含鈦高爐渣的若干物理化學(xué)問題研究.pdf

1、攀枝花－西昌地區(qū)蘊(yùn)藏的豐富釩鈦磁鐵礦資源是我國著名的三大復(fù)合共生礦之一，也是世界聞名的釩鈦磁鐵礦資源。攀西地區(qū)的釩鈦磁鐵礦資源工業(yè)規(guī)模開發(fā)和綜合利用是過去三十年間中國冶金科技界的一項(xiàng)重要任務(wù)，經(jīng)過多年的努力，攀鋼已經(jīng)建設(shè)成了我國大型的鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，鐵、釩、鈦資源的開發(fā)和利用均取得了一定成效。但是，攀枝花釩鈦磁鐵礦無論是在高爐冶煉過程，還是由此形成的高鈦型高爐渣，都具有許多不同于普通鐵礦石冶煉的物理化學(xué)問題，這些問題的深入研究有助于在理論

2、上豐富復(fù)合礦分離科學(xué)的若干基本思想，為我國其它復(fù)合共生礦的綜合利用提供有益的借鑒作用；在實(shí)踐上可以進(jìn)一步推進(jìn)釩鈦磁鐵礦高爐冶煉工藝技術(shù)水平提高和含鈦高爐渣的綜合利用新工藝、新技術(shù)開發(fā)。 本文在對(duì)國內(nèi)外關(guān)于含鈦高爐渣物理化學(xué)性質(zhì)研究狀況進(jìn)行了較為深入細(xì)致分析的基礎(chǔ)上，在實(shí)驗(yàn)室分別就含鈦高爐渣的粘度、熔化性溫度、表面張力、表面粘度、TiO2在爐渣中的活度等進(jìn)行了測定；并在理論上利用共存理論模型對(duì)CaO-SiO2-TiO2-Al2O3

3、-MgO五元渣系TiO2的活度進(jìn)行了研究；利用非牛頓流體的理論對(duì)含鈦高爐渣的泡沫化機(jī)理及其與各種物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行了分析；最后對(duì)微波與高鈦高爐渣之間的作用效果進(jìn)行了研究，并初步探討了作用機(jī)理。本論文具體的研究工作和結(jié)論如下： (1)對(duì)于含鈦高爐渣的粘度問題，在實(shí)驗(yàn)室采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測定了不同爐渣二元堿度、TiO2含量、還原程度以及TiC、TiN等高熔點(diǎn)物相對(duì)爐渣的粘度和熔化性溫度的影響；應(yīng)用流體力學(xué)的基本理論建立了采用旋轉(zhuǎn)

4、法測定熔渣粘度時(shí)，測頭轉(zhuǎn)速對(duì)熔體的作用范圍以及應(yīng)用在非牛頓熔體測試中的基本原則；對(duì)不同TiC、TiN濃度時(shí)粘度測定的結(jié)果進(jìn)行了深入分析，根據(jù)膠體化學(xué)中的Einstein公式討論了含鈦高爐渣中，固相顆粒對(duì)粘度的作用，發(fā)現(xiàn)本研究中，固相粒子與熔渣粘度之間的關(guān)系，并不完全遵從Einstein公式，提出了此類熔渣是“類膠體”的概念。并由此探討了TiC、TiN的分散形態(tài)對(duì)爐渣變稠的影響。通過實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算及分析表明： ①含鈦高爐渣如果

5、在中性或氧化性氣氛下，爐渣的粘度并不會(huì)發(fā)生變稠的現(xiàn)象。爐渣變稠的問題主要與TiO2的還原程度有關(guān)，深度的還原產(chǎn)生的TiC、TiN固相顆粒較多，爐渣的表觀粘度就會(huì)增大，TiC、TiN的重量百分含量超過6％時(shí)，爐渣粘度急劇增大；TiC、TiN在爐渣中的分散形態(tài)對(duì)粘度也有很大影響，相同的含量下，分散程度越高，爐渣粘度越大，反之亦然。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件和擴(kuò)散條件對(duì)TiC、TiN的分散形態(tài)有重要的影響。 ②含鈦爐渣的熔化性溫度普遍較高，大約比

