施麗麗， 李 容， 隆 平， 徐祥斌

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 株洲 412004）

試（實）驗研究

Al2O3和TiO2含量對含鈦高爐渣黏流特性及礦物組成的影響★

施麗麗， 李 容， 隆 平， 徐祥斌

（湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 株洲 412004）

以現(xiàn)場高爐渣為基樣，應(yīng)用半球點法和內(nèi)柱體旋轉(zhuǎn)法測定CaO-SiO2-Al2O3-TiO2-MgO五元渣系的熔化溫度和黏度，研究高鋁低鈦渣中Al2O3和TiO2含量對爐渣流動性的影響。實驗結(jié)果表明：隨渣中Al2O3含量增加，爐渣的熔化性溫度和黏度上升；TiO2含量增加，爐渣的熔化性溫度和黏度下降，適當(dāng)添加TiO2可避免渣中Al2O3含量增加引起的爐渣流動性變差；渣中礦物組成黃長石和玻璃質(zhì)的數(shù)量隨TiO2含量增加而降低。

高爐渣 Al2O3TiO2熔化性溫度 黏度 礦物組成

某鋼鐵廠的高爐原料礦石來源復(fù)雜，使用或部分使用廉價的高鋁鐵礦資源的基礎(chǔ)上，采用了一部分釩鈦磁鐵礦來代替部分進(jìn)口鐵礦，這些因素必然會使?fàn)t渣成分和性能發(fā)生改變。為降低煉鐵生產(chǎn)成本，結(jié)合生產(chǎn)實際，本研究應(yīng)用正交試驗設(shè)計，測定了 w（Al2O3）為 15.14%～18.14%、w（TiO2）為 2%～5%的高爐渣的熔化性溫度和黏度。針對實際考察Al2O3含量對爐渣的黏度和熔化性溫度的影響，同時探討高Al2O3條件下，渣中TiO2含量對爐渣的黏度和熔化性溫度的影響和機(jī)理，結(jié)合生產(chǎn)實際，保證高爐高鋁低鈦渣冶煉過程順行，還可以使用鈦渣護(hù)爐延長高爐一代壽命。

1 實驗

1.1 材料與試劑

實驗采用某鋼鐵廠高爐現(xiàn)場渣樣為基礎(chǔ)渣樣（主要化學(xué)成分參見表 1），以分析純 Ca（OH）2、Al2O3、TiO2和MgO化學(xué)試劑為輔料。

表1 現(xiàn)場渣的主要化學(xué)成分和二元堿度 %

1.2 實驗方法

根據(jù)表1高爐現(xiàn)場渣的平均化學(xué)成分和可能的變化范圍，按照下式進(jìn)行配合渣試驗研究：w（CaO）+w（MgO）+w（SiO2）+w（Al2O3）+w（TiO2）=100%，以Al2O3、TiO2、MgO和二元堿度為主要因素，應(yīng)用L3248正交試驗表優(yōu)化試驗設(shè)計，選取w（Al2O3）分別為15.14%、16.14%、17.14%、18.14%；w（TiO2）分別為 2%、3%、4%、5%；二元堿度分別為 1.08、1.12、1.16、1.20；w（MgO）分別為8.23%、8.73%、9.23%進(jìn)行實驗研究。

1.3 測定方法

采用半球點法[1]測定爐渣熔化性溫度。使用溫度為1 600℃，用雙鉑銠熱電偶測溫。將測定完黏度的渣樣冷卻后取10 g，將上述試樣置于不銹鋼壓模專用制樣器中制成Φ3mm×3mm的圓柱形試樣，將試樣推送至鉑銠加熱管式的高溫爐內(nèi)升溫測定。爐渣黏度實驗采用內(nèi)柱體旋轉(zhuǎn)法[1]測定，試驗中采用東北大學(xué)ND-Ⅱ爐渣黏度測試儀，按擬定的實驗方案，稱取200 g高爐渣混合粉劑，應(yīng)用分析純的Al2O3、TiO2、Ca（OH）2、SiO2和 MgO 化學(xué)試劑調(diào)整各組元濃度使其符合方案要求，混勻后裝入石墨坩堝，置于硅鉬加熱爐內(nèi)加熱樣品至1 550℃，鉬絲攪拌渣樣3次以上，恒溫30min，待熔渣溫度穩(wěn)定成分均勻后，通過ND-Ⅱ爐渣黏度測試儀測定不同溫度下的熔渣黏度。以3～5℃/min的降溫速率降溫，直至熔渣溫度過大無法繼續(xù)測定為止。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiO2含量對爐渣熔化性溫度和黏度的影響

