由本构方程分析TiO2对熔渣流变特性的影响.pdf

第5 8 卷第2 期 2 0 06 年5 月 有色金属 N O n f e r r o u 8M e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．2 M a y 2006 由本构方程分析T i 0 2 对熔渣流变特性的影响 吴铿，李晓，夏柱海，张飞，冯宝泽，熊国兰 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘 要由实验数据建立熔渣的本构方程，研究T i 0 2 对熔渣流变特性的影响。本构方程中的黏性因子随含T i 0 2 熔渣的温 度升高而减小。在试验温度范围内，加入T i 0 2 量较少时，熔渣是牛顿流体，而加入量较多时，熔渣则变为非牛顿流体。在1 3 0 0 “ 2 的条件下，加入T i 0 2 和～2 0 3 两性氧化物后，熔渣的表观黏度升高，当加入量达到一定程度后，熔渣由牛顿流体转变为非牛顿流 体。形成的非牛顿流体都属于黏性流体中的假塑性流体，其黏度随剪切速率的增加而减少。T i 0 2 和A 1 2 0 ，对试验熔渣流变特性 的影响程度相同。 关键词冶金技术；熔渣；流变特性；本构方程；二氧化钛 中图分类号- T F l l l ．1 7 3 ；T F 8 0 3 ．1 1文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 2 0 0 7 4 0 4 冶金生产过程中经常会遇到含T i O ’的炉渣，如 高炉冶炼全钒钛磁铁矿、加入含T i 0 ’的铁矿保护高 炉炉底和含T i 0 2 的无氟保护渣等[ 卜4 l 。研究含 T i 0 2 熔渣的流变特性具有重要的理论和实际意义。 通常是将熔渣看作牛顿流体，其黏度不随剪切速率 变化，但偏离牛顿流体较远的流体是非牛顿流体，其 黏度是随剪切速率的变化而改变。采用自行改造的 R T w 一0 4 型熔体物性综合测定仪测定了T i 0 2 对熔 渣的流变特性的影响。考虑到在温度较高的条件 下，T i O ，易被还原生成T i C ，N 等固体细颗粒，对 熔渣的物理和化学性质带来很大的影响，试验采用 熔点较低的熔渣，以防止T i 0 2 的还原，避免T i C ， N 等固体细颗粒的生成，测定出T i 0 2 对熔渣流变 特性的影响，为合理利用T i 0 2 资源提供必要基础。 1实验方法与原理 试验设备如图1 所示。图中的高温炉为二硅化 钼炉，炉内刚玉管直径为5 5 m m ，恒温带长约6 0 m m ， 控温精度30 C 。采用程序控温仪，热点偶为铂铑 3 0 一铂铑6 型，总体控温精度为5 “ C 。 改造后的熔体物性综合测定仪可以无级调速， 试验中采用的转速为3 0 0 ，2 4 0 ，2 1 0 ，1 8 0 ，1 5 0 ，1 2 0 ， 9 0 ，6 0 ，3 0 和2 0 r ／m i n 。仪器常数K 是用中国计量 科学研究院的标准油G B W l 3 6 0 8 其动力学黏度值 收稿日期2 0 0 4 1 2 0 2 基金项目国家自然科学基金资助重点项目 5 0 0 3 4 0 1 0 作者简介吴t ／基 1 9 5 1 一 ，男，江苏靖江市人，博士，教授，博生士 导师。主要从事泡沫渣与高炉喷煤方面等方面的研究。 为0 ．5 1 5 3 P a S 来标定的，不同转速下的K 值是3 次标定的平均值，利用仪器常数，测定了标准油 G B W l 3 6 0 0 9 和G B W l 3 6 1 0 在不同转速下的黏度 值∞J 。该设备在同一组不同转数下的最大样本标 准偏差为5 ．1 ％，偏差系数仅为0 ．0 1 9 。在不同组试 验的最大样本标准偏差2 ．3 4 ％，偏差系数仅为 0 ．0 0 8 5 。试验总误差的最大值为1 0 ．3 4 ％，即测定 牛顿流体时的最大偏差∞J 。由于没有非牛顿流体 的标准液，将试验总误差作为确定熔渣是否为非牛 顿流体和非牛顿流体种类的标准。 1 一高温炉；2 一坩埚；3 一司变转数黏度仪；4 一保护渣；5 一加热 体；6 一阀门；7 一保护气体；8 一冷却水；9 一导气管；1 0 一热点偶； 1 1 一电源；1 2 一温控柜 图1 试验设备示意 F i g ．1 S c h e m eo fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 盛渣料选用耐高温的石墨坩埚，内径4 c m ，高 1 2 c m ，加入保护渣量1 6 0 9 。在石墨坩埚上加等直径 石墨管，直至炉口顶部。试验时炉内管通高纯氮气 保护，经预试验发现使用后坩埚完好。采用刚玉测 杆和钼测头，测杆和测头尺寸分别为似．5 r a m 万方数据 第2 期 吴铿等由本构方程分析T i 0 2 对熔渣流变特性的影响7 5 5 0 0 m m 和夺1 4 m m 2 0 m m ，测头要求表面平滑，不 能有明显的裂痕和缺陷。 