D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2000.05.012 第22卷第5期 北京科技大学学报 Vol.22 No.5 2000年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2000 CaO-MgO-MnO-FeO-CaF2-Al2OSiO2 渣系粘度的计算模型 李金锡 张鉴 北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要依据炉渣结构的共存理论与不同温度和成分下熔渣CaO-MgO-MnO-FeO-CaF,-Al,O- SO,的实测粘度制定了本渣系作用浓度和粘度的计算模型.计算结果符合实际，证明作用浓度 计算模型可以反映本渣系的实际结构；粘度模型也正确地反映了本渣系粘度与温度及各结构 单元作用浓度的正确关系， 关键词共存理论：结构单元：作用浓度 分类号T044.6 文献标识码：A 埋弧精炼渣具有良好的精炼能力，被广泛 CaF2,CaO.Mgo.SiO2,3CaO.Al2O3,12CaO.7 应用于电弧炉治炼和炉外精炼中.埋弧精炼渣 Al2O3,CaO.2Al,O,,CaO6Al2O,,3ALO,2SiO2, 往往是多元系高碱度的炉渣，其物理性质对炉 3Ca0·SiOz,Ca0·Mg0.2Si02,2Ca0.Mg0 渣的精炼能力具有十分重要的影响.但由于测 ·2Si02,3CaO-Mg0·2Si0z,Ca0·Al,0,2Si0z, 量炉渣物理性质的困难，对多元渣系物理性质 2CaO.Al2O,SiO2,MnO.Al2O,MnO-SiO2,2 Mn 方面的研究报道较少，因此制定这方面的炉 O.SiO2,FeO-AlO3,2FeO-SiOz. 渣物理性质模型很有必要. 1.2作用浓度计算模型 CaO-MgO-MnO-FeO-Al,0,-SiO:CaF2渣系 令熔渣的成分为b:=∑xco,b2=∑xMo, 的成分接近于精炼渣系的成分，建立该渣系的 b,=ExMh0,b4=∑xfo,b,=∑xcs,a1=∑xuo, 粘度计算模型不仅可以进行炉渣粘度的估算， a2=xso；平衡时的作用浓度为 而且可以探讨影响炉渣粘度的各因素之间的关 N=Nco,N2 NMgo N3 NMo,N NRo 系，为改进埋弧渣的性能提供理论基础 Ns Ncar,,Ns NALO,,N=NsIo,,Ns Noo-sio., 1结构单元和作用浓度的计算模型 N=NMgo-so.,No Nco-ALO,N:=NMgo-Aio. Nz=N3CO-ALO.CaF,N3=Naco-so.,Nu=NaMgo-so, 1.1结构单元 Nis=Nico-TALO.coF.Ns=Nco-Mgo-so.N=Nco-AL. 本着熔渣化学结构决定其物理性质的原则， Ns=Nico-TLO.,Ns=NCo-2A0.N2o=NCo-sALO., 在制定粘度计算模型之前，首先制定本渣系的 N=NiALO.20.N=N3Co-Sio.N2=NCo-Mgo-2s. 作用浓度计算模型 N24=N3C0.Me02Si0,N6=Nc0-A02Si0,N2xC0A0,-50, 根据炉渣结构的共存理论1，查阅CaO- Na=NMO-ALO N2=NMpo-Sio.No=NZMno-so.,Na1= Al0g-Mg0-Si02、CaO-Al0,CaF2、CaO-MnO- Noo.,N2=Nros5io,∑x=平衡总摩尔分数.则 SiO2,CaO-FeO-SiO,等相图，确定本渣系的结构 有化学平衡 单元为 (Ca2+O2)+SiO2(=CaO.SiO Ns=KiN:N(1) 简单离子：Ca,Mg,Mn2,Fe2F-,O2-. △G=-81416-10.498T,J/mol 分子化合物：Al2O3,SiO2,Ca0·SiO2,Mg0. (Mg"+O-)+SiOx)=Mgo-SiOx N=K2N2N(2) SiO2,CaO-AlO,Mg0·Al,O,3CaO·3Al0 △G9=-36425+1.675T,J/mo11 CaF2,2CaO.SiO2,2MgO-SiO2,11Ca0.7Al2O, (Ca2+02-)+Al2O3=CaO.Al,Ox) N1o=K3N;Ns (3) 2000-01-26收稿李金锡男，26岁，顾士 △G9=-18120-18.62T,J/mol
第 22 卷 第 5期 2 00 年 1 0月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u nr a lOf U n扮 e sr iyt o f cs i e n c e a n d l艳c h n o l o yg B eij ni g 从】 IJ Z N 0 . 5 O C L 2 000 C a O 司竹 9 0 一执厦n o 一 e o 一C a F Z , A 1 2 O 犷 5 10 2 渣系粘度 的计算模型 李金锡 张 鉴 北京科技大学冶金学院 , 北京 10X() 83 摘 要 依据 炉渣 结 构的 共存 理论 与不 同温度 和成 分下熔渣 C a o -] 功匹卜M n C 卜F e C卜C aF 厂A 1 2 0 犷 is q 的 实测粘 度制 定 了本渣 系作 用浓 度和 粘度 的计 算模 型 . 计 算结 果符 合 实际 ,证 明作用 浓度 计算模 型可 以反 映本渣 系 的实 际结构 ; 粘 度模 型也 正确 地反 映 了本渣 系粘度 与温 度及各 结构 单元作 用浓 度 的正 确关 系 . 关键 词 共存 理 论 : 结 构单 元 : 作 用浓 度 分类 号 T O 科.6 文献标 识码 : A 埋弧精炼 渣具有 良好 的精 炼能力 , 被广泛 应用于 电弧炉冶炼和 炉外 精炼 中 . 埋弧精炼渣 往往 是多元系高碱度 的炉渣 , 其物 理性质对炉 渣 的精 炼能力具 有 十分重 要的影 响 . 但 由于 测 量炉 渣物 理性质 的 困 难 , 对 多元渣 系物理性质 方面 的研 究报道较 少 【冈 , 因此制 定这方面 的炉 渣物理 性质模 型很有必 要 . C a o 卜 M g C 卜M n C 卜F e C卜 A 1 2 0 二5 10 2曰 C aF Z渣系 的成分接近于 精 炼渣系 的成分 , 建立该渣 系的 粘 度计算模 型不仅 可 以进 行炉渣粘 度 的估 算 , 而且可 以探讨影 响炉渣 粘度的各因 素之间 的关 系 , 为改进埋弧渣 的性 能提供理论 基础 . 1 结构单元和作用 浓度 的计算模型 L l 结构单元 本着熔渣化学 结构决定 其物理 性质 的原 则 , 在制定粘度 计算模型之 前 , 首先制定本渣 系的 作用浓度 计算模型 . 