[科普中国]-光学碱度

光学碱度也称炉渣碱度，是一种表示炉渣特性的指数。它是炉渣中自由氧离子浓度的标志，是炉渣化学性质的主要指标。也是确定高炉造渣制度的重要依据之一。通常多用碱性氧化物与酸性氧化物的质量百分浓度的比值表示。1

基本概述表示炉渣碱性强弱的尺度。它对熔渣的物理、化学性质有显著 影响。炉渣中主要的碱性氧化物有CaO、MgO、MnO……等;酸性氧化物有 SiO2、P2O5、V2O3……等;而Al2O3、TiO2、Fe2O3……等则属于两性氧化物，它 们在碱性渣中显酸性，在酸性渣中显碱性。一般用炉渣中碱性氧化物含量与酸性氧化物含量之比来表示碱度R，碱度公式为

R=(碱性氧化物）/（酸性氧化物）

碱度的倒数即为酸度。冶金中应用最广的碱度公式是R=(%CaO)/ (%SiO2)，这不仅因为CaO的碱性和SiO2的酸性都很强，还因为冶金炉渣中 SiO2、CaO的含量也较多。倘若渣中MgO、P2O5含量也不少，则碱度公式为

R=(%CaO+0.72%MgO)/(%SiO2+0.84%P2O5)

考虑到1molCaO与1 molMgO等价，CaO与MgO的摩尔质量之比为40.3/ 56.1=0.72，故在MgO之前乘以0.72(有的书乘以1.4，即56.1/40.3，这是 不妥的)。1 mol SiO2与0.5 mol P2O5等价，SiO2与1/2P2O5的摩尔质量之比为 0.84，故在P2O5之前乘以0.84。有的书刊中还用渣中全部CaO含量减去结合 成化合物的CaO量来表示碱度，称为剩余碱，计算式为

剩余碱=%CaO-1.86%SiO2-1.19%P2O5

系数1.86是假定渣中生成2CaO ·SiO2(则2×40.3/60.1=1.81)而引入的; 1.19是假定生成3CaO ·P2O5而引入的，此外，还有其它各种类型的碱度表达 式，要根据不同情况来选择合适的表示方法。在有色金属冶金中常用酸性氧化 物中的氧量与碱性氧化物中的氧量之比来表示渣的酸碱性，此比值称为硅酸 度。 根据熔渣离子理论，碱性氧化物在渣中离解出氧离子O，例如CaO⇌ Ca+O，CaO含量越多，渣中O也越多。酸性氧化物在渣中则与O结合成复合离子，例如SiO2+O⇌SiO4，SiO2含量越多，则自由的O越少。故 可用渣中氧离子活度aO2-的大小来表示碱度的高低。但尚无法由实验测 出O活度值。1978年，有人提出用一定频率的光谱线测定各种氧化物中的 氧释放电子的能力与CaO中的氧释放电子的能力之比来表示氧化物的酸碱 性，称为理论光学碱度，以λ表之。CaO的理论光学碱度为1，据此得出某些氧 化物的理论光学碱度为：

|| ||

多元渣的平均光学碱度λ可用下式计算

λ=∑λixi

式中λi为纯氧化物的理论光学碱度，xi为氧化物正离子的当量分数，其值等 于每个正离子的电荷中和负电荷的分数。例如，对nCaO： np2O5=1：0.3的炉渣，0.64。80年代以来，还有人测定了卤化物的理论光学碱度，并将它用于含有卤 化物和氧化物的熔渣。2

光学碱度定义Duffy等最先将玻璃制造业中常用的氧化物的光学碱度( A ) 引人冶金领域。氧化物的光学碱度是指该氧化物的氧离子得失电子的能力与自由氧化物( 氧化钙) 中氧离子得失电子能力之比。玻璃相中氧化物的光学碱度可以通过引人显示离子来测定。Duffy 还发现化合物的光学碱度与Pauhng电负性（φ）有如下关系：Λ=0.74/（φ-0.26）。

将光学碱度的定义推广到卤化物中，用化合物的阴离子得失电子的能力与CaO中氧离子得失电子能力之比来表示卤化物的光学碱度。

多元碱度的计算式：

Λ=sumΛIXI

Xi={(Vi/2)niNi}/{sum (Vi/2)niNi}

Vi 、ni 、Ni 是i组元的阴离子电荷数、离子摩尔数和摩尔分数。3

光学碱度的应用光学碱度及其在冶金中的应用光学碱度的概念现已广泛用来解释和预测炉渣的化学性质，光学碱度利用探针离子的信息表示炉渣中的相对“自由”氧离子，是一种表达炉渣碱度的有效方法，炉渣的光学碱度即可通过测量而得到，也可由炉渣的化学成分计算出来，很多结果表明，在炼钢的渣剂控制模型中，利用光学碱度比一般碱度更能可靠的控制冶炼绺的化学成分；在钢包和中间包利用光学碱度的概念也有地控制钢中的残余元素；也可以用来建立一些元素渣－金平衡时的计算公式。3

光学碱度在钢包渣中的应用钢包渣光学碱度的变化在不同阶段对钢水回磷量的影响是不同的，利用光学碱度理论计算的回磷量与实际化检验结果符合较好，由此提出在转炉下渣条件下，控制钢包渣光学碱度来控制回磷的几点措施。转炉下渣一直是转炉炼钢重点防范的一个过失，它不仅严重恶化钢水质量，给下道工序的钢水精炼环节带来巨大的困难，更严重的是转炉大量下渣经常导致钢水回磷和回硫。一般来说回硫可以通过后续的精炼环节来弥补，但回磷在炉外精炼处理是相当困难的。由此钢水炉外脱磷和生产超低磷钢应运而生，利用系熔剂的二次精炼脱磷处理，能将钢液磷含量从EN-US>0.05%降低到EN-US>0.005%以下。中国马钢公司又与北京科技大学合作，展开长期探索并取得了一定成绩，但如果渣中∑EN-US=10.5pt，当钢厂普遍采用对钢包渣进行变性处理造还原渣工艺以后，控制不好又将发生回磷反应，所以除了控制转炉下渣外，采取必要的手段在钢水二次精炼阶段防止回磷就显得非常必要和重要了。二炼钢厂投产前期转炉大量下渣，回炉次较多，但并不是全部回磷严重而导致废品的产生，在下渣后精炼通过部分弥补措施使得钢水回磷轻微收效显著，但也有个别炉次大量下渣，虽然渣层不厚但回磷严重，这里针对个别炉次转炉下渣后，回磷严重导致废品。众所周知，钢水磷含量与渣子碱度、钢渣系统温度、钢水氧含量（即渣子氧化性）有密切关系，渣子碱度越高，系统温度低，高氧化性渣对转炉来说容易脱磷，如果钢包中转炉下渣后，过程中改变以上三个参数，则将导致可能回磷。而实际上渣中各种氧化物对渣子的碱度都有影响，较准确的描述渣子碱度的物理参数为光学碱度。

根据精炼终点平衡渣与转炉钢包渣及转炉渣的对比来看，虽然精炼渣中又增加了碱性氧化物总数，氧含量值没有再大幅度降低，温度略有下降，因大量回及烧硅，精炼终点渣的光学碱度比转炉钢包渣又有所下降，但精炼渣平衡容量反而上升，说明此阶段控制渣中容量的关键控制因素在于温度，但在将转炉钢包渣的改性过程中，渣中容量仍然没有达到平衡，在吹氩条件下，渣中过平衡的磷继续向钢液扩散，直到渣钢达到平衡。3

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学