摘要：熔渣泡沫化在電弧爐煉鋼生產(chǎn)過程中具有實現(xiàn)高效低耗冶煉的重要意義。采用高溫模擬試驗，對不同成分下的電弧爐飽和氧化鎂熔渣在脫碳反應條件下的發(fā)泡高度進行研究。試驗結(jié)果表明，在脫碳反應的條件下，隨著反應時間的延長，熔渣的發(fā)泡高度先升高后降低，熔渣發(fā)泡高度在反應時間為300～600 s時達到最大。熔渣發(fā)泡高度隨FeO含量的變化主要體現(xiàn)為FeO含量升高導致熔渣黏度降低，F(xiàn)eO含量低于30%時，熔渣發(fā)泡高度隨FeO含量升高而升高，F(xiàn)eO含量高于30%時，熔渣泡沫高度隨FeO含量的變化沒有明顯規(guī)律。隨著熔渣堿度升高，熔渣發(fā)泡高度先升高后降低。FeO含量為30%，堿度為1.9時，熔渣發(fā)泡高度達到最大，最大發(fā)泡高度為17.6 mm。研究結(jié)果將為推進電弧爐泡沫渣工藝研究提供重要支撐。

關(guān)鍵詞：熔渣；發(fā)泡高度；脫碳反應；FeO含量；堿度

中圖分類號：TF741.5 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-000-07

Experimental study on foaming behavior of saturated magnesium oxide slag

HE Jia， Alberto N. Conejo

（School of Metallurgical and Ecological Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： Slag foam is of great significance to realize high efficiency and low consumption smelting in the process of electric arc furnace steelmaking. Using high-temperature simulation experiments， the foaming height of saturated magnesium oxide slag in electric arc furnaces with different compositions under decarbonization reaction conditions is studied. The experimental results show that under the conditions of decarbonization reaction， with the extension of reaction time， the foaming height of slag first increases and then decreases， and the foaming height of slag reaches its maximum at a reaction time of 300～600 s. The variation of slag foaming height with FeO content is mainly reflected in the decrease of slag viscosity caused by the increase of FeO content， when the FeO content is less than 30%， the height of slag foaming increases with the increase of FeO content， when FeO content is higher than 30%， the change of slag foam height with FeO content is not obvious. As the alkalinity of the slag increases， the foaming height of the slag first increases and then decreases. When the FeO content is 30% and the alkalinity is 1.9， the maximum foaming height of the slag reaches 17.6 mm. The research results will provide important support for promoting the research of foam slag technology of electric arc furnace.

Keywords： slag; foam height; decarbonization reaction; FeO content; alkalinity

熔渣泡沫化現(xiàn)象普遍存在于各項冶金工藝生產(chǎn)過程中且發(fā)揮關(guān)鍵作用。熔渣泡沫化就是煉鋼過程中形成的氣體進入鋼液上層的熔渣，氣體擴散形成微小的氣泡并彌散在熔渣中，同時氣泡會停留在渣中一定時間使熔渣體積膨脹，其間渣量并不發(fā)生變化，形成的這種氣液共存相的渣叫作泡沫渣。電弧爐冶煉過程中的泡沫渣工藝對實現(xiàn)埋弧加熱操作、有效防護內(nèi)襯侵蝕以及提高冶煉傳熱效率具有重要意義[1-2]。若是熔渣未發(fā)泡或者發(fā)泡效果不良，電弧所產(chǎn)生的熱輻射無法被屏蔽。電弧爐內(nèi)熔渣發(fā)生泡沫化后，形成的泡沫渣厚度能達到燃弧長度的2倍以上，熔池可以有效吸收電弧產(chǎn)生的熱量，同時能構(gòu)成回路自行產(chǎn)生熱量，這樣既能保護爐襯，也能縮短冶煉時間[3]。維持較高水平的泡沫渣能夠改善熔池內(nèi)冶煉反應的動力學條件[4-5]，提升電弧爐冶煉效率[6-7]。因此，電弧爐泡沫渣工藝的應用優(yōu)化對實現(xiàn)碳中和目標與減少鋼鐵企業(yè)能耗至關(guān)重要[8]。

