MgO/Al2O3比值对高炉炉渣流动性和结构的影响

龙明华，张东升，肖扬武，朱博洪，刘清才，孟　飞，刘国庆

(1.首钢水城钢铁(集团)有限责任公司，贵州 六盘水　553028；

2.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆　400044)

MgO/Al2O3比值对高炉炉渣流动性和结构的影响

龙明华1，张东升1，肖扬武1，朱博洪2，刘清才2，孟飞2，刘国庆2

(1.首钢水城钢铁(集团)有限责任公司，贵州 六盘水553028；

2.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆400044)

摘要：针对高炉炉渣中Al2O3的含量偏高会导致炉渣黏度增大、流动性变差等问题，通过黏度测试实验，研究了在高Al2O3含量条件下不同MgO/ Al2O3比值对炉渣熔化性温度和黏度的影响。利用傅里叶红外光谱仪(FITR)研究了不同MgO/ Al2O3比值对炉渣结构的影响。结果表明：炉渣的熔化性温度与MgO/Al2O3比值呈线性相关，且满足 MgO/Al2O3比值每增加0.1熔化性温度降低约7.8℃的关系。此外，随着MgO/Al2O3比值的增加，炉渣的黏度减小，且测试温度愈低，炉渣黏度的减小趋势愈明显。通过FITR分析可知，这是由于随着MgO/Al2O3比值的增大，炉渣中自由氧离子(O2-)的数目也逐渐增加，这些自由氧离子与硅酸盐的桥氧(O0)相互作用，使得炉渣中复杂的Si-O结构逐渐解聚，从而造成炉渣黏度减小。

关键词：MgO/Al2O3比值；高炉炉渣；黏度；炉渣结构

近年来，高炉炼铁在走向大型化的同时，经济炼铁也越来越受到各大钢铁企业的重视。钢铁企业在经济配矿原则的指导下，将含有较高Al2O3等有害元素的矿石广泛应用于高炉生产中。由此，高炉炉渣中Al2O3的含量也随之增加，且随着Al2O3含量的增加，炉渣中极易出现结晶能力很强的高熔点矿物尖晶石，使得高炉炉渣黏度增大、流动性变差，导致炉渣冶金性能急剧下降。为此，一些研究人员[1-4]通过提高MgO的含量来弥补由于Al2O3含量过高给对黏度、熔点及脱硫能力带来的不利影响，促进炉况顺行。但MgO含量过高，不仅会造成烧结熔剂量增加，还会使得高炉焦比升高，不符合经济炼铁的原则，因此研究MgO/ Al2O3比值对高炉炉渣冶金性能的影响至关重要。Park等[5]研究表明，在CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系中Al2O3表现出两性性质，随着Al2O3含量的增加，炉渣黏度先增加后减小。杜鹤桂等[6]对高炉氧化镁渣的选择进行了研究，认为MgO对熔化性温度的影响由Al2O3含量来决定，MgO的增加使熔化性温度升高，在Al2O3含量一定时，对应允许的MgO值是确定的。然而上述研究结果都是基于在Al2O3含量较低的情况下得出的，就较高Al2O3含量以及其不同MgO/Al2O3比值条件下的炉渣流动性能和熔化性能的研究依旧不是很具体，且其冶金性能变化机理也不是很清晰。

针对以上问题，研究了在高Al2O3含量(15%)条件下，不同MgO/Al2O3比值对炉渣流动性的影响，流动性通过炉渣的熔化性温度和黏度来表征。此外，通过FITR分析测试，研究了不同MgO/Al2O3比值对炉渣结构的影响。

1实验

1.1　原料准备

实验渣样通过混合CaO，SiO2，MgO 和Al2O3这4种分析纯试剂得到，固定渣样Al2O3质量分数为15%，二元碱度(CaO/SiO2)为1.20。每组渣样取200 g混合物，将其分别置于高温管式炉中，在1 500 ℃的温度条件下加热1h，使其完全熔化并混合。1h后，将完全混合熔融后的渣样取出，并倒入装有冷水的器皿中，使其迅速冷却。最后将冷却后的渣样破碎，制得实验所需的样品渣。每组渣样具体成分如表1所示。

