Na2O-SiO2渣系的作用浓度计算模型

D0I:10.13374/j.issm1001-053x.1989.03.018 第11卷第3期 北京科技大学学报 Vol.11 No.3 1989年5月 Journal uf University of Science and Technology Beijing May 1989 ” Na,O-SiO2渣系的作用浓度计算模型 张 鉴 (电治金教研窄) 情要：根塔炉造结均的北你理论，N22O一SiO,相图和有关的热力学数据，推导 了本法系的作用浓度计算校型。利用此模型计算得的NN2o和Ns102与实测的“N。20和 文献上的8·0z符合其射。由此证明炉造结料的共作理论对本渣系也是适用的。 关键词：共作刚论，反CaF型离子化合物 Calculating Model of Mass Action Concentrations for the Slag System Na2O-SiO2 Zhang Jian ABSTRACT:According to the cocxistence theory of slag structure,phase diagram Na2O-SiOz and the corresponding thermodynimic data.a calculating model of mass action concentrations for the slag system has been deduced. The calculated NNa2o and Nsio2 by this model are in good agreement with measured ax.2o and as,oz from literature source respectively.Thus it shows That the coexistence theory of slag structure is applicable to slag system Na2O-SiO2 too. KEY WORDS:The cocxislence theory of slag struclure,anli CaFz type ionic compound NzO-SiO2渣系11为钢铁治金的基本渣系，本渣系具有很强的脱疏、脱磷能力。山丁 科学技术对超纯钢的产量和质量提出了极高的要求，使本渣系的重要性显得更为突出。所以 人们对本渣系活度的研究也极为重视(2~而且最近期的结果，彼此比较一致，这就为理论 了工作提供了可常的实践基础。本文将利用炉渣结构的共作理论5)建立Na2OSO,液系的作 1989-02-09收榆 208

第 卷第 期 年 北 京 科 技 大 · 学 尸一﹄ · 气 、 、 · · 学 报 ’ ， 少 日 一 ， 一 渣 系的作用浓度计算模型 张 鉴 一匕冶 金教 研嘴仁 摘 要 根 据沪 渣结 构的 共 存理 论 ， 一 ， 相 图 和 有关 的 热 力学 胶据 ， 推 导 一 本法 系 的 作用浓 度 计算授 吧 。 利用 此 摸 型计算得 的 。 和 与实侧 的 ‘ 。 。 和 文献 上 的 ‘ ， 。 符 含甚好 。 山此 证明 炉 法 结 构的 儿 存理 论 对 本法 系也 是适 川的 。 关键 词 共 存理 论 ， 反 二 塑离 化 合物 一 。 门口 手 ， 一 手 ， 、 ， 、 手 一 少 · 叭 几 ， 一 手 · ， 少 ， 一 一 少 一 ’ 。 ， ℃ ， 少 。 一 渣系 〔 ’ 几为钢 铁 冶 金 的基本 渣系 ， 本 渣系 具有 很 强 的脱 硫 、 脱磷能 力 。 山 于 科 学 技 术对超 纯钢 的产量和 质 量提 出 极 高的要 求 ， 使 本 渣系 的重 要性 显得更 为突 出 。 所 以 人 们 对本清系 活度 的研究也极 为重视 〔 一 ‘ 〕 而且最近期的结 果 ， 彼 此比较一 致 ， 这就 为 理 论 工 作 提 供 了可靠的 实 践 雇础 。 本 文将 利 用炉 液结 构的共 存 理 论 〔 “ ’ 建 立 一 浓 系 的作 ， 一 一 ， 收 稿 尹 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1989．03．018

