标题：高炉造渣
简介
[1]高炉炼铁过程中，熔剂同矿石的脉石和焦炭的灰分相互作用，将不进入生铁和煤气的物质溶解、汇集和熔化成液态炉渣的过程。矿石的脉石和焦炭的灰分多系SiO2、Al2O3等酸性氧化物，它们的熔点都很高，分别为1723℃和2060℃，不可能在高炉中熔化。由SiO2和化合物3Al2O3·2SiO2组成的共晶体，其熔化温度仍然很高(约1545C)，在高炉中只能形成非常黏稠的物质，难于流动，造成渣铁不分。这样，高炉冶炼就不能进行。为此需加入助熔物质——熔剂，如石灰石(CaCO3)、白云石(CaCO3·MgCO3)等。尽管由石灰石、白云石分解生成的碱性氧化物CaO、MgO自身的熔化温度也很高(CaO2570℃，MgO2800C)，但它们与SiO2和A12O3结合生成的低熔点(<1400℃)化合物在高炉内能充分熔化，形成流动性良好的熔渣，并由于密度不同(铁水6．8～7．0g/cm，熔渣2．2～3．2g/cm)而与铁水分离，使高炉冶炼得以正常进行。熔剂种类的选择应针对矿石脉石和焦炭灰分的成分而定。由于一般情况下矿石脉石和焦炭灰分系酸性氧化物，所以主要采用碱性熔剂。熔剂加入的方法有两种：一种是将熔剂加到烧结矿或球团矿中；另一种是直接加到高炉内。现代高炉冶炼时，多采用自熔性烧结矿和球团矿，或高碱度烧结矿与天然块矿和酸性球团矿配合的炉料结构，熔剂已不再直接加入高炉或直接加入量已减至很小的程度。  
作用
高炉造渣对生铁的品种和质量有着重大的影响和作用。通过造渣可控制炉渣的成分和性质，抑制一些元素的还原，或促进另一些元素的还原，达到富集元素，提高元素回收率。例如钒钛磁铁矿的冶炼中抑制Ti的还原，促进V的还原；又如高炉冶炼铁合金时，提高Mn的回收率；在冶炼普通生铁时，则控制Si的还原，使产品成为铸造生铁或炼钢生铁。造渣的另一个重要作用是脱硫，生产中可通过造渣选择合适的炉渣碱度控制生铁中的含硫量。
高炉造渣对炉衬有很大的影响和作用。中国包头铁矿石中含有CaF2，含CaF2熔渣对炉衬有强烈的侵蚀作用，为此高炉造渣时添加足够的CaO，以防止炉渣的熔化性和粘度过低，削弱其侵蚀作用，以保护炉衬。近年来中国推广了低钛渣护炉法，即在高炉配料中加入含TiO2物料，使渣中TiO2含量达到2%～3%左右。由于TiO2还原生成的高熔点化合物TiC、TiN及Ti(C、N)在铁液中的溶解度是有限的，它们自铁液中析出和沉积，对炉缸、炉底的砖衬起到了保护作用。
高炉造渣对冶炼过程极为重要，无论对炉内料柱高gao透气性、炉况的稳定顺行和热状态等方面都有很大的影响。可以说：炼铁就是炼渣，要炼好铁就要炼好渣。
炉渣的组成高炉渣主要由酸性氧化物SiO2、A12O3和碱性氧化物CaO、．MgO4种成分组成。在用普通铁矿石冶炼炼钢生铁的情况下，这4种成分之和在95%以上，另有少量的FeO、MnO和硫化物(CaS、MnS等)。在冶炼特殊矿石时，炉渣中还含有其他成分。例如，在冶炼攀枝花钒钛磁铁矿时，炉渣中含有20%～30%TiO2；(见钒钛磁铁矿的高炉冶炼)在冶炼含氟矿石时，炉渣中含有18%左右的caF：；(见白云鄂博矿的高炉冶炼)在冶炼锰铁时，炉渣中含有较高的MnO。
