一、研究的背景与问题

  随着钢铁工业的快速发展和优质铁矿资源的消耗，钢铁企业原料恶化已经显著影响到了高炉的正常冶炼。低品位铁矿资源的利用已经成为全球钢铁企业面临的普遍问题。其中，高铝型铁矿是一类储量大、分布广、应用难的典型资源。铁矿石中铝与铁的地球化学及晶体化学行为相近，使得矿石内部铝铁赋存关系复杂。物理选矿法对铝、铁嵌布关系复杂，矿石的铝铁分离效果较差；高铝铁矿也会降低烧结矿的强度和反应性，高炉渣中氧化铝升高会引起炉渣黏度和熔化性温度的升高。目前高炉造渣常用的手段为调控炉渣中的MgO/Al2O3比，这不但会导致炉渣渣量增加，且不适合超高Al2O3（>18wt.%）渣系。

  大量高铝型铁矿在高炉中的利用将导致炉渣由硅酸盐熔渣体系逐渐过渡到铝硅酸盐、甚至铝酸盐体系，传统硅酸盐体系炉渣高温物理化学的知识体系已不再适用于高铝型铁矿资源的高炉应用。因此，重庆大学团队系统地研究了高铝型炉渣的物理化学性质的演变规律，开发出了适合高炉冶炼的铝酸盐型造渣工艺。

  二、解决问题的思路与技术方案

  研究团队理论分析发现，高炉渣中Al2O3含量升高后有两条可行的造渣路线，如图1所示。炉渣成分从区域1（现阶段造渣制度的硅酸盐渣系）向区域2或区域3转变，其中向区域2转变的路线为单纯提高渣中Al2O3含量，向区域3转变的路线可以通过Al2O3替换SiO2实现。

图 1 CaO-SiO2-9 wt%MgO-Al2O3-1wt%TiO2在炉渣液相区

  通过对两条路线渣系的物理化学性质和微观结构进行系统研究（图2），掌握了铝硅酸盐熔渣体系成分、结构和性能之间的关系；建立了基于炉渣结构信息的黏度预测模型；结合炉渣物理化学性质的测量和模型计算结果，开发出了适合高炉冶炼的铝酸盐型造渣工艺；确定了高铝型铁矿高炉炼铁流程利用的基础理论。

图2，项目技术路线图

  三、主要创新性成果

  1. 阐明了氧化铝对高炉渣高温物理化学性质的影响规律，揭示了氧化铝在熔渣体系中的网络结构机制。

  氧化铝在高炉渣中主要以四配位为主，但同时具有三、五和六配位等结构。

  当氧化铝含量较少时，倾向于形成四配位的四面体网络，以Al-O-Al 或Al-O-Si 结构存在1。当氧化铝含量增多时，高配位的铝氧结构逐渐增多。从结构单元的尺寸看，Si-O四面体<Si-O-Al四面体<Al-O四面体<高配位铝氧结构，而键能从小到大的顺序则相反。表现在炉渣高温性质上，单纯增加氧化铝含量，炉渣黏度先增大再略微减小，但炉渣熔化性温度升高明显2；由于炉渣中自由氧离子数量持续减少，炉渣硫容量减少，脱硫能力下降3。

图4，铝酸盐炉渣结构示意图

  2. 提出铝酸盐取代硅酸盐的高炉造渣新思路，开发出了适合高炉冶炼的铝酸盐型造渣工艺。

  对在炉渣中用Al2O3取代SiO2的影响，项目系统研究了此铝酸盐渣系的高温物理化学性质，得到了新造渣系的黏度和熔化性温度4，密度和表面张力5，脱硫能力6等性质的变化规律。在此基础上论证了铝酸盐替代硅酸盐造渣的可行性7，可行的铝酸盐渣系的成分为(38~42wt.%) CaO- (26~30 wt.%)Al2O3-(20~25 wt.%) SiO2-(6~10 wt.%) MgO。

