卢翔等：利用显热对熔渣进行直接改质的热平衡分析及试验验证 ·1389· 析出晶体（产物）的矿物组成主要为C,S、C,S与少量 虑了改质钢渣中Al,O,、MgO、MnO,等组分，因此Fat- Fe0,其熔点分别为2130、2070与1369℃，可知A点改 sage的计算结果较为准确. 质钢渣的产物以高熔点矿物C,S和CS为主，这导致 3.4矿物的摩尔热容参数 其液相线温度高 河沙矿物组成包括石英(q)、钠长石()与微斜长 石(m),如3.2中河沙X射线衍射分析结果所示，其摩 172 170 尔热容C随温度变化计算公式的参数可通过查阅实 90 用无机物热力学数据手册0获得，如表2所示，其计 20 算公式见表2下的备注(1).由于石英在847K处存 170m 在α-石英与B石英相互转变，使得其摩尔热容参数在 70 847K前后不同.对于河沙的矿物熔化吸热量计算过 60 程作如下考虑：石英熔点大于改质熔渣液相线温度，该 50 矿物熔化吸热量按照式(4)计算：钠长石与微斜长石 Fe0.Sio.) 60 熔点小于改质熔渣液相线温度，它们加热到熔点后开 30.20 103 T8 始熔化成熔渣，因而这两种矿物从熔点加热到液相线 30 120 s0 温度过程近似熔渣的加热过程，此时的吸收热量应按 80 d- 50 1300 照式(1)计算，因此需要对式(4)进行修正，具体如下： 170 90 220m 0、J600- 2400 Q=∑n广cdr+mH= 0 0 10 30 40 50 60 70380 90 100 Ca0 Weiglut%Fe0- C.dT+m。 C.dT+ -2570 1369 T. 图3Ca0-Si02-Fc0系三元相图 nJc.dr+m∫car+mH (5) JT Fig.3 Cao-Si0,-Fe0 system temary phase diagrams 式中，n,为河沙中石英的物质的量，C,为河沙中石英的 当河沙掺量增加，改质钢渣从A点移动到C点之 摩尔热容，n,为河沙中钠长石的物质的量，C.为河沙中 后，改质钢渣组分处于三角形C,S一F0一CFS(钙铁橄 钠长石的摩尔热容，T.为钠长石的熔点，nm为河沙中石 榄石)内，产物矿物组成主要为C,S、F0与少量CS, 英的物质的量，C。为河沙中石英的摩尔热容，T为微 其熔点分别为2130、1369与1223℃，此时高熔点的 斜长石的熔点 CS消失，有低熔点的CFS生成，因此C点液相线温度 表2河沙矿物的摩尔热容 低于A点 Table 2 Molar heat capacity of minerals of sands 当河沙掺量继续增加，改质钢渣从C点移动到D J小mol-l-Kl 点(D点河沙掺量为15%)后，虽然改质钢渣组分处于 矿物 a b 温度范围K 三角形C,S-Fe0CS(钙铁橄榄石)内，其产物矿物组 43.89 38.79 -9.67 298-847 石英 成主要为C,S、CFS与少量FeO,CFS相的含量大于 58.91 10.04 0 847.1969 FeO相，而CFS的熔点低于FeO,因此D点液相线温度 钠长石 516.31 116.32 -125.60 298~1391 低于C点 微斜长石 572.12 77.32 -190.46 298~1400 随着改质钢渣从D点移动到B点时，B点组分处 注：(1)C=a+b×103T+c×103T-2:(2)石英、钠长石和微 于三角形C2S-CS-C,S2(硅钙石)内，产物矿物组成 斜长石的熔点分别为1969、1391和1400K. 主要为C,S、CS与少量C,S2,而C,S2的熔点为 1470℃，略高于Fe0的熔点1360℃，但其含量较少，因 4 结果与讨论 此B点液相线温度略高于D点，D点液相线温度 4.1理论计算 最低 当熔渣为1kg时，由假设(1)、(4)与式(1)可得 综上所述，当钢渣中掺入河沙后，改质钢渣产物的 rl600 熔点降低，使得其液相线温度降低，从而促进其改质效 Q.=1.197ar. (6) 果，即改质熔渣的流动性得到提高。随着河沙掺入，改 计算以河沙的掺量为1%为例，则河沙质量为 质熔渣的液相线温度整体变化趋势与Factsage的计算 10g,其矿物组成的物质的量分别为：石英5.80× 结果一致，但最低液相线温度的河沙掺量为15%，大 10-2mol,钠长石4.11×10-3mol,微斜长石5.99× 于Factsage的计算值I2%,这可能是由于Factsage考 10-3mol.由Factsage7.0计算此时改质熔渣液相线温卢 翔等: 利用显热对熔渣进行直接改质的热平衡分析及试验验证 析出晶体( 产物) 的矿物组成主要为 C2 S、C3 S 与少量 FeO，其熔点分别为 2130、2070 与 1369 ℃，可知 A 点改 质钢渣的产物以高熔点矿物 C2 S 和 C3 S 为主，这导致 其液相线温度高． 