淺析黃銅熔煉爐渣的形成及作用

周 恒

（銅陵有色股份銅冠黃銅棒材有限公司，安徽 銅陵 244000）

黃銅合金是一種使用較為廣泛的有色金屬，是由銅和鋅等金屬經(jīng)熔煉后形成的一種合金，在其熔煉過程中，除了產(chǎn)物為銅鋅合金的黃銅的正常的化學(xué)反應(yīng)以外，還伴有在高溫下爐體內(nèi)其他物質(zhì)之間或者與空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成了爐渣。對(duì)于這些黃銅熔煉過程中產(chǎn)生的爐渣，不能簡單地認(rèn)為它完全就是有害的，要通過對(duì)爐渣的理論分析，從來源和作用進(jìn)行了解，從而揚(yáng)長避短、趨利避害[1]。

1 黃銅熔煉爐渣的分類

根據(jù)黃銅熔煉爐渣的主要成分及構(gòu)成，可以分為三大類：第一類：金屬非氧化合物渣，其中以金屬氟化物、氯酸鹽和不含氧的化合物組成，比如CaF2、NaF、BaCl2等。第二類：氧化物型渣，主要由金屬氧化物、非金屬氧化物組成。比如MnO、FeO、CaO、SiO2等。這一類熔渣氧化性較強(qiáng)，很容易吸收爐體內(nèi)的有害雜質(zhì)。第三類：金屬氧化物和金屬非氧化合物復(fù)合型渣，比如NaF-Al2O3、CaO-BaCl2等。

2 爐渣的來源

黃銅熔煉中的爐渣組成物主要來源于五個(gè)方面：①原料中的各種成分高溫下氧化的產(chǎn)物；②以覆蓋劑或添加劑等加入的非金屬物質(zhì)等；③原材料帶入的雜質(zhì)物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物；④爐體上脫落的耐火材料；⑤脫氧、脫硫產(chǎn)物。

除了黃銅熔煉過程中本身產(chǎn)生的爐渣外，還有用于爐外處理中間合金由人工配制成的合成渣，例如：爐外脫硫及脫磷精煉過程中的爐渣、用于熔體澆鑄時(shí)的保護(hù)澆鑄渣等。

表1 常見黃銅合金熔煉爐中所形成的爐渣成分

3 黃銅熔煉爐渣的作用

黃銅熔煉爐渣作用體現(xiàn)在正反兩個(gè)方面，既包括機(jī)械保護(hù)、冶金處理等正面作用，又包括降低熔煉爐的使用壽命等負(fù)面作用，因此對(duì)于不同的成形工藝過程，應(yīng)合理地選擇爐渣的組成，以控制成形件的質(zhì)量與生產(chǎn)效益[2]。

（1）機(jī)械保護(hù)作用。黃銅合金熔煉時(shí)產(chǎn)生的爐渣，由于其比重較輕，爐渣便漂浮在爐內(nèi)金屬液體之上，大面積地覆蓋在熔體表面，就等于在金屬表面形成了一層保護(hù)膜，防止了金屬在高溫下被氧化，避免造成爐內(nèi)金屬的機(jī)械損失。

（2）冶金處理作用。黃銅熔煉過程中，爐渣通過與液相金屬之間發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，來去除硫、磷、氫等有害元素，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)了黃銅合金成分的優(yōu)化。

（3）爐渣負(fù)面作用。黃銅熔煉時(shí)產(chǎn)生的爐渣會(huì)加速爐體內(nèi)襯的脫落，降低熔煉爐的使用壽命，同時(shí)也會(huì)降低金屬的利用率。

4 爐渣與熔煉金屬相互作用的理論模型

爐渣的物理化學(xué)性質(zhì)及其與金屬的相互作用與爐渣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系。關(guān)于液態(tài)爐渣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，目前存在著兩種理論模型，即分子理論與離子理論。

（1）爐渣結(jié)構(gòu)的分子理論。分子理論的主要依據(jù)是室溫下對(duì)凝固爐渣的相分析和成分分析的結(jié)果，該理論的中心思想是把爐渣看成若干個(gè)不帶電的分子集合體，其要點(diǎn)如下。

