流變特性對(duì)冶金渣纖維化過(guò)程的影響機(jī)理研究

張遵乾，宮娟，龍躍

(1.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院 河北 唐山 063210)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研工作者及鋼鐵企業(yè)越來(lái)越重視產(chǎn)量巨大的熔渣中所蘊(yùn)含的大量熱能，提出熔渣制備微珠的風(fēng)淬、旋轉(zhuǎn)杯破碎等?；绞絒1-3]，以及熔渣制備礦渣棉的噴吹、離心甩絲等纖維化處理方式[4-7]。干法?；?纖維化需要對(duì)熔渣調(diào)質(zhì)以滿足產(chǎn)品性能要求，但調(diào)質(zhì)后由于熔渣潛熱有限，調(diào)質(zhì)熔渣物化性能變化很大，而流變特性及其對(duì)?；?纖維化過(guò)程的影響的研究還很不充分。

在離心成纖的過(guò)程中，熔體液絲在拉伸階段發(fā)生斷裂進(jìn)而依靠表面張力收縮成球，是形成渣珠的一種重要途徑。同樣，在對(duì)液態(tài)高爐渣離心粒化或氣淬?；膶?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，微珠生成的同時(shí)會(huì)有大量的纖維產(chǎn)生。目前國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)調(diào)整熔渣組分、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤直徑或噴吹氣體體積流率等手段，可以改善產(chǎn)物中渣棉或渣珠過(guò)多的問(wèn)題[8-9]，以達(dá)到控制產(chǎn)品形態(tài)的目的。但熔渣纖維化和?；g轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)及其影響機(jī)理尚不明確，本文針對(duì)熔渣的非牛頓流體特性，從流體動(dòng)力學(xué)角度，分析了流變特性對(duì)熔渣纖維化過(guò)程的影響機(jī)理，為工業(yè)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)提供了理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本研究的主要原料來(lái)自某企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的紅土鎳礦礦渣，原料成分見表1，且現(xiàn)場(chǎng)原料中硅、鐵渣質(zhì)量比為18:2。此外，為對(duì)熔渣成分進(jìn)行調(diào)整以滿足適宜纖維化的要求，所添加的MgO、CaO以及SiO2均為化學(xué)分析純。

表1 原料成分/%Table 1 Components of raw materials

根據(jù)硅、鐵渣原始成分配比，并綜合考慮熔渣堿度等因素，通過(guò)添加或不添加MgO、CaO或SiO2的方式，按照表2中硅、鐵渣質(zhì)量百分比進(jìn)行成分調(diào)整，設(shè)計(jì)了No.1～No.6六組實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行了黏度實(shí)驗(yàn)。

表2 不同質(zhì)量比的實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Test scheme with different mass ratio

根據(jù)以上六組不同配比，第1、2、4、5組原料配比酸度系數(shù)為1.23，第3組酸度系數(shù)為2.3，第6組酸度系數(shù)為1.4。

1.2 黏溫特性實(shí)驗(yàn)

利用RTW-13型熔體物性綜合測(cè)定儀對(duì)不同配比方案的熔渣的黏度-溫度變化曲線進(jìn)行了測(cè)試，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 r/min（對(duì)應(yīng)剪切速率為70/s），測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 不同實(shí)驗(yàn)方案的熔渣的黏度-溫度變化曲線Fig. 1 Viscosity-temperature curve of slag with different test schemes

熔渣的黏度μ是影響其纖維化的主要參數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，熔渣適宜成纖的黏度范圍在1～3 Pa·s，根據(jù)黏度曲線可以看出：第2組和第4組配比條件下，黏度—溫度變化曲線在1～3Pa·s黏度區(qū)間的溫度跨度很大，分別為135℃和120℃，即熔渣適宜成纖的溫度區(qū)間較寬，適宜成纖生產(chǎn)。在原料酸度系數(shù)不變條件下，可以全部用CaO替代MgO，或者用CaO替代一半的MgO。

1.3 非牛頓流體特性實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)定熔渣是否具有非牛頓流體特性，再次利用RTW-13型熔體物性綜合測(cè)定儀，設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速分別為150 r/min、100 r/min和50 r/min(對(duì)應(yīng)剪切速率分別為53/s、35/s和18/s）。對(duì)實(shí)驗(yàn)方案為No.2熔渣分別在黏度為1Pa·s 的溫度點(diǎn)1489℃（No.2A）、黏度為3Pa·s 的溫度點(diǎn)1353℃（No.2C）以及中間溫度點(diǎn)1421℃（No.2B）進(jìn)行黏度測(cè)試；對(duì)實(shí)驗(yàn)方案為No.4的熔渣分別在黏度為1Pa·s 的溫度點(diǎn)1408℃（No.4A）、黏度為3Pa·s 的溫度點(diǎn)1288℃（No.4C）以及中間溫度點(diǎn)1348℃（No.4B）進(jìn)行黏度測(cè)試，對(duì)應(yīng)的黏度值見圖2。

