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电渣冶金渣系挥发特性研究进展
邱国兴，介光辉，杨永坤，李小明
（西安建筑科技大学冶金工程学院， 陕西西安 710048）
电渣重熔是一种利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的净化钢液手段。因为其冶炼产品具有金属洁净、组织致密、成分均匀、表面光洁等优点，广泛应用于高端金属材料制备。为了保证熔渣的导电性，电渣渣系均含有一定CaF2，冶炼过程挥发严重，污染环境；氟化物挥发造成渣系成分波动大进而影响冶炼过程和产品质量。从渣系组成、冶炼环境、热力学和动力学几方面出发，讨论了影响渣系中氟化物挥发的因素，探讨了降低氟化物挥发的有效方法。重点介绍了CaF2、w（（CaO））/w（（SiO2））、w（（CaO））/w（（Al2O3））对渣系挥发的影响。降低渣中CaF2含量、增大w（（CaO））/w（（SiO2））、减小w（（CaO））/w（（Al2O3）） 可有效减少渣中氟化物挥发；讨论了利用碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O）、TiO2、B2O3代替CaF2开发低氟渣的可能性。利用Na2O、TiO2、B2O3等代替CaF2是未来低氟/无氟渣开发的重要方向之一；综述了冶炼温度和环境湿度等对含氟渣系挥发的影响规律。降低冶炼温度、提高升温速率、对渣系预熔和保持干燥均可有效抑制氟化物挥发；基于电渣冶金渣系挥发热力学和动力学研究现状，介绍了炉渣分子离子共存理论计算渣系组元活度的适用性，总结了渣系挥发的动力学机理，归纳了电渣重熔过程中含氟渣挥发的限制性环节。分子离子模型对常见渣系组元活度计算具有很高的准确性，对其他特殊渣系的适用性还有待进一步验证。未来渣系挥发动力学研究应重点关注参与挥发反应的阴阳离子由本体向反应界面传质过程，以及反应生成物的形核、长大、气泡化的过程这2个限制性环节，以减少氟化物挥发。
电渣冶金； 渣系；CaF2； 挥发； 热力学； 动力学
电渣重熔是一种利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的特种冶金技术。其制备的产品具有成分均匀、金属洁净、组织致密、夹杂物细小且弥散等特点而广泛应用于特种钢和高温合金等材料的生产。电渣冶金常用渣系（质量分数）有：70%CaF2-30%Al2O3、60%CaF2-20%Al2O3-20%CaO、40%CaF2-30%Al2O3-30%CaO、58%CaF2-20%Al2O3-20%CaO-1.5%SiO2、40%CaF2-29%Al2O3-27.5%CaO-1.5%SiO2-1.5%MgO等。CaF2含量高保证了渣系具有极强的导电性；Al2O3提高了渣系电阻，降低了电渣重熔过程中的电耗；CaO保证了渣系的脱硫能力；适量MgO防止了渣池吸氢及渣中变价氧化物向金属熔池供氧，减少熔渣表面向大气辐射的热损失；SiO2提高了熔渣的高温塑性。但由于渣系主要成分为CaF2，在高温下极易挥发且易与其他氧化物反应生成氟化物气体形成烟尘，严重污染环境，并且由于渣系中氟化物不断地挥发，使炉渣成分发生变化，影响炉渣性能，进而影响电渣冶金产品质量和技术经济指标。研究含氟渣系挥发特性和寻求降低含氟渣挥发速度的方法，一直是电渣冶金工作者的重要研究课题。
本文总结了电渣冶金渣系挥发研究现状，从熔渣成分和冶炼条件等方面，讨论了CaF2、w（（CaO））/w（（SiO2））、w（（CaO））/w（（Al2O3））、碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O）、TiO2、B2O3、温度和环境湿度对氟化物挥发的影响；从热力学的角度，总结了电渣冶金渣系挥发的具体反应及氟化物生成的难易程度，介绍了分子离子模型在熔渣组元活度计算上的适用性。从动力学的角度，归纳了渣系挥发动力学机理，以及挥发反应的主要限制性环节。期望对未来电渣冶金渣系挥发研究提供方向，推动电渣冶金技术进一步发展。
1）降低渣系中CaF2含量、增大w（（CaO））/w（（SiO2））、减小渣系w（（CaO））/w（（Al2O3））可有效降低熔渣中氟化物挥发；相较于Li2O和K2O，利用Na2O代替CaF2在抑制氟化物挥发上具有明显的优势；TiO2可通过影响熔渣结晶行为，降低渣中氟化物气泡形核质点数量实现抑制挥发；B2O3增加了熔渣聚合度，降低渣系组元活度，可有效减少氟化物的挥发。选用Na2O、TiO2、B2O3等代替CaF2开发低氟无氟电渣渣系是未来电渣冶金渣系挥发研究的主要方向之一。
2）对于电渣冶金渣系而言，冶炼温度越高，CaF2挥发量越大；含碱金属渣系中碱金属氟化物挥发量随温度先减小后增大；提高升温速率和对渣系进行预熔均可有效降低冶炼过程渣系氟化物的挥发。另外，潮湿气氛中，渣系挥发出的氟化物会因水解反应生成大量HF，严重污染环境，因此，电渣重熔前应保证渣系及气氛的干燥。
3）活度是影响挥发反应快慢的因素之一，用分子离子模型计算CaF2-CaO-Al2O3、CaF2-CaO-Al2O3-MgO-TiO2和CaF2-CaO-SiO2-Al2O3-B2O3渣系中组元活度具有很高的精度。分子离子模型对于其他电渣渣系组元活度计算的适用性还有待电渣工作者们的进一步探讨。
4）电渣重熔过程中渣系挥发动力学研究旨在确定挥发反应机理函数，确定挥发反应的限制性环节。电渣重熔过程中含氟渣挥发的限制性环节主要是参与挥发反应的阴阳离子由本体向反应界面传质过程，以及反应生成物的形核、长大、气泡化的过程，未来的研究应重点关注这2个环节。
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