①液態(tài)熔渣由自由氧化物及其復(fù)合物的分子，如硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽等組成。②氧化物及其復(fù)合物處于平衡狀態(tài)，這種平衡是一種動(dòng)態(tài)平衡，兩者之間會(huì)根據(jù)相關(guān)濃度的變化，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)其復(fù)合和分解的動(dòng)態(tài)過程。③只有自由氧化物才能參與和金屬的反應(yīng)，在分子理論中，自由氧化物是具有最高化學(xué)活性的物質(zhì)，所以只有它才能和金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

分子理論建立最早，由于它能簡明地定性分析爐渣和金屬之間的一些冶金反應(yīng)，并且可以以熱力學(xué)為基礎(chǔ)，計(jì)算出反應(yīng)中的各種平衡關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)化學(xué)反應(yīng)的定量闡述，目前仍在理論界得到廣泛的應(yīng)用，但它無法解釋熔渣的導(dǎo)電性等重要現(xiàn)象，由此離子理論模型便應(yīng)運(yùn)而生。

（2）爐渣結(jié)構(gòu)的離子理論。離子理論基于對(duì)爐渣電化學(xué)性能的研究，離子理論的要點(diǎn)如下：①爐渣是由正負(fù)離子共同組成的復(fù)合體，但由于其本質(zhì)上還是離子，所以爐渣整體上是帶電性的，同時(shí)，爐渣是可以發(fā)生電解反應(yīng)的，并可以通過反應(yīng)還原出金屬，這個(gè)過程對(duì)于黃銅合金的熔煉，可以起到了有效的提高金屬熔煉純度，降低雜質(zhì)的作用。②爐渣中離子之間的結(jié)合和化學(xué)作用取決于其它們之間的綜合矩，離子的綜合矩越大，與其它離子的結(jié)合和進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)就越容易。離子的綜合矩與離子半徑呈反比，離子半徑越大，其綜合矩就越小，反正亦然。③爐渣與金屬之間相互作用的過程，本質(zhì)上是原子與離子之間電子得失的過程。如：Si4++2[Cu]=2Cu2++[Si]，這是爐渣中硅還原和銅氧化的過程，其反應(yīng)的本質(zhì)是正電荷從爐渣中的硅離子轉(zhuǎn)移到金屬Cu原子的過程。

應(yīng)當(dāng)指出，實(shí)際的黃銅合金熔煉時(shí)爐體和爐渣是十分復(fù)雜的，其中不僅有離子，而且還有少量的中性分子，兩種理論都有可以適用的部分，盡管相對(duì)而言，離子理論對(duì)許多現(xiàn)象的解釋相比分子理論符合科學(xué)理論，但是仍然存在這很大的爭議，所以目前它還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的模型，而且離子理論本身缺乏系統(tǒng)的熱力學(xué)方面的理論支撐，所以在冶金工業(yè)中還是分子理論應(yīng)用的更為廣泛。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為黃銅合金在熔煉過程中出現(xiàn)的爐渣是有害的，會(huì)增加金屬的機(jī)械損失，降低金屬利用率，但是通過理論分析并結(jié)合實(shí)際情況來看，黃銅熔煉時(shí)產(chǎn)生的爐渣的也并非一無是處。爐渣一方面可以在熔融金屬表面形成一層固態(tài)隔層，起到隔斷空氣，保護(hù)爐內(nèi)熔體的作用，另一方面還可以通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，來起到吸收熔煉時(shí)有害雜質(zhì)的作用。所以，對(duì)于爐渣的作用不能單純地肯定或者否定，這主要在于控制爐渣產(chǎn)生的量，關(guān)于爐渣量產(chǎn)生的多少是要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行具體分析。

在黃銅合金熔煉過程中，控制好爐渣的產(chǎn)出量，既能提高金屬的利用率，同時(shí)也能有效的提高黃銅合金的熔煉的效果的，為生產(chǎn)合格黃銅鑄造合金提供堅(jiān)實(shí)的保障。