泡沫渣技術(shù)是超高功率電爐煉鋼的核心工藝，對(duì)提升熱效率、保護(hù)爐襯及優(yōu)化鋼水質(zhì)量至關(guān)重要。以生物質(zhì)炭為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了其作為發(fā)泡劑的性能及影響因素，并與傳統(tǒng)化石類發(fā)泡劑(焦炭、石墨、無煙煤)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)選用廢木塊炭、玉米秸稈炭、廢竹子炭及工業(yè)木炭，結(jié)合化學(xué)配制的電爐渣，通過高溫發(fā)泡試驗(yàn)與綜合發(fā)泡指數(shù)(K)評(píng)價(jià)其發(fā)泡能力。結(jié)果表明，廢木塊炭因固定碳高、灰分低，展現(xiàn)出最優(yōu)綜合性能；玉米秸稈炭因灰分高及堿金屬含量過高，顯著降低爐渣黏度，導(dǎo)致發(fā)泡面積和持續(xù)時(shí)間均最差；廢竹子炭雖固定碳最高，但灰分中高鉀元素加劇了泡沫穩(wěn)定性劣化，綜合性能次于廢木塊炭。與化石類發(fā)泡劑相比，石墨的最大發(fā)泡面積和綜合發(fā)泡指數(shù)最高，但工業(yè)木炭憑借較長的發(fā)泡時(shí)間和低碳環(huán)保特性，展現(xiàn)出替代潛力。研究進(jìn)一步揭示了爐渣堿度、黏度及表面張力對(duì)發(fā)泡性能的協(xié)同影響，指出生物質(zhì)炭灰分中的堿金屬(如鉀、鈉)通過破壞硅氧網(wǎng)絡(luò)降低黏度，但過量會(huì)縮短泡沫壽命。下面一起來了解下表面張力調(diào)控在生物質(zhì)炭在電弧爐泡沫渣技術(shù)中的核心作用。

一、表面張力：泡沫渣穩(wěn)定性的決定性因素

在電弧爐煉鋼過程中，泡沫渣的形成與穩(wěn)定性直接取決于熔渣的表面張力特性。表面張力是決定氣泡能否在熔渣中穩(wěn)定存在、延長泡沫壽命的關(guān)鍵物理參數(shù)。研究表明，表面張力越低，氣泡越容易形成且更穩(wěn)定，泡沫渣的厚度與持續(xù)時(shí)間也隨之增加。

泡沫渣的本質(zhì)是氣體以微米級(jí)氣泡形式分散于熔渣基質(zhì)中，氣泡總體積可達(dá)熔渣體積的2~3倍。其形成依賴兩大核心機(jī)制：內(nèi)部條件上，熔渣需具備特定黏度及表面活性物質(zhì)，通過降低液膜表面張力增強(qiáng)氣泡穩(wěn)定性；外部條件上，碳氧反應(yīng)及噴吹碳粉提供持續(xù)氣體供給，使氣泡在渣層中形成動(dòng)態(tài)平衡。

表面張力直接決定氣泡生成與穩(wěn)定性，低表面張力有利于氣泡擴(kuò)展和穩(wěn)定。這可通過含F(xiàn)eO、MnO、P?O?等表面活性物質(zhì)的添加實(shí)現(xiàn)，而CaO、MgO等堿性氧化物會(huì)增強(qiáng)離子鍵強(qiáng)度，導(dǎo)致表面張力升高。

二、熔渣表面張力的調(diào)控機(jī)制

熔渣表面張力受多種因素影響，形成復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：

1.表面活性物質(zhì)的添加：SiO?和P?O?是典型的表面活性物質(zhì)，能降低熔渣表面張力。當(dāng)兩者同時(shí)存在時(shí)，效果最佳——SiO?增加薄膜粘性，P?O?增加薄膜彈性，共同阻礙小氣泡的聚合和破裂。

2.熔渣成分與堿度：堿度過高會(huì)降低聚合度，導(dǎo)致表面張力升高；堿度過低則因高黏度阻礙氣泡生成，同樣不利于泡沫穩(wěn)定。研究表明，渣中MgO·SiO?和2CaO·SiO?等復(fù)合礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于15%時(shí)，氣泡壽命可延長至15 min以上，形成厚度達(dá)1.5~2.0 m的穩(wěn)定泡沫層。

3.氣泡穩(wěn)定性與表面張力：表面張力降低使氣泡膜更柔軟，不易破裂。當(dāng)表面張力降低至臨界值以下，氣泡能在熔渣中穩(wěn)定存在更長時(shí)間，從而形成更厚的泡沫層。

三、生物質(zhì)炭對(duì)熔渣表面張力的調(diào)控機(jī)制

生物質(zhì)炭作為新型發(fā)泡劑，其核心優(yōu)勢在于能有效調(diào)控熔渣表面張力，從而延長泡沫壽命。研究顯示，當(dāng)與電弧爐渣一起發(fā)泡時(shí)，生物炭的多孔結(jié)構(gòu)使得爐渣粘度更加恒定在0.30-0.32 Pa·s，表面張力降低速度減慢，有效延長了發(fā)泡時(shí)間，穩(wěn)定了發(fā)泡性能。

生物質(zhì)炭對(duì)熔渣表面張力的調(diào)控機(jī)制主要體現(xiàn)在：

1.表面官能團(tuán)作用：生物質(zhì)炭表面含有大量含氧酸性官能團(tuán)（如-COOH、C=O、-OH）和堿性官能團(tuán)（如-NH?）。這些官能團(tuán)可與熔渣中的FeO、MnO等活性物質(zhì)發(fā)生相互作用，降低液膜表面張力。

