第一篇：稀有金屬冶金學(xué)練習(xí)題

稀有金屬冶金學(xué)練習(xí)題

一、多項選擇題（共10小題，每小題3分，共30分）。

2.粗四氯化鈦精制除雜的方法有（BCD）。

A.用水清洗

B.比四氯化鈦沸點高的雜質(zhì)：蒸餾法除去

C.比四氯化鈦沸點低的用精餾法除去

D.和四氯化鈦沸點相近的雜質(zhì)，銅絲除釩法，增濕的木炭和食鹽除去三氯化鋁

3.海綿鈦制取方法有（CD）。

A.氧化法提取B.與硫酸反應(yīng)

C.TiCl4鎂還原法/鈉還原法D.氯化物的熔鹽電解法

4.生成鈦白的方法（AB）。

A.硫酸法B.氯化氧化法

C.酸堿法D.氧化法

5.鎢鉬主要化合物的性質(zhì)中，氧化物包括有（ABD）。

A.三氧化物B.二氧化物

C.一氧化物D.中間氧化物

6.鉬及其化合物的用途有：（ABCD）。

A.鋼鐵工業(yè)B.耐熱和耐酸合金

C.鉬及鉬合金D.鉬的化合物

7.影響金粉末的壓制成型的因素主要有（ABCD）。

A.壓制壓力B.壓制方式

C.粉末的性質(zhì)D.成型劑

8.各種萃取塔按混合方式不同，大致分為哪類（ABC）。

A．脈沖萃取法B.震動篩選法

C.機械攪拌萃取法D.用水清洗法

9.影響分離效果的主要因素有（ABCD）。

A.淋洗劑PHB.流速

C.柱比和柱高及柱徑之比D.樹脂粒度和溫度

10.TBP萃取分離軸、釷和稀土一般分（ABC）進行。

A.30%TBP-煤油萃取鈾釷B.5%TBP-煤油萃取鈾

C.40%TBP-煤油萃取釷D.35%TBP-煤油萃取

9.根據(jù)萃取劑的結(jié)構(gòu)特征，一般可將萃取分為（ABCD）。

A.含氧萃取劑和胺類萃取劑B.中性磷型萃取劑

C.酸性磷型萃取劑D.螯合萃取劑及羧酸萃取劑

10.各種難選低品位鉭鈮原料一般的處理方法有（ABCD）等。

A.還原熔料法B.氯化法

C.焙燒-浸出法D.硫酸過氧化物浸出法

二、填空題（共10小題，每小題3分，共30分）。

2.常溫下致密鎢鉬在空氣中十分穩(wěn)定，在400℃ 時輕微氧化，高于500~600℃則迅速氧化生成WO3和MoO3。

3.鎢鉬主要化合物的性質(zhì)有：氧化物、鎢酸和鉬酸、正鎢酸鹽和 正鉬酸鹽、同多酸及其鹽類、雜多酸及其鹽類、鎢鉬的鹵化物、六氟化鎢、鎢的碳化物。

4.鉬主要用于鋼鐵業(yè)，據(jù)1985~1986年統(tǒng)計，鉬的消費結(jié)構(gòu)為：合金鋼占43~44%，不銹鋼占22~23%，工業(yè)鋼占8%，鑄鋼占6%，超合金占3%，金屬鉬占6%，鉬化學(xué)品占10%，其他1%。

5.氯化物電解影響電流效率的因素有：電流密度、電解質(zhì)組成、電解溫度、極距、氯化稀土中的水分、電解質(zhì)中雜質(zhì)碳、電解槽結(jié)構(gòu)。

6.稀土電解中常用電解質(zhì)體系的主要性質(zhì)有：熔度、電解制的密度、電解質(zhì)對稀土金屬的溶解度、電解質(zhì)的蒸汽壓、電解質(zhì)的粘度、電解質(zhì)的電導(dǎo)。

7.熔鹽氯化與沸騰層氯化的比較，熔鹽氯化有的優(yōu)缺點有：原料適應(yīng)性強、氣相產(chǎn)物中TiCl4分壓高、粗TiCl4雜質(zhì)含量少、與沸騰層氯化相比增加了“三廢”處理的負擔。

8.在稀土金屬的生產(chǎn)中，用熔鹽電解法或金屬熱還原法制取稀土金屬時，主要是采用無水稀土氯化物、氟化物和氧化物作原料。

9.目前制取高純致密稀有金屬的主要方法有：真空熔煉法、高溫燒結(jié)法、區(qū)域熔煉及拉單晶法、熔鹽電解精煉法、化合物熱解法。

10影響氯化速度的因素有：溫度、氯氣分壓、氯氣流動速、沸騰層內(nèi)TiO2含量、物料特性。

8.氯化物的熔鹽電解法： 700~800度下，在堿金屬氧化物組成的熔鹽中，利用金屬鈦和TiCl4反應(yīng)使TiCl4溶解于電解質(zhì)中，利用鈦與鈦離子間的平衡，使熔鹽中保持足夠濃度的Ti2+，進而可在陰極電位低于K+Na+等離子析出電位條件下，在陰極上得到金屬鈦。

9.影響鉭鈮萃取分離過程的主要因素中有氫氟酸濃度和硫酸濃度，鈮的萃取隨氫氟酸的濃度的增加而增大，鉭的萃取是隨氫氟酸的濃度的增加而增加，在6~8mol/L達到最大值后開始緩慢下降。

10.鎢鉬主要化合物的性質(zhì)中，鎢的鹵化物及其氧化物包括有： 六氯化鎢、五氯化鎢、二氯化鎢、二氯二氧化鎢、四氯氧化鎢。

三、簡答題（共5小題，每小題8分，共40分）。

2.磷釔礦與獨居石相似，也是一種稀土磷酸鹽礦物，它的特點是什么？

1）稀土元素中釔含量高，輕稀土含量低。

2）精礦中釷含量少，一般只含1%~2%。

3）比獨居石難分解，大多數(shù)采用濃硫酸焙燒分解、堿熔融或蘇打燒結(jié)等強化方法處理。

3.在萃取體系中，離子締合萃取體系這種萃取體系的特點是什么？

1）萃取劑是含氧有機化合物，如乙醚，或含氮有機化合物，如胺和季胺鹽。

2）被萃取物通常為金屬絡(luò)合陰離子。

3）萃取劑與被萃取物之間形成的萃合物是離子締合物。

4.在萃取過程的基本原理中，對萃取劑性能的基本要求有哪些？

（1）它至少有一個萃取功能基，通過它與金屬離子相結(jié)合形成萃合物。

（2）為了使萃取劑本身或生成的萃合物易溶于有機相而難溶于水相，它必須具備相當長的碳氫鏈或苯環(huán)。

（3）具有較高的選擇性，對欲分離的元素要求分離系數(shù)大，同時，有較大的萃取容量，即單位體積的萃取劑萃取金屬元素的飽和容量較大。

（4）化學(xué)穩(wěn)定性好，不易水解，毒性小，能耐各種酸、堿、氧化劑和還原劑的作用，當料液中有放射性元素時，有較好的抗輻射性。

（5）要求比重小，粘度低，表面張力較大，易和水相分層，沸點和閃點高，不易著火，熱穩(wěn)定性好。

（6）生產(chǎn)萃取劑的原料來源豐富，生產(chǎn)成本低，價格便已。

5.鋯英石精礦的分解主要方法有哪些？

（1）與茍性鈉共熔或與蘇打燒結(jié)，得鋯酸鈉或硅鋯酸鈉等，然后用水處理。

（2）與石灰或碳酸鈣燒結(jié)得鋯酸鈣，然后進一步分解。

（3）在等離子設(shè)備中，直接分解ZrSiO4、而獲得粗二氧化鋯。

（4）與硅氟酸鉀融合，得氟鋯酸鉀。

（5）直接氯化鋯英石與碳的混合料，獲得粗四氯化鋯，然后分解ZrCl4與HfCl4,并提純。

（6）在電爐中進行碳還原，生成CrC或Zr，然后進行氯化以制取粗四氯化鋯。

5.在生成鈦白的方法硫酸法是如何進行的？

答：以鈦鐵精礦為原料，在160~200度下進行酸分解：FeTiO3+2H2SO4=TiSO4+FeSO4+2H2O，F(xiàn)e2O3+H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O以硫酸鹽形式進入溶液中的Fe以Fe2+ Fe3+存在，要加鐵屑使Fe3+還原成Fe2+，后將溫度將至15度可使Fe2+呈鐵綠礬結(jié)晶被除去，向除鐵后的溶液中加水和晶種，可水解沉淀出偏鈦酸，沉淀經(jīng)漂洗后在回轉(zhuǎn)窯干燥，煅燒后得到TiO2。

第二篇：稀有金屬冶金練習(xí)題

稀有金屬冶金練習(xí)題

一、填空題

1、粉末鈦在常溫下的空氣中，可因靜電、火花、磨擦等作用而發(fā)生劇烈的和爆炸，而在常溫下的空氣中是穩(wěn)定的。

2、鈦的化合物種類繁多，一般可將它分為簡單化合物和鈦的絡(luò)合物兩類。

3、TiO2為白色粉末，作為顏料俗稱鈦白。它有三種結(jié)晶形態(tài)，即金紅石型、和。

4、TiO2作為顏料具有一系列的光學(xué)性質(zhì)，它的不透明性、光澤度和白度很高，折射率和散射力大，強，遮蓋力大，好。

5、通常把TiO2含量大于的產(chǎn)品稱為高品位鈦渣或簡稱高鈦渣，TiO2含量

6、小于的產(chǎn)品稱為鈦渣。

6雜質(zhì)釩在粗TiCl4中，主要以的形態(tài)存在, 由于釩與鈦的氯化物沸點相近，相對揮發(fā)度? = 1.22，接近1，因此采用將其除去比較困難，生產(chǎn)實踐中往往采用化學(xué)法除釩

7按雜質(zhì)沸點與TiCl4的沸點差異，可以將溶于TiCl4中的雜質(zhì)分為三類：既“雜質(zhì)”、“雜質(zhì)”、“雜質(zhì)”。

8精餾作業(yè)通常采用浮閥塔。我國一般采用自行研制的浮閥塔其特點是，小，效率高，大。

9粗TiCl4中的高沸點雜質(zhì)是采用除去的。而低沸點雜質(zhì)是采用精餾法除去的。10低沸點餾出物中主要為，還有TiCl4等物質(zhì)。經(jīng)提純處理后SiCl4可作為制取單晶硅和石英的原料。高沸點雜質(zhì)如TiOCl2等可返回工序回收其中的有價組分鈦。11還原操作是一爐一爐間歇式進行的，鎂熱還原TiCl4反應(yīng)是過程，在反應(yīng)中期，不但能維持反應(yīng)自熱進行，還需散出多余的熱能，以維持正常的操作溫度。故生產(chǎn)中需采用強制冷卻措施，且還原過程始終用惰性氣氛氬保護。

12鎂熱還原TiCl4反應(yīng)在充滿惰性氣體的密封鋼制的還原罐中進行。在還原操作溫度下，還原劑金屬鎂和生成物MgCl2均為液態(tài)。由于生成物MgCl2的密度為1.672g/cm3，比同溫度下還原劑鎂的密度（1.555g/cm3），故沉積于反應(yīng)罐的底部，而還原劑鎂則浮于。生成的海綿鈦也理應(yīng)沉于底部。

13為了實現(xiàn)還原—蒸餾一體化，必須使這種設(shè)備既適合于還原又適合于。I形裝置分為三部分，下部為，中間是過渡段，上部是。過渡段的作用是實現(xiàn)還原—蒸餾一體化的關(guān)鍵。

15鈦白粉是一個產(chǎn)品，無論硫酸法還是法其工藝技術(shù)都是十分復(fù)雜，不僅在加工過程中對純度要求很高，而且對其晶型、粒徑分布、顏料和光學(xué)性能要求都很嚴格

16、現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的金屬共70種，其中有屬于稀有金屬。

17、鍺居于錫和硅之間，處于金屬到非金屬的過渡之中，所以它的物理化學(xué)性質(zhì)具有從金屬到非金屬過渡的特征。鍺與同族元素硅—樣，具有。

18、銦在冷而弱的無機酸中難溶，但當加熱時就變得易溶了，易溶于濃熱的無機酸和乙酸、草酸，特別易溶在中。

19、鍺的主要用途是光導(dǎo)，催化劑用鍺，紅外光學(xué)用鍺，光電子、電子用鍺，醫(yī)藥用鍺和其他用鍺。

20、銦為銀灰略帶淡藍色、質(zhì)軟的易熔金屬，熔點，沸點2080°C，密度7.3克/厘米3。

21、鑒于銦具有、高沸點及傳導(dǎo)性好的多元性被廣泛應(yīng)用于各種最終用途。

22、銦錠持續(xù)大幅度上漲的主要原因是：

一、成品供不應(yīng)求。

二、。

二、正誤判斷題

1、金屬鈦具有兩種同素異形態(tài)，低溫<882.5℃穩(wěn)定態(tài)為α-Ti型;高溫>882.5℃穩(wěn)定態(tài)為β-Ti型，鈦的兩種同素異形態(tài)轉(zhuǎn)化溫度為1000℃。

