·670 工程科学学报，第38卷，第5期 保炉渣中磷酸盐相结晶长大.在1373K时，将炉渣快 子是由(Ca2++02-)和(Fe2·+02-)离子对和简单分 速取出高温炉进行水淬冷却.水淬冷却的渣样在403 子反应生成的 K(130℃)烘箱中烘干4h,供后续的物相检测. 根据Ca0-Si02-Al,03三元系相图5-，在1623~ 需要指出的是：渣样在熔化和冷却的过程中F0 1873K温度范围内，该六元系中可能存在的含钙硅铝 与Fe,03质量比为常数，因为实验过程中一直有高纯 的三元化合物主要有两种，分别为钙铝黄长石2Ca0· Ar保护. AL,03·Si02(C2AS)和钙长石Ca0·AL,03·2Si02 2000 (CAS,).根据MCT0建立模型的基本方法，即炉渣 温度制度 组元化学分析得到的含量和基于MCT观点生成复杂 1600 大分子后的物质守恒，建立了MCT计算模型，即M- 2.62 K.min CT-V模型.IMCT-V,模型的建立过程在本文不再赘 述.利用所建立的六元渣系的MCT-N,模型可得到表 1200 3.33kmin-1 征自由AL,O,、C,AS和CAS,反应能力的质量作用浓度 N:和平衡物质的量n·质量作用浓度N,和平衡物质 80 水淬 的量n,间的关系为 4.5Kniin Ni= ni (1) ∑n 400 6.00 K.min- 该六元渣系的IMCT-N,模型结果表明∑n:变 0 200 400 600 800 时间/min 化不大.因此，质量作用浓度N:不仅可表征结构单元 图1炼钢炉渣从273K到1773K的温度变化曲线 的反应能力，而且可与结构单元的质量：建立线性对 Fig.1 Temperature change curve from 273K to 1773K for the steel- 应关系 making slags 图2给出1673K(1400℃)时不同初始(AL,0,)含 1.3物相表征方法 量与生成的C2AS和CAS2平衡物质的量nc,s和ncas,之 一部分水淬渣样破碎研磨筛分至0.074mm(200 间的关系.由图2可知，随着初始（山0，）增加，炉渣 中C,AS和CAS2的平衡物质的量n,As和ncs均增大； 目)以下供物相检测.物相检测采用日本理学公司生 产的X射线衍射分析仪(XRD,TTRⅢ型).X射线衍 但CAS,的质量远小于C,AS的质量.因此，炉渣中因 为添加AL,03所生成的主要物相为C,AS,而不是 射扫速为10°·min. CAS, 一部分原始未破碎的块状渣样镶嵌于环氧树脂 表1所列举六组实验中No.1炉渣中无AL,O,,其 内，以三乙烯四胺(C,HsN,)为硬化剂，抛光喷碳处理 成分和文献[5]五元Ca0-Si02-fe0-fe20,-P20,渣 后矿相解离检测.矿相检测采用FEI公司生产的矿相 系的成分一致，且磷酸盐富集相中P,O、的质量分数最 解离分析仪(MLA250型)，包括FEI Quanta250多用 途扫描电镜和高速、高能量X射线能谱仪.扫描电镜 高.因此可推断，其他五组添加A山0，的炉渣中A山03 主要与C,S结合生成钙铝黄长石C,AS相.由Al203 采用背散射电子成像分析矿相嵌布特征，能谱采用点 和C,S的化学计量比可知，六元炼钢炉渣二元碱度B 扫描和面扫描进行成分定量分析. 为1.7时，需要添加的AL,03的质量分数为10%：二元 2 A山，03在炉渣中赋存形式及冷却温度的 碱度B为2.0时，需要添加的A山，0，的质量分数为 热力学计算 15%:二元碱度B为2.4时，需要添加的A1,0,的质量 分数为20%.为了验证这一推论，设计的实验成分见 2.1A山，0，在炉渣中赋存形式和质量的热力学分析 表1. 分子与离子共存理论如是一种基于相图中可能 2.2冷却温度确定 存在的化合物为结构单元，采用质量作用定律定量计 为了确定炉渣缓冷的最高温度或将炉渣取出加热 算炉渣中结构单元数量或反应能力的炉渣结构理论. 炉进行水冷的最低温度，采用以拟化学模型为实质的 该理论认为，六元Ca0Si02fe0Pz0,fe,03-Al,0, FactSage6.3软件2-对表1中的六组炼钢炉渣成分 炼钢炉渣在高温的结构单元为：(1)三种简单离子 进行热力学平衡计算.本文仅以No.3炉渣为代表说 Ca2·、Fe2·和02-：(2)四种简单分子Si02、P20、Fe20, 明FactSage6.3软件的计算结果.100g的No.3炉渣 和AL,0:(3)20种诸如C,S和C,P的复杂大分子.需 在温度范围为1300~2000K时，炉渣中主要生成物的 要提及的是，MCT认为-"，高温所生成的复杂大分 质量分数与温度的关系见图3.由图3可看出，No.3工程科学学报，第 38 卷，第 5 期 保炉渣中磷酸盐相结晶长大． 在 1373 K 时，将炉渣快 速取出高温炉进行水淬冷却． 水淬冷却的渣样在 403 K ( 130 ℃ ) 烘箱中烘干 4 h，供后续的物相检测． 需要指出的是: 渣样在熔化和冷却的过程中 FeO 与 Fe2O3 质量比为常数，因为实验过程中一直有高纯 Ar 保护． 