读懂炉渣：高炉炼铁中的关键角色

炉渣及其在高炉炼铁中的作用

高炉（BF）是钢厂使用700多年的最古老反应器，用于生产铁水（热金属）。高炉是复杂的高温逆流反应器，呈竖炉形状，铁质原料（矿石、烧结/球团）与焦炭交替自顶部装入，配合熔剂（石灰石、白云石等）形成层状料柱。预热空气从炉底风口鼓入，与焦炭反应生成还原气体。下降的铁质料（铁氧化物）被上升还原气体还原并熔化生成铁水。伴生矿物和焦炭灰分与熔剂熔融形成炉渣。液态产物（铁水、炉渣）定期通过铁口放出（出铁）。铁水质量取决于炉渣形成及其矿物相转化。优质炉渣是优质铁水的前提。炉渣是铁质料伴生矿物、焦炭灰分与熔剂在料柱中化学反应生成的低熔点化合物混合物。所有未还原化合物（硅酸盐、铝硅酸盐、钙铝硅酸盐等）也进入炉渣。

众所周知，炉渣成分中二氧化硅（SiO₂）和氧化铝（Al₂O₃）增加粘度，氧化钙（CaO）降低粘度。炉渣熔融带决定高炉内聚带，炉渣流动性和熔融特性主导高炉生产率。初期形成富铁渣，随后随熔剂中CaO和MgO同化，渣成分变化。渣下流过程中同化焦炭燃烧产生灰分中的SiO₂和Al₂O₃。下流过程取决于渣流动性（低粘度），进而受成分和温度控制。

炉渣关键功能要求

炉渣必须具备吸收杂质（料中伴生矿物及其他影响铁水质量有害杂质）的亲和力。必须了解炉渣化学成分、矿物组成及反应捕获微量杂质的能力。炉渣应在操作温度下自由流动，实现高效渣铁分离且不夹带铁水。最终产品各项性能直接受炉渣成分影响，炉渣理化性质在高炉运行中起重要作用。

高炉终渣（生产铁水时产生）主要是四种氧化物混合物：(i) SiO₂，(ii) Al₂O₃，(iii) CaO，(iv) MgO。微量成分包括：(i) 氧化亚铁（FeO），(ii) 氧化锰（MnO）、二氧化钛（TiO₂）、碱金属氧化物（K₂O、Na₂O）及含硫化合物。高炉不同区域生成四种成分截然不同的渣（图1）：(i) 初渣，(ii) 炉腹渣，(iii) 风口渣，(iv) 终渣。分别生成于：(i) 内聚带，(ii) 滴注带，(iii) 燃烧带，(iv) 炉底。终渣被出铁，因此顺利出铁要求其具备适宜流动性（低液相线温度、低粘度）。

图1 高炉渣种类及生成区域

高炉顺行要求炉渣满足的条件

• 渣量尽可能低；
• 具备碱金属去除能力；
• 满足脱硫要求；
• 初渣成分均匀；
• 渣形成限制在有限高度范围内且渣性稳定；
• 渣形成区提供良好透气性；
• 渣熔点不宜过高或过低；
• 终渣流动性足以经铁口排出。

内聚带与渣熔融行为

铁质料层在内聚带受熔剂和温度影响软化熔化，大幅降低层透气度，调节炉内物料（气/固）流动。内聚带上界为铁质料软化，下界为熔化流动。高软化温度配合相对低流动温度形成靠下的窄内聚带，缩短液体在炉内行程，减少硅回收。另一方面，从炉腹流至炉底的终渣应为“短渣”，即软化即流动。因此熔融行为是评价高炉炉渣有效性的重要参数。

高炉炉渣流动性影响内聚带软化熔化行为、滴注带液体滞留导致的下部透气性、炉底液流、铁口排渣能力，也影响脱硫能力。渣流动性受温度和成分影响，后者受矿石伴生矿物、焦炭灰分和喷吹煤灰分影响。

高炉渣体系与主要操作区域

高炉渣主要属三大渣体系：(i) CaO–Al₂O₃–SiO₂三元体系，(ii) CaO–Al₂O₃–SiO₂–MgO四元体系，(iii) CaO–Al₂O₃–SiO₂–MgO–TiO₂五元体系。一般高炉渣为保证良好流动性，在五元体系（SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-TiO₂）液相线图中主要操作区域为钙镁榴石相（钙镁硅酸盐Ca₂MgSi₂O₇与钙铝硅酸盐Ca₂Al₂SiO₇的固溶体）。

炉渣成分对理化特性的影响

高炉渣成分对理化特性影响深远，进而影响脱硫程度、运行顺行、渣处理、焦比、透气性、传热、铁水产量及质量等。影响最大的渣性质为粘度、硫化容量、碱容量和液相线温度，这些性质对整个高炉过程影响巨大。渣粘度受化学成分、结构和温度强烈影响。

