炼钢炉渣(steelmaking slag)

炼钢过程金属料(铁水和废钢等)中的杂质被氧化剂氧化而生成的氧化物再与造渣剂和炉衬发生物理化学反应而形成的产物的总称。炉渣密度低于钢液，通常覆盖在钢液表面。在冶炼过程中，由于大量气体的产生，熔池发生强烈搅拌，熔渣和钢液往往又处于相互混合状态，这种混合程度越发展，熔渣对钢液的精炼作用就越快。由于渣一钢间的连续不断反应，熔渣的组分和性质在熔炼过程中也不断变化，而熔渣的性质直接关系到钢液的最终质量，炼钢行业有句名言：炼钢即炼渣。可见炉渣对炼钢的重要性。炼钢的主要任务是最大限度地去除钢水中的有害杂质(硫、磷、气体和夹杂物等)，这主要是依靠炉渣的精炼作用，故在熔炼过程中要不断地控制和调整炉渣的成分和温度。炼钢过程中炉渣具有下列功能：(1)去除有害杂质元素和非金属夹杂物，达到精炼目的；(2)在氧化期能保证从炉气到钢液有一定的传氧速度；(3)能阻止炉气和大气中的N₂、O₂和H₂向钢液传递；(4)在浇铸时，炉渣对钢包中钢液起隔热保温作用，阻止钢液急剧降温。

成渣过程      

向炼钢炉内加入金属料的同时加入造渣剂(石灰、石灰石、铁矾土、萤石、铁矿石和砂子等)，当炉料经一段时间加热、逐渐熔化，金属料中的杂质元素(Si、S、P等)和铁元素氧化后生成氧化物，石灰等造渣剂便开始溶解于这些氧化物而生成初期渣，随着金属料中大量杂质元素的氧化，石灰等溶解于氧化物的量也激增，这时熔渣的成分也随之不断改变。炉内成渣过程的快慢取决于炉料的块度，向炉内供氧、供热的强度和熔池搅拌强度等因素。为了缩短冶炼时间以提高产量，采取提高温度，改变炉渣成分等措施加速成渣过程，尽早发挥炉渣的冶炼作用。

泡沫渣随着炉温不断升高，钢液的脱碳反应加剧，形成大量CO气体，这时极易诱发泡沫渣，对冶炼过程有很大影响，需要注意控制。氧气转炉内的泡沫渣可造成猛烈喷溅，引起氧枪粘钢粘渣，平炉冶炼时的泡沫渣会阻碍钢液的加热和升温，而使炉内的热反射到炉顶和炉壁，造成炉衬过热而加速损坏。但是在电弧炉中的泡沫渣会包围住电弧，减少电弧向炉衬辐射的热量，有利于炉渣吸热和钢液升温，因此提高了用电效率。初期渣大都属于高(FeO)、含大量表面活性物质(PO^3-₄、F^-、Si_mO^-y_n)的不均质炉渣(含有未熔化的石灰颗粒)，此种渣液同高碳钢液发生碳的氧化反应生成大量CO小气泡，于是就产生泡沫渣。减轻泡沫渣生成的措施有：(1)控制脱碳速率；(2)向渣中加入助熔剂(火砖块等)；(3)限制渣中活性物质浓度的急剧增加。

造渣制度各种炼钢方法的造渣制度通常都包括调整渣的碱度、氧化性(或还原性)和渣量。保持适当的渣碱度才具有较强的脱磷、脱硫能力，减轻炉衬的侵蚀，采用合适的渣量可以保证达到所需的磷、硫和夹杂物的去除量，以获得所需的钢成分。但渣量过大时，热量和金属的损失也增大。冶炼过程中所形成的初期渣、中期渣和终渣的成分和渣量是各不相同的，渣碱度随石灰的不断溶解而不断提高，终渣的碱度为最高。根据炉料状况和炼钢方法(转炉法、平炉法和电炉法等)的不同，采用的造渣制度和成渣过程也不相同。在炉料中[S]、[P]含量不高时一般采用单渣法，而当[S]、[P]含量高时，可采用双渣法。当炉料中[S]、[P]极低，炼钢不需脱除[S]、[P]时，可采用酸性渣冶炼。事实上由于低[S]、[P]原料的奇缺，现在已极少采用酸性(渣)炼钢法，主要采用的是碱性(渣)炼钢法。

炉渣性质   

炉渣的重要物理化学性质有：碱度、黏度、熔化温度、氧化性和还原性等，这些性质对冶炼过程顺利进行和保证钢液质量都有决定性的作用。

碱度，评价熔渣碱性强弱的指标。脱磷、脱硫、脱除夹杂物和防止钢液吸收气体都与熔渣碱度密切相关。碱度是影响渣钢反应的重要因素。通常以熔渣中的CaO和SiO₂含量之比表示，氧化物含量以质量百分数％或摩尔分数N表示，也可用100g熔渣中的摩尔数n表示：

