非均相含钛冶金熔渣流变特性及本构方程研究

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钒钛磁铁矿作为我国的特色冶金资源,是炼铁、提钒、生产重要的战略金属钛和制造钛白粉的原料,具有很高的综合利用价值。我国钒钛磁铁矿属于典型的低品位、多元素类质同象共生矿,难选难冶难分离,综合利用难度较大。在强还原和高温条件下,一些钛氧化物被还原成高熔点的TiC、TiN和其固溶体Ti(C,N),形成气-固-液三相复杂的非均相体系,由此会引起一系列特殊的问题。因此,对含钛高炉渣的非牛顿流变特性及其本构方程等问题的研究具有重要意义。  本文以攀钢含钛高炉渣化学组成为基础,配置CaO-SiO2-Al2O3-MgO-TiO2五元渣系,通过添加不同含量的TiO2、TiC、未燃煤粉、Cr2O3和V2O5,模拟高炉冶炼钒钛磁铁矿生成含钛高炉渣的过程,并借助流变学原理和方法研究含钛熔渣非牛顿流变特性。采用高温流变仪测定添加不同TiO2、 TiC、未燃煤粉、Cr2O3和V2O5含量的非均相含钛熔渣在不同温度条件下剪切应力和粘度与剪切速率的关系,建立熔渣流变学本构方程,确定流变特性参数,判定其非牛顿流体类型,揭示非均相含钛熔渣的非牛顿行为及其流变规律。研究结果如下:  (1)熔渣在降温过程中,当温度降至临界粘度温度时,熔渣粘度骤然增加,迅速固化,呈现出晶体渣的特征。  (2)随TiO2含量的增加,熔渣的高温粘度整体呈下降趋势;温度高于临界粘度温度时,熔渣表现为牛顿流体;温度低于临界温度时,熔渣出现剪切稀化现象,熔渣表现为非牛顿假塑性流体。  (3)随TiC含量的增加,熔渣粘度整体呈增加趋势;当TiC≤2%且温度高于熔渣临界粘度温度时,熔渣表现为牛顿流体;温度低于临界温度时,熔渣表现为非牛顿假塑性流体,并出现剪切稀化现象;当TiC≥4%时,熔渣内部产生屈服应力,此时熔渣随温度变化表现为非牛顿宾汉姆流体或塑性假塑性流体;增加TiC含量,熔渣内屈服应力增大,剪切稀化现象越显著。  (4)随着煤粉含量的增加,熔渣粘度高温粘度整体呈增加趋势;当煤粉量≤4%且温度高于临界粘度温度时,熔渣表现为牛顿流体,温度低于临界温度时出现剪切稀化现象,熔渣表现为非牛顿假塑性流体;当煤粉量≥6%时,熔渣内部出现屈服应力,并出现剪切稀化现象,此时熔渣表现为非牛顿宾汉姆流体或塑性假塑性流体。  (5)煤粉粒度较细和较粗时,熔体呈现出非牛顿宾汉姆或塑性膨胀性流体特性,且煤粉粒度越大,剪切稀化现象越明显。  (6)Cr2O3和V2O5含量对熔渣的高温粘度作用都不大,添加Cr2O3对熔渣熔化性温度的贡献不如添加V2O5的作用明显;添加Cr2O3和V2O5的熔渣,在降温的过程中会出现一时的剪切稠化的现象,温度发生变化时,剪切稠化现象消失。
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