渣粘度是关联反应动力学和终渣还原程度的传输性质。渣粘度决定渣铁分离效率，进而影响金属收率和杂质去除能力。操作中，渣粘度指示出铁难易度，关联能耗和工艺盈利性。

若炉控系统能预测渣粘度和液相线温度，可优化高炉运行分析决策，替代基于渣成分的经验法则。为此，过去曾为不同渣体系测量建模粘度做出诸多努力。

液态渣可视为牛顿流体，剪切粘度与剪切速率无关，称动力学粘度。粘度主要受键合和聚合度影响，SiO₂和Al₂O₃凭借高共价键增加粘度。相反，CaO、MgO等单氧化物表现离子行为，破坏硅酸盐链降低粘度。这仅适用于液态渣相系统，多相系统中单氧化物增加导致固相活度升高、可能析出固相，反而增加有效（观测）粘度。

成分调整的对立效应

典型操作中调整渣成分常产生对立效应。例如，提高碱度降低粘度通常伴随液相线温度升高的不利效应。除理化性质外，渣碱度还影响硫（和磷）去除能力及铁水硅含量。高碱度导致渣中硫值高、铁水中硅值低。

低Al₂O₃渣通常粘度低、硫化容量高、液相线温度低、渣量少；Al₂O₃通常>15%的高Al₂O₃渣粘度高。高Al₂O₃渣主要见于印度高炉，因铁矿石、烧结及焦炭灰分Al₂O₃/SiO₂比高。

渣粘度温度依赖关系

液态渣粘度主要由温度和化学成分决定。给定温度范围内粘度温度依赖通常用阿伦尼乌斯方程描述：

η = A exp(E/RT)

其中：η=渣粘度，A=指数前因子，E=粘性流动活化能，R=气体常数，T=绝对温度。

硅酸盐渣由四面体排列的Si⁴⁺阳离子和4个氧阴离子构成SiO₄⁴⁻四面体，通过桥氧连接成链或环。渣中粘性流动取决于离子种类迁移率，进而取决于化学键性质和离子构型。离子间作用力取决于离子大小和电荷，强作用力导致粘度增加。高硅酸盐熔体中聚合阴离子致高粘度。随金属氧化物浓度增加，Si-O键逐步断裂，网络尺寸减小，渣粘度降低。碱金属氧化物加入至10-20mol%因去聚合导致粘度剧烈下降。

高炉渣中氧化铝恒存，AlO₄⁵⁻基团与SiO₄⁴⁻形成聚合单元。含CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃渣中氧化铝同二氧化硅一样增加粘度；石灰和镁砂作为供氧体对粘度作用相反。渣粘度取决于成分和温度。低粘度不仅通过影响液态渣中离子向渣/金属反应界面传输来控制反应速率，还保证高炉顺行。增加碱性氧化物和温度（高于渣液相线温度）均降低粘度。CaO-MgO-SiO₂-Al₂O₃体系中氧化铝和二氧化硅摩尔基础上效果不等价，氧化铝对粘度影响取决于渣CaO含量，因Al³⁺替代硅酸盐网络中Si⁴⁺需配合½Ca²⁺维持电中性。

渣熔融行为特征温度

渣熔融行为用四个特征温度描述：(i) 初熔温度（IDT）表征表面粘性，对固态物料移动重要；(ii) 软化温度（ST）表征塑性变形开始；(iii) 半球温度（HT），即熔融/液相线温度，表征迟滞流动，在炉子空气动力学和传热传质中起重要作用；(iv) 流动温度（FT）表征液体流动性。

内聚带形成的初渣以FeO为主要熔剂成分。固相线温度、熔融温度、固熔区间显著受FeO影响。此渣与以CaO、MgO等碱性成分为主要熔剂的终渣完全不同。虽无法从高炉获取初渣，但可在实验室制备模拟初渣的合成渣研究流动特性。终渣ST与FT差值小，一旦开始塑性变形即获液体流动性尽快流离生成位置，暴露新反应位点，据推测此举提升渣铁反应速率，影响高炉运行和铁水质量。

高炉渣流动特性除受成分、铁质料伴生矿物质量数量影响外，还强烈受低温（颗粒带）铁氧化物还原程度影响。渣CaO/SiO₂比和MgO含量极大影响软化熔融性能。工艺后期MgO供给常导致内聚带温度区间变小，改善料柱透气性，进而影响焦比和铁水质量。

高氧化铝渣的恶化效应及对策

铁矿石Al₂O₃增加不仅影响烧结强度，还影响内聚带高温特性。渣中Al₂O₃浓度被视为降低渣流动性、升高液相线温度的因素。高氧化铝渣效应：

• 等碱度（CaO/SiO₂）下粘度高。但增加碱性氧化物和温度（高于液相线）可一定程度降低粘度；
• 更强硅还原倾向，铁水硅水平升高趋势；
• 铁水硫含随渣Al₂O₃增加而升高，高氧化铝渣导致脱硫效率降低；
• 滴注带压降随渣Al₂O₃浓度升高而增大，即使提高CaO/SiO₂压降仍增大。

高氧化铝恶化效应可通过提高MgO含量抵消。多国半经验设定渣Al₂O₃上限约16%，以避免铁渣积聚和下部透气性恶化。