D01:10.13374/.issnl00103x.2010.11.0⑩9 第32卷第11期 北京科技大学学报 Vol 32 N911 2010年11月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing Noy 2010 CO-SiO,一A!Q一MO-TiO钢渣体系熔化性能 徐 冉1)宋波1)毛璟红到 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)北京科技大学生态循环治金部重点实验室，北京100083 3)北京科技大学材料科学与工程学院。北京100083 摘要采用热力学计算软件Fac tSagef的Phase D iagram模块和Equilb模块对含钛钢渣熔点进行理论研究，并通过熔点实验 对研究结果进行验证.研究发现：对于碱度L5的渣系.当TD,质量分数小于13%时，TD,对熔点影响较小：当T质量分 数大于1%时，T0提高熔点.对于15的渣系，A!Q质量分数为2%~3%时，T0的质量分数超过%可显著提高渣 系熔点. 关键词渣：二氧化钛：熔点：热力学计算 分类号TF7036 Melting perfom ance ofCao-SiO,-A]O-M8-TiO,slag system XU Ran 2)SONG Bo MAO Jing_hong) 1)SchoolofMealugal and Ecopgical Engneering Uniersit of Scence and Technopgy Be ijng Beijing 100083 Chna 2)Key Lb ofEookgical&RecyclingMemlurgy (Ministry of Education ofChna.University ofScience and Technopgy Beijng Beijng 100083 China 3)ShoolofMatera ls Science and Engmneering University of Scence and Technopgy Beijng Beijirg 100083 China ABSTRACT The me lting pont of titn im-containing steel slg was theoretically cakcu ated using the Phase D iagram modu le and he Equilibmolule of themodynan ic caku ation sofware FacSag and he cakulation result was verifed bymelting experments It is shown that pr a slag sysem wih he basicity bepw 1 5.when hemass fraction ofTo is less han 13%,TO,has litte effect an he melting point of the shg and whil hemass fuaction ofTo is over 13%.To can increase themelting point For a shg sysem whose basicit is over 1 5 and mass fiacton of AlO is between2 and35%,when he mass fraction ofTo is moe han 1%. Ti can sign ificantly increase hemeltng pontof he slag KEY WORDS slag titan im dioxile melting pont temodynam ic calculation 钒钛磁铁矿是一种铁、钒和钛等多种有价元素 造成这一现象的原因之一.目前，关于低钛钢渣熔 共生的复合矿，主要分布在我国的攀西、承德和马鞍 点方面的研究鲜有文献报道. 山地区，目前我国对钒钛磁铁矿的利用主要是采用 本文针对低钛钢渣熔点进行了理论计算，得出 高炉流程治炼”，钛以T口形式进入高炉渣.含钛 T口对钢渣熔点的影响规律，然后依据所得规律配 高炉渣由于其组成与普通高炉渣有较大差别，故其 制CO-MO-SO一A,Q一TO五元钢渣进行熔 高温物理化学性质也有许多特殊性.有关高钛低碱 点实验，对所得结论予以验证，为含钛渣高温物性提 度高炉渣的泡沫化2一列、黏度、电导率19、熔化性 供相关数据. 温度6”及炉渣离子团结构与黏度关系[⑧一9等方面 1计算及实验方法 已有不少研究：然而，在实际治炼过程中，高炉治炼 后钛还会随铁水进入炼钢环节，对炼钢过程中钢渣 11计算方法 的高温物性造成影响.攀钢在治炼铝镇静钢过程 FacSage0于2001年推出，融合了计算热力学 中，发现钢包存在较严重的黏渣现象，钢渣熔点高是 领域的两个知名软件：Fact一Wn和ChmS 收稿日期：2009-12-20 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N9 FRF-MP-O9-001A) 作者简介：徐冉(1983-).男，顾士研究生：宋波(1963-)，男.教授，博士，Ema10m@meub业m
