CaO-SiO2渣系作用浓度的计算模型

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1988.04.023 北京钢铁学院学报 第10卷第4期 Journal of Beijing University Vol,10 No.4 1988年10月 of Iron and Steel Technology 0ct.1988 CaO-SiO2渣系作用浓度的计算模型 张 鉴 (电冶数研室) 摘要根据炉渣结构的共存理论和CaO-SiO2渣系相图制定了不同温度区间的 作用浓度计算模型。在炼钢温度下计算结果表明，考意2个硅酸盐(Casio,和Ca2SiO:) 或8个硅酸盐(CaSio,,Ca2SiO4和Ca,SiO:)的计算模型都是合用的。比较不同 计算方案结果证明，用本文回归所得的热力学数据比用文献数据更能符合实际，所以对文献数 据应进一步研究。硅酸盐作用浓度的最大值与相图中固液相同成分熔点的位置一致，说明硅 酸盐对本查系的培点具有极为重要的影响。炉渣总质点数随碱度而变化中出现最小值的原因 是炉渣中进行了多个结构厨点结合成一个分子的反应。 关健词炉渣，活度，回归分析，共存理论，作用浓度，结构单元 Calculating Models of Mass Action Concentrations for the Slag System CaO-SiO2 Zhang Jian ABSTRACT:In accordance with the coexistence theory of slag structure and the phase diagram,mass action concentration calculating models corresponding to various temperature ranges for CaO-SiO2 slag system are formulated.Calcu- lated results at steelmaking'temperatures show that both calculating models, considcring two silicates (CaSiOs and Ca2 SiO)and considering three silicates (CaSiOs,Ca:SiO,and CaaSiOs),are applicable for mass action concentration calculation.Comparison of different calculating variants has proved that using thermodynamic data obtained by the regression analysis in this paper gives better agreement between calculated NCao and measured acao than using the data from references does,so the later should be investigated in detail in the 1986一05一31收稿 412

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 。 一 渣 系作用浓度的计算模型 张 鉴 电冶 教研 室 摘 要 根据炉渣结构的共存理论 和 一 渣系相 图制 定 了不 同温 度区间的 作 用浓 度计算模型 。 在炼钢沮度下计算结果表明 ， 考虑 个硅 酸盐 “ 和 ， 或 个硅 酸 盐 ， 一 和 的计 算模型都是合 用 的 。 比 较不 同 计算方案结果 证 明 ， 用本文回 归所得 的热 力学 数据比 用文献数据更能符 合实际 ， 所 以对文献数 据应进一步研究 。 硅 酸盐作 用浓度的最大值 与相图 中固液相同成分熔 点的 位置一 致 ， 说 明硅 酸 盐对本凌系的 熔点具有极为 重要 的影响 。 炉渣总质点 数随 碱度而 变化 中出现 最小 值的原 因 是炉渣中进行了多个结构质点结合成一 个分子 的反应 。 关扭润 炉渣 ， 活度 ， 回归分析， 共存理论 ， 作 用浓度 ， 结构单元 一 ， 一 旧 ， 一 ， ‘ ， 。 ， ， 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．04．023

