关于精炼过程中合成渣行为的探讨本钢马春生随着科学技术的进步和炼钢工艺的发展，炉外精炼已经成为提高钢的纯净度、改善钢质量的必不可少的工艺手段。
而在炉外精炼的工艺过程中主要的化学反应和工艺目的大多数都是通过各种合成渣来实现。
对应于不同的工艺、不同的品种要求，应该选择不同的合成渣。
因此，对于炉渣，特别是精炼过程中使用的合成渣的研究、开发和应用越来越受到人们的重视。
本文将对各种合成渣的作用，选择及精炼过程中的物理化学行为进行初步的探讨。
1 渣洗用合成渣（即精炼渣）所谓的渣洗就是通过机械的方法让合成渣与钢水充分搅拌、混合，创造良好的渣、钢之间进行化学反应的动力学条件，从而实现诸如脱硫、脱磷、脱氧等工艺目的。
1.1 合成渣的制作方法其制作方法大致可以分为如下种类：1.1.1 机械混合型将各种原料破碎成一定粒度，按照要求的比例配制，并通过机械方法混匀。
这种渣料的制作工艺简单、成本低廉，但是直接加入钢液里时熔点高、热量损失大、反应速度慢。
另一种机械混合型是将各种原材料制成<1mm的粉状，再按一定的比例混匀，加入一定量的结合剂制成小球状，并通过烘干去掉水份加入钢中。
，这种渣料的原料布局比例均匀，比颗粒混合型制作工艺复杂，成本较高。
直接加入钢液时熔点稍低、熔速稍快，由于钢、渣之间接触面较大，故反应速度较快。
1.1.2熔化炉予熔型将原料按一定配比通过小冲天炉（化渣炉）利用焦炭作为热源进行熔化，经水淬、干燥后按需要投入钢水中。
这种渣料，经过预熔已经形成多元相，其成份比较接近设计目标，而且熔点较低，在钢液中溶化速度快，反应迅速。
但是由于焦炭经燃烧后的灰份绝大部份是SiO2，加之炉膛耐火材料的熔损，最终成份很难达到理想状态。
特别是生产低SiO2、低C含量的渣料时，采用该方法生产是难以实现的。
1.1.3 电弧炉预熔渣利用电弧炉将原料加热熔化成熔融状态。
一种是现场有电弧炉的时候可直接将熔融状态的渣料直接用钢水冲混。
一种是现场没有电弧炉的时候将熔融渣料冷却、破碎、干燥后投入到钢包内用钢水冲洗。
前者对钢水降温极少，且钢渣充分接触，反应速度极快、精炼效果良好，而后者则对钢水有一定的降温作用，且需一定时间熔化，反应速度相对较慢。
总体讲，电弧炉生产的预熔渣，成份十分接近设计标准、熔点低、杂质少、精炼效果优良。
唯一的不足是成本高。
1.14 化学纯渣料这是一种用化学纯原料配制的渣料，成份理想、价格昂贵，只能在实验室中使用，没有大生产使用的价值。
1.2 合成渣的成份选择合成渣的作用在于对钢水精炼，故叫做精炼渣，最终的目的是脱硫、脱氧,吸附夹杂或改变夹杂物的形态。
为了取得最佳的冶炼效果，根据精炼目的的不同侧重点要求合成渣具备相应的物理化学性质，而合成渣的成份是炉渣物理化学性质的决定因素。
早期冶炼含硅钢时，对成份主要是在钙、硅、铝、镁渣系中选择，在冶炼低硅钢时主要是在钙、镁、铝渣系或钙、铝渣系中选择。
如果脱硫是精炼的重点时要适当添加一定量具有脱硫能力的材料，如果把脱氧作为精炼时，适当配加脱氧剂，如果要改变夹杂物形态，需添加稀土、钙合金等。
1.3 合成渣的物化性质基本要求1.3.1 碱度目前，一般精炼用合成渣，多半采用高、中碱度标准的碱度表示方法为：R=（CaO%）+(MgO%)/0.94(SiO2)+0.18(Al2O3)1.3.2 熔点不管什么形式的精炼渣其熔点应该是越低越好，这样能少损失钢水热量、熔化快、反应快、精炼效果好。
合成渣的熔点，可根据渣的成分利用相应的相图来确定。
对于主要成分是CaO和SiO2的渣系，可利用CaO-SiO2二元相图。