根据炉渣 结构 的共 存理论 【不 5] , 查 阅 C a C卜 A 1 2 0 3一M g ( ) 5 10 2 、 C a o 卜 A 1 2 0 3一 C aF Z 、 C a o 卜N n[ ( ) 51 0 2 , C a C 卜 Fe o 一 51 0 2 等相 图 , 确 定 本渣系的 结 构 单元为 简单离 子 : C a , + , M 扩 + , M n Z+ , F e , + , F 一 , 0 ,一 分子化 合物 : A 1 2 o , , 5 10 2 , C ao · 5 10 2 , M g o · 5 10 2 , C a O · A 1 2 0 3 , M g o · A 1 2 0 3 , 3C a o · 3 A 1 2 0 , · C a F Z , ZC a O · 5 10 2 , Z M g O · 5 10 2 , 1 I C a o · 7 A 1 2 0 3 ` 2 00 -0 01 一 2 6 收稿 李金锡 男 , 26 岁 , 硕士 C aF Z , C aO · M g O · 5 10 2 , 3 C a O · A 1 2 0 3 , 12 C a 0 · 7 A 1 2 0 3 , C a o · 2A 1 2 0 3 , C a o · 6A 1 2 0 3 , 3 A 1 2 0 3 · 2 5 10 2 , 3 C a o · 5 10 2 , C a o · M g o · 2 5 10 2 , Z C a o · M g o · 2 5 10 2 , 3 C a O · M g o · 2 5 10 2 , C a o · A 1 2 0 3 · 2 5 10 2 , ZC a o · A 1 2 0 , · 5 10 2 , M ll 0 · A 1 2 0 3 , M h o · 5 10 2 , 2 M i l 0 · 5 10 : , Fe o · A 1 2 0 3 , ZF e o · 5 10 2 . 1.2 作用 浓度计算模型 令 熔 渣 的 成 分 为 b , = 艺枷 , b Z = 艺翔。 b 3 = 艺戈 M On , b ; = 艺寿` , b s = 艺工C aF 二 , a , = 艺戈人Lq , 伪 一 艺xs ` 平衡 时的作用浓度为 凡 = 从田 , 从 一 编四 , 凡 = 刀漏。 , 风 = 林阅 , 丛 二 从叭 , N6 二 凡 卜。 , , 凡 = Ns 。 , Ns = 从加 . isq , 凡 一 编四 isa 凡 。 二 从叨 . IA。 , 筑 , 一 编四 . 、 。 , 凡 : 一 凡的 . 3^ 呱 caF 凡 3 一 从cao isa , 凡 4 二 从卿 . isQ , 凡 5 = 凡 I C o 7 o caFJ , 凡 6 = 从` ` goM ` s 。 凡 : = 凡cao . 、 。 , 凡 。 = 凡 Z c o . 7 、 、 , 凡 , = 入乙 。 , 以 。 , 从 。 一 从阅 . * 八 , 从 , 一 从、 、 25 1, , 从 : 一凡cao . isa , 从 」一 从` . 卿 . 25 。 , 瓜 一 从的 . 卿 . is2 q , 从 ` = Nc ao 、 、 s2 心 , 从 c ao 朋 , ias , 从 8 = 编 阅 . 。 、 , 从 , 一 瓜阅 . isa , 凡 。 = 从施。 . isa , 凡 1 = 解。 。 , 瓜 二 从 F司 t isa , 艺x 二平衡总摩尔分数 . 则 有化学平衡 : (C 扩 + + 0 2一 )( . +) 5 10 2( . ) = C a O · S i0 sz( ) 从 = K ,抓 凡 ( l ) △ G护= 一 8 1 4 16 一 1 0 . 4 9 8 T, J /m o l [ ` 〕 (M才 + + 口 一 ) 。 +) 5 10 2。 = M g o · 5 10 2 (s) 凡 = 凡从凡 ( 2 ) △研 = 一 3 6 4 2 5 + 1 . 6 7 5 ,T J /m o l 〔, , ( C扩+ 0 2一 ) 《 .汁A儿0 3 (。 = C a o · A 1 2 0 3(s) 凡 。 = 凡筑从 (3 ) △必 = 一 1 8 12 0 一 18 . 6 2 T, J/m o l [ 4 ] DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 05. 012
Vol,22 No.5 李金锡等：CaO-MgO-MnO-FeO-CaF:-Al,O-SiO2渣系粘度的计算模型 ·439· (Mg"+O2-)+A12Ox)=MgO.Al2O30 △G%=-315469+24.786T,J/mol Nn=KiN2Ns (4) (Ca2*+02-)0+Al20+2Si02w= △G9=-35530-2.09T,J/mo1劉 CaO.Al2O32SiOz0)N26=KiNINN (19) 3(a2+02-+3A1,0+Ca2+2F-)= △G8=-13816.44-55.266T,J/molw 3CaO.3Al,O3CaF2 Ni2=K;NANN, (5) 2(Ca2+O2-)+Al2Ox+SiOx= △G9=-44492-73.15T,J/mol9 2CaO·Al,O,·SiO2oNm=KwNN,W, (20) 2(Ca2+02)+SiO20=2CaOSiOx) △G8=-616964.64-60.29T,J/mo1w Nus=KoNRN, (6) (Mn2+O2-)+Al2O3=MnOAl2O3 △G8=-160431+4.106T,J/mo N3=KaN3N6 (21) 2Mg2*+02-)+Si02a=2Mg0-Si0x △G=-45116+11.81T,J/mol Nu=KNiN] (7） (Mn2*+02-)o+Si0w-Mn0·Si02 △G9=-63220+1.884T,J/molo N=KN3N (22) 11(Ca2*+02-)t7Al0+(Ca2*+2F-)= △G9=-30013-5.02T,J/mol 11Ca.7AlO,CaF2 Nis=KiNI'NINs (8) 2(Mn2+O2-)+SiO2)=2MnO.SiOx) △G8=-228760-155.8T,J/mol: N32=K2sN3N, (23) (Ca2*+02-)otMg*+02-)a+Si0o= △G=-86670+16.81T,J/mol CaO-Mg0·SiO2w Nis=KoN N2N] (9) (Fe2*+O2-)+Al2Ox=FeO.Al2Ox △G8=-124766.6+3.768T,J/mol图 Na=K2NNs (24) 3(Ca2*+02-)o+Al0o=3Ca0·Al20 △G=-33272.8+6.1028T,J/mola