含钛高炉渣高温物理化学研究进展及对高炉冶炼工艺的启示

Al Al O MgO MgO Al O 编号 编号 Al 编号 2 2O 3 2 33 MgO O 编号 2 3 C1 A1 14.00 14.00 8.00 8.00 B1 14.00 D1 14.00 8.00 C2 B2 14.00 A2 14.00 14.00 8.00 8.00 C4 B4 A4 D3 C5 B5 A5 D4 C6 B6 A6
Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals
1
冶金熔体的宏观性质—粘度
R=0.5
R=1.1
R=1.3
碱度增加能降低粘度，当TiO2含量在20%~30% 时，二元碱度最大值小于1.3； 在合适碱度范围内， TiO2含量最大值小于 50%；
1
冶金熔体的宏观性质—泡沫化现象（低温模拟+内生气源） 泡沫化高度和固体添加量的关系
起泡过程
消泡过程
黏度增大，泡沫化高度先增加后减小 粘度增大，消泡过程影响不大
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熔化性性温度
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Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals
1
冶金熔体的宏观性质—泡沫化现象（低温模拟+外来气源）
表面张力和粘度对泡沫化高度的影响
溶液泡沫高度与表面张力的关系
溶液泡沫高度与粘度的关系
1
Biblioteka Baidu
冶金熔体的宏观性质—密度 炉渣密度—— 碱度
2.5348 0.3329 R
R ( CaO ) / ( SiO2 )
随着碱度的升高，炉渣密度升高。
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1
冶金熔体的宏观性质—密度、表面张力、粘度
难还原 易泡沫 渣铁分离差 利用系数低
TiO2+C = TiO + CO TiO2+3C= TiC+2CO
表面张力减小 表观粘度增大 熔体密度降低
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原理
管理
∙∙∙ 数 化 物 ∙∙∙ 学 学 理
基础研究
1
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引
大
基础研究是大学科研的核心任务 学 实际 期望
科 学
工 程
技 术
技 术 支 撑
20~30 年
技 术 引 领
企
业
2
未来经济效益
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引
宏-介-微观多维度表征是冶金基础研究的发展方向 更“大” 宏 观 宇宙太空 (环境) 深海极地 微重力 超高压 统计热力学 分子 微 观 更“小” (粒子) 原子 分子动力学 量子 物理化学 化 学 键 转 变 极 端 下 行 为
1
冶金熔体的宏观性质—密度、表面张力、粘度
炉渣泡沫化行为
[1]


