高CaF2渣系温度及成分变化对电导率的影响.doc

高CaF2渣系温度及成分变化对电导率的影响陈艳梅 赵俊学 李慧娟 李小明 （西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西 西安 710055）摘要：对由ANF-6演化而成的CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO渣系的电导率进行了测试研究，得到渣中各主要成分和温度对熔渣电导率的影响规律以影响程度，并经回归分析,得到了回归方程。研究结果表明，随着渣中Al2O3，SiO2含量的增大，渣的电导率不断降低。随着CaF2、CaO和MgO含量的增大，渣的电导率显著升高，而且渣中各成分对重熔渣电导率影响的程度为：CaF2 SiO2Al2O3MgOCaO。关键词：重熔渣；温度；成分；电导率；Effect of Temperature and CaF2-High Slags Composition on Electrical Conductivity （School of Metallurgical Engineering，Xian university of Architecture and Technology，Xian 710055，China）CHEN Yan-Mei ZHAO Jun-Xue Li Hui-Juan LI Xiao-Ming Abstract: The electrical conductivity of molten CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO slags originated from ANF-6 has been studied, and how the different compositions of CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO slag system and temperature used affect the electrical conductivity was revealed. Furthermore, The regression equation has also been gained. The results showed that electrical conductivity of CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO slag system lowers gradually with the increasing mass fractions of Al2O3，SiO2 contents, and rises with increasing mass fractions of CaF2、CaO and MgO content. The effects of CaF2, CaO, Al2O3, SiO2, MgO on electrical conductivity as following: CaF2 SiO2Al2O3 MgO CaO.Key words: electroslag; temperature; composition; electrical conductivity;炉渣的导电性，对于电冶金，特别是在电渣重熔过程中直接影响冶炼的供电制度和电耗1。所以准确地测定炉渣的电导率是重要的研究课题之一。炉渣电导率测量的方法很多，但由于耐高温和耐腐蚀的电导材料选择的困难，熔渣特别是以CaF2为基渣的电导率的数据不多，而且分歧很大2。本研究针对ANF-6渣使用过程的成分变化，通过正交实验，研究CaO，CaF2，Al2O3，SiO2，MgO对高氟渣电导率的影响规律以及温度对渣电导率的影响程度，为电渣冶金工艺优化和过程控制提供依据。1.实验材料及方法 实验所用试剂 CaO，CaF2，Al2O3，SiO2，MgO均为分析纯。根据目前我国各冶金企业电渣成分的组成，主要研究CaF2（F）含量、CaO(C)含量、Al2O3(A)含量、MgO(M)含量、SiO2(S)含量在重熔过程对电导率的影响。各个因素的变化范围参考ANF-6渣使用过程的成分变化，设计为：F=5065，C=615，M=17，A=1830，S= 58。根据各因素的基金项目：国家自然科学基金（50644040）和陕西省冶金物理化学重点学科资助作者简介：陈艳梅（1985-），女，硕士研究生，主要研究方向为冶金炉渣性能控制与冶金资源综合利用。E-mail：变化范围设计正交实验，此实验为五因素四水平，共16组。按正交实验配好渣样、混匀，然后将配好的渣样放入钼坩埚中，在高频感应电炉内加热到1600左右熔化5-10min，然后迅速冷却至室温，破碎成小块装瓶保存待用。测试设备为东北大学制造的 RTW-10 型熔体物性测定仪，坩埚为钼坩埚。将MoSi2炉升温到预定温度，将预备好的渣样放入到炉内，恒温搅拌30 min使溶渣充分熔化，然后以降温到预定温度，恒温30 min。利用四探针交流法测试试样的电导率，记录实验数据。2.实验结果实验主要考察了温度以及电渣成分对CaF2CaOAl2O3SiO2MgO渣系电导率的影响。 (1)温度对熔渣电导率的影响为了能够真实反应熔渣与其工艺性能之间的关系，需要测量渣池实际温度下物理性能的数据，但由于实验条件的限制，至今无法测量渣池实际温度下电导率的数据。本实验选取了正交实验各因素变化的中间值组成渣系（57.5%CaF2+10.5% CaO +24%Al2O3+6.5%SiO2+4%MgO）进行了若干次测定，将实验数据以作横轴，以作纵轴作图，并将电导率的数据外推求得渣池实际温度下电导率，如图1。图1 电导率外推曲线Fig.1 Electrical conductivity extrapolated curve of 由图1可知，当温度升高时，离子动能增加，离子间作用力减弱，使渣的导电性增强，故随着温度的升高，渣的电导率不断升高。实验点位于一条直线，分散度不大，对其进行回归处理，表明具有较好的相关性，延长这一直线，可得到2000时此五元渣的电导率，其值接近于4，这与文献2和文献5中的数据几乎一致，这就使得有可能外推较高温度下熔渣电导率的数值，从而为现场提供理论依据。(2) 熔渣组分对电导率的影响在本实验条件下，通过正交实验3测定了 ANF-6在使用过程中演化而成的CaF2CaOAl2O3SiO2MgO渣系在炉温为1500，渣温为1463的电导率，如表1所示。表1 电渣重熔炉渣电导率Table1 Electrical conductivity of electroslag实验号CaF2 (F) %CaO(C)%SiO2(S)%Al2O3(A)%MgO(M)%电导率（）150641812.462250962232.0173501282651.71045015103071.482555662672.020655943051.86575512101832.2148551582212.050960683031.63610609102611.71711601242272.70312601561852.80713656102252.2551465981872.79815651263011.96316651542632.475在一定条件下（温度、压力及外电场等），熔渣的导电性与导电离子的浓度和结构状态(如简单或复杂)有关，而这些又与渣的化学组成有关，为了研究电渣重熔过程中各成分与电导率关系，采用了多元线性回归方法进行计算分析4，客观分析了电渣的各成分与渣的电导率是否有着显著关系。通过多元线性回归计算，得出电导率与各成分的回归方程：以上求出的多元线性回归方程中，无法用直观的方法来判断电导率关于各成分是否有线性相关的关系，为此必须对方程作检验。在实际应用中常用“复相关系数（）”去衡量方程的好坏，表示回归平方和在总偏差平方和中所占的比例，所以值越大表示回归方程越好，本实验中，表明实测值与回归值拟合得很好。以上经过检验认为方程是显著的，但这并不意味着所有成分对电导率都显著。对电导率影响显著的成分，需要对其对电导率影响作用的大小排序，为此就需要对每一个回归系数作显著性检验。由于F1= 313.8381，F2= 18.92217，F3=, 308.7755，F4= 1015.884，F5= 61.27188这说明渣这五种成分对渣电导率的影响都是显著的，并且其影响的显著程度的大小为：。3.分析与讨论由表1得到电渣重熔各成分对电导率的影响结果如图2所示。图2 电渣重熔成分对电导率的影响Fig.2 Effect of CaF2-high slags composition on electrical conductivity 从图2中看出，随着渣中Al2O3，SiO2含量的增大，渣的电导率不断降低，尤其Al2O3因其含量变化较大，影响更甚。随着CaF2、MgO和CaO含量的增大，渣的电导率显著升高。分析认为熔融炉渣的导电机理包括两个方面：渣中电子流动而引起的电子导电和离子迁移引起的离子导电。以CaF2为基的渣的熔融状态普遍认为是离子性的2，离子熔体的电导率取决于阳离子的活动性和它的浓度，阳离子的活动性又取决于熔液中阴阳离子间相互束缚的程度和离子的尺寸，以及熔体的粘度。纯CaF2熔体导电是靠Ca2+和F，如向CaF2熔体中添加氧化物，将可能使熔体的电导率值减少，这是由于F和O2相比，O2有小的离子半径，则O2与阳离子间有着很强的束缚作用，这就使阳离子活动性变小。另外还有部分极性束缚作用的氧化物Al2O3和SiO2，它们将使电导率值降低的影响较单纯离子束缚作用的氧化物CaO，MgO的影响大得多，而且它们之间趋向形成复杂的离子复合体，即硅氧复合离子和Al3O，AlO，AlO2F和AlOF2，这些复合体尺寸大，则其活动性小，故当渣中其它组分保持不变而单独增加Al2O3和SiO2时，电导率值下降。但向渣中添加碱性氧化物时，一方面使复杂阴离子解体，同时又增加了简单离子的浓度，致使渣的导电性增强。如前所述， CaF2加入熔渣后，即可使复杂阴离子解体，同时又增加了导电性强的简单离子浓度，所以可使熔渣电导率值大幅度增加。3结论(1) 随着温度的升高，渣的电导率不断升高，其回归公式：。(2) 电导率与各成分的回归方程：,并且其影响的显著程度为：。(3) 随着渣中Al2O3，SiO2含量的增大，渣的电导率不断降低，随着CaF2、MgO和CaO含量的增大，渣的电导率显著升高。参考文献：1 李正邦等译. 电渣重熔译文集（2）M.北京：冶金工