图 3 CaO--SiO2--FeO 系三元相图 Fig． 3 CaO--SiO2--FeO system ternary phase diagrams 当河沙掺量增加，改质钢渣从 A 点移动到 C 点之 后，改质钢渣组分处于三角形 C2 S--FeO--CFS( 钙铁橄 榄石) 内，产物矿物组成主要为 C2 S、FeO 与少量 CFS， 其熔点分别为 2130、1369 与 1223 ℃，此 时 高 熔 点 的 C3 S消失，有低熔点的 CFS 生成，因此 C 点液相线温度 低于 A 点． 当河沙掺量继续增加，改质钢渣从 C 点移动到 D 点( D 点河沙掺量为 15% ) 后，虽然改质钢渣组分处于 三角形 C2 S--FeO--CFS( 钙铁橄榄石) 内，其产物矿物组 成主要 为 C2 S、CFS 与少 量 FeO，CFS 相 的 含 量 大 于 FeO 相，而 CFS 的熔点低于 FeO，因此 D 点液相线温度 低于 C 点． 随着改质钢渣从 D 点移动到 B 点时，B 点组分处 于三角形 C2 S--CFS--C3 S2 ( 硅钙石) 内，产物矿物组成 主要 为 C2 S、CFS 与 少 量 C3 S2，而 C3 S2 的 熔 点 为 1470 ℃，略高于 FeO 的熔点 1360 ℃，但其含量较少，因 此 B 点 液 相 线 温 度 略 高 于 D 点，D 点 液 相 线 温 度 最低． 综上所述，当钢渣中掺入河沙后，改质钢渣产物的 熔点降低，使得其液相线温度降低，从而促进其改质效 果，即改质熔渣的流动性得到提高． 随着河沙掺入，改 质熔渣的液相线温度整体变化趋势与 Factsage 的计算 结果一致，但最低液相线温度的河沙掺量为 15% ，大 于 Factsage 的计算值 12% ，这可能是由于 Factsage 考 虑了改质钢渣中 Al2O3、MgO、MnO2等组分，因此 Fact￾sage 的计算结果较为准确． 3. 4 矿物的摩尔热容参数 河沙矿物组成包括石英( q) 、钠长石( n) 与微斜长 石( m) ，如 3. 2 中河沙 X 射线衍射分析结果所示，其摩 尔热容 C 随温度变化计算公式的参数可通过查阅实 用无机物热力学数据手册［20］获得，如表 2 所示，其计 算公式见表 2 下的备注( 1) ． 由于石英在 847 K 处存 在 α-石英与 β-石英相互转变，使得其摩尔热容参数在 847 K 前后不同． 对于河沙的矿物熔化吸热量计算过 程作如下考虑: 石英熔点大于改质熔渣液相线温度，该 矿物熔化吸热量按照式( 4) 计算; 钠长石与微斜长石 熔点小于改质熔渣液相线温度，它们加热到熔点后开 始熔化成熔渣，因而这两种矿物从熔点加热到液相线 温度过程近似熔渣的加热过程，此时的吸收热量应按 照式( 1) 计算，因此需要对式( 4) 进行修正，具体如下: Qen = ∑ ni ∫ Tl Ti CidT + miHl = nq ∫ Tl Ti Cq dT + nn ∫ Tn Ti Cn dT + mn ∫ Tl Tn CsdT + nm ∫ Tm Ti Cm dT + mm ∫ Tl Tm CsdT + miHl ． ( 5) 式中，nq为河沙中石英的物质的量，Cq为河沙中石英的 摩尔热容，nn为河沙中钠长石的物质的量，Cn为河沙中 钠长石的摩尔热容，Tn为钠长石的熔点，nm为河沙中石 英的物质的量，Cm为河沙中石英的摩尔热容，Tm为微 斜长石的熔点． 表 2 河沙矿物的摩尔热容 Table 2 Molar heat capacity of minerals of sands J·mol － 1·K － 1 矿物 a b c 温度范围/K 石英 43. 89 38. 79 － 9. 67 298 ～ 847 58. 91 10. 04 0 847 ～ 1969 钠长石 516. 31 116. 32 － 125. 60 298 ～ 1391 微斜长石 572. 12 77. 32 － 190. 46 298 ～ 1400 注: ( 1) C = a + b × 10 － 3 T + c × 105 T － 2 ; ( 2) 石英、钠长石和微 斜长石的熔点分别为 1969、1391 和 1400 K． 4 结果与讨论 4. 1 理论计算 当熔渣为 1 kg 时，由假设( 1) 、( 4) 与式( 1) 可得 Qs = ∫ 1600 Tl 1. 197dT． ( 6) 计算以 河 沙 的 掺 量 为 1% 为 例，则 河 沙 质 量 为 10 g，其 矿 物 组 成 的 物 质 的 量 分 别 为: 石 英 5. 80 × 10 － 2 mol，钠 长 石 4. 11 × 10 － 3 mol，微 斜 长 石5. 99 × 10 － 3 mol． 由 Factsage 7. 0 计算此时改质熔渣液相线温 · 9831 ·