爐渣

火法冶金過程中生成的以氧化物為主的熔體；它是鋼鐵、鐵合金及有色重金屬冶煉和精煉等過程的重要產(chǎn)物之一。主要成分是CaO、FeO、MgO、MnO（堿性氧化物）等，SiO2、P2O5、Fe2O3（酸性氧化物）等及Al2O3(兩性氧化物）；此外，經(jīng)常含有硫化物，如鋼鐵冶煉爐渣中含有少量CaS，有色重金屬冶煉爐渣中有時含有較多FeS、Cu2S或 Ni3S2等；爐渣中還夾帶少量金屬；個別強還原性爐渣含有CaC2。在冶金過程中，熔融爐渣與熔融金屬、熔融鐵合金、熔锍及爐氣等產(chǎn)物之間起著各種物理化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到該過程所預(yù)期的冶金目的。由于爐渣與金屬或熔锍間的溶解度小以及兩者比重不同而得與分離。依據(jù)組成不同，熔渣冷凝后成為巖石狀或玻璃狀物質(zhì)。

爐渣分類及組成

根據(jù)冶金過程的不同，爐渣可分為冶煉渣和精煉渣。以礦石（包括人造富礦或精礦等）為原料進行還原冶煉 或氧化冶煉，在獲得粗金屬或锍的同時所形成的爐渣稱為冶煉渣。精煉粗金屬（用生鐵煉鋼、從粗銅煉精銅等）產(chǎn)生的爐渣稱為精煉渣。這兩類爐渣的主要作用都是將原料中的無用或有害物質(zhì)從金屬產(chǎn)品中除去。另有一類爐渣主要作用是將原料中含有的某些有用物質(zhì)富集在其中，以利于下一工序?qū)⑺鼈兓厥绽?，稱為富集渣，如鈦精礦還原熔煉所得高鈦渣以及吹煉含釩、鈮的生鐵所得到的釩渣、鈮渣等，它們分別用作提取鈦、釩及鈮等的原料。還有一類所謂“合成渣”，是按爐渣要起的冶金作用而用各種原料預(yù)先配制的渣料，如電渣重熔用渣、鋼錠澆鑄或連續(xù)鑄鋼所用的保護渣以及鋼液的渣洗用渣等。幾種爐渣的典型組成見表。

爐渣冶金作用

爐渣在冶煉過程中起著下列重要的物理及化學(xué)作用：①形成熔融爐渣使脈石組分或雜質(zhì)氧化產(chǎn)物與熔融金屬或熔锍順利分離；②脫除鋼液中的有害雜質(zhì)硫、磷和氧，吸收鋼液中非金屬夾雜物，并保護鋼液不致直接吸收氫、氮、氧；③富集有用金屬氧化物；④在電爐冶煉（電弧爐、礦熱電爐、電渣重熔爐等）中爐渣還起著電阻發(fā)熱體的作用。爐渣在保證冶煉產(chǎn)品質(zhì)量、金屬回收率、冶煉操作順行以及各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)方面都起著決定性的作用?！盁捄迷?，才有好鋼”的說法，生動地反映了爐渣在冶煉過程中的重要作用。 爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)爐渣完成冶金作用的好壞，主要決定于熔融爐渣的熔點、粘度、界（表）面張力、比重、電導(dǎo)率、熱焓、熱導(dǎo)率以及某些組分的活度(a）等。這些物理化學(xué)性質(zhì)被爐渣的組成決定。爐渣的組分靠加入適量的熔劑調(diào)整，最重要的熔劑是石灰石和石英石。螢石（CaF2）在電爐煉鋼渣及合成渣中也是重要的熔劑。

爐渣中CaO及FeO的活度一定溫度下取純CaO的反應(yīng)能力為1，溶解于爐渣中的CaO相對于純CaO的反應(yīng)能力的分?jǐn)?shù)就是爐渣中CaO的活度；爐渣中FeO的活度意義與此類似。FeO活度高的渣對鋼液脫碳有利；CaO活度高，F(xiàn)eO活度低的渣對鋼液脫硫有利；CaO及FeO活度高的渣對鋼液脫磷有利。爐渣中組分的活度數(shù)據(jù)可由實驗測定（圖1，圖2）。

爐渣的堿度爐渣中堿性氧化物含量與酸性氧化物含量的比值稱為爐渣的堿度， 它對爐渣的性質(zhì)有顯著的影響。鋼鐵冶金生產(chǎn)中常用CaO/SiO2,(CaO MgO)/SiO2，（CaO MgO)/(SiO2 Al2O3 TiO2）等表示爐渣的堿度。在有色冶金中則常用渣中酸性氧化物中的氧量與堿性氧化物中的氧量之比來表示渣的酸堿性，此比值稱為渣的硅酸度。