造渣过程高炉内的炉料在下降过程中，其中焦炭始终保持固体状态，除少部分碳素参加还原和生铁渗碳外，绝大部分到达风口时才燃烧和气化。炉料中的矿石和熔剂逐渐被上升的煤气流加热而发生还原、分解和固相反应，在达到一定温度后就出现粘结，进而软化和熔融成初渣。熔融的初渣在向下滴落过程中，其中FeO和MnO不断被还原而减少，同时不断地吸收熔剂中的Ca0和MgO，以及随煤气流上升的焦炭燃烧后残留的灰分，因而其化学成分在不断变化着。当熔渣在炉缸中完成脱硫和还原反应以后，最后作为终渣定期地或连续地被排出炉外。20世纪50年代以来，特别是在70年代，日本等国家对高炉进行的解体研究，对查明炉内的造渣过程起到了十分重要的作用。图ln是日本广烟1号高炉(1407m)，b是洞同4号高炉(1279m)的炉内解体状况图。c是中国首都钢铁公司(首钢)23m试验高炉的炉内解体状况图。根据高炉解体研究的结果，高炉内的料柱结构(图2)由上而下可分为块状带、软熔带、滴落带等。在块状带中，矿石和焦炭保持着原来的层状结构而下降，随着温度的升高进行着还原、分解等固相反应，例如CaO与SiO2，SiO2与Fe3O4，Ca与Fe2O3，SiO2与FeO以及CaO与A12O3之间都能进行着固相反应。随着炉料的下降，固相反应生成的低熔点化合物首先呈现出少量的局部的熔化，即矿石开始软化。随着温度的继续升高和还原反应的继续进行，液相不断增多，最终完全熔融成为液相的炉渣向下流动。这个矿石开始软化到完全熔融的区域，就是软熔带。在软熔带中矿石软熔层和焦炭层仍保持层状结构。煤气主要是穿过焦炭层这个“焦窗”向上流动。
软熔带的形状有倒V形、W形和V形三种，分别与高炉内煤气流分布的中心气流发展、边缘和中心两道气流和边缘气流发展相对应。中国首钢试验高炉和日本广烟1号高炉的软熔带属倒V形，日本洞同4号高炉的属w形，前苏联叶那基耶夫426m高炉的属V 形。一般，软熔带形成的温度为1100℃左右，完全熔化滴落的温度为1400～1500℃。在软熔带中生成的液相炉渣，以珠状和冰凌状穿过软熔带下面焦炭区域(文献中常称之为死料柱)向下滴落。这个区域就是滴落带。高炉炉渣按其在炉内形成过程可以分为初渣、中间渣和终渣。
初渣 指在高炉软熔带中刚开始出现的液态渣。其中含有较多的。FeO和MnO。这是因为由矿石中Fe2OnFe3O4还原生成的FeO和由矿石中MnO2、Mn2O3、Mn3O4还原生成的MnO，易与SiO。结合成低熔点的硅酸铁、硅酸锰。矿石的还原性愈差，或矿石在242高炉上部的还原程度愈低，初渣的FeO含量就愈高。这是初渣与终渣在化学成分上的最大差别。
中间渣 指处于滴落过程中的，其成分和温度在不断变化着的液态渣。渣中FeO、MnO不断被还原而减少。熔渣的流动性随温度的升高而增大。由于焦炭灰分的酸性组分主要是在风口处释放后才被吸收，因而中间渣的碱度常常比终渣高。实际上，中间渣就是在软熔带以下、风口水平以上的处于滴落过程中的炉腹渣。中间渣能否顺利滴落通过焦炭层，取决于原料成分和炉温的稳定。使用天然矿石冶炼时，尤其是在矿石成分波动大时，大量石灰石直接入炉，往往产生炉温和中块状带软熔带滴落带构及软熔带分布示意图间渣成分的激烈波动，造成中间渣熔化性和黏度的激烈变化，导致炉况不顺，难行、悬料、崩料甚至结瘤。使用成分稳定的自熔性熟料或使用高碱度熟料加酸性料冶炼时，只要注意图2高炉内料柱结保持炉温的稳定及炉料和煤气流的合理分布，就可以基本排除以上弊病。焦炭是滴落带中惟一的固态骨架物料，因而焦炭的冷态强度和热态强度是保持中间渣顺利滴落的基本条件。