表1　炉渣化学成分　质量分数

1.2　实验装置与过程

旋转式黏度测试炉采用硅钼棒作为发热体，炉管为刚玉材质，炉膛下部设有耐火材料底座，炉身周围有循环冷却水装置，通过控制柜改变炉子电流和电压的大小来调节其温度。该装置示意图如图1所示。

每组渣样准备100g放入5cm×10cm的钼坩埚中，将坩埚置于旋转式黏度测试炉底座上部的恒温带。在氩气(1NL/min)保护条件下，将渣样加热至1 500 ℃，并保温1h，使之完全达到热态平衡。整个黏度测试过程以3 ℃/min的降温速度进行，且渣样黏度值通过扭矩传感器获得，并传输至电脑进行实时记录。黏度测试实验后，将渣样再次冷却并破碎，用傅氏红外线光谱分析仪(FTIR)对其结构进行测定。

图1　黏度测试实验装置示意图

2实验结果及分析

2.1　MgO/Al2O3比值对炉渣熔化性温度的影响

Park和Sridhar等[7-8]将在降温过程中炉渣突然急剧下降时的温度定义为炉渣的熔化性温度。图2为不同MgO/Al2O3比值对炉渣的黏温曲线及熔化性温度的影响。从图中可以看出：随着温度降低，炉渣的黏度缓慢增加；当温度降低至某一温度时，炉渣的黏度急剧升高，炉渣表现为短渣的特性，也将这个转折温度定义为炉渣的熔化性温度。

此外，在MgO/Al2O3比值从0.40增加至0.60的过程中，炉渣的熔化性温度逐渐降低。研究发现，在本实验条件下炉渣的熔化性温度与MgO/Al2O3比值呈线性相关，且满足MgO/Al2O3比值每增加0.1熔化性温度降低约7.8 ℃的关系。

图2　不同MgO/Al2O3比值对炉渣的黏温曲线及熔化性温度的影响(wAl2O3=15%)

2.2　MgO/Al2O3比值对炉渣黏度的影响

固定二元碱度(CaO/SiO2)为1.20，Al2O3质量分数为15%，MgO/Al2O3比值从0.40增加到0.60时，炉渣黏度测量值如表2所示。

表2　不同MgO/Al2O3比值条件下炉渣黏度测量值

图3为MgO/Al2O3比值对炉渣黏度的影响。从图中可以发现，在同一温度条件下，随着MgO/Al2O3比值的增加，炉渣的黏度减小，且测试温度愈低，炉渣黏度的减小趋势愈明显。这可能是由于随着MgO/Al2O3增加，MgO也相应增加，而MgO为碱性氧化物，是一种网络修饰子，可以向熔渣中提供自由氧离子，使得熔渣中复杂的硅氧复合阴离子解体，从而降低炉渣的黏度。此外，随着MgO/Al2O3比值升高，炉渣中含氧化镁的矿物如钙镁橄榄石(CaO·MgO·SiO2)、镁方柱石(2CaO·MgO·SiO2)和镁蔷薇辉石(3CaO·MgO·2SiO2)等低熔点矿物也有所增加。

图3　不同MgO/Al2O3比值对炉渣黏度的影响

2.3　MgO/Al2O3比值对炉渣结构的影响

图4为组号1~5渣样样本的FTIR分析结果。有研究表明[9-10]，硅酸盐渣的红外光谱一般分布在1 200cm-1到400cm-1的波数段，且此波数段由Si-O轴对称伸缩振动(1 200～800cm-1)、[AlO4]5-反对称弯曲振动(720～630cm-1)、[AlO6]9-振动(570～520cm-1)以及Si-O-Al振动(500cm-1)组成。

图4　傅里叶红外光谱分析结果

从FTIR分析结果可以发现，随着MgO/Al2O3比值从0.40增加到0.60，[AlO4]5-反对称弯曲振动和[AlO6]9-振动这2个波数段并没有明显变化，但是Si-O-Al振动段的沟槽中心位置向右移动，且强度亦有减弱的趋势，说明Si-O-Al结构在减少。

此外，在Si-O轴对称振动区域内，Mysen等[11]研究发现，在1 100～1 050，980～950，920～900和880～850cm-1处所对应的峰分别为Q3，Q2，Q1和Q0的非桥氧对称伸缩振动。从Q0到Q3，炉渣的聚合程度逐渐增加。炉渣结构中的非桥氧数目与结合氧数目的比值表示炉渣的聚合程度，用NBO/T表示，其计算公式如式(1)所示[12]。表3为各种CaO-SiO2炉渣组成的NBO/T和Q。

