堿性釩渣熔融結(jié)構(gòu)與粘流性能的研究.pdf

1、釩鈦磁鐵礦是我國具有特色的多金屬共生礦石，儲量巨大，也是冶煉鋼鐵以及提取釩、鈦等有價組元的重要戰(zhàn)略資源。現(xiàn)行的火法冶煉工藝由于在提釩轉(zhuǎn)爐內(nèi)采用酸性造渣工藝氧化提釩而不具備脫磷能力。這導(dǎo)致了后續(xù)半鋼煉鋼脫磷負荷重，從而束縛了煉鋼的生產(chǎn)效能和潔凈鋼的生產(chǎn)。在提釩轉(zhuǎn)爐內(nèi)加堿性造渣劑提釩的同時脫出部分磷元素將是解決上述問題的一有效途徑。因此，弄清加入堿性物質(zhì)后形成的堿性釩渣的組成-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)的關(guān)系將是實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐提釩與脫磷耦合新工藝的關(guān)鍵之一。本文

2、以堿性釩渣為研究對象，利用分子動力學(xué)模擬和光譜學(xué)表征技術(shù)研究熔渣結(jié)構(gòu)，再通過高溫實驗測定堿性釩渣的粘度，探明了V2O3、P2O5和堿度對堿性釩渣結(jié)構(gòu)和粘流性質(zhì)的影響機制。
　　采用經(jīng)典分子動力學(xué)模擬對釩渣中典型的 FeO-SiO2-V2O3三元體系高溫熔融結(jié)構(gòu)進行研究。構(gòu)建的經(jīng)驗力場能較好的重現(xiàn)此體系包含的晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)數(shù)據(jù)。熔渣的結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果顯示，Si-O鍵長和配位數(shù)分別穩(wěn)定在1.6?和4，表明硅氧結(jié)構(gòu)的強穩(wěn)定性。隨V2O3含量

3、的增加，V-O鍵長從1.92?增加到1.96?，配位數(shù)從4.50逐漸增大到4.96，其中5配位的V占比最大。熔渣中離子的配位環(huán)境分析表明Fe2+和V3+呈現(xiàn)不均勻的分布，存在離子間的團簇現(xiàn)象。分析模擬得到的硅氧網(wǎng)絡(luò)聚合度表明，V2O3含量的增加導(dǎo)致熔渣網(wǎng)絡(luò)的解聚。紅外光譜結(jié)構(gòu)表征驗證了模擬結(jié)果，表明了V2O3對此渣系的網(wǎng)絡(luò)破壞作用。
　　采用旋轉(zhuǎn)粘度計法研究了P2O5和堿度對FeO-SiO2-V2O3-CaO-P2O5五元堿性渣粘

4、流特性的影響。在測定溫度范圍1400℃-1500℃內(nèi)，熔渣粘度值范圍為0.1-0.3 Pa.s，與類似渣系的文獻報道吻合。固定熔渣堿度，增加P2O5含量導(dǎo)致熔渣粘度及粘流活化能的升高，表明P2O5有促進熔渣網(wǎng)絡(luò)聚合的作用。固定熔渣P2O5含量，堿度增加導(dǎo)致熔渣粘度及粘流活化能的降低，表明CaO的加入促進熔渣網(wǎng)絡(luò)解聚。當(dāng)CaO/SiO2>1.3后，此解聚作用變得微弱。
　　結(jié)合光譜學(xué)實驗技術(shù)和分子動力學(xué)模擬研究了 FeO-SiO2-

5、V2O3-CaO-P2O5五元堿性釩渣體系的結(jié)構(gòu)隨P2O5含量和堿度的演變。淬冷渣樣的紅外光譜和拉曼光譜檢測結(jié)果顯示，表征不同的具有網(wǎng)絡(luò)形成作用的結(jié)構(gòu)單元的振動模的高頻波帶（750-1200 cm-1）隨P2O5的增加而向更高頻區(qū)移動，隨堿度的增加向低頻區(qū)移動，表明組成的變化導(dǎo)致了熔渣網(wǎng)絡(luò)聚合度的變化。拉曼光譜半定量分析顯示硅氧網(wǎng)絡(luò)聚合指數(shù) NBO/Si隨 P2O5增加而降低，隨堿度增加而增加。分子動力學(xué)模擬結(jié)果顯示硅氧網(wǎng)絡(luò)連接度NC隨

6、P2O5的加入從0.43增加到0.74，隨堿度的增加從2.57降低到0.39，表明P2O5促進硅氧網(wǎng)絡(luò)聚合而CaO促進網(wǎng)絡(luò)解聚，與光譜學(xué)實驗結(jié)果一致，解釋了熔渣粘流性質(zhì)隨成分的變化。模擬結(jié)果還表明 P主要以低聚合的3-4PO和4-27P O陰離子單元形式存在。V在熔渣中主要形成[VO4]四面體，并與[PO4]四面體發(fā)生共連接，形成復(fù)雜V-P結(jié)構(gòu)單元，與拉曼光譜半定量分析的推論一致。V-P結(jié)構(gòu)單元的形成可能為后續(xù)堿性釩渣中釩、磷的有效分離