2 結(jié)果與討論

2.1 Al2O3和Cr2O3對(duì)冶煉渣黏度的影響

向冶煉渣中添加不同含量的Al2O3和Cr2O3時(shí)熔渣的黏度-溫度曲線如圖2所示。由圖2中可以看出，由于氧化鋁含量較高，自蔓延冶煉渣呈現(xiàn)出典型的“短渣”特性，所有渣系的黏度-溫度曲線上均有明顯的拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)溫度以上時(shí)黏度隨溫度的下降緩慢增加，而溫度下降到拐點(diǎn)溫度之后黏度開(kāi)始急劇上升，并在很小的溫度范圍內(nèi)完全凝固，這是鋁酸鹽熔渣的典型特征。在熔融狀態(tài)下的冶煉渣黏度較小，流動(dòng)性很好，所有渣系在1650℃時(shí)的黏度均小于0.15Pa·s；隨著Al2O3和Cr2O3添加量的增加，渣系黏度和拐點(diǎn)溫度均上升。

圖2 Al2O3和Cr2O3對(duì)CAF5渣系黏度-溫度曲線的影響

圖3顯示了1650℃時(shí)渣系的黏度隨Al2O3和Cr2O3添加量的變化，由圖3中可以看出，隨著Al2O3和Cr2O3含量的增加，熔渣的黏度逐漸增大，但與Al2O3相比，Cr2O3對(duì)熔體黏度有更大的影響。根據(jù)目前對(duì)熔融氧化鋁和鋁酸鹽熔體結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果，Al2O3在鋁酸鹽熔體中與硅酸鹽熔體中的SiO2類似，通過(guò)Al-O-Al鍵聚合成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨堿性氧化物的增加，Al的配位數(shù)降低，復(fù)雜熔體結(jié)構(gòu)解聚。因此，Al2O3含量的增加會(huì)提高熔體的聚合程度，從而導(dǎo)致熔融爐渣黏度的增大。作為過(guò)渡金屬氧化物，Cr2O3在鋁酸鹽熔渣中可以起到與Al2O3類似的作用，提高渣系的聚合程度，而且Cr3+的離子半徑（0.0615nm）比Al3+的離子半徑（0.0535nm）更大，會(huì)對(duì)熔體中離子的自由移動(dòng)造成較大的阻礙，從而提高渣系的黏度；同時(shí)，過(guò)多的Cr2O3還可能導(dǎo)致渣中高熔點(diǎn)鉻酸鹽相的生成，進(jìn)一步提高熔體的黏度。

圖3 1650℃時(shí)Al2O3和Cr2O3對(duì)渣系黏度的影響

熔渣黏度會(huì)影響金屬液滴在熔渣中的沉降速度，從而影響渣金分離效果，同時(shí)還會(huì)影響夾雜物在熔渣中的溶解速度。Al2O3和Cr2O3添加量的提高均會(huì)增加熔渣的黏度，對(duì)冶煉渣的性能有不利影響；由于Cr2O3對(duì)熔體黏度的影響更大，故控制渣中Cr2O3的含量更低，有利于提高冶煉渣的渣金分離性能和夾雜物溶解性能。

2.2 Al2O3和Cr2O3對(duì)冶煉渣凝固溫度的影響

由熔渣的黏度-溫度曲線計(jì)算其黏度活化能，再由黏度活化能對(duì)溫度的二階偏導(dǎo)數(shù)來(lái)估算冶煉渣的凝固溫度，結(jié)果如圖4所示。由圖4中可以看出，隨著Al2O3和Cr2O3含量的增加，熔渣的凝固溫度均逐漸升高，且與Cr2O3相比，Al2O3對(duì)熔體凝固溫度的影響更加劇烈。由于Al2O3和Cr2O3的熔點(diǎn)均較高，分別為2054℃和2435℃，它們的含量提高會(huì)降低熔體中造渣劑CaO和CaF2的含量，從而引起冶煉渣凝固溫度的提高，給冶煉渣的性能帶來(lái)不利影響。

