2 結果與討論

2.1 Al2O3和Cr2O3對冶煉渣黏度的影響

向冶煉渣中添加不同含量的Al2O3和Cr2O3時熔渣的黏度-溫度曲線如圖2所示。由圖2中可以看出，由於氧化鋁含量較高，自蔓延冶煉渣呈現出典型的“短渣”特性，所有渣係的黏度-溫度曲線上均有明顯的拐點，在拐點溫度以上時黏度隨溫度的下降緩慢增加，而溫度下降到拐點溫度之後黏度開始急劇上升，並在很小的溫度範圍內完全凝固，這是鋁酸鹽熔渣的典型特征。在熔融狀態下的冶煉渣黏度較小，流動性很好，所有渣係在1650℃時的黏度均小於0.15Pa·s；隨著Al2O3和Cr2O3添加量的增加，渣係黏度和拐點溫度均上升。

圖2 Al2O3和Cr2O3對CAF5渣係黏度-溫度曲線的影響

圖3顯示了1650℃時渣係的黏度隨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對熔體黏度有更大的影響。根據目前對熔融氧化鋁和鋁酸鹽熔體結構的研究結果，Al2O3在鋁酸鹽熔體中與矽酸鹽熔體中的SiO2類似，通過Al-O-Al鍵聚合成網狀結構，隨堿性氧化物的增加，Al的配位數降低，複雜熔體結構解聚。因此，Al2O3含量的增加會提高熔體的聚合程度，從而導致熔融爐渣黏度的增大。作為過渡金屬氧化物，Cr2O3在鋁酸鹽熔渣中可以起到與Al2O3類似的作用，提高渣係的聚合程度，而且Cr3+的離子半徑（0.0615nm）比Al3+的離子半徑（0.0535nm）更大，會對熔體中離子的自由移動造成較大的阻礙，從而提高渣係的黏度；同時，過多的Cr2O3還可能導致渣中高熔點鉻酸鹽相的生成，進一步提高熔體的黏度。

圖3 1650℃時Al2O3和Cr2O3對渣係黏度的影響

熔渣黏度會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，同時還會影響夾雜物在熔渣中的溶解速度。Al2O3和Cr2O3添加量的提高均會增加熔渣的黏度，對冶煉渣的性能有不利影響；由於Cr2O3對熔體黏度的影響更大，故控製渣中Cr2O3的含量更低，有利於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對冶煉渣凝固溫度的影響

由熔渣的黏度-溫度曲線計算其黏度活化能，再由黏度活化能對溫度的二階偏導數來估算冶煉渣的凝固溫度，結果如圖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對熔體凝固溫度的影響更加劇烈。由於Al2O3和Cr2O3的熔點均較高，分別為2054℃和2435℃，它們的含量提高會降低熔體中造渣劑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不利影響。

圖4 Al2O3和Cr2O3對渣係凝固溫度的影響

2.3 Al2O3和Cr2O3對冶煉渣密度的影響

1650℃時冶煉渣密度的測量結果如圖5所示，由圖5中可以看出，成分對冶煉渣密度影響不大，在2.654~2.698g/m³之間，Al2O3含量的提高會使熔體的密度上升，Cr2O3含量的提高則會使熔體的密度先升高後降低，在w（Cr2O3）=5%時有極大值。Al2O3和Cr2O3的密度分別為3.97g/cm³和5.21g/cm³，屬於密度較大的組分，因而它們含量的升高會使得熔渣密度增大。由於Cr2O3是兩性氧化物，可以進入熔融爐渣網狀結構，提高熔體的聚合程度；而Cr3+的離子半徑較大，在進入網狀結構後可能會導致結構單元體積變大，這可能是Cr2O3含量的進一步提高導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渣金密度差影響很小，對冶煉渣性能的影響不大。

圖5 1650℃時Al2O3和Cr2O3對渣係密度的影響

2.4 Al2O3和Cr2O3對冶煉渣表麵張力的影響

1650℃時冶煉渣表麵張力的測量結果如圖6所示，由圖6中可以看出，熔渣的表麵張力在347~419mN/m之間，Al2O3和Cr2O3含量的增加均會提高冶煉渣的表麵張力，在含量不超過5%時，Cr2O3的影響更加顯著，含量在5%以上時兩者的影響相差不大。Al2O3和Cr2O3含量的提高一方麵會提高渣係的聚合程度，使渣中複合陰離子增多，另一方麵減少了渣中較強的表麵活性物質F-離子的含量，從而引起熔渣的表麵張力上升。冶煉渣表麵張力越大，金渣黏附功越小，熔渣不容易被金屬熔體卷入，有利於提高合金的潔淨度。因此，Al2O3和Cr2O3含量的提高有助於改善冶煉渣的表麵張力。

圖6 1650℃時Al2O3和Cr2O3對渣係表麵張力的影響

3 結論

1）自蔓延冶煉渣黏度隨溫度升高而下降，且屬於典型的短渣，渣係流動性較好，1650℃時黏度小於0.15Pa·s；隨Al2O3和Cr2O3含量提高，熔渣的黏度上升，Cr2O3含量對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含量提高而先上升後下降，在5%時最大；表麵張力隨Al2O3和Cr2O3含量提高而上升，Cr2O3含量對表麵張力的影響更大。

2）提高熔體中的Al2O3和Cr2O3含量可以改善自蔓延冶煉渣的表麵張力，但對黏度和凝固溫度有不利影響，前期研究中發現，熔渣的黏度和凝固溫度對合金質量影響更大，因此Al2O3和Cr2O3含量對熔渣總體性能有不利影響。