MgO對(duì)CaO-Al2O3-MgO熔渣性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

張 雷，李 竹，王海川，廖直友，李 杰

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

MgO對(duì)CaO-Al2O3-MgO熔渣性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

張 雷，李 竹，王海川，廖直友，李 杰

(安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

為探討MgO在CaO-Al2O3-MgO熔渣中的作用機(jī)理，通過(guò)高溫實(shí)驗(yàn)，研究MgO對(duì)CaO-Al2O3-MgO渣系熔點(diǎn)、黏度以及表面張力的影響。結(jié)果表明：熔渣的軟化溫度、半球點(diǎn)溫度和流動(dòng)溫度隨MgO含量的增加均呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，當(dāng)w(MgO)為6%～12%時(shí)，渣系熔點(diǎn)較低而且熔渣軟化區(qū)間相對(duì)較??；當(dāng)w(MgO)為8%時(shí)，渣樣的黏度值相對(duì)較低，而黏度波動(dòng)幅度和相對(duì)波動(dòng)范圍則在w(MgO)分別為4%和8%時(shí)最??；隨著MgO含量的增加，熔渣的表面張力在不同溫度下變化規(guī)律略有不同，當(dāng)w(MgO)為6%時(shí)，熔渣的表面張力均出現(xiàn)了最低值，隨溫度的升高，熔渣的表面張力呈減小的趨勢(shì)。

MgO；CaO-Al2O3-MgO渣系；熔點(diǎn)；黏度；表面張力

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的冶煉方法難以完全滿足高品質(zhì)鋼的要求。部分學(xué)者研究了在渣-金間施加脈沖電場(chǎng)等對(duì)提高鋼鐵質(zhì)量的影響，如D Perrie等[1]通過(guò)在渣-金間施加雙頻電磁場(chǎng)有效地改善了渣-金間元素的傳質(zhì)；王海川等[2-4]研究了脈沖電場(chǎng)對(duì)渣-金間硫、硅和錳元素遷移的影響，發(fā)現(xiàn)隨著電場(chǎng)處理時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬中硫、硅和錳的含量逐漸減低。為保證硫、硅和錳等元素在渣-金間的擴(kuò)散和遷移，熔渣應(yīng)具有合適的熔點(diǎn)、較好的流動(dòng)性、良好的離子遷移能力等性能，CaO-Al2O3-MgO渣系常被用于外場(chǎng)對(duì)金屬的處理過(guò)程中，許繼芳等[5-6]對(duì)該渣系的理化性質(zhì)進(jìn)行研究；李建朝等[7-8]在研究渣-金間外加電場(chǎng)脫氧時(shí)發(fā)現(xiàn)CaO-Al2O3-MgO渣系具有較好的脫氧效果；高偉[9]將一定量MgO加入到CaO-Al2O3-CaF2精煉渣系中，發(fā)現(xiàn)適量的MgO可以起到降低渣系熔點(diǎn)的作用；龔志祥等[10]發(fā)現(xiàn)MgO不僅可以改善熔渣的熔點(diǎn)，還可改善成渣的質(zhì)量和速度；曹敏等[11]研究表明，隨著MgO含量的增加CaO-Al2O3-MgO三元系的熔點(diǎn)谷底曲線右移。綜上所述，合適的CaO-Al2O3-MgO渣系組成對(duì)渣-金間施加脈沖電場(chǎng)技術(shù)的發(fā)展具有較大的影響。但目前有關(guān)CaO-Al2O3-MgO渣系性能的研究還不系統(tǒng)，尤其是MgO在該渣系中的作用機(jī)理還不明確。作者在前人研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究MgO對(duì)CaO-Al2O3-MgO渣系熔點(diǎn)、黏度和表面張力的影響，明確MgO在CaO-Al2O3-MgO渣中的作用機(jī)制，為渣-金間施加脈沖電場(chǎng)去除金屬中的磷、硫等雜質(zhì)元素提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)原料CaO、MgO和Al2O3為分析純?cè)噭?，為選擇合適的實(shí)驗(yàn)成分配比，利用Factsage熱力學(xué)軟件繪制CaO-Al2O3-MgO三元系相圖，結(jié)果如圖1，圖中圓點(diǎn)代表的渣系區(qū)域熔點(diǎn)相對(duì)較低，w(CaO)/ w(Al2O3)=1，選取該區(qū)域的部分成分點(diǎn)用于實(shí)驗(yàn)，成分組成如表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

按照表1中的組成稱取CaO、MgO和Al2O3，混合均勻后放入馬弗爐中加熱升溫至1 600℃，保溫30 min后冷卻，將渣樣破碎、研磨至74 μm以下，經(jīng)過(guò)干燥處理后利用半球熔點(diǎn)測(cè)試儀進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)試、利用RTW-10熔渣物性綜合測(cè)試儀進(jìn)行黏度和表面張力的測(cè)定。

