MgO对CaO-Al2O3-MgO熔渣性能影响的实验研究

张 雷，李 竹，王海川，廖直友，李 杰

(安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002)

MgO对CaO-Al2O3-MgO熔渣性能影响的实验研究

张 雷，李 竹，王海川，廖直友，李 杰

(安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山243002)

为探讨MgO在CaO-Al2O3-MgO熔渣中的作用机理，通过高温实验，研究MgO对CaO-Al2O3-MgO渣系熔点、黏度以及表面张力的影响。结果表明：熔渣的软化温度、半球点温度和流动温度随MgO含量的增加均呈现出先降低后升高的变化规律，当w(MgO)为6%～12%时，渣系熔点较低而且熔渣软化区间相对较小；当w(MgO)为8%时，渣样的黏度值相对较低，而黏度波动幅度和相对波动范围则在w(MgO)分别为4%和8%时最小；随着MgO含量的增加，熔渣的表面张力在不同温度下变化规律略有不同，当w(MgO)为6%时，熔渣的表面张力均出现了最低值，随温度的升高，熔渣的表面张力呈减小的趋势。

MgO；CaO-Al2O3-MgO渣系；熔点；黏度；表面张力

随着工业技术的发展，人们对钢铁产品的质量要求越来越高，传统的冶炼方法难以完全满足高品质钢的要求。部分学者研究了在渣-金间施加脉冲电场等对提高钢铁质量的影响，如D Perrie等[1]通过在渣-金间施加双频电磁场有效地改善了渣-金间元素的传质；王海川等[2-4]研究了脉冲电场对渣-金间硫、硅和锰元素迁移的影响，发现随着电场处理时间的延长，金属中硫、硅和锰的含量逐渐减低。为保证硫、硅和锰等元素在渣-金间的扩散和迁移，熔渣应具有合适的熔点、较好的流动性、良好的离子迁移能力等性能，CaO-Al2O3-MgO渣系常被用于外场对金属的处理过程中，许继芳等[5-6]对该渣系的理化性质进行研究；李建朝等[7-8]在研究渣-金间外加电场脱氧时发现CaO-Al2O3-MgO渣系具有较好的脱氧效果；高伟[9]将一定量MgO加入到CaO-Al2O3-CaF2精炼渣系中，发现适量的MgO可以起到降低渣系熔点的作用；龚志祥等[10]发现MgO不仅可以改善熔渣的熔点，还可改善成渣的质量和速度；曹敏等[11]研究表明，随着MgO含量的增加CaO-Al2O3-MgO三元系的熔点谷底曲线右移。综上所述，合适的CaO-Al2O3-MgO渣系组成对渣-金间施加脉冲电场技术的发展具有较大的影响。但目前有关CaO-Al2O3-MgO渣系性能的研究还不系统，尤其是MgO在该渣系中的作用机理还不明确。作者在前人研究的基础上，通过实验研究MgO对CaO-Al2O3-MgO渣系熔点、黏度和表面张力的影响，明确MgO在CaO-Al2O3-MgO渣中的作用机制，为渣-金间施加脉冲电场去除金属中的磷、硫等杂质元素提供理论依据。

1 实 验

1.1 实验原料

实验原料CaO、MgO和Al2O3为分析纯试剂，为选择合适的实验成分配比，利用Factsage热力学软件绘制CaO-Al2O3-MgO三元系相图，结果如图1，图中圆点代表的渣系区域熔点相对较低，w(CaO)/ w(Al2O3)=1，选取该区域的部分成分点用于实验，成分组成如表1。

1.2 实验过程

按照表1中的组成称取CaO、MgO和Al2O3，混合均匀后放入马弗炉中加热升温至1 600℃，保温30 min后冷却，将渣样破碎、研磨至74 μm以下，经过干燥处理后利用半球熔点测试仪进行熔点测试、利用RTW-10熔渣物性综合测试仪进行黏度和表面张力的测定。

表1 CaO-Al2O3-MgO渣系的成分组成(w/%)Tab.1 Different components of CaO-Al2O3-MgO(w/%)