2、鈦的力學(xué)性質(zhì)與其純度有關(guān)，高純鈦具有優(yōu)良的機械加工性能，延伸率和斷面收縮率都很好，但強度低，不適于作結(jié)構(gòu)材料。工業(yè)純鈦含有適量的雜質(zhì)，且具有較高的強度和可塑性，適宜作結(jié)構(gòu)材料。

3、鈦及鈦合金因具有質(zhì)輕、強度高、耐腐蝕并兼有外觀漂亮等綜合性能，而用于人們的日常生活中。

4、富集含鈦白物料的方法有50多種方法，在這些方法中，大致可分為以干法為主和以濕法為主的兩大類。（5、在氯化過程 中，溫度太低會降低氯化反應(yīng)速率，但不影響氯化過程的產(chǎn)率。

三、簡答題

1、請簡答鈦渣、高鈦渣、富鈦料和人造金紅石的含義？

2、電爐熔煉鈦渣的優(yōu)、缺點？

3、氯化冶金的特點？采用沸騰氯化TiCl4的優(yōu)點？

4、粗TiCl4為什么要精制？

5、目前生產(chǎn)鈦白粉主要有哪些方法？各自優(yōu)點？

6、鎂熱還原過程的特點？

7、真空蒸餾制取海綿鈦的影響因素？

8、什么叫鈦白粉？什么叫二氧化鈦？

9、有人將硫酸法生產(chǎn)鈦白的工藝過程歸納為哪五大步驟十大環(huán)節(jié)？

10、鈦為什么被稱為“稀有金屬”？

11、鈦鐵巖礦和砂礦的各自特點是什么？

12、無論鎂法，鈉法還是融鹽電解法生產(chǎn)金屬鈦的過程都包括哪三大步驟兩個環(huán)節(jié)？

13、鈦及鈦白的用途？

14、熔煉高鈦渣還原劑的選擇原則?

15、熔煉高鈦渣確定配碳比時應(yīng)考慮哪些因素？

16、原生鈦鐵礦（巖礦）與次生鈦鐵礦（砂礦）的特點是什么?

17、制取鈦主要有那些途徑？

18、目前生產(chǎn)鈦白粉主要有哪些方法？各自優(yōu)缺點？

19、稀有金屬分為哪幾類？每一類舉3-4個金屬。

20、鍺提取和加工有哪些新技術(shù)新動向？

21、銦是如何生產(chǎn)和提純的？

22、鎂熱還原過程的特點？

四、綜合題

1、影響海綿鈦質(zhì)量的主要雜質(zhì)有哪些？其來源與分布規(guī)律如何？怎樣提高海綿鈦的質(zhì)量？

2、硬度是衡量海綿鈦質(zhì)量的綜合指標。雜質(zhì)含量越高海綿鈦的硬度越大、質(zhì)量越差。下面是特級海綿鈦所含水量雜質(zhì)，請計算其硬度？

%Fe0.06%N0.02%O0.06%C0.023、鈦白生產(chǎn)中的“三廢”對生態(tài)環(huán)境有哪些危害？應(yīng)該如何治理“三廢”？

4、作為四氯化鈦（TiCl4）的還原劑，應(yīng)具有哪些要求？海綿鈦工業(yè)生產(chǎn)方法的選擇依據(jù)是什么？

5、配碳比計算：按反應(yīng)式FeTiO3 + C = Fe + TiO2 + CO計算，理論配碳比7.3%，實際比此高。如果配碳比按20%計，需要配多少碳？

6、氯化反應(yīng)方程式一般為：TiO2 + 2C + 2Cl2= TiCl4 + 2CO

若按照總氯化反應(yīng)方程式：

TiO2 +(1+?)C + 2Cl2 = TiCl4 +(1-?)CO2 + 2?CO

?可由尾氣中CO和CO2的分壓確定

?=(Pco/2)／(Pco/2 + Pco2)

若TiO2量為1mol，則理論配碳比為（1+?）mol

若尾氣中Pco: Pco2＝1:1，則理論配碳比應(yīng)為20％，在實際中沸騰氯化生產(chǎn)中配碳比一般接近30％（質(zhì)量系數(shù)）。這是因為在生產(chǎn)中除TiO2外，還有低價氧化物和其他雜質(zhì)及機械損失等。如果配碳比按30%計，需要配多少碳？

第三篇：重金屬冶金學(xué) 復(fù)習(xí)題

重金屬冶金學(xué) 復(fù)習(xí)題

一、名詞解釋

1．重金屬

重金屬指銅、鉛、鋅、鎳、鈷、錫、銻、汞、鎘和鉍等金屬，他們的共同點是密度均在6g/cm3左右。

2．氧化焙燒

氧化焙燒是在氧化氣氛中，礦料中硫化物在高溫度下與氧反應(yīng)，使精礦中的硫、砷等轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性的氧化物，從精礦中除去。

3.中性浸出

由于鋅礦物中不同程度的含有鐵雜質(zhì)，浸出過程中不可避免有鐵的浸出，為了得到鐵含量盡可能低的硫酸鋅浸出液，可控制浸出的終點pH值在5.2~5.4之間，使進入溶液的鐵水解進渣，因浸出終點溶液接近中性，故稱為中性浸出。

4.電冶金

利用電能從礦石或其他原料中提取、回收和精煉金屬的冶金過程。

二、填空題

1.2.3.部分硫酸化焙燒兩種不同的操作。

5.三、簡答題

1．在造锍熔煉過程中，減少Fe3O4生成的措施有哪些？

答：在造锍熔煉過程中，保持低的爐渣成分a(FeO)，高的銅锍品味a(FeS)，適當高的溫度和低的氣氛P(SO2),可以消除或減少Fe3O4的影響。

2.說明硫化鋅精礦焙燒的目的。

答：因為FeS不能直接被H2、C、CO還原，也不溶解于冷的稀硫酸和稀鹽酸，焙燒的根本目的在于將精礦中的硫化鋅盡量氧化為氧化鋅，同時盡量脫除對后續(xù)工藝有害的雜質(zhì)。

3.沸騰焙燒的強化措施有哪些？

答：高溫沸騰焙燒，鋅精礦富氧空氣沸騰焙燒、多層沸騰焙燒、利用二次空氣或貧SO2焙燒結(jié)煙氣焙燒等。

4.濕法煉鋅浸出攪拌為什么采用空氣攪拌，而靜液過程為什么采用機械攪拌？

答：濕法煉鋅浸出過程中為了使浸出液中Fe2+盡可能地全部氧化成Fe3+除去，采用空氣鼓風的方法進行攪拌，而靜液過程中為了除去Cu、Cd、Co等雜質(zhì)加入鋅粉，考慮到空氣攪拌會使鋅粉氧化損失，因此靜液過程中采用的是機械攪拌。

5.鋅焙砂中性浸出凈化時，鋅粉置換銅鎘的原理是什么？影響鋅粉置換反應(yīng)的因素有哪些？

答：鋅粉置換除銅、鎘采用多段鋅粉置換法在鋅粉表面上進行的多相反應(yīng)過程，影響鋅粉置換除銅、鎘的因素有：鋅粉的質(zhì)量和用量、攪拌速度、置換溫度、中靜液成分和添加劑。

6.為何銅锍品味越高，渣中銅含量越高？

答：傳統(tǒng)的造锍熔煉法，體系氧勢較低，所產(chǎn)銅锍品味不高，渣中銅含量較低，而現(xiàn)代的強化熔煉法，由于體系氧勢高，銅锍品味高。

五、論述題

1．為什么瓦鈕柯夫熔池熔煉爐的生產(chǎn)率很高？請與白銀熔煉進行對比分析。

答：（1）備料簡單，對爐料適應(yīng)性強。

（2）由于處理濕料與塊料，煙塵率低。

（3）鼓泡乳化強化了熔煉過程，爐子的處理能力很大，硫化物在渣層氧化，放出的熱能得到充分利用。

（4）大型瓦鈕柯夫爐爐膛中的隔墻將爐膛空間分隔為熔煉區(qū)和渣貧化區(qū)，熔煉產(chǎn)物銅锍與爐渣逆流從爐子兩端放出，爐渣在同一臺爐中得到貧化，無需設(shè)置爐外貧化工序。

（5）爐子在負壓下操作，生產(chǎn)環(huán)境較好，作業(yè)簡單。

2.說明硫化鋅溶液精礦氧壓浸出的原理及其特點。

答：硫化鋅精礦氧壓技術(shù)的特點是：鋅精礦不經(jīng)焙燒直接加入壓力釜中，在一定的溫度和氧分壓條件下直接酸浸獲得硫酸鋅溶液，原料中的硫、鉛、鐵等則留在渣中，分離后的渣經(jīng)浮選、熱濾，回收元素硫、硫化物殘渣及尾礦，進入硫酸鋅溶液中的部分經(jīng)鐵中和沉鐵后進入后續(xù)工序處理。該工藝浸出效率高，對高鐵閃鋅礦和含鉛的鋅精礦適應(yīng)性強，與常規(guī)濕法鋅煉方法相比，物需建設(shè)配套的焙燒車間和酸廠，有利于環(huán)境的治理；尤其是對于成品硫酸外運交通困難地區(qū)的情況，氧壓浸出工藝更顯優(yōu)勢，產(chǎn)出的元素硫便于儲存盒運輸。

六、計算題

1．某點解鋅工廠有鋅電槽40個，通電總電流強度10000安培，平均每晝夜的電鋅產(chǎn)量為10.5噸，平均槽電壓為3.4伏，請計算平均電流效率和單位產(chǎn)品電能消耗各是多少？(鋅的電電化學(xué)當量值q為1.22g/(A.h))

平均電流效率10.5*1000000/(10000*24*1.22*40)=89.6%

電能消耗： W=3.4*1000/(1.22*89.65%)=3.1*103 kw.h/t

2．在鋅電積過程中，槽電壓和電流效率均隨電流密度變化，根據(jù)下表

D/A.m-2

200

500

1000

(1)根據(jù)表中的電流密度，分別計算鋅電積德電能消耗。（鋅的電電化學(xué)當量值q為1.2195g/(A.h)）

(2)為了使鋅電積的成本最低，應(yīng)如何選擇電積過程的電流密度？

(1)η1 =2.5*1000/(1.2195*80%)=2.56*103 kw.h/t

η2 =2.7*1000/(1.2195*90%)=2.46*103 kw.h/t

η3 =3.0*1000/(1.2195*94%)=2.62*103 kw.h/t

η4 =3.5*1000/(1.2195*96%)=2.99*103 kw.h/t

(2)為使鋅點積的成本最低，應(yīng)選擇電流密度為200A/m2。

E/V 2.5 2.7 3.0 3.5 ηi/% 80 90 94 96

第四篇：“有色金屬冶金學(xué)”復(fù)習(xí)思考題

“有色金屬冶金學(xué)”復(fù)習(xí)思考題

一、填空（1分/空×20空＝20分）

1.三種金屬屬于黑色金屬，都屬于有色金屬。有色金屬又分為、、和等四類。

2.冰銅是由和

3.濕法煉銅浸出過程常用的溶劑有：

4.緩冷后的高鎳锍經(jīng)破碎、磨細、磁選和浮選，可得到三種產(chǎn)品，即和。

5.氧化鎳礦的火法冶煉主要是以為主。

6.冰銅的吹煉過程分為兩個周期進行，即和

7.根據(jù)銅在爐渣中損失的形態(tài)，大致可將其損失分為三種類型：、和。

8.現(xiàn)代鋁工業(yè)生產(chǎn)，普遍采用

9.目前生產(chǎn)實踐中采用生產(chǎn)海綿鈦。

10.火法煉鋅包括

11.鉛電解精煉以

12.生產(chǎn)錫的原則流程主要由、13.粗錫電解精煉按電解液的性質(zhì)可分為和。

14.電冶金是利用電能提取金屬的方法。根據(jù)利用電能效應(yīng)的不同，電冶金又分為和。

15.濕法冶金包括：、、16.目前，工業(yè)生產(chǎn)鈦白的方法有和兩種。

二、名詞解釋（4分/題×5題＝20分）

1、礦物

2、選礦

3、礦石品位

4、物理冶金學(xué)

5、化學(xué)冶金學(xué)

6、硅酸度

7、陽極效應(yīng)

