光學鹼度

光學鹼度也稱爐渣鹼度，是一種表示爐渣特性的指數。它是爐渣中自由氧離子濃度的標誌，是爐渣化學性質的主要指標。也是確定高爐造渣制度的重要依據之一。通常多用鹼性氧化物與酸性氧化物的質量百分濃度的比值表示。

基本介紹

• 中文名：光學鹼度
• 外文名：phosphatecapacity
• 套用：冶金、鋼包渣等
• 定義：鹼性氧化物比酸性氧化物
• 表征：自由氧離子
• 領域：鋼鐵冶金

基本概述

表示爐渣鹼性強弱的尺度。它對熔渣的物理、化學性質有顯著 影響。爐渣中主要的鹼性氧化物有CaO、MgO、MnO……等;酸性氧化物有 SiO₂、P₂O₅、V₂O₃……等;而Al₂O₃、TiO₂、Fe₂O₃……等則屬於兩性氧化物，它 們在鹼性渣中顯酸性，在酸性渣中顯鹼性。一般用爐渣中鹼性氧化物含量與酸性氧化物含量之比來表示鹼度R，鹼度公式為

R=(鹼性氧化物）/（酸性氧化物）

鹼度的倒數即為酸度。冶金中套用最廣的鹼度公式是R=(%CaO)/ (%SiO₂)，這不僅因為CaO的鹼性和SiO₂的酸性都很強，還因為冶金爐渣中 SiO₂、CaO的含量也較多。倘若渣中MgO、P₂O₅含量也不少，則鹼度公式為

R=(%CaO+0.72%MgO)/(%SiO₂+0.84%P₂O₅)

考慮到1molCaO與1 molMgO等價，CaO與MgO的摩爾質量之比為40.3/ 56.1=0.72，故在MgO之前乘以0.72(有的書乘以1.4，即56.1/40.3，這是 不妥的)。1 mol SiO₂與0.5 mol P₂O₅等價，SiO₂與1/2P₂O₅的摩爾質量之比為 0.84，故在P₂O₅之前乘以0.84。有的書刊中還用渣中全部CaO含量減去結合 成化合物的CaO量來表示鹼度，稱為剩餘鹼，計算式為

剩餘鹼=%CaO-1.86%SiO₂-1.19%P₂O₅

係數1.86是假定渣中生成2CaO ·SiO₂(則2×40.3/60.1=1.81)而引入的; 1.19是假定生成3CaO ·P₂O₅而引入的，此外，還有其它各種類型的鹼度表達 式，要根據不同情況來選擇合適的表示方法。在有色金屬冶金中常用酸性氧化 物中的氧量與鹼性氧化物中的氧量之比來表示渣的酸鹼性，此比值稱為矽酸 度。 根據熔渣離子理論，鹼性氧化物在渣中離解出氧離子O，例如CaO⇌ Ca+O，CaO含量越多，渣中O也越多。酸性氧化物在渣中則與O結合成複合離子，例如SiO₂+O⇌SiO₄，SiO₂含量越多，則自由的O越少。故 可用渣中氧離子活度a_O2-的大小來表示鹼度的高低。但尚無法由實驗測 出O活度值。1978年，有人提出用一定頻率的光譜線測定各種氧化物中的 氧釋放電子的能力與CaO中的氧釋放電子的能力之比來表示氧化物的酸鹼 性，稱為理論光學鹼度，以λ表之。CaO的理論光學鹼度為1，據此得出某些氧 化物的理論光學鹼度為：

K2O	Na2O	BaO	CaO	MgO	Cr2O3	FeO	SiO2	B2O3	P2O5
1.40	1.15	1.17	1.00	0.78	0.53	0.47	0.48	0.42	0.40

多元渣的平均光學鹼度λ可用下式計算

λ=∑λ_ix_i

式中λ_i為純氧化物的理論光學鹼度，x_i為氧化物正離子的當量分數，其值等 於每個正離子的電荷中和負電荷的分數。例如，對n_CaO： n_p2O₅=1：0.3的爐渣，0.64。80年代以來，還有人測定了鹵化物的理論光學鹼度，並將它用於含有鹵 化物和氧化物的熔渣。

