高鋁渣黏度和熱力學(xué)性質(zhì)分析

供稿|梁子怡，寧曉鈞 / LIANG Zi-yi, NING Xiao-jun

內(nèi)容導(dǎo)讀

高爐爐渣是高爐煉鐵最主要的副產(chǎn)品。爐渣的黏度和熱力學(xué)性質(zhì)對高爐生產(chǎn)過程中的爐渣流動(dòng)性和高爐能量利用具有重要意義。文章運(yùn)用FactSage熱力學(xué)軟件計(jì)算了爐渣的黏度、熱容和焓變。結(jié)果表明，爐渣黏度隨MgO和堿度的增加而降低，隨Al2O3含量的增加而增大。隨著MgO、Al2O3和堿度的增加，爐渣熱容增大，但相比較而言，堿度對爐渣熱容的影響最小。爐渣焓變隨MgO和Al2O3含量的增加而顯著增大，隨堿度的增大而降低。從能量利用的角度來看，爐渣MgO和Al2O3含量的增加將增大因爐渣排出而帶走的熱量，而堿度的增大有利于減少高爐系統(tǒng)的能量消耗。

高爐爐渣是高爐煉鐵過程中最主要的副產(chǎn)品之一，在高爐生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。高爐爐渣作為一種高溫熔體，其物理化學(xué)性質(zhì)主要受溫度和成分的影響。其中，黏度是高爐爐渣最重要的性質(zhì)之一，影響爐渣和鐵水間的化學(xué)反應(yīng)以及高爐生產(chǎn)的穩(wěn)定性。另外，爐渣的熱力學(xué)性質(zhì)如爐渣熱容和焓變等，對高爐系統(tǒng)的能量利用和能源消耗有著重要影響。因此，分析爐渣成分對其黏度、熱容和焓變的影響，對于明確高爐生產(chǎn)過程中的爐渣流動(dòng)性和高爐能量利用具有重要意義。

目前，關(guān)于爐渣成分對其黏度的影響，國內(nèi)外已有許多研究[1-9]。同時(shí)，也有一些報(bào)道研究了爐渣成分對熱容、焓變等熱力學(xué)性質(zhì)的影響[10-12]。然而，近些年來中國許多鋼鐵企業(yè)大量進(jìn)口澳礦和印度礦，廣泛使用這些礦石進(jìn)行高爐冶煉使得高爐爐渣的Al2O3明顯偏高，不少鋼鐵企業(yè)的高爐渣Al2O3含量已超過16%[13-14]。因此，為了考察在高鋁渣條件下，爐渣成分對爐渣流動(dòng)性和熱力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，本文借助FactSage熱力學(xué)軟件分析了MgO、Al2O3和堿度對爐渣黏度及熱力學(xué)性質(zhì)的影響。

實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

用于實(shí)驗(yàn)的爐渣總質(zhì)量為100 g，設(shè)置3個(gè)實(shí)驗(yàn)變量，即MgO、Al2O3和堿度，運(yùn)用FactSage 6.4版本軟件包進(jìn)行模擬計(jì)算。具體計(jì)算方法為，采用Viscosity模塊計(jì)算爐渣的黏度；采用Equilib模塊計(jì)算爐渣的熱容和焓變，在計(jì)算熱容和焓變時(shí)將爐渣的初始條件設(shè)為25℃和101.325 kPa。具體的實(shí)驗(yàn)方案如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

MgO對爐渣黏度與熱力學(xué)性質(zhì)的影響

根據(jù)FactSage計(jì)算結(jié)果，MgO對爐渣黏度的影響規(guī)律如圖1所示。從圖1可以看出，隨著MgO含量的增加爐渣黏度逐漸降低；隨著溫度升高爐渣黏度逐漸降低。盡管爐渣成分有所不同，但這一結(jié)果與前人實(shí)驗(yàn)測量及FactSage計(jì)算的結(jié)果基本一致[3-6]。“對自然界的物質(zhì)通常來說結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)，性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)?！边@一準(zhǔn)則，對于爐渣這種高溫熔體而言仍然適用，其黏度同樣和微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。鎂是化學(xué)元素周期表中第3周期第2主族的元素，屬于輕質(zhì)堿土金屬，因此MgO與CaO類似，屬于堿性氧化物。爐渣這種高溫硅酸鹽熔體的粘性行為很大程度上取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，通常結(jié)構(gòu)越復(fù)雜黏度就越大。根據(jù)前人的研究[8-9，15]，作為堿性氧化物，在爐渣熔體中MgO可以解離產(chǎn)生自由氧離子。這種氧離子可以破壞爐渣中復(fù)雜的硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將大而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解離為相對簡單的結(jié)構(gòu)，使?fàn)t渣黏度降低。

表1 實(shí)驗(yàn)渣樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 MgO含量對爐渣黏度的影響

MgO對爐渣熱容的影響如圖2所示。物體在升溫或降溫過程中，要從外界吸收或放出熱量。爐渣體系的溫度每升高或下降1℃時(shí)，所吸收或釋放的熱量即為其熱容。在實(shí)驗(yàn)中，計(jì)算設(shè)定的爐渣總質(zhì)量為100 g，因此本文所討論的熱容和焓變均是以100 g爐渣為基礎(chǔ)。由圖2可知，隨著爐渣中MgO含量的增加，爐渣熱容逐漸增大。當(dāng)爐渣成分一定時(shí)，在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，不同溫度條件下的爐渣熱容基本相同。這說明，在該條件下，MgO含量對爐渣熱容影響較大，而此時(shí)溫度對爐渣體系的熱容幾乎沒有影響。