试验得到不同转速下剪切速率D 和剪切应力 r ，做出r D 对数曲线，进而给出如式 1 所示的回 归后对数形式的熔渣本构方程[ 6 - 7 ] 。 r T y A D ” 1 式中r 一剪切应力，P a ；L 一屈服应力，P a ；A 一表 观黏度或黏性因子，量纲与咒有关；D 一剪切速率， 1 ／s ；”一流动特性指数。 在外推旋转法获得数据时，要区分出现r 。是熔 体本身存在的还是由于试验误差所引起。如r 。值小 于0 ，这不符合能量守恒的原理，要将其按0 来处理。 如果大于0 ，将比较r 。被忽略时对黏性因子影响的 误差是否小于或等于1 3 ．9 2 ％，预备试验确定的最 大允许误差 艿，。 。。。如果是将r 。值按0 来处理，熔 渣为黏性流体。反之，保留式 1 中的r 。值，该熔渣 为塑性流体1 8 1 。 由熔渣特性还是试验误差所引起[ 9 | 。为此给出了与 牛顿流体的相对误差艿，如式 2 所示，为比较扎是 否为l 时r 值的相对误差。计算时，D 取试验中最大 值7 1 ．6 s 一。 艿 J D ”一D 1 o o o ／D 1 o o oj 1 0 0 ％ 2 如果占值小于试验总误差 1 0 ．8 4 ％ ，，z 值可以 修正为1 ．0 0 0 ，这时流体为牛顿流体 T y 0 或宾汉 姆流体 L ≠0 。反之，扎值不能修正为1 ．0 0 0 。在非 牛顿流体中，若T y 0 ，，z 值大于1 的为膨胀性流体， 卵值小于1 的为假塑性流体。若r 。≠0 ，咒值大于1 的为塑性膨胀性流体，咒值小于1 的为塑性假塑性 流体【1 0 ] 。 2 试验结果与讨论 熔渣化学成分为2 8 ．5 2 ％C a O ，1 ．4 7 ％M g O ， 1 ．7 5 ％T i 0 2 ，1 2 ．9 8 ％A 1 2 0 3 ，4 7 ．5 7 ％S i O z ，7 ．7 1 ％N a 2 0 。测定了1 2 6 0 ℃熔渣没有添加物和1 3 0 0 ℃ 同样需要考虑在流动性指数咒不为1 时，勺是 加入T i 0 2 熔渣的流变特性，平行试验结果见表1 。 表1 熔渣流变特性的平行试验 T a b l e3C o n s t i t u t i v ee q u a t i o n so fm o l t e ns l a g 表2 为在不同温度和添加T i O z 后熔渣的本构影响，也测定了添加A 1 2 0 3 后熔渣的本构方程。 方程，为了深入讨论两性氧化物对熔渣流变特性的 表2 加入氧化物后熔渣的本构方程 T a b l e2C o n s t i t u t i v ee q u a t i o n so fm o l t e ns l a ga d d e do x i d e s 在表1 和表2 中，外推得到的勺有的是负值， 有的是正值。根据能量守恒原理，流体不可能在没有 外力的情况下自发运动，所以勺不可能为负值，对 于负值的直接忽略。对于外推为正值的，计算忽略该 万方数据 7 6 有色金属第5 8 卷 值后引起黏性因子的误差，其中最大为1 3 ．3 ％，都 小于最大允许误差1 3 ．9 2 ％[ 艿。。 。。] 。表1 和表2 中的L 按等于0 来处理，没有屈服应力产生，熔渣 属于黏性流体。 在平行试验1 和编号1 ，4 ，5 和7 的试验，由式 2 计算的与牛顿流体的相对误差8 均小于试验总 误差 1 0 ．8 4 ％ ，所以熔渣为牛顿流体，将本构方程 的流动性指数按牛顿流体为1 来处理，给出了熔渣 的本构方程。而其他的由式 2 计算的与牛顿流体 的相对误差8 都大于试验总误差，是非牛顿流体，保 持本构方程中流动指数不变。 在表l 中，平行试验1 得到黏度值的最大相对 偏差为0 ．5 3 ％。平行试验2 得到的黏性因子和流 动性指数最大相对误差分别为3 ．6 4 ％和0 ．8 3 ％，表 明改造后的设备在高温条件下的稳定性较好。 从编号1 ～3 的试验本构方程可见，在加入 T i 0 2 后，保护渣的表观黏度由0 ．9 5 5 增加到1 ．2 0 7 和1 ．9 0 7 由于表观黏度的量纲随流动指数而变化， 比较时没有采用量纲 。在加入1 4 9T i 0 2 ，占总渣量 近1 0 ％后，熔渣流变特性也发生了变化，由牛顿流 体转变为非牛顿流体。随着T i 0 2 加入量增加，流动 指数偏离l 的程度有所增加。从图2 流变曲线看 出，T i 0 2 加入量达到一定程度后流变曲线不再是直 线，随着剪切速率增加，黏度下降。 图2 添加T i 0 2 对熔渣的流变曲线的影响 F i g ．2 E f f e c to fT i 0 2a d d i t i o no nr h e o l o g i c a l c h i v eo fm o l t e ns l a g 比较编号1 ，4 和5 试验本构方程中的黏性因子 可见，随着温度升高熔渣黏度下降。图3 中T i 0 2 加 入量为7 9 不同温度熔渣流变曲线均为直线，即使在 1 2 6 0 ℃，熔渣仍然是牛顿流体。温度升高，体系中分 子运动的频率增加，使熔渣的黏度下降，在图中表现 为直线的斜率下降。