張 雷，李 竹，王海川，廖直友，李 杰

(安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243002)

MgO對CaO-Al2O3-MgO熔渣性能影響的實驗研究

張 雷，李 竹，王海川，廖直友，李 杰

(安徽工業(yè)大學冶金工程學院，安徽馬鞍山243002)

為探討MgO在CaO-Al2O3-MgO熔渣中的作用機理，通過高溫實驗，研究MgO對CaO-Al2O3-MgO渣系熔點、黏度以及表面張力的影響。結(jié)果表明：熔渣的軟化溫度、半球點溫度和流動溫度隨MgO含量的增加均呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，當w(MgO)為6%～12%時，渣系熔點較低而且熔渣軟化區(qū)間相對較??；當w(MgO)為8%時，渣樣的黏度值相對較低，而黏度波動幅度和相對波動范圍則在w(MgO)分別為4%和8%時最?。浑S著MgO含量的增加，熔渣的表面張力在不同溫度下變化規(guī)律略有不同，當w(MgO)為6%時，熔渣的表面張力均出現(xiàn)了最低值，隨溫度的升高，熔渣的表面張力呈減小的趨勢。

MgO；CaO-Al2O3-MgO渣系；熔點；黏度；表面張力

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，人們對鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)的冶煉方法難以完全滿足高品質(zhì)鋼的要求。部分學者研究了在渣-金間施加脈沖電場等對提高鋼鐵質(zhì)量的影響，如D Perrie等[1]通過在渣-金間施加雙頻電磁場有效地改善了渣-金間元素的傳質(zhì)；王海川等[2-4]研究了脈沖電場對渣-金間硫、硅和錳元素遷移的影響，發(fā)現(xiàn)隨著電場處理時間的延長，金屬中硫、硅和錳的含量逐漸減低。為保證硫、硅和錳等元素在渣-金間的擴散和遷移，熔渣應(yīng)具有合適的熔點、較好的流動性、良好的離子遷移能力等性能，CaO-Al2O3-MgO渣系常被用于外場對金屬的處理過程中，許繼芳等[5-6]對該渣系的理化性質(zhì)進行研究；李建朝等[7-8]在研究渣-金間外加電場脫氧時發(fā)現(xiàn)CaO-Al2O3-MgO渣系具有較好的脫氧效果；高偉[9]將一定量MgO加入到CaO-Al2O3-CaF2精煉渣系中，發(fā)現(xiàn)適量的MgO可以起到降低渣系熔點的作用；龔志祥等[10]發(fā)現(xiàn)MgO不僅可以改善熔渣的熔點，還可改善成渣的質(zhì)量和速度；曹敏等[11]研究表明，隨著MgO含量的增加CaO-Al2O3-MgO三元系的熔點谷底曲線右移。綜上所述，合適的CaO-Al2O3-MgO渣系組成對渣-金間施加脈沖電場技術(shù)的發(fā)展具有較大的影響。但目前有關(guān)CaO-Al2O3-MgO渣系性能的研究還不系統(tǒng)，尤其是MgO在該渣系中的作用機理還不明確。作者在前人研究的基礎(chǔ)上，通過實驗研究MgO對CaO-Al2O3-MgO渣系熔點、黏度和表面張力的影響，明確MgO在CaO-Al2O3-MgO渣中的作用機制，為渣-金間施加脈沖電場去除金屬中的磷、硫等雜質(zhì)元素提供理論依據(jù)。

1 實 驗

1.1 實驗原料

實驗原料CaO、MgO和Al2O3為分析純試劑，為選擇合適的實驗成分配比，利用Factsage熱力學軟件繪制CaO-Al2O3-MgO三元系相圖，結(jié)果如圖1，圖中圓點代表的渣系區(qū)域熔點相對較低，w(CaO)/ w(Al2O3)=1，選取該區(qū)域的部分成分點用于實驗，成分組成如表1。

1.2 實驗過程

按照表1中的組成稱取CaO、MgO和Al2O3，混合均勻后放入馬弗爐中加熱升溫至1 600℃，保溫30 min后冷卻，將渣樣破碎、研磨至74 μm以下，經(jīng)過干燥處理后利用半球熔點測試儀進行熔點測試、利用RTW-10熔渣物性綜合測試儀進行黏度和表面張力的測定。

