泡沫渣技术是超高功率电炉炼钢的核心工艺，对提升热效率、保护炉衬及优化钢水质量至关重要。以生物质炭为研究对象，系统分析了其作为发泡剂的性能及影响因素，并与传统化石类发泡剂(焦炭、石墨、无烟煤)进行对比。试验选用废木块炭、玉米秸秆炭、废竹子炭及工业木炭，结合化学配制的电炉渣，通过高温发泡试验与综合发泡指数(K)评价其发泡能力。结果表明，废木块炭因固定碳高、灰分低，展现出最优综合性能；玉米秸秆炭因灰分高及碱金属含量过高，显著降低炉渣黏度，导致发泡面积和持续时间均最差；废竹子炭虽固定碳最高，但灰分中高钾元素加剧了泡沫稳定性劣化，综合性能次于废木块炭。与化石类发泡剂相比，石墨的最大发泡面积和综合发泡指数最高，但工业木炭凭借较长的发泡时间和低碳环保特性，展现出替代潜力。研究进一步揭示了炉渣碱度、黏度及表面张力对发泡性能的协同影响，指出生物质炭灰分中的碱金属(如钾、钠)通过破坏硅氧网络降低黏度，但过量会缩短泡沫寿命。下面一起来了解下表面张力调控在生物质炭在电弧炉泡沫渣技术中的核心作用。

一、表面张力：泡沫渣稳定性的决定性因素

在电弧炉炼钢过程中，泡沫渣的形成与稳定性直接取决于熔渣的表面张力特性。表面张力是决定气泡能否在熔渣中稳定存在、延长泡沫寿命的关键物理参数。研究表明，表面张力越低，气泡越容易形成且更稳定，泡沫渣的厚度与持续时间也随之增加。

泡沫渣的本质是气体以微米级气泡形式分散于熔渣基质中，气泡总体积可达熔渣体积的2~3倍。其形成依赖两大核心机制：内部条件上，熔渣需具备特定黏度及表面活性物质，通过降低液膜表面张力增强气泡稳定性；外部条件上，碳氧反应及喷吹碳粉提供持续气体供给，使气泡在渣层中形成动态平衡。

表面张力直接决定气泡生成与稳定性，低表面张力有利于气泡扩展和稳定。这可通过含FeO、MnO、P₂O₅等表面活性物质的添加实现，而CaO、MgO等碱性氧化物会增强离子键强度，导致表面张力升高。

二、熔渣表面张力的调控机制

熔渣表面张力受多种因素影响，形成复杂的调控网络：

1.表面活性物质的添加：SiO₂和P₂O₅是典型的表面活性物质，能降低熔渣表面张力。当两者同时存在时，效果最佳——SiO₂增加薄膜粘性，P₂O₅增加薄膜弹性，共同阻碍小气泡的聚合和破裂。

2.熔渣成分与碱度：碱度过高会降低聚合度，导致表面张力升高；碱度过低则因高黏度阻碍气泡生成，同样不利于泡沫稳定。研究表明，渣中MgO·SiO₂和2CaO·SiO₂等复合矿物质量分数大于15%时，气泡寿命可延长至15 min以上，形成厚度达1.5~2.0 m的稳定泡沫层。

3.气泡稳定性与表面张力：表面张力降低使气泡膜更柔软，不易破裂。当表面张力降低至临界值以下，气泡能在熔渣中稳定存在更长时间，从而形成更厚的泡沫层。

三、生物质炭对熔渣表面张力的调控机制

生物质炭作为新型发泡剂，其核心优势在于能有效调控熔渣表面张力，从而延长泡沫寿命。研究显示，当与电弧炉渣一起发泡时，生物炭的多孔结构使得炉渣粘度更加恒定在0.30-0.32 Pa·s，表面张力降低速度减慢，有效延长了发泡时间，稳定了发泡性能。

生物质炭对熔渣表面张力的调控机制主要体现在：

1.表面官能团作用：生物质炭表面含有大量含氧酸性官能团（如-COOH、C=O、-OH）和碱性官能团（如-NH₂）。这些官能团可与熔渣中的FeO、MnO等活性物质发生相互作用，降低液膜表面张力。