用浓度计算模型。由于Na2O为反CaF2型离子化合物(8J,以前的处理方法是否适用，有待 于实践来检验。 所以根据共存理论制定本渣系作用浓度的计算模型还具有特殊的理论意义。 1Na,0-Si0,渣系的结构单元和计算模型 1.1结构单元 根据结晶化学〔的事实，Na2O为反CaF2型离子化合物，因此，在固体状态下，Na2O 就以2Na+和O2-离子的形式存在。 从Na2O-SiO2相图13可知本渣系中存在有SiO2,Na2SiOg、Na,SiO,和Na20.2SiO2四 个分子型化合物。所以本渣系的结构单元为Na+、O~简单离子和SO2、Na2SiO,、 Na4SiO,和Na20·2SiO2分子。 1.2计算模型 令b=∑nNa20,a=∑nsi02,x=nN20,y=n8102,2=nw28103,w=nN48104: 4=nN20.28102,则 本渣系的化学平衡为： (2Na+0:)+SiO=(Na:SiO3)K=NwxNio NN28103 (1) 22Na*+0:-)+Si02s)=(Na,i0,)K:=N,0xN0a NN4S104 (2) (2Na*+02-)+2Si028)=(Na,02Si0)K,FNN0×N02 NN20.2s103 (3) 物料平衡为： nN20=nN.20+nN2s103+2nN.4si04+nN20.2s102 b=x+2+2w+4 (4) ∑ngf02=ng402+nw2810g+nN48i0,+2nN20.28102 a=y+2+w+2u (5) ∑n芒3x+y+2+w+u=3x+0-“ (6) 经过一系列推导得本渣系作用浓度计算模型为： a+b+8x+2 g=3品 (7) ,6K2x,K3 x+(1+K2n+3K:x2)2-b=0 (8) 3n3K+222-0=0 (1+3K,x+K12m+3Kx2 (9) 209

用浓 度计算模型 。 于 实践来检验 。 由于 为反 型离子化合物 〔 ’ 以前 的处理方 法是 否适 用 ， 有待 饭 所 以根据共 存 理论制定 本渣 系作 用浓度的计算模型还 具 有特 殊的理论 意义 。 一 渣系的 结构单元 和计算模型 吸 。 结构单元 根据结 晶化学 〔 已 ’ 的事实 ， 为 反 型离子 化合物 ， 因此 ， 在 固体状态下 ， 就 以 ‘ 和 “ 一 离子 的形式 存 在 。 从 一 。 相 图〔 ‘ ’ 可知 本渣 系 中存 在有 、 、 ‘ ‘ 和 · 四 个 分子 型化合物 。 所以本渣系 的 结 构 单 元 为 ‘ 、 一 简 单 离 子 和 、 、 、 和 · 分子 。 。 计算模型 令 二 ， ， 二 ， 二 ， 夕 ， “ ， ， ， “ 二 ” 、 ， 。 ， 。 。 。 ， 则 本渣系 的化 学平衡为 十 一 》 ， 对 。 ， 。 者 只 ， 十 一 二 、 ‘ 气 千 一 · 物料平衡为 二 万 付 、 。 音 。 ” 一 ” 。 一 。 ， 主 二 之 切 “ 月 ， 九 封 一 一 。 拄 一 二 之 功 “ 兄 ” 二 之 却 赵 一 经过一系列推导得本渣系 作 用浓度计算模型 为 劣 之 二 二 一 尤 戈 劣 元碑而 十 息天圣 封 一 工 足 习 之 一 洲竺劣 万” 丽压呀 ， 劣 厂碑而 十

∑n 3K2x (10) 各组元的作用浓度为： NN.30=3x NN103=n (11) NN48104=∑ NN20.28102=∑n 如果计算模型与实际相符，则计算的NN·2o和Na1o2应与实测的a“20和ag1o?相近或一 致。 2计算结果 计算中采用的平衡常数如下表所列【7)。 表1不同温度下的平衡常数 Table 1 Equilibrium constans at different temperatures 平衡常数 1100℃ 1200℃ 1300℃ 1400℃ K(Na2SiO3) 3.365×101 1.058×100 2.772×107 9.101×10 K2 (NaSiO) 9,742×1012 9.129×1011 7.456×101 9.258×109 Ks(Na2O·2Si02) 2.876×109 8.082×10· 2,137×10 7,127×107 计算得的NN:2o与Yamaguchis等人'2)和月桥等人(4I的实验结果比较如图1。从图中 看出计算的NN2o与Yamaguchis等人和月桥等人的实测aw,o均极为接近，而且相比之下不 论在曲线的形状或具体数值方面都更接近Yamaguchi等人的结果，而月桥等人的直线关系 看来与多数人的结果31是不一致的。 3 3 丁ainuguchi et al.. 1.-1300 2-140ut a -0.9 ,1-1100 0.55 9.se 1400C 0.205 0.36 91200℃ 9.30 1100 10 -10L 0.2U U.30 0.40 0,50 0.60 Prese E1:0 104K/T 图】计算的NN,20与实测4N·2o的比较 图2祖度对NN·2o的影响 Fig。】 Comparison of calculated NN.2o Fig.2 Effect of temperatire on NN2o with measured AN.o (or Na20) 210

