第四章    造渣和脱硫过程
造渣与脱硫是高炉内重要物理化学过程。一方面影响高炉顺行和生铁质量，同时对高炉产量和焦比也有重大影响。
第一节  造渣目的与作用
高炉冶炼的目的是要生产出合格生铁，由于炉渣与生铁是高炉内同时形成的一对孪生产品，因此，要炼好铁，必须要造好渣。
造渣就是加入熔剂同脉石和灰分作用，使炉渣具有良好的流动性，保证渣铁良好分离，并将不进入生铁的物质溶解、汇集成渣的过程。
加熔剂造渣还有调节炉渣成分，使之具有保证生铁质量所需的性能。
第二节  造渣过程及其对高炉冶炼影响
根据高炉造渣的 不同阶段，可分为初渣、中间渣和终渣。
初  渣：开始熔融出现的液相渣（软熔带内）；
中间渣：处于滴落过程中其成分、温度在不断变化的 炉渣；
终  渣：到达炉缸并待放出的炉渣，其成分相对稳定。
一、初渣的形成
初渣形成包括固相反应、软化、熔融、滴落等几个阶段。
1、固相反应：是初渣生成的孕育阶段。主要发生 在脉石与熔剂、脉石与铁氧化物之间，并生成一系列低熔点化合物。[对使用熔剂性烧结矿、球团矿而不加熔剂的高炉，固相反应在烧结或球团焙烧过程已经完成]
2、矿石软化
随着炉料下降，炉温升高，矿块内部或表面出现微小的局部熔化，即矿石软化开始。
矿石从软化开始到熔融滴落需要一定的时间和空间，这一过程是对高炉顺行影响很大的一个环节。
由于负荷的 作用，软化的矿石产生粘合、融着，使气孔度大大降低，形成软熔带内软熔层。
因此，矿石开始软化温度越低，初渣出现就越早，软熔带位置就越高，而软化温度区间越大，软熔层越宽，对高炉顺行越不利。
所以，一般要求矿石的开始软化温度要高，软化区间要窄。
3、初渣形成
从矿石软化到熔融滴落就形成初渣。
初渣特点：FeO含量较高（矿石越难还原，初渣FeO越高）。
高炉内初渣生成的区域称为软熔带。根据高炉解体研究，在矿石完全熔化滴落以前，在软熔带内仍基本维持矿、焦分层状态，只是固态的矿石层变成了软熔层。（见图）
二、中间渣
即处于软熔带以下、风口水平以上正在滴落过程的液相渣。
中间渣在滴落下降过程中，继续被加热、还原等，其组成、数量不断变化。FeO含量在减少，而Al2O3、SiO2含量上升。
中间渣能否胜利滴落，取决于原料成分和炉温的稳定。当采用天然矿冶炼且大量加入石灰石，往往造成炉温和中间渣成分的激烈波动，导致炉渣流动性剧烈变化，使高炉不顺，甚至悬料和结瘤.
三、终渣
终渣的成分和性质基本稳定。
终渣对控制生铁成分，保证生铁质量有重要影响。适宜的终渣成分是由原料条件、冶炼品种和实践经验确定，通过配料计算来调整。
高炉料柱结构及软熔带分布图
第三节  炉渣性质及其对冶炼影响
一、炉渣碱度
二元碱度R2： R2=CaO/SiO2
三元碱度R3： R3=（CaO+MgO）/SiO2
四元碱度R4： R4=（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）
炉渣中的MgO、Al2O3含量相对稳定，所以炉渣碱度一般是指二元碱度R2。
R2>1.0的炉渣，称为碱性炉渣；
R2<1.0的炉渣，称为酸性炉渣。
高炉渣R2：0.9～1.2（通常为1.05～1.2）
二、炉渣性质
炉渣性质主要有熔化温度、熔化性温度、粘度（流动性）、稳定性和脱硫能力。
一般要求炉渣有适宜的熔化性温度、良好的流动性和稳定性以及较高的脱硫能力。
1．熔化温度
指炉渣完全熔化时的温度。
由相图可知，当Al2O3含量为15%，MgO不大于20%，R2=1.0上下的区域，熔化温度都较低。当R2小于1.0时虽然熔化温度也不高，但由于脱硫能力不能满足要求，所以一般不用。
当R2大于1.2时，使炉渣处于高熔化温度区也是不合适的，因为这样炉渣在炉缸温度下不能完全熔化且极不稳定。
由于熔化温度高低无法表示炉渣的流动性，因此局限性大
2．熔化性温度
指炉渣从不能流动到自由流动的温度。
熔化性温度可通过测定炉渣在不同温度下的粘度，然后画出粘度——温度曲线来确定。曲线上的转折点所对应的温度就是炉渣的熔化性温度。