三、簡答題（10分/題×6題＝60分）需要有主要反應(yīng)方程式。

1、火法煉銅的流程

2、濕法煉銅的流程

3、硫化鎳精礦的火法冶金流程

4、鉛精礦還原熔煉的原則流程

5、濕法煉鋅的原則流程

6、生產(chǎn)錫的原則流程

7、生產(chǎn)鋁的原則流程

8、現(xiàn)行鈦冶煉的原則流程

第五篇：高級鋼鐵冶金學(xué)講稿

高級鋼鐵冶金學(xué)講稿

概述

1）我國鋼鐵工業(yè)面臨的形勢

2006年生產(chǎn)粗鋼41878.2萬噸,比上年增加6533.25萬噸，增長18.48%；生產(chǎn)生鐵40416.7萬噸，比上年增加6675.57萬噸，增長19.78%，分別占全球粗鋼、生鐵產(chǎn)量的33.79%、46.6%；

2006年中國粗鋼產(chǎn)量大于世界排序2~6位國家粗鋼產(chǎn)量之和。

中國河北9096萬噸, 2006年全行業(yè)生產(chǎn)鋼材46685.43萬噸（含重復(fù)材，下同）,比上年增長24.45%。其中，板材（不含窄帶鋼）15402.46萬噸，比上年增長36.54%，比鋼材總量增幅高12.09個百分點。

2006年全年板管帶比達到49.26%，其中板材比（不含窄帶鋼）32.99%；管材比7.48%。2006年全年出口鋼材4300.7萬噸，比上年增長109.58%； 進口鋼材1851萬噸，比上年下降28.3%； 全年凈出口鋼材2450萬噸。

出口鋼坯903.55萬噸，比上年增長27.83%； 進口鋼坯37.04萬噸，比上年下降71.82%。全年凈出口鋼坯867萬噸。

中國鋼鐵——世界最大的市場，世界最高的產(chǎn)量 世界最低的價格，世界最少的受益

2006年 500萬噸以上的企業(yè)由2005年底17家增加到了21家，產(chǎn)鋼量所占比重達到了51.3%，但比上年下降2.8個百分點。1000萬噸以上企業(yè)粗鋼產(chǎn)量同比增長10.9%，而200萬噸以下企業(yè)增幅達到了29.6%。

2006年產(chǎn)量大于1000萬噸以上的企業(yè)9個，粗鋼產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量32.48% 中國是鋼鐵大國，2006年粗鋼產(chǎn)量（快報4.19億噸)與世界排序2～7位的國家粗鋼產(chǎn)量之和（4.25億噸）相當。安賽樂和米塔爾重組后，是世界上最大的鋼鐵企業(yè)。2005年粗鋼產(chǎn)量與排序第2~5企業(yè)（新日鐵、浦項、JFE、寶鋼）的粗鋼產(chǎn)量之和相當。

到2004年底，全國共有高爐1133座，總?cè)莘e為41.7億m3，煉鐵總生產(chǎn)能力為38117萬噸。?

2005年新增高爐99座，煉鐵生產(chǎn)能力為6373萬噸。?

至2004年底，全國煉鋼總生產(chǎn)能力為42171萬噸。2005年全國新增煉鋼生產(chǎn)能力7448萬噸。

鋼材主要消費也主要是亞洲，占了52.3%。粗鋼人均占有量 第一是新加坡(1119Kg)、第二是中國臺灣省(1089 Kg)、第三是韓國(953 Kg)、第四是中國香港(878.7 Kg)、第五日本(571 Kg)。中國（210 Kg）;超過了世界平均水平（165 Kg），排名30位。

中國鋼鐵工業(yè)從1996年突破1億噸以后，這10年中呈高速增長態(tài)勢，中國的鋼鐵工業(yè)發(fā)展歷程：

1996年粗鋼產(chǎn)量10000萬噸 2002年粗鋼產(chǎn)量20000億噸噸 2003年粗鋼產(chǎn)量22000萬噸 2004年粗鋼產(chǎn)量27246萬噸 2005年粗鋼產(chǎn)量34000萬噸 2006年粗鋼產(chǎn)量41878.2萬噸

第一個5000萬噸用了37年(1949-1986年)。

第二個5000萬噸用了10年1986-1996年。

第三個5000萬噸用了5年(1996-2001)。

第四個5000萬噸用了2年(2001-2003)。

第五個5000萬噸用了1年(2003-2004年)。

第六個5000萬噸用了10.5個月。

如果按1億噸計算

第一個1億用了47年(1949-1996年)。第二個1億用了6年(1996-2002年)； 第三個1億用了3年(2003-2005年)促使鋼產(chǎn)量迅速增長的原因是我國的煉鋼技術(shù)日益成熟，其中爐襯壽命提高和連鑄是兩項重要技術(shù)。

中國鋼鐵生產(chǎn)主要分布在 華東（35.1%）、華北（31.3%）、中南是（14.5%）、東北（9.5%）。

中國鋼鐵企業(yè)發(fā)展的主要問題

(1)產(chǎn)能過剩；

(2)國內(nèi)鐵礦資源不足

國內(nèi)鐵礦資源只能維持1億噸生鐵產(chǎn)量的需要，2004年進口鐵礦石53.31%。鐵礦石進口國家：澳大利亞、巴西、印度和南非。(3)中國鋼鐵工業(yè)的狀態(tài)水平是先進與落后并存

世界鋼鐵工業(yè)基本飽和，除中國以外的其他國家前幾年對鋼鐵工業(yè)很少有投入。這幾年美國、歐洲、日本他們沒有建設(shè)新的生產(chǎn)線，世界上要搞鋼鐵，要推廣新技術(shù)就在中國。寶鋼、武鋼等企業(yè)這幾年改造建設(shè)，把世界上最先進的技術(shù)已經(jīng)拿到中國來了。整體裝備發(fā)生了很大的變化，有世界最先進的，最大的鋼廠；但是也有比較落后的鋼廠。(4)技術(shù)指標和能源消耗與國際上仍有很大差距

噸鋼綜合能耗：國際平均先進水平0.72、中國平均為0.792；國內(nèi)最差水平1.875 噸鋼耗新水：國際平均先進水平5.7、中國平均為13.73。國內(nèi)最差水平80，萊鋼3.51(5)產(chǎn)業(yè)集中度低，從業(yè)人員過多，勞動生產(chǎn)率低

我國目前鋼鐵從業(yè)人員約110萬人，年人均產(chǎn)鋼318噸，而先進國家(地區(qū))日本1300噸、韓國800噸、美國653噸、德國610噸、法國550噸、中國臺灣省78噸。

中國粗鋼產(chǎn)量的55%是在千家萬戶的小于500萬噸的企業(yè)生產(chǎn)，不利于提高企業(yè)競爭力，所以，企業(yè)聯(lián)合、重組、兼并、改制是今后的重要舉措。鋼鐵從業(yè)人員過多，勞動生產(chǎn)率低，(6)環(huán)境污染嚴重

中國鋼鐵工業(yè)還有發(fā)展空間：

(1)中國工業(yè)化進程尚未完成，特別是在2010年前，中國的發(fā)展仍處在工業(yè)化進程中，目前中國人均GDP已超過1000美元，預(yù)測2010年可接近2000美元，仍屬于低中等收入國家之列。我國經(jīng)濟增長速度在7-8%，對基礎(chǔ)原材料需求也是不斷增長。(2)中國城鎮(zhèn)化尚未完成。

(3)居民消費結(jié)構(gòu)的升級，帶來新的鋼鐵市場需求。

(4)制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移，帶來鋼鐵的新需求。

(5)鋼材及其制品除滿足國內(nèi)需求增加外，應(yīng)不斷擴大出口，還應(yīng)包括大量與消費鋼材密切相關(guān)的機械制造、造船、汽車、集裝箱、家電等的出口。2）鋼鐵產(chǎn)業(yè)政策：

第三條 通過鋼鐵產(chǎn)業(yè)組織結(jié)構(gòu)調(diào)整，實施兼并、重組，擴大具有比較優(yōu)勢的骨干企業(yè)集團規(guī)模，提高產(chǎn)業(yè)集中度。到2010年，鋼鐵冶煉企業(yè)數(shù)量較大幅度減少，國內(nèi)排名前十位的鋼鐵企業(yè)集團鋼產(chǎn)量占全國產(chǎn)量的比例達到50%以上；2020年達到70%以上。

第五條 按照可持續(xù)發(fā)展和循環(huán)經(jīng)濟理念，提高環(huán)境保護和資源綜合利用水平，節(jié)能降耗。最大限度地提高廢氣、廢水、廢物的綜合利用水平，力爭實現(xiàn)“零排放”，建立循環(huán)型鋼鐵工廠。

為確保鋼鐵工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，防止低水平重復(fù)建設(shè)，對鋼鐵工業(yè)裝備水平和技術(shù)經(jīng)濟指標準入條件規(guī)定如下，現(xiàn)有企業(yè)要通過技術(shù)改造努力達標：

建設(shè)燒結(jié)機使用面積180平方米及以上；焦爐炭化室高度6米及以上；高爐有效容積1000立方米及以上；轉(zhuǎn)爐公稱容量120噸及以上；電爐公稱容量70噸及以上。

沿海深水港地區(qū)建設(shè)鋼鐵項目，高爐有效容積要大于3000立方米；轉(zhuǎn)爐公稱容量大于200噸，鋼生產(chǎn)規(guī)模800萬噸及以上。鋼鐵聯(lián)合企業(yè)技術(shù)經(jīng)濟指標達到：噸鋼綜合能耗高爐流程低于0.7噸標煤，電爐流程低于0.4噸標煤，噸鋼耗新水高爐流程低于6噸，電爐流程低于3噸，水循環(huán)利用率95%以上。其它鋼鐵企業(yè)工序能耗指標要達到重點大中型鋼鐵企業(yè)平均水平。

企業(yè)應(yīng)積極采用精料入爐、富氧噴煤、鐵水預(yù)處理、大型高爐、轉(zhuǎn)爐和超高功率電爐、爐外精煉、連鑄、連軋、控軋、控冷等先進工藝技術(shù)和裝備。

加快淘汰并禁止新建土燒結(jié)、土焦(含改良焦)、化鐵煉鋼、熱燒結(jié)礦、容積300立方米及以下高爐(專業(yè)鑄鐵管廠除外)、公稱容量20噸及以下轉(zhuǎn)爐、公稱容量20噸及以下電爐(機械鑄造和生產(chǎn)高合金鋼產(chǎn)品除外)、疊軋薄板軋機、普鋼初軋機及開坯用中型軋機、三輥勞特式中板軋機、復(fù)二重式線材軋機、橫列式小型軋機、熱軋窄帶鋼軋機、直徑76毫米以下熱軋無縫管機組、中頻感應(yīng)爐等落后工藝技術(shù)裝備。1現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)工藝流程

1.1現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)工藝流程

傳統(tǒng)的高爐－氧氣轉(zhuǎn)爐鋼鐵生產(chǎn)工藝流程：

焦爐，燒結(jié)機—高爐—化鐵爐—轉(zhuǎn)爐—鑄錠—初軋開坯—成品軋制。

現(xiàn)代高爐－氧氣轉(zhuǎn)爐鋼鐵生產(chǎn)工藝流程：

高爐煉鐵—鐵水預(yù)處理—氧氣轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉—爐外精煉（RH、CAS-OB、LF）—連鑄連軋或連鑄—鑄坯熱送和直接軋制。構(gòu)成了現(xiàn)代氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼車間的基本工藝流程。傳統(tǒng)的高爐－轉(zhuǎn)爐鋼鐵生產(chǎn)工藝流程是一種冷態(tài)、間歇性的生產(chǎn)方式，物料在各工序流程中有大量的儲備庫，吊裝、運輸設(shè)備、運輸線路等，無爐外精煉措施。主要冶煉低碳鋼和低合金鋼，生產(chǎn)普鋼長型材和板材。能耗高，生產(chǎn)成本高，污染嚴重。

現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)工藝流程是一種熱態(tài)的連續(xù)專業(yè)化生產(chǎn)線。有四項重大技術(shù)組成：氧氣轉(zhuǎn)爐、超高功率交直流電弧爐、爐外精煉、連鑄連軋。各工序之間布置緊湊、暢通。轉(zhuǎn)爐和電爐的冶煉周期要與連鑄生產(chǎn)節(jié)奏之間的協(xié)調(diào)一致。

新型的轉(zhuǎn)爐和電爐車間由于裝備了爐外精煉設(shè)備，采用了必要的爐外精煉工藝流程，就為提高鋼的質(zhì)量和生產(chǎn)率，擴大品種創(chuàng)造了良好的條件，使煉鋼與連鑄更好的協(xié)調(diào)配合。提供了滿足冶煉品種和產(chǎn)品質(zhì)量要求的保證。

