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硼对无氟保护渣熔渣微观结构的影响

钢铁 2022年第5期57卷 72-80页

作者：闫晓鹏刘磊韩秀丽王印会张玓华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210 华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210

在钢铁行业产能过剩和节能减排的背景下,积极寻找保护渣中氟的替代物,开发新型无氟保护渣已成为实现绿色高效化连铸生产的重要途径。硼作为氟的理想替代物以其经济成本和助熔效果的优势,成为无氟保护渣技术新的研究热点,并被认为具有最... 详细信息

在钢铁行业产能过剩和节能减排的背景下,积极寻找保护渣中氟的替代物,开发新型无氟保护渣已成为实现绿色高效化连铸生产的重要途径。硼作为氟的理想替代物以其经济成本和助熔效果的优势,成为无氟保护渣技术新的研究热点,并被认为具有最广泛的应用前景。为探究含硼无氟保护渣的熔化结晶机理,从熔体微观结构变化的角度阐明含硼无氟渣黏度性能变化的内因,以期实现其工业化应用,选用高炉渣、石灰石、石英砂、纯碱和硼砂作为主要原料制备含硼无氟保护渣,结合拉曼光谱技术和Scigress分子动力学模拟对无氟保护渣熔渣的键长、配位数和结构单元等微观结构进行了系统研究。结果表明,随着硼砂质量分数从4%增加到16%,熔渣中硼氧骨干的结构发生较大变化,B—O的平均配位数从3.028增加到3.096,Si—B的平均配位数从0.229增加到0.898,[BO_(3)]三面体转变为[BO_(4)]四面体,B—O的平均键长保持1.375 nm不变;熔渣中桥氧数量增加,结构单元由简单的岛状结构、环状结构向着复杂的层状结构和架状结构转变,形成了复杂的硼硅酸盐结构,使熔渣聚合度升高,导致原子基团和离子的迁移阻力被加强,不利于晶体的成核和生长,抑制了保护渣的结晶,从而使熔渣黏度进一步降低。综合来看,含硼无氟渣系中硼砂质量分数为7%~16%时,熔渣聚合度较高,网络结构较复杂,黏度稳定性较好。

关键词：硼砂无氟保护渣熔渣结构分子动力学拉曼光谱

铁水预脱磷温度对脱磷渣结构及行为的分析与探讨

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钢铁 2024年

作者：周朝刚陈庆功闫占辉赵长亮刘道正王连全单庆林王书桓首钢京唐钢铁联合有限责任公司炼钢部天津铁厂有限公司炼钢厂首钢京唐钢铁联合有限责任公司轧钢作业部首钢股份公司迁安钢铁公司华北理工大学冶金与能源学院唐山钢铁集团有限责任公司技术中心

为探究不同铁水温度下脱磷熔渣结构演变对脱磷效果及磷迁移富集行为的影响，在铁水温度为1 340～1 420 ℃条件下进行了实验室试验，利用XRD、SEM-EDS、FTIR和Raman光谱对试验后脱磷终渣的结构进行了表征。热力学理论分析表明，随着温度... 详细信息

为探究不同铁水温度下脱磷熔渣结构演变对脱磷效果及磷迁移富集行为的影响，在铁水温度为1 340～1 420 ℃条件下进行了实验室试验，利用XRD、SEM-EDS、FTIR和Raman光谱对试验后脱磷终渣的结构进行了表征。热力学理论分析表明，随着温度的升高，磷的分配比逐渐降低。铁水脱磷试验表明，当铁水温度为1 380 ℃时，铁水脱磷效率最高，温度过高或过低均不利于脱磷，且铁水硅质量分数随着温度的升高逐渐降低。XRD和SEM-EDS分析结果表明，磷主要富集在2CaO SiO2结晶区，富磷相由2CaO SiO2-3CaO P2O5固溶体组成，温度的升高会降低富磷相的比例。拉曼和红外分析结果表明，Si—O—Si键受温度升高的影响较小。当温度较低时，炉渣中Q1(Si)、Q2(Si)和Q3(Si)的含量增加。当温度升至1 380 ℃时，Si—O—Si键断裂，Q0(Si)增大。低聚合度的硅酸盐结构促进磷的迁移和聚集，以Q1(P)形式存在的磷逐渐增加。当温度为1 380～1 420 ℃时，较高的铁水温度抑制了磷的迁移，进入渣中的硅往往以高聚合度的形式存在，随着脱硅反应的进行，渣的聚合度逐渐增加。此外，由于FeO6八面体的显著增加和硅酸盐聚合度的提高，磷向硅氧网络结构中的迁移受到抑制，以Q0(P)形式存在的磷逐渐增加，磷在炉渣中的扩散程度增加。通过本研究，可以为钢铁企业解决铁水磷质量分数超标问题和控制合理的预脱磷温度提供理论指导和参考。

