钢铁生产中一直奉行“炼钢就是炼渣”这样一句格言,可见炉渣在冶炼工艺中的重要性和研究其冶金物理化学性能的必要性。近年来,随着钢铁产量迅速增大,产能显著过剩,国内钢铁企业之间以及国际之间的竞争日益激烈。购买和利用低品位矿石降低生产成本已经成为企业首要任务,大量低品位铁矿石用于生产使得高炉渣中Al₂O₃含量升高,这已成为高炉生产中普遍面临的问题。而基于硅酸盐炉渣体系的高温物理化学知识体系已经无法满足高铝质铁矿资源高炉冶炼工艺的需求。基于此,为保证炉渣具有合适的流动性及其他良好的冶金性能以满足高炉高效生产,研究Al₂O₃含量对炉渣冶金物理化学性质和结构的影响,阐明铝硅酸盐型高炉渣体系性质与结构的关系,弄清Al₂O₃作为两性氧化物在结构上演变的规律及对宏观性质的影响,能为我国高炉大规模使用高铝质铁矿提供科学依据和技术支持。本文以CaO-SiO₂–9.0 mass%MgO–Al₂O₃–1.0 mass%TiO₂五元渣系为研究对象,测量不同Al₂O₃含量和Al₂O₃/SiO₂比值时,炉渣粘度和粘温曲线的变化情况。实验结果显示炉渣中Al₂O₃含量小于24%,Al₂O₃含量增加能使粘度增大;Al₂O₃含量大于24%,往炉渣中继续增加Al₂O₃,粘度逐渐减小其趋势平缓。本文从炉渣结构层面定量论证:Al₂O₃含量变化使得炉渣粘度出现转折点并不是因为其表现为两性,而是其含量的变化导致炉渣聚合结构发生变化从而导致炉渣粘度出现转折点。实验中用Al₂O₃替代SiO₂,Al₂O₃/SiO₂比值从0.47变化到1.50,实验结果显示随着Al₂O₃/SiO₂比值增大,炉渣粘度先减小后增大,分界点都为0.92。Al₂O₃含量从16%增加至28%的过程中,炉渣的熔化性温度逐渐升高。Al₂O₃/SiO₂从0.47增加至1.50的过程中,炉渣的熔化性温度呈现先升高后降低。运用分子动力学模拟计算五元渣微观结构。由计算可知原子间键长由短到长为Si-O<Al-O<Ti-O<Mg-O<Ca-O<O-O,各原子在渣系中的扩散能力由大到小为Ca>Mg>O>Al>Si。炉渣在实验条件下,超过90%的Al粒子为四配位Al,5配位Al高于3配位Al,其仅占约5%,3配位Al比例小于2.5%。利用Raman光谱研究CaO-Al₂O₃二元渣系结构变化情况,分析CaO-Al₂O₃二元渣系晶体和非晶体的Raman谱峰,确定3CaO·Al₂O₃、CaO·Al₂O₃和CaO·2Al₂O₃晶体的Raman特征峰分别出现在357cm^-1、520cm^-1和543cm^-1。解析CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃-TiO₂五元渣系在1500℃时快速冷却得到非晶的Raman光谱,得到各聚合物结构单元的含量,在牛顿流体粘度Arrhenius公式的基础上,建立炉渣粘滞活化能与炉渣结构之间的数学关系式,同时用温度补偿关系得到指前因子A与粘滞活化能的数学关系式,最后得到炉渣粘度和聚合结构之间的定量关系。