Al2O3对中钛高炉渣冶金性能影响的实验研究

周 姣，唐道文，王海峰，徐恒旭

(贵州大学 材料与冶金学院，贵阳 550025)

Al2O3对中钛高炉渣冶金性能影响的实验研究

周 姣，唐道文，王海峰，徐恒旭

(贵州大学 材料与冶金学院，贵阳 550025)

为实现高铝矿与钒钛磁铁矿的合理搭配，研究了含铝中钛高炉渣中Al2O3含量变化对炉渣黏度及熔化性温度的影响.研究结果表明，在炉渣二元碱度1.15，w(TiO2)=12%，w(MgO)=9%的条件下，实验炉渣在w(Al2O3)=14%时具有良好的流动性和最低的熔化性温度(1 348℃).为高炉实际生产提供一定的理论依据.

中钛高炉渣;Al2O3;黏度;溶化性温度

随着钢铁产业的快速发展，铁矿石需求量增大。我国铁矿石进口量不断增加，而铁矿石价格也不断上涨.结合目前国际铁矿石市场形势及国内钒钛磁铁矿资源的利用现状，将高Al2O3矿石与钒钛磁铁矿合理搭配使用已成为高炉生产的趋势［1］.目前，国内外对低钛(TiO2质量分数＜5%)型和高钛(TiO2质量分数＞20%)型高炉渣的性能进行了许多研究，并已成功实现了不同类型含钛炉渣的高炉冶炼，而对中钛型高炉渣研究则相对较少［2］.为此研究了中钛高炉渣中Al2O3含量变化对高炉渣冶金性能的影响.寻找高炉渣合适组分，为高炉实际生产提供一定的依据.

1 实验方法

实验以实际生产高炉渣成分为基准［3］，用分析纯化学试剂进行配料合成，通过改变炉渣中Al2O3的含量来研究炉渣黏度及熔化性温度的变化.对实验渣样进行XRD分析检测，结合炉渣理论进行讨论分析.

每次实验用总渣质量200 g.合成渣中各组元成分为w(CaO)+w(SiO2)+w(Al2O3)+w(MgO)+ w(TiO2)=100%.配比渣二元碱度拟定1.15，w (TiO2)=12%，w(MgO)=9%，渣中w(Al2O3)拟定13%～18%.

实验设备采用ND－II型炉渣测试仪，盛炉渣的坩埚为石墨坩埚，实验过程中炉内通氩气保护.实验测试温度度从1 500℃开始，每下降1℃记录一次数据，直至测试黏度值超过4 Pa·s时完成一次测试.

2 实验结果及分析

2.1 实验数据

实验共6组，w(Al2O3)变化范围为13%～18%，每组实验递增1%.MgO，TiO2在合成渣中质量分数保持不变.表1列出配比高炉渣在1 500℃及1 420℃时的黏度以及炉渣熔化性温度的实验数据.

表1 合成高炉渣的熔化性温度在1500℃及1420℃时的黏度Table 1 Viscosities of the blast furnace slag when the melting temperature at 1 500℃ and 1 420℃

2.2 Al2O3含量对炉渣熔化性温度的影响

通过对实验数据汇总分析，Al2O3含量变化对炉渣的黏度－温度曲线的影响效果如图1所示.

图1 实验炉渣的黏度温度图Fig.1 The experimental slag viscosity－temperature diagramAl2O3质量分数:①—w1=13%;②—w2=14%;③—w3=15;④—w4=16%;⑤—w5=18%;⑥—w6=17%

图2 Al2O3含量变化对炉渣熔化性温度的影响Fig.2 Influence of Al2O3on the slag melting temperature

通过黏度－温度曲线图，利用45(°)切线法，得到实验渣样的熔化性温度随Al2O3质量分数的变化如图2所示:由图2可知，在实验条件下，渣中Al2O3质量分数自13%至14%，炉渣熔化性温度有较大的降低，当渣中Al2O3质量分数为14%时，实验炉渣有最低的熔化性温度(1348℃).继续增加渣中Al2O3含量，炉渣熔化性温度随Al2O3含量增加呈逐渐上升的趋势.当Al2O3质量分数由17%增至18%时，实验炉渣熔化性温度由1355℃增至1 378℃，增量约23℃.

Al2O3质量分数为13%时渣样的XRD分析如图3所示:

图3 Al2O3质量分数为13%的渣样XRD分析图Fig.3 XRD pattern for the slag with 13%Al2O3

由图3可知，实验渣样中钙黄长石、镁黄长石、钙钛矿以及辉石类物质占渣样质量的90%以上，对炉渣物理性能变化有主要影响.结合渣相图［4］对测试结果分析如下:

(1)Al2O3含量由13%增至14%时，分析比较如图4所示.