关键词：预脱磷铁水温度氧化铁皮红外光谱拉曼光谱熔渣结构

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高铝钢连铸保护渣研究进展

钢铁 2024年第5期59卷 1-11页

作者：何生平刘亚东李权辉刘耕夫王强强重庆大学材料科学与工程学院重庆400044 南京钢铁股份有限公司研究院江苏南京210035

由于连铸相对于模铸在能耗、效率和成本等方面具有优势,近年来,各种铝质量分数为0.5%~3%甚至高达5%~12%的低密度高铝钢相继采用或计划采用连铸生产,然而高铝钢连铸结晶器内存在的渣-金反应[Al]+(SiO_(2))→[Si]+(Al_(2)O_(3))引起保护... 详细信息

由于连铸相对于模铸在能耗、效率和成本等方面具有优势,近年来,各种铝质量分数为0.5%~3%甚至高达5%~12%的低密度高铝钢相继采用或计划采用连铸生产,然而高铝钢连铸结晶器内存在的渣-金反应[Al]+(SiO_(2))→[Si]+(Al_(2)O_(3))引起保护渣成分和性能变化,妨碍了保护渣正常发挥润滑和控制传热的冶金功能,导致凹陷、裂纹等铸坯表面质量问题以及漏钢等生产事故频发,成为影响高铝钢连浇的主要限制性环节。为保证铸坯表面质量和连铸过程的顺行,除提高钢水洁净度外,减弱因渣-金反应所引起的保护渣性能的大幅变化是高铝钢连铸的必然要求。为此,国内外研究人员以减弱渣-金反应性或稳定渣-金反应后性能为目标,进行了各种尝试和探索。首先提出了可促进熔渣快速更新的低碱度低黏度保护渣技术思路,但当钢中铝质量分数较高时,随着反应进行,保护渣黏度逐渐增大,消耗量降低,难以维持保护渣性能的相对稳定,实际生产过程中铸坯表面质量问题突出,黏结频发,无法稳定实现多炉连浇。为此,低反应性和非反应性连铸保护渣应运而生,成为高铝钢连铸保护渣研究热点。在渣-金反应性综述的基础上,重点介绍了高碱性高玻璃化、CaO-SiO_(2)基高反应性、CaO-SiO_(2)-Al_(2)O_(3)基低反应性和CaO-Al_(2)O_(3)基非反应性等保护渣的特点及其研究进展和存在的问题,并提出了高铝钢连铸保护渣今后研究重点和发展方向。

关键词：连铸保护渣高铝钢渣-金反应润滑传热熔渣结构

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基于气流床气化炉熔渣结构的黏度预测

化工学报 2017年第10期68卷 3877-3883页

作者：王倩李强张建胜清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

在煤气化工艺中,煤灰高温黏度特性是影响熔渣流动特性重要参数之一。以NBO/T、P/M为结构参数,建立熔渣高温黏度预测模型,对结构参数、熔渣黏度的关系进行了研究,并通过文献的实验数据验证了模型的准确性。研究发现随着NBO/T的增大,熔体... 详细信息

在煤气化工艺中,煤灰高温黏度特性是影响熔渣流动特性重要参数之一。以NBO/T、P/M为结构参数,建立熔渣高温黏度预测模型,对结构参数、熔渣黏度的关系进行了研究,并通过文献的实验数据验证了模型的准确性。研究发现随着NBO/T的增大,熔体聚合程度降低,熔体流动时内摩擦力减小,黏度降低;随着P/M增大,熔体结构强度减弱,熔体流动所需要克服的阻力增加,熔渣黏度逐渐升高。引入结构参数后的熔渣黏度预测模型对一定范围内的熔渣黏度具有良好的预测效果,在NBO/T结构参数均可;在NBO/T>0.5时,黏度预测值和实验值误差在25%以内,采用结构参数P/M更合适。

关键词：熔渣结构黏度气化模型 NBO/T P/M

电场对CaO-SiO2-Al2O3熔渣的结构调控

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过程工程学报 2020年第1期20卷 67-73页

作者：张盼刘俊昊魏奎先王志马文会昆明理工大学冶金与能源工程学院云南昆明650093 中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程重点实验室湿法冶金清洁生产技术国家工程实验室北京100190

