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炉渣,在高温(火法)冶金中占据了至关重要的地位,俗话讲“渣炼不好,钢就炼不好”,就是这么个意思。碱度(the basicity of slag),就是表征炉渣性能的重要标志之一。
一般定义炉渣碱度是,炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的比值,常用m(CaO)/(SiO2)表示。什么是碱性氧化物呢,一般认为是渣中能够提供自由氧离子的氧化物,如CaO,MgO,FeO等;而不能提供自由氧离子,反而与氧离子结合生成络合离子的氧化物,被认为是酸性氧化物,如SiO2,P2O5,Fe2O3等;还有一些氧化物,在不同环境中表现出两性,如Al2O3。
那么,氧化物的酸碱性是如何判断的呢?我想,这里可以参考水溶液的酸碱性来帮助认识。碱性氧化物与水反应生成氢氧化物,能提供氢氧根离子,故呈碱性;酸性氧化物与水反应生成酸,提供氢离子,故呈酸性。如下式所示:
CaO+H2O=Ca(OH)2=Ca2++2OH2-;SiO2+H2O=H2SiO3=2H++SiO32-
Al2O3+3H2O=2Al(OH)3=2Al3++3OH2-;Al2O3+H2O=2HAlO2=2H++2AlO2-
但,炉渣氧化物酸碱性并不按上述理解来判断,且研究方法有多种。不同方法研究出的氧化物酸碱性略有差别,如下表所示。比如,按生成自由能法,FeO碱性弱于MgO;而按阴阳离子静电引力法,FeO碱性强于MgO。
表 1 不同研究方法得出的氧化物酸碱性
生成自由能法 | 阴阳离子静电引力法 | 碳酸盐分解反应发 | 硫酸盐分解反应法 |
P2O5 | P2O5 | P2O5 | Fe2O3 |
V2O5 | SiO2 | SiO2 | MnO |
SiO2 | V2O5 | TiO2 | MgO |
TiO2 | TiO2 | FeO | CaO |
Fe2O3 | Al2O3 | MnO | |
V2O3 | Fe2O3 | MgO | |
Al2O3 | MgO | CaO | |
FeO | FeO | ||
MnO | MnO | ||
MgO | CaO | ||
CaO | Na2O | ||
Na2O |
熔渣呈现酸性还是碱性,按照定义,应该由渣中自由氧离子(O2-)的浓度表达,但由于该浓度无法用实验测出,故一般用钙硅氧化物的质量比来表示。大于1,认为是碱性渣,小于1,则是酸性渣。当然,一些学者会把其他氧化物考虑进来。同时,另一部分学者认为,用质量分数表示不够好,提倡根据酸碱氧化物反应成复杂氧化物的物质的量的当量来表示,如B=(nCaO+1/2nMgO)/(2/3nSiO2+1/3nAl2O3)。但不管怎么说,这两种方式,在理论上都站不住脚。一是讲不清楚到底多少浓度的氧离子,炉渣呈碱性;二是,几乎所有碱度表达式,都不将FeO纳入;三是上表中的差别没有做解释,仅仅哪个好用用哪个。
先讲到这,未完待续。欢迎广大研究者讨论交流。
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