基本介紹
- 中文名：煉鋼爐渣
- 外文名：steelmaking slag
- 學科：冶金
- 密度：低於剛液
- 領域：工程技術
- 位置：鋼液表面
簡介,爐渣的功能,成渣過程,泡沫渣的產生及減輕措施,造渣制度,煉鋼爐渣的特性,最佳化爐渣的優勢,煉鋼爐渣的回收利用,
簡介
煉鋼爐渣 （steelmaking slag）是指煉鋼過程金屬料（鐵水和廢鋼等）中的雜質被氧化劑氧化而生成的氧化物再與造渣劑和爐襯發生物理化學反應而形成的產物的總稱。
爐渣密度低於鋼液，通常覆蓋在鋼液表面。在冶煉過程中，由於大量氣體的產生，熔池發生強烈攪拌，熔渣和鋼液往往又處於相互混合狀態，這種混合程度越發展，熔渣對鋼液的精煉作用就越快。由於渣-鋼間的連續不斷反應，熔渣的組分和性質在熔煉過程中也不斷變化，而熔渣的性質直接關係到鋼液的最終質量，煉鋼行業有句名言：煉鋼即煉渣。可見爐渣對煉鋼的重要性。煉鋼的主要任務是最大限度地去除鋼水中的有害雜質(硫、磷、氣體和夾雜物等)，這主要是依靠爐渣的精煉作用，故在熔煉過程中要不斷地控制和調整爐渣的成分和溫度。
爐渣的功能
煉鋼過程中爐渣具有下列功能：
(1)去除有害雜質元素和非金屬夾雜物，達到精煉目的；
(2)在氧化期能保證從爐氣到鋼液有一定的傳氧速度；
(3)能阻止爐氣和大氣中的N2、O2和H2向鋼液傳遞；
(4)在澆鑄時，爐渣對鋼包中鋼液起隔熱保溫作用，阻止鋼液急劇降溫。
成渣過程
向煉鋼爐內加入金屬料的同時加入造渣劑(石灰、石灰石、鐵礬土、螢石、鐵礦石和砂子等)，當爐料經一段時間加熱、逐漸熔化，金屬料中的雜質元素(Si、S、P等)和鐵元素氧化後生成氧化物，石灰等造渣劑便開始溶解於這些氧化物而生成初期渣，隨著金屬料中大量雜質元素的氧化，石灰等溶解於氧化物的量也激增，這時熔渣的成分也隨之不斷改變。爐內成渣過程的快慢取決於爐料的塊度，向爐內供氧、供熱的強度和熔池攪拌強度等因素。為了縮短冶煉時間以提高產量，採取提高溫度，改變爐渣成分等措施加速成渣過程，儘早發揮爐渣的冶煉作用。
泡沫渣的產生及減輕措施
（1）泡沫渣的產生
隨著爐溫不斷升高，鋼液的脫碳反應加劇，形成大量CO氣體，這時極易誘發泡沫渣，對冶煉過程有很大影響，需要注意控制。氧氣轉爐內的泡沫渣可造成猛烈噴濺，引起氧槍粘鋼粘渣，平爐冶煉時的泡沫渣會阻礙鋼液的加熱和升溫，而使爐內的熱反射到爐頂和爐壁，造成爐襯過熱而加速損壞。但是在電弧爐中的泡沫渣會包圍住電弧，減少電弧向爐襯輻射的熱量，有利於爐渣吸熱和鋼液升溫，因此提高了用電效率。初期渣大都屬於高(FeO)、含大量表面活性物質(PO3-4、F-、SimO-yn)的不均質爐渣(含有未熔化的石灰顆粒)，此種渣液同高碳鋼液發生碳的氧化反應生成大量CO小氣泡，於是就產生泡沫渣。
（2）減輕泡沫渣生成的措施
減輕泡沫渣生成的措施有：
(1)控制脫碳速率；
(2)向渣中加入助熔劑(火磚塊等)；
(3)限制渣中活性物質濃度的急劇增加。
造渣制度
