含固相铜冶炼渣的黏度计算及其应用_盛力.docx

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1、 工程科学学报，第 39卷，第 1期 :48-53,2017 年 1月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 39 No. 1 : 4853? January 2017 DOI: 10. 13374/j. issn20959389. 2017. 01.006 ; http： /journals, ustb. edu. cn 含固相铜冶炼渣的黏度计算及其应用 盛 力 夂 李 江 涛 U2) ， 张建坤张家靓张立峰 i 3)， 侯新梅 ” 1) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 2)谦比希铜冶炼有限公司，谦比希 999134,赞比亚 3)稀贵金

2、属绿色回收与提取北京市重点实验室，北京 100083 网通信作者， E他 ail: jialiangzhang ustb. edu. cn 摘要利用 Roscoe方程，结合 FactSage的多元多相平衡计算和纯液相渣黏度计算功能可对含固相熔渣的黏度进行计算 . 本研宄针对基于铜冶炼渣的 FeO-Si02_Fe304-Ca0 A1203 MgO 系，首先根据相似炉渣的黏度测定值对 Roscoe方程中的参数 进行拟合，同时验证了该方法在计算所研宄体系时的准确性 .基于所得的计算模型考察不同组分含量对平衡相组成及黏度 的影响规律，并总结获得合理的渣型配比 .当炉渣中各组分的质量分数分别控制在 Fe

3、O 40% 60%、 Si02 25% -40%、 Fe304 0% 15%、 CaO0% 10%、 A1203 0% 8%和 MgOO% 4%时，可在冶炼过程中得到流动性较好、固体量较少的熔渣 . 关键词铜冶炼；渣；黏度；固相；计算 分类号 TF811 Viscosity calculation and its application of the copper smelting slag containing solid phase SHENG Lix) , LI Jiang-taoU2) , ZHANG Jian-kunU2) , ZHANG Jia-liang ,3) , ZHANG

4、LifengU3) , HOU Xin-meil) 1) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Chambishi Copper Smelter Limited Chambishi 999134， Zambia 3) Beijing Key Laboratory of Green Recycling and Extraction of Metals， Beijing 100083， Chi

5、na Corresponding author, Enail: jialiangzhang ustb. edu. cn ABSTRACT The viscosity of solid-containing slags can be calculated using the Roscoe equation combined with the calculation functions of multi-component & multiphase equilibria and pure-liquid s viscosity in FactSage software. An FeO-Si02 Fe

6、gO#-CaO Al2 3MgO system used in copper smelting was studied in this paper. Firstly? the parameters of the Roscoe equation were fitted using the measured viscosities of analogous slag in the literature? and the accuracy of viscosity calculated by the method for this slag system was verified additiona

7、lly. Then, the effect of slag componentsJ contents on the equilibrium phase-composition and viscosity was investigated based on the calculation model. Accordingly, the reasonable proportions of components in the slag were obtained. When the mass fractions of slag components are FeO 40% 60%，Si02 25%

8、40%， Fe304 0% 15%， CaO 0% 10%， A1203 0% 8%， and MgO 0% 4%， the molten slag with good liquidity and fewer solids can be obtained in the smelting process. KEY WORDS copper smelting； slag； viscosity； solid phase； calculations 黏度是铜冶炼渣重要的物理化学性质之一，直接 影响冶炼过程中熔体的搅动、铜渣的分离等 |_3.铜冶 炼渣中最主要的成分是 Si02和 FeO,其次还有 Ca

9、O、 Al2 03、 Fe3 04、MgO 等 .有学者曾对 FeO Si02 系 3-*、 FeO Si02CaO 系 M、 FeO Si02 Al2 03 系 7和 FeO Si02- a0 Al2 03系 s的黏度进行研究，但所研究的这 些渣系并未涵盖实际铜冶炼炉渣的所有组分，迄今为 止对于 Fe -Si02 Fe304- a0 A1203MgO 六元渣系的 收稿日期： 2016-07-05 基金项 H :中央高校基本科研业务费资助项 H (FKF TP-15-06SA1) 盛力等：含固相铜冶炼渣的黏度计算及其应用 49 黏度研究较为少见 .另一方而，在实际生产过程中如 果操作温度和炉渣

10、成分控制不当，会在熔渣中析出尖 晶石、橄榄石等固相物质，显然固相的生成会使熔渣的 黏度大幅上升，对于铜冶炼过程极其不利 .因此，当前 亟需对考虑固相生成时 FeO Si02 Fe3 04 CaO Al2 03 MgO系的黏度进行研究 . 对于含固相时熔渣黏度的计算， Einstein 曾提出一 个非常著名的公式，即 i7r=_ = l+2.50s. (1) VL 式中，为相对黏度，即含固相熔渣的黏度（ )与剩余 纯液相熔渣黏度 （ & )的比值， A 为固相的体积 分数 9. 含固相熔渣的黏度由 Roscoe 方程（式 （ 2)计算 得到，其中固相的体积分数少 s 可通过式 （ 3) 式 （

11、5) 求得： 0S ： (3) X :s Pj (4) IM, (5) 式中， 和 分别为固相和剩余液相的体积，和 别为每种固相的质量和密度和 M,分别为液相中 每种物质的偏摩尔体积、质量与摩尔质量 .其中 /.的 值出自 FartSage的纯物质数据库，而液相中每种物质 基于该公式，只要得到固相的体积分数以及纯液 相熔渣的黏度即可计算出含固相熔渣的黏度值 .但是 该公式只适用于固相体积分数低于 5%的熔渣体系， 并且计算的准确性也不甚理想 .随后， Roscoe 提出另 一个计算含固相黏度的方程，如下所示： 17,. = (1 - as) (2) 式中 a 和 77 为经验参数 M . Wr