第 32卷 第 11期 2010年 11月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.11 Nov.2010 CaO-SiO2 -Al2 O3 -MgO-TiO2钢渣体系熔化性能 徐 冉 1, 2) 宋 波 1, 2 ) 毛璟红 3) 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院, 北京 100083 2) 北京科技大学生态循环冶金部重点实验室, 北京 100083 3) 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 采用热力学计算软件 FactSage的 PhaseDiagram模块和 Equilib模块对含钛钢渣熔点进行理论研究, 并通过熔点实验 对研究结果进行验证 .研究发现:对于碱度 R1.5的渣系, Al2O3质量分数为 25% ～ 35%时, TiO2的质量分数超过 1%可显著提高渣 系熔点. 关键词 渣;二氧化钛;熔点 ;热力学计算 分类号 TF703.6 MeltingperformanceofCaO-SiO2 -Al2 O3 -MgO-TiO2 slagsystem XURan1, 2) , SONGBo1, 2) , MAOJing-hong3) 1) SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 2) KeyLabofEcological＆RecyclingMetallurgy(MinistryofEducationofChina), UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 3) SchoolofMaterialsScienceandEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China ABSTRACT Themeltingpointoftitanium-containingsteelslagwastheoreticallycalculatedusingthePhaseDiagrammoduleandthe EquilibmoduleofthermodynamiccalculationsoftwareFactSage, andthecalculationresultwasverifiedbymeltingexperiments.Itis shownthat, foraslagsystemwiththebasicitybelow1.5, whenthemassfractionofTiO2 islessthan13%, TiO2 haslittleeffectonthe meltingpointoftheslag, andwhilethemassfractionofTiO2 isover13%, TiO2 canincreasethemeltingpoint.Foraslagsystem whosebasicityisover1.5 andmassfractionofAl2O3 isbetween25% and35%, whenthemassfractionofTiO2 ismorethan1%, TiO2 cansignificantlyincreasethemeltingpointoftheslag. KEYWORDS slag;titaniumdioxide;meltingpoint;thermodynamiccalculation 收稿日期:2009-12-20 基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 ( No.FRF-MP-09-001A) 作者简介:徐 冉 ( 1983— ), 男, 硕士研究生;宋 波 ( 1963— ), 男, 教授, 博士, E-mail:songbo@metall.ustb.edu.cn 钒钛磁铁矿是一种铁 、钒和钛等多种有价元素 共生的复合矿, 主要分布在我国的攀西、承德和马鞍 山地区 .目前我国对钒钛磁铁矿的利用主要是采用 高炉流程冶炼 [ 1] , 钛以 TiO2形式进入高炉渣.含钛 高炉渣由于其组成与普通高炉渣有较大差别, 故其 高温物理化学性质也有许多特殊性.有关高钛低碱 度高炉渣的泡沫化 [ 2 -3] 、黏度 [ 4] 、电导率 [ 5] 、熔化性 温度 [ 6 -7]及炉渣离子团结构与黏度关系 [ 8 -9] 等方面 已有不少研究;然而, 在实际冶炼过程中, 高炉冶炼 后钛还会随铁水进入炼钢环节, 对炼钢过程中钢渣 的高温物性造成影响.攀钢在冶炼铝镇静钢过程 中, 发现钢包存在较严重的黏渣现象, 钢渣熔点高是 造成这一现象的原因之一 .目前, 关于低钛钢渣熔 点方面的研究鲜有文献报道 . 本文针对低钛钢渣熔点进行了理论计算, 得出 TiO2对钢渣熔点的影响规律, 然后依据所得规律配 制 CaO-MgO-SiO2 -Al2 O3 -TiO2五元钢渣进行熔 点实验, 对所得结论予以验证, 为含钛渣高温物性提 供相关数据. 1 计算及实验方法 1.1 计算方法 FactSage [ 10] 于 2001年推出, 融合了计算热力学 领域的两个知名软件:Fact-Win和 ChemSage. DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.11.009