终渣 指已经下达炉缸渣铁积存区的液态渣。中间渣在降落过程中，其化学成分有一次重大变化。即吸收燃烧带中焦炭和喷吹煤粉燃烧后残留下来的灰分参与造渣，使渣中Al2O3和SiO2含量明显升高，而CaO和MgO含量则相对降低。这样的熔渣流入炉缸下部的渣铁积存区，其成分和性质已基本稳定，不会再有明显的变化。铁滴穿过炉缸下部熔渣层以及熔渣层和铁液层之间渣铁界面上发生的脱硫反应和各种还原反应使熔渣成分发生一些相应的变化。但是这些变化对终渣成分影响都很小。一般泛称的高炉渣就是指终渣。高炉操作者必须通过合理的配料，保证终渣具有适宜的成分和性质。
造渣过程对高炉冶炼的影响高炉内煤气流上升过程中受到阻力最大的区域是软熔带。根据实测数据，软熔带及其以下区域的煤气压差大约为全部压差的60%～80%。因此，软熔带的位置、厚度、形状等对高炉冶炼的顺行、强化和煤气的分布等有着重大的影响。
软熔带位置软熔带的位置高，意味着透气性差的软熔带及其以下区域向上延伸，将导致整个料柱透气性变差；反之，软熔带的位置低，将会使整个料柱透气性得到改善。此外，软熔带位置高，使在块状带内进行的气固相还原反应减少，造成初渣中FeO含量高。这种熔化温度低、流动性好且未充分加热的初渣，能以较快的速度降落到高炉下部高温区，大量FeO的直接还原使下部消耗的热量增多，导致焦比升高和产量下降。软熔带位置过低也不利于炉况顺行。若矿石降落到炉腹部位才开始软化，将会因炉腹断面的收缩而使炉料卡塞，造成难行和悬料。因此，保持软熔带位置适当，对高炉冶炼的顺行和强化是十分重要的。
软熔带厚度软熔带愈薄，对上升煤气流的阻力愈小，愈有利于高炉冶炼的顺行和强化；反之，软熔带愈厚，上升煤气流遇到的阻力愈大，愈不利于高炉冶炼的顺行和强化。决定软熔带厚度的关键是矿石的软熔性质。一般说来，与天然矿石相比较，自熔性和高碱度的烧结矿和球团矿具有较高的开始软化温度和较窄的软熔温度区间；与低品位和高SiO2含量的矿石相比较，高品位和低SiO2含量的矿石具有较高的开始软化温度和较窄的软熔温度区间。故而高炉使用自熔性烧结矿和球团矿，将使软熔带变薄，有利于改善料柱透气性，有利于高炉冶炼的顺行和强化。当使用天然矿石的品种较多时，由于各种矿石的还原性质和软熔性质的不同，也将使软熔带变厚，从而不利于炉况顺行和强化。
软熔带形状软熔带的形状对高炉内煤气流的分布，煤气热能和化学能的利用以及高炉冶炼的顺行和强化十分重要。倒V形软熔带，促进中心气流发展，有利于活跃中心，使燃烧带产生的煤气易于穿过中心焦炭柱，并横向穿过软熔带的焦窗，折射向上，因而有利于降低高炉内煤气流压差和改善煤气流的二次分布，提高煤气热能和化学能的利用率。同时，由于边缘煤气流相对减弱，可减轻其对炉衬的冲刷并降低炉衬承受的热负荷。V形软熔带则与之相反，是中心过重而边缘煤气流过分发展的结果。在这种情况下，中心炉料堆积，料柱透气性差，煤气流压差升高；大量煤气从边缘通过，极不利于煤气能量的利用，对炉衬的破坏也十分严重。w形软熔带是适当发展中心和边缘两道煤气流的结果，是长时期来，在原料不精，上下部调节手段少的情况下高炉操作的传统形式。在这种情况下，高炉能保持顺行，但冶炼的技术经济指标达不到最好的水平，尤其是焦比偏高，已不能满足大型高炉进一步强化和降低燃料比的要求。
