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(guó)具有特色的多金屬共生礦石，儲(chǔ)量巨大，也是冶煉鋼鐵以及提取釩、鈦等有價(jià)組元的重要戰(zhàn)略資源?，F(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(fù)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(shí)脫出部分磷元素將是解決上述問(wèn)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(shí)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(duì)象，利用分子動(dòng)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(guò)高溫實(shí)驗(yàn)測(cè)定堿性釩渣的粘度，探明了V2O3、P2O5和堿度對(duì)堿性釩渣結(jié)構(gòu)和粘流性質(zhì)的影響機(jī)制。
　　采用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)釩渣中典型的 FeO-SiO2-V2O3三元體系高溫熔融結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。構(gòu)建的經(jīng)驗(yàn)力場(chǎng)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(zhǎng)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(qiáng)穩(wěn)定性。隨V2O3含量

3、的增加，V-O鍵長(zhǎng)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(tuán)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(yàn)證了模擬結(jié)果，表明了V2O3對(duì)此渣系的網(wǎng)絡(luò)破壞作用。
　　采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)法研究了P2O5和堿度對(duì)FeO-SiO2-V2O3-CaO-P2O5五元堿性渣粘

4、流特性的影響。在測(cè)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(xiàn)報(bào)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)技術(shù)和分子動(dòng)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(cè)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(dòng)模的高頻波帶（750-1200 cm-1）隨P2O5的增加而向更高頻區(qū)移動(dòng)，隨堿度的增加向低頻區(qū)移動(dòng)，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(dòng)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(jìn)硅氧網(wǎng)絡(luò)聚合而CaO促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)解聚，與光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)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