試驗結(jié)果表明，爐渣的半球點溫度和流動性溫度tb和tl均隨TiO2含量的增加而降低（參見下頁圖1）。主要是當(dāng)渣中TiO2含量較低時，盡管在還原氣氛中經(jīng)長時間反應(yīng)，也極少有TiC、TiN等高熔點物相微粒產(chǎn)生，因為TiO2是弱酸性氧化物，Ti4+的靜電勢比Si4+的靜電勢小得多[2-3]，因而Ti-O鍵比Si-O鍵弱得多，這時在渣中是以[TiO6]8-八面體結(jié)構(gòu)存在，彌散地嵌在硅氧復(fù)合陰離子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，使網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)部分解體，爐渣的熔化性溫度有所降低[4-5]。

圖1 TiO2含量對爐渣半球點溫度和流動性溫度的影響

由圖2可看出，隨爐渣中TiO2含量的增加，爐渣黏度逐漸降低。當(dāng)溫度大于1 410℃時，爐渣的黏度均小于0.75Pa·s，說明高溫區(qū)域爐渣能保持良好的流動性[3]，低鈦渣有稀釋爐渣降低熔化性溫度的作用，這一點有大量文獻(xiàn)資料[2]。以釩鈦磁鐵礦的形式帶入的，對于礦石含鐵品位不高的廠是一舉兩得的事，比單純以白云石方式加MgO或提高R增加渣量更有利。

圖2 TiO2含量對高鋁爐渣黏度的影響

2.2 Al2O3含量對爐渣熔化性溫度和黏度的影響

爐渣的tb和tl隨Al2O3含量的增加而升高（參見圖3）。高Al2O3爐渣一般具有較高熔化性溫度[6-9]。從理論上來看，隨著渣中Al2O3含量提高而渣中（AlO4）5-離子團(tuán)數(shù)量有所增加，同時爐渣中容易形成一些高熔點的復(fù)雜化合物，如尖晶石（MgO·Al2O3，熔點為2 135℃）和鋁酸一鈣（CaO·Al2O3，熔點為 1 600℃）等。在上述試驗范圍內(nèi)，高Al2O3渣系的tb和tl均未出現(xiàn)大幅度的上升。

圖3 Al2O3含量對低鈦渣半球點溫度和流動性溫度的影響

隨Al2O3含量增加，對爐渣黏度的影響較大。當(dāng)w（Al2O3）為15.14%時，爐渣黏度為本研究范圍的最低點，w（Al2O3）為17.14%時，溫度的變化對黏度的影響較大，相對穩(wěn)定較差。從w（Al2O3）為15%～20%的CaO-MgO-SiO2相圖可以看出，隨Al2O3含量的提高，高熔點的尖晶石（MgO·Al2O3）區(qū)擴(kuò)大，熔渣逐步從液相線溫度低于1 450℃黃長石（2CaO·MgO·SiO2和2CaO·Al2O3·SiO2的固溶體）區(qū)變化為尖晶石區(qū)。在低溫區(qū)，Al2O3容易與MgO形成高熔點的尖晶石或與CaO和SiO2形成固體懸浮物，使熔渣黏度增大[1，10]。

圖4 Al2O3含量對低鈦渣粘度的影響

2.3 高鋁低鈦渣的礦物組成

為了較系統(tǒng)研究低鈦渣的礦物組成對爐渣性能的影響，對爐渣的礦物組成進(jìn)行了定量分析。測試結(jié)果表明，所有實驗渣樣的礦物均以低熔點且穩(wěn)定性好的黃長石初晶區(qū)組成為主，黃長石含量93%～96.8%范圍內(nèi)；爐渣中黃長石含量高有利于降低爐渣黏度，另外渣樣中含有少量的硅酸鹽礦物，對爐渣流動性影響不明顯；部分渣樣含菱鎂礦（Mg（CO3））、微量的玻璃質(zhì)，含微量的（小于1%）的TiC，沒有TiN鈣鈦礦、尖晶石等高熔點的物質(zhì)。渣中TiO2含量的增加，渣中黃長石和玻璃質(zhì)數(shù)量略有所降低。這與以前中鈦型渣和普通高爐渣的研究結(jié)果相近[11-13]。

