D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1988.01.001 北京钢铁学院学报 第10卷第1期 Journal of Beijing University Vol.10 No.1 1988年1月 of Iron and Steel Technology Jan.1988 FeO一Fe2O3一SiO2渣系的作用 浓度计算模型 张 鉴 (电冶金教研室) 摘要 根据共存理论的基本观点，从FeOa一Si0,渣系的相图和枯度数据及Fe0n一 Fc20,相图确定了本渣系的结构单元为Fe8+,0?一简单离子和Si02,Fc20, Q Fe304及Fe2Si0,分子。在此基础上利用Fe,Si0:和Fe30,的标准生成自由能数 据推导了计算Feo一Fe203一Si0:渣系各组元作用浓度的模型。 计算的WFe:O与实测的aFet0符合，且NFc,O.NSiO,.NFe2Si0:和炉渣 总质点数n随B1=a8而改变，而VPe:0,和NFe,0:随B:=8, nFeO 而政变，表明Fe,Si0,和FcaO,的混合是理想的，两者间的相互影响是不大的. 关键词：共存理论，作用浓度，结构单元，炉渣的氧化能力· The Calculating Model of Mass Action Concentrations for the Slag System FeO-Fe203-SiO2 Zhang Jian Abstract In accordance with the coexistence theory of slag structure,the structural units of FeO-Fe,O3-SiO2 melts have been determined as simple ions Fe2+,02-and molecules SiO2,Fe2O3,FesO4,FeaSiO,as well from the phase diagram and viscosity data of FeOn-SiOa system and phase diagram of FeOa-Fe,O3.On the basis of these structural 1986一04一01收稿 1
第 卷第 期 分 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 尸 一 一 渣系的作用 浓度计算模型 张 鉴 电冶金教研宣 摘 要 根据共存理论的基本观点 ， 从 一 渣系的相 图和粘 度 数 据及 一 。 相图确定了本渣系的结 构 单 元为 ，十 ， “ 一 简 单离子和 ， 。 ， ‘ 及 分子 。 在此基础上利用 ‘ 和 ‘ 的标准生成 自由能 数 据推导 了计算 。 一 一 ，渣系各组元作用 浓度的模型 。 计算的夕 与实测的 符合 ， 且 。 ‘ 甘质点数名。 随 另刀 习打 而改变 ， 而刃 和脚 ‘ 随召 一 和炉渣 刃刀 公” 七 而改变 ， 表明 ‘ 和 。 的混合是理想的 ， 两者 间的相互 影 响是不大的 关键词 共存理论 ， 作用浓度 ，结构单元 ， 一 炉渣的氧化能力 一 一 于 人 ” ” 州 下 ， 一 。 一 十 ， 一 ， ， ， ‘ 了 一 二 一 、 让 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．01．001
units and using the standard free energies of FeaSiO and Fe3O. formation,calculating model of mass action concentrations for FeO- FeaOs-SiOa melts has been deduced. The calculated Nre:o are identical with the measured aFe:o.The mass action concentrations of NFe:0,Nsio:,NFe:sio,and the sum of moles En change with respeet to the basicity B,but the Ensio mass action concentrations NFeao,and NFe,0,change with respect to the sicityB,showing that the mixing of FeSiO,and Fe is ideal and their mutual effects are small. Key words:coexistence theory of slag structure,mass action concentra- tions,structural units,oxidizing capability of slags. 