泡沫渣技術是超高功率電爐煉鋼的核心工藝，對提升熱效率、保護爐襯及優化鋼水質量至關重要。以生物質炭為研究對象，係統分析了其作為發泡劑的性能及影響因素，並與傳統化石類發泡劑(焦炭、石墨、無煙煤)進行對比。試驗選用廢木塊炭、玉米秸稈炭、廢竹子炭及工業木炭，結合化學配製的電爐渣，通過高溫發泡試驗與綜合發泡指數(K)評價其發泡能力。結果表明，廢木塊炭因固定碳高、灰分低，展現出最優綜合性能；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，導致發泡麵積和持續時間均最差；廢竹子炭雖固定碳最高，但灰分中高鉀元素加劇了泡沫穩定性劣化，綜合性能次於廢木塊炭。與化石類發泡劑相比，石墨的最大發泡麵積和綜合發泡指數最高，但工業木炭憑借較長的發泡時間和低碳環保特性，展現出替代潛力。研究進一步揭示了爐渣堿度、黏度及表麵張力對發泡性能的協同影響，指出生物質炭灰分中的堿金屬(如鉀、鈉)通過破壞矽氧網絡降低黏度，但過量會縮短泡沫壽命。下麵一起來了解下表麵張力調控在生物質炭在電弧爐泡沫渣技術中的核心作用。

一、表麵張力：泡沫渣穩定性的決定性因素

在電弧爐煉鋼過程中，泡沫渣的形成與穩定性直接取決於熔渣的表麵張力特性。表麵張力是決定氣泡能否在熔渣中穩定存在、延長泡沫壽命的關鍵物理參數。研究表明，表麵張力越低，氣泡越容易形成且更穩定，泡沫渣的厚度與持續時間也隨之增加。

泡沫渣的本質是氣體以微米級氣泡形式分散於熔渣基質中，氣泡總體積可達熔渣體積的2~3倍。其形成依賴兩大核心機製：內部條件上，熔渣需具備特定黏度及表麵活性物質，通過降低液膜表麵張力增強氣泡穩定性；外部條件上，碳氧反應及噴吹碳粉提供持續氣體供給，使氣泡在渣層中形成動態平衡。

表麵張力直接決定氣泡生成與穩定性，低表麵張力有利於氣泡擴展和穩定。這可通過含FeO、MnO、P₂O₅等表麵活性物質的添加實現，而CaO、MgO等堿性氧化物會增強離子鍵強度，導致表麵張力升高。

二、熔渣表麵張力的調控機製

熔渣表麵張力受多種因素影響，形成複雜的調控網絡：

1.表麵活性物質的添加：SiO₂和P₂O₅是典型的表麵活性物質，能降低熔渣表麵張力。當兩者同時存在時，效果最佳——SiO₂增加薄膜粘性，P₂O₅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：堿度過高會降低聚合度，導致表麵張力升高；堿度過低則因高黏度阻礙氣泡生成，同樣不利於泡沫穩定。研究表明，渣中MgO·SiO₂和2CaO·SiO₂等複合礦物質量分數大於15%時，氣泡壽命可延長至15 min以上，形成厚度達1.5~2.0 m的穩定泡沫層。

3.氣泡穩定性與表麵張力：表麵張力降低使氣泡膜更柔軟，不易破裂。當表麵張力降低至臨界值以下，氣泡能在熔渣中穩定存在更長時間，從而形成更厚的泡沫層。

三、生物質炭對熔渣表麵張力的調控機製

生物質炭作為新型發泡劑，其核心優勢在於能有效調控熔渣表麵張力，從而延長泡沫壽命。研究顯示，當與電弧爐渣一起發泡時，生物炭的多孔結構使得爐渣粘度更加恒定在0.30-0.32 Pa·s，表麵張力降低速度減慢，有效延長了發泡時間，穩定了發泡性能。

生物質炭對熔渣表麵張力的調控機製主要體現在：

1.表麵官能團作用：生物質炭表麵含有大量含氧酸性官能團（如-COOH、C=O、-OH）和堿性官能團（如-NH₂）。這些官能團可與熔渣中的FeO、MnO等活性物質發生相互作用，降低液膜表麵張力。