图4 Al2O3质量分数为13%及14%的渣样XRD分析图Fig.4 XRD patterns for the slag with 13%and 14%Al2O3

渣中黄长石相波峰强度略有加强，而辉石类物质的波峰强度有明显增强现象，同时，渣中钙钛矿矿相波峰强度有明显下降.通过使用X’Pert分析软件对炉渣XRD分析图中波峰强度发生变化的矿相进行半定量分析，结果表明，当炉渣中Al2O3质量分数由13%增量变化1%的时候，渣中黄长石相含量略有升高，增加量约在2%，而渣中辉石类物质含量增量明显，增加了大约一倍左右，与此同时，渣中钙钛矿物质含量则有明显降低，降低为原来含量的60%左右.对炉渣共熔温度的降低形成正效应，从而使得炉渣熔化性温度在此阶段有明显的降低.

(2)Al2O3质量分数由14%增至17%时各渣样XRD分析比较如图5所示.

图5表明渣中辉石物质检测波峰强度呈现渐强现象，而钙钛矿相的波峰强度呈现渐减现象，同时，渣中镁橄榄石(2MgO·SiO2)矿相及尖晶石(MgO·Al2O3)矿相波峰强度逐渐加强.通过使用X’Pert分析软件对炉渣XRD波形图进行矿相半定量分析表明，当炉渣中Al2O3含量由14%增加至17%的时候，渣中黄长石相含量呈现少量的递减现象，递减量不足1%，而渣中辉石类物质含量有所递增，当渣中Al2O3质量分数为17%时其约占炉渣总量的18%.与此同时，渣中钙钛矿物质含量则成递减趋势，至渣中 Al2O3质量分数为17%时，钙钛矿递减为初始含量的60%左右.而渣中高熔点矿相物质镁橄榄石(2MgO·SiO2)及尖晶石(MgO·Al2O3)含量呈现递增趋势，其在渣中的含量增加近一倍.使得不同成分组成的炉渣的共熔温度在此阶段呈现出平稳递增的现象，因而溶化性温度递增.

(3)Al2O3质量分数由17%增至18%时渣样XRD分析比较如图6所示.

由图6可以看到，当实验炉渣中Al2O3质量分数由17%增至18%时，渣中黄长石相与钙钛矿相波峰强度基本保持不变，而辉石类物质的波峰强度略有增强，同时，渣中尖晶石相波峰强度略有增强.通过使用分析软件对炉渣XRD分析图图谱中进行分析表明，当炉渣中 Al2O3质量分数由17%增至18%时，渣中黄长石相与钙钛矿相含量基本保持不变，而渣中辉石类物质含量增加约1%左右，与此同时，渣中尖晶石矿相含量增量约为5%，莫来石含量增加近一倍，使炉渣熔化性温度呈现激增趋势.

2.3 Al2O3含量变化对炉渣黏度的影响

结合高炉实际生产［5］，分别选取1 500℃和1 420℃两个温度点对炉渣黏度随渣中Al2O3含量变化规律进行分析，图7(a)和图7(b)分别为1 500℃和1 420℃时炉渣黏度随Al2O3含量变化关系图.

根据图7(a)所示，实验条件下，1 500℃时Al2O3含量变化对炉渣黏度影响规律为:当渣中Al2O3质量分数为14%时，炉渣黏度达到实验最低点0.180 2 Pa·s，随着渣中Al2O3增加，炉渣黏度相应升高，当渣中Al2O3质量分数增至16%时，炉渣黏度达到实验最高点0.368 7 Pa·s，之后随Al2O3含量增加略有降低，但仍在0.30 Pa·s以上.

图5 Al2O3质量分数为14%、15%及17%时渣样XRD分析图Fig.5 XRD patterns for the slag with 14%，15%and 17%Al2O3

图6 Al2O3质量分数为17%及18%的渣样XRD分析图Fig.6 XRD patterns for the slag with 17%and 18%Al2O3

根据图7(b)表明，实验条件下，在温度为1420℃时，Al2O3含量变化对炉渣黏度影响规律是:当渣中Al2O3质量分数为13%时，炉渣黏度为0.525 7 Pa·s，当渣中Al2O3质量分数为14%时，炉渣黏度出现测试最低点(0.326 9 Pa·s)，随着炉渣中Al2O3质量分数持续增加直至18%时，炉渣黏度也呈现持续增加态势.

Al2O3含量对中钛炉渣黏度影响机理分析，根据炉渣离子模型理论［6］，熔渣体系各组分以离子团形态存在，离子团的复杂程度决定熔渣的体相黏度，熔渣中离子团越庞大、结构越复杂，各离子团间的作用力就越大，熔渣的流动性就越差，熔渣黏度就越大.另外，根据流体力学解释，弥散于流体内部的固体微细颗粒对流体的流动性能有较大的影响.综合来讲，熔渣的黏度不仅受熔渣中离子团结构形态的影响，也受高熔点结晶矿相的直接影响.

