含铬高钛型高炉渣物相结构及粘流性质的研究

摘要

中国攀枝花-西昌地区的红格矿是一种典型的高铬型钒钛磁铁矿。红格矿区矿石可开采量达18.29亿t，矿石中Cr2O3含量高，有价元素（如：Co，Cu ，Ni）的含量也比其他矿区高，开采利用潜力大，但该矿的矿物组成较复杂，利用难度大，且Cr2O3的存在对高炉内矿石的熔融还原、炉渣性质产生重大影响。截至目前，对红格矿只进行了前期勘探、矿石的物相组成特征分析和选矿冶炼分析[1]，红格矿的开发利用尚未开展，相关的基础研究也很少。因此，充分了解含铬高钛高炉渣的物理化学性质对于红格矿的大规模开发利用意义重大。　　本文通过实验和理论相结合的方式对 Cr2O3在炉渣中的溶解行为以及含铬高钛高炉渣的物相结构和粘流性质进行了研究，得出以下结论：　　① Cr2O3在高钛高炉渣中的溶解行为研究：　　固定炉渣中TiO2含量为22wt.%，碱度为1.1，当Cr2O3含量超过0.53wt.%时，渣中将生成钙钛矿相，从而导致Cr2O3的溶解速率大幅降低，为提高矿石的熔融还原速率，炉渣中Cr2O3的含量不宜超过0.53wt.%。在不同TiO2含量及不同碱度下， Cr2O3在炉渣中的溶解度均低于1wt.%。　　② 炉渣物相转变研究：　　含铬高钛型高炉渣在降温过程中先后析出尖晶石相、钙钛矿相、钙长石相、单斜辉石相等矿相。随着Cr2O3含量的增加，钙钛矿相的析出温度先降后升，尖晶石相析出温度上升；随着TiO2含量的增加，钙钛矿相与尖晶石的析出温度降低；随着碱度的增加，钙钛矿相和尖晶石的析出温度升高。　　③ 炉渣粘流性质研究：　　1）随着炉渣Cr2O3含量的增加，粘度先降低后增加。当Cr2O3含量不高于0.5wt.%时，Cr2O3充当网络修饰体的角色，使炉渣结构简化，粘度下降，当添加量为1.5wt.%及以上时，炉渣中生成钙钛矿相和尖晶石相使粘度上升。随着炉渣Cr2O3含量的增加，炉渣熔化性温度先降低后增加。为使炉渣拥有良好的流动性和热稳定性，炉渣中Cr2O3的含量不宜超过0.5wt.%。　　2）随着炉渣中TiO2含量的增加，粘度降低。TiO2添加量低于24wt.%时，进入硅氧四面体网状结构的 Ti 4+不断从网状结构中脱离，使硅酸盐体系结构简化；TiO2添加至26wt.%时，炉渣由硅酸盐体系转变为钛酸盐体系，[Ti2O6]4-链状结构含量降低，[TiO4]4-四面体单体的含量增加，炉渣结构进一步简化，粘度降低，流动性得到改善。随着炉渣中TiO2含量的增加，炉渣的熔化性温度上升，综合考虑，炉渣中TiO2含量不宜超过26wt.%。　　3）随着炉渣中碱度的增加，粘度降低。炉渣中自由氧离子含量的增加，使硅酸盐、钛酸盐体系中的复杂阴离子团解聚，炉渣聚合度降低，宏观表现为炉渣粘度的下降。随着炉渣中碱度的增加，炉渣熔化性温度增加，炉渣碱度不宜超过1.15。　　4）对比Urbain模型、lida模型、Riboud模型、NPL模型粘度计算值与实验值后发现，NPL模型的最大平均误差为17.49%，能较好的预测CaO-SiO2-Al2O3-MgO-TiO2-Cr2O3六元渣系的粘度。

目录

1 绪论

1.1 钒钛磁铁矿资源及其利用情况

1.1.1 国外钒钛磁铁矿利用现状

1.1.2 国内钒钛磁铁矿利用现状

1.2 高铬型钒钛磁铁矿资源及其利用现状

1.2.1 高铬型钒钛磁铁矿非高炉冶炼

1.2.2 高铬型钒钛磁铁矿高炉冶炼

1.3.1 炉渣中Cr2O3溶解行为的研究现状

1.3.2 高炉炉渣黏流特性的研究现状

1.4 课题研究目的及意义

1.5 课题研究思路及内容

2 Cr2O3在炉渣中的溶解行为的研究

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验装置

2.1.3 实验步骤

2.2 实验结果及分析

2.2.1 转速对Cr2O3在渣中的溶解速率的影响

2.2.2 渣中Cr2O3含量对Cr2O3棒样溶解速率的影响

2.2.3 温度对Cr2O3在渣中的溶解速率的影响

2.2.4 Cr2O3对炉渣物相的影响

2.3 基于Factsage研究Cr2O3在炉渣中的溶解度

2.3.1 温度对Cr2O3在炉渣中的溶解度的影响

2.3.2 TiO2含量对Cr2O3在炉渣中的溶解度的影响

2.3.3 碱度对Cr2O3在炉渣中的溶解度的影响

2.4 本章小结

3 含铬高钛渣粘度及物相转变的理论计算

3.1 炉渣成分

3.2.1 粘度模型介绍

3.2.2 TiO2含量对炉渣粘度的影响

3.2.3 二元碱度对炉渣粘度的影响

3.2.4 Cr2O3含量对炉渣粘度的影响

3.3 基于Factsage计算炉渣结晶过程物相转变

3.3.1 TiO2含量对炉渣物相的影响

3.3.2 二元碱度对炉渣物相的影响

3.3.3 Cr2O3含量对炉渣物相的影响

3.4 本章小结

4 含铬高钛渣粘度与物相结构间关系的研究

4.1 实验方案

4.1.1 实验材料

4.1.2 实验装置

4.1.3 实验方法

4.2 Cr2O3含量对含铬高钛高炉渣粘度及物相结构的影响

4.2.1 Cr2O3含量对含铬高钛高炉渣粘度及熔化性温度的影响

4.2.2 Cr2O3含量对含铬高钛高炉渣粘流活化能的影响

4.2.3 Cr2O3含量对含铬高钛高炉渣物相的影响

4.2.4 Cr2O3对含铬高钛高炉渣结构的影响

4.2.5 理论计算值与实验值之间的对比分析

4.3 TiO2含量对含钛高炉渣粘度及物相结构的影响

4.3.1 TiO2含量对含铬高钛高炉渣粘度及熔化性温度的影响

4.3.2 TiO2含量对含铬高钛高炉渣粘流活化能的影响

4.3.3 TiO2含量对含铬高钛高炉渣物相的影响

4.3.4 TiO2含量对含铬高钛高炉渣结构的影响

4.3.5 理论计算值与实验值之间的对比分析

4.4.1 二元碱度对含铬高钛高炉渣粘度及熔化性温度的影响

4.4.2 二元碱度对含铬高钛高炉渣粘流活化能的影响

4.4.3 二元碱度对含铬高钛高炉渣物相的影响

4.4.4 二元碱度对含铬高钛高炉渣结构的影响

4.4.5 理论计算值与实验值之间的对比分析

4.5 本章小结

5 结 论

参考文献

附录

A. 作者在硕士期间发表的论文及专利

B. 作者在硕士期间参与的科研项目

C. 作者在硕士期间参与的学术活动

D. 作者在硕士期间获得的荣誉称号

E. 学位论文数据集

致谢