炉渣的来源、组成和作用

在文学家的语言里，钢和渣是完全对立的，钢表示人的坚强，渣代表坏人坏事、无可救药。但在冶金家的眼里，钢和渣是统一的：没有好渣，就没有好钢；把渣炼好，好钢自然就产生了。所以，炼钢就是炼渣。

渣由熔化的氧化物形成。炼钢反应产生的二氧化硅、氧化锰、五氧化二磷和氧化铁都进入到渣中。为了造渣儿加入熔剂，其中含有氧化钙、氧化锰、氧化镁、三氧化二铝、氧化钙等。钢中的硫也会成为硫化物转入渣中。特殊情况下还会有其他氧化物，例如炼不锈钢时有氧化铬，炼高速工具钢时有氧化钨等。所以，熔渣是以多种氧化物为主的复杂溶液。酸性渣的主体是CaO – SiO2 – MnO – FeO 三种氧化物。碱性氧化渣则以CaO – SiO2 –FeO 三组原为代表，其他物质按其性质归入某一类，如P2O5 呈酸性归入SiO2类，MnO带氧化性归入FeO 类。碱性还原渣以CaO – SiO2 – Al2O3 三组元为代表。

炼钢实际上就是对生铁的一种精炼过程。

转炉炼钢：转炉的炉体可以转动，用钢板做外壳，里面用耐火材料做内衬。转炉炼钢时不需要再额外加热，因为铁水本来就是高温的，它内部还在继续着发热的氧化反应。这种反应来自铁水中硅、碳以及吹入氧气。因为不需要再用燃料加热，故而降低了能源消耗，所以被普遍应用于炼钢。吹入炉内的氧气与铁水中的碳发生反应后，铁水中的碳含量就会减少而变成钢了。这种反应本身就会发出热量来，因而铁水不但会继续保持着熔化状态，而且可能会越来越热。因此，为调整铁水的适合温度，人们还会再加入一些废钢及少量的冷生铁块和矿石等。同时也要加入一些石灰、石英、萤石等，这些物质可以与铁水在变成钢水时产生的废物形成渣子。因此，它们被称为造渣料。转炉炼钢工艺流程：高炉铁水→铁水预处理→复吹转炉炼钢→炉外精炼→连铸→热轧

电炉炼钢：电弧炉炼钢的热源是电能记电弧炉内有石墨做成的电极，电极的端头与炉料之间可以发出强烈的电弧，类似我们看到的闪电，具有极高的热能。我们知道，在炼钢时主要是对铁水中的碳进行氧化以减少碳的含量，但有些钢的品种中需要含有一些容易氧化的其他元素时，如果吹入过多的氧，就会把那些元素也二起氧化了。在这时，用电弧炉炼钢就显得优越多啦。因此，电弧炉往往用来冶炼合金钢和碳素钢。电弧炉主要以废钢材为原料。装好炉料后，炉盖会盖上，随后电极就下降接近炉料表面。这时接通电源，电极就会发出电弧将电极附近的炉料熔化。然后加大电压，加快熔化速度。随着炉料的熔化程度，炉料（钢水）的位置会有变化，这时电极也会自动调整高度而不会淹没在钢水中。用电弧炉炼钢时也要吹进一些氧，以加快熔化速度。这个吹氧的时间必须掌握准确，否则会发生爆炸。在炉料将全部熔化时，钢水表面会漂浮着一层炉渣，这时工人们会取出一些钢水和炉渣来分析它们的成分，看看这炉钢炼得怎么样。如果里面有对钢质量有害的元素，还要继续精炼加以除掉