图71 500℃时(a)与1420℃时(b)炉渣黏度随Al2O3含量变化图Fig.7 Viscosity varieties with Al2O3at 1 500℃(a)and 1 420℃(b)

在高炉冶炼过程中，Al2O3通常被视为中性氧化物，Al2O3与SiO2相比较，在熔渣中的酸性系数仅为0.12，Al3+离子在熔渣体系中通常只能结合2个O2－离子形成AlO2－，从而与金属阳离子结合，打断由金属阳离子连接起来的复杂硅酸盐化合物结构.随熔渣体系中AlO2－离子团的增加，熔渣中聚合态复杂硅酸盐离子集群结构被打破，从而形成单独硅酸盐离子团或者部分离子团聚合的小型离子集群，使熔渣流动性能得到改善，炉渣黏度降低.但随熔渣中Al2O3含量的增加，体系中AlO2－增加，渣中阳离子如Ca2+、Mg2+等与之相结合生成高熔点矿相，弥散于熔渣中，严重影响熔渣的流动性，又会使熔渣黏度增大.

当实验熔渣中Al2O3质量分数为14%时，熔渣黏度为本研究范围的最低点.其主要是因为渣中离子介入聚合离子团结构(主要为聚合黄长石链状结构)中，打断其链状结构形态，形成单体岛状结构硅酸盐.从实验炉渣配比情况可以发现，当炉渣中Al2O3质量分数为14%时，合成渣中SiO2质量分数为29.95%，Al元素与Si元素两者之间的质量比值接近1:2，也就是说AlO－2离子对链状硅酸盐结构的破坏作用达到或接近其上限.当Al2O3质量分数为13%时，熔渣中主要组成物黄长石相的离子团存在长链状结构，熔渣体相黏度要相对偏高.当渣中Al2O3含量继续增加时，渣中高熔点矿相(如CaO·Al2O3、MgO·Al2O3)生成量会随之增加，其微晶颗粒弥散于熔渣中，造成熔渣黏度随 Al2O3含量增加而升高，另外，因Al2O3含量超过一定值后，渣中开始出现游离态Al3+，它会连接单体或者小型离子官能结构，组成架状或网状复杂离子团，造成熔渣流动性下降，熔渣体相黏度也会随之而升高.

需要说明的是，当渣中 Al2O3质量分数由16%增至18%时，熔渣黏度在1500℃时略有下降，而在1420℃时却成上升趋势.其主要原因是，随渣中Al2O3含量的增加，渣中高熔点矿相铝酸钙混合体熔点会随Al2O3含量增加而降低，即熔渣中弥散的固体微晶颗粒会有所减少，表现在1500℃黏度测试结果上就呈现出熔渣黏度略有下降的趋势;钙铝黄长石的熔点为1450℃，当炉渣温度为1500℃时，钙铝黄长石为熔化状态，而1420℃时熔渣中已经有其结晶相出现，同时因MgO·Al2O3结晶相生成量的增加，熔渣黏度会呈现出叠加升高的情况，测试结果则显示此阶段内熔渣黏度随Al2O3含量增加而升高.

3 结论

(1)在本实验炉渣成分范围内，Al2O3质量分数为14%时，炉渣熔化性温度最低(1 348℃).

(2)在本实验炉渣成分范围内，Al2O3质量分数为14%时，炉渣在1 500℃和1 420℃条件下的黏度分别0.180 2 Pa·s和0.326 9 Pa·s.

(3)在中钛高炉渣中Al2O3质量分数为14%左右时，炉渣具有良好的流动性及较低的熔化性温度，完全符合高炉实际生产中对炉渣黏度和熔化性温度的要求.

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Research of influence of Al2O3on metallurgical properties for the medium titanium slag

Zhou Jiao，Tang Daowen，Wang Haifeng，Xu Hengxu
(School of Materials and Metallurgy，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

In order to find a reasonable ration for the high aluminum ore to the vanadium ilmenite，influence of Al2O3on viscosity and melting temperature for the medium aluminum slag were stuidied.The results showed that the slag had a good fluidity and mininum melting temperature when the binary basicity was1.15，TiO2was12% ，MgO was 9%and Al2O3was 14%.It helped that the finding may provide some theoretical criterion.

BF slag of medium titanium;Al2O3;viscosity;the melting temperature

TF 534

A

1671-6620(2014)01-0006-05

2013-10-14.

贵州省工业攻关项目 (黔科全GY字［2009］3055).

周姣 (1989—)，女，硕士研究生，E－mail:15085978335@163.com.

唐道文 (1972—)，男，贵州大学副教授，E－mail:tangdaowen@sina.com.

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