電弧爐熔渣發(fā)泡主要有兩個來源，即外引氣源和內(nèi)部氣源。外引氣源就是向渣中吹氣體，使熔渣發(fā)泡。可以向熔渣中吹入惰性氣體產(chǎn)生氣泡，熔渣沒有發(fā)生任何反應。為了促使熔渣發(fā)泡，還可以使用碳氧槍將碳粉和氧氣吹向熔池，促進發(fā)泡[9]。內(nèi)部氣源就是熔渣與鋼液會發(fā)生碳氧反應，產(chǎn)生的氣泡促使熔渣泡沫化。發(fā)泡高度是衡量熔渣泡沫化程度的一個重要參數(shù)，ITO等[10]通過試驗得到吹入氣體時泡沫高度與氣體表觀生成速率成正比，比例系數(shù)為定值常數(shù)，叫作泡沫指數(shù)r。泡沫指數(shù)表示氣泡在渣中穩(wěn)定存在的時間，泡沫指數(shù)與氣體表觀生成速率分別可由式（1）和式（2）計算得到。

（1）

（2）

式中：?h為發(fā)泡高度，是熔渣發(fā)泡穩(wěn)定后熔渣最大高度與初始高度的差值，cm；V為熔渣中氣體表觀生成速率，cm/s；Q為吹入熔渣內(nèi)氣體速率，cm3/s；A為反應容器的橫截面積，cm2。

Conejo等[11]在泡沫指數(shù)的基礎(chǔ)上考慮熔渣的物理性能和氣體在熔渣中生成速率，提出動態(tài)泡沫指數(shù)的概念，并建立動態(tài)泡沫指數(shù)的數(shù)學模型，經(jīng)工業(yè)實踐證實，模型碳氧參數(shù)優(yōu)化能夠有效預測熔池內(nèi)脫碳反應的成分濃度與泡沫化程度。HEO等[12]研究熔渣成分對物理性能的影響，對熔渣的發(fā)泡性能進行評估。結(jié)果表明，溫度為1 570 ℃，二元堿度為1.0～1.8時，熔渣中的氧化鎂達到飽和，有利于熔渣發(fā)泡，有效減少對耐火爐襯的侵蝕。此外，熔渣的泡沫高度呈現(xiàn)隨堿度和FeO含量升高而減小的趨勢。Avelar等[13]研究了飽和氧化鎂熔渣中成分、三元堿度以及黏度對泡沫指數(shù)的影響，指出熔渣FeO含量為8.26%時，泡沫指數(shù)達到最大，熔渣達到最佳發(fā)泡黏度，三元堿度對熔渣發(fā)泡沒有明顯影響，熔渣中唯一存在的固相顆粒為氧化鎂顆粒。郭占成等[14]通過高溫試驗研究添加固體碳顆粒和表面活性物質(zhì)對渣中FeO還原的影響，結(jié)果表明，添加固體碳顆粒會抑制熔渣泡沫化，添加表面活性物質(zhì)P2O5會促進熔渣泡沫化。Martinsson等[15]進行冷態(tài)和熱態(tài)兩種泡沫化試驗，得出在室溫下添加固態(tài)顆粒，泡沫高度并未發(fā)生明顯變化，而在高溫條件下，熔渣中添加摻量1.6%的固體顆粒使黏度明顯上升，泡沫高度達到最大值。綜上所述，熔渣泡沫化研究主要集中在熔池內(nèi)還原反應時碳氧反應的強化和熔渣物性參數(shù)的優(yōu)化，熔渣與鋼液間的泡沫化現(xiàn)象有待深入研究。

考慮泡沫渣高度會受到熔渣物理性能影響，本文通過高溫模擬試驗，對熔渣發(fā)泡成分FeO與金屬液碳還原生成的泡沫渣進行研究。采用熔渣泡沫高度測量手段，考察不同F(xiàn)eO含量及物性參數(shù)對熔渣發(fā)泡高度的影響，為電弧爐實際冶金生產(chǎn)中泡沫渣工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 試驗部分

電弧爐煉鋼過程中，泡沫渣的主要來源是脫碳反應，試驗研究對象為熔渣與金屬的界面反應，總反應如式（3）所示[16]。參考典型電弧爐渣，選用四元熔渣CaO-SiO2-FeO-MgO作為合成試驗渣，試驗渣的主要成分如表1所示。

FeO+C=CO+Fe（3）

試驗目標溫度為1 550 ℃，所用合成渣含有過量的MgO成分，目的是確保試驗溫度條件下MgO成分處于飽和狀態(tài)，防止熔渣繼續(xù)溶解氧化鎂坩堝中的MgO，達到保護坩堝被過度侵蝕的目的。試驗所用的FeO是由還原鐵粉與Fe3O4按摩爾配比混合制得，反應方程如式（4）所示。

