CaO-SiO_2-FeO_x及CaO-SiO_2-P_2O_5-FeO_x渣系热力学性质的研究

CaO-SiO2-FeOx三元渣系和CaO-SiO2-P2O5-FeOx四元渣系是转炉脱磷用渣的主要子渣系,研究这两种渣系的热力学性质可为脱磷渣的高效利用提供理论依据。利于相图软件FactSage分别绘制了这两种渣系的相图,并分析了温度和氧分压对体系相平衡关系和液相线的影响规律。分析结果表明:升高温度会使这两种渣系的液相区扩大,初晶相稳定区域显著减小;降低氧分压会导致尖晶石固溶体相的初晶区消失,磷石英(SiO2)、伪硅灰石(CaSiO3)、α'-Ca2SiO4固溶体相减小。

CaO-SiO_2-Al_2O_3渣系连铸保护渣结构的拉曼光谱研究

在高铝钢连铸过程中,钢水中的Al与CaO-SiO2基连铸保护渣中的SiO2反应导致保护渣中SiO2含量降低而Al2O3含量大幅增加,CaO-SiO2基转变为CaO-SiO2-Al2O3基连铸保护渣而影响高铝钢连铸,所以研究CaO-SiO2基向CaO-SiO2-Al2O3基保护渣转变过程中结构上发生的变化有助于开发出满足高铝钢连铸需求的保护渣。本文利用拉曼光谱研究了CaO-SiO2基和CaO-SiO2-Al2O3基连铸保护渣的结构特点。研究结果表明,CaO-SiO2基保护渣主要由Q0,Q1,Q2和Q3等微结构单元构成的硅酸盐网络结构;当转变为CaO-SiO2-Al2O3基保护渣后,渣样中的网络破坏体优先用于破坏硅酸盐网络结构,当渣中SiO2含量较低时,部分网络破坏体会促进Al 3+形成[AlO4]四面体结构。渣中生成的[AlO4]四面体会进入硅酸盐网络结构形成铝硅酸盐网络结构,以Al-O-Al或Al-O-Si等方式连接,导致渣样结构变得复杂多变。使用Li2O对Na2O和CaO对MgO等摩尔替代研究表明相同价态离子之间的替换能够改变[AlO4]四面体在硅酸盐网络结构上的连接方式,导致CaO-SiO2-Al2O3基保护渣渣样结构易受成分变化而改变;CaF2对CaO等摩尔替代研究发现,当渣中CaF2小于13mol%,CaF2促进渣样网络结构解体,当高于13mol%时,CaF2又会导致渣样聚合度增加。由此可见,在设计CaO-SiO2-Al2O3基保护渣时,既要考虑不同种类离子对渣样结构产生的影响,又要考虑离子含量的影响。

温度和气氛对CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣系FetO活度的影响

采用Mo|Mo+MoO2|ZrO2(MgO)|Fe+(FetO)+Ag|Fe固体电解质电池测定不同温度和气氛条件下定组成CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO五元渣系的FetO活度。结果表明,当Ar作为保护气氛时,温度由1 673 K升高到1 785 K,炉渣的FetO活度变化不明显。当气氛中CO,CO2和Ar组成固定时,炉渣的FetO活度随温度的升高而增大。温度为1 673 K时,炉渣的FetO活度随着气氛中CO2/CO的增加而增大。温度和气氛对渣系FetO活度的影响均通过体系的O2分压实现。

CaO-SiO_2-Na_2O-CaF_2-Al_2O_3-MgO渣系的结晶温度

通过差热分析仪测定了CaO SiO2 Na2 O CaF2 Al2 O3 MgO系连铸结晶器保护渣的结晶温度。在本实验渣系条件下 ,连铸保护渣的结晶温度随着渣中CaO SiO2 值、Na2 CO3含量、CaF2 含量和MgO含量的增加而升高 ,随着渣中Al2 O3含量的增加而降低。化学成分通过改变粘度 ,来影响晶核形成速度和晶体成长速度 ,从而决定了连铸保护渣的结晶性能。

