高爐礦渣與鋼渣

聞寶聯(lián)

（建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100024）

最近幾位學(xué)員咨詢(xún)我鋼渣和高爐礦渣的問(wèn)題，總有些問(wèn)題搞不太清楚，比如鋼渣和高爐礦渣成分相似，為什么應(yīng)用效果差異巨大？本文就這個(gè)問(wèn)題與大家共同交流一下。

煉鐵是將金屬鐵從含鐵礦物（主要為鐵的氧化物）中提煉出來(lái)，從含鐵的化合物里把純鐵還原出來(lái)，從冶金學(xué)角度而言，煉鐵即是鐵生銹、逐步礦化的逆行為。

煉鐵時(shí)用的鐵礦石，主要有赤鐵礦石（主要成分是Fe2O3）和磁鐵礦石（主要成分是 Fe3O4），在鐵礦石中還含有無(wú)用的脈石，主要成分是二氧化硅（SiO2）。煉鐵時(shí)，被還原出的鐵在高溫下變成液體，溫度在1535℃左右，原燃料中的 SiO2、Al2O3等酸性氧化物的熔點(diǎn)很高（SiO2為 1713℃，Al2O3為 2050℃ 左右），不可能在高爐中熔化。即使它們有機(jī)會(huì)組成較低熔點(diǎn)的化合物，其熔化溫度仍然很高（約 1545℃），在高爐中只能形成一些非常粘稠的物質(zhì)，造成渣、鐵不分，難于流動(dòng)。為了除去這種雜質(zhì)，選用石灰石作熔劑，石灰石在高溫下分解成 CaO 和 CO2。盡管熔劑中的 CaO和 MgO 自身的熔點(diǎn)也很高（CaO 為 2570℃，MgO為 2800℃），但它們能同 SiO2、Al2O3結(jié)合成低熔點(diǎn)（＜1400℃）化合物，在高爐內(nèi)足以熔化，形成流動(dòng)性良好的爐渣，按相對(duì)密度與鐵水分開(kāi)（鐵水相對(duì)密度6.8～7.8，爐渣 2.8～3.0），CaO 在高溫下與 SiO2反應(yīng)生成熔點(diǎn)比鐵水溫度還低的硅酸鈣，與 Al2O3生成鋁酸鈣，打開(kāi)高爐上的出渣口，液態(tài)硅酸鈣先流出去，水淬凝固成高爐渣，粉磨后形成礦渣粉，應(yīng)用于混凝土中。

圖1 水淬高爐礦渣及礦渣粉的產(chǎn)生

高爐礦渣中主要的化學(xué)成分是：SiO2、Al2O3、CaO、MgO、MnO、FeO 和 S 等。此外有些礦渣還含有微量的 TiO2、V2O5、Na2O、BaO、P2O5、Cr2O3等。在高爐礦渣中 CaO、SiO2、Al2O3占重量的 90% 以上。高爐礦渣中的各種氧化物成分以各種形式的硅酸鹽礦物形式存在，因?yàn)闊掕F過(guò)程中利用 CaO 中和 SiO2，而 CaO主要分解石灰石獲得，要消耗大量熱能并產(chǎn)生 CO2，基本不會(huì)過(guò)多投放，因此也很少產(chǎn)生游離 CaO。

高爐煉出的鐵稱(chēng)為生鐵，一般含 2%～4.5% 的碳，所以生鐵實(shí)際上是一種鐵碳合金。鐵和鋼的區(qū)別在于它們含碳量的不同（分別為 2%～4.3% 和 0.03%～2%），鐵繼續(xù)冶煉，形成鋼。煉好鋼首先要煉好渣，所有煉鋼任務(wù)的完成幾乎都與熔渣有關(guān)。造渣主要目的是：去除鋼中的有害元素 P、S，煉鋼熔渣覆蓋在鋼液表面，保護(hù)鋼液不過(guò)度氧化、不吸收有害氣體、保溫、減少有益元素?zé)龘p，吸收上浮的夾雜物及反應(yīng)產(chǎn)物，保證碳氧反應(yīng)順利進(jìn)行，可以減少爐襯蝕損。

在煉鋼過(guò)程中要加入活性石灰使生鐵的 S、P 等形成爐渣而除去。由于煅燒石灰的原料通常含有以 SiO2為主的雜質(zhì)，使煅燒后石灰的組成中有游離 CaO 和結(jié)合 CaO，游離 CaO 中又分活性 CaO 和非活性 CaO。非活性 CaO 在普通溶解條件下，不能同水發(fā)生反應(yīng)，但有可能轉(zhuǎn)化為活性 CaO；活性 CaO 則是在普通溶解條件下能同水發(fā)生反應(yīng)的那部分游離 CaO。