圖2 不同剪切速率下熔渣的黏度值Fig. 2 Viscosity of slag at different shear rates

從圖2可以看出，在剪切速率由18/s增大到70/s的過(guò)程中，兩組熔渣黏度均隨剪切速率的增大而逐漸減小，呈現(xiàn)剪切變稀性質(zhì)的非牛頓流體特性。區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)方案為No.4的熔渣在高溫時(shí)剪切變稀性質(zhì)比No.2的熔渣弱，而在低溫區(qū)，熔渣黏度較大時(shí)，其剪切變稀性質(zhì)比No.2的熔渣強(qiáng)。

2 流變特性影響機(jī)理研究

熔渣的?；?纖維化分解是熔渣物性與外力耦合作用的結(jié)果。從熔渣黏溫曲線上來(lái)看，“長(zhǎng)渣”適用于制備礦渣纖維，如實(shí)驗(yàn)方案No.2和No.4；“短渣”適用于制備礦渣微珠，如實(shí)驗(yàn)方案No.1、No.3和No.5。熔渣破碎后在慣性及離心作用下逐漸拉伸變長(zhǎng)變細(xì)，熔體液絲的黏性與表面張力對(duì)穩(wěn)定性的影響都不容忽視。從熔渣物性方面考慮。反映熔渣物性的兩個(gè)主要參數(shù)韋伯?dāng)?shù)We、奧內(nèi)佐格數(shù)Oh，主要與流體流動(dòng)特性與流體動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性有關(guān)，分別見公式（1）、（2）[8-9]。

式中ρ——熔渣密度，kg/m3；

σ——表面張力，N/m；

μ——熔渣黏度，Pa·s；

v——熔渣流速，kg/s；

Re——雷諾數(shù)；

R——輥輪半徑，m。

對(duì)于黏性、不可壓縮流體流動(dòng)，其連續(xù)性方程與動(dòng)量方程的無(wú)量綱形式可以表示為[10]：

式中u——速度矢量；

p——壓力；

δ——表面張力系數(shù)；

K——平均曲率；

n——自由表面法線方向。

無(wú)量綱形式的控制方程表明Oh數(shù)是影響流體細(xì)絲松弛動(dòng)力學(xué)的重要參數(shù)，并且當(dāng)Oh數(shù)超過(guò)某一臨界值時(shí)，熔體液絲的斷裂不再發(fā)生。而Oh數(shù)表明熔體液絲破碎過(guò)程中黏性與慣性和表面張力的相對(duì)重要性，這也就說(shuō)明黏性和表面張力在很大程度上影響了熔體液絲的破碎。但這兩個(gè)參數(shù)在熔體液絲破碎過(guò)程中所起的作用與在熔體薄膜破碎過(guò)程中所起的作用不同，對(duì)于熔體液絲的破碎，黏性起阻礙作用，表面張力起促進(jìn)作用。因此當(dāng)Oh數(shù)大于某一臨界值時(shí)會(huì)抑制纖維的斷裂。

從與制備工藝直接相關(guān)的外力作用來(lái)說(shuō)，需要考慮熔渣流變特性的影響。在利用四輥離心機(jī)制備礦渣纖維過(guò)程中，纖維拉伸示意圖見圖3。

圖3 纖維拉伸示意圖Fig. 3 Schematic diagram of fiber drawing

從礦渣纖維開始拉伸到經(jīng)過(guò)時(shí)間t之后，應(yīng)變速率 可以表示為：

一般認(rèn)為端部液滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和以輥輪半徑R為基圓的漸開線一致[11]，見圖4。

圖4 纖維端部液滴跡線Fig. 4 Fiber head droplet pathline

3 結(jié)論

（1）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)紅土鎳礦礦渣，通過(guò)添加不同配比的MgO、CaO對(duì)其調(diào)質(zhì)以制備礦渣纖維，利用黏度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量比滿足實(shí)驗(yàn)方案No.2（硅渣:鐵渣:CaO=18:2:9）或者實(shí)驗(yàn)方案No.4（硅渣:鐵渣:MgO:CaO=18:2:4.5:4.5）時(shí)，調(diào)質(zhì)渣適宜成纖的溫度區(qū)間較寬，分別達(dá)到135℃和120℃，較適宜進(jìn)行纖維化實(shí)驗(yàn)。

（2）分別對(duì)實(shí)驗(yàn)方案No.2和No.4的調(diào)質(zhì)渣進(jìn)行非牛頓流體特性的測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：兩組熔渣黏度均隨著剪切速率的增大而逐漸減小，即呈現(xiàn)剪切變稀性質(zhì)的非牛頓流體特性；實(shí)驗(yàn)方案為No.2的熔渣在高溫時(shí)剪切變稀性質(zhì)比No.4的熔渣強(qiáng)，在低溫區(qū)，其剪切變稀性質(zhì)比No.4的熔渣弱。

（3）基于流體動(dòng)力學(xué)理論，利用自由拉伸的液絲的方法研究了流變特性對(duì)熔渣纖維化過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)由于剪切變稀特性引起的黏度降低會(huì)使熔渣成纖過(guò)程中的穩(wěn)定性降低，即隨著溫度的降低，剪切變稀特性較強(qiáng)的No.4熔渣成纖效果會(huì)變差，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)方案為No.2的熔渣更適宜進(jìn)行纖維化生產(chǎn)。