2.多孔结构效应：生物质炭的高孔隙率（可达80%以上）使其在高温下能缓慢释放气体，避免表面张力骤变，使表面张力降低过程更加平缓。

3.灰分影响：生物质炭灰分中的碱金属（如K、Na）会破坏硅氧网络结构，降低熔渣黏度，但过量会缩短泡沫寿命。废竹子炭因灰分中高钾元素导致炉渣黏度降低，表面张力变化过快，发泡持续时间缩短至60 s。

四、生物质炭类型与表面张力调控能力对比

不同生物质炭的表面张力调控能力差异显著，直接影响其作为发泡剂的性能：

从数据可见，废木块炭和工业木炭因固定碳高、灰分低，表面张力调控能力优秀，发泡持续时间长，综合性能突出。废竹子炭虽固定碳最高，但灰分中高钾元素导致表面张力变化过快，泡沫稳定性下降。

五、表面张力与泡沫渣性能的定量关系

研究建立了表面张力与泡沫渣性能的定量关系模型：

实验数据表明，当表面张力降低10%时，泡沫寿命可延长35%；当表面张力降低15%时，泡沫寿命可延长55%。这说明表面张力是泡沫渣稳定性的关键控制参数。

六、表面张力调控的工程实践与优化路径

基于表面张力调控的工程实践已取得显著成效：

1.原料优化：筛选固定碳高（＞75%）、灰分低（＜5%）的生物质炭，如废木块炭，可有效降低表面张力，延长泡沫寿命。

2.复合添加剂：添加CaF₂（质量分数5-8%）可降低炉渣表面张力10-15%，同时降低黏度15-20%，延长气泡寿命至120 s。

3.智能调控系统：集成声波监测（频率范围2-20 kHz）与机器学习模型，实时监测表面张力变化，动态调整发泡剂添加量，将表面张力控制在最佳范围（1.2-1.5 N/m）。

在河北某钢厂的中试验证中，采用废木块炭+CaF₂复合发泡剂（配比7:3），表面张力降低12%，泡沫寿命延长至115 s，吨钢电耗降低12.3%，炉衬寿命延长25%。

七、表面张力调控的未来研究方向

1.微观界面反应机理：开展原位X射线断层扫描（分辨率＜1μm），揭示气泡与熔渣界面的表面张力动态变化规律。

2.生物质炭表面改性：通过表面功能化处理，增强生物质炭表面的含氧官能团密度，进一步提高其降低表面张力的能力。

3.多因素协同调控：建立表面张力-黏度-碱度的多参数协同调控模型，实现泡沫渣性能的精准控制。

4.高钛型炉渣适应性：针对高钛型炉渣中TiO₂易与K、Na形成低熔点共晶体的问题，研究表面张力在钛基熔渣中的调控规律。

八、表面张力调控的"双碳"战略价值

表面张力调控不仅提升工艺性能，更具有显著的"双碳"战略价值：

1.碳减排：生物质炭的碳中性特性使每吨替代焦炭可减少CO₂排放1.2 t，相当于降低吨钢碳排放强度18%。

2.能源节约：通过表面张力优化，泡沫渣厚度增加，电弧热效率从30%提升至70%，吨钢电耗降低10-15 kW·h。

3.资源循环：生物质炭来源于农业废弃物，实现"变废为宝"，固废消纳率大于90%，形成"绿色冶金-节能降耗"双重效益。

4.碳交易价值：每吨CO₂当量减排成本达50-80元，采用生物质炭发泡技术使电炉炼钢碳排放强度降低25-30%，对应每吨钢碳交易收益达150-200元。

结语

表面张力是泡沫渣技术的核心控制参数，生物质炭通过其独特的表面特性与多孔结构，有效调控熔渣表面张力，延长泡沫寿命，提升电弧炉炼钢效率。研究表明，生物质炭灰分中的碱金属（如钾、钠）通过破坏硅氧网络降低黏度，但过量会加速表面张力变化，缩短泡沫寿命。

未来，表面张力调控将成为电弧炉炼钢绿色化、低碳化发展的核心方向。通过精确控制表面张力，结合生物质炭的碳中性优势，电弧炉炼钢将实现"双碳"目标与经济效益的双重提升，为钢铁工业的可持续发展提供关键支撑。