2、炼钢的任务：

炼钢的任务是：脱硫、托磷、脱碳、脱氧，去除有害气体和非金属及杂物，提高温度和调整成分。[P]对大多数钢来说是有害元素，它在钢中的含量高会引起：“冷脆”，从高温降到0摄氏度以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性和冷弯性能变差。［S 」对大多数钢来说是有害元素，它在钢中的含量高会引起：“热脆”会使钢的热加工性能变坏，引起高温龟裂，并在金属焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊接强度。［O ］在吹炼过程中，由于吹入了大量的氧气，当吹炼结束，钢水中有大量氧，在钢的凝固过程中，氧以氧化物形式存在，会降低钢的韧性、塑性等加工性能。[C] 炼钢的主要任务之一就是把溶池里的「C ］氧化脱除到所炼钢种的要求。去夹杂物，非金属夹杂物对钢的性能会产生严重影响，应该最大限度驱除。

3 、炉内反应：

炼钢是氧化反应，利用O 和铁水中的C 起化学反应。C 一O反应，放出热量，铁水中主要成分：C 、SI 、Mn 、P 、S 。

炉内反应：

脱【 P 】: 2[ P ] + 5( FeO )+4( CaO ）→( 4CaOP2O5) + 5[Fe]P + O2↑→P2 05、 P205+ CaO →Ca ( P2O4 )2 （磷酸钙＋Q↑）。

脱【 S 】: S + 02 + CaO →CaS2O3 , s ＋MNO→MnS + 02↑

脱【 O 】: Si + O2↑→SiO2 、SiO2 +CaO →CasiO3 （炉渣＋Q↑）。

脱【 C 】: C + O2↑→CO + CO2 + Q↑

C + O2↑→CO，从吹炼开始就进行。S+ O2 十CaO 一CaS2O3 ，在高温进行，所以有低温去【 P 】，高温去【 S 】，去【 P 】【 S 】主要是依靠CaO 的碱度来控制的，使之生成磷化物、硫化物的复合物进入炉渣。

P 、S 和CaO 的反应是一个可连反应，温度、碱度是二个控制要素。宝钢目前采用顶底复合吹炼工艺，顶部吹O ，底部吹Ar 或N , 加强钢水搅拌，增加接触面，反应加快、缩短生产周期，目前宝钢生产一炉钢在34 分钟。吹炼过程中，要用副枪测温，对成分快速分析。达到出钢要求，就可以将钢水倒入钢包，进行后处理。

一、炉渣的来源、组成和作用

1．炉渣的来源

炉渣又叫熔渣，是炼钢过程中产生的。炉渣的主要来源有：

1) 由造渣材料或炉料带入的物质。如加入石灰、白云石、萤石等，金属材料中的泥沙

或铁锈，也将使炉渣中含有（FeO）、（SiO2）等。这是炉渣的主要来源。

2) 元素的氧化产物。含铁原料中的部分元素如Si、Mn、P、Fe等氧化后生成的氧化物，如Si02、Mn0、Fe0、P205等。

3) 炉衬的侵蚀和剥落材料。由于高温、化学侵蚀、机械冲刷等方面原因使炉衬剥落，则耐火材料进入渣中。

4）合金元素脱氧产物及炉渣脱硫产物。如用Al脱氧化生成的（Al2O3），用Si脱氧

生成的（SiO2），以及脱硫产物（CaS）等。

2．炉渣的组成

化学分析表明，炼钢炉渣的主要成分是：Ca0、Si02、Fe203、Fe0、Mg0、P205、Mn0、CaS等，这些物质在炉渣中能以多种形式存在，除了上面所说的简单分子化合物以外，还能形成复杂的复合化合物，如2Fe0·Si02、2Ca0·Si02、4Ca0·P205等。

