高爐礦渣與鋼渣

聞寶聯

（建筑材料工業技術情報研究所，北京 100024）

最近幾位學員咨詢我鋼渣和高爐礦渣的問題，總有些問題搞不太清楚，比如鋼渣和高爐礦渣成分相似，為什么應用效果差異巨大？本文就這個問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，從含鐵的化合物里把純鐵還原出來，從冶金學角度而言，煉鐵即是鐵生銹、逐步礦化的逆行為。

煉鐵時用的鐵礦石，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用的脈石，主要成分是二氧化硅（SiO2）。煉鐵時，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。即使它們有機會組成較低熔點的化合物，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，造成渣、鐵不分，難于流動。為了除去這種雜質，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 自身的熔點也很高（CaO 為 2570℃，MgO為 2800℃），但它們能同 SiO2、Al2O3結合成低熔點（＜1400℃）化合物，在高爐內足以熔化，形成流動性良好的爐渣，按相對密度與鐵水分開（鐵水相對密度6.8～7.8，爐渣 2.8～3.0），CaO 在高溫下與 SiO2反應生成熔點比鐵水溫度還低的硅酸鈣，與 Al2O3生成鋁酸鈣，打開高爐上的出渣口，液態硅酸鈣先流出去，水淬凝固成高爐渣，粉磨后形成礦渣粉，應用于混凝土中。

圖1 水淬高爐礦渣及礦渣粉的產生

高爐礦渣中主要的化學成分是：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，因為煉鐵過程中利用 CaO 中和 SiO2，而 CaO主要分解石灰石獲得，要消耗大量熱能并產生 CO2，基本不會過多投放，因此也很少產生游離 CaO。

高爐煉出的鐵稱為生鐵，一般含 2%～4.5% 的碳，所以生鐵實際上是一種鐵碳合金。鐵和鋼的區別在于它們含碳量的不同（分別為 2%～4.3% 和 0.03%～2%），鐵繼續冶煉，形成鋼。煉好鋼首先要煉好渣，所有煉鋼任務的完成幾乎都與熔渣有關。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，保護鋼液不過度氧化、不吸收有害氣體、保溫、減少有益元素燒損，吸收上浮的夾雜物及反應產物，保證碳氧反應順利進行，可以減少爐襯蝕損。

在煉鋼過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，使煅燒后石灰的組成中有游離 CaO 和結合 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，不能同水發生反應，但有可能轉化為活性 CaO；活性 CaO 則是在普通溶解條件下能同水發生反應的那部分游離 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地石灰的質量問題，對石灰成分的具體要求不盡相同。

煉鋼的方法主要有三種：轉爐、電爐和平爐。

煉鋼過程是在高溫下把爐料熔化成兩個互不熔解的液相，將鋼和其他雜質分離。這里所說的雜質即為鋼渣。它濃聚了爐料被氧化后所形成的氧化物。煉鋼過程一般是通過控制鋼渣來進行的。造渣制度是否適當，對鋼水中雜質的去除速度和程度有很大的影響，另外對冶煉時間和爐體壽命也有一定的影響。

從爐料熔化起，鋼渣就開始形成，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，轉爐煉鋼中，高壓、超音速的氧氣射流連續不斷地沖擊熔池，作用區內的溫度高達2200～2700℃，電爐煉鋼主要利用電弧熱，在電弧作用區，溫度高達 4000℃。游離石灰很容易過燒，表面出現裂縫或玻璃狀的外殼，體積收縮明顯，顏色燒成了黑色。

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

鋼渣是轉爐煉鋼產生的一種廢渣，是出爐狀態溫度高達 1400℃ 以上的液體，化學成分 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晶粗大、結構致密的 f-CaO 和 f-MgO，這些 f-CaO 和f-MgO 遇水后會在很長時間內持續水化并發生體積膨脹。

煉鋼爐渣的主要來源是：鋼鐵料（鐵水、廢鋼）所含的各種雜質元素（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、燒結礦、氧化鐵皮等材料帶入雜質；被侵蝕或沖刷下來的爐襯耐火材料；由各種原材料帶入的泥沙雜質。

由煉鋼工藝決定了鋼渣中不可避免地存在 f-CaO 和f-MgO，其中不乏過燒的 CaO 和 MgO，后期會緩慢與水發生反應，膨脹開裂，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。

但磨細鋼渣粉，有人試驗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理是同一道理。

圖2 鋼渣作為骨料后期漲裂混凝土