3 結(jié)語

隨渣中Al2O3含量增加，爐渣的熔化性溫度和黏度上升；TiO2含量增加，爐渣的熔化性溫度和黏度下降，適當(dāng)添加TiO2可避免渣中Al2O3含量增加引起的爐渣流動性變差；渣中礦物組成黃長石和玻璃質(zhì)的數(shù)量隨TiO2含量增加而降低。因此使用或部分使用廉價的高鋁鐵礦資源和釩鈦磁鐵礦替代部分進(jìn)口鐵礦可行。

[1] 王筱留.鋼鐵冶金學(xué)（煉鐵部分）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991：107－119.

[2] 袁驤，張建良，毛瑞，等.高爐低鈦渣粘度和熔化性能[J].過程工程學(xué)報，2014，14（4）：665.

[3] 遲景灝，甘永年.連鑄保護(hù)渣[M].沈陽：東北大學(xué)出版社，1993.

[4] 郭興忠，李勁明，文光遠(yuǎn).中鈦型高爐渣的冶金性能[J].鋼鐵釩鈦，2000，21（1）：1-6.

[5] 蘇允隆，吳俐俊，宋燦陽.馬鋼冶煉含鈦礦爐渣性能的研究[J].鋼鐵釩鈦，2002，23（3）：9-16.

[6] Jeong Do Seo,Seon Hyo Kim.The sulphide capacity of CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO smelting reduction slags[J].Steel reseach，1999，70（6）：203-214.

[7] Fine H A,Arac S.Effectofminor constituentson liquidus temperature of synthetic blast-furnace slags[J].Ironmaking and steelmaking，1980，17（6）：160-166.

[8] Duffy JA.Opticalbasicity of fluride containing slags[J].Ironmaking and steelmaking,1990，17（6）：410-413.

[9] 孫希文.攀鋼高爐煉鐵生產(chǎn)的回顧與展望[J].煉鐵，2000，19:1-3.

[10] 文廣遠(yuǎn)，裴鶴年.安鋼高爐最佳造渣制度的研究之一爐渣的物理性能[J].四川冶金，1997，19（2）：11-15.

[11] 郭興忠.高爐中鈦渣性能的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，1999：2-3.

[12] 白晨光.含鈦高爐渣的若干物理化學(xué)問題研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2003：4-6.

[13] Y.Waseda,Y.Shiraishi,J.M.Toguri.Structure of the molten Fe-Fe2O3-SiO2system by X-ray diffraction[J].Transationsof the Japan Instituteofmetrals，1980，21（1）：51-62.

Effect of Al2O3Content and TiO2Content on Viscosity and M elting Characteristics and M ineral Com position of Titanium-containing BF slag

Shi Lili，Li Rong，Long Ping，Xu Xiangbin
（Hunan Chem icial Vocational Technology College,Zhushou Hunan 412004）

Taking the slag sample of producing BF slag as the base,themethods of hemisphaerium temperature and the column whirlingwas used tomeasure themelting temperature and the viscosity of CaO-SiO2-Al2O3-TiO2-MgO slag system.The effect of Al2O3content and TiO2content of high-alumina and low-titaniaon on slag fluidity were studied.The results show that the slag melting temperature and viscosity increases with the increase of Al2O3content,but its decreases with TiO2content increase in a definite arange.The slowly slag fluidity aroused by a higher Al2O3content increase could be avoided by adding an appropriate amount of TiO2in the slag.The quantity ofmelilite and glass in slag decreaseswith the increase of TiO2content.

BF slag;Al2O3;TiO2;melting temperature;viscosity;mineral composition

TF534.1

A

1672-1152（2017）05-0001-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.01

2017-09-25

湖南省教育廳科技處項目（15C0467）

施麗麗（1983—），女，畢業(yè)于貴州大學(xué)，研究生，講師，主要從事冶金物理化學(xué)方向研究。

（編輯：苗運平）