Nin=KioNINs (10) 2Fe2*+02-)t(Si02)=(2Fe0.Si0,) △G%=-17000-32T,J/mol N=KnNiN (25) 12(Ca+O2-)+7Al2O3a=12Ca0·7Al,0 △G8=-28596-3.349T,J/mo19 Nis=KnNING (11) 物料平衡： △G=-7(12300+29.3T),J/mo1 2 N,=1 (26) (Ca2*+O2-)m+2Al20a=Ca0·2A10o b1=x0.5N1+N+No+3N2+2N1+ Nio=KnaN N (12) 11N1s+W16+3N,+12N1a+N1g+W0+3W2+ △G8=-16400-26.8T,J/mo1 N3+2N4+3Ns+N6+2Nn) (27) (Ca2*+02-)+6Al203a=Ca0·6Al,0w b2=x(0.5N2+N+N+2N4+Ni6+ N20=KiN N (13) Na+N2+N2s) (28) △G=-17430-37.2T,J/mo1 b,=2x(0.5N+No+N1+2N2) (29) 3Al2Ox+2SiO2=3A12O,2SiO2) b=2x(0.5N+Na+2N2o) (30) N21 K14NN3 (14) bs=Ex(1/3Ns+Ni2+Nis) (31) △G4=-4354.27-10.467T,J/mol1 a:=Ex(Ns+Nio+Nn+3N:2+7Nis+ 3(Ca2*+02-)o+Si02o=3Ca0.Si02w N1,+7N1g+2N19+6Wo+3N21+Ws+ Nn=KisNAN] (15) N2]+Nz+N3o) (32) △G=-93366-23.027T,J/mo az=Ex(N,+N:+N,+Ni+Nu+ (Ca2“+02-)+(Mg°+02-)+2(Si02)= Ni6+2N2:+Na+2W2+2W2a+2Ns+ (CaO-MgO.2SiO2)N=K16N NN (16 2N2+Nz+Nz9+N31+N32) (33) △G=-80387-51.916T,J/mo1 由式(27)和(29)得： 2(Ca2*+02-)Mg2*+02-)+2(Si02)= b,(0.5N+N0+N0+2N2)-b,(0.5N:+Ws+No+3Nz+ (2CaO.Mgo-2SiO2)N2=KiNN2N (17) 2W1,+11N1s+N16+3N,+12N1s+ △G8=-73688-63.639T,J/mol N1g+N0+3Na+N2a+2N4+3Ns+N2%+2Nn)=0(34) 3(Ca2*+02-)+Mg2*+02-)+2Si0,)= 由式(28)和(29)得： (3CaO.Mg0-2SiO2)N2s=KiMNNG (18) b(0.5N+N0+N1+2Nz)-b(0.5N2+N,+
从】L2 2 N 0 . 5 李 金锡 等 : C a -O M g( 卜Nn[ 0卜 F e o 卜C aF -r A 1 2 0 犷 5 10 : 渣 系粘度 的计 算模型 一 43 9 - (M g Z件 0 ,一 )+(s) A h 0 3 (。 = M gO · 1A 2 O 3 (s) 凡 1 = 4K 从从 △ G拿= 一 3 5 5 3 0 一 2 . 0 9 T, J/m o l ` 8 ] 3 ( C犷+ 0 2一 ) + 3A 1 2 O 3+ ( C a Z + ZF 一 )= 3 C a O · 3 A飞0 3 · C aF Z 凡 2 = 凡州从从 △ G罗= 一 4 4 9 2 一 7 3 . 1 5 ,T J /m o l [ , 〕 2 ( C扩 + + 0 2一 ) s( +) 5 10 2 s() = ZC a o · 5 10 2 ( . ) 筑 3 = 凡研怂 △嵘 = 一 16 0 4 3 1 + 4 . 1 0 6 T, J/m o l [ 4〕 2 (M才+ 0 , 一 )+.() 5 10 、 。 = ZM g o · 5 10 , , ) 凡 4 二 凡从凡 △研 = 一 6 3 2 2 0 + 1 . 8 8 4 T, J /m o l [ , ] 1 1 (C aZ + 0 2一 ) + 7 A LO 3+ ( C aZ + ZF 一 ) = 1 I C a · 7 A 1 2 0 3 · C aF : 凡 5 = 凡川 ’从从 △ G拿= 一 2 2 8 7 6 0 一 15 5 . 8 T, J/m o l [ 5; ( C aZ + + J 一 )+()t (M g Z坏 0 , 一 ) ( +5) 5 10 2 ( . )= C a o · M g o · 5 10 2( 。 ) 凡 ` = 凡凡从凡 △ G罗= 一 12 4 7 6 6 . 6 + 3 . 7 6 8 T, J /m o l 〔 8〕 3 ( C扩 + + 0 2 一 ) ( +s) A 1 2 0 3《 。 ) = 3 Ca o · A 1 2 0 3 筑 : = 凡 。州从 △ G晃= 一 1 7 0 0 0 一 3 2 ,T J/m o l [ 4 { 12 ( C aZ + + 0 2一 ) 《 . +) 7 A 1 2 O 3( : )= 12 C a o · 7 A 1 2 0 、 . ) 筑 : = 凡 ,州 2从 △ G异= 一 7 ( 12 3 0 0 + 2 9 . 3 T ) , J/m o l : 4〕 (C aZ + 0 2一 ) (s) + 2 A 1 2 0 3( 。 ) = C a o · 2 A 1 2 0 3( 。 ) 凡 9 = 凡 2抓瞬 △ G几= 一 16 4 0 0 一 2 6 . 8 T, J /m o l [ 4〕 ( C扩+ 0 2一 ) ’ ( +) 6 A 1 2 O 3 ( . )= C a O · 6 A 1 2 O 3` 。 ) 从 。 = 凡 3凡瞬 △ G名= 一 1 7 4 3 0 一 3 7 . 2 ,T J /m o l [ 4二 3 A 1 2 O 3(s) + 2 5 10 2s( )= 3 A h 0 3 · 2 5 10 2( : ) 从 , = 凡 4从研 △G 乳= 一 4 3 54 . 2 7 一 10 . 4 6 7 T, J/m o l [ 4〕 3 ( C a+2 + 0 2一 ) ( 。 +) 5 10 , 。 ) = 3 C a o · 5 10 2 ( 。 ) 从 : = 凡 S N I凡 △ G孔= 一 9 3 3 6 6 一 2 3 . 0 2 7 T, Jm/ 0 1 : 4: ( C扩 + + 0 , 一 ) + (M宫+ 0 , 一 ) + 2 ( 5 10 2 ) = (C a o · M g o · 2 5 10 2 ) 从 , = 凡 6筑从研 △ G晃= 一 8 0 3 8 7 一 5 1 . 