factsage软件冶金渣系研究

2015级研究生《factsage软件计算分析》作业姓名：学号：专业：冶金工程学院：冶金与生态工程学院成绩：__________________2015年12月30日CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系矿相析出热力学软件分析1.研究背景高炉渣是高炉炼铁生产过程中的一种副产品，高炉冶炼过程中，铁矿石经过还原生产出金属铁，未还原的脉石被熔化，由于脉石和铁的密度不同而与铁分离开来，铁水经过渗碳成为液态生铁，而矿石中的脉石、焦炭中的灰分和助溶剂以及其他不能进入生铁中的杂质形成以硅酸盐和铝酸盐为主的炉渣漂浮在铁水上面，形成高炉渣。从化学成分来看，高炉渣是属于硅酸盐质材料。高炉渣可以分为炼钢生铁渣、铸造生铁渣、锰铁矿渣等。随着矿石品位和冶炼方法的不同，每炼出1t生铁大约产生300～350kg的高炉渣，按照我国年生铁年产量46944万t计算，产渣量达14000万t。高炉渣出渣温度达1400℃以上，每吨渣含有相当于60kg标准煤的热量。因此，做好高炉渣的余热回收和综合利用，是钢铁行业节能降耗的有效途径。高炉渣中的各种氧化物成分以各种形式的硅酸盐矿物形式存在。高炉渣的矿物组成与生产原料的组成以及高炉渣的冷却方式有关。岩相分析表明，黄长石是碱性高炉渣的主要矿物组成。碱性高炉渣是由钙铝黄长石（2CaO·Al2O3·SiO2）和钙镁黄长石（2CaO·MgO·SiO2）组成的复杂固熔体；硅酸二钙（2CaO·SiO2）的含量仅次于黄长石的含量；其次是假硅灰石（CaO·SiO2）、钙长石（CaO·Al2O3·2SiO2）、钙镁橄榄石（CaO·MgO·SiO2）、镁蔷薇辉石（3CaO·MgO·2SiO2）以及镁方柱石（2CaO·MgO·2SiO2）等。在冷却酸性高炉渣时，酸性高炉渣全部凝结成玻璃体。弱酸性高炉渣在缓冷的条件下，其结晶矿物相包括黄长石、假硅灰石、辉石和斜长石等。高钛高炉渣中的主要矿物组成是钙钛矿（CaO·TiO2）、钛辉石（7CaO·7MgO·TiO2·312Al2O3·1312SiO2）、安诺石（TiO2·Ti2O3）、巴依石等。锰铁高炉渣中的主要矿物组成是橄榄石（2MnO2·SiO2）。高炉渣的冷却条件决定了高炉渣的结构。经过缓慢冷却的熔融高炉渣结晶出大量的惰性矿物，形成的结晶结构相对均衡，而急速冷却的熔融高炉渣则形成了大量的具有较大活性的玻璃体结构。这种玻璃体的网络结构具有连续性，SiO2、Al2O3等氧化物形成了空间的网络结构，而在网络结构的空隙里则嵌布着Ca2+、Mg2+等金属离子。在以硅酸盐为主的玻璃体中，硅氧四面体作为某种不变的结构单位，它们相互之间由桥氧离子通过Si—O键在顶角结合成空间网络。在宏观上看，高炉渣是一种由硅氧四面体组成的聚合度不同的网状结构，在网状结构的空穴中分布着Ca2+、Mg2+离子，而在微观上看，按相规律形成的不均匀物相或微晶矿物构成了高炉渣的结构。也就是说，高炉渣结构从宏观或远程来看是无序的，而在近程上来看却是有序的。同时少量的硅酸盐、铝酸盐微晶体存在于玻璃体中构成了网络一微晶结构的特点。玻璃体主要以硅酸盐为主，四配位体SiO44-为玻璃体主要结构单元。由于硅氧四面体聚合度低，Si—O键的相对数量少，化学活性高在形成粒化高炉渣的特定过程中所决定，同时在硅酸盐玻璃体中，还有部分由Al3+代替Si4+而形成的AlO45-铝氧四面体，其活性比SiO44-四面体活性更高；在网络体之外，还存在“六配位体”，“六配位体”比四配位体活性更高，另有活性也很高的AlO+复合离子也存在于网络空隙中，所以这种玻璃体一种具有活性的聚合度很低的不完整网络体。