造渣过程的稳定无论使用生矿或熟矿，保持稳定的造渣过程是高炉冶炼顺行和强化所必须的。高炉内造渣过程的剧烈波动，必然导致炉况不顺，严重时将出现炉况难行、悬料(见悬料与坐料)等现象。造成炉内造渣过程不稳定的原因主要有两个方面。一是原燃料品种、质量不稳定；二是高炉操作制度波动或发生设备事故等。因为不论是入炉矿石的品位、性质、粒度组成和配比等经常性的波动或变化，还是操作制度的变动或失误均必然引起炉内软熔带位置、厚度和形状的波动或变化，从而破坏炉况顺行和煤气流的合理分布。
渣量矿石品位低，高炉冶炼时生成的吨铁渣量大，不但使焦比升高，而且由于高炉下部渣焦比的增大，使软熔带和滴落带的透气性降低，不利于高炉冶炼的顺行、强化以及喷吹燃料。因此，提高矿石品位，减少渣量，不仅可以降低焦比，而且可增加喷吹燃料量，提高冶炼技术经济指标。
造渣过程与结瘤高炉结瘤的根本原因之一是正常的造渣过程受到严重的破坏。不同FeO含量和不同碱度的初渣，其抵抗温度和成分急剧变化而保持稳定的能力是不同的。高FeO含量的初渣，当温度急剧升高使Fe()被大量迅速还原时，炉渣的熔化性急剧升高，已熔化的初渣会重新凝固，严重时会粘结于炉墙，结成铁质炉瘤。如此反复，炉瘤愈长愈大，从而破坏高炉的正常生产。若炉顶装料时石灰石被集中装到炉墙边缘处，造成初渣碱度局部增高也会使已熔化的初渣重新凝固，严重时结成石灰质炉瘤。
炉渣性能包括其化学性能和物理性能。化学性能指炉渣碱度、组分的活度、脱硫性能(见高炉脱硫)和排碱性能(见炉渣排碱)等，物理性能指炉渣熔化性、流动性、表面性能和炉渣稳定性等。
碱度通常用炉渣中碱性氧化物与酸性氧化物的质量百分数的比值表示。炉渣中CaO/SiO2的比值称为碱度或二元碱度；(CaO+MgO)/SiO2的比值称为总碱度或三元碱度；而(CaO+MgO)/(SiO2+Al2O3)的比值称为全碱度或四元碱度。炉渣碱度是炉渣的一个特性指数。在一定的冶炼条件下，Al2O3和MgO含量相对稳定。为简便起见，实际生产中通常采用二元碱度。在普通矿石冶炼的情况下，习惯上把CaO/SiO2>1的炉渣称为碱性渣，CaO/SiO2<1的炉渣称为酸性渣。炉渣碱度的选择主要根据矿石的成分、冶炼铁种对炉渣性质的要求而定。它对高炉炉况和生铁质量有很大的影响。
熔化性指炉渣熔化的难易程度，可用熔化温度和熔化性温度两个指标来表示。熔化温度是炉渣加热过程中固相完全消失的温度，或液态炉渣在冷却过程中开始析出固相的温度。它影响软熔带与滴落带的界面位置。高炉冶炼过程要求适当的熔化温度，如果这一温度过高，表明炉渣过分难熔，在冶炼所能达到的温度下只能达到半熔融、半流动的状态，炉料粘结成糊状，244煤气很难通过，造成炉况难行、渣铁不分等。这一温度过低，物料在固态时受热就不足，熔滴温度过低，使炉缸高温热量消耗过多，影响难还原元素的还原和渣铁温度，以及产品的质量。
高炉冶炼要求炉渣熔化后必须具有良好的流动性，但是一些炉渣在达到熔化温度以上时流动性并不好。因此生产上用炉渣可以自由流动的最低温度，即熔化性温度来表示炉渣的熔化性。它把熔化温度和流动性两者联系在一起，通过测定炉渣在不同温度下的黏度，画出黏度一温度曲线，然后用45切线的切点确定熔化性温度。实际生产中高炉渣的熔化性温度常为1250～1350℃，控制适宜的熔化性温度，并相应地控制适宜的炉温水平，有利于高炉顺行、强化冶炼和降低燃料比。
