浅析黄铜熔炼炉渣的形成及作用

周 恒

（铜陵有色股份铜冠黄铜棒材有限公司，安徽 铜陵 244000）

黄铜合金是一种使用较为广泛的有色金属，是由铜和锌等金属经熔炼后形成的一种合金，在其熔炼过程中，除了产物为铜锌合金的黄铜的正常的化学反应以外，还伴有在高温下炉体内其他物质之间或者与空气进行化学反应生成了炉渣。对于这些黄铜熔炼过程中产生的炉渣，不能简单地认为它完全就是有害的，要通过对炉渣的理论分析，从来源和作用进行了解，从而扬长避短、趋利避害[1]。

1 黄铜熔炼炉渣的分类

根据黄铜熔炼炉渣的主要成分及构成，可以分为三大类：第一类：金属非氧化合物渣，其中以金属氟化物、氯酸盐和不含氧的化合物组成，比如CaF2、NaF、BaCl2等。第二类：氧化物型渣，主要由金属氧化物、非金属氧化物组成。比如MnO、FeO、CaO、SiO2等。这一类熔渣氧化性较强，很容易吸收炉体内的有害杂质。第三类：金属氧化物和金属非氧化合物复合型渣，比如NaF-Al2O3、CaO-BaCl2等。

2 炉渣的来源

黄铜熔炼中的炉渣组成物主要来源于五个方面：①原料中的各种成分高温下氧化的产物；②以覆盖剂或添加剂等加入的非金属物质等；③原材料带入的杂质物质的燃烧产物；④炉体上脱落的耐火材料；⑤脱氧、脱硫产物。

除了黄铜熔炼过程中本身产生的炉渣外，还有用于炉外处理中间合金由人工配制成的合成渣，例如：炉外脱硫及脱磷精炼过程中的炉渣、用于熔体浇铸时的保护浇铸渣等。

表1 常见黄铜合金熔炼炉中所形成的炉渣成分

3 黄铜熔炼炉渣的作用

黄铜熔炼炉渣作用体现在正反两个方面，既包括机械保护、冶金处理等正面作用，又包括降低熔炼炉的使用寿命等负面作用，因此对于不同的成形工艺过程，应合理地选择炉渣的组成，以控制成形件的质量与生产效益[2]。

（1）机械保护作用。黄铜合金熔炼时产生的炉渣，由于其比重较轻，炉渣便漂浮在炉内金属液体之上，大面积地覆盖在熔体表面，就等于在金属表面形成了一层保护膜，防止了金属在高温下被氧化，避免造成炉内金属的机械损失。

（2）冶金处理作用。黄铜熔炼过程中，炉渣通过与液相金属之间发生复杂的物理化学反应，来去除硫、磷、氢等有害元素，从而在一定程度上实现了黄铜合金成分的优化。

（3）炉渣负面作用。黄铜熔炼时产生的炉渣会加速炉体内衬的脱落，降低熔炼炉的使用寿命，同时也会降低金属的利用率。

4 炉渣与熔炼金属相互作用的理论模型

炉渣的物理化学性质及其与金属的相互作用与炉渣的内部结构有着密切关系。关于液态炉渣的内部结构，目前存在着两种理论模型，即分子理论与离子理论。

（1）炉渣结构的分子理论。分子理论的主要依据是室温下对凝固炉渣的相分析和成分分析的结果，该理论的中心思想是把炉渣看成若干个不带电的分子集合体，其要点如下。

①液态熔渣由自由氧化物及其复合物的分子，如硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐等组成。②氧化物及其复合物处于平衡状态，这种平衡是一种动态平衡，两者之间会根据相关浓度的变化，自动实现其复合和分解的动态过程。③只有自由氧化物才能参与和金属的反应，在分子理论中，自由氧化物是具有最高化学活性的物质，所以只有它才能和金属发生化学反应。

分子理论建立最早，由于它能简明地定性分析炉渣和金属之间的一些冶金反应，并且可以以热力学为基础，计算出反应中的各种平衡关系，实现了对化学反应的定量阐述，目前仍在理论界得到广泛的应用，但它无法解释熔渣的导电性等重要现象，由此离子理论模型便应运而生。

（2）炉渣结构的离子理论。离子理论基于对炉渣电化学性能的研究，离子理论的要点如下：①炉渣是由正负离子共同组成的复合体，但由于其本质上还是离子，所以炉渣整体上是带电性的，同时，炉渣是可以发生电解反应的，并可以通过反应还原出金属，这个过程对于黄铜合金的熔炼，可以起到了有效的提高金属熔炼纯度，降低杂质的作用。②炉渣中离子之间的结合和化学作用取决于其它们之间的综合矩，离子的综合矩越大，与其它离子的结合和进行化学反应就越容易。离子的综合矩与离子半径呈反比，离子半径越大，其综合矩就越小，反正亦然。③炉渣与金属之间相互作用的过程，本质上是原子与离子之间电子得失的过程。如：Si4++2[Cu]=2Cu2++[Si]，这是炉渣中硅还原和铜氧化的过程，其反应的本质是正电荷从炉渣中的硅离子转移到金属Cu原子的过程。

应当指出，实际的黄铜合金熔炼时炉体和炉渣是十分复杂的，其中不仅有离子，而且还有少量的中性分子，两种理论都有可以适用的部分，尽管相对而言，离子理论对许多现象的解释相比分子理论符合科学理论，但是仍然存在这很大的争议，所以目前它还没有形成一个统一的模型，而且离子理论本身缺乏系统的热力学方面的理论支撑，所以在冶金工业中还是分子理论应用的更为广泛。

5 结论

传统观念认为黄铜合金在熔炼过程中出现的炉渣是有害的，会增加金属的机械损失，降低金属利用率，但是通过理论分析并结合实际情况来看，黄铜熔炼时产生的炉渣的也并非一无是处。炉渣一方面可以在熔融金属表面形成一层固态隔层，起到隔断空气，保护炉内熔体的作用，另一方面还可以通过发生化学反应，来起到吸收熔炼时有害杂质的作用。所以，对于炉渣的作用不能单纯地肯定或者否定，这主要在于控制炉渣产生的量，关于炉渣量产生的多少是要结合生产实际进行具体分析。

在黄铜合金熔炼过程中，控制好炉渣的产出量，既能提高金属的利用率，同时也能有效的提高黄铜合金的熔炼的效果的，为生产合格黄铜铸造合金提供坚实的保障。