表1 CaO-Al2O3-MgO渣系的成分組成(w/%)Tab.1 Different components of CaO-Al2O3-MgO(w/%)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 MgO對(duì)CaO-Al2O3-MgO渣系熔點(diǎn)的影響

圖2示出了CaO-Al2O3-MgO不同渣系的軟化溫度t、半球熔點(diǎn)溫度t1以及流動(dòng)溫度t2。

由圖2可知，隨著渣中MgO含量的增加，渣系的軟化溫度、半球點(diǎn)溫度和流動(dòng)溫度均呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，在熔渣中添加適量的MgO可顯著降低渣系的熔點(diǎn)，當(dāng)w(MgO)的添加量為6%時(shí)，熔渣的熔點(diǎn)相對(duì)較低。這主要是因?yàn)樵蠱gO含量較低時(shí)，一方面MgO與CaO、Al2O3形成低熔點(diǎn)化合物降低渣系熔點(diǎn)；另一方面MgO的加入破壞了渣系中復(fù)雜化合物的離子結(jié)構(gòu)，使熔渣熔點(diǎn)降低。當(dāng)MgO含量較高時(shí)，MgO與其他物質(zhì)形成高熔點(diǎn)難熔尖晶石類復(fù)合物，過(guò)量的MgO在熔渣會(huì)以懸浮物的狀態(tài)存在，從而使渣系的熔點(diǎn)升高。

綜上所述，適量的MgO可以使CaO-Al2O3-MgO渣系的軟化溫度、半球熔點(diǎn)以及流動(dòng)溫度在一定程度上降低，當(dāng)w(MgO)為6%～12%時(shí)，渣系熔點(diǎn)較低而且熔渣軟化區(qū)間相對(duì)較小。

2.2 MgO對(duì)CaO-Al2O3-MgO渣系黏度的影響

CaO-Al2O3-MgO渣系黏度的測(cè)試結(jié)果如圖3，1 500～1 550℃區(qū)間內(nèi)渣系的黏度及波動(dòng)幅度如圖4。

由圖3可知，在一定范圍內(nèi)，隨著MgO含量的增加，不同溫度下渣系的黏度先降低后升高，當(dāng)w(MgO)為8%時(shí)，熔渣的黏度達(dá)到最低值。由圖4可知，MgO的加入在一定程度上改善了熔渣黏度的穩(wěn)定性，黏度的波動(dòng)范圍在w(MgO)為4%時(shí)最小，黏度的相對(duì)波動(dòng)范圍也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)w(MgO)為8%時(shí)，熔渣黏度的相對(duì)波動(dòng)范圍最小。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋篗gO是一種堿性氧化物，當(dāng)渣系中加入一定的MgO時(shí)，MgO可以解離出Mg2+和O2-，其中的O2-可以使一些復(fù)雜離子團(tuán)解離，從而改善渣黏度和流動(dòng)性；但當(dāng)MgO超過(guò)一定量后，過(guò)量的MgO會(huì)以顆粒狀質(zhì)點(diǎn)存在，從而使渣的黏度增大，流動(dòng)性變差。

由上述分析可知，當(dāng)w(MgO)為8%時(shí)渣樣的黏度值相對(duì)較低，而黏度波動(dòng)范圍和相對(duì)波動(dòng)范圍則在w(MgO)分別為4%和8%時(shí)最小。為了保證渣金反應(yīng)的順利進(jìn)行，要求渣系具有良好的流動(dòng)性，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)選擇在6%左右。

2.3 MgO對(duì)CaO-Al2O3-MgO渣系表面張力的影響

不同組成渣系的表面張力測(cè)試結(jié)果如圖5。

由圖5可知：隨著MgO含量的增加，熔渣的表面張力在不同溫度下變化規(guī)律略有不同，在1 500℃時(shí)，熔渣的表面張力隨MgO含量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)；在1 530，1 550℃時(shí)，熔渣的表面張力則先增大后減??；而且不同溫度下，當(dāng)w(MgO)為6%時(shí)，熔渣的表面張力均出現(xiàn)了最低值。這主要是因?yàn)镸g2+半徑為0.65×10-10m，靜電勢(shì)(z/r)為3.08，離子配位數(shù)為6，致使Mg2+具有較大的引力，當(dāng)熔渣中含有適量的MgO時(shí)，可使周圍的O2-被Mg2+吸引，導(dǎo)致熔渣表面聚集的O2-減小，使熔渣的表面張力降低；但當(dāng)MgO過(guò)量時(shí)，Mg2+會(huì)聚集在表面，吸引O2-形成較大的絡(luò)合離子從而使表面張力增大。另外，隨溫度的升高，熔渣的表面張力呈減小的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)楫?dāng)渣系溫度升高時(shí)，渣中離子在高溫下的運(yùn)動(dòng)加劇，離子之間作用力減弱，導(dǎo)致熔渣的表面張力降低。