前 言 文献上关于FeO-FeO3-SO2渣系的aFeo测定，已经有了一些(1~)。测定结果 彼此符合甚好，但理论与实际一致的aFc:o计算模型却为数不多。在前文（们中曾对 FeO-FezO,-SiO:渣系的作用浓度NFeo进行了计算，虽然结果与实测aFeO符合，但 由于假设Fe.O3全部与FeO结合成FeaO4,在理论上是不够严密的。本文目的在于将 FeO-Fe:O,-SiO,渣系的作用浓度计算建立在更严格的理论基础上，以便把共存理论 推广到多元渣系的作用浓度计算。 1Fe0一Fe2O3一SiO2系熔渣的结构单元 前文4已对熔渣的结构进行了详尽论证。 按照这些观点来考察FeO.-SiO,渣系相图（如图1）c5),可以看出FeO-Fe2O3- SiO2熔渣中会生成正硅酸铁分子(Fe,SiO4)。这点在FeO-SiO,渣系粘度测量结 果中也得到了证明(6)。另外，由于在FeO-SiO2熔渣中不可避免地存在Fc2Os,根据 FeO-Fe:Os2相图5)，有FegO4(或FeO·FezO3)生成。因此，该三元系熔渣的结构 单元是，Fe2+、O2-简单离子和SiOz、Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4分子。 2Fe0一Fe2O3一SiO2熔渣作用浓度的计算模型 按照上面的结构单元及下表的热力学数据(？-8)，并令： b=EnFe0,01=Ensio:,02=>nFe:03,x=nFe0, y1=nSiO2,y2=nFe:03,2=nFe;01,w=nFe2Sio, 本渣系内的化学反应为：
‘ ， 一 。 。 。 ， ‘ 万 艺粉 艺 ， ， 。 艺。 艺 。 ， ‘ ‘ ， ， ， 吕名 口 月 舌 文献上关于 一 一 渣系 的 。 。 测定 ， 已经有 了一 些 〔 一 〕 。 测定 结 果 彼此符 合甚好 ， 但理论与实际一致的 计算 模 型 却 为 数 不 多 。 在 前 文川 中曾对 一 。 一 渣系的 作用 浓度 。 进行 了计算 ， 虽然结果 与 实 测。 。 。 符合 ， 但 由于假设 全部与 结合成 ‘ ， 在理论上是 不够严密 的 。 本 文 目的 在 于将 一 一 渣系的作用 浓度计算建立在 更严格的理论基础 上 ， 以便把共存理论 推广到 多元渣系 的作用浓度计算 。 杯 一 一 系熔渣的结构单元 前文川 已对熔渣的结构进行 了详尽论证 。 按照这些观点来考察 一 渣系相 图 如 图 〔 〕 ， 可以看 出 一 熔渣中会生成正硅酸铁分子 ‘ 。 这 点在 一 渣 系 粘 度 测 量 结 果 中也得到 了证 明卿 。 另外 ， 由于在 “ 一 熔渣 中不可避免地存 在 ， 根 据 一 相图〔 〕 ， 有 ‘ 或 · 。 生成 。 因此 ， 该三元系 熔渣的结 构 单元是 “ ‘ 、 一 简单离 子和 、 、 。 ‘ 、 ‘ 分子 。 一 一 熔渣作用 浓度的计算模型 按照上面的结构单元及下表的热力学数据 〔 一幻， 并令 二 芝” ， 二 艺 ， ” ， 戈 ” ， 王 二 ， “ ” ， 二 ” ‘ ， 功 ” ‘ 本渣系 内的化学 反应为 娜
FeOn Mole fraction SiO2- SiO, 1200.10.20.30.40.50.60.7 0.80.9 1.0 0 B)Fe20a in the 10 iron-satureted melts x Bowen and Scheirer o Korber,Oelsen,Dinkler" ASchuhmann,Powell,Michai 。126I+3"℃ ●1315±9℃ Schufimsnn,Ensio. 0 ◆1365±9"℃ 1800 b)Phase diagram FeOn-SiO2 X Cowen and Schairer· 1690 1700 DGreig Korber,Celsen,Dinkier 1600 。Schuhmann,Ensio, 1500 1470-士 1400 1300 1208 1200 1175-￥ 1180 P ” 1100 1000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100 FeOn Weight9%si02一- SiO2 图1Fe0a一Si02渣系相图 Fig.1 Phase diagram of FeOn-Si0a 2(Fe++02-)+Si02(s)=Fe2Si04,(1371-1535℃) (1) NFo2Si04 K1=（NE.0)8N910:，△G°=-6470+0.67 (Fe2*+02-)+Fea03(s)=Fe3O4(s,(1371-1597m·p) (2) K1= NFe30 NFeo.NFe03 -,△G0=-10950+2.5T 反应的标准自由能 Standard free energies of the reactions 反 应 自由能变化 (J) 