由编号3 和5 试验的本构方程 可见，当T i 0 2 的加入量为2 1 9 ，温度升高，黏性因子 有所下降，熔渣是非牛顿流体，流变曲线不是直线， 见图4 。 图3 不同温度下加入7 9T i 0 2 熔渣的流变曲线 F i g ．3R h e o l o g i c a lc u r v eo fm o l t e ns l a ga d d e d 7 9T i o za td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 图4 不同温度下加入2 1 9T i 0 2 熔渣的流变曲线 F i g ．4R h e o l o g i c a lc u r v eo fm o l t e ns l a ga d d e d 2 1 9T i o za td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 加入驰0 3 熔渣的表观黏度的变化与加入 T i 0 2 的相差不大，见表2 中编号1 ～3 和7 ～9 的试 验变化。比较图2 和图5 也可以看出，两者在相同 条件下的流变曲线也非常相似。A 1 2 0 3 和T i 0 2 均 图5添加A 1 2 0 3 对保护渣的流变曲线的影响 F i g ．5 E f f e c to f 他0 3a d d i t i o no nr h e o l o g i e a l c u r v eo fm o l t e nm o l dp o w d e r 万方数据 第2 期吴 铿等由本构方程分析T i 0 2 对熔渣流变特性的影响 7 7 为两性氧化物，由于熔渣中的二元碱度为0 ．6 左右， 是酸性渣。它们均表现为碱性氧化物，随着含量的增 加表观黏度增加，在加入量为7 9 时，熔渣为牛顿流 体，加入量达到1 4 9 后，熔渣为非牛顿流体。试验中 非牛顿流体熔渣都属于黏性流体中的假塑性流体。 3结论 含T i 0 2 的熔渣随温度升高本构方程中的黏性 参考文献 因子减小。在试验温度范围内，加入T i 0 2 量为7 ％ 时，熔渣都是牛顿流体，而加入量超过1 4 ％时，熔渣 变为非牛顿流体。在1 3 0 0 ℃的条件下，加入T i 0 2 和～O ，两性氧化物后，熔渣的表观黏度升高，当加 入量达到1 4 ％后，熔渣由牛顿流体转变为非牛顿流 体。形成的非牛顿流体都属于黏性流体中的假塑性 流体，其黏度随剪切速率的增加而减少。T i 0 2 和 础2 0 ，对试验熔渣流变特性的影响程度相同。 [ 1 ] W r i g h tS ，Z h a n gL ，S u nS ，e ta 1 ．V i s c o s i t yo faC a O ．M g O - 她0 3 一s i 0 2m e l tc o n t a i n i n gs p i n e lp a r t i c l e sa t1 6 4 6 K [ J ] ，M e t a l l T r a n sB2 0 0 0 ，3 1 B 1 9 7 1 0 4 ． [ 2 ] 吴铿，郜学，孙国军，等．高温熔渣中T i 0 2 与碳还原引起发泡过程的定量表征[ J ] ．有色金属，2 0 0 0 ，5 6 1 4 0 4 3 ． [ 3 ] W uK ，W a n gY ，L i a n gZ ，e ta 1 ．A v e r a g ef o a ml i f ea n df o a m i n gi n t e n s i t yo ff o a m i n gp h e n o m e n o no r i g i n a t i n gf r o mc o m p o s i t i o n r e a c t i 0 1 3 ．【JJ ．S t e e JG r i p s ，2 0 0 3 ，1 3 2 0 6 2 1 0 ． [ 4 ] 刁日升．对高炉冶炼钒钛磁铁矿问题的新认识[ J ] ．钢铁，1 9 9 9 ，3 4 6 1 2 1 4 ． [ 5 ] 刘润藻，吴铿，赵勇，等．熔体流变特性测定方法[ J ] ．东北大学学报 自然科学版 ，2 0 0 4 ，2 5 6 5 7 0 5 7 3 ． [ 6 ] 吴铿，潜伟，褚少军，等．非牛顿流体冶金熔渣的流变特性[ J ] ．钢铁，1 9 9 8 ，3 3 1 1 1 4 1 8 ． [ 7 ] 吴铿．泡沫冶金熔体的基础理论[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 0 1 1 6 1 2 4 ． [ 8 ] W uK ，C h uS ，Q i a nW ，e ta 1 ．I n v e s t i g a t i o ni n t or h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n df o a m i n gb e h a v i o u ro fm o l t e ns l a g s [ J ] ．