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摘要：高炉渣是炼铁过程中生产的副产品，也是工业生产的废弃物。随着钢铁企业的快速发展，高炉渣的排放量也日益增多。随着高炉的大型化、集约化，对高炉优化操作调控高炉内部状态提出了更高的要求，改善高炉炉渣的冶金性能是调节高炉内部状态的有效手段。因此文章就化学成分对高炉炉渣冶金性能的影响进行相关分析。
关键词：化学成分；高炉炉渣；冶金性能；影响
随着钢铁企业的快速发展，高炉渣的排放量也日益增多。一般来说，高炉每吨生铁的产渣量随着矿石品位和冶炼强度的不同而发生变化。不同的物质有着不同的化学组成，物质的微观结构也决定着其性质。改变高炉炉渣的化学成分进而改变其冶金性能，对高炉的顺行以及炉缸区的调控有很大的提高。寻找适宜的化学成分对改变高炉炉渣的性能具有良好的指导意义。
一、高炉渣简介
（一）高炉渣的化学成分
高炉渣是冶炼生铁时高炉排出物，其主要成分是硅酸盐和铝酸盐。当炉温达到1400~1600℃，炉料熔融，矿石中的脉石，焦炭中的灰分，助溶剂和其他不能进入生铁中的杂质形成以硅酸盐和铝酸盐为主浮在铁水上面的熔渣。高炉渣的主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3和MgO，合计超过了炉渣组成的95%。根据矿石及焦炭灰分成分之不同，可能会有较多的其他化合物如TiO2、BaO和CaF2等，以及少量的MnO，FeO、CaS等。承钢高炉渣中还含有TiO2和V2O5，酒泉高炉渣中含有BaO，CaF2等。
（二）高炉渣的矿物组成
碱性高炉炉渣中最常见的矿物黄长石、橄榄石、硅酸二钙、硅钙石、硅灰石和尖晶石。酸性高炉炉渣根据冷却速度不同，形成不一样的矿物。当快速冷却结成玻璃体，往往出现结晶的矿物相，如黄长石，假硅灰石，斜长石等。高炉渣中存在大量的硅酸一钙（CaO•Al2O3）、二铝酸钙(CaO•2Al2O3)、三铝酸五钙(5CaO•3Al2O3)蔷薇辉石（MnOSO2）矿物等。
二、化学成分对高炉炉渣冶金性能的影响
（一）碱度对高炉炉渣冶金性能的影响
随着进口矿石的价格上涨，目前入炉原料都会选用价格低廉的外矿，相比于普通矿而言低价外矿碱金属含量较高。碱度对炉渣的物理性质影响很大，碱度的改变可以影响初渣的黏度与熔化性温度，黏度过高而不容易滴落会影响滴落带的透气性，如果熔化温度过高则不容易熔化，会直接影响软熔带的透气性。郭德勇等人通过改变碱度研究不同碱度对炉渣黏度的影响，结果表明，碱度范围在1.07~1.50范围内，当碱度增加时炉渣黏度降低，当碱度继续增加超过1.35时，炉渣黏度趋于平缓。即碱度增加时，渣中CaO的含量会增加，使炉渣中自由氧离子的含量增加，自由氧离子与桥氧相互作用，破坏了炉渣的网络结构使得炉渣聚合物降低，导致炉渣黏度降低。如果炉渣的碱度过高时，此时炉渣中复杂网状结构减少，则能与O2-反应的O0减少，因此黏度降低趋势平缓。田野等人也对碱度对炉渣性能的影响做了大量的研究，研究表明，最高碱度(1.15)的熔化性温度比最低碱度(1.05)熔化性温度高40℃，即当碱度升高后，由于炉渣中有一定量的高熔点物质生成(例如硅酸二钙，熔点为2130℃)，此时炉渣易产生非均匀相，会致使炉渣的熔化性温度升高。
（二）MgO对高炉渣冶金性能的影响