万 亏灭 ‘ 万 “ ， 切 二 之 艺 才 各组 元 的作 用浓 度 为 、 ， 一 ︸月令， 一宁臼 ︸ “一夕曰 月 ， 一 盯 ‘ ， “ ‘ ，。 一 区蕊 ’ ‘ ， 吕 ‘ ” ’ 一 落矿 ‘ 脚 “ ’ 。 了石’ 。 ‘ 如果 计算模型 与实际相 符 ， 则计算 的 、 。 和 。 ，。 应与实洲的。 。 和 。 。 相近或 一 致 。 计 算 结 果 计算中采 用 的平衡常数如下表所列 〔 ’ 。 裹 不 同通度 下 的平衡 常 平 衡 常 数 ℃ 亡 ℃ ℃ 尺 一 一 尺 · 。 。 。 名 。 。 。 。 。 ， 。 。 声 计算得 的 ， 与 等人 〔 ” 和 月桥等人 ‘ ’ 的实验 结果 比 较 如图 。 从 图 中 看 出 计算的 。 与 等人 和月桥 等人 的实侧仰 。 ， 。 均极 为接近 ， 而且 相 比之下不 论 在曲线 的形状 或 具体数 值方面都更接近 等人 的结 果 ， 而 月桥 等人 的 直线 关 系 看来 与 多数人 献结 果 〔 “ ’ 是 不 一致 的 。 一 一 。 。 “ 十‘ ‘ · 灰 了 ‘ 甲 川烈黑片 气了 一一斗 一 ℃ 斗一一 兰 一 二瑙干 】 欢莎 片。 沁一人 、 矛粼犷犷 少粼秘 廷到少 ’ 一 一 一 一 漱，锣。厂 。矛罗 ， 》 卜‘ 创 沪共 二 刘灾 宝理 洒 、 、 洲喊卜 、 ‘ 、 又、 卜 洲、 、 、 、 七‘ 卜 众众众长 从阶、 、万· 淤沦恢 叹‘ ，乡人术 侧 阮科之众 工” 万 ， 、 图 计算的 。 。 与实侧 ‘ 。 的 比较 一 ‘ 一 一。 月 图 沮 度对 。 。 的 影响 · 上 一 ‘

NN2o随温度而变化的回归关系式与Yamaguchi等人的实测结果比较如图2所示，由此 可见，两者是相当接近的。 图3是计算的Ns1o2与文献的cs:o2值的比较，可以看出两者也是相当接近的。但在 Na,O浓度较高时，两者间表现出较大的差别，其原因可能是文献〔3,4们中从ax·2o计算 a81o2时，采用了Gibbs-Duhem公式dlogasio2=-(xNa2o/sio2)dlogax.2o 此式对简单的二元渣系是适用的，但对上述复杂的Na2O-SiO2渣系来说，由于存在于体系 中的组元除Na2O和SiO2外，尚有Na2SiOg、Na,SiO,和NazO·2SiO2。而后3种化合物是 Gibbs-Dubem公式没有考虑进去的。在低Na2O含量的条件下，计算的Nsio2和文献的as1o2 值是基本上一致的，这主要是炉渣中生成的Na:SiOa、Na,SiO,和NaO·2SiO2较少，影响 较小所致。所以用Gibbs-Duhem公式计算 Na20-SiO2渣系的ag:o2未必是适用的。因 此，计算Ngio2和文献值agio2在高浓度Na2O 的条件下的较大差别不一定就是上述计算模型 的问题。 0.4 0.2 3.00 0. .60 1400"C N40.S10 2.20 1100 1.s0 Sio 1.40 D-N.Rego et Tsukihash et work -10◆ 1.00 12 gsi00.60 -14 og. 0.20 0.20 0.30 0.40 0.500.60 -15 0 EnN4o 00.200.400.600.801.00 SMNa2O 图3计算Nsi02与文献值agi02(:.4)的 图41200°C下Na20-Si02渣系各作用浓度 比较 和S知随S"N20的变化 Fig.3 Comparison of calculated Nsi02 Fig.4 Change of mass action concentra- with asio2 from literature tion and∑with∑eNa20 in slag 5 ource〔34] system Na20-SiO2 at 1200C 综上所述，可说明炉渣结构的共存理论对含反CF2型离子化合物Na2O的Na2O-SiOz滤 系也是适用的。在此基础上，为了对本渣系各组元作用浓度的变化有一个全面的了解，现将 1200°C下计算得然VN20,Vsi02,NN2so3,NN48i04,NN2028io2和总质量数∑n绘 制于图4中以备参考。由于各作用浓度变化范围甚大（从1到10~），用一种纵坐标难于 表达出来，因此图中纵坐标采用了两种标度(W和logN)。 211