各種煉鋼方法的造渣制度通常都包括調整渣的鹼度、氧化性(或還原性)和渣量。保持適當的渣鹼度才具有較強的脫磷、脫硫能力，減輕爐襯的侵蝕，採用合適的渣量可以保證達到所需的磷、硫和夾雜物的去除量，以獲得所需的鋼成分。但渣量過大時，熱量和金屬的損失也增大。冶煉過程中所形成的初期渣、中期渣和終渣的成分和渣量是各不相同的，渣鹼度隨石灰的不斷溶解而不斷提高，終渣的鹼度為最高。根據爐料狀況和煉鋼方法（轉爐法、平爐法和電爐法等）的不同，採用的造渣制度和成渣過程也不相同。在爐料中[S]、[P]含量不高時一般採用單渣法，而當[S]、[P]含量高時，可採用雙渣法。當爐料中[S]、[P]極低，煉鋼不需脫除[S]、[P]時，可採用酸性渣冶煉。事實上由於低[S]、[P]原料的奇缺，已極少採用酸性（渣）煉鋼法，主要採用的是鹼性（渣）煉鋼法。
煉鋼爐渣的特性
（1）爐渣的物理化學性質
爐渣的重要物理化學性質有：鹼度、黏度、熔化溫度、氧化性和還原性等，這些性質對冶煉過程順利進行和保證鋼液質量都有決定性的作用。
（2）爐渣的鹼度
評價熔渣鹼性強弱的指標。脫磷、脫硫、脫除夾雜物和防止鋼液吸收氣體都與熔渣鹼度密切相關。鹼度是影響渣鋼反應的重要因素。通常以熔渣中的CaO和SiO2含量之比表示，氧化物含量以質量百分數%或摩爾分數N表示，也可用100g熔渣中的摩爾數n表示，971年德菲(J．A．Dufly)等人引入了純氧化物和熔渣的光學鹼度A概念，它能較好地解決冶金熔渣的理論計算問題。純氧化物的光學鹼度以A表示，指某氧化物的氧離子O2-得失電子的能力與自由CaO中氧離子O2-得失電子能力之比。多組元熔渣的光學鹼度與各組元的光學鹼度之總和成正比，Ai為i組元的理論光學鹼度；vi為i組元的陰離子電荷數；ni為i組元的陰離子摩爾數；Ni為i組元的陰離子摩爾分數。熔渣的所有性質都與其鹼度有密切關係。
（3）爐渣的黏度
黏度是熔渣的重要性質之一，它與渣鋼間的傳熱和傳質速率關係密切，冶煉過程熔渣需有適當的黏度方能保證正常操作，獲得優質的鋼液和較好的技術經濟指標。過黏爐渣的熔池不活躍，冶煉不能順利進行，過稀爐渣易於造成噴濺，而且嚴重侵蝕爐襯。影響黏度的因素很多：渣的熔點高、含未溶解的CaO、MgO等固態質點多、含複雜的大離子集團多會導致黏度急劇升高。正常的渣黏度是0.02～0.10Pa·s，稀渣黏度是0.002Pa·s，稠渣黏度大於0.20Pa·s；鋼液的黏度在0.0025Pa·s左右，可見爐渣的黏度比鋼液的黏度約大1。倍以上。爐渣的溫度和鹼度(%CaO/%SiO2)對其黏度的影響極大(見圖1)。由圖可知：煉鋼過程中爐渣的實際溫度為1600～1650℃，當鹼度為1.8～4.2時，其黏度在0.03～0.07Pa·s之間，當高鹼度時，隨著溫度的降低，其黏度急劇上升，這是由於從渣中析出高熔點的2CaO、SiO2和CaO之故，這種渣稱為短渣。鹼度低於0.9的酸性渣的黏度比鹼性渣的高，這是由於它含有大量的大離子團(SiO4)4-、(si2O7)6-、(Si6O18)12-，但溫度降低時黏度增大平穩，這種渣稱為長渣。
（4）爐渣的熔點
