含氟矿物对渣膜矿相结构及保护渣性能的影响机理

Tradiditional mold flux with higher fluorine can lead to the environmental pollution and equipment corrosion, therefore it has been an objective requirement for environment protection to decrease or remove fluorine from fluxes. The mineralogical structure flux films with different content fluoride will be quantitatively analyzed, and the influence of boron on the precipitation of low fluorine / fluorine - free slag was studied by using theoretical methords of process mineralogy. Based on the crystal structure characteristics of each mineral in slag film, the formation sequence and forming conditions of high melting point minerals in the process of low fluorine and fluorine-free slag film crystallization will be determined by using FactSage thermodynamics simulation software and phase equilibrium theory to clarify the intrinsic relationship between the high melting point minerals and its lubrication, heat transfer properties. The migration and behavior of fluoride and boron in flux film crystallization process will be analyzed by Raman spectroscopy and silicate structure theory. The effects of fluoride and boron on the crystal structure of high melting point silicate minerals in slag film will be found out and the alternative mechanism of fluoride and boron in the protective slag will be explored. The study will provide a theoretical basis to exploitnew efficient fluorine-free mold powder, to solve the problem of fluorine pollution from the source in the continuous casting process.

传统的连铸保护渣中氟含量较高，会导致环境污染和连铸设备腐蚀，保护渣低氟无氟化已然成为绿色冶金的客观要求。本课题运用工艺矿物学的研究方法，对比分析不同含氟量渣膜的矿相结构特征及其保护渣的物理性能，重点确定保护渣中含氟矿物与渣膜矿相结构的定量关系，找出氟替代物硼砂对低氟/无氟渣膜析出相的影响规律。结合渣膜中每种矿物的晶体结构特点，运用FactSage热力学模拟软件及相平衡理论，查明低氟/无氟渣膜析晶过程中高熔点矿物的生成顺序和形成条件，厘清渣膜中高熔点矿物与润滑和传热性能的内在联系。采用拉曼光谱及硅酸盐结构理论，分析渣膜析晶过程中氟及硼的迁移行为和赋存规律，找出氟与硼对渣膜中高熔点硅酸盐矿物晶体结构的作用差异，探明保护渣中氟与硼的替代机制，为研究和开发新型高效无氟保护渣，从源头上解决连铸过程的氟污染问题提供理论依据。

在当今钢铁行业产能过剩和节能减排的背景下，积极寻找保护渣中氟的替代物，开发新型无氟保护渣已然成为实现绿色高效化连铸生产的重要途径。硼作为氟的理想替代物以其经济成本和助熔效果的优势，成为无氟保护渣技术新的研究热点，并被认为具有最广泛的应用前景。本课题采用高炉渣、硅灰石、石灰石、石英、纯碱、萤石、硼砂等矿物原料，设计制定了不同含氟量的保护渣试验体系，系统研究了含氟矿物原料及替代物与保护渣物理性能、熔渣微观结构和渣膜矿相结构之间的定量关系，并结合熔渣分子动力学和析晶热力学模拟，揭示了不同含氟量保护渣系的熔化结晶机理。.保护渣性能和渣膜结构实验研究结果表明，随着萤石含量的增加（6%~21%），含氟保护渣的熔化温度和黏度大幅度降低，结晶温度升高，渣膜结晶率由80%增加至95%，渣膜中析出的主要矿相为枪晶石（Ca4Si2F2O7）和镁硅钙石（Ca3MgSi2O8），枪晶石在1200℃时的结晶能力最强，镁硅钙石在1100℃时才会结晶出现且结晶粒度较小；随着硼砂含量的增加（4%~16%），无氟保护渣的熔化温度、黏度、结晶温度均降低，渣膜结晶率由90%降低至5%，渣膜的结晶矿相主要由硼硅酸钙（Ca11Si4B2O22）和镁硅钙石、硅灰石组成，硼硅酸钙在1100℃时的结晶能力最强，镁硅钙石在1200℃时的发育程度最高。.熔渣分子动力学和析晶热力学模拟分析结果表明，随着萤石含量的增加，含氟熔渣中的结构单元Q0、Q1、Q2增加，Q3降低，熔渣网络聚合度降低，析出由简单结构单元组成的枪晶石和镁硅钙石；随着硼砂含量的增加，无氟熔渣中B-O的配位数增加，[BO3]三面体转变为[BO4]四面体，结构单元由岛状结构、环状结构向复杂的层状和架状结构转变，形成了复杂的硼硅酸盐结构，使熔渣聚合度升高，也抑制了保护渣的结晶，析出的主晶相硼硅酸钙的含量急剧下降。研究成果为进一步探明保护渣中氟与硼的替代机制以及开发新型无氟环保型保护渣提供了理论依据。