第11期 徐冉等：CO-SD,一A】O一M)-TD,钢渣体系熔化性能 ·1423 Fac Sag缇一个采用热化学应用模块进行计算的综 的液相线温度，讨论碱度、A!Q含量不同时.TQ对 合热力学的数据库系统，具有数据库内容丰富、计算 钢渣熔点的影响规律.FToxid数据库包含CaQ 功能强大以及在MicrosoftW indows PC系统下操作 SO、Aug、M80F0FsQ、MIQ NaQ KQ 便捷等优势.FactSage主要有Reaction Predam CyQ TO、TiO、ZO、SrQ CaQ CQ CrQ、N0 E Phase Diagram Equilib和OPtiSage六个计算模 BO、PO和ZO等氧化物. 块，并具有FTox过FTsalt FThal俐FThe等包含 1.2熔点实验 4500哆种化合物的庞大的数据库. 炉渣熔化性温度可以用热分析法、淬火法、热 本文主要选取热力学软件FacSage的FToxd 丝法和半球点法等方法进行测定，本研究主要采 数据库，应用Phase D iagram模块，并采用网格法计 用比较常用的半球点法.取分析纯试剂，按表1中 算不同T含量时CO-S0一AyQ一T0四元 的配比进行混合、预熔、粉碎、过筛(200目)和搅 系相图1500℃液相面，研究T对CO-S0一 拌均匀，最后制成中3mX3mn的小圆柱体，使用 A!Q一TO四元系熔点的影响规律；应用Equilb RDS05诠自动炉渣熔点熔速测定仪，进行熔点 模块计算COS-A)Q一MO)-TO五元渣系 测定 表1钢渣成分配比 Table 1 Comnposition and Proponion of steel slag 钢渣初始成分（质量分数）% T0添加量 组别 编号 R Ca S02 M A19 (质量分数)% 8-1 37.5 37.5 10 15 0 8-2 37.5 37.5 10 15 1 3 37.5 37.5 10 15 2 A组 8-4 37.5 37.5 10 15 3 8-5 37.5 37.5 10 15 4 1 8-6 37.5 37.5 o 15 5 1 b-1 3667 1833 10 35 0 2 2 36.67 1833 10 35 1 b-3 3667 1833 10 35 2 B b-4 36.67 1833 10 35 3 2 b5 3667 1833 10 35 4 2 b-6 3667 1833 10 35 5 2 由于受实验条件限制，熔点仪可测的最高温度 律.限于篇幅，仅选取具有代表性的TO质量分数 为1500℃，因此本文仅对R=1、WA)Q)=15%和 分别为0.1%、5%和9%的四元相图进行比较，见图 R=2、WA1O)=35%的渣系进行TO对熔点影响 1.图中阴影部分分别表示相图中液相面温度低于 的研究，其中碱度R=m(CO/mSQ). 1500的区域. 2分析及讨论 通过比较图1(3与(b发现，TQ质量分数由 0变化到%时，相图中碱度>1.5区域的液相面 2.1C0一S02一AO3一T02相图液相面计算 消失，而碱度R1.5区域的液相面变化不大.比较 应用Phase Diagram模块，绘制不同TO)含量 图1(b、(9与(4发现，T9质量分数为1%、5% (WTQ)=0~25%)时C0-S0-A!O-T9 和9%时，液相面边缘呈不规则变化，液相面面积略 渣系相图，并计算相图中液相面温度在1500℃以下 有扩大，但并不明显. 的区域所占相图总面积的比例，比较不同TQ含量 对C)-S9一A!O一T0四元渣系熔点的影响规
第 11期 徐 冉等:CaO-SiO2 -Al2O3 -MgO-TiO2钢渣体系熔化性能 FactSage是一个采用热化学应用模块进行计算的综 合热力学的数据库系统, 具有数据库内容丰富 、计算 功能强大以及在 MicrosoftWindowsPC系统下操作 便捷等优势 .FactSage主要 有 Reaction、 Predom、 EpH、PhaseDiagram、Equilib和 OptiSage六个计算模 块, 并具有 FToxid、FTsalt、FThall和 FThelg等包含 4 500多种化合物的庞大的数据库. 本文主要选取热力学软件 FactSage的 FToxid 数据库, 应用 PhaseDiagram模块, 并采用网格法计 算不同 TiO2含量时 CaO-SiO2 -Al2 O3 -TiO2四元 系相图 1 500 ℃液相面, 研究 TiO2对 CaO-SiO2 - Al2O3 -TiO2四元系熔点的影响规律;应用 Equilib 模块计算 CaO-SiO2 -Al2 O3 -MgO-TiO2五元渣系 的液相线温度, 讨论碱度 、Al2 O3含量不同时, TiO2对 钢渣熔点的影响规律.FToxid数据库包含 CaO、 SiO2 、 Al2 O3 、 MgO、 FeO、 Fe2 O3 、 MnO、 Na2 O、 K2 O、 Cu2 O、TiO2 、Ti2O3 、ZrO2 、SnO、CoO、CrO、Cr2 O3 、NiO、 B2O3 、PbO和 ZnO等氧化物 . 1.2 熔点实验 炉渣熔化性温度可以用热分析法 、淬火法 、热 丝法和半球点法等方法进行测定, 本研究主要采 用比较常用的半球点法.取分析纯试剂, 按表 1 中 的配比进行混合 、预熔 、粉碎 、过筛 ( 200 目 )和搅 拌均匀, 最后制成 3 mm×3 mm的小圆柱体, 使用 RDS-05全自动炉渣熔点熔速测定仪, 进行熔点 测定. 表 1 钢渣成分配比 Table1 Compositionandproportionofsteelslag 组别 编号 钢渣初始成分(质量分数 ) /% CaO SiO2 MgO Al2O3 TiO2添加量 (质量分数 ) /% R a-1 37.5 37.5 10 15 0 1 a-2 37.5 37.5 10 15 1 1 A组 a-3 37.5 37.5 10 15 2 1 a-4 37.5 37.5 10 15 3 1 a-5 37.5 37.5 10 15 4 1 a-6 37.5 37.5 10 15 5 1 b-1 36.67 18.33 10 35 0 2 b-2 36.67 18.33 10 35 1 2 B组 b-3 36.67 18.33 10 35 2 2 b-4 36.67 18.33 10 35 3 2 b-5 36.67 18.33 10 35 4 2 b-6 36.67 18.33 10 35 5 2 由于受实验条件限制, 熔点仪可测的最高温度 为 1 500 ℃, 因此本文仅对 R=1、w( Al2 O3 ) =15%和 R=2、w( Al2O3 ) =35%的渣系进行 TiO2对熔点影响 的研究, 其中碱度 R=m( CaO) /m( SiO2 ) . 