future.The correspondence of maximum mass action concentrations of silicates with their congruent melting points in phase diagram lells us that silicates play very important roles in the melting temperalure of the givem system.The appea- rance of minimum En in the course of its variation with basicity can be explained by the fact that several structural units can combine to form one silicate molecule. KEY WORDS:slag,activity,regression analysis,coexistence theory of slag structure,mass action concentration,structural units CaO-SiOz渣系是治金上最基本的渣系，它影响着治金过程中的氧化、还原、脱硫、脱 磷等多种反应的进行，也影响着炉渣的物理性能。因此，人们对其研究比较广泛，就相图而 言'21，已达到相当成熟的程度。对本渣系的活度测量也作了不少工作(3~)，其中有些研 究结果彼此符合甚好，因而是可以信赖的。但具有普遍意义的计算模型还不多见。作者曾在 另文【8】中谈到过CaO-SiO,渣系作用浓度的计算模型，但限于当时的认识，内容很不系 统，也不全面。所以，为了将炉渣结构的共存理论运用于多元渣系，有必要系统地对本渣系 作用浓度的计算模型进行讨论。 1Ca0-Si02渣系的结构单元和计算模型 从CaO-SiO2相图l,21,因温度不同Ca0-SiO2渣系的结构单元可分4种情况： (1)在1800°C以上，结构单元为Ca+,02-,Si02,CaSi0,和Ca2Si04。 (2)在1464~1800°C之间，结构单元为Ca2+,02-,Si02,CaSi03,Ca2Si0,和 CasSiOso (3)在1250~1464°C之间，结构单元为Ca2+,02-,Si02,CaSi0g,3Ca0.2Si02, Ca2SiO,和Ca,SiOso (4)在1250°C以下，结构单元为Ca2+,02-,Si02,CaSi0s,3Ca0·2Si02和 Ca2SiO 因此，令b=∑nCaO,a=tSi02,×=nCa0,y=nSi02,2=nCaSic03,v=ngCa0·2Si02, w=nCa2Sio,u=CasSio, (1)在1800°C以上化学平衡式为： (Ca++02-)+(Si02)=(CaSi03) Ncasios K1=Ncao×Nso: (1) △G°=-92528+2.512T(25~1540m),J/nol 2(Ca2++02-)+(Si02)=(Ca2 Si0) Nca2sio K:=Nicaox Nsio: (2) △G°=-118905-11.304T(25~2130m),J/mol 物料平衡为： b=×+2+2w (3) 413

认 一 刃 ， ， ， 一 ， 一 渣 系是冶金上 最基 本的渣 系 ， 它影响着冶金过程 中的氧 化 、 还原 、 脱硫 、 脱 磷 等多种反 应的进行 ， 也影响着炉渣的物理性能 。 因此 ， 人们 对其研究比较广泛 ， 就相 图而 言 【 ‘ ’ “ ’ ， 已达到 相 当成熟的程度 。 对 本渣 系的活度测 量也作了不少 工作 〔 一 ’ ， 其中有些研 究结果彼此 符合甚好 ， 因而 是可以信赖的 。 但具 有普遍意义的计 算模型还不多 见 。 作者曾在 另文 吕’ 中谈到过 一 。 渣 系作 用浓度的计 算模型 ， 但 限于 当时 的 认 识 ， 内容 很 不 系 统 ， 也不 全面 。 所以 ， 为 了将 炉 渣结 构 的 共存理论运 用于多元渣 系 ， 有必要 系统地对 本渣 系 作用浓度 的计 算模型进行讨 论 。 一 渣系的 结构单元和计算模型 从 一 相 图 ‘ ， ’ ， 因温度不 同 一 渣 系的结构单元可 分 种情况 在 以上 ， 结 构 单元为 ’ ， 一 ， ， 和 ‘ 。 在 一 “ 之 间 ， 结 构单元 为 ， ’ 一 ， ， ， ‘ 和 。 。 在 一 “ 之’ ， 结 构单元为 “ ， “ 一 ， ， ， 一 ， ‘ 和 。 。 在 以 下 ， 结 构 单 元 为 ， “ 一 ， ， 。 ， · 和 一。 因此 ， 令 刃， ， 万 ， ‘ ，夕 ， ， · ， 功 ‘ ， 。 。 ， 则 在 以上 化学平衡 式 为 一 刀 笋 △ 一 ， 一 ‘ 万七 ‘ △ “ 一 一 。 优 ， 物料 平衡 为 二 之 脚

a=y+z+w (4) 由（1)到(4)式得作用浓度的计算模型为： K2(2a-b+x)x2+K1(a-b+x)(x+0.5a)x-(b-x)(x+0.5a)2=0 (b-x)(x+0.5a)2 y=K,x+0.50)x2+2K,x2)2=x1* K2x2 x+0.5ayw=x+0.50 各组元的作用浓度为： .NeO2 Nc NC2o=- 2 NCa2SiO=2x+a (7) (2)在1464~1800°C之间化学平衡式为： (Ca2++02-)+(SiO2)=(CaSiO3) Ncasios K1=Ncao×Nsio2 (8 △G°=-22476-38.52T,J/mol 2(Ca2++02-)+(Si02)=(Ca2Si0,) Nca2sio K,=N2cao×Nsio2 (9) △G°=-100986-24.03T,J/mol 3(Ca2++02-)+(Si02)=(Ca3Si0,) Ncassios K Ncaox Nsio. (10) △G°=-93366-23.03T,J/mol 物料平衡为： b=×+2+2四+34 (11) 4=y+2+w+4 (12) 由（8)到(12)式得作用浓度的计算模型为： Kg(3a-b+x)x3+K2(2a-b+x)(x+0.5a)x2+K1(a-b+×)(x+0.5a)2x -(b-x)(x+0.5a)3=0 (13) (b-x)(x+0.5a)8 y=K1(x+0.5a)x+2K,(x+0.5@)x2+3Kx3 K2x2 K3x5 w=(x+0.50)y9 u=x+0.5@y. (14) 各组元的作用浓度为： .5 Nsio,Neasio Nca0=七 Ncaasio Neaasios= (15) 414