9 1 6 T, J /m o l [ 4〕 2 ( C扩 + + 0 , 一 ) + (M 才+ 0 , 一 ) + 2 ( 5 10 2 ) = ( ZC aO · M g o · 2 5 10 2 ) 从 4 = K 17研从所 △ G异= 一 7 3 6 8 8 一 6 3 . 6 3 9 T, J /m o l [ 4: 3 ( C扩+ 0 2一 ) + (M扩+ 0 2一 ) + 2 ( 5 10 2 ) = ( 3 Ca o · M g o · 2 5 10 2 ) 从 , = 戈 : 所从所 (4 ) ( 1 9 ) ( 5 ) ( 2 0 ) ( 6 ) ( 2 1) ( 7 ) ( 2 2 ) ( 8 ) ( 2 3 ) ( 9 ) ( 2 4 ) ( 10 ) ( 2 5 ) ( 1 1 ) △ G 几= 一 3 1 5 4 6 9 + 2 4 . 7 8 6 T, J /m o l 阵〕 ( C扩+ 0 2一 ) 伺+ A h O 3 ( +5) 2 5 10 2《。 = C aO · A LO 3 · 2 iS O s2( ) 从 。 = 凡 ,凡从研 △ G孔= 一 1 3 8 16 . 4 一 5 5 . 2 6 6 T, J/m o l { 4〕 2 ( C a Z十 + J 一 ) ` : +) A 1 2 0 3 +s() 5 10 2 ( 。 )= Z C a O · A 12 0 3 · 5 10 2 ( s ) 从 7 = 心研从凡 △?0G = 一 6 16 9 64 . 6 4 一 6 o . 2 9 ,T J /m o l `[〕 (M nZ + + 口 一 ) 《 . +) A 1 2 0 3 s(尸 N n[ O · A 1 2 0 3《 。 ) 凡 。月叽 〕凡从 △璐 = 一 4 5 1 16 + 1 1 . 8 1 ,T J /m o l [ 6〕 (M n Z+ + 口 一 )+.() 5 10 2 s( )= M n o · 5 10 2 ( , 》 凡 , 一 凡 礴凡凡 △ G氛= 一 3 0 0 1 3 一 5 . 0 2 T, J/m o l [ 3」 2 (M五 2 + + 0 , 一 ) 《 : +) 5 10 2 ( . ) = ZM n o · 5 10 : . ) 凡 2 ~ 凡 5稀凡 △ G晃= 一 8 6 6 7价 16 . 5 1 T, J /m o l [ , 〕 ( F e Z + 0 2一 ) + A 1 2 O 3(。 = Fe o · A 1 2 0 、 s) 从 . = 凡 1从从 △璐 = 一 3 3 2 7 2 . 8 + 6 . 10 2 8 T, Jm/ 0 1 [ , ] 2 (F e Z+ + 0 2一 ) + ( 5 10 2 ) = ( ZF e o · 5 10 2 ) 刃污二 凡 2刀军刀} △ G聂= 一 2 8 5 9 6 一 3 . 3 4 9 T, J/m 0 1 [ ,〕 物料 平衡 : 3 2 Z 从 = 1 了. 1 ( 2 6 ) ( 12 ) ( 1 3 ) ( 14 ) ( 1 5 ) ( 16 ) ( 17 ) ( 18 ) b : = 公( 0 . 5凡+ 从+ N ) 。 + 3凡 2+ 2凡 3+ 1 1凡 s七 N l` + 3凡 7 + 12凡 : + 刃 , 9+ NZ o+ 3从 2+ 从 3+ 2N2 4 + 3丛 s十从 ` + 2从 , ) ( 2 7 ) b : = 公( 0 . 5从十凡土N ) 1+ 2N 14 十刃 】6+ 从 3+ 从 4+ N2 5 ) ( 2 8 ) b , = 众( 0 . 5凡+ 凡 。十丛 1 +2 凡 2 ) ( 2 9 ) b 。 = 众( 0 . 5从+ 刃乏 : + 2从 , ) ( 3 0 ) b , = 众( l /3凡王M Z王N i s ) ( 3 1) a , 二 众(从+ 凡 。+ 凡 : +3 凡 2+ 7 N i s+ 筑 7 + 7凡 。+ 2凡 , + 6从 。+ 3从 l+ 从 6+ 从 , + 从 。 + 从 。 ) ( 3 2 ) 场 二 众(瑟十从 + 从+ 刃 13七 N , 4+ 凡 。+ 2N2 , + 从 2+ 2从 3+ 2从 4+ 2从 5+ 2从 6+ 从 , + 从 , + 从 , 十从 2 ) ( 3 3 ) 由式 ( 2 7 )和 ( 2 9 )得 : b , ( 0 . 5凡十从 。+ 凡 。+ 2从 2 )一 b 3 ( 0 . 5筑」W`王N 】。+ 3凡 2+ 2 N 13+ 1 1凡 5+ N 16+ 3凡 7+ 1 2N i : + 筑 , + 从 。+ 3从 2洲叭 J+ 2从 4+ 3从 5+ 从 ` + 2从 7 ) = O ( 3 4 ) 由式 ( 2 8 )和 ( 2 9 )得 : b Z ( 0 . 5凡+ 凡 。+ 从 , + 2凡 2 ) 一 b 3 ( 0 . 5从+ 凡+
·440· 北京科技大学学报 2000年第5期 N1,+2N4+N6+N2+N24+N2s)=0 (35) 型，利用此模型即可计算不同温度和成分下本渣 由式(29)和(30)得： 系各结构单元的作用浓度，为制定粘度计算模型 b(0.5N+No+N1+2N2)一b(0.5N,+Nw+2N)=0 准备条件. (36) 2粘度的计算模型 由式(29)和(31)得： b(0.5W3+No+N3+2N2)一b(1/3N+M2+Ns0 将不同温度和成分下计算的CaO-MgO- (37) MnO-FeO-CaFz-Al.O,-SiO2渣系各结构单元作 由式(29)和(32)得： 用浓度与相应实测粘度两联系起来，在分析比 a(0.5N,+No+N1+2N2)-b(N6+No+ 较前人研究粘度经验的基础上，采用Arrhen-. N1+3N2+7N1s+W,+7N1+2N1+6N0+ ius方程回归得下列粘度的计算模型： 3N1+N6+N2,+Nw+No)=0 (38) 7=Ae[三AN+宁BN] (40) 由式(29)和(33)得： 其中：A。=exp(-169.06);N,为各结构单元的作 a(0.5N,+No+N1+2Nz)-b(N,+N+N,+ 用浓度（摩尔分数）；n=32. N,+W4+N16+2N21+Wn+2Wa+2Nw+ 所得具体回归参数如表1所列(Ns,N1,N0 2N2s+2N26+Nm+No+N1+N2)0 (39) 和N由于数值小于10°，回归中未予考虑).表 以上式(1(25)及式(26)，(34)，(35)，(36)， 中简化符号为：CCaO,Mg-MgO,Mm一MnO, (37),(38)和(39)即为本渣系的作用浓度计算模 Fe-FeO,F-CaF2,A-Al2O3,S-SiO2. 