2 实验结果与讨论

2.1 MgO对CaO-Al2O3-MgO渣系熔点的影响

图2示出了CaO-Al2O3-MgO不同渣系的软化温度t、半球熔点温度t1以及流动温度t2。

由图2可知，随着渣中MgO含量的增加，渣系的软化温度、半球点温度和流动温度均呈现出先降低后升高的变化规律，在熔渣中添加适量的MgO可显著降低渣系的熔点，当w(MgO)的添加量为6%时，熔渣的熔点相对较低。这主要是因为渣中MgO含量较低时，一方面MgO与CaO、Al2O3形成低熔点化合物降低渣系熔点；另一方面MgO的加入破坏了渣系中复杂化合物的离子结构，使熔渣熔点降低。当MgO含量较高时，MgO与其他物质形成高熔点难熔尖晶石类复合物，过量的MgO在熔渣会以悬浮物的状态存在，从而使渣系的熔点升高。

综上所述，适量的MgO可以使CaO-Al2O3-MgO渣系的软化温度、半球熔点以及流动温度在一定程度上降低，当w(MgO)为6%～12%时，渣系熔点较低而且熔渣软化区间相对较小。

2.2 MgO对CaO-Al2O3-MgO渣系黏度的影响

CaO-Al2O3-MgO渣系黏度的测试结果如图3，1 500～1 550℃区间内渣系的黏度及波动幅度如图4。

由图3可知，在一定范围内，随着MgO含量的增加，不同温度下渣系的黏度先降低后升高，当w(MgO)为8%时，熔渣的黏度达到最低值。由图4可知，MgO的加入在一定程度上改善了熔渣黏度的稳定性，黏度的波动范围在w(MgO)为4%时最小，黏度的相对波动范围也呈现出先减小后增大的趋势，当w(MgO)为8%时，熔渣黏度的相对波动范围最小。

出现上述现象的原因为：MgO是一种碱性氧化物，当渣系中加入一定的MgO时，MgO可以解离出Mg2+和O2-，其中的O2-可以使一些复杂离子团解离，从而改善渣黏度和流动性；但当MgO超过一定量后，过量的MgO会以颗粒状质点存在，从而使渣的黏度增大，流动性变差。

由上述分析可知，当w(MgO)为8%时渣样的黏度值相对较低，而黏度波动范围和相对波动范围则在w(MgO)分别为4%和8%时最小。为了保证渣金反应的顺利进行，要求渣系具有良好的流动性，MgO的质量分数应选择在6%左右。

2.3 MgO对CaO-Al2O3-MgO渣系表面张力的影响

不同组成渣系的表面张力测试结果如图5。

由图5可知：随着MgO含量的增加，熔渣的表面张力在不同温度下变化规律略有不同，在1 500℃时，熔渣的表面张力随MgO含量的增加呈先减小后增大的趋势；在1 530，1 550℃时，熔渣的表面张力则先增大后减小；而且不同温度下，当w(MgO)为6%时，熔渣的表面张力均出现了最低值。这主要是因为Mg2+半径为0.65×10-10m，静电势(z/r)为3.08，离子配位数为6，致使Mg2+具有较大的引力，当熔渣中含有适量的MgO时，可使周围的O2-被Mg2+吸引，导致熔渣表面聚集的O2-减小，使熔渣的表面张力降低；但当MgO过量时，Mg2+会聚集在表面，吸引O2-形成较大的络合离子从而使表面张力增大。另外，随温度的升高，熔渣的表面张力呈减小的趋势，这主要是因为当渣系温度升高时，渣中离子在高温下的运动加剧，离子之间作用力减弱，导致熔渣的表面张力降低。

3 结 论

1)随着渣中MgO含量的增加，渣系的软化温度、半球点温度和流动温度均呈现出先降低后升高的变化规律，当w(MgO)为6%～12%时，渣系熔点较低而且熔渣软化区间相对较小。