2 分析及讨论 2.1 CaO-SiO2 -Al2 O3 -TiO2相图液相面计算 应用 PhaseDiagram模块, 绘制不同 TiO2含量 ( w( TiO2 ) =0 ～ 25%)时 CaO-SiO2 -Al2 O3 -TiO2 渣系相图, 并计算相图中液相面温度在 1500℃以下 的区域所占相图总面积的比例, 比较不同 TiO2含量 对 CaO-SiO2 -Al2O3 -TiO2四元渣系熔点的影响规 律.限于篇幅, 仅选取具有代表性的 TiO2质量分数 分别为 0、1%、5%和 9%的四元相图进行比较, 见图 1.图中阴影部分分别表示相图中液相面温度低于 1 500 ℃的区域 . 通过比较图 1( a)与 ( b)发现, TiO2质量分数由 0变化到 1%时, 相图中碱度 R>1.5 区域的液相面 消失, 而碱度 R<1.5区域的液相面变化不大.比较 图 1( b) 、( c)与 ( d)发现, TiO2质量分数为 1%、5% 和 9%时, 液相面边缘呈不规则变化, 液相面面积略 有扩大, 但并不明显 . · 1423·
。1424 北京科技大学学报 第32卷 Cao-ALO,-Sio,-Tio CaO-AL,O,-SiO, mTi0,m(Ca0+AL,0,+SiO,=0.0101 Ca0 Cao A 0.9h0.1 0.901 0.8-260 08 02 230 0.2 0.7 0.3 0.7 0.3 0.4 0.6f u(Ca) 0.6 ww 04 0.5 0.5 05乡 04 10 0.6 g 0.6 0.3 160. 07 0.3 0.7 02 0.8 0.2 1t 17 0.8 0 0.1 0.9 0.18 1w0 0.9 110 10. 1900 10 s0,0.90.80.70.60.50.40.30.20.1 A1,0, si0,0.90.80.70.60.5040.30.20.1A1,0, (Sio.) r(Si0,) (a) (b) Cao-AL,O,-Sio,-Tio, C0-A,0,-Si0.-Ti0 m(Ti0,)MmCa0+AL0,+Si0,=0.0526 m(T0,Nm(Ca0+AL,0,+Si0,-0.0989 Cao Cao 00 01 0.9 140 24m01 08 2300- 0.2 0.2 0.7 0.3 0.7 0.3 u(CaO) .6/e0 0.4 06 0.4 0.5 05 05 A 0.4 0.6 0.4 0.6 0.3 0.7 0.3/ 0.7 0.2 160 0.8 100 02 0.8 09 0.9 200 si0,0.90.80.70.60.5040.3020.1A4,0, (SiO,) s0,090.80.70.60504030201A1,0 Si0,) 山 图1不同T含量时C0-S0-A】9-T0相图1500℃液相区比较.（两WT02)=g(wT0)=%:(9wT0)=%: (4wT0)=% Fg1150o℃lAu日regon n he Ca0SO-A,O-TD,Phase dagram wih differentT0,cmen5(两WTO)=0(b)wWT马)=%： (9wT02)=5%(4wT02)=9% 0-A1,0-Si0,-Ti0, Cao 图2为T0质量分数为0~25%时，C0- 0.9/ 0.1 S0一A)Q一T0相图1500℃液相线的变化，图3 0.8 0.2 为TQ质量分数从0变化至25%时对应的相图1 0.7 0.3 0.6 。045 500℃液相面所占比例的变化.由图2和图3分析 05 液相心0.5“9 得出，对于碱度>1.5的渣系，TQ质量分数大于 04∠ 0.6 1%时，CO-S0一A!9一TO相图1500℃液相 0.3入液相区 0.7 1 面消失，说明对于>1.5的渣系，TO明显升高渣 0.2/ 08 4y 0.9 系熔点：对于碱度R1.5的渣系，当T口质量分数 低于13%时，相图1500C液相面变化较小，当T门 s0,0.90.80.70.6050.4030201A1,0, c(SiO 质量分数大于13%时，相图1500℃液相面急剧减 小，说明对于碱度R1.5的渣系，T>I3%时，熔 图2不同T0含量时C0-S02-A!0-T0,相图1500℃液 相区变化 点急剧增大.因此，对于R1.5的渣系，TQ的存 Fg 2 Change of the1500C luid regimn in CaOSQAlO-TO, 在是提高渣系熔点的主要原因之一. phase dagran wih differentTD contents
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 1 不同 TiO2含量时 CaO-SiO2 -Al2 O3 -TiO2相图 1 500℃液相区比较.(a) w( TiO2 ) =0;( b) w( TiO2 ) =1%;( c) w( TiO2 ) =5%; ( d) w(TiO2 ) = 9% Fig.1 1 500℃ liquidregionintheCaO-SiO2-Al2O3-TiO2 phasediagramwithdifferentTiO2 contents:( a) w( TiO2 ) =0;( b) w( TiO2 ) =1%; ( c) w( TiO2 ) =5%;( d) w( TiO2 ) =9% 图 2 为 TiO2质量分数为 0 ～ 25%时, CaOSiO2 -Al2 O3 -TiO2相图 1 500℃液相线的变化, 图 3 为 TiO2质量分数从 0变化至 25%时对应的相图 1 500℃液相面所占比例的变化.由图 2和图 3 分析 得出, 对于碱度 R>1.5 的渣系, TiO2质量分数大于 1%时, CaO-SiO2 -Al2 O3 -TiO2相图 1 500 ℃液相 面消失, 说明对于 R>1.5的渣系, TiO2明显升高渣 系熔点 ;对于碱度 R13%时, 熔 点急剧增大 .因此, 对于 R>1.5 的渣系, TiO2的存 在是提高渣系熔点的主要原因之一. 图 2 不同 TiO2含量时 CaO-SiO2 -Al2O3 -TiO2相图 1 500℃液 相区变化 Fig.2 Changeofthe1 500℃ liquidregioninCaO-SiO2 -Al2O3-TiO2 phasediagramwithdifferentTiO2 contents · 1424·