基于最小Gibbs自由能原理的CaO-SiO_2炉渣和Si-Ca金属两相体系平衡热力学模型

基于封闭平衡体系Gibbs自由能最小原理对精炼Si液中杂质Ca的炉渣金属体系建立热力学模型,由该热力学模型得到Si液中Ca的摩尔分数xCa与CaO-SiO2二元渣系CaO的摩尔分数xCaO的关系和文献报道的实验结果吻合良好,即0.3<xCaO<0.4较有利于Si液脱Ca。热力学模型计算结果表明:Si液中Si和Ca的活度分别与SiO2和CaO质量作用浓度的比值符合炉渣金属组元活度之间的关系式,且计算结果比文献报道的数据精度更高。因此,基于炉渣离子分子共存理论的质量作用浓度可与经典的炉渣活度一样表征CaO-SiO2二元渣系组元的反应能力。由建立的热力学模型计算结果确定的反应[Ca]+0.5(SiO2)=(CaO)+0.5[Si]的标准摩尔反应Gibbs自由能变化表达式为r m,CaO G=89 532.7 21.8T(J/mol)。

CaO-SiO_2-B_2O_3-硼泥渣系的熔化性能及渣系结构分析

为研究硼泥质量分数对CaO-SiO_2-B_2O_3-硼泥渣系的熔化性能和渣系结构的影响,分别采用半球点法和旋转柱体法测定了渣系的熔化温度和黏度,并通过X射线衍射分析和拉曼光谱对渣系的物相组成和渣系中硅酸盐微结构单元的变化规律进行了研究,进一步解释了硼泥对试验渣系熔化性能的影响机理.结果表明:随着硼泥质量分数的增加,渣系的熔化温度和黏度均降低,在1 200℃时,当硼泥质量分数从5%增加到15%时,渣系的黏度从3.0 Pa·s以上降低到0.5 Pa·s以下.XRD分析结果显示:试验渣系的主要物相为2CaO·SiO_2和低熔点的钙镁硅酸盐相如Ca_(14)Mg_2(SiO_4)_8,Ca_5MgSi_3O_(12)和Ca_3Mg(SiO_4)_2,还有少量的CaO·B_2O_3相,这些低熔点物相的形成导致渣系的熔化温度降低.拉曼光谱结果显示:随着硼泥质量分数的增加,渣系中复杂的硅酸盐网络开始解体,导致渣系中非桥氧的数目增加,桥氧的数目减少,使得渣系的黏度降低,这与上述黏度试验的测定结果一致.

CaO-SiO2-Fe2O3-Al2O3渣系对高磷铁水脱磷行为的影响

以w(P)=0.48%的高磷铁水为研究对象,采用高温热态实验研究1400℃时CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3渣系的脱磷行为,分析碱度、渣中Fe2O3与Al2O3含量对CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3渣系脱磷的影响。结果表明:随着碱度逐渐增大,渣系脱磷率呈先逐渐增大后略有降低的变化趋势,主要是由于自由O^2-和Ca^2+的引入促进了磷氧络离子PO4^3-及Ca^2+-PO4^3-弱离子对的进一步生成;随着Fe2O3含量的增加,渣系脱磷率逐渐升高,渣中的Fe2O3加速了氧化钙的熔化速度,同时使渣系的氧化性提高,进而使渣系脱磷能力提高;w(Al2O3)=1%~3%时,渣系脱磷率维持在77%左右,进一步增大渣中Al2O3含量,渣系脱磷率逐渐下降,主要原因在于Al2O3改变了渣中液相比例,进而影响了脱磷反应物与产物在渣-金间的传质过程。

CaO-SiO_2-FeO-P_2O_5渣系脱磷影响因素的研究

为了提高转炉渣中CaO的利用率,降低转炉渣的碱度,通过试验研究了CaO粒度、粒状CaO的加入比例、温度和保温时间对含磷富集相的影响。结果表明,适当增大CaO的粒度有利于2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的形成;当渣中粒状CaO的含量较低时,增加粒状CaO的加入比例,可促进渣中大颗粒固溶体的形成并减少渣中磷的含量,但当粒状CaO的含量较高时,2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体生成量减少;适当提高温度有利于脱磷反应的进行;随反应时间的延长,2CaO·SiO2-3CaO·P2O5固溶体的粒径增大,而且固溶体中磷的含量也不断增加。

CaO-SiO_2-FeO_x-MgO氧化物体系液相区及相关系计算

焚烧垃圾底灰的主要氧化物组分为SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3、Na2O和MgO,该六元体系相关系和热力学性质对于焚烧底灰渣化处理中玻璃相形成以及重金属低浸出具有重要影响.本文运用计算热力学理论及相图计算方法,对CaO-SiO2-FeOx-MgO四元氧化物体系的热力学性质进行了研究,获得了描述该四元系液相吉布斯自由能的模型参数,并依此计算了不同温度及氧分压下SiO2-FeOx-MgO、CaO-SiO2-FeOx和CaO-SiO2-FeOx-MgO体系液相区和高铁区域的相关系.