表1CaO-MgO-Mn0-Fe0CaFr-A山，O-SiO,渣系粘度计算模型中的回归参数 Table 1 Regressed parameters of viscosity calculating model for CaO-MgO-MnO-FeO-CaF:-Al,O,-SiO,slag melts 结构单元 B 结构单元 A B C 109.18 346699.9 16 CMgS 19256.34 6.941×10 2 Mg 591.98 -1.7438×10 17 C3A -13517.19 2.95686×10 3 Mn -208.087 599141.8 19 CA2 25898.17 -7.07889×10 4 Fe -3640.23 2.41×10 22 C3S 11492.23 2.9967×10 5 F -29.486 349779.8 23 CMgS2 2255.324 -1.6194×10 6 A 509.574 -4.619×10 24 C2MgS2 3.023×106 -1.605x10 7 S 936.67 -2.887×10 25 C3MgS2 95627.31 -1.5155×10 8 cS 931.342 4.2544×10° 26 CAS2 -640675.2 1.3492×109 9 Mgs 1388.589 1.6205×10 27 C2AS -42836.52 -1.16996×10 10 CA 4158.642 5.5184×10° 28 MnA -8530.272 -1.8965×10 11 MgA 6412.719 -1.3509×10 29 MnS 983.7824 946802.9 12 C3A3F 1.4323×10 3.20344×109 30 Mn2S -3557.066 5.9775×10° 13 C2S -1487.742 -3.352×10° 31 FeA 145911.6 -4.73876×10 14 Mg2S -5134.883 1.861×10 32 Fe2S -145115.3 -3.02068×10 回归平方和U=13.01;剩余平方和2= 3.0 0.3093:显著性检验F=25.55:相关系R= 2.5 0.988325.适用该渣系的成分范围：Ca03.0%~ 2.0 1593-1973K 56%;Mn00-40%;Fe00-2.0%;CaF20-54%; 1.5 Al,033%26%;Si024%47%;碱度0.1~14.3. 1.0 温度范围：1593-1973K.粘度单位为Pas. 0.5 0.0 3计算结果及讨论 0.00.51.01.52.02.53.0 n/Pa-s 图1计算与实测粘度的比较 图1中为用式(40)计算的粘度与实测粘度 Fig.1 Comparison of calculated and measured viscosities 的对比，从中看出粘度计算值与实测值湖能够较 (nc-calculated,n-observed
北 京 科 技 大 学 学 报 20 0 年 第 5期 凡 1+ ZN i 4王N ) 6+ N 乏 3+ 从 ; + 刀乏 5 )= 0 ( 3 5 ) 由式 ( 2 9 )和 ( 3 0 )得 : b式0 . 5凡+ 从 。 + 从 l+ 2从 2 )一 b , ( 0 . 5从+ 从 。+ 2入味) = 0 ( 3 6 ) 由式 ( 2 9 )和 ( 3 1 )得 : b , ( 0 . 5凡+ 刃i 。 + 从 l + 2凡 2 ) 一 b 3 ( l /3丛王 N 12+ N 15 )=() ( 3 7 ) 由式 ( 2 9 ) 和 ( 3 2 ) 得 : a , ( 0 . 5凡+ 刀i 。+ 从 1+ 2凡 2 )一 b 3 Ne( + N lo + 凡 1+ 3从 2+ 7N 15 王N 注7 + 7凡 s+ ZN I , + 6从 。 + 3从 l + 从 6 + 从 7+ 从 : + 凡 。 ) = 0 ( 3 8 ) 由式 ( 2 9 ) 和 ( 3 3 ) 得 : a Z ( 0 . 5从+ 从 。 十N i , + 2凡 2 ) 一 b 3 N(7 + 从+ 风+ 凡 3+ N i 4+ N 】6 + 2从 ,石叭 2 + 2从 , + 2从 4 + 2从 5+ 2从 6+ 从 7+ 从 , + 从 , + 丛 2 )司 ( 3 9 ) 以上式 ( l 卜 ( 2 5 ) 及 式 ( 2 6 ) , ( 3 4 ) , ( 3 5 ) , ( 3 6 ) , ( 3 7 ) , ( 3 8 )和 ( 3 9 ) 即 为本渣 系的作用浓度 计算模 型 . 利用此模型 即可计算不 同温度和成分 下本渣 系各 结构单元 的作用浓度 , 为制定粘度计算模 型 准 备条件 . 2 粘度 的计算模型 将 不 同 温度 和 成 分 下 计 算 的 C a o 后M g -O M n o 卜 Fe o 曰 C aF 厂A 1 2 O -3 is O Z 渣 系 各 结构 单 元 作 用 浓度 与相 应实测粘度 7[,8] 联系起来 , 在分析 比 较 前人研 究粘 度经验 的基础上卜` 1] , 采 用 A n 七e n - ius 方程 回归得下 列粘度 的计算模 型 : , 一 oeA xP 哄 法 , 侍睿 , , 」 (40) 其 中 : A 。 二 e xP (一 16.9 0 6) ; 凡 为各 结构单元 的作 用浓度 (摩尔分数 ) ;n = 32 . 所得 具 体 回 归参 数如 表 1所 列 l(N 5 , 凡 : , Nz0 和 从 , 由 于 数值 小于 10 一 10 , 回归中未予 考 虑 ) . 表 中简化 符号为 : C e - C a O , M g 一M g O, N山 - M n o, F e一 Fe o , F 一 C叮 2 , A 一A 1 2 0 3 , S 一5 10 2 . 表 1 c a o 卜 M g o 卜M n o 卜 F 日) ℃a F犷月 , 0 声10 : 渣 系粘度计算模型 中的回归参数 aT b le 1 R eg p 巴饱 e d p a ar m e t e sr of v is c os iyt ca k u 肠血9 m od el fo r C a o 一 M gO 一 M n o 一 F e o 一 C a F Z一 A 1 2仇 一 5 10 2 5妞 9 m e lst i 结构单元 A , 及 i 结构单元 A , B ` 1 C 1 0 9 . 1 8 3 4 6 6 9 9 . 9 1 6 C M g S 19 2 5 6 . 3 4 6 . 9 4 l x l 0 ` 2 M g 59 1 . 9 8 一 l . 7 4 3 8 x l护 1 7 C 3A 一 1 3 5 1 7 . 