黏度 具有不同流动速度的各液层问的内摩擦力，常以η表示，其物理意义是，在单位面积上相距单位距离的两液层之间，为维持单位速度差所必须克服的内摩擦力，以Pa·s(N·s/m。)为单位。它是说明炉渣流动性的参数，与流动性互为倒数。在正常冶炼情况下，适宜的高炉渣黏度范围在0.5～2Pa·s之间。影响炉渣黏度的主要因素是温度和炉渣成分。一般，炉渣黏度随温度的升高而降低，其变化规律由实验测得的可一￡曲线表示。在一定的温度下，炉渣黏度主要决定于化学成分。对于通常的CaO—SiO2A12O3MgO四元系高炉渣来说，最低黏度区处于二元碱度为0.8～1.2三元碱度为1.2～1.4的情况。随渣中SiO2含量的增加，炉渣黏度不断升高。CaO对炉渣黏度的影响与SiO2相反。在冶炼温度超过炉渣熔化性温度的条件下，随着渣中CaO含量的增加，炉渣黏度逐渐降低，直至达到最低黏度值。超过最低黏度区再继续增加CaO或减少SiO2，将引起黏度的急剧升高。其原因是渣中CaO含量过高，炉渣二元碱度过大，致使在一定的冶炼温度下炉渣不能完全熔化成均一的液相，在液相中悬浮着固相颗粒所致。Mg()对炉渣黏度的影响与CaO相似。在一定的范围内增加Mg()含量可以降低炉渣黏度。当保持CaO/SiO2比值不变而增加．Mg()时，这种作用很明显。当保持(CaO+Mg(O)/SiO2不变而以MgO代替CaO时，这种作用就有所降低。炉渣中的MgO含量不宜过大，否则会由于熔化性温度的升高而使黏度升高。在碱度和MgO含量相同的情况下，炉渣黏度随着渣中Al2O3含量的增加而升高。一般高炉终渣中FeO和MnO含量很少(0.5%左右)，对炉渣黏度影响不大。但在初渣和中间渣中Fe()含量较高，且波动范围较大，因而影响很大。无论炉渣碱度如何，在FeO低于25%时增加FeO含量会显著地降低炉渣的熔化性和黏度。MnO对炉渣黏度的影响与FeO相似。在MnO含量低于15%时增加MnO含量，同样显著地降低炉渣的熔化性和黏度。黏稠的初渣和中间渣能堵塞固体焦炭颗粒间的空隙，恶化料柱透气性，阻碍高炉的顺行，严重时引起炉况难行和悬料，影响冶炼过程的强化，且易在炉墙上黏结，甚至结瘤。黏稠的终渣造成炉缸堆积，炉墙结厚，风口和渣口大量烧坏，出渣时渣流不畅，且渣中带铁严重影响高炉的正常生产。黏度过低，流动性太大的炉渣，尤其是熔化性也过低的炉渣，如含氟炉渣，则会加剧对高炉下部炉衬的化学侵蚀和机械冲刷作用，加剧炉衬的破坏。
炉渣黏度适中方能保证料柱良好的透气性，保护炉衬，活跃炉缸，渣铁畅流，保证炉况顺行和冶炼强化，而且也有利于渣铁之间的脱硫反应和各种还原反应的进行，获得良好的技术经济指标。
稳定性指炉渣的化学成分或温度波动时其物理性质(熔化性温度、粘度等)保持稳定的能力。化学稳定性好的炉渣当其化学成分波动时物理性质变化不大或保持在允许范围内；热稳定性好的炉渣当温度波动时其物理性质变化不大或保持在允许范围内。采用稳定性良好的炉渣冶炼，有利于炉况顺行和冶炼的强化，也有利于在炉衬上结成稳定的渣皮，保护炉衬，获得良好的技术经济指标。稳定性差的炉渣在原料成分波动或炉温波动时，易造成炉况失常，如难行、悬料、崩料、结瘤或砖衬破坏等。