山 由 到 式得 作用浓度的计算模 型为 一 劣 一 。 一 一 。 了 代八 ‘产、、 了、、 一 川 十 二 ￡声一二二二 ，二丁口二，二二二飞，，一二布于尸二万 ， “ 二尸丁下厂下二丁 一 八 叹苦 。 勺。 少劣 “ 乙几 万 一 潇 一 “ 盆 而下瓦万万户 各组元的 作用浓度 为 劣 劣 。 劣 刀 之 劣 口 ‘ 脚 劣 口 在 一 “ 之间 化学平 衡式 为 一 。 刃 万 一 一 。 ， 曰，，‘任月 ‘毛‘ △瓦丫 卜 ‘ 一 一 △ 。 ‘ 一 一 ， 。 一 一 。 ， 物料 平衡为 劣 之 功 “ 之 切 由 到 式得 作用浓度的计 算模型为 一 二 劣 一 劣 劣 劣 一 劣 一 一 劣 劣 。 夕 二 而 牙不万而粉掇招兴爵面下丽弃 。 气井乞笼矛为 · 从禹宁乳砰 各组元 的 作用浓度 为 万 。 劣 劣 口 。 二 之 劣 口 万 一 切 万 。 “ 劣 口

(3)在1250~1464°C之间 化学平衡式为： (Ca2++02-)(8)+Si02(8)=CaSi03(8) Ncasios K1=Nca0×Nsio2 (16) △G0=-92528+2.512T(25~1540m),J/mol W3ca0·2si02- 3(Ca++02-)s,+25i02s)=3Ca0.2Si02(6)K2=Wca0×Wsi02 (17) △G0=-236973+9.63T(25~1500°C),J/mol 2(Ca+0-)(+SiO:(8)=Ca:SiO()K=Nicaox Nsio Nca2sio (18) △G°=-118905-11.304T(25~2130m),J/mol 3(Ca2++02-)(6)+Si02(8)=Ca3Si0s(s) Ncassios K,=Nca0×Nsio2 (19) 物料平衡为： 6=￥+2+3U+2w+34 (20) a=y+z+2v+w+u (21) 由(16)到(21)式得作用浓度的计算模型为： 06+5*+2)+Jb+5+2)+24x2×(1-2xx） K1 ∑n= (22) 慕+(1+陪+器)+-6=0 (23) 器+(1++器+》-=0 4K2× (24) 2Kv y= n 2K2x22 Kna w=24 KEn 4=4Kx2 (25) K12m2 各组元的作用浓度为： Nea Nsto,Neasios Naco+2 Neaio Nea0 (26) (4)在1250°C以下化学平衡式为： (Ca)(+SiO:()=CaSiO3()K1=Ncao Nsio: Ncasios (27) △G0=-92528+2.512T(251540m),J/mol 415

在 之间 化学平衡式 为 一 。 。 。 △ 一 。 们 ， 一 · · △ “ 一 。 ， ’ 一 。 ‘ 些 么 “ 一 一 。 。 ， 卜 。 。 ‘ 。 物料平衡 为 劣 之 脚 之 口 叨 “ 由 到 式得作 用浓度的计算模型为 ‘“ “ ， 了 万 二 君 、 吸 一 匕，获二 一 一 ， 、 艺八 劣 二 一 一 一 一一 一 一 曰 君 、 一 ，二二二， 口 、 艺入 盆 资万” 之 十 劣 刃 二 一 艺 万 么 万 万 劣 一二 。 十 灭玉玄万 个 瓦百矛 ‘ 一 “ “ ” 二 二尸代厂 乙八 苦 之 口 ， 之 盆万件 切 劣 万 宫 肚 劣 万 “ 君 各 组元的作用浓度 为 从 。 要 ， 爪 。 名， ， 从 。 一 笼熟 目 ‘ 二 二 二 、 了 口 ‘ “ “ ’ “ ” “ 二落万 、 ， ‘ 奄切而 ， 汤 “ ， ， “ 一 二一 汤 丹 在 以下化 学平衡式 为 一 。 。 万 △ “ 一 。

