淺析黃銅熔煉爐渣的形成及作用

周 恒

（銅陵有色股份銅冠黃銅棒材有限公司，安徽 銅陵 244000）

黃銅合金是一種使用較為廣泛的有色金屬，是由銅和鋅等金屬經熔煉后形成的一種合金，在其熔煉過程中，除了產物為銅鋅合金的黃銅的正常的化學反應以外，還伴有在高溫下爐體內其他物質之間或者與空氣進行化學反應生成了爐渣。對于這些黃銅熔煉過程中產生的爐渣，不能簡單地認為它完全就是有害的，要通過對爐渣的理論分析，從來源和作用進行了解，從而揚長避短、趨利避害[1]。

1 黃銅熔煉爐渣的分類

根據黃銅熔煉爐渣的主要成分及構成，可以分為三大類：第一類：金屬非氧化合物渣，其中以金屬氟化物、氯酸鹽和不含氧的化合物組成，比如CaF2、NaF、BaCl2等。第二類：氧化物型渣，主要由金屬氧化物、非金屬氧化物組成。比如MnO、FeO、CaO、SiO2等。這一類熔渣氧化性較強，很容易吸收爐體內的有害雜質。第三類：金屬氧化物和金屬非氧化合物復合型渣，比如NaF-Al2O3、CaO-BaCl2等。

2 爐渣的來源

黃銅熔煉中的爐渣組成物主要來源于五個方面：①原料中的各種成分高溫下氧化的產物；②以覆蓋劑或添加劑等加入的非金屬物質等；③原材料帶入的雜質物質的燃燒產物；④爐體上脫落的耐火材料；⑤脫氧、脫硫產物。

除了黃銅熔煉過程中本身產生的爐渣外，還有用于爐外處理中間合金由人工配制成的合成渣，例如：爐外脫硫及脫磷精煉過程中的爐渣、用于熔體澆鑄時的保護澆鑄渣等。

表1 常見黃銅合金熔煉爐中所形成的爐渣成分

3 黃銅熔煉爐渣的作用

黃銅熔煉爐渣作用體現在正反兩個方面，既包括機械保護、冶金處理等正面作用，又包括降低熔煉爐的使用壽命等負面作用，因此對于不同的成形工藝過程，應合理地選擇爐渣的組成，以控制成形件的質量與生產效益[2]。

（1）機械保護作用。黃銅合金熔煉時產生的爐渣，由于其比重較輕，爐渣便漂浮在爐內金屬液體之上，大面積地覆蓋在熔體表面，就等于在金屬表面形成了一層保護膜，防止了金屬在高溫下被氧化，避免造成爐內金屬的機械損失。

（2）冶金處理作用。黃銅熔煉過程中，爐渣通過與液相金屬之間發生復雜的物理化學反應，來去除硫、磷、氫等有害元素，從而在一定程度上實現了黃銅合金成分的優化。

（3）爐渣負面作用。黃銅熔煉時產生的爐渣會加速爐體內襯的脫落，降低熔煉爐的使用壽命，同時也會降低金屬的利用率。

4 爐渣與熔煉金屬相互作用的理論模型

爐渣的物理化學性質及其與金屬的相互作用與爐渣的內部結構有著密切關系。關于液態爐渣的內部結構，目前存在著兩種理論模型，即分子理論與離子理論。

（1）爐渣結構的分子理論。分子理論的主要依據是室溫下對凝固爐渣的相分析和成分分析的結果，該理論的中心思想是把爐渣看成若干個不帶電的分子集合體，其要點如下。

①液態熔渣由自由氧化物及其復合物的分子，如硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽等組成。②氧化物及其復合物處于平衡狀態，這種平衡是一種動態平衡，兩者之間會根據相關濃度的變化，自動實現其復合和分解的動態過程。③只有自由氧化物才能參與和金屬的反應，在分子理論中，自由氧化物是具有最高化學活性的物質，所以只有它才能和金屬發生化學反應。

分子理論建立最早，由于它能簡明地定性分析爐渣和金屬之間的一些冶金反應，并且可以以熱力學為基礎，計算出反應中的各種平衡關系，實現了對化學反應的定量闡述，目前仍在理論界得到廣泛的應用，但它無法解釋熔渣的導電性等重要現象，由此離子理論模型便應運而生。

（2）爐渣結構的離子理論。離子理論基于對爐渣電化學性能的研究，離子理論的要點如下：①爐渣是由正負離子共同組成的復合體，但由于其本質上還是離子，所以爐渣整體上是帶電性的，同時，爐渣是可以發生電解反應的，并可以通過反應還原出金屬，這個過程對于黃銅合金的熔煉，可以起到了有效的提高金屬熔煉純度，降低雜質的作用。②爐渣中離子之間的結合和化學作用取決于其它們之間的綜合矩，離子的綜合矩越大，與其它離子的結合和進行化學反應就越容易。離子的綜合矩與離子半徑呈反比，離子半徑越大，其綜合矩就越小，反正亦然。③爐渣與金屬之間相互作用的過程，本質上是原子與離子之間電子得失的過程。如：Si4++2[Cu]=2Cu2++[Si]，這是爐渣中硅還原和銅氧化的過程，其反應的本質是正電荷從爐渣中的硅離子轉移到金屬Cu原子的過程。

應當指出，實際的黃銅合金熔煉時爐體和爐渣是十分復雜的，其中不僅有離子，而且還有少量的中性分子，兩種理論都有可以適用的部分，盡管相對而言，離子理論對許多現象的解釋相比分子理論符合科學理論，但是仍然存在這很大的爭議，所以目前它還沒有形成一個統一的模型，而且離子理論本身缺乏系統的熱力學方面的理論支撐，所以在冶金工業中還是分子理論應用的更為廣泛。

5 結論

傳統觀念認為黃銅合金在熔煉過程中出現的爐渣是有害的，會增加金屬的機械損失，降低金屬利用率，但是通過理論分析并結合實際情況來看，黃銅熔煉時產生的爐渣的也并非一無是處。爐渣一方面可以在熔融金屬表面形成一層固態隔層，起到隔斷空氣，保護爐內熔體的作用，另一方面還可以通過發生化學反應，來起到吸收熔煉時有害雜質的作用。所以，對于爐渣的作用不能單純地肯定或者否定，這主要在于控制爐渣產生的量，關于爐渣量產生的多少是要結合生產實際進行具體分析。

在黃銅合金熔煉過程中，控制好爐渣的產出量，既能提高金屬的利用率，同時也能有效的提高黃銅合金的熔煉的效果的，為生產合格黃銅鑄造合金提供堅實的保障。