含TiO_2三元渣系粘度计算模型

根据炉渣结构的共存理论与CaO -SiO2 -TiO2 三元渣系在不同温度和TiO2 成分下粘度的文献值 ,建立了此三元渣系的作用浓度和粘度计算模型。在模型计算过程中 ,采用MATLAB编制相应的计算程序 ,并绘制了 14 0 0℃、15 0 0℃在碱度R =0 .9～ 1.0之间、不同TiO2 含量下 ,渣系的粘度随TiO2 百分含量变化的曲线。结果表明TiO2 含量增加 ,其作用浓度增加 ,CaO -SiO2 -TiO2 三元渣系的粘度下降 ,并且温度升高粘度降低 ,计算值与实测值有很好的一致性 ,从而说明模型的合理性。

CaO/SiO_2与MgO含量对镍渣熔融特性与黏度的影响

针对镍渣中铁资源的回收再利用,采用FactSage热力学软件从理论上研究了CaO-SiO_2-FeO-MgO镍渣体系熔融特性与黏度的变化规律。结果表明,CaO/SiO_2在0.1～1.2范围内增大时,渣系的液相线温度呈先减小后增大的趋势,并在0.6处达到最低值;MgO含量在7%～17%范围内增大时,渣系的液相线温度呈逐渐增大的趋势;在1 300～1 380℃范围内,渣系的黏度随CaO/SiO_2的增加呈先减小后增大的变化,而在1 380～1 500℃范围内,渣系的黏度随CaO/SiO_2的增加呈减小的趋势;在1 360～1 480℃范围内,渣系的黏度随MgO含量的增加呈先减小后增大的变化,而在1 480～1 560℃范围内,渣系的黏度随MgO含量的增加呈减小的趋势。实验结果显示,镍渣熔融温度的变化规律与计算结果相一致,表明FactSage热力学软件在计算镍渣熔融特性与黏度方面有指导意义。

CaO-SiO_2-Al_2O_3-Fe_2O_3渣系脱磷行为

利用Factsage软件计算了Al2O3含量对CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3四元渣系熔点和黏度的影响,并通过实验研究了在1 400℃时,CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3四元渣系对高磷铁水脱磷行为的影响。结果表明：渣中Al2O3的质量分数在3%~6%之间时,随着Al2O3含量的增加,渣系的熔化温度迅速降低,进一步增加渣中的Al2O3含量,渣系的熔化温度逐渐增加;Al2O3对CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3渣系的黏度影响不大;渣中Al2O3的质量分数在3%~6%之间变化时,渣系脱磷能力变化不是很大,脱磷率维持在91%左右,进一步增加渣系中Al2O3的量,脱磷率逐渐下降;Al2O3对脱磷率产生影响可能是其改变了炉渣中液相所占比例,进而影响磷从铁水中向液相渣的传质过程。

硫容量模型和在五元渣系CaO-SiO2-MgO-Al2O3-FetO中的应用

硫容量和硫平衡分配比是衡量炼钢过程中渣系脱硫能力的重要指标。通过光学碱度模型和KTH模型计算了五元渣系CaO-SiO2-MgO-Al2O3-FetO的硫容量,并与文献的实验测定值进行了比较。结果表明用KTH模型计算的硫容量比用光学碱度模型计算的硫容量更接近实验值,因此KTH模型可用来预测不同组元渣系的硫容量。还详细研究了硫容量和硫平衡分配比的影响因素,结果表明硫容量随炉渣碱度和温度的增加而增加,硫平衡分配比随着钢液中铝、碳、硅含量的增加而增加。