=K
泡沫指数 炉渣粘度 炉渣密度 炉渣表面张力
石墨


K
有不同值，如115, 108, 570, 140. 润 湿？
[1] Y. Zhang and R.J. Fruehan: Metall. Mater. Trans. B, 1995,vol. 26B, pp. 803–12.
基础 研究
介
观
更紧密
冶金复杂多元体系下如何“相应”物理化学学科发展？
3
目
录
CONTENT PAGE
1 1
冶金熔体的宏观性质 冶金熔体的介观研究 冶金熔体的微观研究
2 2
3 3
Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals
0
铁矿利用面临的挑战 熔渣组元
多元化
矿石资源
复杂化
工艺控制
精细化
研究方法
多样化
CaO
普通铁矿石
成分
SiO2 TiO2 MgO
粘稠化 泡沫化 带铁多
Ti
钒钛磁铁矿
？
结构
Al2O3
5
性能
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Sohn and Min, Steel Research International, 2012 13
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1
冶金熔体的宏观性质—粘度 问题的提出
TiO2增加 碱度增加 粘度降低 TiO2含量 碱度范围
相同的气体表观速率下，泡沫高度随表面张力的增加而增加，即低表面张力 有利于溶液发泡。 随粘度的增加，溶液泡沫化指数先增加后减小，即涨泡性能先增强后减弱。
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1
冶金熔体的宏观性质—泡沫化现象（低温模拟+内生气源） 泡沫化高度和气体量的关系
起泡过程
消泡过程
气体量增加，泡沫化高度增加、消泡时间增长
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Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals
1
冶金熔体的宏观性质—泡沫化现象（低温模拟+内生气源） 泡沫化高度和粘度的关系
起泡过程
消泡过程
黏度增大，起泡慢、消泡也慢、泡沫化高度低
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1
冶金熔体的宏观性质—泡沫化现象（低温模拟+外来气源）
固体颗粒含量和粒径对泡沫化高度的影响
溶液泡沫高度与固体颗粒含量的关系 溶液泡沫高度与颗粒粒径的关系
相同的表观速率下，泡沫高度随PPS粒径的减小而增大，即固体颗粒的粒径 越小越有利于溶液发泡。 相同的表观速率下，泡沫高度随固体颗粒含量的增加呈先增加后减小的趋 势，即溶液发泡性能先增加后减少。
7
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1
冶金熔体的宏观性质—密度、表面张力、粘度 测量设备
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Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals
白晨光
重庆大学材料科学与工程学院 多金属矿绿色提取冶金研究组
四川 · 攀枝花
2015-02-03
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引
基础研究是推动行业发展的引擎 冶金行业 工 艺 装 备 人 员
1
冶金熔体的宏观性质—泡沫化现象（低温模拟+内生气源） 泡沫化高度和固体颗粒尺寸的关系
起泡过程
消泡过程
颗粒增大，泡沫化高度降低 颗粒变化对整体的起泡和消泡时间影响不大
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1
冶金熔体的宏观性质—表面张力 表面张力— TiO2含量
Butler’s Equation
测量结果和计算结果的比较
TiO2 对表面氧化物摩尔分布的影响
作为表面活性剂，TiO2 含量降低炉渣表面张力 The increase of the mole fraction at the surface for TiO2 The decrease of the mole fraction at the surface for CaO
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1
冶金熔体的宏观性质—粘度
大量实验研究表明：TiO2直接加入高炉渣系中可以降低粘度。 炉渣粘度预测模型对TiO2的认识存在分歧：Lida, Riboud模型 认为TiO2是酸性氧化物，Urbain模型认为是碱性氧化物,NPL 模型采用光学碱度，KTH模型没有明确涉及TiO2 。最近周国 治院士的模型对TiO2有很好的预测效果。
1450℃
实验方案
TiO TiO 22 TiO 2 0.00 0.00 30 10.00 10.00 30.00 30.00 30 40.00 40.00 30 50.00 50.00 CaO CaO CaO 26.00 44.09 40.86 16.00 22.67 35.62 38.43 16.00 25.14 27.13 26.18 12.67 19.90 21.48 27.13 9.33 14.67 15.83 SiO SiO2 2 SiO 2 52.00 33.91 37.14 32.00 45.33 32.38 29.57 32.00 22.86 20.87 21.82 25.33 18.10 16.52 20.87 18.67 13.33 12.17 碱度 碱度 碱度 0.50 1.30 1.10 0.50 0.50 1.10 1.30 0.50 1.10 1.30 1.20 0.50 1.10 1.30 1.30 0.50 1.10 1.30
14
D2 30 19.33 25.14 22.86 C3 0.50 B3 14.00 30.38 27.62 A3 14.00 14.00 8.00 8.00 20.00 20.00 32.78 38.67 25.22 1.10 1.30 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00 8.00
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Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals
1
冶金熔体的宏观性质—表面张力 表面张力—碱度
Butler’s Equation
测量结果和计算结果的比较
碱度对表面氧化物摩尔分布的影响
随着碱度的升高，表面张力升高。 The decrease of the mole fraction for SiO2 of the lowest surface tension and the slight increase of the mole fraction for CaO.
1
冶金熔体的宏观性质—密度
炉渣密度——TiO2 含量
2.3964 0.0379(TiO ) 7.58 104 (2TiO )
2 2
当TiO2 含量为23%左右时，炉渣达到最大密度.
9
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炉渣粘度随碱度的变化(30%TiO2)
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1
冶金熔体的宏观性质—粘度
R=0.5 R=1.1
高碱度时，当TiO2含量超过20%时，炉渣表 现出短渣特性，熔化性温度升高； 低碱度时，当TiO2含量接近40%时，炉渣表 现出短渣特性，熔化性温度升高； R=1.1-1.3， TiO2含量在20%~30%，熔化性 温度升高。