针对硅中硼难去除的问题,从熔渣结构层面进行研究,通过观察熔渣不同部位在不同电场条件下熔渣结构的变化,分析不同电场条件下高温骤冷所得熔渣结构变化,探索引入电场对熔渣结构影响。结果表明,引入电场会引起熔渣中离子定向移动与重新分... 详细信息

针对硅中硼难去除的问题,从熔渣结构层面进行研究,通过观察熔渣不同部位在不同电场条件下熔渣结构的变化,分析不同电场条件下高温骤冷所得熔渣结构变化,探索引入电场对熔渣结构影响。结果表明,引入电场会引起熔渣中离子定向移动与重新分配,改变熔渣结构。熔渣上部结构在电场作用下解聚更彻底,远离渣金界面处熔渣结构变化较小。电场增强有利于熔渣解聚,电场强度达10V时,熔渣中结构单元会转变为聚合度更低的Q0结构单元。熔渣上部结构对电场变化更敏感,电场改变,熔渣下部结构变化较小。

关键词： CaO-SiO2-Al2O3渣系熔渣结构结构单元电场

CaO-SiO2-FeO-Cr2O3-MgO-MnO渣系粘度模型及熔渣结构的研究

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CaO-SiO2-FeO-Cr2O3-MgO-MnO渣系粘度模型及熔渣结构的研究

作者：黄兵重庆大学

学位级别：硕士

铬是许多金属材料中的重要合金元素,在含铬铁水转炉冶炼过程中,铬元素容易被氧化为CrO。进入熔渣中的CrO会与熔渣的其他成分生成高熔点含铬尖晶石相,这将对转熔渣系的物相组成和熔渣结构产生影响,从而改变熔渣的性质,最终对转炉冶炼过... 详细信息

铬是许多金属材料中的重要合金元素,在含铬铁水转炉冶炼过程中,铬元素容易被氧化为CrO。进入熔渣中的CrO会与熔渣的其他成分生成高熔点含铬尖晶石相,这将对转熔渣系的物相组成和熔渣结构产生影响,从而改变熔渣的性质,最终对转炉冶炼过程的物理化学反应起到重要的影响。部分钢厂在含铬铁水转炉冶炼过程中均出现了熔渣粘稠、粘枪、返干等问题,严重影响了转炉冶炼工艺的顺行。本文以转炉前中期CaO-SiO-FeO-CrO-MgO-MnO六元含铬渣系为研究对象,对渣系组元活度、物相组成、粘度模型和熔渣结构等方面开展了研究工作,希望可以为实际含铬铁水转炉冶炼工艺提供一些理论指导。本文主要的工作和结论如下:基于分子-离子共存理论基础构建CaO-SiO-FeO-CrO-MgO-MnO六元熔渣在1500℃反应达到平衡后渣系组元作用浓度(即活度)计算模型。计算结果表明:炉渣中活度较大的二元硅酸盐氧化物、三元硅酸盐氧化物以及含铬尖晶石氧化物分别为CaSiO和CaSiO、CaMgSiO和CaMgSiO、MgCrO和FeCrO。随着CrO含量的增加,CaO、FeO、MgO、MnO的活度减小,CrO的活度增大,SiO的活度变化不大;随着FeO的增加,CaO、MgO、MnO、SiO、CrO的活度减小,FeO的活度增大;随着碱度(CaO/SiO)的增大,FeO、SiO、CrO的活度减小,CaO、MgO的活度增大,MnO的活度先增大后减小。利用FactSage热力学软件模拟实验渣系在转炉冶炼温度1300-1700℃范围内的物相组成,采用XRD检测分析熔渣在1500℃时的物相组成,分析了CrO、FeO和碱度变化对熔渣物相组成的影响规律。结果显示:渣系中含有CrO时,物相中均含有MgCrO、FeCrO和MgFeO尖晶石相,这与分子-离子共存理论的计算结果一致,尖晶石相的总含量随着CrO和碱度的增加而增加。温度为1300-1500℃时,熔渣中尖晶石含量随着FeO的增加而增加;温度为1500-1700℃时,尖晶石含量随着FeO的增加而略有减少。利用Urbain、Ribound、NPL、Pal、Seshadri、Shankar、Iida七种常见均相粘度模型计算实验渣系粘度,并以此为基础,根据Einstein、Kunitz、Mooney、Chong、Roscoe、Einstein-Roscoe和Liu七个非均相粘度模型计算渣系粘度,并与实验测量的粘度进行比较分析,建立了适合本文体系的非均相粘度预测模型。结果表明:Iida均相模型比较适合计算熔渣液相部分的粘度η。当熔渣中的CrO、FeO和碱度变化时,使用新建立的Liu-I非均相粘度模型计算得到的熔渣粘度值与实验测量的粘度值变化趋势一致,且二者在数值上也比较接近。通过计算表征熔渣体系聚合度的Λ(光学碱度)、NBO/T和Q等参数,利用拉曼光谱等检测手段对渣系结构进行实验分析,研究了熔渣成分对其结构的影响规律。理论计算结果表明,随着渣中CrO含量的增加,Λ和NBO/T减小,Q增大;随着渣中FeO含量的增加,Λ和NBO/T增大,Q减小;熔渣碱度的增大使Λ和NBO/T增大,Q减小。拉曼光谱实验结果表明,随着渣中CrO含量的增加,Q+Q减小,Q+Q增大,(Q+Q)/(Q+Q)增大,NBO/Si减小,熔渣的聚合度增加。随着渣中FeO含量和碱度的增加,Q+Q增大,Q+Q减小,(Q+Q)/(Q+Q)减小,NBO/Si增大,熔渣的聚合度减小。