現(xiàn)代工藝流程的形成

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)工藝流程工藝技術(shù)流程是從原料經(jīng)各個工序最終制成產(chǎn)品的全過程，這種物料有序的流動，并在各工序流動中連續(xù)的改變化學(xué)和物理形態(tài)最終制成產(chǎn)品就是工藝技術(shù)流程。技術(shù)決定流程，技術(shù)的發(fā)展決定流程的發(fā)展和變化，各工業(yè)部門在各個技術(shù)發(fā)展時期都有自己當時的工藝技術(shù)流程。? 鋼鐵工業(yè)是一種多工序流程的工業(yè)，可以分為三類；第一類主工序，從原料到產(chǎn)品物料都要經(jīng)過的工序叫主工序，煉焦、燒結(jié)球團、煉鐵、煉鋼、初軋、軋鋼等是主工序。第二類輔助工序，由于各類品種質(zhì)量要求不同，不同的品種物料要經(jīng)過不同的輔助工序，例如錠坯半成品和成品的緩冷退火、酸洗、精整修磨、熱處理、無損探傷、成品加工等都是輔助工序。第三糞，由于傳統(tǒng)流程是一種冷態(tài)，間歇性的生產(chǎn)方式。物料在各工序流程中有大量的儲存庫，焦炭儲倉、燒結(jié)礦、球團礦儲倉、生鐵庫、混鐵爐、鋼錠庫、鋼坯庫、半成品庫、成品庫等，物料在流動中，不但有大量儲存，而且有大量吊裝、運輸設(shè)備、運輸路線等。

傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)的工藝流程。是一種冷態(tài)、間歇性的多品種聯(lián)合企業(yè)，例如，日本在60—70年代建設(shè)的一些大型聯(lián)合企業(yè)就是這種流程。1952年，奧地利林茨30t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐投產(chǎn)以來，很短的時間內(nèi)，就進行了技術(shù)完善化階段。進入60年代，世界的經(jīng)濟發(fā)展帶動了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，轉(zhuǎn)爐大型化，轉(zhuǎn)爐采用公稱容量100—300t的大型爐。但是連鑄技術(shù)的發(fā)展較轉(zhuǎn)爐的發(fā)展緩慢，雖然工業(yè)化連鑄機在1950年和1951年分別在西德胡金根廠和前蘇聯(lián)紅個月工廠投產(chǎn)，但是很長時間連鑄坯的質(zhì)量不如模鑄，特別是板坯連鑄機，因此這個時期大轉(zhuǎn)爐仍然采用模鑄，采用10—30t大鋼錠，促進初軋開坯大型化，一套初軋機開坯可以供應(yīng)幾臺成材軋機，形成規(guī)模較大的多品種聯(lián)合企業(yè)。

這種傳統(tǒng)工藝技術(shù)流程，占地多、投資大、建設(shè)期長，人力、物力、能源消耗高，生產(chǎn)周期長，流動資金占用大，污染源多，環(huán)境質(zhì)量差，是一種肥胖型工業(yè)，如何變成一種瘦型工業(yè)，只有不斷地縮短工藝流程，減少主輔工序和儲運連接環(huán)節(jié)。

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)工藝流程，是現(xiàn)代工藝技術(shù)組成流程，是近20多年形成的，就其特點而言，可以叫做熱態(tài)連續(xù)專業(yè)化生產(chǎn)線。50年代以后，有四個重大技術(shù)，即氧氣轉(zhuǎn)爐、爐外精煉、連續(xù)鑄鋼和超高功率電爐。它們對鋼鐵工業(yè)的發(fā)展有著重大影響，弓I起了工藝流程的變化，其中最主要的是連鑄和連鑄技術(shù)的不斷發(fā)展。1970年世界連鑄比是5％，鑄鋼主要采用模鑄，而轉(zhuǎn)爐則不同，經(jīng)過15年，到1967年世界轉(zhuǎn)爐鋼的比例已經(jīng)超過平爐鋼，所以，50年代到70年代初，高爐一轉(zhuǎn)爐流程雖然是鋼鐵工業(yè)的主要流程，但確是一種傳統(tǒng)工藝流程。模鑄大鋼錠，初軋開坯，多火熱軋成材，多品種，初軋機為板、管、型材多臺軋機供坯。經(jīng)過60—70年代連鑄技術(shù)的發(fā)展和爐外精煉的廣泛應(yīng)用，連鑄坯質(zhì)量得到改進，連鑄機澆鑄品種擴大，無缺陷鑄坯技術(shù)發(fā)展。1972年，日本鋼管京濱廠開始鑄坯熱送熱裝。1974年，新日鐵新建大分廠，實現(xiàn)大型轉(zhuǎn)爐廠全連鑄，鑄坯通過調(diào)寬軋機，熱裝熱送至熱帶連軋機加熱爐，形成一條寬熱帶專業(yè)化生產(chǎn)線，減少整模脫模車間、鋼錠庫和初軋機，鑄坯全部經(jīng)過輥道運送，減少了火車吊裝運輸工作，由于專業(yè)化生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。1981年新日鐵界廠連鑄坯直接軋制，鋼水運600m到連鑄機，連鑄坯經(jīng)感應(yīng)加熱即直接進軋機，成功地實現(xiàn)了直接軋制，帶來了很大的經(jīng)濟效益： ①節(jié)能 冷坯軋制 能耗 1 256 MJ／t鋼

熱裝軋制 能耗 837 MI／t鋼

直接軋制 能耗 418 MI／t鋼 ②生產(chǎn)周期 冷坯軋制 4 320 min 熱送軋制 600 min 熱裝軋制 130～240 min 直接軋制 10 min ③金屬收得率提高1％--4％

④減少主工序初軋、加熱爐，輔工序整模、脫模、鋼坯緩冷精整修磨、減少錠坯庫場地及吊運等儲運連接環(huán)節(jié)。

70年代末到80年代，日本的鋼鐵工業(yè)經(jīng)歷了一次工藝技術(shù)流程調(diào)整，1983年，已經(jīng)有十幾個廠家分別實現(xiàn)全連鑄、熱裝、直接軋制，例如：京濱、大分、八幡、名古屋、君津、福山、干什、水島、加古川、吳廠等大多數(shù)廠家都逐步實現(xiàn)流程轉(zhuǎn)變和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整。西歐也是這樣，美國在發(fā)展電爐的同時，于80年代也進行了流程轉(zhuǎn)變的改造。80年代，連鑄在線調(diào)寬技術(shù)發(fā)展，高溫鑄坯技術(shù)發(fā)展，特別是鑄機拉速不斷提高。1996年，鹿島3#鑄機拉速到1，8m／rain，一臺雙機雙流鑄機年產(chǎn)達300多萬t，可以匹配一臺熱帶連軋機。目前，福山5#機的鑄機拉速已達2．5m／rain，更接近與軋機生產(chǎn)節(jié)奏相匹配。今后，發(fā)展一臺單流鑄機有可能配合一臺熱連軋機，拉速的提高將有利于直接軋制，所以，近幾年來，直接軋制的工廠在不斷地增多。

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)工藝技術(shù)的特點和要求

1)熱態(tài)連續(xù)生產(chǎn)線，要求各工序之間的物料流動距離短、運送快、保溫輸送，要求盡量減少熱損失和溫降。因此，各工序之間的布置要緊湊、流暢。

連鑄坯熱送，最好是煉鋼廠與軋鋼廠緊湊連接，連鑄機出坯輥道與加熱爐或軋機輥道直 通輸送并加保溫罩。老企業(yè)改造如果布置有困難，可以采用三種方法，最好的方法是采用快 速輥道加保溫罩，輸送速度250m／min，由于投資大，故適用于近距離；第二種方法，用汽車或火車加保溫罩輸送熱鑄坯，這種方法要增加熱坯、保溫罩、裝卸吊運工作量大，運送時間長，熱送連鑄坯溫度低，一般入加熱爐溫度僅400～60012；第三種方法，將連鑄機建設(shè)在軋機附近比較適用于大鋼包，因為，大鋼包降溫小，每分鐘大約0.5—1℃，比連鑄坯輸送過程的熱損失小。界廠、鹿島、福山等許多老廠為實現(xiàn)連鑄坯直接軋制都采用了這種方法。

迨金工廠除高溫液態(tài)鐵水和爐渣采用火車運輸外，要盡量減少火車運送。因為，火車線路在廠房內(nèi)、外占地面積過大，而且火車線路要求曲率半徑大，使車間之間很難實現(xiàn)緊湊的布置，火車在運送過程中要裝卸吊運，繞行倒車，運送速度很慢，所有這些不適于熱態(tài)連續(xù)生產(chǎn)線的要求。另外，目前我國冶金工廠內(nèi)的火車都以煤為燃料，污染嚴重又難治理。所以，如何以輥道、皮帶、汽車運送取代火車運送是老廠改造中的一個值得研究的問題。

2)熱態(tài)連續(xù)生產(chǎn)線，不但要求各工序之間的物流量均等，更要求各工序生產(chǎn)節(jié)奏均衡，只有這樣，才能最大限度地發(fā)揮設(shè)備能力，近幾年來，一些15—30t轉(zhuǎn)爐建設(shè)了一批中型板坯連鑄機，供應(yīng)中厚板廠，但是，轉(zhuǎn)爐與連鑄機生產(chǎn)節(jié)奏不相匹配，轉(zhuǎn)爐煉一爐鋼需要30min左右，而板坯連鑄機澆鑄一爐鋼則僅需10—15min，迫使用2臺或3臺轉(zhuǎn)爐供一臺板坯連鑄機，其余小方坯、矩形坯只好停機等待。鑄機利用率低，生產(chǎn)組織困難，更不能適應(yīng)于連鑄坯熱裝熱送直接軋制的要求。有些鋼廠已計劃建大轉(zhuǎn)爐或大電爐廠，把大中型板坯連鑄機從小轉(zhuǎn)爐廠分離出去，與中板廠建立熱態(tài)連續(xù)生產(chǎn)線，這樣做是很有道理的。

這里再談的是一個需要普遍注意的問題，因為我國多數(shù)企業(yè)是“小而全”、“大而全”，在規(guī)劃全連鑄廠時，為了向不同的軋機(板、管、型和線軋機)供應(yīng)坯料，在一個煉鋼廠建設(shè)幾種類型的連鑄機，有的鑄機與轉(zhuǎn)爐能匹配，有的鑄機類?型不能匹配，造成不合理的局面。另外，還應(yīng)該根據(jù)市場的需求，淘汰一些不能合理匹配的落后的軋機。

鋼鐵工業(yè)有兩種生產(chǎn)方式，煉鋼和軋鋼是間歇生產(chǎn)方式，生產(chǎn)節(jié)奏調(diào)節(jié)余地較大，而連鑄機多爐連澆是連續(xù)生產(chǎn)方式，調(diào)節(jié)余地較小。t因此，在設(shè)計連續(xù)生產(chǎn)線時，間歇式生產(chǎn)方式的生產(chǎn)節(jié)奏時間要小于連續(xù)生產(chǎn)方式的生產(chǎn)節(jié)奏時間。因為，間歇式生產(chǎn)方式可以停、等，不會影響全線停工。而對連鑄機，如果鋼水供應(yīng)不及時、斷流，則會造成全線停工，并且恢復(fù)生產(chǎn)的時間很長。

3)熱態(tài)連續(xù)生產(chǎn)線，專業(yè)化生產(chǎn)是高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)方式，這里講的專業(yè)化生產(chǎn)線還有進一步的要求，即要求減少工序，縮短流程，實現(xiàn)連鑄坯一火熱軋成材。許多年以來，已實現(xiàn)了軋機專業(yè)化，例如：寬帶鋼軋機、中厚板軋機、大、中、小型軋機、線材軋機等。為實現(xiàn)連鑄坯一火熱軋成材，連鑄機按近終形鑄造方向開發(fā)了一系列機型，配合各種專業(yè)化軋帆，例如，大板坯連鑄機和薄板坯連鑄機配合寬帶軋機，圓環(huán)連鑄機配合各種規(guī)格的無縫鋼管軋機，異形坯連鑄機配合H型鋼軋機，大、中、小型方坯連鑄機配合大、中、小型軋機和線材軋機，現(xiàn)代流程要求專業(yè)化軋機選用專業(yè)化連鑄機，根據(jù)軋機能力和連鑄機生產(chǎn)節(jié)奏，選擇一定容量的電爐或轉(zhuǎn)爐，根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求選擇弓定類型的爐外精煉設(shè)備，以形成現(xiàn)代化流程。一些15—30t的小轉(zhuǎn)爐廠建高速線材，中小型材、中寬帶、窄帶軋機，選用中、小方坯連鑄機，矩形坯連鑄機，實現(xiàn)一次成材，效益也很好，而一些大轉(zhuǎn)爐廠建高速線材軋機，選用大方坯或鋼錠，經(jīng)初軋或大型開坯，二次或三次熱軋成材，效益反而不好。這說明，現(xiàn)代流程要求軋機和連鑄機合理匹配，連鑄機和煉鋼爐容量合理匹配。