19 2 . 9 56 8 6 x l 0 7 3 M n 一 2 0 8 . 0 8 7 5 9 9 1 4 1 . 8 1 9 C A Z 2 5 898 . 1 7 一 7 . 0 7 8 89 x l 0 8 4 F e 一 3 64 0 . 2 3 2 . 4 l x l 0 6 2 2 C 3 S 1 1 4 9 2 . 2 3 2 . 9 9 6 7 x l 0 7 S F 一 2 9 . 4 8 6 34 9 7 7 9 . 8 2 3 C Mg S Z 2 2 5 5 . 3 2 4 一 l . 6 1 9 4 x l o , 6 A 5 09 . 5 74 一 4 . 6 19 x l 0 6 2 4 C ZM g SZ 3 . 02 3 x l 0 ` 一 l . 6 0 5 x l 0 9 7 5 93 6 . 6 7 一 2 . 88 7 x l 0 ` 2 5 C 3M g SZ 9 5 6 2 7 . 3 1 一 1 . 5 15 5 x l a0 8 C S 9 3 1 . 3 42 4 . 2 54 4 x l 护 2 6 ℃A SZ 一 64 0 67 5 . 2 1 . 3 49 2 x l 0 9 9 M g S 1 38 8 . 5 89 1 . 6 20 5 x l 0 6 2 7 C ZA S 一 4 2 8 36 . 5 2 一 1 . 16 9 96 x 10 . 1 0 C A 4 1 5 8 . 64 2 5 . 5 1 8 4 x l 0 6 2 8 M h A 一 8 5 3 0 . 2 7 2 一 l . 8 9 6 5 x l 0 , 1 1 M gA 6 4 12 . 7 19 一 l . 35 0 9 x l 0 , 2 9 M n S 9 8 3 . 7 8 2 4 9 4 6 8 0 2 . 9 12 C 3 A 3 F l . 4 3 2 3 x l 0 6 3 . 2 0 3 4 x l 0 , 3 0 M h Z S 一 3 5 5 7 . 0 6 6 5 . 9 7 7 5 x l 0 6 1 3 C Z S 一 1 4 87 . 7 4 2 一 3 . 3 5 2 x l 0 6 3 1 F e A 1 4 5 9 1 1 . 6 一 4 . 7 3 8 7 6 x l 0 7 14 M gZ S 一 5 134 . 88 3 l . 8 6 l x l 0 6 32 F e ZS 一 14 5 115 . 3 一 3 . 0 2 0 6 8 x 10 8 2 · o 卜1 5 9 3一 1 97 3 K 杯 ù、én ù , 乏卜.。 回 归平方 和 U = 13 . 01 ; 剩余 平 方和 Q = .0 3 0 9 3 ; 显 著 性 检 验 F = 25 .5 5 ; 相 关 系 R = .0 9 8 8 3 2 5 . 适用 该渣 系 的成分范 围 : C a O 3 . 0% 一 5 6 % ; N n[ 0 0碎0 % ; F e O O一 .2 0 % ; C aF : 卜 54 % ; A 1 2 0 , 3 %~2 6 % ; 5 10 : 4 %碎 7 % ; 碱度 0 . 1一 14 . 3 . 温度 范 围 : 15 9 3一 1 9 7 3 K . 粘 度单位为 P a · 5 . 3 计算结果及讨论 图 1 中为用式 (4 0) 计算 的粘度 与实测粘度 的对 比 ,从中看 出粘度 计算值 与实测值 7[, s] 能够较 0 . 0 0 . 5 0 1 . 5 秒.a s 2 . 0 2 . 5 3 . 0 图 1 计算与实测粘度的 比较 F电 . 1 C o m P a 到妞o n o f ca l e u al t de a n d m ca s u er d vis e o s iit es (甲。 一l e u l a t de , 甲一b se vr ed )
Vol.22 No.5 李金锡等：CaO-MgO-MnO-Fc0CaF-Al,O,-SiO,渣系粘度的计算模型 ·441· 好地吻合. SO2的实测粘度制定了本渣系作用浓度和粘度 就本渣系各结构单元的作用浓度对粘度 的计算模型.计算结果符合实际. 的影响而言，Ca0·Al,0,2Si02,2Fe0-SiO2,2Ca0 (2)温度是影响粘度的决定性因素，因而升 .Al2O,SiO2,CaO.2Al2O3,3Ca0.Al2O,,3Cao. 高温度会使粘度降低， SiO2,Mn0·AlO,2Mg0.SiO2,FeO,2Mn0·SiO, 参考文献 2CaO·SiOz,MnO和CaFz作用浓度的增加会使粘 1 Mills K C.The Influence of Structure on the Physic-chemi- 度降低，其中Ca0·2Al0,2Fe0-Si02,2Ca0· cal Properties of Slags.ISIJ International,1993,33(1):148 Al,O,·SiO2,MnO·Al,O,和2 CaO.SiO2的温度系 2成国光.还原精炼条件下炉渣的泡沫化.钢铁研究学 数为负值，由于温度处于分母位置，因此温度升 报，1996,8(5)：12 高时，粘度会增大，其余各结构单元的温度系3张鉴.F0-MO-MgO-SiO渣系和铁液间锰的平衡. 数为正值，相应地温度升高时，粘度会降低； 北京科技大学学报，1992,14(5)：496 4张鉴，冶金熔体的计算热力学.北京：治金工业出版 2Ca0-Mg0·2SiOz,3Ca0·3Al,0,CaF,Fe0Al03 社，1998 3CaO.Mgo-2SiO2,CaO.Mgo.SiO2,Mgo.Al2O, 5 Zaitsev A I,Korolyov N V,Mogutnov B M,et al.Ther- CaO·AlO,CaO.Mg0·2SiO2,Mg0·SiOz,MnO modynamic and Crystallization Model of Slags for Ladle SiO2,SiO2,Ca0·SiO2,Mg0,Al,O3和Ca0的增加 Treatment of Steel.in:Proceedings of Sixth International 会使本渣系的粘度增大，其中3CaO·3Al,O,CaFz, Iron and Steel Confgress.Nagoya,1990 Ca0-MgO·SiO2,CaO·AlO,CaO-SiO2,MgO. 6 Timucin M.Acfivity-composition Relations in NiAlO- MnAl-O.Solid Solutions and Stabilities of MnAl2O,and SiO2,MnO·SiO2和Ca0由于温度系数为正，随着 MnAl2O,at 1300'C and 1400C.J Am Ceram Soc,1992, 温度的升高，粘度会降低，而其余各结构单元的 75(6):1399 温度系数为负，随着温度的升高，粘度会增大由 7 Nurdberg G.Schlacken Atlas.Verlag Stahleisen.Du 以上讨论看出，温度是影响粘度的决定性因素， Sseldorf:MB H,1981.188 升高温度有利于大分子的分解，有利于增大熔 8 Turdogen E T.Physicochemical Properties of Molten Slag 体中各结构单元间的距离，因而升高温度会使 Glasses.London:The Metals Society,1983 9 Mills K C,Keene B J.Physical Properties BOS Slags.In- 粘度降低.