图 1 炼钢炉渣从 273 K 到 1773 K 的温度变化曲线 Fig． 1 Temperature change curve from 273 K to 1773 K for the steel￾making slags 1. 3 物相表征方法 一部分水淬渣样破碎研磨筛分至 0. 074 mm ( 200 目) 以下供物相检测． 物相检测采用日本理学公司生 产的 X 射线衍射分析仪( XＲD，TTＲⅢ型) ． X 射线衍 射扫速为 10°·min － 1 ． 一部分原始未破碎的块状渣样镶嵌于环氧树脂 内，以三乙烯四胺( C6 H18N4 ) 为硬化剂，抛光喷碳处理 后矿相解离检测． 矿相检测采用 FEI 公司生产的矿相 解离分析仪( MLA250 型) ，包括 FEI Quanta 250 多用 途扫描电镜和高速、高能量 X 射线能谱仪． 扫描电镜 采用背散射电子成像分析矿相嵌布特征，能谱采用点 扫描和面扫描进行成分定量分析． 2 Al2O3 在炉渣中赋存形式及冷却温度的 热力学计算 2. 1 Al2O3 在炉渣中赋存形式和质量的热力学分析 分子与离子共存理论［9--11］是一种基于相图中可能 存在的化合物为结构单元，采用质量作用定律定量计 算炉渣中结构单元数量或反应能力的炉渣结构理论． 该理论认为，六元 CaO--SiO2 --FeO--P2O5 --Fe2O3 --Al2O3 炼钢炉渣在高温的结构单元为: ( 1) 三种 简 单 离 子 Ca2 + 、Fe2 + 和 O2 － ; ( 2) 四种简单分子 SiO2、P2O5、Fe2O3 和 Al2O3 ; ( 3) 20 种诸如 C2 S 和 C3P 的复杂大分子． 需 要提及的是，IMCT 认为［9--11］，高温所生成的复杂大分 子是由( Ca2 + + O2 － ) 和( Fe2 + + O2 － ) 离子对和简单分 子反应生成的． 根据 CaO--SiO2 --Al2O3 三元系相图［15--16］，在 1623 ～ 1873 K 温度范围内，该六元系中可能存在的含钙硅铝 的三元化合物主要有两种，分别为钙铝黄长石 2CaO· Al2O3·SiO2 ( C2AS ) 和 钙 长 石 CaO·Al2O3·2SiO2 ( CAS2 ) ． 根据 IMCT［9--11］建立模型的基本方法，即炉渣 组元化学分析得到的含量和基于 IMCT 观点生成复杂 大分子后的物质守恒，建立了 IMCT 计算模型，即 IM￾CT--Ni 模型． IMCT--Ni 模型的建立过程在本文不再赘 述． 利用所建立的六元渣系的 IMCT--Ni 模型可得到表 征自由 Al2O3、C2AS 和 CAS2 反应能力的质量作用浓度 Ni 和平衡物质的量 ni ． 质量作用浓度 Ni 和平衡物质 的量 ni 间的关系为 Ni = ni ∑ni ． ( 1) 该六元渣系的 IMCT--Ni 模型结果表明 ∑ ni 变 化不大． 因此，质量作用浓度 Ni 不仅可表征结构单元 的反应能力，而且可与结构单元的质量 ni 建立线性对 应关系． 图 2 给出 1673 K ( 1400 ℃ ) 时不同初始( Al2O3 ) 含 量与生成的 C2AS 和 CAS2 平衡物质的量 nC2AS和 nCAS2 之 间的关系． 由图 2 可知，随着初始( Al2O3 ) 增加，炉渣 中 C2AS 和 CAS2 的平衡物质的量 nC2AS和 nCAS2 均增大; 但 CAS2 的质量远小于 C2AS 的质量． 因此，炉渣中因 为添 加 Al2O3 所 生成的主要物相为 C2AS，而 不 是 CAS2 ． 表 1 所列举六组实验中 No． 1 炉渣中无 Al2O3，其 成分和文献［5］五元 CaO--SiO2 --FeO--Fe2O3 --P2O5 渣 系的成分一致，且磷酸盐富集相中 P2O5 的质量分数最 高． 因此可推断，其他五组添加 Al2O3 的炉渣中 Al2O3 主要与 C2 S 结合生成钙铝黄长石 C2AS 相． 由 Al2O3 和 C2 S 的化学计量比可知，六元炼钢炉渣二元碱度 B 为 1. 7 时，需要添加的 Al2O3 的质量分数为 10% ; 二元 碱度 B 为 2. 0 时，需 要 添 加 的 Al2O3 的质 量 分 数 为 15% ; 二元碱度 B 为 2. 4 时，需要添加的 Al2O3 的质量 分数为 20% ． 为了验证这一推论，设计的实验成分见 表 1． 2. 2 冷却温度确定 为了确定炉渣缓冷的最高温度或将炉渣取出加热 炉进行水冷的最低温度，采用以拟化学模型为实质的 FactSage 6. 3 软件［12--14］对表 1 中的六组炼钢炉渣成分 进行热力学平衡计算． 本文仅以 No． 3 炉渣为代表说 明 FactSage 6. 3 软件的计算结果． 100 g 的 No． 3 炉渣 在温度范围为 1300 ～ 2000 K 时，炉渣中主要生成物的 质量分数与温度的关系见图 3． 由图 3 可看出，No． 3 · 076 ·