2 结果与讨论

2.1 Al2O3和Cr2O3对冶炼渣黏度的影响

向冶炼渣中添加不同含量的Al2O3和Cr2O3时熔渣的黏度-温度曲线如图2所示。由图2中可以看出，由于氧化铝含量较高，自蔓延冶炼渣呈现出典型的“短渣”特性，所有渣系的黏度-温度曲线上均有明显的拐点，在拐点温度以上时黏度随温度的下降缓慢增加，而温度下降到拐点温度之后黏度开始急剧上升，并在很小的温度范围内完全凝固，这是铝酸盐熔渣的典型特征。在熔融状态下的冶炼渣黏度较小，流动性很好，所有渣系在1650℃时的黏度均小于0.15Pa·s；随着Al2O3和Cr2O3添加量的增加，渣系黏度和拐点温度均上升。

图2 Al2O3和Cr2O3对CAF5渣系黏度-温度曲线的影响

图3显示了1650℃时渣系的黏度随Al2O3和Cr2O3添加量的变化，由图3中可以看出，随着Al2O3和Cr2O3含量的增加，熔渣的黏度逐渐增大，但与Al2O3相比，Cr2O3对熔体黏度有更大的影响。根据目前对熔融氧化铝和铝酸盐熔体结构的研究结果，Al2O3在铝酸盐熔体中与硅酸盐熔体中的SiO2类似，通过Al-O-Al键聚合成网状结构，随碱性氧化物的增加，Al的配位数降低，复杂熔体结构解聚。因此，Al2O3含量的增加会提高熔体的聚合程度，从而导致熔融炉渣黏度的增大。作为过渡金属氧化物，Cr2O3在铝酸盐熔渣中可以起到与Al2O3类似的作用，提高渣系的聚合程度，而且Cr3+的离子半径（0.0615nm）比Al3+的离子半径（0.0535nm）更大，会对熔体中离子的自由移动造成较大的阻碍，从而提高渣系的黏度；同时，过多的Cr2O3还可能导致渣中高熔点铬酸盐相的生成，进一步提高熔体的黏度。

图3 1650℃时Al2O3和Cr2O3对渣系黏度的影响

熔渣黏度会影响金属液滴在熔渣中的沉降速度，从而影响渣金分离效果，同时还会影响夹杂物在熔渣中的溶解速度。Al2O3和Cr2O3添加量的提高均会增加熔渣的黏度，对冶炼渣的性能有不利影响；由于Cr2O3对熔体黏度的影响更大，故控制渣中Cr2O3的含量更低，有利于提高冶炼渣的渣金分离性能和夹杂物溶解性能。

2.2 Al2O3和Cr2O3对冶炼渣凝固温度的影响

由熔渣的黏度-温度曲线计算其黏度活化能，再由黏度活化能对温度的二阶偏导数来估算冶炼渣的凝固温度，结果如图4所示。由图4中可以看出，随着Al2O3和Cr2O3含量的增加，熔渣的凝固温度均逐渐升高，且与Cr2O3相比，Al2O3对熔体凝固温度的影响更加剧烈。由于Al2O3和Cr2O3的熔点均较高，分别为2054℃和2435℃，它们的含量提高会降低熔体中造渣剂CaO和CaF2的含量，从而引起冶炼渣凝固温度的提高，给冶炼渣的性能带来不利影响。

图4 Al2O3和Cr2O3对渣系凝固温度的影响

2.3 Al2O3和Cr2O3对冶炼渣密度的影响

1650℃时冶炼渣密度的测量结果如图5所示，由图5中可以看出，成分对冶炼渣密度影响不大，在2.654~2.698g/m³之间，Al2O3含量的提高会使熔体的密度上升，Cr2O3含量的提高则会使熔体的密度先升高后降低，在w（Cr2O3）=5%时有极大值。Al2O3和Cr2O3的密度分别为3.97g/cm³和5.21g/cm³，属于密度较大的组分，因而它们含量的升高会使得熔渣密度增大。由于Cr2O3是两性氧化物，可以进入熔融炉渣网状结构，提高熔体的聚合程度；而Cr3+的离子半径较大，在进入网状结构后可能会导致结构单元体积变大，这可能是Cr2O3含量的进一步提高导致熔渣密度降低的原因。金属熔体和熔融炉渣间的密度差影响着金属熔滴在熔渣中的沉降速度，因此渣中Al2O3和Cr2O3含量的增加会提高熔渣的密度从而降低冶炼渣的渣金分离效果，但CuCr合金的密度较大，约为8g/cm³，而成分变化引起的冶炼渣的密度变化值仅有0.044g/cm³，因此熔渣密度变化对渣金密度差影响很小，对冶炼渣性能的影响不大。

图5 1650℃时Al2O3和Cr2O3对渣系密度的影响

2.4 Al2O3和Cr2O3对冶炼渣表面张力的影响

1650℃时冶炼渣表面张力的测量结果如图6所示，由图6中可以看出，熔渣的表面张力在347~419mN/m之间，Al2O3和Cr2O3含量的增加均会提高冶炼渣的表面张力，在含量不超过5%时，Cr2O3的影响更加显著，含量在5%以上时两者的影响相差不大。Al2O3和Cr2O3含量的提高一方面会提高渣系的聚合程度，使渣中复合阴离子增多，另一方面减少了渣中较强的表面活性物质F-离子的含量，从而引起熔渣的表面张力上升。冶炼渣表面张力越大，金渣黏附功越小，熔渣不容易被金属熔体卷入，有利于提高合金的洁净度。因此，Al2O3和Cr2O3含量的提高有助于改善冶炼渣的表面张力。

图6 1650℃时Al2O3和Cr2O3对渣系表面张力的影响

3 结论

1）自蔓延冶炼渣黏度随温度升高而下降，且属于典型的短渣，渣系流动性较好，1650℃时黏度小于0.15Pa·s；随Al2O3和Cr2O3含量提高，熔渣的黏度上升，Cr2O3含量对冶炼渣黏度的影响更大；凝固温度随Al2O3和Cr2O3含量提高而上升，Al2O3含量对冶炼渣凝固温度的影响更大；密度随Al2O3含量提高而上升，随Cr2O3含量提高而先上升后下降，在5%时最大；表面张力随Al2O3和Cr2O3含量提高而上升，Cr2O3含量对表面张力的影响更大。

2）提高熔体中的Al2O3和Cr2O3含量可以改善自蔓延冶炼渣的表面张力，但对黏度和凝固温度有不利影响，前期研究中发现，熔渣的黏度和凝固温度对合金质量影响更大，因此Al2O3和Cr2O3含量对熔渣总体性能有不利影响。