3．炉渣的作用

炼钢过程中熔渣的主要作用可归纳成如下几点：

1)通过调整炉渣的成分、性质和数量，来控制钢液中各元素的氧化还原反应过程，如脱碳、脱磷、脱氧、脱硫等；

2)吸收金属液中的非金属夹杂物；

3)覆盖在钢液上面，可减少热损失，防止钢液吸收气体；

4)能吸收铁的蒸发物，能吸收转炉氧流下的反射铁粒，可稳定电弧炉的电弧；

5)冲刷和侵蚀炉衬，好的炉渣能减轻这种不良影响，延长炉衬寿命。

由此可以看出：造好渣是实现炼钢生产优质、高产、低消耗的重要保证。因此实际生产中常讲：炼钢就是炼渣。

二、炉渣的化学性质和物理性质

熔渣的化学性质主要是指熔渣的碱度、氧化性和还原性。

熔渣的物理性质主要是指炉渣的熔点和黏度。

为了准确描述反应物和产物所处的环境，规定用“[ ]”表示其中的物质在金属液中，“( )”表示在渣液中，“{ }”表示在气相中。

1．炉渣的化学性质

(1)熔渣的碱度炉渣中常见的氧化物有酸、碱性之分，其分类如下：

碱度是指炉渣中碱性氧化物与酸性氧化物浓度的比值，用“R”来表示。

碱度是判断熔渣碱性强弱的指标。去磷、去硫以及防止金属液吸收气体等都和熔渣的碱度有关，因此碱度是影响渣、钢反应的重要因素。

由于熔渣中Ca0和Si02的数量最多，约为渣量的60％以上，所以在熔渣含磷不高时，常以Ca0与Si02浓度之比表示熔渣的碱度，即：

R

若炉渣中含磷量较高，也可以表示为：

R

根据碱度高低，熔渣可分为三类：

1) R<1酸性渣

2) R=1 中性渣

R<1．5低碱度渣

3) R>1碱性渣 R=1．8～2．2 中碱度渣

R>2．5高碱度渣

(2)熔渣的氧化性炉渣的氧化性是指熔渣所具备的氧化能力的大小。它对炼钢过程中的成渣速度、去磷、去硫、喷溅、金属收得率和终点钢水含氧量等均有重大影响。

根据炉渣的分子理论，Fe0能同时存在于渣—钢之中，并在渣—钢之间建立一种平衡(FeO)/ [FeO]，所以一般认为渣中的氧是通过Fe0传递到钢液中的。因而熔渣中的FeO含量便可代表熔渣所具备的氧化能力的大小，即熔渣的氧化性通常用渣中氧化亚铁总量乏(Fe0)表示。

渣中氧化铁含量即渣的氧化性，它对熔渣的反应能力及物理性能有重要的影响。转炉熔渣Fe0过低，造渣困难，炉渣的反应能力低。熔渣Fe0过高，又会造成喷溅，增加金属损失及炉衬侵蚀。因此，渣中氧化铁的含量应适当，在转炉冶炼过程中，一般控制在10％～20％为好。

(3)熔渣的还原性熔渣的还原性和氧化性是炉渣的同一种化学性质的两种不同说法。

在碱性电弧炉还原期操作中，要求炉渣具有高碱度、低氧化性、流动性好的特点，以达到钢液脱氧、去硫和减少合金元素烧损的目的。所以应降低渣中的Fe0，提高渣的还原性。

电弧炉还原期出钢时，一般要求渣中的Fe0质量分数应小于0．5％，以满足出钢时对渣还原性的要求。

2．熔渣的物理性质

(1)熔渣的黏度黏度是表示熔渣内部各部分质点间移动时的内摩擦力的大小。黏度的单位是泊(P)，1P=0．1Pa·S(帕·秒)。

黏度与流动性正好相反，黏度低则流动性好。

冶炼时，若熔渣的黏度过大，则物质在钢液及熔渣之间的传递缓慢，不利于炼钢反应的迅速进行；但若黏度过小，又会加剧炉衬的侵蚀。所以在炼钢时，希望获得适当黏度的炉渣。

影响熔渣黏度的主要因素是熔渣成分和温度。凡是能降低炉渣熔点的成分均可以改善熔渣的流动性，降低渣的黏度；熔池温度越高，渣的黏度越小，流动性越好。实际操作中，黏度的调节主要是靠控制渣中的Fe0、碱度和加入萤石等来实现的。