第11期 徐冉等：CO-SD,一A】O一M)-TD,钢渣体系熔化性能 1425 24 反映TO,对相图中碱度R15 图5可知：对于T质量分数为0的普通渣系，当碱 区城的影响 度>15时，增加A!Q含量能够明显降低渣系熔 10 15 20 点；当碱度R15时，增加A!Q含量，渣系熔点先 w(TiO/% 降低后升高，且AO质量分数为15%左右时熔点 图3不同TD,含量时C0S0-A!QT0相图1500℃液相区 最低.分析图4（马~（可以看出：对于含钛钢渣， 在相图中所占比例 Fg3 Pxponion of the1500℃IAud regⅫn the Ca)SO,- 碱度R15时，添加TQ具有一定的降低熔点的 A】Q-T,Phase di®m with dif张rentTO,cantents 作用：对于碱度>1.5的渣系，添加T口则显著升 高熔点.当AQ质量分数为5%时，T门含量变化 2.2C0-S02-A,O-10%M0-T0五元 对渣系熔点的影响较小；随着A!Q含量的增加， 渣系液相线温度 T对熔点的影响越来越明显，特别是当A!Q质量 对C0-S0一A1O-10%M80-T0五元渣 分数为35%时，如>1.5的渣系中含有1%以上的 系进行研究，分析AQ质量分数分别为%、15%、 T口，则渣系熔点急剧上升. 2250**1 (a) 2100 2050r 19500a ·-R=0.5 0-000-0-0-00 --R=0.5 -0-R=1 1950 000-0-00 -4-R=15 1850 --R=15 --R=2 1750 -4=R=2 1800 -R=3 -0-R=4 -0-R=4 1650 --R=5 1500 1 1550 -R=5 1350 1350 0-00-0000-0-0-0-0-0-0-0000-0-00-000a 春装中新集小器。华票。。上票县里 12504 0 2 4 0 4 w(TiO. (TiO. 1750 d 1800 0-0 1700L 00-00000-0 -R=0.5 16002*“ R=0.5 -o-R=】 600、心 -o-R= -4-R=1.5 16004 4-R=15 1600 =4=R=2 --R=2 -R=3 n0--R=3 =1550 1500 -0-R=4 -R=5 1500日f --R=5 ▲4▲44 40094。。, 1450+ 13006 14005 2 34 2 3 5 w(TiO. e(TiO, 图4C0-S0-10%M)A1O-T0,五元渣系不同R时T0,含量对熔点的影响.（利"A9)=6:(bWA1Q)=15%:(9 YA03)=25%:(4WA↓0)=35% Fg 4 Effect of TO,content on the melting pont of the CaoSO-1 MA1O-TO qunaty skg systm with different basicities (a) YA0)=5%:(bYA!0)=15%:(9WAy9)=2%:(4W(A月9)=3%
第 11期 徐 冉等:CaO-SiO2 -Al2O3 -MgO-TiO2钢渣体系熔化性能 图 3 不同 TiO2含量时 CaO-SiO2 -Al2 O3 -TiO2相图 1 500℃液相区 在相图中所占比例 Fig.3 Proportionofthe1 500 ℃ liquidregionintheCaO-SiO2- Al2 O3 -TiO2 phasediagramwithdifferentTiO2 contents 2.2 CaO-SiO2 -Al2 O3 -10%MgO-TiO2五元 渣系液相线温度 对 CaO-SiO2 -Al2O3 -10%MgO-TiO2五元渣 系进行研究, 分析 Al2O3质量分数分别为 5%、15%、 25%和 35%时, 不同 R条件下 TiO2含量变化对熔点 的影响规律并进行讨论 .通过分析攀钢现场钢渣发 现, 在炼钢过程中, 渣中 Ti质量分数均小于 2%, 所 以仅在 TiO2质量分数为 0 ～ 5%时研究, 所得结果见 图 4. 用图 4中 TiO2的质量分数为 0时熔点作图, 得 不同 Al2O3含量对熔点的影响规律, 如图 5所示 .由 图 5可知:对于 TiO2质量分数为 0的普通渣系, 当碱 度 R>1.5时, 增加 Al2O3含量能够明显降低渣系熔 点;当碱度 R1.5的渣系, 添加 TiO2则显著升 高熔点.当 Al2 O3质量分数为 5%时, TiO2含量变化 对渣系熔点的影响较小;随着 Al2 O3含量的增加, TiO2对熔点的影响越来越明显, 特别是当 Al2O3质量 分数为 35%时, 如 R>1.5的渣系中含有 1%以上的 TiO2, 则渣系熔点急剧上升 . 图 4 CaO-SiO2 -10%MgO-Al2O3 -TiO2五元渣系不同 R时 TiO2含量对熔点的影响.( a) w( Al2 O3 ) =5%;( b) w( Al2 O3 ) =15%;( c) w( Al2O3 ) =25%;( d) w( Al2O3 ) =35% Fig.4 EffectofTiO2 contentonthemeltingpointoftheCaO-SiO2 -10% MgO-Al2O3-TiO2 quinaryslagsystemwithdifferentbasicities:( a) w( Al2O3 ) =5%;( b) w( Al2O3 ) =15%;( c) w( Al2 O3 ) =25%;( d) w( Al2 O3 ) =35% · 1425·