圖4 Al2O3和Cr2O3對(duì)渣系凝固溫度的影響

2.3 Al2O3和Cr2O3對(duì)冶煉渣密度的影響

1650℃時(shí)冶煉渣密度的測(cè)量結(jié)果如圖5所示，由圖5中可以看出，成分對(duì)冶煉渣密度影響不大，在2.654~2.698g/m3之間，Al2O3含量的提高會(huì)使熔體的密度上升，Cr2O3含量的提高則會(huì)使熔體的密度先升高后降低，在w（Cr2O3）=5%時(shí)有極大值。Al2O3和Cr2O3的密度分別為3.97g/cm3和5.21g/cm3，屬于密度較大的組分，因而它們含量的升高會(huì)使得熔渣密度增大。由于Cr2O3是兩性氧化物，可以進(jìn)入熔融爐渣網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高熔體的聚合程度；而Cr3+的離子半徑較大，在進(jìn)入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單元體積變大，這可能是Cr2O3含量的進(jìn)一步提高導(dǎo)致熔渣密度降低的原因。金屬熔體和熔融爐渣間的密度差影響著金屬熔滴在熔渣中的沉降速度，因此渣中Al2O3和Cr2O3含量的增加會(huì)提高熔渣的密度從而降低冶煉渣的渣金分離效果，但CuCr合金的密度較大，約為8g/cm3，而成分變化引起的冶煉渣的密度變化值僅有0.044g/cm3，因此熔渣密度變化對(duì)渣金密度差影響很小，對(duì)冶煉渣性能的影響不大。

圖5 1650℃時(shí)Al2O3和Cr2O3對(duì)渣系密度的影響

2.4 Al2O3和Cr2O3對(duì)冶煉渣表面張力的影響

1650℃時(shí)冶煉渣表面張力的測(cè)量結(jié)果如圖6所示，由圖6中可以看出，熔渣的表面張力在347~419mN/m之間，Al2O3和Cr2O3含量的增加均會(huì)提高冶煉渣的表面張力，在含量不超過(guò)5%時(shí)，Cr2O3的影響更加顯著，含量在5%以上時(shí)兩者的影響相差不大。Al2O3和Cr2O3含量的提高一方面會(huì)提高渣系的聚合程度，使渣中復(fù)合陰離子增多，另一方面減少了渣中較強(qiáng)的表面活性物質(zhì)F-離子的含量，從而引起熔渣的表面張力上升。冶煉渣表面張力越大，金渣黏附功越小，熔渣不容易被金屬熔體卷入，有利于提高合金的潔凈度。因此，Al2O3和Cr2O3含量的提高有助于改善冶煉渣的表面張力。

圖6 1650℃時(shí)Al2O3和Cr2O3對(duì)渣系表面張力的影響

3 結(jié)論

1）自蔓延冶煉渣黏度隨溫度升高而下降，且屬于典型的短渣，渣系流動(dòng)性較好，1650℃時(shí)黏度小于0.15Pa·s；隨Al2O3和Cr2O3含量提高，熔渣的黏度上升，Cr2O3含量對(duì)冶煉渣黏度的影響更大；凝固溫度隨Al2O3和Cr2O3含量提高而上升，Al2O3含量對(duì)冶煉渣凝固溫度的影響更大；密度隨Al2O3含量提高而上升，隨Cr2O3含量提高而先上升后下降，在5%時(shí)最大；表面張力隨Al2O3和Cr2O3含量提高而上升，Cr2O3含量對(duì)表面張力的影響更大。

2）提高熔體中的Al2O3和Cr2O3含量可以改善自蔓延冶煉渣的表面張力，但對(duì)黏度和凝固溫度有不利影響，前期研究中發(fā)現(xiàn)，熔渣的黏度和凝固溫度對(duì)合金質(zhì)量影響更大，因此Al2O3和Cr2O3含量對(duì)熔渣總體性能有不利影響。