郝百川 曾亚南 刘夕

摘要：针对GCr15轴承钢CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元精炼渣系，采用FactSage7.3热力学软件对其物化性能如黏度性能进行分析。通过控制变量法分别研究碱度、MgO、Al2O3对渣系物化性能的影响。结果表明：碱度R为3.75-4.5，MgO含量为5.0-6.0%，Al2O3含量为24-28%时，渣系黏度有较好的效果，流动性以及吸附性较好。

关键词：精炼渣系;黏度;FactSage

0引言

钢铁冶金精炼过程中渣系一直是科研的热点内容[1]。针对不同钢种成分及产品要求亦有各自特有的渣系特点，如GCr15轴承钢的“高Al2O3高碱度渣-高Al镇静钢”精炼[2]、30Cr2Ni4MoV转子钢的“低Si低Al-扩散脱氧-低氧钢”精炼[3]等。

实验选择适宜精炼GCr15轴承钢的CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元渣系为研究对象，采用FactSage7.3热力学软件对该四元精炼渣系的黏度、熔化性温度进行了热力学模拟，分析了碱度、MgO和Al2O3含量对该渣系黏度、熔化性温度的影响规律，为精炼渣成分优化和实际生产奠定基础。

1研究方法

本研究通过搜集数据首先确定了CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元渣系的成分范围：碱度R范围取3.0～6.0、Al2O3含量取16～32%，MgO含量取5～9%，之后采用FactSage7.3中Equilib、Viscosity和PhaseDiagram三个板块，选择FToxid作数据库，温度取1400～1800℃，步长取10℃，压强取一个大气压。

模拟黏度时利用Equilib模块得到不同温度下渣系固相分数（solidfraction），并通过Viscosity模块确定渣系为完全液相时的黏度（Viscosityliquid），最后利用计算式Viscositysolid+liquid≈Viscosityliquid（1-solidfraction）-2.5计算出渣系的表观黏度，采用表观黏度来分析四元精炼渣系的黏度变化规律。

2结果与分析

2.1碱度、MgO和Al2O3含量对渣系黏度的影响

2.1.1碱度对渣系黏度的影响

为探讨碱度对四元渣系黏度的影响规律，采用控制变量法，首先将MgO和Al2O3含量分别设为7%和24%，碱度范围为3.0～6.0，步长0.75，温度范围1500～1600℃，步长20℃，黏度模拟结果如图1所示。

根据图1，可以看出熔渣温度降低，渣系黏度不断上升。随着碱度的增加，渣系黏度呈现不断上升的趋势，在碱度较低时，熔渣中由于碱性氧化物含量较少，而硅酸盐类矿物较高且相互聚合[4]，从而导致黏度上升。在碱度4.5-5.25之间，由于新的高熔点矿物析出，从而导致黏度继续上升。

2.1.2 MgO含量对渣系黏度的影响

在考虑MgO含量的因素对渣系黏度影响时，同样采用控制变量法首先控制碱度为4.5，Al2O3含量24%，MgO含量为5%-9%，步長为0.01，温度范围1500～1600℃，步长20℃，黏度模拟结果如图2所示。为研究MgO含量对渣系黏度的影响，选取温度1540℃的结果画图，黏度模拟结果如图3所示。

根据图2可知，随着MgO含量的提高，渣系黏度增加，渣系黏度与MgO含量成正比关系。渣系黏度的增加与矿相析出有关。Joo[5]等提出当渣系中MgO含量较高时，渣中固相质量分数增加，从而黏度提升。

2.1.3 Al2O3含量对渣系黏度的影响

研究Al2O3含量的因素对渣系黏度影响时，碱度控制为4.5，MgO含量为7%，Al2O3含量为16%-32%，步长为0.04，温度范围1500～1600℃，步长20℃，黏度模拟结果如图4所示。

由图4可知，随着Al2O3含量提高，渣系黏度呈先降低后升高的趋势，当Al2O3含量较低时，渣系黏度下降较快，Al2O3含量增加时，渣系黏度下降速度降低，当Al2O3含量为24%时，黏度最低。Al2O3含量继续增加，渣系黏度上升。Al2O3含量较低情况下，当Al2O3含量提高时，低熔点氧化物大量产生，渣系黏度大幅降低[6]。Al2O3含量继续升高的同时，由于溶液中Al3+较高，而Al3+易水解，形成沉淀物，导致黏度增加。

3结论

采用FactSage热力学软件对轴承钢精炼CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元渣系物化性能进行分析，研究了碱度、MgO和Al2O3含量对渣系黏度和熔化性温度的影响规律。结果表明：

1.随着渣系温度降低，渣系黏度不断上升。由于碱度较低时，渣系中硅酸盐类矿物聚合使得黏度增加，当碱度继续提高时，由于高熔点矿物质的不断析出，所以黏度继续升高。

2.随着MgO含量的提高，渣中固相质量分数增加，渣系黏度增加。但随着Al2O3含量提高，渣系黏度呈先降低后升高的趋势。是由于Al2O3含量较低时，渣系中产生大量低熔点氧化物，而当Al2O3过量时溶液中Al3+水解，形成沉淀物，黏度提高。

3.由以上分析可知，四元渣系碱度取4.0-5.0，MgO含量为5.0-6.0%，Al2O3含量为22-26%时，渣系有较好的黏度物化性能。

参考文献：

[1]JUNG-HWAN SON， IN-HO JUNG， SUNG-MO JUNG， etal .Chemical reaction of glazed refractory with Aldeoxidized molten steel[J] .ISIJ International， 2008， 48（11）：1542-1551.

[2]Lou WenTao， Zhu MiaoYong. Numerical simulation of slag-metal reactions and desulfurization efficiency in gas-stirred ladles with different thermodynamics and kinetics[J]. ISIJ International， 2015， 55（5）：961-969.

[3]Hu Lin Yang， Jian Song Ye， Xiao Liang Wu， et al. Effect of top slag with low basicity on transformation control of inclusions in spring steel deoxidized by Si and Mn[J]. ISIJ International， 2016， 56（1）：108-115.

[4]赵丽娜，唐国章，李俊国，等.CaO-MgO-Al2O3-SiO2四元精炼渣系黏度的热力学模拟[J].钢铁钒钛，2015，36（04）：101-107.

[5]JOO RO KIM，YOUNG SEOK LEE，DONG JOON MIN，et al.Influence of MgO and Al2O3 content on viscosity of blast furnace type slags containing FeO[J]. ISIJ International， 2004， 44（8） ： 1291-1297.

[6]张明博，李俊国，马红强.组分含量对CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元精炼渣系黏度的影响[J].特殊钢，2013，34（02）：28-31.

基金：华北理工大学大学生创新创业训练项目（项目编号：X2018348）