。1426 北京科技大学学报 第32卷 --R-05 2070℃)过渡，造成渣系熔点升高.因此.A!Q质 2200 -0-R=l 量分数为5%时，COTQ结合相对渣系熔点的影 -4-R=1.5 2000 -4-R=2 响并不明显.随着Ayg含量的增加，3COAO --R=3 -0-R=4 (熔点1535℃)、COA!Q(熔点1600℃)、CO 180 --R=5 AQ2S0(熔点1550℃)、2C0A0·S0(熔 1600 点1500℃)等低熔点相成为主要物相，渣系熔点下 降，这时CO与T形成的高熔点相对渣系熔点的 1400 影响就明显地表现出来.因此，A!Q质量分数为 1200 25%~35%时，渣中含有1%~5%的T口渣系熔 10 152025 30 35 A,0绿 点急剧上升，T)可显著提高高AQ含量熔渣的 图5不同A)O,含量对熔点的影响(TD,的质量分数为0时) 熔点. Fg 5 Infuence ofAO content on the meltirg point(he mass 在实际生产中，普通高碱度精炼渣中A!Q质 fmction ofTO,is0) 量分数一般为25%~35%，这样的渣一般具有较低 的熔点和较好的流动性.但是，含钛钢渣中含有的 C)一T)结合相为钙钛矿COT)(熔点 T如超过的一定范围则会显著提高这类渣的熔 1915℃)或钛酸钙3Ca02T0(熔点1740℃).当 点，因此应关注含钛钢渣中TO的含量范围 A!Q,质量分数为5%时，C0)-S0结合物为主要 2.3实验验证 物相，随着碱度m Ca /m(S0)增大，C)-S0 针对T对钢渣熔点的影响规律进行熔点测 结合相由低熔点的C0S0(熔点1540℃)向高熔 定，实验结果见表2选取半球温度绘制T口含量 点的2C0S0(熔点2130℃)、3C0S0(熔点 与熔点的关系图，如图6所示 表2熔点实验结果 Table 2 Experm eal resuilts ofme lting point ℃ A组(R=1wA0)=15%) 塑(R=2YA03)=35%) 试样编号 -1 8-2 83 84 -5 -6 b-1 -2 b-3 b-4 b-5 b-6 半球温度 1347 13181303 1295 1284 1260 1418 1427 14311435 流动温度 1359 1342 1331 1324 1289 1272 1430 1460 注：“一”表示超出测温范围.熔点仪不能测定 1440 质量分数为1%时流动温度增加30℃，TQ的质量 1420 分数大于2%时流动温度已超出熔点仪测温范围， 400 13 说明TQ对1.5A!Q质量分数为35%的炉渣 一■一A组 1360- 一a-B组 液相线温度的影响趋势与理论分析相符. 1340 另外，通过比较发现，炉渣熔点的实验测定值和 1320 理论计算值之间存在较大差异，这主要是因为 1300 FacS理论计算的温度为渣系的液相线温度，即全 1280 1260 熔(100%熔化)温度：而实际实验过程中，通常经验 0 3 性地以半球法测定的半球温度作为熔渣熔化性温度 Ti0,)/% 的表征.因此，理论计算的液相线温度要高于实测 图6TD,含量对熔点的影响规律 的半球温度 Fg 6 Influence ofTD content on the me lting point 3结论 由图6可以得出：当R=1、A9=15%时， T门含量增加会降低钢渣熔点：当R=2A!O= (1)对于R1.5的渣系，当TQ质量分数低 35%时，T门会升高钢渣熔点，符合理论分析规律. 于13%时，相图1500℃时液相区变化较小，T0对 虽然TQ升高半球温度的趋势并不明显，但是通过 熔点影响较小；当T口质量分数大于13%时，相图 比较表2中B组试样的流动温度可以看出，TQ的 1500Q时液相区急剧减小，T口提高熔点.对于
北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 5 不同 Al2O3含量对熔点的影响 ( TiO2的质量分数为 0时 ) Fig.5 InfluenceofAl2 O3 contentonthemeltingpoint( themass fractionofTiO2 is0 ) CaO-TiO2结合相为钙钛矿 CaO·TiO2 (熔点 1 915℃)或钛酸钙 3CaO· 2TiO2 (熔点 1 740 ℃) .当 Al2O3质量分数为 5%时, CaO-SiO2结合物为主要 物相, 随着碱度 m( CaO) /m( SiO2 )增大, CaO-SiO2 结合相由低熔点的 CaO·SiO2 (熔点 1 540 ℃)向高熔 点的 2CaO·SiO2 (熔点 2 130 ℃) 、3CaO·SiO2 (熔点 2 070 ℃)过渡, 造成渣系熔点升高.因此, Al2 O3质 量分数为 5%时, CaO-TiO2结合相对渣系熔点的影 响并不明显 .随着 Al2 O3含量的增加, 3CaO·Al2 O3 (熔点 1535 ℃) 、CaO·Al2 O3 (熔点 1 600 ℃) 、CaO· Al2 O3·2SiO2 (熔点 1 550 ℃) 、2CaO·Al2 O3·SiO2 (熔 点 1 500 ℃)等低熔点相成为主要物相, 渣系熔点下 降, 这时 CaO与 TiO2形成的高熔点相对渣系熔点的 影响就明显地表现出来.因此, Al2 O3质量分数为 25% ～ 35%时, 渣中含有 1% ～ 5%的 TiO2, 渣系熔 点急剧上升, TiO2可显著提高高 Al2 O3含量熔渣的 熔点 . 