我國15—30t小轉(zhuǎn)爐廠有60多家，鋼產(chǎn)量約占全國總產(chǎn)量的三分之一。過去提出，小轉(zhuǎn)爐廠的發(fā)展方向是現(xiàn)代化、大型化，但是改造資金太大，是不可能實現(xiàn)的。從現(xiàn)代工藝流程的觀念出發(fā)，小轉(zhuǎn)爐廠的出路應(yīng)該是選擇適合的產(chǎn)品，中小型材、高速線材、中寬帶窄帶組成現(xiàn)代工藝流程，是可以有競爭力的。小轉(zhuǎn)爐廠要不斷地提高技術(shù)經(jīng)濟指標，采用實用的鐵水預(yù)處理和二次冶金，提高質(zhì)量，擴大品種，適應(yīng)市場的要求。

新建廠應(yīng)盡量采用較大的爐容，例如：中小方坯連鑄機，15—30t的小轉(zhuǎn)爐可以匹配，但是50—80t的中型轉(zhuǎn)爐也可以匹配，新建廠應(yīng)該選用爐容量較大的為好，為適應(yīng)生產(chǎn)線的規(guī)模，可減少爐座，目前轉(zhuǎn)爐爐齡很高，甚至選用一吹一都是可以的。

4)熱態(tài)連續(xù)生產(chǎn)線要求消除或盡量減少物料在流動中離線檢查和精整，同時又要保證產(chǎn)品質(zhì)量，因此要加強各工序的質(zhì)量控制，設(shè)置在線質(zhì)量檢測分析的儀器儀表和計算機專家質(zhì)量診斷系統(tǒng)，是必不可少的手段。

5)熱態(tài)連續(xù)生產(chǎn)線生產(chǎn)周期短，節(jié)奏快，物料在熱態(tài)連續(xù)流動，化學(xué)和物理形態(tài)在不斷地變化。物性控制，物流節(jié)奏的管制調(diào)度，物料跟蹤，質(zhì)量信息跟蹤，整個物流與信息流有機集成，優(yōu)化運行必須用計算機進行生產(chǎn)管理。近年來，CIMS應(yīng)用于鋼鐵工業(yè)現(xiàn)代工藝流程已經(jīng)取得了經(jīng)驗和效果。

鐵水入轉(zhuǎn)爐前要對鐵水進行預(yù)處理，經(jīng)過轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼水再進行爐外精煉。

鐵水預(yù)處理：即鐵水脫硅、脫硫和脫磷三脫處理，目的是為轉(zhuǎn)爐提供優(yōu)質(zhì)鐵水，減輕轉(zhuǎn)爐的冶煉任務(wù)，特別是脫硫。是轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)低硫鋼的主要技術(shù)措施。

氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉：鐵水三脫后，轉(zhuǎn)爐冶煉的主要任務(wù)是脫碳和調(diào)溫，采用少渣精煉方法。爐外精煉：氧氣轉(zhuǎn)爐作為初煉爐可以和多種爐外精煉方法配合，其類型、容量和精煉工藝取決于轉(zhuǎn)爐的容量，連鑄的能力，最終產(chǎn)品的品種和質(zhì)量要求，可選擇的爐外精煉方法有：RH、RH-OB(或KTB、MFB)，DH，CAS-OB，LF，VD，喂絲，噴射冶金，鋼包吹氬等。1.2現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝流程：

傳統(tǒng)特鋼冶煉都是通過電爐流程，以電爐熔化、氧化和還原老三期工藝、模鑄、大軋機開坯為特點。因為電爐冶煉周期長、生產(chǎn)批量小、基本是配模鑄，沒有建設(shè)連鑄機。生產(chǎn)規(guī)模小。隨著電弧爐煉鋼技術(shù)的進步，特別是超高功率電弧爐及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，和各種爐外精煉方法的出現(xiàn)和應(yīng)用。電爐的功能也發(fā)生了較大的變化，改變了過去的老三期工藝，電弧爐已成為快速熔化固體料的設(shè)備，精煉任務(wù)通過選用不同的爐外精煉設(shè)備來完成。可選擇的爐外精煉方法有：合成渣洗、鋼包精煉爐（ASEA－SKF，VAD，LF（V））,VD，VOD，AOD，喂絲，噴射冶金等。

電爐噸位大型化，輸入能量超高功率化，生產(chǎn)率提高，冶煉時間大大縮短，實現(xiàn)了與連鑄機生產(chǎn)節(jié)奏匹配。此外，連鑄技術(shù)的不斷進步和完善，幾乎所有的合金鋼都可以連鑄，電爐煉鋼也可以實現(xiàn)全連鑄。

現(xiàn)代電弧爐煉鋼生產(chǎn)工藝流程（短流程）：

廢鋼預(yù)熱（部分海綿鐵）－超高功率交、直流電弧爐熔化，爐底出鋼－爐外精煉（LF－VD）－連鑄連軋或連鑄－鑄坯熱送和直接軋制。構(gòu)成了現(xiàn)代電爐煉鋼車間的的基本生產(chǎn)工藝流程，如圖10－1所示。

在現(xiàn)代電弧爐煉鋼生產(chǎn)工藝流程（短流程）中使用直接還原鐵，砍掉了兩個耗能大戶(高爐、焦爐)和三個污染大戶(高爐、焦爐和轉(zhuǎn)爐)。所有設(shè)備都集中在一個封閉的車間內(nèi)，環(huán)保措施比較容易搞。

2鐵水預(yù)處理

鐵水預(yù)處理是指鐵水進入煉鋼爐之前所進行的某種處理，可分為普通鐵水的脫硫、脫硅和脫磷預(yù)處理（簡稱鐵水三脫處理）和特殊鐵水的提釩、提鈮、提鎢預(yù)處理（簡稱鐵水三提處理），同時提取其它雖不貴重但在經(jīng)濟上綜合利用有利的元素。

鐵水預(yù)處理技術(shù)始于鐵水爐外脫硫，作為避免出現(xiàn)號外鐵水的補救措施而用于生產(chǎn)。1877年伊頓(A．E．Eaton)等人將之用以處理不合格生鐵。鐵水預(yù)脫硅、脫磷則始于1897年，英國人賽爾(Thiel)等用一座平爐進行預(yù)處理鐵水，脫硅、脫磷后在另一座平爐中煉鋼，比兩座平爐同時煉鋼效率成倍提高。到20世紀初，人們主要致力于煉鋼工藝的開拓和改進，鐵水預(yù)處理技術(shù)發(fā)展曾一度遲緩。直至20世紀60年代，隨著煉鋼工藝的不斷完善和材料工業(yè)對鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的嚴格要求，鐵水預(yù)處理得到了迅速發(fā)展，逐步形成為鋼鐵冶金的必要環(huán)節(jié)：與此同時，不斷發(fā)展了鐵水預(yù)處理過程提釩、提鈮、提鎢、提鉻等技術(shù)，使鐵水預(yù)處理成為鋼鐵冶金中綜合利用的一項技術(shù)。現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，對鋼材的質(zhì)量和實用性能要求越來越高，要求鋼的化學(xué)成分控制在較窄的范圍內(nèi)。石油及天然氣輸送管線、汽車工業(yè)要求鋼材具有高強度、低溫韌性、良好的冷成型和焊接性能，以及為改善板材厚度方向的性能，對低硫鋼的要求日益迫切；火車時速已由100km/h提高到200km/h，要求鋼軌能承受高速沖擊和車輪磨滾，車體結(jié)構(gòu)輕而牢固，汽車的輕便高速化要求有高深沖性的車殼鋼板和高強度的波動零件及車架；深層采油深達5000m以上，要求高強度耐沖擊扭震的鉆桿和油井管，如果一根管斷裂，就會造成鉆井報廢，損失上百萬元以上；（40~100）×104Kw的火力發(fā)電機組，要求經(jīng)受蒸汽溫度625℃和壓力180×105Pa的鍋爐管和磁感應(yīng)強度高而鐵芯損失少的電機硅鋼片；長跨度大橋要求易焊耐蝕并有185MPa的高強厚板；大型化工和煉油工業(yè)要求耐蝕耐壓鋼材；儀表電機工業(yè)的發(fā)展要求光潔而高強度鋼和易切削鋼；處于狂風巨浪的海上采油平臺，載重（30~50）×104t的貨輪以及超高層建筑，都對鋼材性能提出了嚴格的要求。而原子核能工業(yè)、導(dǎo)彈和軍工等對鋼材性能及質(zhì)量要求更高。

用戶對鋼材質(zhì)量的要求，其主要指標是鋼材純凈度、均勻性能和精度，這是穩(wěn)定鋼材質(zhì)量的重要方面。為了滿足市場需求,世界各國鋼鐵工業(yè)都在不遺余力地通過降低鋼中雜質(zhì)特別是磷、硫含量的途徑來提高鋼材質(zhì)量，而各種爐外處理技術(shù)則是獲得高純凈度、均勻性能和高精度鋼材的重要措施，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是選擇相應(yīng)的精煉措施達到一定的冶金目的，保證用戶的需要。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝流程已逐漸被現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)工藝流程所代替，即高爐煉鐵→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→爐外精煉→連鑄連軋或連鑄→鑄坯熱送直接軋制，這已成為國內(nèi)外大型鋼鐵企業(yè)技術(shù)改造后的普遍模式。目前，鐵水預(yù)處理己被公認為高爐－轉(zhuǎn)爐－連鑄工藝流程降低鋼中雜質(zhì)含量的最佳工藝，是改善和提高轉(zhuǎn)爐操作的重要手段之一。

為了減輕轉(zhuǎn)爐冶煉負擔，長期以來對鐵水預(yù)脫硫處理開展了大量研究并得到了迅速發(fā)展。70年代后期，由于超低硫、磷鋼需求量的增長，又在鐵水預(yù)脫硫處理基礎(chǔ)上開發(fā)成功鐵水預(yù)脫磷處理技術(shù)。因為脫磷必須先脫硅，這樣鐵水的三脫處理技術(shù)與旨在分離轉(zhuǎn)爐機能的目標相結(jié)合，導(dǎo)致產(chǎn)生了多種認為是最佳工藝流程的生產(chǎn)模式。

鐵水預(yù)處理和爐外精煉技術(shù)的發(fā)展，使煉鋼爐的前后工序整合成一個整體工藝，一些新的聯(lián)合前后工序的最佳流程的出現(xiàn)使冶煉效益進一步提高，鋼質(zhì)量得到進一步改善，能耗和成本進一步降低，從而將轉(zhuǎn)爐煉鋼推進到一個全新的發(fā)展時期。

轉(zhuǎn)爐采用低硫、低磷、低硅鐵水冶煉，能給轉(zhuǎn)爐帶來一系列好處：減少造渣材料（石灰等）的消耗，吹煉過程中產(chǎn)生的渣量少。因此，吹煉過程中爐渣外溢和噴濺減少，爐渣對爐襯的侵蝕減少，爐齡顯著提高，如日本對入轉(zhuǎn)爐的鐵水經(jīng)過三脫處理后，爐齡提高到八千甚至上萬爐，并且提高了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率、鋼液收得率和鋼液余錳量（由爐渣帶走的Fe和Mn量減少），轉(zhuǎn)爐的吹煉時間縮短，生產(chǎn)率提高，鋼水質(zhì)量提高。

鐵水預(yù)處理目的針對煉鋼而言，主要是使其中硫、磷、硅含量降低到所要求范圍，以簡化煉鋼過程，提高鋼的質(zhì)量。鐵水預(yù)處理按需要可以分別在煉鐵工序和煉鋼工序的設(shè)備內(nèi)，如鐵水溝、魚雷罐、鐵水包或?qū)Ｓ靡苯馉t內(nèi)進行，而對回收某些有益成分的處理則有鐵水提釩、提鈮、提鎢和提鉻等，對這些特殊鐵水，通過預(yù)處理可有效的回收利用有益元素，實現(xiàn)綜合利用。

鐵水預(yù)處理原理及方法

鐵水預(yù)處理是在原則上不外加熱源的情況下，利用處理劑中活性物質(zhì)與鐵水中待脫除元素進行快速反應(yīng)，形成穩(wěn)定的渣相而和鐵水分離的過程。

鐵水預(yù)處理的熱力學(xué)過程屬于鋼鐵精煉反應(yīng)過程。鐵水預(yù)處理脫硫反應(yīng)為： [S]+M=(MS)或

[S]+MO=(MS)+〔O〕 [S]+MC=(MS)+[C] 式中，M指金屬脫硫劑中金屬元素（如Mg，Ca，Ca－Si）；MO為金屬氧化物脫硫劑（如CaO）；MC為金屬碳化物脫硫劑（如CaC2）。鐵水預(yù)處理脫硅、脫磷反應(yīng)為： [Si]+2[O]=（SiO2）4/5[P]+2[O]=(2/5P2O5)概括起來，鐵水預(yù)處理過程受溫度、氣氛（即氧勢）、被脫除（或提取）元素在渣鐵相間分配率以及在鐵相中的活度影響。