图 1 CaO-SiO2二元相图该渣系在熔融状态有两个稳定的化合物：CaSiO3和Ca2SiO4。
相图中主要组元和稳定化合物的熔点分别是：CaO-2600℃；CaSiO3-1540℃;Ca2SiO4-2130℃;SiO2-1713℃。
在炼钢温度范围内（1550-1650℃），当这类渣的碱度大于2时，它不可能成为液态。
而含SiO2为60%左右的酸性渣可以是液态，它的熔化温度为1500℃左右。
所以单纯的CaO和SiO2的渣系不可以当做合成渣使用,必须添加其他组元.石灰-氧化铝渣可参阅CaO-Al2O3相图。
图2 CaO-Al2O3相图在该图中有四个化合物。
由图可以看出，所有Al2O3和CaO的化合物都不如硅酸钙那么稳定。
在CaO-Al2O3系中，当Al2O3为48-56%和CaO为52-44%时，其熔点最低（1450-1500℃）。
这种渣当存在少量SiO2和MgO时，其熔点还会进一步下降。
SiO2含量对CaO-Al2O3系熔点的影响不如MgO来得明显。
该渣系不同成分炉渣的熔点见表2-3。
当CaO/Al2O3=1.0-1.15或n CaO/n Al2O3= 1.77-2.1时，渣的精炼能力最好。
对于石灰-粘土渣可利用CaO-SiO2-Al2O3相图。
图3 CaO-MgO-Al2O3相图该系除了有二元化合物CaSiO3、Ca2SiO4、CaO.Al2O3、3 Al2O3.2SiO2等以外，还有二个三元化合物：钙长石CaO.Al2O3.2SiO2和弹性地腊2CaO.Al2O3.2SiO2，其熔点分别为1600℃和1593℃。
熔点为1500℃左右的均质渣具有较低的碱度（CaO/SiO2<1.2），而高碱度的渣，它们的熔点却高达1600℃或更高一些。
所以它们不适用于炉外精炼。
当CaO-Al2O3-SiO2三元系中加入6-12%的MgO时，就可以使其熔点降到1500℃甚至更低一些。
加入CaF2、Na3AlF6、Na2O、K 2O 等也能降低熔点。
图4 CaO-SiO 2-Al 2O 3相图CaO-SiO 2-Al 2O 3-MgO 渣系用途很广，用合成渣处理电炉钢液时，广泛应用了该渣系中的石灰-粘土渣，其组成如表2-1所示。
为了得到这种渣，可用石灰和废粘土砖块及氧化镁作原料，前苏联学者邱依科早在四十年就研究了这类炉渣，表明这类炉渣有较强的脱氧、脱硫和吸附夹杂的能力。
当粘度一定时，这种渣的熔点随渣中（CaO+MgO ）总量的增加而提高。
（见表1）渣中MgO 含量每增加1%，上述成分炉渣的熔点就提高15.5℃。
为了得到熔点不超过1400℃的渣，（MgO ）不应大于12%。
1.3.3 流动性。
用作渣洗的合成渣，要求有较好的流动性。
渣的流动性可以提供良好的化学反应动力学条件,也是影响渣在钢液中乳化的重要因素之一。
在相同的温度和混冲条件下，提高合成渣的流动性，可以减小乳化渣滴的平均直径，从而增大渣钢接触界面。
在CaO-Al 2O 3渣系中，随着SiO 2含量的提高，渣的流动性变好，也就是粘度降低。
在炼钢温度下，其粘度小于0.2Pa.S 。
CaO-Al 2O 3渣系的粘度变化图5 CaO-Al2O3渣系的粘度变化图图6 1600o C时CaO-SiO2-Al2O3-MgO渣系粘度与（CaO+MgO）含量的关系图7 粘度为佳.3时渣的熔点与（CaO）和（CaO+MgO）含量的关系温度为1490-1650℃，CaO含量为54-56%，CaO/Al2O3=1.2时，渣的粘度最小。
加入不超过10%的CaF2和MgO，也能降低渣的粘度。