2.多孔結構效應：生物質炭的高孔隙率（可達80%以上）使其在高溫下能緩慢釋放氣體，避免表麵張力驟變，使表麵張力降低過程更加平緩。

3.灰分影響：生物質炭灰分中的堿金屬（如K、Na）會破壞矽氧網絡結構，降低熔渣黏度，但過量會縮短泡沫壽命。廢竹子炭因灰分中高鉀元素導致爐渣黏度降低，表麵張力變化過快，發泡持續時間縮短至60 s。

四、生物質炭類型與表麵張力調控能力對比

不同生物質炭的表麵張力調控能力差異顯著，直接影響其作為發泡劑的性能：

從數據可見，廢木塊炭和工業木炭因固定碳高、灰分低，表麵張力調控能力優秀，發泡持續時間長，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致表麵張力變化過快，泡沫穩定性下降。

五、表麵張力與泡沫渣性能的定量關係

研究建立了表麵張力與泡沫渣性能的定量關係模型：

實驗數據表明，當表麵張力降低10%時，泡沫壽命可延長35%；當表麵張力降低15%時，泡沫壽命可延長55%。這說明表麵張力是泡沫渣穩定性的關鍵控製參數。

六、表麵張力調控的工程實踐與優化路徑

基於表麵張力調控的工程實踐已取得顯著成效：

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

2.複合添加劑：添加CaF₂（質量分數5-8%）可降低爐渣表麵張力10-15%，同時降低黏度15-20%，延長氣泡壽命至120 s。

3.智能調控係統：集成聲波監測（頻率範圍2-20 kHz）與機器學習模型，實時監測表麵張力變化，動態調整發泡劑添加量，將表麵張力控製在最佳範圍（1.2-1.5 N/m）。

在河北某鋼廠的中試驗證中，采用廢木塊炭+CaF₂複合發泡劑（配比7:3），表麵張力降低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、表麵張力調控的未來研究方向

1.微觀界麵反應機理：開展原位X射線斷層掃描（分辨率＜1μm），揭示氣泡與熔渣界麵的表麵張力動態變化規律。

2.生物質炭表麵改性：通過表麵功能化處理，增強生物質炭表麵的含氧官能團密度，進一步提高其降低表麵張力的能力。

3.多因素協同調控：建立表麵張力-黏度-堿度的多參數協同調控模型，實現泡沫渣性能的精準控製。

4.高鈦型爐渣適應性：針對高鈦型爐渣中TiO₂易與K、Na形成低熔點共晶體的問題，研究表麵張力在鈦基熔渣中的調控規律。

八、表麵張力調控的"雙碳"戰略價值

表麵張力調控不僅提升工藝性能，更具有顯著的"雙碳"戰略價值：

1.碳減排：生物質炭的碳中性特性使每噸替代焦炭可減少CO₂排放1.2 t，相當於降低噸鋼碳排放強度18%。

2.能源節約：通過表麵張力優化，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：生物質炭來源於農業廢棄物，實現"變廢為寶"，固廢消納率大於90%，形成"綠色冶金-節能降耗"雙重效益。

4.碳交易價值：每噸CO₂當量減排成本達50-80元，采用生物質炭發泡技術使電爐煉鋼碳排放強度降低25-30%，對應每噸鋼碳交易收益達150-200元。

結語

表麵張力是泡沫渣技術的核心控製參數，生物質炭通過其獨特的表麵特性與多孔結構，有效調控熔渣表麵張力，延長泡沫壽命，提升電弧爐煉鋼效率。研究表明，生物質炭灰分中的堿金屬（如鉀、鈉）通過破壞矽氧網絡降低黏度，但過量會加速表麵張力變化，縮短泡沫壽命。

未來，表麵張力調控將成為電弧爐煉鋼綠色化、低碳化發展的核心方向。通過精確控製表麵張力，結合生物質炭的碳中性優勢，電弧爐煉鋼將實現"雙碳"目標與經濟效益的雙重提升，為鋼鐵工業的可持續發展提供關鍵支撐。