4熱力學(xué)軟件分析發(fā)現(xiàn)，K2O的加入改變了爐渣的初晶相導(dǎo)致熔化性溫度變化。

　　2）高爐渣的黏度隨K2O含量的升高出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在高K2O含量條件下，K2O含量對爐渣黏度影響不大，總體來看爐渣黏度隨K2O的加入變化幅度不大。

　　3）通過計算發(fā)現(xiàn)不同K2O含量條件下爐渣表觀活化能基本相等，這和爐渣隨K2O的加入黏度變化不大相一致。

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