对于CaO-MgO-SiO2-Al2O渣系（20%-25%SiO2;5%-11%Al2O3;CaO/SiO2=2.4-2.5），在1600℃时，粘度与（CaO+MgO）总量之间有着明显的对应关系（图6）。
当（CaO+MgO）含量为63%-65%和MgO含量为4%-8%时，渣的粘度最小（0.05-0.06Pa.S）。
随着MgO含量的增加，粘度急剧上升当MgO含量为25%时，粘度达0.7Pa.S。
1.3.4 表面张力。
表面张力也是影响渣洗效果的一个较为重要的参数。
在渣洗过程中，虽然直接起作用的是钢渣之间的界面张力和渣与夹杂之间的界面张力（如钢渣间的界面张力决定了乳化渣滴的直径和渣滴上浮的速度，而渣与夹杂间的界面张力的大小影响着悬浮于钢液中的渣滴吸附和同化非金属夹杂的能力），但是界面张力的大小是与每一相的表面张力直接有关的。
表面张力越小，润湿性越好，有利于反应和夹杂物富聚上浮。
对于一些纯氧化物在熔融状态下，其表面张力早已被研究者所测得。
若表面张力的单位用dyn/cm(10-5N/cm),渣中常见氧化物的表面张力见表2。
面张力见表3。
2会降低渣的表面张力。
在CaO(56%)-Al2O3(44%)渣中含有9%的MgO时，表面张力由原来的600-624dyn/cm降低到520-550dyn/cm。
SiO2对表面张力的影响就更为明显。
例如，在上述组成CaO-Al2O3渣中，当SiO2为3%时，δ=440-448dyn/cm。
1.3.5 还原性。
要求渣完成的精炼任务决定了渣洗所用的熔渣都是还原性的，渣中FeO 含量都很低。
一般都低于0.3%。
在精炼渣配制过程中应尽量减少氧化铁的含量。
1.4 精炼渣的主要作用精炼渣的主要作用是脱氧、脱硫、改变渣系、去除非金属夹杂物及改变非金属夹杂物型态。
对于不同的工艺其作用的重点不同。
1.4.1 合成渣的脱氧合成渣的脱氧是以两种方式进行的。
一种是在合成渣中加入一定量的具有脱氧能力的物质，使其与钢中的氧直接反应进行脱氧，如CaC2、Al等。
2CaC2+10[O]→2CaO+4CO24Al+6[O] →2Al2O3因为Ca、Al等与氧的亲合能力极强，所以是很好的脱氧材料。
另一种脱氧作用是通过加入合成渣后，破坏钢中原来Mn、Si等脱氧反应的平衡，促进了Mn、Si等脱氧反应的进一步进行。
如[Si]+2[O]=(SiO2)[Mn]+[O]=(MnO)2[Al]+3[O]=(Al2O3)这些反应，随着合成渣的加入，使钢液温度下降，降低了渣中（SiO2）、（MnO）、(Al2O3)的浓度，使反应平衡向右移动，脱氧反应继续进行。
由此也可以断定，如果合成渣的碱度越大，其脱氧的效果就越好。
实际上，用铝脱氧时，由于脱氧产物（Al2O3）来不及从钢液中排出，钢中氧是不可能那样低的，通常是在20-50ppm的范围内波动。
用氩气喷入CaO+CaF2粉，氧浓度可降到10ppm。
若向上述混合物里加铝粉，氧浓度可降到4ppm。
熔融CaO+CaF2混合物中活度aAl2O3很小。
所以吹入含铝粉的石灰、萤石混合粉剂，或者加合成渣可促进铝的脱氧反应和使脱氧产物渣化并上浮到钢液面上。
在石灰-氧化铝渣中，由于存在反应CaO+Al2O3=CaO.Al2O3而使aAl2O3减小，从而使铝的脱氧能力提高。
表4列出1600℃时，CaO-Al2O3渣中aCaO和aAl2O3值。
表4 CaO-Al2O3渣中各组元活度值2323的范围内波动。
因氧浓度与（aAl2O3）1/3成比例，由于aAl2O3值的降低，所以氧的平衡浓度是aAl2O3=1 时的0.464-0.67倍。