FactSage热力学软件可以为用户提供了多种预设条件下的多元多相平衡的计算模块，本研究主要采用其相图模块，以CaO-MgO-SiO2-Al2O3渣系为基础，研究碱度、MgO和Al2O3含量对钙铝黄长石、钙镁黄长石和C2S等矿相的析出热力学，在此基础上与重熔实验结果进行对比，确定不同组分冷态高炉渣中矿相组成及其析出规律；炉渣碱度和MgO含量升高，黄长石含量升高；随着Al2O3含量增加，黄长石和假硅灰石含量降低，硅酸盐玻璃质含量升高，并伴有少量的铝酸一钙、尖晶石和钙长石形成。2.FactSage软件模拟与结果分析2.1FactSage软件模拟Factsage热力学软件确定CaO-MgO-SiO2-Al2O3四元渣系相图，为了得出SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元系熔渣相图首先控制其中一个成分为固定值，使其他三个成分变化得出一个三元相图。2.2FactSage软件模拟结果1）首先控制MgO含量为6%，采用FactSage软件模拟得出相图，见图2.1.由图分析可知CaO、MgO、Al2O3、SiO2含量分别为40.98%、6%、14%、39.02%时的矿相组成为钙铝黄长石（Ca2Al2SiO7）、镁黄长石（Ca2MgSi2O7）、镁硅钙石（Ca3MgSi2O8）.2）控制MgO含量为12%，采用FactSage软件模拟得出相图，见图2.2.由图分析可知CaO、MgO、Al2O3、SiO2含量分别为37.90%、12%、14%、36.10%时的矿相组成为尖晶石、镁黄长石（Ca2MgSi2O7）、镁硅钙石（Ca3MgSi2O8）.3）控制Al2O3含量为10%，采用FactSage软件模拟得出相图，见图2.3.由图分析可知CaO、MgO、Al2O3、SiO2含量分别为41.23%、9.5%、10%、39.27时的矿相组成为镁硅钙石（Ca3MgSi2O8）、a’Ca2SiO4、a-Ca2SiO4。4）控制Al2O3含量为15%，采用FactSage软件模拟得出相图，见图2.4.由图分析可知CaO、MgO、Al2O3、SiO2含量分别为38.67%、9.5%、15%、36.83%时的矿相组成为尖晶石、镁黄长石（Ca2MgSi2O7）、镁硅钙石（Ca3MgSi2O8）.图2.1SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元渣系相图图2.2SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元渣系相图图2.3SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元渣系相图2.3FactSage软件模拟分析由图2.1、2.2分析可知：随着MgO含量的降低，熔渣在高温时的成分逐渐向黄长石类矿物转变，并且黄长石在急速冷却的时候都会变成非晶态玻璃体，熔渣中矿物组成逐渐变得均匀，只有少量的火成岩类矿物。随着MgO含量的逐渐降低，黄长石类矿物含量逐渐增大，其他矿物像方镁石、镁橄榄石含量逐渐降低，熔渣矿物成分趋于均匀化。当熔渣矿物组成以黄长石为主时，黄长石在急速冷却条件下会形成玻璃体，这为制备矿渣棉纤维提供了有利的条件。由图2.3、2.4分析可知：随着Al2O3含量矿渣中尖晶石含量升高，结构简单的矿物转化为结构复杂的矿物，样品中黄长石类型的的矿物减少，随之而来的玻璃体类矿物含量增加。黄长石类矿物含量逐渐减少，对制备矿渣棉纤维不利。图2.4SiO2-Al2O3-CaO-MgO四元渣系相图