S t e eJR e s e a r c h ，1 9 9 9 ，7 0 7 2 4 7 2 5 0 ． [ 9 ] 顾颜，刘润藻，吴铿，等．高速连铸结晶器保护渣流变特性的研究[ J ] ．特殊钢，2 0 0 4 ，2 5 1 1 8 2 0 ． [ 1 0 ] 陈惠钊．粘度测量[ M ] ．北京北京计量出版社，1 9 9 4 2 0 4 2 2 1 ． E f f e c to fT i 0 2o nR h e o l o g i cC h a r a c t e r i s t i c so fM o l t e nS l a g w UK e n g ，L IX i a o ，X I AZ h u h a i ，Z H A N GF e i ，F E N GB a o - z e ，X I O N GG u o - l a n S c h o o lo fM e t a l l u r g ya n dE c o l o g i c a lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c to fT i 0 2o nr h e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c so fam o l t e ns l a gi si n v e s t i g a t e db yc o n s t i t u t i v ee q u a t i o ne s t a b 一 1 i s h m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t a ．W i t hi n c r e a s eo ft h et e m p e r a t u r e 。t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yi nt h ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no ft h em o l t e ns l a gc o n t a i n i n gT i 0 2i sd e c r e a s e d ．T h em o l t e ns l a gi s c o n s o n a n tw i t hN e w t o n i a nf l u i d w h e nt h eq u a n t i t yo fT i 0 2a d d i t i o ni sl o w e rt h a nal i m i t ．o t h e r w i s et h em o l t e ns l a gb e c o m e si n t on o n N e w t o n i a n f l u i dw i t h i nt h ee x p e r i m e n tt e m p e r a t u r er a n g e ．A t13 0 0 ℃．t h ea p p a r e n tv i s c o s i t yo ft h em o l t e ns l a gi si n c r e a s e d b yt h ea d d i t i o no ft h en e u r a lo x i d e s ，T i 0 2a n dA 1 2 0 3 ，a n dt h em o l t e ns l a gb e c o m e si n t on o n N e w t o n i a nf l u i d w h e nt h ea d d i t i o nq u a n t i t yr e a c h e sc e r t a i n l e v e l ．A n dt h en o n N e w t o n i a nf l u i df o r m e di nt h i sw a yi sb e l o n gt o p s e u d o p l a s t i cf l u i do fv i s c o u sf l u i d ．T i 0 2a n dA 1 2 0 3h a v es a m ee f f e c t so nt h er h e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e m o l t e ns l a g ． K e y w o r d s m e t a l l u r g i c a lt e c h n o l o g y ；m o l t e ns l a g ；r h e o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c s ；c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ；T i 0 2 万方数据