各结构单元的先后次序代表它们作 tern Materials Reveiws,1987,32(1+2):1 用大小的次序. 10 Urbain G.Viscosity Estimation of Slags.Steel Research, 4 结论 1987,58(.3):111 11 Hirai M.Estimation of Viscosities of Liquid Alloys.ISIJ (1)依据炉渣结构的共存理论与不同温度和 International,1993,33(2):251 成分下熔渣CaO-MgO-MnO-FeO-CaF,-Al,O, Calculating Model on the Viscosity of CaO-MgO-MnO-FeO- CaF2-Al2O,-SiO2 Slags LI Jinci,ZHANG Jian Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT According to the coexistence theory of slag structure as well as the measured viscosity of CaO- MgO-MnO-FeO-CaF2-AlO,-SiO:slag melts at different temperatures and compositions,calculating models of the mass action concentrations as well as of the viscosity for these melts have been formulated.Calculating results agree with practice,showing that the model of mass action concentrations reflects the structural reality of the melts and that of viscosity correctly illustrates its relationship with temperatures and the mass action concentrations of the structural units of the melts. KEY WORDS coexistence theory;structural units;mass action concentrations;viscosity
V b l 一 2 2 N O 一 5 李金 锡 等 : C a o 卜M g-O N山O卜 F e o 卜C aF r A 1 2 q 一10 2 渣 系粘度 的计 算模型 . 4 1 . 好地吻合 . 就 本 渣 系 各 结 构 单 元 的 作 用 浓度 对 粘 度 的 影 响 而言 , C a O · A 1 2 0 , · 2 5 10 2 , Z Fe o · 5 10 2 , ZC aO · A 1 2 0 3 · 5 10 2 , C a o · ZA 1 2 O 3 , 3 C a o · A 1 2 O 3 , 3 C aO · 5 10 2 , N恤 0 · A 1 2 O 3 , Z M g o · 5 10 2 , F e o , 2 M l l0 · 5 10 2 , ZC a o · 51 0 2 , M n O 和 C aF Z 作用 浓度 的增加 会使粘 度降低 , 其 中 C a o · ZA 1 2 o 3 , Z F e o · 5 10 2 , Ze ao · A 1 2 0 3 · 5 10 2 , M ll 0 · A 1 2 0 3 和 ZC a o · 5 10 : 的温度 系 数为负值 , 由于温度 处于分母位 置 , 因此温度升 高时 , 粘 度会增 大 , 其 余各 结构单元 的温度 系 数为正 值 , 相 应 地温 度升 高 时 , 粘 度会 降低 ; ZC aO · M g O · 2 5 10 2 , 3C a O · 3 A 1 2 0 3 · C亦 2 , Fe o · A 1 2 O , 3 C a o · M g o . Z S i0 2 , C a O · M g o . S i 0 2 , M g o · A 1 2 0 3 , C a o · A 1 2 0 3 , C a O · M g o · 2 5 10 2 , M g o · 5 10 2 , N 山0 5 10 2 , 5 10 2 , C aO · 5 10 2 , M gO , A 1 2 0 , 和 C a o 的增加 会使本渣 系的粘度增大 , 其 中 3 c a .o 3 1A 2 0 , · c aF 2, C aO · M g o · 5 10 2 , C aO · A 1 2 0 3 , C aO · 5 10 2 , M gO · S iq , N n[ 0 · 51 0 2 和 C a o 由 于温 度系数 为正 , 随着 温 度的升高 , 粘 度会 降低 , 而其 余各结构单元 的 温 度系数 为负 , 随着 温度的升高 , 粘度会增大 . 由 以上 讨论看 出 , 温 度是 影 响 粘度 的 决定 性 因素 , 升高温度有 利于 大分 子 的分解 , 有利于 增大熔 体 中各结构 单元 间的距离 , 因 而升高温度会使 粘度 降低 . 各 结 构单元 的 先后 次序代表它 们 作 用大小 的 次序 . 4 结论 ( l) 依据炉 渣结构 的共存理论 与不 同温度和 成 分 下 熔 渣 C a o 卜 M g -O N 山O卜 Fe o 曰C aF 厂A 1 2 0 -3 51 0 2 的实测粘度 制定 了本渣 系作 用浓度和 粘度 的计算 模型 . 