图5，铝酸盐取代硅酸盐主要物性等值线图

  3. 基于炉渣空穴理论，建立了对高氧化铝型炉渣具有高精度的黏度预测模型。

  针对已有黏度模型不能较好适用于高铝型炉渣的问题，基于Weymann-Frenkel 炉渣空穴理论，考虑[AlO4]5-四面体的电荷补偿效应，将得到电荷补偿的Al3+键合的氧离子定义为超额桥氧，从熔渣聚合理论确定了不同氧离子存在的形式和含量，以大量可信度高的黏度数据进行参数优化，建立了用于预测CaO-MgO-FeO-SiO2-Al2O3及其子体系的黏度预测模型，预测精度均优于现有模型8-10。

图6，模型对CSAM炉渣体系的高精度预测

  四、应用情况与效果

  研究团队已经分别与中国宝武、青拓集团、建龙集团等国内企业和澳大利亚力拓矿业建立了合作关系，工业试验正在有条不紊的推进。目前高炉渣中Al2O3含量达25%时仍然可以稳定运行 。

  信息来源：重庆大学材料学院多金属绿色提取冶金研究组

  参考文献：

1) Liang, D., Yan, Z., Lv, X. et al. Transition of Blast Furnace Slag from Silicate-Based to Aluminate-Based: Structure Evolution by Molecular Dynamics Simulation and Raman Spectroscopy. Metall Mater Trans B 48, 573–581 (2017). https://doi.org/10.1007/s11663-016-0855-y

2) Z. Yan, X. Lv, J. Zhang, Y. Qin & C. Bai (2016) Influence of MgO, Al2O3 and CaO/SiO2 on the viscosity of blast furnace type slag with high Al2O3 and 5 wt-% TiO2, Canadian Metallurgical Quarterly, 55:2, 186-194, DOI: 10.1080/00084433.2015.1126903

3) Jie Zhang, Xuewei Lv, Zhiming Yan, Yuelin Qin & Chenguang Bai (2016) Desulphurisation ability of blast furnace slag containing high Al2O3 and 5 mass% TiO2 at 1773 K, Ironmaking & Steelmaking, 43:5, 378-384, DOI: 10.1080/03019233.2015.1104070

4) Yan, Z., Lv, X., Liang, D. et al. Transition of Blast Furnace Slag from Silicates-Based to Aluminates-Based: Viscosity. Metall Mater Trans B 48, 1092–1099 (2017). https://doi.org/10.1007/s11663-016-0676-z

5) Yan, Z., Lv, X., Pang, Z. et al. Transition of Blast Furnace Slag from Silicate Based to Aluminate Based: Density and Surface Tension. Metall Mater Trans B 49, 1322–1330 (2018). https://doi.org/10.1007/s11663-018-1242-7

6) Yan, Z., Lv, X., Pang, Z. et al. Transition of Blast Furnace Slag from Silicate Based to Aluminate Based: Sulfide Capacity. Metall Mater Trans B 48, 2607–2614 (2017). https://doi.org/10.1007/s11663-017-1031-8

7) Lv, X., Yan, Z. (2022). High Temperature Physicochemical Properties of High Alumina Blast Furnace Slag. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-19-3288-5_4

8) Yan, Z., Reddy, R.G., Lv, X. et al. Viscosity of Iron Oxide Aluminosilicate Melts. Metall Mater Trans B 50, 251–261 (2019). https://doi.org/10.1007/s11663-018-1460-z

9) Zhiming Yan, Ramana G. Reddy, Xuewei Lv, Zhengde Pang & Wenchao He (2020) Structure-based viscosity model development for titania aluminosilicate slags, Ironmaking & Steelmaking, 47:2, 203-209, DOI: 10.1080/03019233.2018.1510876

10) Yan Z, Reddy R G, Lv X. Structure based viscosity model for aluminosilicate slag[J]. ISIJ International, 2019, 59(6): 1018-1026. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2018-724

版权与免责声明
【1】本网站凡注明“学会秘书处”的所有作品，版权均属于四川省金属学会所有，未经书面授权，任何媒体、网站或个人不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网站协议授权的媒体或网站，应在授权范围内使用上述作品，并注明“来源：四川省金属学会”。违者本网站将追究其相关法律责任。
【2】本网站凡注明“来源：XXX（非学会秘书处）”的作品，均转载自其它媒体，登载此作品出于传递更多信息之目的，不代表学会观点或证实其描述，不对其真实性负责。作品内容仅供参考，如转载稿件涉及版权等问题，请在两周内来电或来函与四川省金属学会联系。