温度范围（℃） Fe (s)=Fe (1) AG0=13860-7.64T 1536m rc()+}02=Fe0) 2 △G0=一257040+53.89T 1371~2000 Fe(s)+}0:=Fe0() 2 4G0✉-243188十46.27 13711536m 2Fe (0:-Fe:03 (s) △G0=-817236-十251.62T 25~1500 3Fe(s1十202=Fc30:(s) 4G0=-1106406+308.53T 251597m Fc0(1)+fe203(s)=Fe304(sy AG0=-45990+10.67T 1371~1597m 2Fe0(1)+si0(s)=Fe2Si04(1) AG0=-27174+2.52T 1371~1535 3
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物料平衡为： EnFeo=nFe0+nFea0+2nFeaSi0> 6=x+2+2w) Ensioa=nsio,+nFSio, aI=y1+w (3) EnFea03=nFea03 +nFe30> a2=y2+2 总质点数∑n=2x+z+w+y1+y2=2×+a,c=01+a: 各组元的作用浓度为： N:=Mm0=2。+品N:=No:=Z2aM:=N0,=z2 2x+a (4) N=NFe:0= 2 2x+a5 N5=NFeaSi0=- 2x+a 将(4)代入(1)和(2)式得： K1x2 0=(x+0.5a)2y1 之=K2 x+0.5ay2 (5) 将(5)代入(3)得： 6-x=-Kix x+0.5ay:+ 2K,x2 (x+0.5a）2y1 (a) a1(x+0.5a)2 y1=K1x2+（x+0.5a)2 (b) (6) a2(×+0.5a) (c) y:=K2x+（x+0.50） 将(6b)和(6c)代入(6a)并展开得： K,(2a1-b+x)(x+0.5a)x2+K2(a2-6+x)(x+0.5a)3× +K1K2(2a1+a1-b+x)x3-(b-x)(x+0.5a)3=0 (7) 以上就是FeO-Fe,O一SiO2系熔渣各组元作用浓度的计算模型。 考虑到有铁存在时，本渣系中会发生下列反应。 Fe+Fe.03=3(Fe2++O2-) (8) 即自由的FeO和Fe,O:均具有氧化能力，所以可将炉渣的氧化能力表示为： NFe:0=NFe0+6NFe203 (9) 如果计算模型与实际相符，则计算的NFc:o应与实测aFe:0一致。 3计算结果 利用以上模型在LSI一11/23小型计算机上处理文献〔1~3)中的数据后所得结果如图 2。由图中计算VNF©，0与实测aFe:o的比较可以看出，虽然实测数据来源不同，但两者 的符合程度都是相当满意的，说明用上述模型计算炉渣的氧化能力是可行的。 4
物料平衡为 艺 ” 。 ‘ 。 ， 功 习 。 ， ‘ ， 阴 乏 。 。 ， ” 。 ‘ ， 总 质点数乏。 二 二 十 田 十 十 二 二 十 ， 。 二 。 各组元的作用 浓度为 义 戈 戈 ， 二 劣 口 一 。 二 之 。 ‘ 刀 丫 卒劣 上 ， 、 及戈 将 代 人 和 式得 兀 戈 劣 一 互玉一 一 劣 。 将 代 人 得 一 戈 二 二一 ， ， 戈 。 和 、 ‘ 尤 劣 。 二 、 戈 。 么 。 二 戈 。 叉 。 将 和 代人 并展 开得 一 劣 劣 一 况 。 男 兀 ， 一 一 一 以 上就是 一 一 系熔渣各组元作用 浓 度的计算模型 。 考虑到有铁存在时 ， 本渣系 中会发生 下列 反 应 。 十 一 即 自由的 和 均具有 氧化能力 ， 所 以可将 炉 渣 的氧化能力 表示为 。 。 如 果计算模型与实际相符 ， 则 计算的 、 应与 实测 叮 一致 。 计算结果 利 用 以 上模型在 一 小型计算 机 上处 理 文献 〔卜 〕 中的数 据后所 得结果如 图 。 由图 中计算 。 与实测 的比较可以 看 出 ， 虽然实测 数据来 源 不 同 ， 但 两 者 的符合程度都是相 当满意的 ， 说 明用 上述模型计算炉 渣的 氧化能力是可行 的
1.0 o-R.Schuhman 1262~1407C 0.9 -C.Bodsworth 1257~1368 C 02 ◆-Shiro BAN-YA1400C 0.8 0.7 0.6 0.5 0.40.50.60.70.80.91.0 aFeto 图2计算WFe,O与实测aFe:0的此较 Fig.2 Comparison of calculsted NFeto with measured aFetO Ba=Engeo nFe203 50 100 150 200 250 300 350 400 1.0 4502.0 Npe2O3 NFetO 102 1.6 -x-NFc203 0.6,310-3 -Pe10 3w10-21.2 员 -。