在实际生产中, 普通高碱度精炼渣中 Al2 O3质 量分数一般为 25% ～ 35%, 这样的渣一般具有较低 的熔点和较好的流动性 .但是, 含钛钢渣中含有的 TiO2如超过的一定范围则会显著提高这类渣的熔 点, 因此应关注含钛钢渣中 TiO2的含量范围 . 2.3 实验验证 针对 TiO2对钢渣熔点的影响规律进行熔点测 定, 实验结果见表 2.选取半球温度绘制 TiO2含量 与熔点的关系图, 如图 6所示 . 表 2 熔点实验结果 Table2 Experimentalresultsofmeltingpoint ℃ 试样编号 A组 ( R=1, w(Al2O3 ) =15%) B组 ( R=2, w( Al2O3 ) =35%) a-1 a-2 a-3 a-4 a-5 a-6 b-1 b-2 b-3 b-4 b-5 b-6 半球温度 1 347 1 318 1 303 1 295 1 284 1 260 1 418 1 427 1 431 1 435 — — 流动温度 1 359 1 342 1 331 1 324 1 289 1 272 1 430 1 460 — — — — 注:“ — ”表示超出测温范围, 熔点仪不能测定. 图 6 TiO2含量对熔点的影响规律 Fig.6 InfluenceofTiO2 contentonthemeltingpoint 由图 6 可以得出:当 R=1、 Al2 O3 =15%时, TiO2含量增加会降低钢渣熔点;当 R=2、Al2 O3 = 35%时, TiO2会升高钢渣熔点, 符合理论分析规律 . 虽然 TiO2升高半球温度的趋势并不明显, 但是通过 比较表 2中 B组试样的流动温度可以看出, TiO2的 质量分数为 1%时流动温度增加 30 ℃, TiO2的质量 分数大于 2%时流动温度已超出熔点仪测温范围, 说明 TiO2对 R>1.5、Al2 O3质量分数为 35%的炉渣 液相线温度的影响趋势与理论分析相符 . 另外, 通过比较发现, 炉渣熔点的实验测定值和 理论计算值之间存在较大差异, 这主要是因为 FactSage理论计算的温度为渣系的液相线温度, 即全 熔 ( 100%熔化 )温度;而实际实验过程中, 通常经验 性地以半球法测定的半球温度作为熔渣熔化性温度 的表征.因此, 理论计算的液相线温度要高于实测 的半球温度. 3 结论 ( 1) 对于 R<1.5的渣系, 当 TiO2质量分数低 于 13%时, 相图 1 500 ℃时液相区变化较小, TiO2对 熔点影响较小;当 TiO2质量分数大于 13%时, 相图 1 500 ℃时液相区急剧减小, TiO2提高熔点.对于 · 1426·
第11期 徐冉等：CO-SD,一A!O一M)-TD,钢渣体系熔化性能 1427 RL.的渣系.存在TQ是提高渣系熔点的主要原 199518(3片80 因之一. (白晨光，文光远，朱琼华，等.高钛型高炉渣表面粘度的研 (2)渣系碱度R1.5时，T门替换AO具有 究.重庆大学学报自然科学版，199518(3)：80) 【匀W ang SI.ZhangH X Zhang L J Conductivity and viscosit0of 一定的降低熔点的作用. heterogenecus titania skg J Iron SteelRe 2005 17(5):76 (3)渣系碱度R1.5时，TO替换AO显著 (王淑兰，钟和香，张丽君.非均相高钛渣的电导率和粘度. 升高熔点.A1Q质量分数为25%~35%时，渣中含 钢铁研究学报.200517(5)：76 有1%~5%的T0,渣系熔点急刷剧上升，T①可显 I Zhang JZ Shi L I.AoW Z Melting Propenty of htakm ina 著提高高A!Q含量熔渣的熔点. and w.titn BF slag J Iron SteelRes 2010 22(4):16 (张金柱，施丽丽。敖万忠.高炉高铝低钛渣的熔化性。钢铁 研究学报，201022(4：16 参考文献 [7 Fu GQ Ju HX Xue X et al Sudy on viscosity and melting I]Ma JY TheTheory and PracticeofBast fmace Selting Vana tempemature of ac idic vanadim_tisanium_containing slag Chn J dium Titanam Magnetite Beijng Me tallugical Industry Press Proces Eng 2008 8(SIPP11):276 2000 (付贵勤，鞠洪星，薛逊，等酸性钒钛渣粘度及熔化性温度 (马家源.高炉治炼钒钛磁铁矿理论与实践.北京：治金工业 过程工程学报，20088（增刊1）：276 出版社，000) [8 Qu Y P Du HG Corre htion of pn custer structure with buk [2 CaoZ The cause of the fomed slag produces and the anti fming v iscosity ofTi-bearng mol ten shg Acta Met ll Sn 2002 38 mechanis of ore poponioning n the vanadim titmim ore smel (12片1277 tng fumace Ion Swel Vanadim Timnim 1981(2):30 (曲彦平，杜鹤桂.高炉型高钛熔渣离子团结构与粘度的关 (曹质。钒钛矿治炼炉内泡沫渣产生的原因及配矿消泡原理 系.金属学报，200238(12)：1277 的探讨.