(2)熔渣的熔点熔渣是多元组成物，成分复杂，当它由固相转变成液相时，是逐渐进行的，不存在明显的熔点，其熔化过程有一个温度范围。通常熔渣的熔点是指炉渣完全转变成均匀液体状态时的温度。

不同的氧化物和复合氧化物的熔点是不同的，炉渣中各种氧化物的熔点见表8—1。

表8—1 炉渣中各种氧化物的熔点

炉渣中最常见的氧化物大部分都有很高的熔点。炼钢温度下，这些氧化物很难熔化。但实际上，它们相互作用生成了各种复杂化合物，这些化合物的熔点低于原氧化物的熔点，从而降低了熔渣的熔点。降低炉渣熔点的主要措施是：加入一定的助熔剂，如矿石(Fe203)、萤石(CaF2)等，以便形成低熔点的多元系化合物。

第二节铁、硅、锰的氧化

在炼钢过程中，氧供入金属熔池后，元素随即开始氧化。无论是氧气顶吹转炉或是其它炼钢方法，元素的氧化速度可以不同，但都是按一定的次序进行的。一般地讲，硅、锰最先被大量氧化，而碳随后被迅速氧化，磷的氧化基本上可与碳同时进行。

元素氧化具有不同次序的原因，是由于各元素与氧的亲和力不同，与氧亲和力强的元

素可以夺取更多的氧，首先开始大量氧化；反之，与氧亲和力弱的元素则夺得较小的氧，它

的氧化就慢些。

1、当温度T＜1400℃时，元素的氧化顺序是： Si Mn C P Fe

2、当1400℃＜T＜1530℃时元素的氧化顺序是： Si C Mn P Fe

3、当T＞1530℃时，元素的氧化顺序是： C Si Mn P Fe

铁和氧的亲和力小于Si、Mn、P与氧的亲和力，但由于金属液中铁的浓度最大，质量分数为90％以上，所以铁最先被氧化，生成大量的Fe0，并通过Fe0使其与氧亲和力大的Si、Mn、P等被迅速氧化。

第二节碳的氧化

碳的氧化反应是贯穿整个炼钢过程的一个最重要的反应，它是完成诸多炼钢任务的一个重

要手段。

第四节脱磷

1．脱磷的基本反应：2[P]+5（FeO）+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe] 放热从反应式中可以看出：较低的温度、高(FeO)、高(CaO)有利于脱磷反应的进行。

第五节脱硫炉渣脱硫

1．炉渣脱硫的基本反应式

[FeS]= (FeS)

+) (CaO)+(FeS)=(CaS)+(FeO)

(CaO)+[FeS]=(CaS)+(FeO) (吸热)

从反应式中可以看出，脱硫的基本条件是：高碱度、高温、低氧化性。

三、回磷回磷是指冶炼后期钢液中磷含量比中期有所回升，以及成品钢中的含磷量比冶炼终点钢水含磷量高的现象。

2．防止回磷的办法

对于电炉而言，防止还原期回磷的主要措施是扒净氧化渣。

第六节脱氧

2．脱氧的原理和任务

炼钢过程中脱氧的原理是：利用对氧的亲和力比Fe大的元素，如Mn、Si、Al

等，把钢液中的氧夺走，形成不残留在钢液中的脱氧产物如Mn0、、

等并上浮到渣中。能用来对钢液脱氧的元素或合金叫脱氧剂。

第七节钢中的气体

钢中气体的来源

钢中的氢来自原料、耐火材料、炉气和空气中的潮气以及金属料中的铁锈(铁锈是含有结晶水的氧化铁)。

钢中的氮来自铁水、氧气和炉气。

第八节钢中的非金属夹杂物

它的主要来源是：

1)与生铁、废钢等一起进入炉内的非金属物质。

2)从入炉到浇注的整个过程中，与钢液相接触并卷入钢液的耐火材料。

3)在炉内、盛钢桶内和钢锭模内脱氧过程中所产生的脱氧产物。