Fe3O4+Fe=3FeO（4）

含碳金屬液由純鐵粒外配4%的碳熔化制得，整個試驗過程的高溫熔化與熔渣發(fā)泡都是在管式電阻爐中完成，試驗溫度可由熱電偶得知。試驗裝置及發(fā)泡高度測量如圖1所示。試驗前先將預熔的金屬500 g與配制好的渣樣160 g放入氧化鎂坩堝中，氧化鎂坩堝外徑為50 mm，壁厚為3.5 mm，高為150 mm。在氧化鎂坩堝外套石墨坩堝，保證加熱熔化效果。達到預設的試驗溫度1 550 ℃后，每隔5 min對熔渣進行攪拌一次。在熔渣和金屬熔化以及測量發(fā)泡高度過程中，通入氬氣作為保護氣。

熔渣發(fā)泡高度通過鉬絲刻度來測量，渣熔化后未發(fā)泡的初始高度為h0，發(fā)泡最大高度為h，發(fā)泡高度?h為二者的差值，如式（5）所示。

?h=h-h0（5）

未發(fā)泡熔渣與發(fā)泡熔渣冷卻后的表面形貌對比如圖2所示。為確保熔渣充分熔化和測量精確度，在目標溫度1 550 ℃下保溫20 min，然后進行熔渣發(fā)泡高度測量。此外，對研究熔渣物性參數(shù)黏度、表面張力進行測量，以便理解不同因素的相互作用。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 反應時間對熔渣發(fā)泡高度的影響

熔渣泡沫化過程中，熔渣發(fā)泡高度隨時間的變化如圖3所示。熔渣與金屬還原反應引起的發(fā)泡大致可分為起泡、發(fā)泡最大化、消泡3個階段。試驗前后渣量沒有明顯變化，渣量減少主要體現(xiàn)在整個過程中CO氣體的生成與排出。熔渣發(fā)泡程度最大集中在300～500 s，F(xiàn)eO含量低于30%的熔渣發(fā)泡停止時間在1 200 s左右，F(xiàn)eO含量高于30%的熔渣發(fā)泡停止時間在1 800 s左右。

熔渣溫度達到目標值并保溫20 min后，開始記錄熔渣高度，坩堝內(nèi)脫碳反應導致熔渣發(fā)泡高度不斷升高，這是由于該反應為吸熱反應且渣中FeO含量較高，脫碳反應逐漸朝生成CO氣體的平衡方向移動，渣中的泡沫形成、長大，逐漸上浮至渣中使其泡沫化。在試驗過程中，熔渣出現(xiàn)明顯的發(fā)泡現(xiàn)象，熔渣中的FeO為良好的發(fā)泡劑，F(xiàn)eO的反應速率常數(shù)受到溶解碳含量影響較大[17]。隨著脫碳反應的進行，CO氣體在此期間彌散并在渣中停留形成泡沫渣，達到動態(tài)平衡后，發(fā)泡高度會達到峰值，此時泡沫渣中形成的氣泡主要為球形[18]。熔渣發(fā)泡高度出現(xiàn)峰值后，整個過程不會加入任何發(fā)泡劑和固體碳，熔渣內(nèi)的主要發(fā)泡劑FeO多數(shù)被溶解碳還原進入下方金屬液中，導致反應生成的CO氣體不足以維持最大泡沫高度，熔渣發(fā)泡高度持續(xù)下降。FeO含量低于30%的熔渣相較于FeO含量高于30%的熔渣，熔渣發(fā)泡停止時間延后600 s左右，這表明FeO含量低于30%的熔渣具有更好的發(fā)泡性能。

2.2 渣中FeO含量對熔渣發(fā)泡高度的影響

熔渣發(fā)泡高度隨熔渣FeO含量的變化如圖4所示。熔渣FeO成分含量低于30%時，熔渣的發(fā)泡高度隨著FeO含量的升高而逐漸變高。熔渣FeO含量高于30%且堿度R高于2.1時，熔渣的發(fā)泡高度隨FeO含量升高而逐漸變低，對于堿度小于2.1的熔渣，發(fā)泡高度沒有明顯規(guī)律。對于堿度大于1.9的熔渣，F(xiàn)eO含量分別為25%和40%時，泡沫高度幾乎相同，二者的差異主要體現(xiàn)在泡沫持續(xù)時間和發(fā)泡后下降率。FeO含量在40%的熔渣發(fā)泡高度持續(xù)時間較短，熔渣雖具有較大的發(fā)泡高度，但無法穩(wěn)定維持。