光學鹼度定義

Duffy等最先將玻璃製造業中常用的氧化物的光學鹼度( A ) 引人冶金領域。氧化物的光學鹼度是指該氧化物的氧離子得失電子的能力與自由氧化物( 氧化鈣) 中氧離子得失電子能力之比。玻璃相中氧化物的光學鹼度可以通過引人顯示離子來測定。Duffy 還發現化合物的光學鹼度與Pauhng電負性（φ）有如下關係：Λ=0.74/（φ-0.26）。

將光學鹼度的定義推廣到鹵化物中，用化合物的陰離子得失電子的能力與CaO中氧離子得失電子能力之比來表示鹵化物的光學鹼度。

多元鹼度的計算式：

Λ=sumΛ_IX_I

X_i={(V_i/2)n_iN_i}/{sum (V_i/2)n_iN_i}

_{Vi 、}n_{i 、}N_i 是i組元的陰離子電荷數、離子摩爾數和摩爾分數。

光學鹼度的套用

光學鹼度及其在冶金中的套用

光學鹼度的概念現已廣泛用來解釋和預測爐渣的化學性質，光學鹼度利用探針離子的信息表示爐渣中的相對“自由”氧離子，是一種表達爐渣鹼度的有效方法，爐渣的光學鹼度即可通過測量而得到，也可由爐渣的化學成分計算出來，很多結果表明，在煉鋼的渣劑控制模型中，利用光學鹼度比一般鹼度更能可靠的控制冶煉綹的化學成分；在鋼包和中間包利用光學鹼度的概念也有地控制鋼中的殘餘元素；也可以用來建立一些元素渣－金平衡時的計算公式。

光學鹼度在鋼包渣中的套用

鋼包渣光學鹼度的變化在不同階段對鋼水回磷量的影響是不同的，利用光學鹼度理論計算的回磷量與實際化檢驗結果符合較好，由此提出在轉爐下渣條件下，控制鋼包渣光學鹼度來控制回磷的幾點措施。轉爐下渣一直是轉爐煉鋼重點防範的一個過失，它不僅嚴重惡化鋼水質量，給下道工序的鋼水精煉環節帶來巨大的困難，更嚴重的是轉爐大量下渣經常導致鋼水回磷和回硫。一般來說回硫可以通過後續的精煉環節來彌補，但回磷在爐外精煉處理是相當困難的。由此鋼水爐外脫磷和生產超低磷鋼應運而生，利用系熔劑的二次精煉脫磷處理，能將鋼液磷含量從EN-US>0.05%降低到EN-US>0.005%以下。中國馬鋼公司又與北京科技大學合作，展開長期探索並取得了一定成績，但如果渣中∑EN-US=10.5pt，當鋼廠普遍採用對鋼包渣進行變性處理造還原渣工藝以後，控制不好又將發生回磷反應，所以除了控制轉爐下渣外，採取必要的手段在鋼水二次精煉階段防止回磷就顯得非常必要和重要了。二煉鋼廠投產前期轉爐大量下渣，回爐次較多，但並不是全部回磷嚴重而導致廢品的產生，在下渣後精煉通過部分彌補措施使得鋼水回磷輕微收效顯著，但也有個別爐次大量下渣，雖然渣層不厚但回磷嚴重，這裡針對個別爐次轉爐下渣後，回磷嚴重導致廢品。眾所周知，鋼水磷含量與渣子鹼度、鋼渣系統溫度、鋼水氧含量（即渣子氧化性）有密切關係，渣子鹼度越高，系統溫度低，高氧化性渣對轉爐來說容易脫磷，如果鋼包中轉爐下渣後，過程中改變以上三個參數，則將導致可能回磷。而實際上渣中各種氧化物對渣子的鹼度都有影響，較準確的描述渣子鹼度的物理參數為光學鹼度。

根據精煉終點平衡渣與轉爐鋼包渣及轉爐渣的對比來看，雖然精煉渣中又增加了鹼性氧化物總數，氧含量值沒有再大幅度降低，溫度略有下降，因大量回及燒矽，精煉終點渣的光學鹼度比轉爐鋼包渣又有所下降，但精煉渣平衡容量反而上升，說明此階段控制渣中容量的關鍵控制因素在於溫度，但在將轉爐鋼包渣的改性過程中，渣中容量仍然沒有達到平衡，在吹氬條件下，渣中過平衡的磷繼續向鋼液擴散，直到渣鋼達到平衡。