含钛高炉渣高温物理化学研究进展及对高炉冶炼工艺的启示.pdf
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1、白晨光白晨光 重庆大学材料科学与工程学院 多金属矿绿色提取冶金研究组 四川攀枝花四川攀枝花 2015-02-03 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 基础研究是推动行业发展的引擎 引 工艺工艺 冶金行业冶金行业 装备装备人员 原理 人员 原理原理原理管理管理 物理物理物理物理 基础研究基础研究 化学化学化学 数学 化学 数学数学数学 1 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 基础研究是大学科研的核心
2、任务 引 2030 年 大学大学 企业企业 实际期望 技 术 引 领 技 术 引 领 技 术 支 撑 技 术 支 撑 未来经济效益未来经济效益 科 学 科 学 工 程 工 程 技 术 技 术 2 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 宏-介-微观多维度表征是冶金基础研究的发展方向 引 基础 研究 宏观宏观宏观 微观 宏观 微观微观 介观 微观 介观介观介观 更“大” 更“小” 宇宙太空 深海极地 (环境) 微重力 (粒子) 分子 原子 超高压 分子动力学 量子 物理化学 更紧密统计热力学 极 端
3、下 行 为 化 学 键 转 变 冶金复杂多元体系下如何“相应”物理化学学科发展? 3 1冶金熔体的宏观性质 目录目录 CONTENT PAGE 冶金熔体的介观研究 冶金熔体的微观研究 2 3 1 2 3 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals ? 多元化多元化精细化精细化复杂化复杂化 矿石资源矿石资源熔渣组元熔渣组元工艺控制工艺控制 CaO 普通铁矿石普通铁矿石 钒钛磁铁矿钒钛磁铁矿 Ti SiO2 TiO2TiO2 MgO Al2O3 多样化多样化 研究方法研究方法 粘 稠 化 泡 沫 化 带 铁
4、 多 粘 稠 化 泡 沫 化 带 铁 多 粘 稠 化 泡 沫 化 带 铁 多 粘 稠 化 泡 沫 化 带 铁 多 结构结构 性能性能 成分成分 铁矿利用面临的挑战 5 0 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质密度、表面张力、粘度 6 TiO2+C = TiO + CO TiO2+3C= TiC+2CO 难还原 易泡沫 难还原 易泡沫 渣铁分离差 利用系数低 渣铁分离差 利用系数低 表面张力减小表面张力减小 表观粘度增大表观粘度增大 熔体密度降低熔体密度降低 Laborato
5、ry of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质密度、表面张力、粘度 炉渣泡沫化行为炉渣泡沫化行为 =K 1 K有不同值,如115, 108, 570, 140. 有不同值,如115, 108, 570, 140. 泡沫指数 炉渣粘度 泡沫指数 炉渣粘度 炉渣密度 炉渣表面张力 炉渣密度 炉渣表面张力 润 湿? 润 湿? 石墨 1 Y. Zhang and R.J. Fruehan: Metall. Mater. Trans. B, 1995,vol. 26B, pp. 80312. 7 Labora
6、tory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 测量设备测量设备 1 冶金熔体的宏观性质密度、表面张力、粘度 8 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质密度 炉渣密度炉渣密度TiO2含量 22 42 ()() 2.39640.03797.58 10 TiOTiO 当当TiO2含量为含量为23%左右时,炉渣达到最大密度左右时,炉渣达到最大密度. 当当TiO2含量为含量为23%左右时,炉渣达到最大密度左右
7、时,炉渣达到最大密度. 9 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 2 ()() 2.53480.3329/ CaOSiO RR 随着碱度的升高,炉渣密度升高。随着碱度的升高,炉渣密度升高。随着碱度的升高,炉渣密度升高。随着碱度的升高,炉渣密度升高。 1 冶金熔体的宏观性质密度 炉渣密度炉渣密度 碱度 10 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals TiOTiO2 2对表面氧化物摩尔分布的影响对表面氧化物摩