圖2 MgO含量對爐渣熱容的影響

圖3為MgO含量對爐渣焓變的影響。由熱力學(xué)第一定律可知，爐渣熔化過程中的焓變可近似等于其熔化所吸收的熱量。通過圖3可以看出，隨著MgO含量的增加，爐渣焓變呈線性單調(diào)增加。同時(shí)，溫度越高爐渣的焓變值越大。由此可以看出，MgO含量的增加不僅改善爐渣的黏度，還使得一定溫度下的爐渣熱量增加。相同質(zhì)量相同溫度的爐渣熱量增加有利于保證爐缸中爐渣的熱量充沛，保證爐渣和鐵水溫度；但另一方面隨著爐渣的排出，帶走的熱量的也增加，從而增大了高爐的熱量消耗[10]。

圖3 MgO含量對爐渣焓變的影響

Al2O3對爐渣黏度與熱力學(xué)性質(zhì)的影響

圖4為Al2O3對爐渣黏度的影響。從圖4中可以看出，隨著Al2O3含量的增加，爐渣黏度逐漸增大；而且相比于1600℃時(shí)，1550℃和1500℃時(shí)Al2O3對爐渣黏度的影響更為明顯。事實(shí)上，Al2O3既能與酸發(fā)生反應(yīng)也能和堿發(fā)生反應(yīng)，屬于一種典型兩性氧化物。根據(jù)文獻(xiàn)[15-16]報(bào)道，在高爐爐渣熔體中Al2O3通常作為酸性氧化物。其產(chǎn)生的Al3+可以代替硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的Si4+，使?fàn)t渣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，爐渣黏度增加。所以，在本實(shí)驗(yàn)條件下，爐渣黏度逐漸增大，主要是由Al2O3使得爐渣結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜所致。因此，高爐爐渣中的Al2O3含量增加會(huì)明顯惡化爐渣的流動(dòng)性，此時(shí)需要適當(dāng)調(diào)整爐渣成分以保證高爐的正常生產(chǎn)和運(yùn)行。

圖4 Al2O3含量對爐渣黏度的影響

圖5為爐渣熱容隨Al2O3含量的變化。從圖5可以看出，Al2O3與MgO對爐渣熱容的影響規(guī)律類似，隨著Al2O3含量的增加，爐渣熱容增大。同時(shí)，不同溫度下的爐渣熱容也幾乎沒有差別。這說明爐渣中Al2O3含量的增加，爐渣的儲(chǔ)熱能力增大。圖6為爐渣焓變隨Al2O3含量的變化趨勢。從圖6可以看出，類似于MgO對爐渣焓變的影響，一定溫度下爐渣焓變隨Al2O3含量的增加而呈線性增大。因此，爐渣Al2O3含量增加不僅使黏度增大，爐渣排出所帶走的熱量也增加，從而增大了高爐的熱量消耗。

圖5 Al2O3含量對爐渣熱容的影響

圖6 Al2O3含量對爐渣焓變的影響

堿度對對爐渣黏度與熱力學(xué)性質(zhì)的影響

圖7 堿度對爐渣黏度的影響

圖7為二元堿度對爐渣流動(dòng)的影響。從圖7可以看出，隨著堿度的增加爐渣黏度明顯降低。由于CaO屬于典型的堿性氧化物，爐渣中很容易解離出自由氧離子與復(fù)雜的硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生反應(yīng)，簡化爐渣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低爐渣黏度[17-18]。結(jié)合MgO對爐渣黏度的影響規(guī)律來看，該實(shí)驗(yàn)渣系條件下，CaO和MgO對爐渣黏度的影響規(guī)律非常相似。所以當(dāng)高爐由于大量使用外礦或自產(chǎn)低品位劣質(zhì)礦石等原因?qū)е聽t渣Al2O3含量升高時(shí)，適當(dāng)添加堿性熔劑，提高爐渣堿度或MgO含量，對改善爐渣流動(dòng)性具有顯著作用。

爐渣熱容和焓變隨堿度的變化關(guān)系分別如圖8和圖9所示。由圖8可知，隨著爐渣堿度的增加，爐渣熱容逐漸增大；溫度越高時(shí)，爐渣熱容有所降低。然而，從爐渣熱容的絕對值來看，在該實(shí)驗(yàn)條件下，無論是堿度變化還是溫度變化，對爐渣熱容的影響都十分有限。從圖9可知，不同溫度下的爐渣焓變隨著堿度的增大而降低，表明一定溫度下，相同質(zhì)量的爐渣所含熱量隨堿度增大而減少。從這個(gè)角度來說，高鋁渣堿度的增加不僅有利于降低爐渣黏度、改善爐渣流動(dòng)性，而且有利于減少高爐煉鐵過程中的能源消耗。

圖8 堿度對爐渣熱容的影響

圖9 堿度對爐渣焓變的影響

結(jié)束語

(1) 隨著MgO和堿度的增加，爐渣黏度逐漸降低，流動(dòng)性改善；隨著Al2O3含量的增加，爐渣黏度顯著增大。爐渣Al2O3含量增大導(dǎo)致流動(dòng)性惡化時(shí)，可適當(dāng)增大爐渣堿度或MgO含量來調(diào)整爐渣成分，改善爐渣流動(dòng)性。

(2) 爐渣熱容隨MgO、Al2O3含量和堿度的增加而增大，但相比于MgO和Al2O3對爐渣熱容的影響，堿度對爐渣熱容的影響幾乎可忽略不計(jì)。

(3) 爐渣焓變隨MgO和Al2O3含量的增加而增大，隨爐渣堿度的增大而降低。從高爐生產(chǎn)過程中能量利用的角度來看，MgO和Al2O3含量的增加在一定程度上將增大煉鐵生產(chǎn)的能量消耗，而堿度的適當(dāng)增大則有利于降低高爐系統(tǒng)的能源消耗。