12、ight 等 11_12对含 Fe304 固相的 CaO-FeO,系和含尖晶石 MgAl204固相的 CaO- MgO -Si02_AI2 03系的黏度进行研究，结果表明两种体 系的黏度均可用 Rose%方程来描述，但是在不同体系 中 a 和 n值并不相同，需要用黏度的实验值进行拟合 . Kondratiev 等 13 14针对 Al2 03 CaO “FeO ” Si02 系，米 用FactSage 软件分别计算出该渣系在一定温度下的 固、液相组成以及纯液相的黏度，再通过 Roscoe 方程 ( Si02Fe Al2 03 Si02Ca Mg FeO Si02_Fe0-Ca0-Fe203 等

13、渣型的黏度计算 .本文所研宄 的铜冶炼渣为高 FeO 和 Si02，同时含有少量 CaO、 Al2 03 1990 (刘纯鹏 .铜冶金物理 化学 .上海：上海科学技术出版社， 1990) 1 Shiraishi Y, Ikeda Y, Tamura A, et al. On the viscosity and den- sity of the molten Fe0Si02 system. J/wi /似 f Mef， 1978， 19 (5) : 264 2 Chen M， Raghunath S， Zhao B J. Viscosity measurements of uFeO, Si02

14、slag in equilibrium with metallic Fe. Metall Mater Trans B, 2013, 44(3) : 506 3 Kucharski M Stubina N M Toguri J M. Viscosity measurements of molten Fe-0Si02 Fe0CaOSi02 and Fe-O-MgO-Si02 slags. Can Metall Q, 1989 28(1) : 7 4 Ji F Z, Du S C Seetharaman S. Experimental studies of the viscosities in th

15、e CaO Fen 0 Si02 slags. Metall Mater Trans By 1997, 28(5) : 827 5 Chen M， Raghunath S, Zhao B J. Viscosity of Si02-“FeO ” 一 Al2 3 system in equilibrium with metallic Fe. Metall Mater Trans B, 2013, 44(4) : 820 6 Seok S H, Jung S M, Lee Y S et al. Viscosity of highly basic slags. ISIJ Int, 2007, 47(8

16、) : 1090 7 Jeffrey D J, Acrivos A. The rheological properties of suspensions of rigid particles. AIChE J, 1976, 22(3) : 417 8 Roscoe R. The viscosity of suspensions of rigid spheres. Br J Appl Phys, 1952, 3(8) : 267 9 Wright S Zhang L, Sun S Y, et al. Viscosities of calcium ferrite slags and calcium

17、 alumino-silicate slags containing spinel particles. J Non Cryst Solids, 2001, 282 (1) : 15 10 Wright S， Zhang L， Sun S Y， et al. Viscosity of a CaO MgO Al2 3 Si02 melt containing spinel particles at 1646K. Metall Mater Trans B, 2000, 31 (1) : 97 11 Kondratiev A ， Jak E. Modeling of viscosities of t

18、he partly crystallized slags in the Al2 3 CaO-u FeO Si02 system. Metall Mater Trans B, 2001, 32(6) : 1027 12 Kondratiev A, Jak E. Predicting coal ash slag flow characteristics (viscosity model for the Al2 03 CaO FeO 一 Si02 system). Fuel, 2001, 80(14) : 1989 13 Bale C W Chartrand P Degterov S A, et a

19、l. FactSage thermo- chemical software and databases. Calphad, 2002, 26(2) : 189 14 Cao Z M， Song X Y， Qiao Z Y. Thermodynamic simulation software FactSage and its application. Chin J Rare Met 2008, 32 (2) : 216 (曹战民，宋晓艳，乔芝郁 .热力学 模拟计算软件 FactSage 及其应用 .稀有金属， 2008, 32(2) : 216) 15 Keene B J Mills K C.

20、Densities of Molten Slags (Chapter 8) Slag Atlas. Dusseldorf: Verlag Stahl-Eisen, 1995 16 Pelton A D, Chartrand P. The modified quasi-chemical model: Part II. Multicomponent solutions. Metall Mater Trans A, 2001, 32(6) : 1355 17 Seetharaman S, Mukai KDu S C. Viscosities of slags： an overview / / VII

21、 International Conference on Molten Slags Fluxes and Salts. The South African Institute of Mining and Metallurgy, 2004 18 Seki K， Oeters F. Viscosity measurements on liquid slags in the system CaO-feO-ire2 3Si 2- Trans Iron Steel Inst Jpn, 1984, 24 (6) : 445 19 Zhang H W Sun F, Shi X Y, et al. The v

22、iscous and conductivity behavior of melts containing iron oxide in the FeOt Si02 CaO Cu20 system for copper smelting slags. Metall Mater Trans B, 2012, 43(5) : 1046 20 Peng R Q. Copper Metallurgy. Changsha： Central South University Press, 2004 (彭容秋 .铜冶金 .长沙：中南大学出版社， 2004) 21 Mackey P J. The physical chemistry of copper smelting slags: a review. Can Metall Q, 1982, 21 (3) : 221 22 Higgins R， Jones T J B. Viscosity characteristics of Rhodesian copper smelting slags. 1963， 72: 825