SiO2与MgO在铁酸钙系熔体中的溶解动力学研究

摘要

烧结矿是当前我国高炉冶炼工艺的最主要原料，因此保证烧结矿的质量是高炉强化冶炼操作的必要条件。铁酸钙系烧结理论在上世纪60年代中期兴起，之后高碱度烧结逐渐取代自溶性烧结工艺。作为高碱度烧结矿的主要粘结相，铁酸钙的组织形态及性能对烧结矿质量有决定性影响。已有研究表明，在保持烧结工艺参数不变时，影响铁酸钙形成及结晶行为的两个主要因素是原料化学成分和烧结矿冷却工艺。其中，由于近年来优质铁矿石资源渐趋枯竭、低品位矿石的价格优势等因素影响，钢铁企业烧结厂原料来源渐趋复杂，原料化学成分的波动成为生产企业保证烧结矿质量的一大难点。
　　本课题来源于国家自然科学基金项目—“复杂原料对烧结过程中铁酸钙熔体的生成与结晶行为影响研究”（No.51104192）。致力于烧结铁酸钙生成过程中的固液反应动力学问题的研究，研究内容分为两部分：SiO2在复合铁酸钙Fe2O3-CaO-SiO2-Al2O3四元系及 Fe2O3-CaO-SiO2-Al2O3-MgO五元系熔体中的溶解反应动力学研究；MgO在复合铁酸钙 Fe2O3-CaO-MgO-Al2O3四元系及Fe2O3-CaO-MgO-Al2O3-SiO2五元系熔体中的溶解反应动力学研究。溶解实验采用动态旋转测量法，并结合热力学计算等方法确定实验温度、实验成分、熔体粘度，对溶解动力学参数进行了推导，此外还对溶解过程的界面物相组成进行了分析。研究所得的主要结论如下：
　　①铁酸钙系熔体中二氧化硅的溶解与实验时间、实验温度、棒样转速以及初渣中MgO含量呈正比关系，与初渣中SiO2含量、Fe2O3/CaO质量比呈负相关，熔体中的二氧化硅含量是影响溶解速率的主要因素；当熔体中初渣中 SiO2含量较低时(<25％)，终渣物相主要是Ca2Fe2O5、CaFe2O4、Ca2SiO4；当初渣中SiO2含量较高时(>25%)，终渣物相主要是CaFe2O4、Fe2O3、CaSiO3。当初渣中MgO含量较高时(>2%)，终渣物相主要为SFCAM、MgFe2O4、Fe2O3；溶解过程固液界面出现裂痕，未中间产物层发现，而且SiO2棒样只是在棒样表面与熔体发生反应，熔体没有往棒样内部侵蚀。溶解速率可由Rd=k0(η-1/6D2/3)[(mass%sio2)s-(mass%sio2)b]描述。固液相SiO2浓度差是溶解过程的主要受驱动，熔体粘度对溶解速率有较大影响；本研究铁酸钙熔体体系SiO2扩散系数DAl2O3在2.09×10-6~7.14×10-6 cm2·s-1范围内，SiO2溶解活化能受熔体成分影响较大，推导所得活化能处于102kJ·mol-1数量级。
　　②铁酸钙系熔体中 MgO溶解过程失重量与实验时间、实验温度、棒样转速呈正比关系，与初渣中MgO含量、Fe2O3/CaO质量比呈负相关，初渣中SiO2的添加对MgO溶解过程失重量由先增大后减少的影响，并且溶解速率明显比铁酸钙系熔体中二氧化硅的溶解要慢很多；初渣中的MgO含量是影响溶解速率的主要因素；当熔体中初渣中MgO含量发生变化时，终渣物相组成为Ca2Fe1.52Al0.48O5、MgFe2O4，基本不变；当熔体中初渣中 Fe2O3/CaO质量比较低时(<2.33)，终渣物相主要是Ca2Fe1.52Al0。48O5，MgFeAlO4；当初渣中Fe2O3/CaO质量比较高时(>2.33%)，终渣物相主要是Ca2Fe1.52Al0.48O5，MgFe2O4，当初渣中Fe2O3/CaO质量比较高时(>2.33%)，终渣物相主要是Ca2Fe1.52Al0.48O5，MgFe2O4；初渣中SiO2含量较低时(≤2%)，终渣物相为Ca2Fe1.052Al0.665Mg0.133Si0.133O5(SFCAM)，MgFe2O4，初渣中SiO2较高时(>2%)，终渣物相为Ca2Fe1.052Al0.665Mg0.133Si0.133O5(SFCAM)，Ca2SiO4；MgO溶解过程固液界面出现裂痕，未中间产物层发现，熔体侵蚀到棒样内部与其发生反应。固液相MgO浓度差是溶解过程的主要受驱动，熔体粘度对溶解速率有较大影响。溶解速率可由Rd=k0(η-1/6D2/3)[(mass%sio2)s-(mass%sio2)b]描述；本研究铁酸钙熔体体系MgO扩散系数DAl2O3在1.03×10-6~1.18×10-5 cm2·s-1范围内，MgO溶解活化能受熔体成分影响较大，推导所得活化能处于102kJ·mol-1数量级。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 铁矿粉烧结工艺概述

1.2 烧结液相生成机理

1.3 铁酸钙系熔体高温物理化学研究进展

1.4 研究背景与意义

1.5 课题研究内容和目的

2 实验方法、实验原料及设备

2.1 实验方法及步骤

2.2 实验原料及设备

3 铁酸钙系熔体中二氧化硅溶解反应动力学

3.1 实验温度、实验成分的选取

3.2 实验熔体粘度的理论计算

3.3 溶解失重及讨论

3.4 溶解动力学参数的推导

3.5 固液溶解反应的界面观察

3.6 结论

4 铁酸钙系熔体中氧化镁溶解反应动力学

4.1 实验温度、实验成分的选取

4.2 实验熔体粘度的计算

4.3 溶解失重及讨论

4.4 溶解动力学参数的推导

4.5 固液溶解反应的界面观察

4.6 结论

5 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读学位期间参加的学术活动