2.多孔結(jié)構(gòu)效應(yīng)：生物質(zhì)炭的高孔隙率（可達(dá)80%以上）使其在高溫下能緩慢釋放氣體，避免表面張力驟變，使表面張力降低過程更加平緩。

3.灰分影響：生物質(zhì)炭灰分中的堿金屬（如K、Na）會(huì)破壞硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低熔渣黏度，但過量會(huì)縮短泡沫壽命。廢竹子炭因灰分中高鉀元素導(dǎo)致爐渣黏度降低，表面張力變化過快，發(fā)泡持續(xù)時(shí)間縮短至60 s。

四、生物質(zhì)炭類型與表面張力調(diào)控能力對(duì)比

不同生物質(zhì)炭的表面張力調(diào)控能力差異顯著，直接影響其作為發(fā)泡劑的性能：

從數(shù)據(jù)可見，廢木塊炭和工業(yè)木炭因固定碳高、灰分低，表面張力調(diào)控能力優(yōu)秀，發(fā)泡持續(xù)時(shí)間長，綜合性能突出。廢竹子炭雖固定碳最高，但灰分中高鉀元素導(dǎo)致表面張力變化過快，泡沫穩(wěn)定性下降。

五、表面張力與泡沫渣性能的定量關(guān)系

研究建立了表面張力與泡沫渣性能的定量關(guān)系模型：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)表面張力降低10%時(shí)，泡沫壽命可延長35%；當(dāng)表面張力降低15%時(shí)，泡沫壽命可延長55%。這說明表面張力是泡沫渣穩(wěn)定性的關(guān)鍵控制參數(shù)。

六、表面張力調(diào)控的工程實(shí)踐與優(yōu)化路徑

基于表面張力調(diào)控的工程實(shí)踐已取得顯著成效：

1.原料優(yōu)化：篩選固定碳高（＞75%）、灰分低（＜5%）的生物質(zhì)炭，如廢木塊炭，可有效降低表面張力，延長泡沫壽命。

2.復(fù)合添加劑：添加CaF?（質(zhì)量分?jǐn)?shù)5-8%）可降低爐渣表面張力10-15%，同時(shí)降低黏度15-20%，延長氣泡壽命至120 s。

3.智能調(diào)控系統(tǒng)：集成聲波監(jiān)測（頻率范圍2-20 kHz）與機(jī)器學(xué)習(xí)模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測表面張力變化，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)泡劑添加量，將表面張力控制在最佳范圍（1.2-1.5 N/m）。

在河北某鋼廠的中試驗(yàn)證中，采用廢木塊炭+CaF?復(fù)合發(fā)泡劑（配比7:3），表面張力降低12%，泡沫壽命延長至115 s，噸鋼電耗降低12.3%，爐襯壽命延長25%。

七、表面張力調(diào)控的未來研究方向

1.微觀界面反應(yīng)機(jī)理：開展原位X射線斷層掃描（分辨率＜1μm），揭示氣泡與熔渣界面的表面張力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

2.生物質(zhì)炭表面改性：通過表面功能化處理，增強(qiáng)生物質(zhì)炭表面的含氧官能團(tuán)密度，進(jìn)一步提高其降低表面張力的能力。

3.多因素協(xié)同調(diào)控：建立表面張力-黏度-堿度的多參數(shù)協(xié)同調(diào)控模型，實(shí)現(xiàn)泡沫渣性能的精準(zhǔn)控制。

4.高鈦型爐渣適應(yīng)性：針對(duì)高鈦型爐渣中TiO?易與K、Na形成低熔點(diǎn)共晶體的問題，研究表面張力在鈦基熔渣中的調(diào)控規(guī)律。

八、表面張力調(diào)控的"雙碳"戰(zhàn)略價(jià)值

表面張力調(diào)控不僅提升工藝性能，更具有顯著的"雙碳"戰(zhàn)略價(jià)值：

1.碳減排：生物質(zhì)炭的碳中性特性使每噸替代焦炭可減少CO?排放1.2 t，相當(dāng)于降低噸鋼碳排放強(qiáng)度18%。

2.能源節(jié)約：通過表面張力優(yōu)化，泡沫渣厚度增加，電弧熱效率從30%提升至70%，噸鋼電耗降低10-15 kW·h。

3.資源循環(huán)：生物質(zhì)炭來源于農(nóng)業(yè)廢棄物，實(shí)現(xiàn)"變廢為寶"，固廢消納率大于90%，形成"綠色冶金-節(jié)能降耗"雙重效益。

4.碳交易價(jià)值：每噸CO?當(dāng)量減排成本達(dá)50-80元，采用生物質(zhì)炭發(fā)泡技術(shù)使電爐煉鋼碳排放強(qiáng)度降低25-30%，對(duì)應(yīng)每噸鋼碳交易收益達(dá)150-200元。

結(jié)語

表面張力是泡沫渣技術(shù)的核心控制參數(shù)，生物質(zhì)炭通過其獨(dú)特的表面特性與多孔結(jié)構(gòu)，有效調(diào)控熔渣表面張力，延長泡沫壽命，提升電弧爐煉鋼效率。研究表明，生物質(zhì)炭灰分中的堿金屬（如鉀、鈉）通過破壞硅氧網(wǎng)絡(luò)降低黏度，但過量會(huì)加速表面張力變化，縮短泡沫壽命。

未來，表面張力調(diào)控將成為電弧爐煉鋼綠色化、低碳化發(fā)展的核心方向。通過精確控制表面張力，結(jié)合生物質(zhì)炭的碳中性優(yōu)勢，電弧爐煉鋼將實(shí)現(xiàn)"雙碳"目標(biāo)與經(jīng)濟(jì)效益的雙重提升，為鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。