8、尔分布的影响 测量结果和计算结果的比较测量结果和计算结果的比较 Butlers EquationButlers Equation 作为表面活性剂,作为表面活性剂,TiO2含量降低炉渣表面张力含量降低炉渣表面张力 The increase of the mole fraction at the surface for TiO2 The decrease of the mole fraction at the surface for CaO The increase of the mole fraction at the surface for TiO2 The decrease of the m
9、ole fraction at the surface for CaO 1 冶金熔体的宏观性质表面张力 表面张力表面张力 TiO2含量含量 11 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 随着碱度的升高,表面张力升高。随着碱度的升高,表面张力升高。 Butlers Equation The decrease of the mole fraction for SiO2of the lowest surface tension and the slight increase of the mole fra
10、ction for CaO. The decrease of the mole fraction for SiO2of the lowest surface tension and the slight increase of the mole fraction for CaO. 1 冶金熔体的宏观性质表面张力 表面张力表面张力碱度 测量结果和计算结果的比较 碱度对表面氧化物摩尔分布的影响 测量结果和计算结果的比较 碱度对表面氧化物摩尔分布的影响 12 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶
11、金熔体的宏观性质粘度 13 大量实验研究表明:大量实验研究表明:TiO2直接加入高炉渣系中可以降低粘度。直接加入高炉渣系中可以降低粘度。 炉渣粘度预测模型对炉渣粘度预测模型对TiO2的认识存在分歧:的认识存在分歧:Lida, Riboud模型 认为 模型 认为TiO2是酸性氧化物,是酸性氧化物,Urbain模型认为是碱性氧化物模型认为是碱性氧化物,NPL 模型采用光学碱度,模型采用光学碱度,KTH模型没有明确涉及模型没有明确涉及TiO2。最近周国 治院士的模型对 。最近周国 治院士的模型对TiO2有很好的预测效果。有很好的预测效果。 Sohn and Min, Steel Research I
12、nternational, 2012 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质粘度 问题的提出 TiO2增加 碱度增加 粘度降低 TiO2含量 碱度范围 实验方案 1450 编号 Al2O3MgOTiO2 CaOSiO2碱度 A114.008.000.0044.09 33.911.30 A214.008.0010.00 38.43 29.571.30 A314.008.0020.00 32.78 25.221.30 A414.008.0030.00 27.13 20.871.3
13、0 A514.008.0040.00 21.48 16.521.30 A614.008.0050.00 15.83 12.171.30 编号 Al2O3MgOTiO2 CaOSiO2碱度 B114.008.000.0040.86 37.141.10 B214.008.0010.00 35.62 32.381.10 B314.008.0020.00 30.38 27.621.10 B414.008.0030.00 25.14 22.861.10 B514.008.0040.00 19.90 18.101.10 B614.008.0050.00 14.67 13.331.10 编号Al2O3MgO
14、TiO2CaOSiO2碱度 C114.008.000.0026.00 52.000.50 C214.008.0010.00 22.67 45.330.50 C314.008.0020.00 19.33 38.670.50 C414.008.0030.00 16.00 32.000.50 C514.008.0040.00 12.67 25.330.50 C614.008.0050.009.3318.670.50 编号Al2O3MgOTiO2CaOSiO2碱度 D114.008.003016.00 32.000.50 D214.008.003025.14 22.861.10 D314.008.00
15、3026.18 21.821.20 D414.008.003027.13 20.871.30 14 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 炉渣粘度随碱度的变化(30%TiO2) 1 冶金熔体的宏观性质粘度 碱度增加能降低粘度,当TiO2含量在20%30% 时,二元碱度最大值小于1.3; 在合适碱度范围内, TiO2含量最大值小于 50%; R=0.5R=1.1R=1.3 15 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Mi