如图所示，一般碱性渣具有A渣的特点，称为“短渣”。
而酸性渣具有B渣特点，称为长渣或玻璃渣。
熔化性温度高的炉渣，其较难熔，但若冶炼温度（炉渣温度）能高于这个温度，渣就具有良好流动性，这种渣形成较晚，有利获得位置较低的软熔带，同时本身吸收热量多，故有利于提高炉缸温度。
但若过高，而超过正常炉温，则会引起粘度大幅度升高流动性差而造成难行。            炉渣粘度—温度图
3．炉渣粘度
表示炉渣在熔融状态下流动的难易程度。
若炉渣粘度过大，不利渣铁分离和脱硫反应，也不易从炉内排出。
炉渣粘度过小，易冲刷炉衬，并影响炉缸温度升高。
高炉适宜的粘度范围：0.2～2.5Pa.S（0.2～0.8Pa.S）。铁水温度
影响炉渣粘度因素：炉渣温度和炉渣成分。
①炉渣温度升高，炉渣粘度降低；
②当温度一定时，炉渣粘度取决于炉渣成分。
Al2O3含量为15%的四元渣系粘度图
4．稳定性
指炉渣性质（熔化性温度、粘度）随炉渣成分或温度发生变化而波动的幅度大小。
当炉渣成分或温度波动时，其性质变化不大或保持在允许的范围内，这样的炉渣稳定性好，称为稳定渣。
炉渣稳定性分为热稳定性和化学稳定性。
热稳定性：指炉渣温度波动时，炉渣性质保持稳定的能力。
化学稳定性：指炉渣成分波动时，炉渣性质保持稳定的能力。
判断稳定性的依据：
①化学稳定性：由炉渣等粘度曲线和等熔化性温度曲线的稀密程度来判断——稀，说明随成分变化梯度小，稳定性好。
②热稳定性判断：由炉渣粘度—温度曲线转折点的缓急，并以炉缸正常温度为标准来判断。（热稳定性是相对于炉缸温度而言，一般讲，短渣的热稳定性较差）
稳定性好的炉渣一方面有利于高炉顺行，同时有利形成稳定渣皮，保护炉衬。
稳定性差的炉渣，在炉温或原料成分波动时，软熔带产生波动，造成炉况失常，如难行、悬料、崩料、结瘤等。
一般讲，R2：1.0～1.2；MaO：8～12%；Al2O3：<15%的炉渣其稳定性较好。
5．脱硫能力
炉渣分子理论和离子理论
分子理论：
主要论点：
①熔融炉渣是由自由氧化物分子和复杂化合物分子组成。
②复杂化合物由酸性氧化物和碱性氧化物相互作用生成。
③只有自由氧化物参与金属相的相互作用。
④炉渣是理想溶液。
分子理论可以说明于炉渣有关的各种反应，定性判断反应进行的条件和方向等。
离子理论：
依据：
①熔渣能导电
②熔渣可以电离
③对碱性和中性氧化物进行X射线分析指出：它们都是由正负离子互相配位所构成的三度点阵结构。
④硅酸盐玻璃的结构更接近熔渣结构，玻璃也是由简单的正离子和复杂的硅酸根负离子所组成，有近程排序而无远程排序。
炉渣离子结构：组成熔渣的碱性氧化物，形成正离子和氧负离子；如：
而酸性氧化物则吸收氧负离子形成复合负离子。
正负离子间的结合能力是由离子之间的静电力决定的。凡正离子半径愈小，电荷数愈多，则对负离子的静电力愈大，愈易形成稳定的复合离子；
相反，正离子半径愈大，电荷数愈少，则对负离子的静电力愈小 ，愈不易形成稳定的复合离子。
第四节  高炉内的脱硫过程
    生铁脱硫是高炉冶炼的一个重要任务。
一、硫的来源及存在形态
硫的来源：进入炉内的硫60~80%是由燃料（焦炭和喷吹煤粉）带入，其余由矿石、熔剂带入。
硫负荷：指冶炼每吨生铁炉料带入的总硫量，kg/T-pig。
硫负荷：4～12kg/T，一般在4～6kg/T
存在形态：
焦炭（煤粉）中硫主要以有机硫形式存在，少量以硫酸盐或硫化物存在。
矿石（熔剂）：主要以硫化物、硫酸盐形式存在。
二、硫在高炉内的分布规律
炉料带入的硫（Sm）大部分进入炉渣（SS），少量进入煤气（Sg）和生铁（St）：
根据硫的平衡：Sm=St+Sg+SS
设[S]、（S）分别代表S在生铁和炉渣中含量，%；
    n表示渣量，Kg/T；
LS=（S）/[S]，表示硫在渣铁间的分配系数。
以冶炼100kg生铁为基准：
则：St=[S]，SS=n（S），（S）=LS[S]
由此可得：Sm—Sg=[S]+nLS[S]