(1)

从图4中无法直观地看出Q3，Q2，Q1和Q0这4个震动带的变化情况，需要对其进行定量分析。对此采用傅里叶曲线拟合，对Si-O轴对称振动区域进行分峰，分峰结果如图5所示。

为了更加直观表示Q3，Q2，Q1和Q0的量，将图5中各峰进行处理，计算各个峰对应面积的相对含量来表征各个特征峰对应的Qi(i=0~3)的量，计算结果如图6所示。从图6可以明显看出，随着MgO/Al2O3比值的增大，Q3和Q2逐渐减少，Q1和Q0则有逐渐增多的趋势。由此可知，随着MgO/Al2O3比值的增大，炉渣中自由氧离子(O2-)的数目也逐渐增加，这些自由氧离子与硅酸盐的桥氧(O0)相互作用，使得炉渣中复杂的Si-O结构逐渐解聚，聚合度降低，从而造成炉渣黏度减小。这也验证了前面炉渣黏度实验结果的正确性。

图5　不同MgO/Al2O3比值的高炉渣的FTIR分峰结果

图6　Qi相对含量随MgO/Al2O3比值变化的情况(wAl2O3=15%)

3结论

1)MgO/Al2O3比值从0.40增加至0.60时，炉渣的熔化性温度逐渐降低。在本实验条件下，炉渣熔化性温度与MgO/Al2O3呈线性关系，且满足 MgO/Al2O3比值每增加0.1熔化性温度降低约7.8 ℃的关系。

2) 在同一温度条件下，随着MgO/Al2O3比值的增加，炉渣的黏度减小，且测试温度愈低，炉渣黏度的减小趋势愈明显。

3)MgO/Al2O3的比值变化对炉渣的Al-O结构影响不大。而对于炉渣的Si-O结构，随着MgO/Al2O3比值的增大，炉渣中自由氧离子(O2-)的数目也逐渐增加，由于这些自由氧离子与硅酸盐的桥氧(O0)相互作用，使得炉渣中复杂的Si-O结构逐渐解聚，聚合度降低，从而造成炉渣黏度减小。

参考文献：

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(责任编辑刘舸)

收稿日期：2015-02-26

基金项目：重庆市科学技术委员会应用开发基金资助项目(cstc2014yykfB100007)

作者简介：龙明华(1975—)，男，贵州六枝人，工程师，主要从事炼铁研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.07.009

中图分类号：TF57

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2015)07-0049-05

EffectofMgO/Al2O3on Fluidity and Structure of
BlastFurnaceSlag
LONGMin-hua1, ZHANG Dong-sheng1, XIAO Yang-wu1, ZHU Bo-hong2,

LIUQing-cai2, MENG Fei2, LIU Guo-qing2

(1.ShougangShuichengIron&Steel(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui553028,China;

2.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China)

Abstract:In view of the viscosity increases and fluidity performance becomes poor with a high content of Al2O3in blast furnace slag, the effect of MgO/Al2O3on the break temperature and viscosity were researched by the laboratory viscosity test. The effect of MgO/Al2O3on slag structure was also researched by using a FITR. The results demonstrated that the relationship between the break temperature and the ratio of MgO/Al2O3is linear, and it can be described that if the ratio of MgO/Al2O3increases 0.1, the break temperature would decrease about 7.8°C. In addition, an increase in the ratio of MgO/Al2O3tends to increase the viscosity of blast furnace slag, and the tendency of viscosity reducing becomes more obvious with the lower test temperature. Through the analysis of FITR, the amount of free oxygen ions (O2-) increases with the larger ratio of MgO/Al2O3in slag, and these free oxygen ions interacts with the bridge oxygen (O0) of silicate, which resulted in a higher potential of the depolymerization of the slag network structure and a decreasing viscosity of slag.

Key words：ratio of MgO/Al2O3; blast furnace slag; viscosity; slag structure

引用格式：龙明华，张东升，肖扬武，等.MgO/Al2O3比值对高炉炉渣流动性和结构的影响[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015(7):49-53.

Citationformat：LONGMin-hua,ZHANGDong-sheng,XIAOYang-wu,etal.EffectofMgO/Al2O3on Fluidity and Structure of Blast Furnace Slag[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2015(7):49-53.