面对目前原料紧张，很多企业选择加入高硅、高铝等原料，造成高炉渣流动性变差，因此，需要往高炉中加入一定的MgO，来改善炉渣流动性，同时MgO对高炉炉渣的冶金性能也有影响。李福民等研究不同的MgO对高炉渣冶金性能的影响，结果表明，当炉渣中的MgO含量低于11%时，增加MgO含量，炉渣粘度和熔化性温度降低；当MgO含量超过11%时，提高MgO含量，炉渣黏度以及熔化性温度就会有所上升。这是因为炉渣中的MgO含量增多，高熔点的硅酸二钙会难以生成，使熔化性温度略微降低；并且带入大量O2-离子，降低了Al-O、Si-O阴离子团的聚合度，使它们网状结构断裂，形成一些简单的单、双四面体结构；同时还能与Al2O3生成一系列的低熔点物质，降低炉渣黏度，增加流动性。何环宇就高炉渣中MgO的含量对炉渣流动性和稳定性进行分析。结果表明，提高炉渣中的MgO含量到合适的范围，炉渣矿物组成会进入熔点较低且稳定的黄长石出晶范围，炉渣黏度下降，有利于流动性的改善。在不同的炉渣碱度下改变MgO的含量，会导致炉渣黏度也有所不同，如果碱度过高，炉渣就会处于等黏度曲线和等温线分布相对较密集的黄长石初晶区边缘，因此这个效果在碱度较大时比较明显。
（三）Al2O3对高炉炉渣冶金性能的影响
目前，在经济配矿的前提下，高铝炉料也开始加入到高炉中，Al2O3对于高炉炉渣也有着很强的影响，并能对炉渣的脱硫能力也有着很大的影响，所以对其研究很有必要。常久柱等通过改变Al2O3的含量对高炉渣冶金性能的变化做出了研究，表明炉渣中的Al2O3含量提高以后，炉渣的黏度和熔化性温度都会升高。这是因为增加Al2O3的含量以后，炉渣中的AlO45-离子团数量也有所增加，同时炉渣中容易生成多种高熔点的化合物，如尖晶石(MgO•Al2O3，熔点为2135℃)和铝酸一钙(CaO•Al2O3，熔点为1600℃)，炉渣熔点的提高和其内部结构的复杂，使黏度和熔化性温度提高。为了实现高铝入炉原料和钒钛矿的合理搭配，周姣等人研究了含Al2O3中钛高炉渣中Al2O3的含量对炉渣黏度和熔化性的影响。试验表明，在中钛高炉渣中Al2O3的质量分数为14%时，炉渣具有良好的流动性以及熔化性温度。根据炉渣离子模型理论。当Al2O3质量分数为13%时，黄长石作为熔渣主要的组分，其离子团会形成长链状结构，导致熔渣体相会有较高的黏度。如果继续增加渣中Al2O3含量，渣中一些高熔点矿相(如CaO•Al2O3、MgO•Al2O3)会增加生成速率，并在熔渣中弥漫着诸多细小颗粒，致使熔渣黏度伴随着Al2O3含量增加而升高，另外，当Al2O3含量到达一定值后，渣中会有较多游离态Al3+存在，它会连接小型离子官能结构或者单体，组成复杂形状的离子团，使熔渣流动性变差，熔渣体相黏度也会随之而升高。Al2O3不仅对炉渣的黏度和熔化性温度影响较大，而且对炉渣的脱硫能力也非常显著。
（四）TiO2对高炉炉渣冶金性能的影响
钒钛矿主要分布在承德和攀西地区，其价格便宜、储存量大容易被开发。为了充分利用钒钛矿，许多学者采用不同手段研究TiO2对高炉渣冶金性能的影响。冯聪等人研究了不同含量的TiO2对炉渣性能的影响。结果表明，当TiO2质量分数增加时，高炉渣熔化性温度和黏度都会增加。根据熔渣离子理论，Ti4+半径比Ca2+、Si4+、Mg2+及Al3+半径大，一定程度上可降低渣中黏滞单元硅氧复合阴离子SixOyz-的聚合程度，分解其网状结构。因而，炉渣含有一定含量的TiO2能降低炉渣黏度。但是TiO2质量分数增加时，渣中钙钛矿(CaO•TiO3，熔点为1970℃)等高熔点物质急剧增多，使炉渣在高温条件下的结晶能力变强，从而导致熔化性温度增大。
总之，不同的化学组分对炉渣的冶金性能影响是不同的，碱度、MgO以及TiO2对炉渣的黏度和熔化性温度的影响较为明显。文章对此进行了详细的分析，期望能够起到一定的借鉴作用。
参考文献
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