。 随温 度而 变化 的回 归关系式 与 等人 的实 测结果 比较 如 图 所示 ， 由此 可 见 ， 两者是相 当接近 的 。 图 是 计算 的 。 。 ， 与文 献 的 。 。 值的比较 ， 可 以看 出两 者也 是 相 当 接 近 的 。 但在 浓 度较高时 ， 两 者间表 现 出较 大 的差别 ， 其 原 因 可 能 是 文 献 〔 ， 〕 中从 。 。 计算 。 时 ， 采用 了 一 公式 。 一 。 。 。 。 此式对 简单 的二 元 渣系是适 用 的 ， 但对上述 复杂 的 一 。 渣 系来说 ， 由于存 在 于 体系 中的组元除 和 外 ， 尚有 。 、 ‘ 和 · 。 而 后 种 化合物是 一 公式没 有 考虑进去 的 。 在低 含量 的条件下 ， 计算的 。 。 和 文 献 的 “ 。 值是基本上一致的 ， 这 主要是炉 渣 中生成 的 、 和 · 较 少 ， 影响 较小 所致 。 所 以用 一 公 式 计 算 一 渣 系的 。 。 未 必是 适 用 的 。 因 此 ， 计算 。 。 和文 献值 。 。 。 在 高浓 度 的 条件下 的较大差别不 一定就 是 上述计 算模型 的 问题 。 一叭。。 ‘ 峨、 卜 、 阅 ’ 、认 冷 － － · 七一〕 子口 ， ， 一 一 一 眨 圣 之 飞 一 钊 ， 气 艺刀 ‘

3结 论 (1)根据Na2O-SiO2相图和结晶化学的事实确定本渣系的结构单元为Na+、O2-简单离 子及Si02、Na2 Si0g、NaSiO,和Na20.2Si0z分子。 (2)按照上述结构单元和有关热力学数据推导了Na2O-SiO2渣系各组元作用浓度的计 算模型。 (3)计算得的NN.2o与实测的aw2o极为接近，计算的N:1o2与文献的ag1o2值也相当接 近。说明炉渣结构的共存理论对含反CaF:型离子化合物Na2O的Na2O-SiO2渣系也是适用 的。 参考文献 1 Schlackenatlas.Verlag Stahleisen M.B.H.Dusseldorf.1981;53 2 Yamaguchi S,Imai A.Goto K S.Scandinavian J.of Metalluagy.1982; (11):263 3 Rego D N,Sigworth G K.Philbrook W O.Metallurgical Trans,1985t 16B(2):313 4月桥文孝，佐野信雄。铁上钢。1985，(7)：41 5 Zhang Jian.Proceedings International Ferrous Metallurgy Professor Seminar, Nov.8-101986,4-1 6唐有祺。结晶化学，人民教育出版社，1964：267 7 Barin I,Knacke O,Kubaschewski O.Thermochemical Properties of Inorganic Substsances,1973,1977 (Supplement) 212

结 论 产 根据 一 相 图和 结晶化学 的事实确定本清 系的结 构单元 为 十 、 一 简单 离 子 及 、 、 ‘ ‘ 和 一 分 子 。 按 照 卜述结 构 单元 和 有 关 热 力学 数 据推 导 了 一 爪 液 系各 组 元 作 用 浓 度 的 计 算模型 。 计算得 的 、 。 与实侧 的 口 、 。 极 为接近 ， 计算的 。 ‘ 。 与文献 的 。 。 。 值也相 当接 近 。 说 明炉演结 构 的共 存 理 论 对含反 型 离子 化 合物 的 一 霞系 也 是 适 用 的 。 今 考 文 欲 尹 、 尸 · · · ， ， ， · ， 沙 ‘ ， ， 认 · ， · “ 刀 月 ， 月桥文 孝 ， 佐野 信雄 铁 己 钢 ， 。 入 · ， 一 一 唐 有棋 结 晶化学 ， 人 民教 育出版社 ， ， ， 一 ， ， 砂