张国成等：炉渣成分对治炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响 7 0.8 析，模拟所选用体系为CaO-SiO2-MgO-Al2O3-CaF2, 0.7 w(CaF2)组元设定为1%，温度模拟高炉实际冶炼 控制温度，温度区间为1300~2000℃，升温梯度 0.6 为50℃，运用热力学模拟软件对高炉渣矿相形成 过程进行模拟，分析R。、w(MgO)和w(AlO,)变化 对高炉渣脱硫排碱能力的影响规律 0.4 3.3.1碱度对高炉渣脱硫和排碱能力的影响 0.3 根据表2的方案，通过Factsage热力学软件计 算出不同R。条件下的CaO-SiO2-MgO-Al2O3CaF2 0.2 五元渣伪三元相图，w(CaF2)设为1%，结果见图5 0.1 所示（红圈区域为研究渣系成分范围） 10121416 10121416180.91.11.3 w(MgO)/% (ALO% Ro 由图5可知，R。对中钛渣矿物析出过程有显 图4高炉渣排碱实验结果主观效应图 著影响.当R。为0.95和1.05时，矿相生成物主要 Fig.4 Subjective effect diagram of alkali removal from blast furnace 为渣液相和黄长石(Melilite).而当r。为l.15,温 slag 度小于1350℃时，生成物除渣液相和黄长石外， 表7高炉渣排碱实验结果回归方差分析 Table 7 Variance analysis of experimental results of alkali removal from blast furnace slag Parameter Di SS MS F value Significance F Regression analysis 3 0.843671 0.281224 8.973547 0.00216 Residual 12 0.37607 0.031339 Sum 15 1.219742 还有镁蔷薇辉石(CaMgSi2Os)和尖晶石(Spinel), 度较低情况下未熔化的Ca2SiO4晶体在熔渣中形 当温度大于1300℃时，镁蔷薇辉石和尖晶石消失 成非均匀相，使炉渣黏度增大，影响了$2向渣中 根据离子理论观，点，提高R。即增加了CaO活 扩散迁移，不利于脱硫反应的动力学条件，降低了 度，使自由氧离子的摩尔数增多，炉渣L提高.随 炉渣的脱硫能力，对排碱不利.因此，为了保证炉 着R。上升，渣中O浓度升高，脱硫的热力学条件 渣具有较高的脱硫能力，同时兼顾排碱的需要，冶 有所改善，并且促使硅氧复合阴离子S-O解体， 炼白云鄂博矿高炉渣时R。应控制在1.05~1.15. 炉渣黏度减小，从而促进了炉渣与金属液体之间 3.3.2MgO含量对高炉渣脱硫和排碱能力的影响 的传质过程，使得$2更容易向渣中迁移，从而改 根据表2所示的实验方案和炉渣成分，通过 善了脱硫的动力学条件，提升了炉渣的脱硫能 Factsage热力学软件计算出不同w(MgO)条件下 力8-2).但是，当R。超过1.15后，炉渣的矿相进人 的CaO-SiO2-Mg0-Al2O3CaF2五元渣伪三元相 了Ca2SiO4的结晶区域，炉渣熔化温度升高，在温 图，w(CaF2)设为1%，如图6所示（红圈区域为研究 (a) 0.9 T/K (b) T/K 0.8 12000 ■2000 1900 1900 w(SiO) 6 1800 W(AL 1700 w(SiO2) 5 96 1800 .40.5 1600 w(AkO) 1700 1600 1500 1500 0.10203 1400 020.30.40.5 1400 1300 02 1300 L0, 0.90.80.70.60.50.4030.20.1 0.90.80.7 0.60.50.40.30.20.1 w(MgO) w(MgO)析，模拟所选用体系为 CaO−SiO2−MgO−Al2O3−CaF2， w(CaF2 ) 组元设定为 1%，温度模拟高炉实际冶炼 控制温度，温度区间为 1300～2000 ℃，升温梯度 为 50 ℃，运用热力学模拟软件对高炉渣矿相形成 过程进行模拟，分析 Ro、w(MgO) 和 w(Al2O3 ) 变化 对高炉渣脱硫排碱能力的影响规律. 3.3.1    碱度对高炉渣脱硫和排碱能力的影响 根据表 2 的方案，通过 Factsage 热力学软件计 算出不同 Ro 条件下的 CaO−SiO2−MgO−Al2O3−CaF2 五元渣伪三元相图，w(CaF2 ) 设为 1%，结果见图 5 所示 (红圈区域为研究渣系成分范围). 由图 5 可知，Ro 对中钛渣矿物析出过程有显 著影响. 当 Ro 为 0.95 和 1.05 时，矿相生成物主要 为渣液相和黄长石（Melilite）. 而当 Ro 为 1.15，温 度小于 1350 ℃ 时，生成物除渣液相和黄长石外， 还有镁蔷薇辉石 (Ca3MgSi2O8 ) 和尖晶石 (Spinel) ， 当温度大于 1300 ℃ 时，镁蔷薇辉石和尖晶石消失. 根据离子理论观点，提高 Ro 即增加了 CaO 活 度，使自由氧离子的摩尔数增多，炉渣 Ls 提高. 随 着 Ro 上升，渣中 O 2−浓度升高，脱硫的热力学条件 有所改善，并且促使硅氧复合阴离子 Si−O 解体， 炉渣黏度减小，从而促进了炉渣与金属液体之间 的传质过程，使得 S 2−更容易向渣中迁移，从而改 善了脱硫的动力学条件，提升了炉渣的脱硫能 力[18−23] . 但是，当 Ro 超过 1.15 后，炉渣的矿相进入 了 Ca2SiO4 的结晶区域，炉渣熔化温度升高，在温 度较低情况下未熔化的 Ca2SiO4 晶体在熔渣中形 成非均匀相，使炉渣黏度增大，影响了 S 2−向渣中 扩散迁移，不利于脱硫反应的动力学条件，降低了 炉渣的脱硫能力，对排碱不利. 因此，为了保证炉 渣具有较高的脱硫能力，同时兼顾排碱的需要，冶 炼白云鄂博矿高炉渣时 Ro 应控制在 1.05～1.15. 3.3.2    MgO 含量对高炉渣脱硫和排碱能力的影响 根据表 2 所示的实验方案和炉渣成分，通过 Factsage 热力学软件计算出不同 w(MgO) 条件下 的 CaO−SiO2−MgO−Al2O3−CaF2 五元渣伪三元相 图，w(CaF2 ) 设为 1%，如图 6 所示 (红圈区域为研究 表 7 高炉渣排碱实验结果回归方差分析 Table 7 Variance analysis of experimental results of alkali removal from blast furnace slag Parameter Df SS MS F value Significance F Regression analysis 3 0.843671 0.281224 8.973547 0.00216 Residual 12 0.37607 0.031339 — — Sum 15 1.219742 — — — 10 12 14 16 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 10 12 14 16 18 0.9 1.1 1.3 w(K O+Na 2 O)/ 2 % w(MgO)/% 0.13225 0.29675 w(Al2O3 )/% 0.50625 RO 图 4    高炉渣排碱实验结果主观效应图 Fig.4     Subjective  effect  diagram  of  alkali  removal  from  blast  furnace slag w(MgO) w(SiO2 ) T/K 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 w(Al2O3 ) w(SiO2 ) w(Al2O3 ) 0.1 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 (a) (b) w(MgO) T/K 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.1 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 张国成等： 炉渣成分对冶炼白云鄂博矿高炉渣脱硫和排碱能力的影响 · 7 ·