熔渣發(fā)泡高度隨熔渣初始FeO含量升高而變高，原因是初始FeO含量促進脫碳反應的正向進行，使熔渣發(fā)泡高度升高，此時，脫碳反應的動力學限制環(huán)節(jié)為反應物FeO含量。熔渣黏度及表面張力隨FeO的變化趨勢如圖5所示。熔渣中FeO含量的繼續(xù)升高會導致熔渣黏度的降低，這樣不利于氣泡的聚集長大，也難以存在于熔渣中，形成穩(wěn)定的泡沫渣[19-20]。熔渣FeO含量為40%時，發(fā)泡高度較大，因為發(fā)泡劑促進熔渣反應正向進行，然而熔渣泡沫化程度持續(xù)時間較短，發(fā)泡高度下降速率較快，這無法達到電弧爐泡沫渣操作的高效冶煉目的。FeO含量為30%時，熔渣發(fā)泡效果最好，熔渣發(fā)泡后持續(xù)時間較長且發(fā)泡后的泡沫渣下降速度較為緩慢，這有助于實現(xiàn)電弧爐埋弧加熱操作。

2.3 堿度對熔渣發(fā)泡高度的影響

不同堿度下熔渣發(fā)泡高度的變化如圖6所示。當熔渣堿度低于1.9時，隨著堿度的升高，熔渣發(fā)泡高度逐漸變大，發(fā)泡速率也隨之變快。堿度為1.9時，熔渣發(fā)泡高度達到最大；當熔渣堿度高于1.9時，隨著堿度的升高，熔渣發(fā)泡高度降低。

熔渣堿度的變化引起熔渣相關(guān)物性參數(shù)的變化，由圖5可知，熔渣黏度隨著堿度升高而下降，黏度的降低導致熔渣中生成并聚合的氣泡破裂，氣泡難以停留而形成穩(wěn)定的泡沫渣。在堿度大于1.9的情況下，熔渣黏度下降使CO氣泡在生成過程中很快從渣中逸出，難以達到較好的發(fā)泡高度。在堿度小于1.9的情況下，熔渣黏度降低，但熔渣中的MgO達到較高的飽和含量，熔渣中存在的固體顆粒成為形成氣泡的核心，這促使熔渣中氣泡的形成。Ito等[21]的研究指出，飽和MgO熔渣中會析出FeO·MgO晶體，析出的固體顆粒會引起熔渣泡沫化。熔渣中的SiO2為表面活性物質(zhì)，表面活性物質(zhì)能夠降低熔渣表面張力，其形成的大顆粒硅酸根離子吸附于CO氣泡表面，延長泡沫在熔渣中的壽命[22-23]。熔渣堿度為1.9時，存在較多的二相顆粒且黏度合適，熔渣具有良好的發(fā)泡性能，發(fā)泡高度達到最大。FeO含量為30%時，最大發(fā)泡高度為17.6 mm。

3 結(jié)論

熔渣內(nèi)部脫碳反應會引起發(fā)泡，試驗研究熔渣發(fā)泡高度隨時間的變化，分析熔渣發(fā)泡高度隨熔渣成分含量與物性參數(shù)的變化規(guī)律。在熔渣僅由內(nèi)部脫碳反應作用的條件下，熔渣發(fā)泡高度隨著反應時間的延長先升高后降低，熔渣發(fā)泡程度最大化時間集中在300～600 s。FeO含量升高會導致熔渣黏度降低。FeO含量低于30%時，隨著FeO含量的升高，熔渣發(fā)泡高度逐漸變大；當熔渣FeO含量高于30%時，熔渣發(fā)泡高度與熔渣中FeO含量變化沒有明顯規(guī)律；FeO含量為30%時，熔渣發(fā)泡高度達到最大。隨著堿度的升高，熔渣發(fā)泡高度先升高后下降，堿度為1.9時，熔渣發(fā)泡高度達到最大。在內(nèi)部脫碳反應條件下，飽和氧化鎂熔渣存在最大發(fā)泡高度，熔渣FeO含量為30%，堿度為1.9時，熔渣發(fā)泡性能最好，最大發(fā)泡高度為17.6 mm。

參考文獻

1 徐曾啟.煉鋼過程中的泡沫渣[J].鋼鐵研究，1989（3）：9-16.

