熔融镍渣还原提铁过程中CaO-SiO2-‘FeO’-Al2O3-MgO熔体微观结构的研究

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对铝硅酸盐熔体体系而言,其热力学性质和动力学性质均是由其微观结构决定的。因此,研究铝硅酸盐熔体的微观结构有助于阐明诸多冶金工业过程的反应和现象。铝硅酸盐熔体的微观网络结构可以基于体系中各个结构单元的种类及其聚合程度来表征,与熔渣的宏观性质密切相关。本文采用分子动力学模拟方法对铝灰还原熔融镍渣提铁过程中CaO-SiO2-‘FeO’-Al2O3-MgO熔渣体系的微观结构进行了定量研究,同时,采用红外光谱和拉曼光谱分析了熔渣组分中‘FeO’/(‘FeO’+A12O3)及A12O3/(Al2O3+SiO2)变化对熔渣黏度及微观结构的影响规律。并将模拟结果与实验结果进行了比较,所得主要结论如下。铝灰还原熔融镍渣提铁过程中,随熔渣中Al2O3含量增加,Si-O径向分布函数峰值向左偏移,表明Al2O3含量的增加使得硅氧四面体的网络结构连接更加紧密与稳定。随提铁还原过程的进行,熔渣黏度增加,熔渣体系整体的粒子扩散速度越来越慢。在FeO还原度为100%时,体系中Al的扩散速度比Si慢,表明还原反应完成时,Al在体系的网络结构中起主导作用。随还原进程进行,熔渣体系微观网络结构越加复杂,聚合程度越来越大,并且体系的网络结构发生了由硅氧四面体为主导到以铝氧四面体为主导的转变,从而导致了熔渣体系黏度的增加。在熔渣中‘FeO’还原度小于50%条件下,当‘FeO’/(‘FeO’+A12O3)高于0.5时,熔渣成分以‘FeO’为主导,体系的结构单元主要为Q0、Q1和Q2;当‘FeO’/(‘FeO’+Al2O3)低于0.5时,体系的结构单元主要为Q1、Q2和Q3,出现了从‘FeO’主导到Al2O3主导的转变,从而导致熔渣体系在微观网络结构上向高桥氧结构的转变。CaO-SiO2-‘FeO’-Al2O3-MgO熔渣体系微观网络结构聚合程度可用n(BO/T)值表征。当‘FeO’/(‘FeO’+A12O3)比为 0.63 和 0.53 时,n(BO/T)的值为 1.08 和 1.18。当‘FeO’/(‘FeO’+A12O3)比降低至0.43和0.33时,n(BO/T)增加至为1.48和1.66,表明体系的网络聚合程度在不断增大。随熔渣中A12O3/(A12O3+SiO2)增加,熔渣体系网络结构的复杂程度在不断增大。当熔渣体系以硅酸盐为主时,网络结构的变化以硅氧四面体结构单元的变化为主,当体系演变为以铝酸盐为主之后,有更多的铝氧四面体进入到网络结构中,此时网络结构的变化则以铝氧四面体为主。定义了能够表征铝氧四面体对体系微观结构的n(BO/T)e表征。当A12O3/(A12O3+SiO2)比从 0.22 增加到 0.38 时,n(BO/T)e 的值从 1.07 增高到 1.42,当A12O3/(A12O3+SiO2)比从 0.50 增加到 0.56 时,n(BO/T)e 的值从 2.47 增长到 2.60,证明了A12O3/(Al2O3+SiO2)比的增加使铝硅酸盐体系的聚合程度增大。拉曼光谱和红外光谱测定的熔渣微观结构结果与分子动力学模拟结果吻合较好,实验测定与分子动力学模拟两种研究手段具有较好的互补性。
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