关键词：含铬转炉渣活度物相组成粘度模型熔渣结构

TiO_(2)和Al_(2)O_(3)对CaO-SiO_(2)-CaF_(2)基础焊接渣系熔化特性的影响

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焊接学报 2023年第5期44卷 7-13,61,I0003页

作者：何磊王任甫成应晋薛钢马晓阳张华军上海交通大学上海200240 中国船舶集团有限公司第七二五研究所洛阳471023

研究了TiO_(2)和Al_(2)O_(3)对CaO-SiO_(2)-CaF_(2)基础焊接渣系黏度、熔化温度、表面张力等熔化特性的影响,并利用XRD和拉曼光谱分析四元焊渣的物相和结构特征.结果表明,TiO_(2)含量增加会显著降低焊接熔渣黏度、熔化温度及表面张力,... 详细信息

研究了TiO_(2)和Al_(2)O_(3)对CaO-SiO_(2)-CaF_(2)基础焊接渣系黏度、熔化温度、表面张力等熔化特性的影响,并利用XRD和拉曼光谱分析四元焊渣的物相和结构特征.结果表明,TiO_(2)含量增加会显著降低焊接熔渣黏度、熔化温度及表面张力,提升熔渣流动性;Al_(2)O_(3)含量增加会使焊接熔渣黏度、熔化温度及表面张力先略有升高后明显降低.CaO-SiO_(2)-CaF_(2)-TiO_(2)和CaO-SiO_(2)-CaF_(2)-Al_(2)O_(3)四元焊渣完全熔化后,其黏度均在0.2 Pa·s以下,继续升温对黏度无显著影响,低于熔化温度后,焊渣随温度降低迅速凝固,呈明显的短渣特性.经XRD和拉曼光谱分析可知,四元焊接熔渣中主要含具有硅酸盐网络结构的Ca_(4)Si_(2)O_(7)F_(2)高熔点相.TiO_(2)和Al_(2)O_(3)的加入均能使硅酸盐网络结构转变成简单四面体结构的[SiO_(4)]_(4−),且含TiO_(2)渣中生成了CaTiO_(3)新相,含Al_(2)O_(3)渣中产生CaF_(2)相和少量Ca_(2)Al(Al SiO_(7))新相.发现了对渣系熔化特性影响较大的TiO_(2)和Al_(2)O_(3)含量敏感区间,对高强钢焊材配方设计具有一定参考意义.创新点:(1)从焊接熔渣的物相和微观结构角度分析了其熔化特性变化的根本原因.(2)发现船用高强钢焊材渣系的TiO_(2)和Al_(2)O_(3)含量敏感区间,为高强钢焊材产品研发提供重要技术支撑.

关键词：焊接渣系熔化特性拉曼光谱熔渣结构

温度对CaO-SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-MgO高炉渣系Al_(2)O_(3)活度的影响

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钢铁 2022年第4期57卷 25-33页

作者：胡心光沈峰满郑海燕郭永春姜鑫高强健东北大学冶金学院辽宁沈阳110819

Al_(2)O_(3)作为熔渣中的主要组元之一,其对熔渣的冶金性能的影响尤为突出。对于高炉炼铁而言,高炉渣中Al_(2)O_(3)增加会对炼铁及脱硫造成不利影响。然而,随着中国钢铁工业的不断发展,相对低廉的高Al_(2)O_(3)进口铁矿石使用量不断攀升... 详细信息

