CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元精煉渣系物化性能研究

郝百川 曾亞南 劉夕

摘要：針對GCr15軸承鋼CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元精煉渣系，采用FactSage7.3熱力學(xué)軟件對其物化性能如黏度性能進(jìn)行分析。通過控制變量法分別研究堿度、MgO、Al2O3對渣系物化性能的影響。結(jié)果表明：堿度R為3.75-4.5，MgO含量為5.0-6.0%，Al2O3含量為24-28%時，渣系黏度有較好的效果，流動性以及吸附性較好。

關(guān)鍵詞：精煉渣系;黏度;FactSage

0引言

鋼鐵冶金精煉過程中渣系一直是科研的熱點(diǎn)內(nèi)容[1]。針對不同鋼種成分及產(chǎn)品要求亦有各自特有的渣系特點(diǎn)，如GCr15軸承鋼的“高Al2O3高堿度渣-高Al鎮(zhèn)靜鋼”精煉[2]、30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼的“低Si低Al-擴(kuò)散脫氧-低氧鋼”精煉[3]等。

實(shí)驗(yàn)選擇適宜精煉GCr15軸承鋼的CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元渣系為研究對象，采用FactSage7.3熱力學(xué)軟件對該四元精煉渣系的黏度、熔化性溫度進(jìn)行了熱力學(xué)模擬，分析了堿度、MgO和Al2O3含量對該渣系黏度、熔化性溫度的影響規(guī)律，為精煉渣成分優(yōu)化和實(shí)際生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1研究方法

本研究通過搜集數(shù)據(jù)首先確定了CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元渣系的成分范圍：堿度R范圍取3.0～6.0、Al2O3含量取16～32%，MgO含量取5～9%，之后采用FactSage7.3中Equilib、Viscosity和PhaseDiagram三個板塊，選擇FToxid作數(shù)據(jù)庫，溫度取1400～1800℃，步長取10℃，壓強(qiáng)取一個大氣壓。

模擬黏度時利用Equilib模塊得到不同溫度下渣系固相分?jǐn)?shù)（solidfraction），并通過Viscosity模塊確定渣系為完全液相時的黏度（Viscosityliquid），最后利用計(jì)算式Viscositysolid+liquid≈Viscosityliquid（1-solidfraction）-2.5計(jì)算出渣系的表觀黏度，采用表觀黏度來分析四元精煉渣系的黏度變化規(guī)律。

2結(jié)果與分析

2.1堿度、MgO和Al2O3含量對渣系黏度的影響

2.1.1堿度對渣系黏度的影響

為探討堿度對四元渣系黏度的影響規(guī)律，采用控制變量法，首先將MgO和Al2O3含量分別設(shè)為7%和24%，堿度范圍為3.0～6.0，步長0.75，溫度范圍1500～1600℃，步長20℃，黏度模擬結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1，可以看出熔渣溫度降低，渣系黏度不斷上升。隨著堿度的增加，渣系黏度呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，在堿度較低時，熔渣中由于堿性氧化物含量較少，而硅酸鹽類礦物較高且相互聚合[4]，從而導(dǎo)致黏度上升。在堿度4.5-5.25之間，由于新的高熔點(diǎn)礦物析出，從而導(dǎo)致黏度繼續(xù)上升。

2.1.2 MgO含量對渣系黏度的影響

在考慮MgO含量的因素對渣系黏度影響時，同樣采用控制變量法首先控制堿度為4.5，Al2O3含量24%，MgO含量為5%-9%，步長為0.01，溫度范圍1500～1600℃，步長20℃，黏度模擬結(jié)果如圖2所示。為研究MgO含量對渣系黏度的影響，選取溫度1540℃的結(jié)果畫圖，黏度模擬結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖2可知，隨著MgO含量的提高，渣系黏度增加，渣系黏度與MgO含量成正比關(guān)系。渣系黏度的增加與礦相析出有關(guān)。Joo[5]等提出當(dāng)渣系中MgO含量較高時，渣中固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，從而黏度提升。

2.1.3 Al2O3含量對渣系黏度的影響

研究Al2O3含量的因素對渣系黏度影響時，堿度控制為4.5，MgO含量為7%，Al2O3含量為16%-32%，步長為0.04，溫度范圍1500～1600℃，步長20℃，黏度模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，隨著Al2O3含量提高，渣系黏度呈先降低后升高的趨勢，當(dāng)Al2O3含量較低時，渣系黏度下降較快，Al2O3含量增加時，渣系黏度下降速度降低，當(dāng)Al2O3含量為24%時，黏度最低。Al2O3含量繼續(xù)增加，渣系黏度上升。Al2O3含量較低情況下，當(dāng)Al2O3含量提高時，低熔點(diǎn)氧化物大量產(chǎn)生，渣系黏度大幅降低[6]。Al2O3含量繼續(xù)升高的同時，由于溶液中Al3+較高，而Al3+易水解，形成沉淀物，導(dǎo)致黏度增加。

3結(jié)論

采用FactSage熱力學(xué)軟件對軸承鋼精煉CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元渣系物化性能進(jìn)行分析，研究了堿度、MgO和Al2O3含量對渣系黏度和熔化性溫度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：

1.隨著渣系溫度降低，渣系黏度不斷上升。由于堿度較低時，渣系中硅酸鹽類礦物聚合使得黏度增加，當(dāng)堿度繼續(xù)提高時，由于高熔點(diǎn)礦物質(zhì)的不斷析出，所以黏度繼續(xù)升高。

2.隨著MgO含量的提高，渣中固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，渣系黏度增加。但隨著Al2O3含量提高，渣系黏度呈先降低后升高的趨勢。是由于Al2O3含量較低時，渣系中產(chǎn)生大量低熔點(diǎn)氧化物，而當(dāng)Al2O3過量時溶液中Al3+水解，形成沉淀物，黏度提高。

3.由以上分析可知，四元渣系堿度取4.0-5.0，MgO含量為5.0-6.0%，Al2O3含量為22-26%時，渣系有較好的黏度物化性能。

參考文獻(xiàn)：

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[2]Lou WenTao， Zhu MiaoYong. Numerical simulation of slag-metal reactions and desulfurization efficiency in gas-stirred ladles with different thermodynamics and kinetics[J]. ISIJ International， 2015， 55（5）：961-969.

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[4]趙麗娜，唐國章，李俊國，等.CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元精煉渣系黏度的熱力學(xué)模擬[J].鋼鐵釩鈦，2015，36（04）：101-107.

[5]JOO RO KIM，YOUNG SEOK LEE，DONG JOON MIN，et al.Influence of MgO and Al2O3 content on viscosity of blast furnace type slags containing FeO[J]. ISIJ International， 2004， 44（8） ： 1291-1297.

[6]張明博，李俊國，馬紅強(qiáng).組分含量對CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元精煉渣系黏度的影響[J].特殊鋼，2013，34（02）：28-31.

基金：華北理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：X2018348）