钢铁钒钛，1981(2：30) I9 DiaoR WangX Q Du H G et al Corelation of in custer [3到ZhuYK Mao YW,Guo ZX et到Stuy on a smbility of strucure wih buk viscosity and density of TO_bearng molten BF slag Ion Steel Vanadam Titanim 1983(1):14 slg Acta Metall S▣199228(3)：101 (侏元凯，毛裕文，郭昭信，等。含钛高炉渣泡沫稳定性的研 (刁日升，王喜庆，杜鹤桂，等.含T熔渣离子团结构与体 究.钢铁钒钛，1983(1)：14) 相粘度和密度的关系.金属学报.199228(3)：101) [4 BaiCG WeGY ZhuQH et al nvestga tion of surface vis 10 Bak CW.Chanrand P Degteov SA et al Facsage hema cosity of BF skg bearing hh titana J Chongqing Univ Nat Sci chemical sofware and da nbases CaPhad 2002 26(2):189
第 11期 徐 冉等:CaO-SiO2 -Al2O3 -MgO-TiO2钢渣体系熔化性能 R>1.5的渣系, 存在 TiO2是提高渣系熔点的主要原 因之一 . ( 2) 渣系碱度 R1.5时, TiO2替换 Al2 O3显著 升高熔点.Al2 O3质量分数为 25% ～ 35%时, 渣中含 有 1% ～ 5%的 TiO2, 渣系熔点急剧上升, TiO2可显 著提高高 Al2 O3含量熔渣的熔点. 参 考 文 献 [ 1] MaJY.TheTheoryandPracticeofBlast-furnaceSmeltingVanadiumTitaniumMagnetite.Beijing:MetallurgicalIndustryPress, 2000 (马家源.高炉冶炼钒钛磁铁矿理论与实践.北京:冶金工业 出版社, 2000 ) [ 2] CaoZ.Thecauseofthefoamedslagproducesandtheanti-foaming mechanismoforeproportioninginthevanadiumtitaniumoresmeltingfurnace.IronSteelVanadiumTitanium, 1981 ( 2) :30 (曹质.钒钛矿冶炼炉内泡沫渣产生的原因及配矿消泡原理 的探讨.钢铁钒钛, 1981( 2 ):30 ) [ 3] ZhuYK, MaoYW, GuoZX, etal.Studyonfoamstabilityof BFslag.IronSteelVanadiumTitanium, 1983( 1) :14 (朱元凯, 毛裕文, 郭昭信, 等.含钛高炉渣泡沫稳定性的研 究.钢铁钒钛, 1983( 1 ) :14 ) [ 4] BaiCG, WenGY, ZhuQH, etal.InvestigationofsurfaceviscosityofBFslagbearinghightitania.JChongqingUnivNatSci, 1995, 18( 3 ):80 (白晨光, 文光远, 朱琼华, 等.高钛型高炉渣表面粘度的研 究.重庆大学学报:自然科学版, 1995, 18 ( 3) :80) [ 5] WangSL, ZhongHX, ZhangLJ.Conductivityandviscosityof heterogeneoustitaniaslag.JIronSteelRes, 2005, 17 ( 5) :76 (王淑兰, 钟和香, 张丽君.非均相高钛渣的电导率和粘度. 钢铁研究学报, 2005, 17( 5) :76) [ 6] ZhangJZ, ShiLL, AoW Z.Meltingpropertyofhigh-alumina andlow-titaniaBFslag, JIronSteelRes, 2010, 22 ( 4) :16 (张金柱, 施丽丽, 敖万忠.高炉高铝低钛渣的熔化性.钢铁 研究学报, 2010, 22( 4) :16) [ 7] FuGQ, JuHX, XueX, etal.Studyonviscosityandmelting temperatureofacidicvanadium-titanium-containingslag.ChinJ ProcessEng, 2008, 8 ( Suppl1) :276 (付贵勤, 鞠洪星, 薛逊, 等.酸性钒钛渣粘度及熔化性温度. 过程工程学报, 2008, 8(增刊 1) :276) [ 8] QuYP, DuHG.Correlationofion-clusterstructurewithbulk viscosityofTiO2-bearingmoltenslag.ActaMetallSin, 2002, 38 ( 12 ):1277 (曲彦平, 杜鹤桂.高炉型高钛熔渣离子团结构与粘度的关 系.金属学报, 2002, 38( 12) :1277) [ 9] DiaoRS, WangXQ, DuHG, etal.Correlationofion-cluster structurewithbulkviscosityanddensityofTiO2 -bearingmolten slag.ActaMetallSin, 1992, 28( 3) :101 (刁日升, 王喜庆, 杜鹤桂, 等.含 TiO2熔渣离子团结构与体 相粘度和密度的关系.金属学报, 1992, 28 ( 3) :101) [ 10] BaleCW, ChartrandP, DegterovSA, etal.FactSagethermochemicalsoftwareanddatabases.Calphad, 2002, 26 ( 2) :189 · 1427·