3(Ca+)(+2SiO(=3CaO2SiO:()K:=NScaox Nisio N3ca0·2si02- (28) △G°=-236973+9.63T(25~1500°C),J/mol 2(Ca2++02-)(s)+Si02(8)=Ca2Si04(8) Nica2sio K,=N2cao×Nsi02 (29) △G°=-118905-11.304T(25~2130m),J/mo1 物料平衡为： b=x+z+3UT2w (30) a=y+2+2v+w (31) 由(27)到(31)式得作用浓度的计算模型为： 3m=-a+6+x+2y)+V-a+6+x+2y)2+8K1xy (32) 2 2(Kx+2器y+悠）去+-b=0 (33) 2°y+2*2)1 [2(K,x+8* 2）a+1〕y-a=0 (34) 2=2K1x, Shyi v=8K n4y2, w=K3*2 Sn2y (35) 各组元的作用浓度为： Neao= 。 Nsio2=y I Neasio (36) N3ca0.25i0:=n Nca2si0=n 以上就是按不同温度范围所制定的CaO-SiO,渣系作用浓度的计算模型。如果模型符合 实际，则计算的作用浓度应与实测活度一致。 2计算结果及讨论 由于1800°C以上，1250~1464°C之间和1250°C以下8个温度范围的Ca0-Si02渣系 活度实验结果，还未见报导，计算结果无法与实际进行比较。列出以上3个温度范围的计算 模型是为了给制定多元渣系的计算模型提供依据。所以下面仅就1464~1800°C之间的计算 模型进行讨论。在这个区间内虽然从CaO-SiO2相图看，应生成3个硅酸盐CaSiO, Ca2SiO,和CaaSiO。,但因Ca3SiO,没有固液相同成分熔点，在液相中是否生成，还是一 个需要确定的问题。这样将前边的(13)式改写为： 2+50-K,+K,a-84t60 (a-6+x)x (3a-6+x)x2 +Ksa-8+x)(x+0.5o)2 (13) 416

一 。 一 △ “ 一 。 ， 一 一 。 △ 一 一 ， 物料平衡为 由 到 刃 汀 口 一 留 之 脚 式得作用浓度的计 算模型为 一 夕 斌 一 劣 夕 “ ，夕 习 万 二 一 。 之 下 一，石了 ‘ 一 于 一二共尸， 了 去 一 “ 一 二 ， 名 卜 】 二 劣 刃 ， 枪羊 言 ‘ 〕 一 “ 劣 万昨 刃 ‘ 艺 各 组元的作用浓度为 。一 瓮 ， 。 去 ， · “ 。 “ ， 百万 ’ 一 百万 ， 功 “ “ “ 二 飞而 以上就是按不同温度范围所制定的 一 渣 系作用浓度的计算模型 。 如果模型符合 实际 ， 则计算的作用浓度应与实测活度一致 。 计算结果及讨论 由于 “ 以上 ， 之间和 “ 以下 个温度范围 的 一 渣系 活度实验结果， 还未 见报导 ， 计算结果无法与实际进行 比较 。 列出以上 个温度范围的计算 模型是 为了给制定多元渣系的计算模型提供依据 。 所 以下面仅就 一 之 间的计算 模型进行 讨论 。 在这个 区间内虽 然 从 一 相 图看 ， 应 生 成 个 硅 酸 盐 ， ‘ 和 。 ， 但 因 。 没有固液相同成分熔点 ， 在液相 中 是 否生 成 ， 还是 一 个需要确定的问题 。 这样将前边的 式 改写 为 一 二 。 十 一 劣 一 戈 一 。 护 一 劣 ， ， 。 、 一 ， 二一一一一一 尸一， 一丁 二厂一一一一二 气 二一 丁 蕊一 、 夕 一 〔 一 劣 〔劣 十 。 ‘