CaO-SiO_2-Al_2O_3-MgO-FeO渣系FeO活度的计算模型

利用熔渣结构共存理论建立了CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO渣系FeO活度的计算模型,并分析了1 400℃时炉渣碱度、MgO和FeO质量分数对该渣系FeO活度的影响规律。结果表明:当CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO渣系三元碱度为1.3,Al2O3质量分数为12%,FeO质量分数为2%条件下,随MgO质量分数的增加,炉渣FeO活度增大;当二元碱度为1.1,Al2O3质量分数为12%,MgO质量分数为10%时,FeO活度随随渣中FeO质量分数的增加呈线性增加;当渣中Al2O3、MgO和FeO质量分数分别为12%、10%和2%固定不变时,随着二元碱度的提高,炉渣FeO活度迅速增加。计算得到的上述规律和实测规律一致,说明了本模型用于分析FeO活度的正确性。

温度和气氛分压对CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO渣系硫容量的影响

采用气-渣平衡法,用铂坩埚作反应容器,CO-CO2-SO2-N2混合气体提供体系的氧分压和硫分压,测定了一定炉渣成分,不同温度和气氛条件下CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO五元渣系的硫容量。研究得出,对于一定成分组成的CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FetO五元渣系,当气体流量不变时,硫容量随炉渣温度的升高而减小;当温度一定时,硫容量随体系氧分压增大而增大。

钢水精炼配渣模型

考虑钢包带渣量和成分的变化,对CaO-S iO2-MgO-A l2O3(-CaF2)精炼渣系建立配渣模型.模型根据是否用铝还原钢包带渣的S iO2,可分两种情况通过化学计量计算达到目标渣成分时精炼渣各成分加入量.

电场对CaO-SiO2-Al2O3熔渣的结构调控

针对硅中硼难去除的问题,从熔渣结构层面进行研究,通过观察熔渣不同部位在不同电场条件下熔渣结构的变化,分析不同电场条件下高温骤冷所得熔渣结构变化,探索引入电场对熔渣结构影响。结果表明,引入电场会引起熔渣中离子定向移动与重新分配,改变熔渣结构。熔渣上部结构在电场作用下解聚更彻底,远离渣金界面处熔渣结构变化较小。电场增强有利于熔渣解聚,电场强度达10V时,熔渣中结构单元会转变为聚合度更低的Q0结构单元。熔渣上部结构对电场变化更敏感,电场改变,熔渣下部结构变化较小。

CaO/Al_2O_3比对高铝钢连铸保护渣凝固结晶行为的影响

针对目前高铝钢用常规结晶器保护渣中SiO2易被钢液中Al还原导致连铸坯质量缺陷及非反应性保护渣消耗量偏低和润滑差的问题,基于CaO-SiO2-Al2O3三元系相图设计了SiO2含量为20%（ω）的CaO-SiO2-Al2O3连铸保护渣,并采用热丝法模拟研究了CaO/Al2O3比对该渣系凝固结晶行为的影响.结果表明,随CaO/Al2O3比的增加,保护渣的结晶性能增强;CaO/Al2O3比在0.7～1.3范围内其凝固固相分数较小,与现用工业渣具有相似的润滑作用.综合考虑保护渣的传热和润滑作用,高铝钢保护渣中CaO/Al2O3比范围应为0.7～1.3.

高铝钢连铸结晶器保护渣研究概况

高铝钢连铸保护渣开发主要有三种思路,即"反应性"的CaO-SiO_2渣系保护渣、"非反应性"的CaOAl_2O_3渣系保护渣以及"弱反应性"的CaO-SiO_2-Al_2O_3渣系保护渣.分别介绍了在这三种思路下进行的高铝钢保护渣的理论和应用研究以及不同渣系高铝钢保护渣的优缺点.最后指出:从工艺顺行的角度,CaO-SiO_2渣系保护渣仍是浇铸高铝钢的主要选择.

钢渣中FeO活度对硫分配比的影响

利用FactSage软件绘制了渣系CaO-SiO_2-FeO-MgO(10%)-MnO(7%)的等硫分配比图,分析了FeO/SiO_2比、FeO质量分数和碱度对硫分配比的影响。分析结果表明:当CaO质量分数一定时,渣钢间的硫分配比随着FeO/SiO2比的增加而逐渐增加。在转炉炼钢碱度范围内,当FeO质量分数一定时,Ls随碱度的增加而增加;当碱度一定时,在低碱度范围内,硫分配比随着FeO质量分数的增加而增加,在高碱度范围内,硫分配比随着FeO质量分数的增加而减少。