鐵水預(yù)處理屬瞬時快速反應(yīng)過程，反應(yīng)的動力學(xué)條件尤其需要引起重視，以利于脫除反應(yīng)的快速進行，滿足煉鋼對鐵水成分的要求。2.1鐵水預(yù)脫硫處理

2.1.1鐵水預(yù)脫硫處理的產(chǎn)生與發(fā)展 2.1.1.1鋼材性能對硫的要求

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展和科技進步對鋼的質(zhì)量和使用性能要求愈來愈高，要求鋼的化學(xué)成分控制在較窄的范圍內(nèi)，除易切削鋼外，硫是影響鋼質(zhì)量和性能的主要有害元素，影響著鋼材的加工性能和使用性能。普通鋼：特別是連鑄坯內(nèi)部裂紋和表面質(zhì)量均與[S]有關(guān)，要求[S]≤0.02％；

低硫鋼：結(jié)構(gòu)鋼為了實現(xiàn)均勻的機械性能，減少各向異性則要求[S] ≤0.011％，稱為低S鋼； 極低硫鋼：石油和天然氣輸送管線、海上采油平臺、厚船板和航空用鋼等要求有更好的均勻的機械性能和更高的沖擊韌性，而硅鋼則要求有良好的磁性，薄板鋼材則要求良好的深沖性能等，上述鋼材要求[S] ≤0.005％，稱為極低S鋼。

鐵水爐外預(yù)脫硫也是發(fā)展連鑄的需要。眾所周知，連鑄坯的質(zhì)量在很大程度上為[S]所左右，根據(jù)連鑄板坯時的統(tǒng)計，若鋼中[S]從0.025～0.04％降低到0.015％以下則有裂紋的板坯數(shù)量可減少到1/6。

據(jù)統(tǒng)計，工業(yè)發(fā)達國家80年代初期，歐洲生產(chǎn)的鋼材產(chǎn)品,大批量[S]≤0.02％(質(zhì)量百分數(shù),下同)，小批量[S]≤0.01％，少數(shù)優(yōu)質(zhì)鋼[S]≤0.005％；到90年代中期，70％鋼材產(chǎn)品[S]≤0.015％，50％％產(chǎn)品[S]≤0.01％，28％產(chǎn)品[S]≤0.005％，10％產(chǎn)品[S]≈0.002％。

鐵水脫硫的途徑有三個：高爐爐內(nèi)脫硫、轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)脫硫和高爐出鐵后爐外預(yù)脫硫。長期以來，人們利用高爐和轉(zhuǎn)爐對鐵水進行脫硫處理，認為冶煉過程是鐵水脫硫的主要手段，而把鐵水預(yù)脫硫處理看成是輔助手段。但是，對于低硫鋼和極低硫鋼要求如此低的硫含量，僅靠高爐和轉(zhuǎn)爐冶煉是很難達到的。高爐爐內(nèi)脫硫在技術(shù)上可行，但在經(jīng)濟上不合理，為了保證生鐵脫硫的需要，高爐不得不采用保守的操作方法，采用高爐溫、高堿度、大渣量操作，導(dǎo)致高爐焦比高、產(chǎn)量低，高產(chǎn)低耗的目標難以實現(xiàn)，因此在經(jīng)濟上是不合算的。即使鐵水中[S]到達一級品的標準，[S] ≤0.03％，對煉鋼來說仍然偏高，煉鋼過程還需要脫硫處理。

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中爐內(nèi)自始至終為氧化性氣氛，因此受到熱力學(xué)條件的制約，脫硫能力有限，單渣法冶煉脫硫率最高僅為30～40％。盡管轉(zhuǎn)爐采用反復(fù)倒渣，造新渣的工藝能夠脫除部分硫，這樣必然造成嚴重后吹而帶來許多不利因素，甚至影響鋼的質(zhì)量，并使爐齡降低；使煉鋼時渣量大、冶煉周期長，導(dǎo)致煉鋼工序產(chǎn)量低、消耗高，并且在經(jīng)濟上也是不合算的。相反，在鐵水條件下因[C]、[P]和[Si]高而使硫的活度系數(shù)fs增大，鐵水中αs比鋼液中高3～4倍，所以脫硫的熱力學(xué)條件優(yōu)越的多。鐵水預(yù)脫硫處理在熱力學(xué)和經(jīng)濟上都是最合理的。高爐煉鐵——鐵水預(yù)處理——轉(zhuǎn)爐冶煉——鋼水爐外精煉——連鑄連軋已成為現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)的基本工藝流程。鐵水預(yù)處理已成為基本流程的重要組成部分。由于高爐和轉(zhuǎn)爐脫硫有一定的限制，因而在現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)中，鐵水爐外預(yù)脫硫是決定鋼液最終硫含量的主要工藝環(huán)節(jié)。對鐵水采取爐外預(yù)脫硫處理，既可以減輕高爐和轉(zhuǎn)爐冶煉脫硫負擔，降低煉鐵和煉鋼成本，又可以提高鋼的質(zhì)量，百利無害。

目前，鋼鐵工業(yè)正在由規(guī)模效益型向質(zhì)量、品種效益型轉(zhuǎn)變，提高鋼材質(zhì)量，降低煉鋼成本是提高市場競爭力的重要措施。但是，目前許多鋼廠使用的鐵水均未采用預(yù)脫硫處理，由此產(chǎn)生的退廢和質(zhì)量異議時常發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，研究鐵水預(yù)脫硫工藝，采用脫硫效率高、成本低、對環(huán)境污染小的鐵水脫硫劑應(yīng)用于鋼鐵生產(chǎn)中，對鐵水進行脫硫處理，對提高鋼水質(zhì)量，提高鋼鐵企業(yè)的市場競爭力十分必要。

2.1.2鐵水預(yù)脫硫處理的技術(shù)優(yōu)點

鐵水預(yù)脫硫處理工藝是獲得低硫鐵水的有效途徑，已被公認為脫硫過程的最佳工藝，是改善高爐和轉(zhuǎn)爐操作的重要手段之一。

鐵水爐外預(yù)脫硫的有利因素：

①鐵水中C、Si、P等元素的含量高，有利于提高S在鐵水中的活度系數(shù)； ②鐵水中C存在而含氧量少，有利于下列反應(yīng)的進行：

FeS + MeO + C →Fe + CO + MeS（3－1）

式中MeO一起脫硫作用的金屬氧化物（CaO、MnO等）

③沒用強烈的氧化性氣氛，有利于直接使用一些強的脫硫劑如CaC2、Mg 等。鐵水爐外預(yù)脫硫的基本原理是利用與硫的親合力比鐵大的元素或化合物，加入鐵水內(nèi)以奪取硫化鐵中的硫，使之轉(zhuǎn)變?yōu)楦€(wěn)定的、不溶于鐵水而溶于熔渣的硫化物加以去除。研究表明：鐵水脫硫的條件比鋼水脫硫優(yōu)越，脫硫效果比鋼水脫硫高4～6倍。鐵水預(yù)脫硫處理采用單一或復(fù)合脫硫劑尤其是鎂基復(fù)合脫硫劑能將鐵水中的硫降低至相當?shù)偷乃健＝?jīng)脫硫處理后，鐵水含硫量可降至0.01～0.005％，完全能達到冶煉低硫鋼要求。

采用鐵水爐外脫硫技術(shù)既可大大減輕高爐脫硫負擔,同時又可以減輕轉(zhuǎn)爐脫硫負擔，實現(xiàn)少渣冶煉,大大改善轉(zhuǎn)爐煉鋼的技術(shù)經(jīng)濟指標, 真正實現(xiàn)高產(chǎn)低耗；改善連鑄坯質(zhì)量,提高成材率,為經(jīng)濟地冶煉低磷硫優(yōu)質(zhì)鋼、實現(xiàn)全連鑄、連鑄連軋和熱裝熱送提供了技術(shù)保障。因此,大力發(fā)展和推廣鐵水預(yù)處理技術(shù)是鋼鐵冶煉工藝結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要內(nèi)容,是節(jié)焦增鐵、擴大品種、改善質(zhì)量、降低成本、提高企業(yè)競爭力的有效途徑。鐵水爐外預(yù)脫硫優(yōu)勢如下：

①可以使鐵水硫含量降低到極低含量，有利于轉(zhuǎn)爐冶煉品種鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和純凈鋼，實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品的生機換代，生產(chǎn)出具有高附加值的優(yōu)質(zhì)鋼材。

②能保證轉(zhuǎn)爐煉鋼吃精料，節(jié)約煉鋼原材料消耗，降低煉鋼的生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率。③提高高爐生產(chǎn)能力，減輕高爐脫硫負擔，由于高爐工序幾乎不考慮產(chǎn)品S含量，這樣可降低高爐渣堿度，減少渣量，減輕堿金屬的危害，有利于冶煉低Si鐵，使高爐操作穩(wěn)定、順行、降低焦比和能耗，使高爐降低焦炭消耗23～45kg/t鐵，增加鐵水產(chǎn)量5％～10％。④可有效地提高鐵、鋼、材系統(tǒng)的綜合經(jīng)濟效益。硫是決定連鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素,鐵水爐外脫硫是目前實現(xiàn)全連鑄、近終形連鑄連軋和熱裝熱送新工藝的最可靠技術(shù)保障。2.1.2常用鐵水脫硫劑及其特點

工業(yè)上采用的鐵水脫硫劑種類很多，目前普遍使用的有以下幾種：活潑金屬脫硫劑（如金屬鎂）、碳化物脫硫劑（如電石CaC2）、碳酸鹽脫硫劑(如蘇打NaCO3)、氧化物脫硫劑(如石灰CaO)及復(fù)合脫硫劑（兩種以上脫硫劑或脫硫和助熔劑按一定比例配置而成），可以單獨使用，也可以混合使用。隨著鐵水脫硫技術(shù)的不斷發(fā)展，脫硫劑的研制與應(yīng)用呈現(xiàn)兩個基本趨勢：一是以石灰基為主的脫硫劑；二是純鎂或鎂基脫硫劑，配加石灰、電石、焦炭等和純鎂脫硫劑。根據(jù)加入方式的不同，脫硫劑可以制成粉末、細粒、團塊、錠條、鎂焦等各種形狀。

2.1.2.1石灰系脫硫劑

石灰系脫硫劑中主要成分石灰是冶金中常用的熔劑，其價格便宜且來源廣泛，是脫硫劑中使用最廣泛而且用量最大的一種廉價脫硫劑。它的脫硫原理是固體CaO極快地吸收鐵水中的硫,鐵水中的硅和碳是極好的還原劑，吸收了反應(yīng)生成的氧,脫硫反應(yīng)的產(chǎn)物是CaS和SiO2（或CO）。從脫硫機理來說，CaO粒子和鐵水中[S]接觸生成CaS的渣殼，渣殼阻礙了[S]和[O]通過它的擴散,脫硫過程減慢。用石灰做脫硫劑，需要把石灰磨細，但是脫硫鐵水必須嚴格地除去高爐渣，否則脫硫效果差。此外，脫硫過程須在高溫條件下進行。當鐵水含硅量0.05％以上時，脫硫反應(yīng)式為；

2(CaO)（S）十[S]十1/2[Si]=(CaS)(S)+l/2(Ca2 SiO4)（3－3）當鐵水含硅量很低時，脫硫反應(yīng)式為：

(CaO)(S)十[S]+[C]＝(CaS)(S)+{CO}（3－4）

用石灰作脫硫劑成本低，對環(huán)境污染較小，但是脫硫效率低，成渣量較大，并且容易受潮。石灰系復(fù)合脫硫劑從上世紀80年代初開始在噴吹法中使用，是目前世界上應(yīng)用最廣泛的脫硫劑。石灰石質(zhì)脫硫劑是80年代開發(fā)的一種脫硫劑，在西歐和日本已有工業(yè)采用，與普通石灰比，脫硫效率由于CaCO3分解產(chǎn)生CO2氣體起加強攪拌作用而提高，CO2氧化鐵水中的Si放熱使熱量得到補償，溫降與CaO相同。

石灰系脫硫劑的發(fā)展主要是提高石灰的反應(yīng)動力學(xué)特性，使之能得到終點硫小于0.005％甚至更低的處理能力。寶鋼曾用單一的石灰除塵粉，處理鐵水2萬噸，平均脫硫率為48.18％。對于單顆粒石灰，在鐵水中與 [Si]反應(yīng)能形成硅酸鈣層(2CaO?SiO2)，該層阻礙硫通過該層向深部擴散。對于產(chǎn)物層障礙，脫硫劑中加入5％～10％螢石可取得成效。在1350℃左右的鐵水中，CaO與CaF2能在石灰顆粒的晶粒界處生成液相，改善了硫在石灰顆粒中沿晶粒界的傳輸過程，脫硫速度增加2～3倍。