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

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 MgO對CaO-Al2O3-MgO渣系熔點的影響

圖2示出了CaO-Al2O3-MgO不同渣系的軟化溫度t、半球熔點溫度t1以及流動溫度t2。

由圖2可知，隨著渣中MgO含量的增加，渣系的軟化溫度、半球點溫度和流動溫度均呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，在熔渣中添加適量的MgO可顯著降低渣系的熔點，當w(MgO)的添加量為6%時，熔渣的熔點相對較低。這主要是因為渣中MgO含量較低時，一方面MgO與CaO、Al2O3形成低熔點化合物降低渣系熔點；另一方面MgO的加入破壞了渣系中復雜化合物的離子結(jié)構(gòu)，使熔渣熔點降低。當MgO含量較高時，MgO與其他物質(zhì)形成高熔點難熔尖晶石類復合物，過量的MgO在熔渣會以懸浮物的狀態(tài)存在，從而使渣系的熔點升高。

綜上所述，適量的MgO可以使CaO-Al2O3-MgO渣系的軟化溫度、半球熔點以及流動溫度在一定程度上降低，當w(MgO)為6%～12%時，渣系熔點較低而且熔渣軟化區(qū)間相對較小。

2.2 MgO對CaO-Al2O3-MgO渣系黏度的影響

CaO-Al2O3-MgO渣系黏度的測試結(jié)果如圖3，1 500～1 550℃區(qū)間內(nèi)渣系的黏度及波動幅度如圖4。

由圖3可知，在一定范圍內(nèi)，隨著MgO含量的增加，不同溫度下渣系的黏度先降低后升高，當w(MgO)為8%時，熔渣的黏度達到最低值。由圖4可知，MgO的加入在一定程度上改善了熔渣黏度的穩(wěn)定性，黏度的波動范圍在w(MgO)為4%時最小，黏度的相對波動范圍也呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當w(MgO)為8%時，熔渣黏度的相對波動范圍最小。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因為：MgO是一種堿性氧化物，當渣系中加入一定的MgO時，MgO可以解離出Mg2+和O2-，其中的O2-可以使一些復雜離子團解離，從而改善渣黏度和流動性；但當MgO超過一定量后，過量的MgO會以顆粒狀質(zhì)點存在，從而使渣的黏度增大，流動性變差。

由上述分析可知，當w(MgO)為8%時渣樣的黏度值相對較低，而黏度波動范圍和相對波動范圍則在w(MgO)分別為4%和8%時最小。為了保證渣金反應(yīng)的順利進行，要求渣系具有良好的流動性，MgO的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)選擇在6%左右。

2.3 MgO對CaO-Al2O3-MgO渣系表面張力的影響

不同組成渣系的表面張力測試結(jié)果如圖5。

由圖5可知：隨著MgO含量的增加，熔渣的表面張力在不同溫度下變化規(guī)律略有不同，在1 500℃時，熔渣的表面張力隨MgO含量的增加呈先減小后增大的趨勢；在1 530，1 550℃時，熔渣的表面張力則先增大后減小；而且不同溫度下，當w(MgO)為6%時，熔渣的表面張力均出現(xiàn)了最低值。這主要是因為Mg2+半徑為0.65×10-10m，靜電勢(z/r)為3.08，離子配位數(shù)為6，致使Mg2+具有較大的引力，當熔渣中含有適量的MgO時，可使周圍的O2-被Mg2+吸引，導致熔渣表面聚集的O2-減小，使熔渣的表面張力降低；但當MgO過量時，Mg2+會聚集在表面，吸引O2-形成較大的絡(luò)合離子從而使表面張力增大。另外，隨溫度的升高，熔渣的表面張力呈減小的趨勢，這主要是因為當渣系溫度升高時，渣中離子在高溫下的運動加劇，離子之間作用力減弱，導致熔渣的表面張力降低。

3 結(jié) 論

1)隨著渣中MgO含量的增加，渣系的軟化溫度、半球點溫度和流動溫度均呈現(xiàn)出先降低后升高的變化規(guī)律，當w(MgO)為6%～12%時，渣系熔點較低而且熔渣軟化區(qū)間相對較小。

2)當w(MgO)為8%時渣樣的黏度值相對較低，而黏度波動幅度和相對波動范圍則在w(MgO)分別為4%和8%時最小。

3)1 500℃時，熔渣的表面張力隨MgO含量的增加呈先減小后增大的趨勢；在1 530，1 550℃時，熔渣的表面張力則先增大后減??；當w(MgO)為6%時，熔渣的表面張力均出現(xiàn)了最低值；隨溫度的升高，熔渣的表面張力呈減小的趨勢。

[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.

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責任編輯：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

安徽省大學生創(chuàng)新訓練項目(AH201310360253)；研究生創(chuàng)新基金(2013004)

張雷(1988-)，男，安徽阜陽人，碩士生，主要研究方向為鋼鐵冶金。

王海川(1969-)，男，河南西平人，博士，教授，研究方向為外場冶金物理化學及資源綜合利用。

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