-NFe2Si04 0,42x10 -4-Nsi02 2x120.8 -+-NFegOs 0.2 1103 -4n -x1020.4 NFe,04 T一 NFe2Si04 10 14 36.55 znFco B:sio: 图3Pe0一Fc:03一Si0:熔渣的氧化能力NFc:0,各组元作用浓度和总质点数8n随碱度B1(或B,)的变化 Fig.3 Change of NFe:,mass action concentrations and 2n in relation to basicity Bi (or Ba)in melts of Fe0-Fe03-SiO, 图3是FeO-Fe2Og-SiO,熔渣的氧化能力Nrc:o,各组元作用浓度和总质点数2n随 碱度B,=(多w8)或B,=(n0)而变化的情况。从图中看出，NF:0,N30, ∑nsi0: ∑nFe:03 Nre:Si0:和总质点数2n均随B,=（。)而变化；而NFe:0,和Nre,0r则随， B,=（2mr0,01 mF0)而变化，而且具有很强的依存关系。说明FeO-Fe,O,-SO,熔渣各组 元的作用浓度主要决定于标志其化合关系的碱度，而与其化合关系甚少的碱度则影响不 个
。 它 。 。 口 ‘ 叫 沾 。 。 一 ℃ 一 ’ 望 。 ‘ 竺” “ “ 一坦’ “ 护上 “片。 少少 丫 ， ’ 洲 屯日 吸 ‘沪 尹 图 计算 ， 与实测 的比 较 位 也 粤少竺 多 。 ‘ ’ 一 一 一 民 茗 二 。 万 ， 二二二 一已盘 生竺 一 止 一 厂 。 犷凸 一 。 忆， 乙 图 。 氏 一 一 熔渣的氧化能力刀 ， 各组元作用浓度和总质点数公， 随碱度 ， 或 》的变化 刀 ‘ ， 位 公称 召 丑 ‘ 一 一 ， 一 图 是 一 一 熔渣的 氧化能力 。 。 ， 各组元作用浓度和总 质点数艺 随 ， ， 。 ， 艺 、 小 ， 艺 、 一 ，， ， ， 、 、 。 ， ， ， 一 ， 徽反。 二 气 一万二刃万一 夕双。 又芍屯百一下了一 皿 父 七 旧俏沉 。 从团 甲有 出 ， 挥 ’ ， ， ‘ “ 。 ， ‘ 油几 艺 ， ‘ 和总质 点数 艺 均 随 一勇弊生 盛 刀 而变 化 而 。 和 则随 二 盗 艺 刀 。 ， 而变化 ， 而且具有 很 强 的依存关 系 。 说 明 一 一 熔渣各 组 元的作用 浓度主要决定于标志其化 合关 系的碱 度 ， 而与其化 合关 系甚少的碱度则影响 不
大。这就表明Fe2SiO,和Fe,O4的混合是理想的，两者间的相互影响是不大的。而 n随B:而改变的主要原因是本渣系中占主导作用的酸性氧化物为SiO.,Fe,O,与之 相比含量甚少所致。 4结 论 (1)根据炉渣结构的共存理论推导了FeO一Fe,O。一SiOz熔渣各组元作用浓度 的计算模型。 (2)用Nre:0=NFe0+6NFe2O,计算的熔渣氧化能力与实测aFe:O相符。 (3)熔渣FeO-Fe,O,-SiO2各组元的作用浓度随标志其化合关系的碱度而变 化，而与其化合关系甚少的碱度对其影响不大。 参考文献 1 Schuhman,R.and Ensio,P.J.:J.of Metals,5 1951),401 2 Bodsworth,C.:J.Iron and Steel Institute,9,(1959),13 〔3)万谷志郎等：铁之钢，10(1980)，1484 〔4)张鉴：北京钢铁学院学报，1(1984)，21 (5 Schlackenatlas,Verlag Stahleison M.B.H.:Dusseldorf,18 1981, 45,42 〔6〕溶铁，溶滓①物性值便览，溶钢，溶滓部会报告，1972 7 Turkdogan,E.T.:Physical Chemistry of High Temperature Technology,Academic Press,New York 8 Richardson,F.D.and Jeffes,J.H.E.:J.Iron and Steel Institute, 166(1950),3 6
大 。 这就表明 和 的混 合是 理想 的 ， 两者 间的相互影响 是 不 大 的 。 而 艺” 随 而改变的主 要原 因是本渣系 中 占主 导作用 的酸 性氧化物为 ， 与 之 相 比含量甚少所致 。 结 论 根据炉 渣结构 的 共存理论推导 了 一 一 熔渣各组元作用 浓度 的计算模型 。 用 计算 的熔渣氧化 能力 与实测。 。 ‘ 相符 。 熔渣 一 。 一 各组元的作用浓度随标 志其化 合关 系 的 碱 度 而 变 化 ， 而与其化 合关 系甚 少的 碱度对其影响 不大 。 参 考 文 献 〔 〕 ， 。 ， 。 ， ， 〔 〕 ， ， 。 “ ， ， ， 〔 〕 万谷志郎等 铁 巴钢 ， ， 〔 〕 张鉴 北京钢铁学 院学 报 ， ， 〔 〕 ， ， ， 一， ， 〔 〕 溶铁 ， 溶滓 。 物性值便 览 ， 溶钢 ， 溶滓部 会报 告 ， 〔 〕 ， 人 裙。 夕夕， ， 〔 〕 ， ， 炸 ，