CaO 含量越高越好，而有害成分 SiO2及 S 越低越好，不同的煉鋼廠考慮到當(dāng)?shù)厥业馁|(zhì)量問(wèn)題，對(duì)石灰成分的具體要求不盡相同。

煉鋼的方法主要有三種：轉(zhuǎn)爐、電爐和平爐。

煉鋼過(guò)程是在高溫下把爐料熔化成兩個(gè)互不熔解的液相，將鋼和其他雜質(zhì)分離。這里所說(shuō)的雜質(zhì)即為鋼渣。它濃聚了爐料被氧化后所形成的氧化物。煉鋼過(guò)程一般是通過(guò)控制鋼渣來(lái)進(jìn)行的。造渣制度是否適當(dāng)，對(duì)鋼水中雜質(zhì)的去除速度和程度有很大的影響，另外對(duì)冶煉時(shí)間和爐體壽命也有一定的影響。

從爐料熔化起，鋼渣就開(kāi)始形成，一直到出鋼為止。石灰石燒成石灰，正常的燃燒溫度為 l000～1200℃，但煉鋼溫度很高，轉(zhuǎn)爐煉鋼中，高壓、超音速的氧氣射流連續(xù)不斷地沖擊熔池，作用區(qū)內(nèi)的溫度高達(dá)2200～2700℃，電爐煉鋼主要利用電弧熱，在電弧作用區(qū)，溫度高達(dá) 4000℃。游離石灰很容易過(guò)燒，表面出現(xiàn)裂縫或玻璃狀的外殼，體積收縮明顯，顏色燒成了黑色。

由于冶煉時(shí)爐墻內(nèi)壁容易遭受機(jī)械的破損，并受鋼液和鋼渣的侵蝕及高溫的作用，而發(fā)生不同程度的破壞，所以煉鋼爐都要補(bǔ)爐。煉鋼中廣泛采用加入一定數(shù)量的白云石來(lái)代替部分石灰的造渣工藝補(bǔ)爐，白云石造渣工藝的主要目的是延長(zhǎng)爐襯壽命，根據(jù)氧化鎂在渣中有一定溶解度的特點(diǎn)，向爐內(nèi)加入一定數(shù)量的白云石，從而減弱熔渣對(duì)鎂質(zhì)爐襯中 MgO 的溶解；另一方面，冶煉中隨著爐渣堿度的提高，渣中 MgO 達(dá)過(guò)飽和狀態(tài)而有少量的固態(tài)氧化鎂顆粒析出，使后期爐渣的黏度明顯升高。加白云石造渣補(bǔ)爐，可以大幅度提高爐齡。

鋼渣是轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)生的一種廢渣，是出爐狀態(tài)溫度高達(dá) 1400℃ 以上的液體，化學(xué)成分 CaO 含量為 40%～60%，SiO2含量為 13%～20%，主要礦物相是 C3S、C2S、鈣鐵橄欖石、f-CaO、f-MgO 等。f-CaO、f-MgO等有害成分含量高，冷卻處理后的鋼渣中含有大量結(jié)晶粗大、結(jié)構(gòu)致密的 f-CaO 和 f-MgO，這些 f-CaO 和f-MgO 遇水后會(huì)在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)水化并發(fā)生體積膨脹。

煉鋼爐渣的主要來(lái)源是：鋼鐵料（鐵水、廢鋼）所含的各種雜質(zhì)元素（如 Si、Mn、P 等）被氧化生成的氧化物；為去除鐵水中的硫、磷而加入的造渣材料（石灰等）及助熔劑（螢石等）；作為氧化劑或冷卻劑加入的礦石、燒結(jié)礦、氧化鐵皮等材料帶入雜質(zhì)；被侵蝕或沖刷下來(lái)的爐襯耐火材料；由各種原材料帶入的泥沙雜質(zhì)。

由煉鋼工藝決定了鋼渣中不可避免地存在 f-CaO 和f-MgO，其中不乏過(guò)燒的 CaO 和 MgO，后期會(huì)緩慢與水發(fā)生反應(yīng)，膨脹開(kāi)裂，因此，作為鋼渣不能用作混凝土中的骨料。圖 2 為鋼渣作為骨料而漲裂的混凝土。

但磨細(xì)鋼渣粉，有人試驗(yàn)作為摻合料適量摻入混凝土中，能起到抗收縮作用，這與氧化鈣作為膨脹劑的機(jī)理是同一道理。

圖2 鋼渣作為骨料后期漲裂混凝土