炉渣的主要成分

炉渣(slag)矿中的脉石、炉料中的熔剂和其他造渣组分在火法冶金过程中形成的金属硅酸盐、亚铁酸盐和铝酸盐等混合物。此外，炉渣还含有少量的金属硫化物、金属和气体。从广义说，有色金属的吹炼渣、黄渣、蒸馏罐渣、精炼渣等都属有色金属冶金炉渣。炉渣富集了炉料中的脉石成分和不希望进入主金属的杂质，是一个成分复杂的多元体系。炉渣的主要成分为氧化物。可将构成炉渣的氧化物分为酸性氧化物(如SiO2、Fe2O。等)、碱性氧化物(如FeO、CaO、MgO等)和两性氧化物(如Al2O3、ZnO等)。它们之间的区别在于各氧化物对氧离子的亲疏关系，容易放出氧离子的为碱性氧化物，反之为酸性氧化物。这些氧化物相互结合成各种化合物、固溶体及共晶混合物。炉渣组成的来源 有色金属冶金炉渣中的组分主要来源于五个方面：(1)矿石或精矿中的脉石，如SiO2、CaO、Al2O3、MgO等；(2)炉料在熔炼过程中生成的氧化物，如FeO、Fe3O4等；(3)为满足熔炼需要而加入的熔剂，如SiO2、CaO、FeO、Fe3O4等；(4)熔蚀或冲刷下来的炉衬材料，如MgO、SiO2、Al2O3等；(5)燃料燃烧的灰分，如Al2O3、SiO2等。有色金属冶金炉渣属FeOCaOSiO2系，主要是由FeO、CaO、SiO2组成的硅酸盐，三者之和约占渣量7585，有时甚至达90。因此，渣的性质在很大程度上由这三个组分所决定。在冶炼过程中的作用 炉渣是火法冶金的必然产物，其量又相当大。例如反射炉炼铜产出的炉渣约为熔锍质量的200500。炉渣在冶炼过程中主要起八方面的作用。(1)熔融炉渣富集了炉料中几乎全部的脉石和大部分的杂质，并在造渣过程中完成了金属的某些熔炼和精炼过程。例如铜、镍硫化矿造锍熔炼时，铜、镍等硫化物与硫化亚铁富集为熔锍，而铁的氧化物与脉石、熔剂和燃料灰分等形成熔渣。(2)熔炼生成的金属或锍熔体液滴分散在熔渣中，它们的汇合长大和澄清分离都是在熔渣介质中进行的。因此，熔渣对熔炼生成的金属或熔锍与造渣成分分离的程度起着重要的作用。(3)覆盖在金属或熔锍表面的熔渣层起保护金属和熔锍的作用。(4)熔渣在冶炼过程中除富集炉料中的脉石等成分外，有时还起富集有价组分的作用，如钛精矿还原熔炼所得的高钛渣，以及吹炼含钒和含铌的生铁所得的钒渣和铌渣等都是提取钛、钒和铌等的原料。(5)熔渣在一些冶炼过程中还起着特殊作用，在烧结焙烧过程中造渣成分起到粘合结块的作用；在鼓风炉熔炼过程中，炉渣的组成基本上决定了炉内的温度，低熔点渣型的强化熔炼只能提高炉子生产能力而不能提高炉内温度，要提高炉内温度必须选择熔点高的渣型；在电炉熔炼时，炉渣起电阻发热体作用。(6)炉渣的性质决定着熔炼过程的燃料消耗量，热焓量大的和熔点高的炉渣，熔炼的燃料消耗量也增加。(7)炉渣的性质和熔炼产出的渣量是影响金属回收率的一个重要因素，因为渣含金属的损失是冶金过程中金属损失的主要途径。(8)炉渣对炉衬的化学侵蚀和机械冲刷，会影响炉子的使用寿命。由此可见，炉渣是直接影响冶炼产品质量、生产率、金属回收率、冶炼过程能否顺行等的重要因素。性质 炉渣的主要性质有熔点、粘度、密度、热焓、界(表)面张力、电导率、密度等。炉渣的粘度影响到冶炼能否顺利进行，也影响到金属或锍能否充分地通过渣层沉降分离。向炉渣添加定量的CaO或FeO等碱性氧化物会降低其粘度，但却增加渣量。炉渣粘度一般以小而适当的为好。炉渣的导电率对电炉操作影响极大。钠离子对炉渣导电率的增加非常有效，而SiO2却会引起炉渣导电率的下降。当炉渣中氧化铁含量增加时，除离子导电外，还出现电子导电。