2 URQUHART R C，DAVENPORT W G.Foams and emulsions in oxygen steelmaking[J].Canadian Metallurgical Quarterly，1973（4）：507-516.

3 柯樹華.泡沫渣的作用及工藝選擇[J].特殊鋼，1991（4）：38-42.

4 QIU G，SHAN C，ZHANG X，et al.Physical modelling of slag-foaming phenomenon resulted from inside-origin gas formation reaction[J].Ironmaking amp; Steelmaking，2017（4）：246-254.

5 HUANG X A，NG K W，GIROUX L，et al.

Carbonaceous material properties and their interactions with slag during electric arc furnace steelmaking[J].Metallurgical and Materials Transactions B （Process Metallurgy and Materials Processing Science），2019（3）：1387-1398.

6 LUZ A P，TOMBA MARTINEZ A G，LOPEZ F，et al.

Slag foaming practice in the steelmaking process[J].Ceramics International，2018（8）：8727-8741.

7 黃繼益，韋振林，丘俊強，等.電爐高效埋弧泡沫渣技術(shù)開發(fā)[J].鋼鐵研究，1995（3）：18-21.

8 張立峰.煉鋼技術(shù)的發(fā)展歷程和未來展望（Ⅱ）：煉鋼的未來展望[J].鋼鐵，2023（1）：1-12.

9 ENDE M A V.Development of an electric arc furnace simulation model using the Effective Equilibrium Reaction Zone（EERZ）approach[J].JOM，2022

（4）：1610-1623.

10 ITO K，F(xiàn)RUEHAN R J.Study on the foaming of CaO-SiO2-FeO slags：part Ⅰ.foaming parameters and experimental results[J].Metallurgical Transactions B，1989（4）：509-514.

11 CONEJO A，MORALES R，RODRIGUEZ H.

Mathematical modeling of the EAF process using direct reduced iron[C]//59th Electric Furnace Conference and 19th Process Technology Conference.2001.

12 HEO J H，PARK J H.Effect of slag composition on dephosphorization and foamability in the electric arc furnace steelmaking process：improvement of plant operation[J].Metallurgical and Materials Transactions B（Process Metallurgy and Materials Processing Science），2021（6）：3613-3623.

13 AVELAR T D C，SOUZA R M D，DURANTE T，

et al.Influence of physicochemical properties and chemical composition of slags on the slag foaming index[J].Journal of Metals，2023（6）：

2045-2053.

14 郭占成，楊學民，艾 菁，等.泡沫渣中CO還原FetO的實驗研究[J].鋼鐵，1996（9）：10-14.

15 MARTINSSON J，VICKERFALT A，DU S C.Impact of solid particles and liquid droplets on foams：cold model and high temperature experiments[J].ISIJ International，2022（1）：104-111.

16 KIM H S，MIN D J，PARK J H.Foaming behavior of CaO–SiO2–FeO–MgO satd–X （X=Al2O3，

MnO，P2O5，and CaF2） slags at high temperatures[J].

ISIJ International，2001（4）：317-324.

17 MATSUURA H，MANNING C P，F(xiàn)ORTES R A F O，

et al.Development of a decarburization and slag formation model for the electric arc furnace[J].ISIJ International，2008（9）：1197-1205.

18 ZHANG Y，F(xiàn)RUEHAN R J.Effect of gas type and pressure on slag foaming[J].Metallurgical and Materials Transactions B （Process Metallurgy and Materials Processing Science），1995（5）：1088-1091.

19 CHANG W T，LIN C M，SU Y L，et al.Effect of FeO content on foaming and viscosity properties in FeO-CaO-SiO2-MgO-Al2O3 slag system[J].Metals，2021（2）：289.

20 ZHANG B，WANG R，HU C，et al.Effect of viscosity on dynamic evolution of metallurgy slag foaming[J].ISIJ International，2021（5）：

1348-1356.

21 ITO K，F(xiàn)RUEHAN R J.Study on the foaming of CaO-SiO2-FeO slags：part Ⅱ.dimensional analysis and foaming in iron and steelmaking processes[J].Metallurgical Transactions B，1989（4）：

515-521.

22 KITAMURA S Y，OKOHIRA K.Influence of slag composition and temperature on slag foaming[J].ISIJ International，1992（6）：741-746.

23 YI S，KIM S.Effect of surface-active species on the foam stability in the EAF slag system[J].Scandinavian Journal of Metallurgy，2002（2）：148-152.