渣系的相圖高爐渣、大多數(shù)鐵合金爐渣及保護渣的主要組成可歸結(jié)為Cao-Al2O3-SiO2系。大多數(shù)的有色重金屬冶煉渣可歸結(jié)為CaO-’FeO'-SiO2系或’FeO'-SiO2系（含有數(shù)量不等的三價鐵），它們的相圖見圖3、圖4、圖5。

爐渣有價金屬

有價金屬因機械損失、化學(xué)損失及物理損失而進入爐渣中。從爐渣中回收這些金屬在經(jīng)濟上不合算時，才 可將爐渣棄作他用，如銅冶煉棄渣含Cu0.2～0.4%，釩鐵冶煉棄渣含V2O50.2～0.3%。根據(jù)物理化學(xué)性質(zhì)合理選擇爐渣的組成對降低棄渣中有價金屬的含量具有重要作用。有色金屬精煉渣含有價金屬甚高，一般返回流程的前工序處理。在提煉金屬的 原料中，除了主金屬之外，具有回收價值的其他金 屬。一般說來，某一種金屬是否有回收價值，取決 于該金屬的使用價值、回收所需要的費用及其商品 價格。常從冶煉主金屬過程中產(chǎn)出的渣或煙塵中回 收。在有色重金屬的冶煉原料中，有價金屬多為貴 金屬和稀散金屬，具有很高的回收價值。

爐渣利用

冶煉過程產(chǎn)生的棄渣數(shù)量很大，如生產(chǎn)1噸生鐵產(chǎn)生約0.3～1噸高爐渣；由銅精礦產(chǎn)生1噸陽極銅產(chǎn)生冶煉渣約5～6噸。不返回基本冶煉流程的棄渣應(yīng)加以綜合利用。爐渣可以做鑄石制品；水淬渣用于生產(chǎn)水泥，渣磚或可吹制成礦渣棉，作保溫、隔熱材料。爐渣還可以代替砂石做道碴。高爐渣亦可用 作銅冶煉過程的熔劑或作澆鑄鋼錠時的保護渣原料。含P2O5高的煉鋼渣用作農(nóng)業(yè)磷肥。銅冶煉水淬渣可作表面處理用的噴吵材料。工廠鍋爐排出的爐渣，常被視為廢物，不僅占用田地，而且污染環(huán)境。世界上爐渣已被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，

爐渣化學(xué)結(jié)構(gòu)

在熔融爐渣結(jié)構(gòu)的研究方面，提出了好幾種模型。其中比較有影響的是最早（1934）提出的分子理論（見熔融爐渣的分子假說），1945年提出的完全離子溶液模型（見完全離子溶液─Tёмкин 模型）和1965年提出的馬松模型。

煤氣發(fā)生爐氣化原料煤后，獲得固體殘渣，我們稱為爐渣或爐灰。由于煤種、氣化方式不同，所得的爐渣之化學(xué)成份和礦物組成有所差異，但是它的化學(xué)成份主要是由硅、鋁、鐵、鈣的化合物所組成，而且都含有少量的鎂、鈦、鉀、銅、磷等化合物以及微量的氰化物。它們存在的主要形式是酸鹽、硅鋁酸鹽、氧化物和硫酸鹽?，F(xiàn)將幾種煤渣的化學(xué)成份列于下表。

爐渣本身略有或沒有水硬膠凝性能，但它在磨細(xì)以后的水分存在的情況下，特別是在蒸汽養(yǎng)護條件下，參與氫氧化鈣或其它氫氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而生成具有水硬膠凝性能的化合物。所以，它可用來當(dāng)作建筑材料，常用于生產(chǎn)煤渣或爐渣混凝土大型樣板等，也可將爐渣用于修路或作房屋內(nèi)的保溫，隔音材料。

爐渣里還殘留某些稀有金屬，據(jù)可查歷史記載從1896年起也能從爐渣回收鍺、鋇、鈾等成份。

發(fā)生爐爐渣中一般含碳10-20%。煤炭采用焙燒 浸出 凈化 還原 的工藝處理真空蒸硒爐渣，試驗結(jié)果硒回收率90 09%，硒粉品位>99．5%。硒渣焙燒浸出硒一般從銅、鉛和鎳的電解陽極泥、硫酸生產(chǎn)的酸泥和生產(chǎn)紙漿的洗滌

爐渣中的含碳可燃物如不加以回收，不僅嚴(yán)重地浪費國家資源，而且對爐渣綜合利用帶來不好的影響，所以在某些城市，將含碳量高的爐渣打作成生活用煤磚，再使其燃燒一次，一方面充分回收煤炭熱能，另一方面使?fàn)t渣能得到充分利用。