炉渣的表面张力以及与金属或锍之间的界面张力等，与金属或锍颗粒在渣中的悬浮有关。因而，它与密度、粘度等一起是评价主金属在渣中损失的重要性质。炉渣的熔点随其高熔点物质的含量增加而升高，它和热焓一起影响着冶炼过程的能耗。对造渣的要求由于炉渣是构成熔炼产物的基体，它的性质在很大程度上决定着熔炼的效果。而炉渣性质主要受它的组成和熔炼温度的影响。所谓造渣，就是通过加适量的熔剂，如石英石、石灰石和铁矿石(或黄铁矿烧渣)来获得最佳组成炉渣的过程。对造渣的要求（1) 要满足冶金过程的需要，使炉料中的无价和有害组分最大限度地集中溶解在熔渣中，而尽可能少地溶解或夹带炉料中的有价金属；(2)造渣费用最低，即选用的渣型消耗的熔剂最少，产出的渣量最少，燃料消耗最少；(3)炉渣的形成温度和流动温度要与熔炼工艺相适应；(4)所造的渣型具有小而适当的粘度和小的密度，这是为使炉内冶金反应充分完成和熔融金属与炉渣的良好分离所必须的；(5)所造渣型对炉体的腐蚀性最小。炉渣的结构理论 已提出过几种熔融炉渣结构学说，主要有分子学说和离子学说两种。分子学说 这是以固体炉渣的相分析和化学分析结果为依据于1934年最早提出的熔渣结构学说。分子学说把熔渣看成是各种氧化物分子(如SiO2、FeO、CaO等)和它们之间的化合物分子(如2FeOSiO2、2CaOSiO2等)组成的理想溶液，渣中酸碱氧化物相互作用形成的复杂氧化物之间处于化学动平衡，只有自由氧化物(如FeO、CaO等)才能参予金属相的相互反应，此时自由氧化物以实际浓度出现，所以金属与炉渣间的反应可以应用理想溶液的有关定律。分子学说缺乏更广泛的实验基础，设想的某些化合物又无实验验证，认为组成如此复杂的熔体是理想溶液，更是缺乏事实依据。但这种学说也能简单地、定量或半定量地解释一些实验现象，如渣的氧化能力、脱硫能力和酸碱性等，因而直到目前仍有一定的实用价值。离子学说 1912年苏联学者瓦纽柯夫()提出的熔渣离子化理论，认为熔渣是由简单的离子和复杂的配位离子构成，质点间相互作用为离子的相互作用，所以渣金属相间的相互作用是电化学性质的作用。熔渣中金属氧化物的金属呈正离子，如Ca2+、Fe2+、Mg2+等。而氧在碱性渣中以O2存在，有可能形成配位离子的元素(如Si4+、Al3+、Fe3+等)存在时，则形成配位离子，其主要的如，式中x、y、z值由OSi比值即炉渣的酸碱度确定。当Osi=2时为SiO2结构，在熔融状态下无离子性质，硅和氧的化合价都达饱和。渣中碱性氧化物增加，离子断裂为更简单的离子。至OSi=4时成为最简单的，此时四个氧的价数都不饱和。1945年苏联学者焦姆金(MN)提出熔渣完全离子溶液学说，称模型。其要点为：(1)溶液完全电离成电荷总数相等的正负离子，故溶液总体不带电；(2)每个离子仅为带有相反电荷的离子所包围，即正负离子均匀相间排列；(3)电荷符号相同的离子，不论其电荷数多少，它与邻近离子的相互作用完全等同。所以，溶液中正负离子不能互换位置，同符号离子的位置可互换而不会改变体系的能量。该模型揭露了离子熔体质点载有正负电荷的本质，但忽略了电荷符号相同而种类不同离子(如Fe2+和Ca2+、O2和S2)之间的差异，故与真实离子熔体(如熔渣)存有偏差。但它提供了一种对实际炉渣比较的标准。马松(CRMasson)在1965年提出并在1970年改进的马松模型，又称全链结构型。该模型假定熔体中离子活度等于其离子分数，硅氧配位离子之间发生一系列的聚合反应并达到平衡，每个聚合反应的平衡常数都相等。并由此得出各种复杂离子浓度的理论