嚴格講任何爐渣的熔點不是一個單一的溫度值，而是一個溫度區間，所以稱作渣的熔化溫度更為恰當；爐渣的熔化溫度由其成分決定。已知成分的爐渣的熔點可從相應的相圖中求得近似值，其精確值需用專門的實驗方法求得。通常爐渣的熔點比鋼的熔點低，故能保證爐渣在煉鋼溫度下呈液態，而且具有良好的流動性和反應能力。冶煉時爐內爐渣的實際溫度比鋼液的高40～80℃。
最佳化爐渣的優勢
爐渣是精煉鐵的普通副產品， 而廢渣進入鋼中。它是由酸與鋼和助熔添加劑中的鹼性氧化物雜質發生反應而形成的。最常使用的熔劑為方解石石灰（石灰） 和白雲石石灰（白雲石）。爐渣的化學和物理性能不僅影響精煉， 也導致爐襯耐火材料的損耗。兩種石灰都提供了鹼性， 而白雲石還提供了可供消耗的MgO 以防止耐火材料被侵蝕。因此持續監控並最佳化熔劑處理工藝以維持爐渣的環境很是必要。
最佳化的爐渣被認為是：
1.符合鋼廠的要求， 在EAF 或BOS 煉鋼脫磷期間在熔融和精煉過程中中和生成的所有酸成分；
2.產生附加效益， 如擴展耐火材料的內襯、減少冷熱修復、改進起泡能力， 輪流地降低能量輸入等。
最佳化爐渣具有合適的化學成分、合理的相以及合適的黏性， 通過分析和描述爐渣（通過XRF、XRD、顯微鏡、液相線計算、游離氧化鈣測定）以及物料平衡計算來獲得。熔劑的需要量可以進行計算。
最佳化爐渣的基本特點如下：
（1）提高了爐渣的黏度， 有助於起泡；
（2）不含固態不能熔的助劑， 因而降低了形成浪費相或有害相的可能性；
（3）降低爐渣量。
產品優勢在降低成本上已得到了有效的實踐，效果如下：
（1）更好的精煉；
（2）降低燃燒點；
（3）降低電極損耗；
（4）減少噪音；
（5）降低耐火材料損耗；
（6）保護儀表、電極和爐頂；
（7）降低能耗；
（8）降低助劑用量；
（9）降低爐渣排放成本。
煉鋼爐渣的回收利用
鋼渣是煉鋼過程中由鐵水中的F e 、Si、Mn、P、S 等元素氧化以後與熔劑中石灰、白雲石和爐襯耐火材料發生化學反應而形成的矽酸鹽, 其中還混有10 腸左右的鋼珠和出鋼、澆鑄過程剩餘的殘鋼。
實踐證明，鋼渣的套用價值很大，主要有：
（1）回收其中的廢鋼
鋼渣中含有的10%左右的廢鋼鐵和小鋼珠， 通過將鋼渣破碎、磁選以後可回收8%~9% 這其中70%可返回煉鋼生產中，30%為精礦粉狀態，用於燒結生產中代替精礦粉。
（2）鋼鐵生產中的套用
鋼渣加入高爐和化鐵爐中，主要是利用其中的CaO代替石灰石，同時還回收了渣中的鋼粒和FeO、MgO、MnO等有用成份， 減少熔劑消耗，改善高爐的爐況， 增加了生鐵產量，節省能耗。
（3）鋼渣水泥生產
用40%左右的鋼渣、40%左右的高爐水渣、10%左右的石膏以及10%左右的水泥熟料生產的鋼渣水泥質已達375號。由於這種水泥成本低，後期強度高， 耐腐蝕，所以用於修路和設備基礎較佳。
（4）用於道路工程和建築填方
用鋼渣代替碎石修路， 既可用於路面，又可用於路基。在沿海灘涂修築的油田、道路、擋水堤等用鋼渣代替碎石填方不易“ 返漿” ，軋實後能承受較重的運輸車輛。經陳化以後的鋼渣和高爐水渣生產的人行道方磚、圍牆格磚是利用鋼渣的又一有效途徑。
（5）鋼渣磷肥
利用鋼渣生產的磷肥施於我國南方的酸性土壤中，可以中和土壤的酸度，改善土壤的物理性能，改良其他易於結塊的肥料的性質， 使其易於被植物吸收。