16、nerals 1 冶金熔体的宏观性质粘度 R=1.1 高碱度时,当TiO2含量超过20%时,炉渣表 现出短渣特性,熔化性温度升高; 低碱度时,当TiO2含量接近40%时,炉渣表 现出短渣特性,熔化性温度升高; R=1.1-1.3, TiO2含量在20%30%,熔化性 温度升高。 R=0.5 熔化性性温度熔化性性温度 16 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质泡沫化现象(低温模拟+外来气源) 溶液泡沫高度与表面张力的关系溶液泡沫高度与表面张力的关系 相同的气体表观速率下,泡沫
17、高度随表面张力的增加而增加,即低表面张力 有利于溶液发泡。 相同的气体表观速率下,泡沫高度随表面张力的增加而增加,即低表面张力 有利于溶液发泡。 随粘度的增加,溶液泡沫化指数先增加后减小,即涨泡性能先增强后减弱。随粘度的增加,溶液泡沫化指数先增加后减小,即涨泡性能先增强后减弱。 表面张力和粘度对泡沫化高度的影响表面张力和粘度对泡沫化高度的影响 溶液泡沫高度与粘度的关系溶液泡沫高度与粘度的关系 17 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质泡沫化现象(低温模拟+外来气源) 溶液泡
18、沫高度与颗粒粒径的关系溶液泡沫高度与颗粒粒径的关系 相同的表观速率下,泡沫高度随PPS粒径的减小而增大,即固体颗粒的粒径 越小越有利于溶液发泡。 相同的表观速率下,泡沫高度随PPS粒径的减小而增大,即固体颗粒的粒径 越小越有利于溶液发泡。 相同的表观速率下,泡沫高度随固体颗粒含量的增加呈先增加后减小的趋 势,即溶液发泡性能先增加后减少。 相同的表观速率下,泡沫高度随固体颗粒含量的增加呈先增加后减小的趋 势,即溶液发泡性能先增加后减少。 溶液泡沫高度与固体颗粒含量的关系溶液泡沫高度与固体颗粒含量的关系 固体颗粒含量和粒径对泡沫化高度的影响固体颗粒含量和粒径对泡沫化高度的影响 18 Laborat
19、ory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质泡沫化现象(低温模拟+内生气源) 泡沫化高度和粘度的关系泡沫化高度和粘度的关系 起泡过程起泡过程消泡过程消泡过程 黏度增大,起泡慢、消泡也慢、泡沫化高度低黏度增大,起泡慢、消泡也慢、泡沫化高度低 19 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质泡沫化现象(低温模拟+内生气源) 泡沫化高度和固体添加量的关系泡沫化高度和固体添加量的关系 起泡
20、过程 消泡过程 起泡过程 消泡过程 黏度增大,泡沫化高度先增加后减小 粘度增大,消泡过程影响不大 黏度增大,泡沫化高度先增加后减小 粘度增大,消泡过程影响不大 20 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质泡沫化现象(低温模拟+内生气源) 泡沫化高度和固体颗粒尺寸的关系泡沫化高度和固体颗粒尺寸的关系 起泡过程消泡过程起泡过程消泡过程 颗粒增大,泡沫化高度降低 颗粒变化对整体的起泡和消泡时间影响不大 颗粒增大,泡沫化高度降低 颗粒变化对整体的起泡和消泡时间影响不大 21 Labo
21、ratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 1 冶金熔体的宏观性质泡沫化现象(低温模拟+内生气源) 泡沫化高度和气体量的关系泡沫化高度和气体量的关系 起泡过程消泡过程起泡过程消泡过程 气体量增加,泡沫化高度增加、消泡时间增长气体量增加,泡沫化高度增加、消泡时间增长 22 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals Iron Slag Ti(C,N) 渣铁界面渣铁界面 渣-Ti(C,N) Fe-Ti(C,N) 渣-Ti(C
22、,N) Fe-Ti(C,N) Ti(C,N)Ti(C,N) (well-wetted) (well-wetted) (well-wetted) (well-wetted) 1 冶金熔体的宏观性质润湿性 Ti(C,N)的润湿性的润湿性 23 Laboratory of Green Extractive Metallurgy for Polymetallic Minerals 12561262 1365 1371 1378 1450 CaO-SiO2-TiO2-Al2O3-MgO-FeO(5%) TiC+5TiO2=3Ti2O3+CO 2TiC+5FeO=Ti2O3+5Fe+2CO 2TiC+2S
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- 含钛高 炉渣 高温 物理化学 研究进展 高炉 冶炼 工艺 启示
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