2)当w(MgO)为8%时渣样的黏度值相对较低，而黏度波动幅度和相对波动范围则在w(MgO)分别为4%和8%时最小。

3)1 500℃时，熔渣的表面张力随MgO含量的增加呈先减小后增大的趋势；在1 530，1 550℃时，熔渣的表面张力则先增大后减小；当w(MgO)为6%时，熔渣的表面张力均出现了最低值；随温度的升高，熔渣的表面张力呈减小的趋势。

[1]Perrier D,Fautrelle Y,Etay J.Improving the mass transfer between a molten salt and a liquid metal using a two frequency magnetic field[J].Journal of Nuclear Materials,2005,336(2/3):163-172.

[2]王海川，陈克全，葛允宗，等.渣金间外加脉冲电场对硫元素迁移研究[J].钢铁钒钛，2013(2):49-53.

[3]王海川，张雷，陈克全，等.脉冲电场对Fe-C-i(Si,Mn)合金与CaO-Al2O3-MgO熔渣间反应的研究[J].炼钢，2014,30(6): 67-70.

[4]陈克全，王海川，钱章秀，等.电极施加方式对纯铜凝固组织的影响[J].安徽工业大学学报：自然科学版，2013,30(1):11-15.

[5]许继芳，柴娜，张捷宇，等.CaO-Al2O3-MgO渣系低熔点区熔化性能的实验研究[C]//第七届(2009)中国钢铁年会论文集.北京：冶金工业出版社，2009:196-201.

[6]柴娜.渣金间外加电场脱氧渣系CaO-Al2O3-MgO的基础研究[D].上海：上海大学，2008.

[7]李建朝，张捷宇，鲁雄刚，等.渣金间外加直流电场无污染脱氧[J].过程工程学报，2004,24(1):30-33.

[8]Zhang J Y,Li J C,Lu X G,et al.Study on unpolluted deoxidization with applied external voltage between molten steel and slag [C]//TOFA2006 Conference Proceedings.Beijing,2006:60-62.

[9]高伟.GH136合金电渣重熔渣系的研究[J].特钢技术，1997,20(2):5-10.

[10]龚志祥，王庆祥，孔晓眉，等.马钢SKF炉精炼渣工业性实验研究[J].炼钢，2000,16(5):35-38.

[11]曹敏，宋波，宋明明，等.铝热法冶炼钒铁渣的熔化性能[J].北京科技大学学报，2014,36(2):161-166.

责任编辑：何莉

Influence of MgO Content on Melting Properties of CaO-Al2O3-MgO Slag System

ZHANG Lei,LI Zhu,WANG Haichuan,LIAO Zhiyou,LI Jie
(School of Metallurgical Engineering,Anhui University of Technology,Ma'anshan 243002,China)

For the action mechanism of MgO in CaO-Al2O3-MgO in molten slag,through high temperature experiments,the effect of MgO on melting point,viscosity and surface tension of CaO-Al2O3-MgO slag was studied.The results show that the softening temperature,hemisphere temperature and the flow temperature of molten slag firstly decrease and then increase with the increasing of MgO content,while w(MgO)is between 6%-12%,the melting point of slag is lower and softening zone is relatively small;when w(MgO)is 8%,the slag sample’s viscosity value is relatively low,but the viscosity fluctuation amplitude and relative fluctuation range are the smallest when the w(MgO)is 4%and 8%respectively.With the increasing of MgO content,the surface tension of slag change rule under different temperature is slightly different and it appears the lowest value when w(MgO)is 6%, and decreases with the increasing of temperature.

MgO；CaO-Al2O3-MgO slag；melting point；viscosity；surface tension

TF703.6

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2015.01.003

2014-11-13

安徽省大学生创新训练项目(AH201310360253)；研究生创新基金(2013004)

张雷(1988-)，男，安徽阜阳人，硕士生，主要研究方向为钢铁冶金。

王海川(1969-)，男，河南西平人，博士，教授，研究方向为外场冶金物理化学及资源综合利用。

1671-7872(2015)-01-0012-04