加入螢石的作用：實驗觀察，脫硫過程中由于加入了CaF2，反應(yīng)比原來劇烈得多，坩堝內(nèi)有劇烈的沸騰現(xiàn)象，這說明CaF2的加入增加了反應(yīng)速度，有利于脫硫反應(yīng)的進行。CaF2本身并不具有脫硫能力，有人曾進行過用螢石粉噴入鐵水中的脫硫試驗,噴吹量達19kg/t之多,而脫硫率僅為3％，但在CaO中摻入CaF2粉后，使CaO的脫硫速度顯著增加,而且最終硫含量也降低了。CaF2的促進機理有兩種解釋：一種解釋是CaF2的加入降低了2CaO?SiO2的熔點，使硫容易向CaO固相擴散；另一種解釋是CaF2分解出的氟離子破壞了2CaO?SiO2賴以結(jié)合的化學(xué)鍵，使之形成“空隙”，易使硫擴散到CaO粒子內(nèi)部。不管何種解釋，從宏觀上看，CaF2的加入都大大提高了CaO的脫硫速度和脫硫效率。另外，CaF2可以降低熔渣的熔點，使操作條件容易控制。

除配CaF2外，有的配入15％～30％CaCO3，其作用使石灰石分解，增加新的CaO表面活性，放出的C02有強烈的攪拌作用，這種作用發(fā)生在石灰石顆粒處，大大改善傳質(zhì)條件，有利于脫硫。日本千葉制鐵所使用的配方為：CaO22％，CaCO370％，C5％，CaF23％。結(jié)果表明，反應(yīng)速度快，對溫降沒有明顯影響，而且能做極低硫處理。該配方能使處理后的硫含量穩(wěn)定地小于0.002％。應(yīng)該指出，釋放出的大量氣體會產(chǎn)生噴濺，需加以妥善解決。還有一種措施是加少量鋁和鎂，效果是降低單耗、縮短噴吹時間。有實驗室測定過加鋁1.7kg/t后，鐵中氧的活度α0從2．5×10－6降至2．3×10－6，在250t魚雷罐車中αo從3.4×10－6降至2.2×10－6。

2.1.2.2金屬鎂及鎂基脫硫劑

鎂為堿土金屬元素，1969年國際標定的原子量為：24.305，密度為1.738,熔點為651℃，沸點為1107℃。金屬鎂與硫結(jié)合生成MgS，其熔點為2000℃，密度為2.8。鎂的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，僅次于鉀、鈉、鈣,極易與氧氣、水蒸氣產(chǎn)生氫氣而發(fā)生起火爆炸，所以用于鐵水脫硫的金屬鎂粒必須進行鈍化處理。鎂脫硫的優(yōu)勢：

①鎂有較強的鐵水脫硫能力：1350℃時用鎂粉進行鐵水爐外預(yù)脫硫反應(yīng)的平衡常數(shù)可達2.06×104，是CaO的3.17×103倍，反應(yīng)達平衡時鐵水中的 [S]可達1.6×10－5 ％，大大高于CaO的脫硫能力；可以實現(xiàn)深脫硫，[S]可降至0.005％以下（直到0.001％～0.002％），這是其它脫硫劑難以達到的。②鎂的沸點1107℃，Mg加入鐵水后變成Mg蒸汽，形成氣泡，使得反應(yīng)附近流體攪拌良好，大大增加鎂的脫硫效果。

③鎂在鐵水中有一定的溶解度，鐵水經(jīng)過鎂飽和后能防止回硫，這部分飽和鎂在鐵水處理后的運送過程中仍起脫硫作用。

④用量少、渣量少、鐵損少：鎂脫硫，用鎂粉量0.5～1.0Kg/t，產(chǎn)生的渣量顯著減少，鐵損少，只有CaO脫硫的1/4～1/10，這也是降低成本的主要原因之一。

⑤噴吹時間短，鐵水溫降小：Mg脫硫是CaO、CaC2等脫硫時間的1/3～1/5，在鐵水溫度較低時其ηs好，且溫降小，純鎂脫硫溫降0.5～2℃/min，鎂基脫硫1～3℃/min,是CaO的1/2～1/4。

⑥原材料用量及渣量減少，減少運輸量。

⑦噴吹時產(chǎn)生的煙氣少，形成的渣量少，所以對環(huán)境污染小。

⑧綜合成本低：雖然鎂的價錢很貴，但由于其用量少，溫降小，噴吹時間短，運輸量少，實現(xiàn)深脫硫后能減少轉(zhuǎn)爐冶煉時間，其綜合成本比石灰脫硫降低5～10元/噸。⑨出色的過程控制。

噴吹含鎂粉劑鐵水脫硫技術(shù)首先由烏克蘭研制成功，6、70年代開始在蘇聯(lián)的幾個工廠建立了脫硫站，西方繼蘇聯(lián)之后進行了應(yīng)用實踐。

鎂基脫硫劑有①鎂焦（Mg－Coke）②鎂合金（Mg－Fe－Si）③覆膜鎂粒④鎂基脫硫劑：CaO—Mg或CaC2—Mg及CaO—CaC2—Mg。

鎂基復(fù)合鐵水脫硫劑中石灰的作用 當采用鎂基脫硫劑時，常常是加入石灰和螢石等熔劑，石灰粉劑和鎂一起使用可以起到如下作用：

（1)加入的石灰粉可以起到鎂粉分散劑的作用，成為大量鎂汽泡的形成核心，從而減小鎂汽泡的直徑，減小鎂汽泡的上浮速度。

（2)當鎂與石灰粉混合噴吹時，石灰粉可擴大有效反應(yīng)表面積，使MgS顆粒粘附于石灰表面而被帶出，減少了回硫。

（3)可避免鎂瞬間氣化造成噴濺，強化鎂向鐵水中的溶解，提高了鎂的利用率。

生產(chǎn)實踐證明，用復(fù)合脫硫劑比單一脫硫劑脫硫具有效率高、成本低等優(yōu)點。同時，由于石灰價格低廉，來源廣泛，這又使它很容易成為人們的首選脫硫劑。雖然熱力學(xué)上分析，CaO不及CaC2、Na2CO3脫硫能力強，但這并不是石灰的弱點，根據(jù)動力學(xué)分析可知，工業(yè)上的脫硫處理，更重要的是動力學(xué)條件，而脫硫劑的脫硫速度取決于硫在鐵水中的擴散速度以及粉粒在鐵水中的停留時間。因此，如何改善動力學(xué)條件，是爐外脫硫能否取得收效的關(guān)鍵。除了采取增大反應(yīng)面積，加強攪拌，提高物質(zhì)的移動速度外，還應(yīng)設(shè)法破壞和防止2CaO?SiO2層的生成。2.1.2.3碳化鈣

碳化鈣是70年代后曾經(jīng)廣泛使用的一種脫硫劑，碳化鈣的脫硫反應(yīng)式為：(CaC2)（S）+[S]=(CaS)(S)+2[C] 它的脫硫率可達90％，反應(yīng)速度快；但是碳化鈣容易潮解、劣化，并形成易爆性氣氛，因此貯運過程需密封保護，且碳化鈣價格貴。

電石用于脫硫已有較長的時間，它比石灰脫硫能力強，而耗量約為石灰的一半左右，對減少脫硫渣量和鐵損有利，仍較廣泛應(yīng)用于鐵水脫硫。但是生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)有少量回硫現(xiàn)象，回硫量約為0.001％～0.002％。因此，電石系脫硫劑的發(fā)展有兩種趨向：一種是配入更強的鎂作深脫硫；另一種是配入石灰防止回硫。2.1.2.4蘇打

蘇打是最古老的爐外脫硫劑, 具有很強的脫硫能力，但是價格較貴，而且處理時大量的氧化鈉揮發(fā), 污染環(huán)境，對人體有害。此外,渣中Na2O侵蝕鐵水包襯；同時，因渣的流動性好,機械扒渣困難。所以，現(xiàn)在很少單獨使用，多制成復(fù)合型脫硫劑。蘇打粉脫硫時通常先發(fā)生分解反應(yīng)；

(Na2CO3)(l)＝(Na2O)(l)＋{CO2}（3－5）生成的Na20再與硫反應(yīng)，當鐵水含硅高時，脫硫反應(yīng)為：

3/2(Na2O)(l)＋[S]+1/2[Si]=(Na2S)+1/2(Na2SiO3)(l)（3－6）當鐵水含硅較低時，脫硫反應(yīng)式為：

(Na2O)(l)+[S]十[C]＝(Na2S)+{CO}（3－7）

2.1.2.5稀土

稀土在鐵水中不僅可以作為石墨球化劑，同時有顯著的脫硫作用。1300～1500℃范圍內(nèi)鑭和釔的脫產(chǎn)物LaS、YS的標準自由能△G0變化和溫度的關(guān)系： △G0LaS= －106400+33.81T KLaS(1300℃)＝7.5×10－8 △G0YS= －163680+36.14T KYS(1300℃)＝3.16×10－7平衡狀態(tài)下的最低含[S]量可達0.003％，并有夾雜物球化和變性等作用。但是，因純稀土金屬太貴，生產(chǎn)上適宜用混合稀土金屬，用噴射稀土合金粉可以大大降低稀土消耗量，如插入法需要0.2％稀土，噴粉法只需要0.05％的稀土也能起到同樣的效果。

脫硫劑的脫硫效率不僅取決于反應(yīng)的熱力學(xué)條件，還與反應(yīng)的動力學(xué)條件密切相關(guān)。因此，各種脫硫方法都設(shè)法采用強制攪拌措施，此外還加入各種促進劑，以改善動力學(xué)條件。選擇脫硫劑時，不僅要看它的脫硫能力，還要根據(jù)它在使用中的特點，所煉鋼種和鋼質(zhì)量要求以及費用等綜合考慮。Na2CO3因?qū)Νh(huán)境污染嚴重，使用受到限制；CaO用量大，產(chǎn)生的渣量多，又不能實現(xiàn)深度脫硫；而鎂基脫硫劑脫硫速度快、效率高、產(chǎn)生的渣量和鐵水損失少，因此采用鎂或者鎂基復(fù)合鐵水脫硫劑是最有效的脫硫劑，將其用于鐵水預(yù)脫硫成為當前的一項主要研究課題。

2.1.3 常用脫硫劑的脫硫機理 2.1.3.1 鎂脫硫機理

鎂與硫的親和力比鈣與硫的親和力大得多，因此鎂在脫硫過程中比鈣基脫硫劑更優(yōu)越。又因其沸點低于鐵水溫度，加入鐵水后，鎂將瞬間大量氣化變成鎂蒸汽，形成氣泡，使反應(yīng)區(qū)附近流體攪拌良好，大大增加鎂的脫硫效果。但若氣化過急，致使蒸汽壓太大，則可能產(chǎn)生噴濺或爆炸，即不安全，同時也不能順利完成脫硫任務(wù)。

當金屬鎂被噴吹到鐵水內(nèi)以后，由于溶解和汽化，且鎂溶于鐵液，故存在下列反應(yīng)： Mg＋[O]=MgO(S)（3－18）Mg(g)+[S]=MgS(S)（3－19）[Mg]＋[S]=MgS(S)（3－20）

當金屬鎂被噴吹到鐵水內(nèi)以后，首先被加熱并開始熔化，之后發(fā)生氣化，然后鎂氣泡逐漸溶解到鐵水中。由于鐵水中氧含量很低，所以式(3－18)的反應(yīng)很快結(jié)束。在鎂顆粒直徑和噴槍插入深度選擇恰當時，鎂粒上升到液面之前己氣化完畢，因此，鎂氣泡與鐵水接觸時，式（3－19）和式（3－20）兩個脫硫反應(yīng)同時進行。許多研究的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，約有20％左右的脫硫反應(yīng)發(fā)生在硫擴散到鎂氣泡表面上，大多數(shù)脫硫反應(yīng)是鎂先溶于鐵水中，然后鎂和硫向夾雜物或其他形核表面擴散，因此認為脫硫反應(yīng)還是以式(3－20)為主。

2.1.3.2.1鎂在鐵液中的汽化

由于鎂的沸點只有1107℃，這遠低于一般鐵水的溫度，因此將鎂加入鐵水后將立即變成鎂蒸汽，有關(guān)鐵液中鎂蒸汽壓的標準公式很多，但是計算差別不大，日本鋼鐵協(xié)會提供的公式分別為：

(3－21)在一般鐵水溫度范圍（1300～1450℃）內(nèi)，鎂的蒸汽壓可達0.473～1.124MPa。鎂的蒸汽壓與溶解度之間有著密切的關(guān)系，在碳飽和的鐵液中，鎂的溶解度可按下式計算：(3－23)由（3－23）式我們可以知道，1350℃時，當PMg=0.1013Mpa時，Mg在鐵液中的溶解度高達0.296％，遠遠高于脫硫反應(yīng)所需要的鎂量。關(guān)于鎂在鐵水中的溶解度隨溫度和壓力的變化如圖3-3所示。

