刘超，张玉柱，康月

（河北联合大学冶金与能源学院，河北唐山06300）

摘  要：利用Factsage软件研究不同温度下MgO含量对高炉渣粘度的影响，并对MgO的影响机理做了讨论与研究。结果表明：在较低温度下，随着MgO含量在一定范围内提高会导致炉渣粘度升高；在较高温度下，随着MgO含量在一定范围内提高会导致炉渣粘度降低。

关键词：Factsage软件；高护渣；MgO含量；粘度

近年来，随着进口矿比例的增加，大量配加外矿后炉渣中成分不稳定，对炉渣的粘度提出了更高的要求炉渣粘度受诸多因素的影响，主要是炉渣温度和炉渣成分[1]。在高炉生产中，炉温相对稳定；炉渣成分对炉渣粘度影响很大，MgO含量对高炉渣粘度的影响很明显。通过对MgO含量和碱度对炉渣冶金性能的实验研究，寻求合理的炉渣成分及其控制区间，并通过对检测结果的分析，找出影响高炉渣流动性的主要原因，为高炉生产提供指导[5]。

1. 计算原理

在Windows系统下的操作方便的FactSage软件包含的数据库的内容丰富，且拥有强大的计算功能[4]。Factsage6.4为其最新版本，数据库为计算与模拟复杂的工业生产过程提供了有利的理论支撑。其在冶金反应过程的优化，冶金原燃料、炉渣物理化学性能的预测，材料设计等领域得到了广泛的应用。

本文应用Factsage热力学软件的Equilb、viscosity和PhaseDigam三个处理模块，Equilb模块是FactSage的Gibbs自由能最小的主要部分，也是最常用的模块。它用来计算给定元素或者化合物反应尤其是达到化学平衡时各物种的浓度。大多数情况下，用户通过Equilib的Reactants Window和Menu Window进行输入计算。Viscosity模块处理Equilib模块计算出的数据，得到在相应条件下高炉渣的粘度。PhaseDigam是FactSage的相图模块，以CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元渣系为基础，研究不同MgO含量分析不同渣系的热力学参数状态图，确定液相线温度、固液相量和固液相组份等参数，这是热力学分析所能够实现的[3]。

选用FToxid数据库计算不同温度下MgO含量对CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元渣系的粘度的影响，探究在一定范围内的影响规律。所选用的FToxid数据库包含FToxid数据库包含CaO、SiO2、Al2O3、MgO、FeO、Fe2O3、MnO、Na2O、K2O、Cu2O、TiO2、Ti2O3、ZrO2、SnO、CoO、CrO、Cr2O3、NiO、B2O3、PbO和ZnO等氧化物。

2. MgO含量对CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元渣系粘度的影响

本次计算中配制了7个渣样，计算MgO含量在6%～12%区间，1%为一梯度递加进行。考虑到高炉出渣温度在1450℃左右，因此拟定实验温度T拟定在1200～1500℃之间，渣系碱度R=1.05，Al2O3=13%。实验数据如表1所示。

应用Viscosity模块，将各种成分的含量输入到Viscosity模块中，设定温度为1200～1500℃，温度步长为20℃。经过Viscosity模块计算处理得到各个温度下相对应的粘度如表2所示。

Viscosity模块计算对象为液相，但是试剂在1200～1500℃并不是在每个温度下都是液相，所以我们根据Einstein-Roscoe方程：

Viscosity(solid +liquid mixture)≈Viscosity(liquid)×(1-solid fraction)-2.5进一步计算处理，应用Equilb模块，计算表1实验数据对应条件下的固相量和液相量。将计算得到的结果带入Einstein-Roscoe方程，得到各个温度下相对应的粘度如表3所示。为了更直观的探究温度与CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元渣系粘度关系，根据表3数据绘制温度和粘度的关系图，如图1所示。

从图1可见，当R=1.05，Al2O3=13%时，试剂的粘度随温度的升高而不断降低，通过对比我们不难发现，随着MgO含量的不断增加，试剂的粘度曲线斜率也不断增大。并且MgO含量在6%～8%粘度曲线出现拐点的温度要低于MgO含量在9%～12%的粘度曲线。在出现拐点之前，试样随着温度的升高，粘度下降很快。在拐点的出现后，随着温度的升高，粘度下降的很慢。在图中我们能看到粘度曲线有交点A，在交点A之前，MgO含量越高，粘度越大：在交点A之后，MgO含量越高，粘度越小。结果表明：（1）试剂的粘度随温度的升高而不断降低，并且在较低温度影响最为明显；（2）在较低温度MgO含量越高，试剂粘度越大，在较高温度MgO含量越高，试剂粘度越小。

3. 影响机理探究

我们通过Factsage软件中的Phase Digam模块绘制出CaO-SiO2-Al2O3-MgO四元相图，并拟定Al2O3含量为13%，得到相图如图2所示。

在图2中，标出MgO含量为6%和12%两条等含量线，并且标出二元碱度R=1.05的等碱度线，我们很容易发现，试样的组成在黄长石的初晶区范围，在此区域内，等温线分布比较稀疏，并且黄长石熔化温度低，流动性较好[2]，为了更能清晰的看到试样降温过程中，黄长石量的变化情况，利用Factsage的Equilb模块计算出各个温度下黄长石含量的变化，并制成图，如图3所示。

在较高温度（交点A之后）增加渣中MgO含量的比率，可以带入较多的O2-离子，因而减少了Si-O、A1-O阴离子团的聚合度，破坏了它们的网状结构，形成了简单的单、双四面体结构；同时还能与A12O3生成一系列低熔点物质，改善炉渣的流动性。导致MgO含量越高，试剂粘度越小。在Equilb模块中计算得到当温度降到1400℃（交点A）左右，随着温度的降低会出现黄长石，对比图1，我们不难发现正是由于黄长石的出现，导致试样粘度随着温度降低急剧变大，MgO含量越高，黄长石析出量越多，粘度也就越大。

4. 结论

（1）试剂的粘度随温度的升高而不断降低，并且在较低温度影响最为明显；

（2）在较低温度MgO含量越高，试剂粘度越大，在较高温度MgO含量越高，试剂粘度越小。

（3）在较低温度MgO含量对试剂粘度的影响机理与黄长石的析出量有关，即黄长石析出量越大，试剂的粘度大。

（4）在较高温度MgO含量对试剂的粘度影响机理与MgO可以带入更多O2-有关，即O2-可以减少了Si-O、A1-O阴离子团的聚合度，破坏了它们的网状结构，导致MgO含量越高，试剂粘度越小。

5.参考文献

[1]张玉柱, 取明山, 项利, 等. MgO含量和碱度对高炉渣的黏度的影响[J]. 材料与冶金学报，2005(04).

[2]何环宇, 王庆祥, 韩秋影. MgO含量对高炉渣性能的影响研究[J]. 武汉科技大学学报(自然科学版), 2006(01).

[3]曹战民，宋晓艳，乔芝都. 热力学模拟计算软件FactSage及其应用[J]. 稀有金属，2008（02）.

[4]Xian-bin Ai, Hao Bai, Li-hua Zhao, et al. Thermodynamic analysis and formula optimization of steel slag based ceramic materials by FACTsage software[J]. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials.2013(04).

[5]李福民, 吕庆, 胡宾生, 等. 高炉渣的冶金性能及造渣制度[J]. 钢铁, 2006(4).