计算 结果符合 实际 . (2 ) 温度 是影 响粘度 的决定性 因 素 , 因而 升 高温度 会使粘度 降低 . 参 考 文 献 1 M i 1l s K C . hT e nI fl u e n e e o f Sutr c t ur e on ht e P hy s i e 一 e h e m i - e al P r o ep rt i e s o f S l a邵 . I S IJ I n t e m a ti on al , 19 93 , 3 3 (l ) : 14 8 2 成 国光 . 还 原精炼 条件 下炉渣 的泡沫 化 . 钢铁 研 究学 报 , 199 6 , 8( 5 ) : 12 3 张鉴 . F K卜 N山-O M g( 卜5 10 2渣 系和 铁液间锰 的平 衡 . 北 京科 技大 学 学报 , 1 9 9 2 , 14 ( 5 ) : 4 9 6 4 张鉴 . 冶 金熔 体 的计算 热力 学 . 北 京 : 冶 金 工业 出版 社 , 19 98 5 2厄ist ve A l , K o or ly vo N v, M o g u nt o v B M , et al . Th e r - m o d y n am i c an d C yr s回 li atZ ion M do e l o f Sl a g s fo r L ad l e rT e a o n e nt o f St e e l . in : P r o e e e d in g s o f S l x ht I n t e m iat on a l ir o n an d Set e l C o n gfr e s s . N ag o y 我 19 9 0 6 T如cu in M . A e ivf iyt 一e o m P o s i ti o n eR l iat o n s in N IA 1 2 0 4 - M n A 1 2 0 ; S o lid S o l u tl o n s an d Sat b ll it i e s o f M n A 1 2 q an d M 几A 1 2 0 . at 1 3 0 0 ℃ an d 1 40 0℃ . J A m C e r aJ 皿 Sco , 19 92 , 7 5( 6 ) : 1 39 9 7 N 也 dbe 嗯 G . S e h lac ke n A t las . 、飞r lag s 切hL l e i s e n . D u S s e ld o 迁 M B H , 1 9 8 1 . 1 88 8 Tur d o g e n E .T P hy s i e oc h e m i e a l P r o pe irt e s o f M o it en S lag & G las s e s . L on d o n : hT e M eat l s S oc l e yt , 19 8 3 9 M i ll s K C , 众 e ne B J . Phy s i e a 1 P r o pe rt i e s B O S S 1 a g s . nI - et m M at e ir ia s R e v e i w s , 19 8 7 , 3 2 (l + 2 ) : l 10 U br ian G . 珑s co s iyt E s t而iat on o f Sl a g s . Set e l eR s e畔h , 1 9 87 , 58 ( . 3 ) : 1 1 1 1 1 H i ar i M . E s t而iat o n o f 叭 s e o s i t i e s o f L i q u id A l l o y s . I S IJ I n t e m at i o na l , 199 3 , 33 ( 2 ) : 2 5 1 C a l c u l a ti n g M o d e l o n ht e Vi s c o s i yt o f C a O 一 M g O 一 M n O 一 F e O - C aF Z一 A 1 2 O 3一 5 10 2 S l a g s lL iJ nx i, Z付 AN G iJ a n M e at ll ur gy S e h o o l , U ST B e ij ign , B e ij in g 1 000 83 , C h i n a A B S T R A C T A e e o r d in g t o het e o e劝 st e nc e ht e o yr o f s lag s tr u c 认ir e as w e ll a s het m e a sur e d v i s e o s iyt o f C aO - M g O 一 M n O 一 Fe o 一 C aF Z一 A 1 2 0 , 一 5 10 : s l a g m e it s at id fe er nt et m P e r a tL ir e s an d e o m Po s iit on s , e a l e ul at ign m od e l s o f ht e m a s s a e it on e ocn e n tr a t i o n s a s w e ll a s o f ht e v i s e o s iyt fo r ht e s e m e lt s h va e b e e n fo ir n u l at e d . C al e ul at l n g r e s u lt s a gr e e w iht rP a e it e e , s h o w in g ht at ht e m o de l o f m as s ac it o n e o n e e n tr a t l o n s er fl e e st ht e s tr u c 奴犷 a l r e a l iyt o f ht e m e it s an d ht a t o f v i s e o s iyt e o r e e iyt i llus tr a t e s ist er liat on s hi P w iht t e m Pe r a tL ir e s an d ht e m as s a c t l o n e o cn e n tr at i o n s o f ht e s tr u c tu r a l u n lst o f ht 弓m e lst . K E Y WO R D S e o e x i s et n e e ht e o yr : str u c h ir a l itn lt s : m a s s a e t ion e on e e n tr a t lon s : v i s e o s iyt