6、普通高爐渣高80～100℃。其原因主要是渣中存在著TiC、TiN等高熔點(diǎn)物相。容易在爐渣結(jié)晶過程中提供非均質(zhì)形核的異相質(zhì)點(diǎn)，降低形核所需的過熱度。 (2)研究了爐渣的表面性質(zhì)問題。在深入分析了低溫溶液表面粘度測定方法的基礎(chǔ)上，提出了采用激光束測定高溫熔體表面粘度的思路，并據(jù)此設(shè)計(jì)了激光表面粘度測定儀，實(shí)際測定了各種不同爐渣組分時(shí)爐渣的表面粘度，分析了爐渣組分對(duì)表面粘度的影響以及表面粘度和爐渣漲泡性能之間的關(guān)系，研究結(jié)果充分表明：

7、 ①含鈦高爐渣泡沫化現(xiàn)象的內(nèi)在原因是，由于含鈦氧化物以及在還原條件下產(chǎn)生的TiC、TiN等高熔點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)，改變了爐渣的表面性質(zhì)，使之有利于氣泡在渣中穩(wěn)定存在；即爐渣中的固相質(zhì)點(diǎn)不僅改變了體相性質(zhì)，也改變了爐渣的表面性質(zhì)。 ②在爐渣的表面性質(zhì)中，表面張力和表面粘度對(duì)泡沫化都具有重要的作用，但表面張力在起泡階段起著重要作用，表面粘度在穩(wěn)定泡沫階段起著重要作用。爐渣中表面活性物質(zhì)降低其表面張力，有利于泡沫的形成，但不一定會(huì)提高爐渣

8、的表面粘度，對(duì)爐渣泡沫化的影響取決于兩者之間的強(qiáng)弱。 ③采用激光法測定熔渣的表面粘度是可行的。特別是對(duì)高溫熔體的表面性質(zhì)的測定具有參考價(jià)值。但是還需要進(jìn)一步改進(jìn)，提高測定的精確性。今后研究的重點(diǎn)是物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)與表面粘度之間的關(guān)系。 ④CaF2、MnO等表面活性物質(zhì)不利于爐渣的泡沫化。 (3)對(duì)TiO2在爐渣中的活度進(jìn)行了嘗試性測定，并在理論上利用共存理論模型對(duì)CaO-SiO2-TiO2-Al2O3-MgO五元渣

9、系中TiO2的作用濃度進(jìn)行了計(jì)算。實(shí)驗(yàn)研究和理論分析說明： ①可以采用電動(dòng)勢(shì)法測定含鈦爐渣中TiO2的活度，但是有很大的難度。 ②分子離子共存模型可以用于計(jì)算含鈦爐渣中組元的活度。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，誤差是可以接受的。 ③含鈦爐渣中TiO2的活度或作用濃度是隨著其含量的增加而增加的。因此要抑制含鈦爐渣的性能惡化，關(guān)鍵是降低其活度。 (4)含鈦爐渣非牛頓流體性質(zhì)的研究。按照非牛頓流體的測定方法，對(duì)含鈦爐渣進(jìn)行

10、測定，并將測定結(jié)果與以前視為牛頓流體測定的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行系統(tǒng)分析，并深入研究其內(nèi)在的聯(lián)系，以揭示含鈦爐渣特殊性能的核心問題。通過研究表明： ①含鈦爐渣具有非牛頓流體的特性。 ②含鈦爐渣的非牛頓流體特性與爐渣的其它物理化學(xué)性質(zhì)之間有一定的關(guān)系，但準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系，需要進(jìn)一步深入的研究，才能獲得明確的結(jié)果。 (5)含鈦高爐渣的微波處理研究。這是一個(gè)有意義的探索，通過微波處理含鈦高爐渣，有以下結(jié)論： ①微波對(duì)