Al_(2)O_(3)作为熔渣中的主要组元之一,其对熔渣的冶金性能的影响尤为突出。对于高炉炼铁而言,高炉渣中Al_(2)O_(3)增加会对炼铁及脱硫造成不利影响。然而,随着中国钢铁工业的不断发展,相对低廉的高Al_(2)O_(3)进口铁矿石使用量不断攀升,使得高炉渣中Al_(2)O_(3)含量明显增加,高炉渣中Al_(2)O_(3)质量分数往往大于15%,更高的甚至大于20%。目前关于高Al_(2)O_(3)高炉渣系中Al_(2)O_(3)组元的热力学性质(例如采用参考渣法测定Al_(2)O_(3)的活度)及其对炉渣冶金性能的影响等研究鲜有报道,而温度是影响冶金熔渣冶金性能的重要热力学因素之一,因此探讨温度对冶金熔渣中Al_(2)O_(3)组元活度影响的规律不仅具有重要的研究意义,同时也为现场实践提供坚实的理论依据。采用参考渣法对1773~1873 K温度条件下CaO-SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-MgO高炉渣系Al_(2)O_(3)活度进行测定,并采用Raman光谱对熔渣的结构进行检测。考察了温度对CaO-SiO_(2)-Al_(2)O_(3)-MgO高炉渣系Al_(2)O_(3)活度的影响。结果表明,随着温度的增加,熔渣中Al_(2)O_(3)的化学势降低,熔渣与铜金属熔液之间的反应向右移动来达到新的平衡,因而Al_(2)O_(3)的活度随着温度的增加逐渐降低。温度的增加使熔渣中Al_(2)O_(3)与碱性金属氧化物发生反应,使钙铝酸盐(CaO·Al_(2)O_(3)和CaO·2Al_(2)O_(3))和镁铝酸盐(MgO·Al_(2)O_(3))等复合物生成量增加,此时熔渣的结构由于O^(2-)的增加而逐渐发生解聚,熔渣中的自由Al_(2)O_(3)减少,从而导致Al_(2)O_(3)活度逐渐降低。

关键词： Al_(2)O_(3)活度温度溶解焓熔渣结构 Raman光谱

Na_(2)O-TiO_(2)-SiO_(2)-CaO-Al_(2)O_(3)-V2O5-MnO-MgO-FeO渣系渣铁间硫分配比热力学模型

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过程工程学报 2023年第1期23卷 124-135页

作者：尹学杰陈德胜王丽娜赵宏欣甄玉兰齐涛王猛中国科学院过程工程研究所战略金属资源绿色循环利用国家工程研究中心北京100190 中国科学院大学化工学院北京100049 河北中科同创钒钛科技有限公司河北衡水053000

基于离子分子共存理论(IMCT)建立了Na_(2)O-TiO_(2)-SiO_(2)-CaO-Al_(2)O_(3)-V2O5-MnO-MgO-FeO九元渣系的结构单元作用浓度模型和渣铁间硫分配比热力学模型,并对模型进行实验验证。通过模型计算出1200℃下渣系主要结构单元组成和渣中Na... 详细信息

基于离子分子共存理论(IMCT)建立了Na_(2)O-TiO_(2)-SiO_(2)-CaO-Al_(2)O_(3)-V2O5-MnO-MgO-FeO九元渣系的结构单元作用浓度模型和渣铁间硫分配比热力学模型,并对模型进行实验验证。通过模型计算出1200℃下渣系主要结构单元组成和渣中Na_(2)O,CaO,MnO,MgO和FeO的活度,发现Na_(2)O的加入可促进渣中低熔点物质的生成,降低渣系熔化性温度,改善脱硫反应的动力学条件;同时随着Na_(2)O加入量的增加,渣中Na_(2)O和CaO的活度增加,进而降低渣中S2?离子活度,强化渣铁间脱硫反应。实验结果表明,增加碱矿比提高了渣铁间硫分配比,有利于铁水深度脱硫,铁水中硫含量可降至0.0005wt%以下,硫分配比的理论计算值与实验结果吻合极好。渣中各碱性氧化物的硫分配比随碱矿比RN/C增加逐渐增大,各碱性氧化物硫分配比大小为Na_(2)O>CaO>MnO>FeO>MgO。本研究将共存理论模型成功应用到九元复杂渣系渣铁间脱硫反应机理研究,为铁水深度脱硫过程的渣系优化提供了理论依据。

关键词：熔渣结构共存理论硫分配比活度热力学模型钠化熔炼