当熔渣中P₂O₅含量较高时，碱度则可用下列数值表示：

当熔渣中含有MgO和Al₂O₃时，以下式表示碱度：

971年德菲(J．A．Dufly)等人引入了纯氧化物和熔渣的光学碱度A概念，它能较好地解决冶金熔渣的理论计算问题。纯氧化物的光学碱度以A表示，指某氧化物的氧离子O^2-得失电子的能力与自由CaO中氧离子O^2-得失电子能力之比。多组元熔渣的光学碱度与各组元的光学碱度之总和成正比，可以下式表示：

式中A_i为i组元的理论光学碱度；v_i为i组元的阴离子电荷数；n_i为i组元的阴离子摩尔数；N_i为i组元的阴离子摩尔分数。熔渣的所有性质都与其碱度有密切关系。在生产实践中，通常当％CaO/％SiO₂值小于1.5称为低碱性渣，当此值介于1.6～2.5称为中等碱性渣，当此值大于2.5则称为高碱性渣。酸性渣可用硅酸度(即％SiO₂/％FeO+％MnO+％CaO)表示其酸性的强弱。

黏度， 黏度是熔渣的重要性质之一，它与渣钢间的传热和传质速率关系密切，冶炼过程熔渣需有适当的黏度方能保证正常操作，获得优质的钢液和较好的技术经济指标。过黏炉渣的熔池不活跃，冶炼不能顺利进行，过稀炉渣易于造成喷溅，而且严重侵蚀炉衬。影响黏度的因素很多：渣的熔点高、含未溶解的CaO、MgO等固态质点多、含复杂的大离子集团多会导致黏度急剧升高。正常的渣黏度是0.02～0.10Pa•s，稀渣黏度是0.002Pa•s，稠渣黏度大于0.20Pa•s；钢液的黏度在0.0025Pa•s左右，可见炉渣的黏度比钢液的黏度约大1。倍以上。炉渣的温度和碱度(％CaO/％SiO₂)对其黏度的影响极大(见图1)。由图可知：炼钢过程中炉渣的实际温度为1600～1650℃，当碱度为1.8～4.2时，其黏度在0.03～0.07Pa•s之间，当高碱度时，随着温度的降低，其黏度急剧上升，这是由于从渣中析出高熔点的2CaO、SiO₂和CaO之故，这种渣称为短渣。碱度低于0.9的酸性渣的黏度比碱性渣的高，这是由于它含有大量的大离子团(SiO₄)^4-、(si₂O₇)^6-、(Si₆O₁₈)^12-，但温度降低时黏度增大平稳，这种渣称为长渣。

熔点，严格讲任何炉渣的熔点不是一个单一的温度值，而是一个温度区间，所以称作渣的熔化温度更为恰当；炉渣的熔化温度由其成分决定。已知成分的炉渣的熔点可从相应的相图中求得近似值，其精确值需用专门的实验方法求得。通常炉渣的熔点比钢的熔点低，故能保证炉渣在炼钢温度下呈液态，而且具有良好的流动性和反应能力。冶炼时炉内炉渣的实际温度比钢液的高40～80℃。

氧化性和还原性

熔渣的氧化性是指其氧化能力，即释放氧的能力，通常以渣中的FeO含量(FeO)表示，而以FeO活度_aFeO表示则更为准确。_aFeO对钢液中[S]、[P]等有害杂质元素的去除、[Si]和[C]的氧化以及保存钢液中的有用元素起重要作用。理论上已知熔渣和铁液间氧的分配比为

测出某一熔渣下铁液中的平衡含氧量，即可由上式求出渣中的_aFeO。也可从已有的_aFeO等活度图中求出。(见图2)有的学者给出了计算复杂渣系中n咖的方法。熔渣的还原性是指其还原能力，强还原渣中(FeO)含量很低(小于0.5％)，而碱度又很高(在3.5～4.0之问)，另外往往还向这种熔渣中加入还原物质(C、Si等)。还原渣主要用于电弧炉冶炼和钢液的炉外精炼。还原渣下钢液中的氧含量都很低(<0.01％)。还原渣的FeO含量和碱度与钢液中[O]含量的关系见图3。

炉渣的综合利用        

炼钢炉渣是一种巨大的资源材料，每吨钢的产渣量约为l。0～200kg，中国若以年产钢9000万t计算，每年就有1800万t钢渣生产出来。钢渣不仅含有一定量的铁，而且是一种优质材料。钢渣的用途有3：(1)经过水淬处理用作冶炼熔剂，可以配入人造富矿返回高炉或在转炉炼钢中作为熔剂，从而节约石灰的消耗，同时还回收铁元素；(2)N作筑路和建筑材料；(3)含磷高的钢渣可用作农业上的磷肥和土壤改良剂。欧、美产钢国家的钢渣几乎全部获得综合利用；中国虽已属产钢大国，但钢渣的综合利用和环境保护工作有待进一步加强。