由于爐渣是多孔性堿性物質(zhì)，所以它還能和于廢水處理系統(tǒng)作過濾材料，用于廢水的除油，除固體雜質(zhì)等預(yù)處理方面。

爐渣的組分靠加入適量的熔劑（石灰、石英石、螢石等）進行調(diào)整。在冶煉過程中通過對爐渣組分和性質(zhì)的控制，能使脈石和氧化雜質(zhì)的產(chǎn)物與熔融金屬或硫順利分離，脫除金屬中的害雜質(zhì)，吸收液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物不直接受爐氣污染，富集有用的金屬氧化物；在電爐冶煉中還是電阻發(fā)熱體。爐渣在保證冶煉操作順利進行、冶煉產(chǎn)品質(zhì)量、金屬回收率等各方面起著決定性作用，例如煉鋼作業(yè)中有“煉好渣，才能煉好鋼”的說法。

根據(jù)冶金過程的不同，爐渣可分為熔煉渣、精煉渣、合成渣；根據(jù)爐渣性質(zhì)，有堿性渣、酸性渣和中性渣之分。許多爐渣有重要用處。例如高爐渣可作水泥原料；高磷渣可作肥料；含釩、鈦渣分別可作為提煉釩、鈦的原料等。有些爐渣可用來制爐渣水泥、爐渣磚、爐渣玻璃等。

煤在鍋爐燃燒室中產(chǎn)生的熔融物，由煤灰組成?？勺鞔u、瓦等原料。

爐渣是熔煉的介質(zhì)，在其中要完成全部的冶金過程，使造渣成分和雜質(zhì)元素盡量進入渣熔體中而與主金屬熔體分離，這就要求熔渣具有適合特定冶煉要求的特性。例如鼓風(fēng)爐熔煉的焦點區(qū)最高溫度主要決定于爐渣的熔化溫度，它還要求熔渣有適當(dāng)?shù)恼扯群蛻?yīng)產(chǎn)出一定的渣量(一般不少于30%)。對鼓風(fēng)爐還原熔煉法煉鉛來說，還要求熔渣有良好溶解鋅的能力 。

高爐渣內(nèi)主要礦物組成有鈣黃長石、鎂黃長石、鈣長石、透輝石、硅灰石、二硅酸三鈣等。從高爐渣的化學(xué)成分和礦物組成來行，它屬于硅酸鹽范疇。

組成高爐渣的四種主要氧化物，正是普通鈉鈣硅玻璃的主要成分。高爐渣含揮發(fā)物質(zhì)極少，化學(xué)、物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且不受天氣條件的影響。因而，高爐渣苗玻璃工業(yè)中的應(yīng)用有著廣闊的前途。

大量的研究試驗結(jié)果表明，玻璃工業(yè)中使用高爐渣已不僅是個綜合利用問題，而且還有改善玻璃的澄清，減少制品的灰泡數(shù)，降低熔制溫度，提高熔制效率，降低生產(chǎn)成本和穩(wěn)定玻璃顏色的獨特功能。

迄今為止，人們?yōu)樘岣卟ＡМa(chǎn)量，設(shè)想了許多新方法，如控制進氧量，更改噴搶角度，變化原料顆粒大小及使用新的輔助原料等。但實踐證明，高爐渣是有助于提高玻璃熔窯出料量，改善玻璃質(zhì)量的最有價值的新原料之一。我國高爐渣資源豐富，它的綜合利用是大有可為的 。

爐渣是精煉鐵的普通副產(chǎn)品， 而廢渣進入鋼中。它是由酸與鋼和助熔添加劑中的堿性氧化物雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而形成的。最常使用的熔劑為方解石石灰（石灰） 和白云石石灰（白云石）。爐渣的化學(xué)和物理性能不僅影響精煉， 也導(dǎo)致爐襯耐火材料的損耗。兩種石灰都提供了堿性， 而白云石還提供了可供消耗的MgO 以防止耐火材料被侵蝕。因此持續(xù)監(jiān)控并優(yōu)化熔劑處理工藝以維持爐渣的環(huán)境很是必要 。

優(yōu)化的爐渣被認(rèn)為是：

1.符合鋼廠的要求， 在EAF 或BOS 煉鋼脫磷期間在熔融和精煉過程中中和生成的所有酸成分；

2.產(chǎn)生附加效益， 如擴展耐火材料的內(nèi)襯、減少冷熱修復(fù)、改進起泡能力， 輪流地降低能量輸入等。

優(yōu)化爐渣具有合適的化學(xué)成分、合理的相以及合適的黏性， 通過分析和描述爐渣（通過XRF、XRD、顯微鏡、液相線計算、游離氧化鈣測定）以及物料平衡計算來獲得。熔劑的需要量可以進行計算。

優(yōu)化爐渣的基本特點如下：

（1）提高了爐渣的黏度， 有助于起泡；

（2）不含固態(tài)不能熔的助劑， 因而降低了形成浪費相或有害相的可能性；

（3）降低爐渣量。

產(chǎn)品優(yōu)勢在降低成本上已得到了有效的實踐，效果如下：

（1）更好的精煉；

（2）降低燃燒點；

（3）降低電極損耗；

（4）減少噪音；

（5）降低耐火材料損耗；

（6）保護儀表、電極和爐頂；

（7）降低能耗；

（8）降低助劑用量；

（9）降低爐渣排放成本。