印尼紅土鎳礦鎳鐵高爐渣的黏度研究

王 祺

以印尼紅土鎳礦高爐冶煉鎳鐵為背景，采用熔體物性綜合測定儀在較大成分范圍內測定了鎳鐵高爐渣在1450℃、1500℃和1540℃時的黏度。研究表明鎳鐵高爐渣黏度隨SiO2含量的增加而顯著增大，控制SiO2含量小于50%可以得到流動性較好的爐渣。鎳鐵高爐渣中FeO 和MgO 含量的增加都能顯著降低熔渣黏度；熔渣中FeO 和MgO 作用基本相同，FeO/MgO 對黏度的影響很小。利用本研究給出的多元回歸黏度模型可以準確的計算所研究成分范圍內的熔渣黏度。

中國目前是世界上最大的不銹鋼消費國，對鎳的需求量十分巨大。然后我國鎳礦資源緊缺，大力開發鎳資源十分必要。參與世界鎳資源的開發，利用海外鎳礦資源并建設大中型鎳冶煉基地符合我國資源開發政策和產業結構調整方針 。印尼紅土鎳礦資源豐富，其紅土礦品位高、儲量大，對其開發利用也得到了冶金界的關注。張明遠等探討了印尼紅土鎳礦粉成球機理及其利用；朱德慶等研究了某印尼低品位紅土鎳礦的微觀結構及晶體化學；高金濤等進行了紅土鎳礦富集鎳和鐵的焙燒、氫氣還原和磁選分離。但目前對紅土鎳礦高爐冶煉的研究還很缺乏。

利用高爐冶煉鎳鐵合金在成本上有很大的優勢，但鎳鐵高爐與普通生鐵高爐在原燃料條件上有很大的區別，不能直接套用普通高爐的生產經驗。高爐渣黏度是影響高爐內動量、熱量傳輸最重要的熱物理參數之一。對于普通生鐵高爐來說，其高爐渣黏度已有成熟的模型，但目前對鎳鐵高爐渣性質的研究還很少。印尼紅土鎳礦冶煉的高爐渣在組成上具有Al2O3含量低的特點，本文就對此類型的高爐渣黏度進行研究。該研究對鎳鐵高爐的操作優化具有十分重要的意義。

研究方法

根據現場調研分析，典型的印尼紅土鎳礦鎳鐵高爐渣主要成分為45%～55%SiO2，10%～20%FeO，25%～38%MgO，2%～5%Al2O3。根據該成分范圍，本研究將Al2O3含量固定為3%，重點研究SiO2、FeO和MgO 含量對爐渣黏度的影響。本研究中的各組分均采用市售化學純試劑配制，實驗研究的爐渣成分如表1 所示。黏度的測定在熔體物性綜合測定儀RTW-10 中進行，黏度測定溫度選定為1450℃、1500℃和1540℃。

表1 實驗研究的爐渣化學成分（質量百分數）

實驗結果及分析

SiO2對黏度的影響

不同FeO/MgO 比條件下，SiO2含量對黏度的影響如圖1 所示。從圖中可以明顯看出，不同條件下爐渣的黏度總是隨著SiO2含量的增加而顯著提高。以1500℃條件下為例，SiO2含量為45%時，爐渣的黏度為0.75Pa·s左右，對冶煉非常有利；而當SiO2含量增加到55%時，爐渣的黏度增加到2.0 Pa·s 左右，在此條件下冶煉操作將很困難。對于實際的鎳鐵高爐冶煉，爐渣中的SiO2含量控制在50%以下較為合理。

圖3 粘度回歸模型計算值與實驗值的比較

FeO/MgO 對黏度的影響

不同SiO2含量條件下，FeO/MgO 對黏度的影響如圖2 所示。從圖中可以看出，不同條件下隨著FeO/MgO 的變化，爐渣的黏度略呈降低趨勢，但總體上幾乎沒有變化。這表明在本文所研究的鎳鐵高爐渣成分范圍內，FeO 和MgO 對黏度的影響基本相同。結合上一節所述SiO2對黏度有顯著的增大作用可知，FeO 和MgO 對所研究爐渣的黏度具有顯著的降低作用。

SiO2和FeO、MgO 對黏度的影響可以從熔渣的結構進行解釋。根據經典的爐渣離子結構理論，SiO2在熔渣中以符合陰離子（）的形式存在，當爐渣中加入酸性的SiO2時，則使得酸性和堿性氧化物的比值w（SiO2）/w（RO）增大，即O/Si 降低。這時，SiO2需要消耗O2-轉變成絡離子，因而許多個就會聚合起來共用O2-，形成復雜的絡離子，這樣硅氧離子得到聚合，爐渣的黏度增大。相反，當爐渣中加入堿性氧化物，如FeO、MgO 時，則增大了爐渣的O/Si 之比，有更多的O2可以供給，則可使熔渣中聚合形成的復雜結構的硅氧絡離子分解成比較簡單的硅氧絡離子，這樣硅氧離子得到解體，爐渣的黏度降低。

黏度回歸模型

為了得到所研究爐渣成分范圍內任意成分爐渣的黏度值，本文對不同溫度下爐渣的黏度進行了多元回歸。所采用的回歸模型如下：

根據上述模型得到的不同溫度下的參數值如表2 所示。根據表2 中參數計算得到的熔渣黏度值與實際的計算值有非常好的吻合，如圖3 所示。計算值和實驗值之間的相對誤差僅為1.05%。

表2 不同溫度下的熔渣黏度回歸模型參數值

結語

（1）鎳鐵高爐渣黏度隨SiO2含量的增加而顯著增大，控制SiO2含量小于50%可以得到流動性較好的爐渣。

（2）鎳鐵高爐渣中FeO 和MgO 含量的增加都能顯著降低熔渣黏度；熔渣中FeO 和MgO 作用基本相同，FeO/MgO 對黏度的影響很小。

（3）本文實驗所研究成分范圍內的熔渣黏度可以由回歸的多元黏度模型進行計算，計算值與實驗值的誤差為1.05%。