3 結(jié) 論

1)隨著渣中MgO含量的增加，渣系的軟化溫度、半球點(diǎn)溫度和流動(dòng)溫度均呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，當(dāng)w(MgO)為6%～12%時(shí)，渣系熔點(diǎn)較低而且熔渣軟化區(qū)間相對(duì)較小。

2)當(dāng)w(MgO)為8%時(shí)渣樣的黏度值相對(duì)較低，而黏度波動(dòng)幅度和相對(duì)波動(dòng)范圍則在w(MgO)分別為4%和8%時(shí)最小。

3)1 500℃時(shí)，熔渣的表面張力隨MgO含量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)；在1 530，1 550℃時(shí)，熔渣的表面張力則先增大后減小；當(dāng)w(MgO)為6%時(shí)，熔渣的表面張力均出現(xiàn)了最低值；隨溫度的升高，熔渣的表面張力呈減小的趨勢(shì)。

[1]Perrier D,Fautrelle Y,Etay J.Improving the mass transfer between a molten salt and a liquid metal using a two frequency magnetic field[J].Journal of Nuclear Materials,2005,336(2/3):163-172.

[2]王海川，陳克全，葛允宗，等.渣金間外加脈沖電場(chǎng)對(duì)硫元素遷移研究[J].鋼鐵釩鈦，2013(2):49-53.

[3]王海川，張雷，陳克全，等.脈沖電場(chǎng)對(duì)Fe-C-i(Si,Mn)合金與CaO-Al2O3-MgO熔渣間反應(yīng)的研究[J].煉鋼，2014,30(6): 67-70.

[4]陳克全，王海川，錢(qián)章秀，等.電極施加方式對(duì)純銅凝固組織的影響[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013,30(1):11-15.

[5]許繼芳，柴娜，張捷宇，等.CaO-Al2O3-MgO渣系低熔點(diǎn)區(qū)熔化性能的實(shí)驗(yàn)研究[C]//第七屆(2009)中國(guó)鋼鐵年會(huì)論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2009:196-201.

[6]柴娜.渣金間外加電場(chǎng)脫氧渣系CaO-Al2O3-MgO的基礎(chǔ)研究[D].上海：上海大學(xué)，2008.

[7]李建朝，張捷宇，魯雄剛，等.渣金間外加直流電場(chǎng)無(wú)污染脫氧[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2004,24(1):30-33.

[8]Zhang J Y,Li J C,Lu X G,et al.Study on unpolluted deoxidization with applied external voltage between molten steel and slag [C]//TOFA2006 Conference Proceedings.Beijing,2006:60-62.

[9]高偉.GH136合金電渣重熔渣系的研究[J].特鋼技術(shù)，1997,20(2):5-10.

[10]龔志祥，王慶祥，孔曉眉，等.馬鋼SKF爐精煉渣工業(yè)性實(shí)驗(yàn)研究[J].煉鋼，2000,16(5):35-38.

[11]曹敏，宋波，宋明明，等.鋁熱法冶煉釩鐵渣的熔化性能[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,36(2):161-166.

責(zé)任編輯：何莉

Influence of MgO Content on Melting Properties of CaO-Al2O3-MgO Slag System

ZHANG Lei,LI Zhu,WANG Haichuan,LIAO Zhiyou,LI Jie
(School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China)

For the action mechanism of MgO in CaO-Al2O3-MgO in molten slag,through high temperature experiments,the effect of MgO on melting point,viscosity and surface tension of CaO-Al2O3-MgO slag was studied.The results show that the softening temperature,hemisphere temperature and the flow temperature of molten slag firstly decrease and then increase with the increasing of MgO content,while w(MgO)is between 6%-12%,the melting point of slag is lower and softening zone is relatively small;when w(MgO)is 8%,the slag sample’s viscosity value is relatively low,but the viscosity fluctuation amplitude and relative fluctuation range are the smallest when the w(MgO)is 4%and 8%respectively.With the increasing of MgO content,the surface tension of slag change rule under different temperature is slightly different and it appears the lowest value when w(MgO)is 6%, and decreases with the increasing of temperature.

MgO；CaO-Al2O3-MgO slag；melting point；viscosity；surface tension

TF703.6

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.01.003

2014-11-13

安徽省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(AH201310360253)；研究生創(chuàng)新基金(2013004)

張雷(1988-)，男，安徽阜陽(yáng)人，碩士生，主要研究方向?yàn)殇撹F冶金。

王海川(1969-)，男，河南西平人，博士，教授，研究方向?yàn)橥鈭?chǎng)冶金物理化學(xué)及資源綜合利用。

1671-7872(2015)-01-0012-04