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氧化鉀對爐渣黏度和熔化性溫度的作用
隨著鋼鐵工業的發展，高品位、有害元素含量低的鐵礦石逐漸減少，下面是小編搜集整理的一篇探究氧化鉀對爐渣黏度和熔化性溫度作用的論文范文，歡迎閱讀查看。
鉀、鈉等有害元素含量較高的鐵礦石逐漸被高爐所用，再加上鋼鐵企業普遍面臨成本、環保壓力，企業內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逐年升高的趨勢。煉鐵工作者一直比較關注堿金屬對高爐的危害，寶鋼、首鋼、石鋼等大型鋼鐵企業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。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。通過前人研究發現進入高爐的堿金屬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。YasukouchiT等[8]通過對CaO-SiO2二元渣系研究發現堿金屬氧化物(Li2O,Na2O,K2O)的加入可明顯降低爐渣黏度。S.Sukenaga,GHZhang等[9]在CaO-SiO2-Al2O3三元渣系中添加K2O發現黏度呈現先升高后降低的趨勢，黏度的最大值出現在K2O與Al2O3物質的量比在0.7~0.9,并在微觀結構上給出了理論解釋。王成立等[10]對廣鋼CaO-SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-K2O實際渣系研究發現K2O有降低爐渣的熔化性溫度和黏度的作用。綜合來看，關于堿金屬對爐渣黏度和熔化性溫度的研究數據還比較有限。某鋼鐵企業A高爐入爐堿金屬負荷在3.5~4.0kg/t,且有升高的趨勢，針對鋼鐵企業對堿金屬的重視，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CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元系黏度和熔化性溫度的影響。
1試驗方案及方法
1.1試驗方案
A高爐現場高爐渣成分化驗結果見表1,使用純化學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、堿金屬熱力學分析、高爐解剖均證實堿金屬在高爐內部循環富集明顯，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量分數一般小于1%,主要因為堿金屬化合物在爐缸中被碳還原生成氣態單質，爐渣在爐內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上適當放大來研究K2O對爐渣冶金性能影響的規律，具體試驗方案見表2.考慮到K2O在試驗過程中易于揮發[14],配渣時K2O以K2CO3的形式加入。每種純化學試劑都經600℃高溫焙燒2h.為提高試驗的準確性，先預熔試驗渣樣，使之形成均相渣。按比例稱量經過處理的CaO,SiO2,MgO,Al2O3,K2CO35種氧化物混合后放入馬弗爐中，在氬氣保護下，1500℃熔融、水淬、磨碎后備用。
1.2試驗方法及結果
采用RTW熔體物性測定儀測定爐渣黏度和熔化性溫度。進入爐渣中的旋轉測頭為鉬質測頭，采用鉬坩堝(內徑Φ39mm×60mm)盛渣，為防止漏渣外套石墨坩堝(內徑Φ40mm×80mm)。試驗過程中從爐管底部通入氬氣，其流量為2L/min.將預熔渣樣分別稱取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1550℃，保溫60min,均勻溫度、成分。測定溫度從1550℃開始，每降低25℃，保溫60min定溫測量爐渣黏度，降溫速度為2℃/min,連續測量5個定點的黏度值，測量結果如表3所示。
1.2.2變溫測量黏度
將爐渣溫度升高到1500℃，保溫60min,均勻溫度、成分。爐渣黏度測定從1550℃開始，到爐渣黏度為3Pa·s左右時結束。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)曲線相切點所對應的溫度為熔化性溫度[15].多數學術論文以第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1.5Pa·s時對應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CaO,SiO2,Al2O3等氧化物生成低熔點物質，K2O的加入可以明顯降低爐渣的熔化性溫度，試驗結果卻出現熔化性溫度先降低后升高的趨勢，本文擬利用FactSage6.4熱力學軟件進行計算分析。
利用FactSage6.4熱力學軟件中的平衡模塊，計算表1中不同渣系的液相線溫度，計算結果如圖2所示。由計算結果可以看出隨著K2O的加入爐渣的液相線同樣呈現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在w(K2O)為4.5%左右的位置。
隨w(K2O)的升高，爐渣初晶相從黃長石(2CaO·MgO·2SiO2-2CaO·Al2O3·SiO2)轉化為鎂鋁尖晶石相(MgO·Al2O3)。K2O是強堿性氧化物，與酸性氧化物SiO2的結合能力強于MgO和Al2O3,這就造成在降溫析晶過程中K2O逐漸替代黃長石中的MgO和Al2O3,使其初晶相轉變為鎂鋁尖晶石相，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現，黃長石初晶相比較粗大，尖晶石呈現細小顆粒彌散狀，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致其熔化性溫度相應降低;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;在溫度低于1375℃的條件下，不同w(K2O)的爐渣黏度表現出較大的差異。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。
根據表2的數據畫出爐渣CaO-SiO2-MgO-Al2O3-K2O黏度的自然對數和溫度的倒數之間的關系圖，如圖5所示。由圖5中可以看出在高溫條件下，黏度的自然對數和溫度的倒數呈現較強的線性關系，符合牛頓流體的特征。根據阿侖尼烏斯公式可以計算出不同渣系對應的表觀活化能[17].
式中：
η0是比例常數，R是氣體常數，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部微觀結構的變化。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，其計算結果如表5所示。
由計算結果可以看出，CaO-SiO2-MgO-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構變化不大。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%.國內外許多研究者通過拉曼和紅外光譜分析發現在爐渣中有Al2O3存在的情況下，在CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元系中，在堿性金屬離子Ca2+和Mg2+離子電荷補償的作用下，渣中的Al3+代替Si4+形成空間四面體結構，但是在補償的過程中，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，形成的空間結構相對不穩定。爐渣中存在K2O的條件下，K2O在高溫條件下解離發生如下反應：
K2O=2K++O2-
由于K+在電荷補償中的優勢，使K+替換Ca2+作為電荷補償。由于Al3+和K+之間的結合能力大于Al3+和Mg2+及Ca2+之間的結合能力，由K+充當電荷補償離子之后爐渣結構變得更為穩定，導致爐渣黏度升高;但是K2O是強堿性氧化物其電離的O2-對主要由Si4+形成的空間網狀結構具有解離作用，導致爐渣黏度降低。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地位，導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結語
1)爐渣熔化性溫度隨K2O含量的升高呈現先降低后升高的趨勢，爐渣熔化性溫度從1381℃降低到1362℃，其最大差值在20℃左右。利用FactSage6.4熱力學軟件分析發現，K2O的加入改變了爐渣的初晶相導致熔化性溫度變化。
2)高爐渣的黏度隨K2O含量的升高出現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)通過計算發現不同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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