當鎂與鐵水接觸時，由于氣化和溶解，其反應(yīng)過程如下： Mg(g)+[S]=MgS(s)(3－24)ΔGo =-427400+180.7TJ/mol [Mg]+[S]=MgS(s)(3－25)ΔGo =-544767+212.0T J/mol 從反應(yīng)式可看出，鎂脫硫反應(yīng)是放熱反應(yīng)，這有利于減少鐵水的溫降。根據(jù)ΔGo =-RTlnK 得出

lgK1=22322/T-9.44 lgK2=28452/T-11.07

則1350℃時 K1=2.06×104，K2=2.89×106。

MgS熔點大于2000℃，在鐵水溫度下為固態(tài)，取其活度為1。在一定溫度下： [％Mg]?[％S]=常數(shù)

理論計算得到的[％Mg]?[％S]平衡值的數(shù)量級為10-6，但鎂與硫活度相互間的負作用很強，經(jīng)大量實驗研究1350℃時其實際值為1.4×10-4。

根據(jù)上兩式可知，在一般鐵水溫度范圍（1300～1450℃）內(nèi)，鎂的蒸汽壓可達0.473～1.124MPa。如此之高的蒸汽壓可使反應(yīng)附近的流體攪拌良好，脫硫反應(yīng)的動力學(xué)條件得到改善，動力學(xué)條件良好，但鎂的利用率卻大為降低。為此，在用鎂對鐵水脫硫時，必須采取有效的措施控制鎂的汽化速度。2.1.3.2.2鎂在鐵液中的溶解

鎂在鐵液中汽化，形成氣泡及氣泡上升過程中有部分鎂蒸汽將溶于鐵液，其溶解反應(yīng)可按下式進行：

{Mg}=[Mg]（3－26）△G0=117400-31.4T lgK=-6130.9/T+1.64 K= =

鎂在鐵液中的溶解度計算公式：（emgc=0.15，[C]=4.0％）

根據(jù)上式得到的鎂在鐵液中溶解度[％Mg]與溫度t 的關(guān)系如圖3-4所示。

圖3－4 鎂在鐵液中溶解度與溫度的關(guān)系 隨著溫度升高[％Mg]增大，在煉鋼鐵水溫度范圍（1300℃～1450℃）內(nèi)[％Mg]只有0.0064～0.033％，由此可見，在用鎂脫硫時，除與硫等反應(yīng)消耗的鎂外，剩下的大部分將逸出鐵水而損耗。

鐵水噴吹脫硫過程中存在一個孕育期，在此孕育期內(nèi)鐵液中硫含量不變而氧含量急劇下降，這說明鐵液中氧含量要影響脫硫。鎂和氧存在如下反應(yīng)： Mg(g)+[O]=MgO(s)(3－27)ΔGo =-626024.7+209.1T J/mol(3－24)式與（3－27）式合并整理得：

MgS(S)+[O]=MgO(S)+[S](3－28)ΔGo =-198624.7+28.4T J/mol

由（3－28）式可知：在鐵水溫度范圍（1300～1450℃）內(nèi)，反應(yīng)的ΔGo <0，這說明氧與鎂的親和力大于硫與鎂的親和力，即用金屬鎂對鐵水進行脫硫時，鐵液中氧含量越低，脫硫效果越好。反應(yīng)（3－28）式的K值在1600K可達1.02×105，這是因為脫硫處理后停止供Mg時，鐵水中的Po2上升，可能就產(chǎn)生了回硫，即鎂基脫硫劑具有二重性：脫硫能力高，同時也容易回硫。

2.1.3.2.4鎂脫硫的動力學(xué)

動力學(xué)是影響鎂脫硫效果的重要因素。鎂粒進入鐵水中完成加熱并開始熔化，之后發(fā)生氣化。在鎂粒直徑和噴槍插入深度選擇恰當時，鎂粒上升到液面之前氣化完畢。因此鎂氣泡與鐵水接觸時，一方面在氣液界面上進行多相反應(yīng)。另一方面，溶于鐵水中進行單相反應(yīng)。從動力學(xué)觀點看，鎂的脫硫反應(yīng)分為以下步驟：

（1）鎂粒在鐵水中熔化、氣化，生成鎂蒸汽泡上浮。（2）鎂蒸汽泡中的鎂蒸汽溶于鐵水。

（3）在金屬－鎂蒸汽泡界面，鎂蒸汽與鐵水中的硫反應(yīng)生成固態(tài)硫化鎂。（4）溶解于鐵水中的鎂與硫反應(yīng)生成固態(tài)硫化鎂。（5）固態(tài)硫化鎂上浮進入渣中。

目前，對于鎂脫硫反應(yīng)的動力學(xué)機理認識很不一致，一種看法認為鎂脫硫是由于鎂蒸汽泡與熔體界面進行反應(yīng)，從熔體中脫除了主要數(shù)量的硫。如日本的U.Nakanishi提出的動力學(xué)模型的推導(dǎo)過程如下：通過計算鎂粒脫離氣體射流的最小粒徑及鎂的蒸發(fā)速度，認為試驗中鎂粒從氣流中脫離并變成鎂汽泡，鎂汽泡上浮時進行的脫硫反應(yīng)占主導(dǎo)，鐵水中硫的擴散成為反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，同時不考慮渣中的MgS被空氣氧化而造成的回硫。在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出的脫硫動力學(xué)方程為：

（3－31）

式中C－鐵水中硫的摩爾濃度，mol/m3； M－噴吹速度，mol/s；

W－熔體的容積，m3； －系數(shù)。

另一種觀點認為鎂在鐵水中相當大的可溶性是確定反應(yīng)動力學(xué)的主要因素。G.A.Irons等通過向鐵水噴吹鎂蒸汽脫硫的實驗研究提出了鎂脫硫的動力學(xué)模型。它們在推導(dǎo)過程中作了如下假設(shè)： ①鎂汽泡在上升過程中沒有氣泡合并現(xiàn)象（這適合于氣流速度小的噴吹）；②傳質(zhì)遵循準穩(wěn)態(tài)模型；③傳質(zhì)為反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，且認為鎂和硫的擴散傳質(zhì)系數(shù)相等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)鎂和硫反應(yīng)發(fā)生在反應(yīng)器壁上、氣泡表面和液體中夾雜物表面及部分鎂從液面蒸發(fā)得到如下質(zhì)量平衡式：

=Klal(CMg,b－CMg,l)－(Kiai+Kwaw)(CMg,l－CMg,i)－KeaeCMg,i(3－32)相應(yīng)地，硫由于擴散到氣泡表面或在夾雜物和器壁上沉積，也存在下面的平衡： =－Klal(Cs,l－Cs,b)－(Kiai+Kwaw)(Cs,l－Cs,i)(3－33)式中：C－摩爾濃度，mol/m3； K－液相傳質(zhì)系數(shù)；mol/（m2?s）A－單位熔體的表面積，m2； T－時間，s。下標的含義：

B－氣泡表面積，m2； E－蒸發(fā)；

I－夾雜表面積，m2； Mg－鎂； L－鐵水；

S－硫；

W－坩堝表面積，m2。

G.A.Irons等進行了鎂蒸汽的鐵水脫硫?qū)嶒灒浣Y(jié)果表明在鐵水中的硫被脫除的同時，鎂也溶解于鐵水。同時，他們還指出，只有10％左右的硫是由多相脫硫反應(yīng)途徑（即鎂蒸汽）被去除的，大多數(shù)硫是通過[Mg]與[S]的均相反應(yīng)被去除，其脫硫反應(yīng)發(fā)生的機理是：鎂先溶于鐵水中，然后[Mg]和[S]向夾雜物或其它形核表面擴散，脫硫速率受反應(yīng)物含量少的一方的擴散控制。因為鎂的氣化和硫化鎂在鐵水中的浮出過程進行得很快，所以脫硫反應(yīng)的速度取決于鐵水中鎂的消耗速度或鎂蒸汽在鐵水中的溶解速度。為了獲得高的脫硫效率，必須保證噴入鐵水的顆粒鎂以最高的效率汽化并溶入鐵水，防止顆粒鎂直接浮入渣層或燒毀，避免未溶解完的鎂蒸汽逸入大氣造成損失。促進或保證Mg蒸汽完全溶于鐵水中的措施是：鐵水溫度低，用加入惰性物質(zhì)的方法減緩鎂的汽化速度來控制Mg蒸汽泡的大小，噴槍插入鐵水液面以下2～3m 處，使蒸汽壓升高，鎂蒸汽泡與鐵水接觸時間延長。2.1.3.2 CaO脫硫機理

石灰是應(yīng)用時間較長、價格便宜的一種脫硫劑。利用CaO脫硫，脫硫渣的處理容易，脫硫效果受溫度的影響較小。它的脫硫機理是固體CaO極快地吸收鐵水中的硫，鐵水中的Si和C是極好的還原劑，吸收了反應(yīng)生成的氧，脫硫反應(yīng)的產(chǎn)物是CaS和SiO2（或CO）。從脫硫機理上說，CaO粒子與鐵水中[S]接觸生成CaS的渣殼，阻礙了[S]和[O]通過它的擴散，脫硫過程減慢。用石灰做脫硫劑，需要把石灰磨細，以提高石灰的利用率，但太細的石灰粉易吸水，生成的爐渣也容易帶走大量的鐵粒。因此，脫硫鐵水必須嚴格地除去高爐渣，否則脫硫效果差。

鐵水中C、Si含量高時，有利于脫硫反應(yīng)的進行。硅含量高時，反應(yīng)式為： 2CaO(s)+[S]+1/2[Si]=CaS(S)+1/2Ca2SiO4(3－34)ΔGo =-251930+83.36T J/mol LgK=13158/T-4.35

Si雖促進脫硫，但2CaO?SiO2不能再脫硫，這就減少了CaO的有效含量，并且2CaO?SiO2是高熔點物質(zhì)，它能在石灰顆粒表面形成一層很致密的薄層，阻礙了脫硫反應(yīng)的繼續(xù)進行，從而降低了CaO的脫硫效果和脫硫速度，增加了石灰用量。鐵水中硅含量低時，反應(yīng)式為：

CaO(s)+[S]+ [C]=CaS(S)+CO（g）(3－35)ΔGo =86670+68.96T J/mol LgK=-4527/T+3.60

溫度相同時，（3－36）式比（3－35）式的平衡常數(shù)低兩個數(shù)量級，但生成的2CaO?SiO2量少，從動力學(xué)過程來考慮，這種反應(yīng)的脫硫能力較強。

從動力學(xué)上講，CaO脫硫的限制性環(huán)節(jié)和脫硫速度隨鐵水原始硫含量的不同而有所不同。原始含S量低時（1300℃，[S]<0.04％），石灰粒子在鐵水中逗留時間內(nèi)所形成的反應(yīng)層比較薄，在這種情況下，硫通過鐵水側(cè)邊界層向石灰顆粒表面擴散是脫硫反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，這時脫硫速度可用下式表示：(3－36)式中：B －料流密度； kg?min-1?t-1 －粉粒的平均半徑；cm tv－粉粒在鐵水中的停留時間；s.DS－鐵水中硫的擴散系數(shù)，DS=6.45×10-1exp(-11600/RT)；cm2?s-1 －硫在鐵水中的邊界層厚度； ρFe—鐵水密度，㎏/m3； ρCaO—氧化鈣密度，㎏/m3。

由此可知，脫硫速度與料流密度B和粉粒在鐵水中的停留時間tv成正比，而與粉粒的大小 成反比。

原始含S量高時（1300℃，[S]>0.08％），石灰粒子在鐵水中停留時間內(nèi)會形成一層較厚的反應(yīng)層，脫硫時將在石灰粒子表面包圍著一層較厚而致密的2CaO?SiO2和CaS反應(yīng)層。在這種情況下，硫通過生長著的這層2CaO?SiO2反應(yīng)產(chǎn)物層而向石灰粒子內(nèi)部擴散是很慢的，這個“固相擴散”便成為脫硫反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，這時的脫硫速度可用下式表示：（3－37）

式中：B －料流密度，kg?min-1?t-1； －粉粒的平均半徑，m；

tv－粉粒在鐵水中的逗留時間，s；

ФS－CaS中的含硫量，％；

VCaS－CaS的摩爾體積，mol/m3；

KR－反應(yīng)層長大的表觀速度常數(shù)，KR=4.92+lg[％S]=2.60×10-11，mol?m-1?S-1。

由上式可知，脫硫速度與料流密度B成正比，與tv和KR的平方根成正比，而與粒徑的大小 成反比。

當鐵水硫含量在0.04％～0.08％過渡區(qū)域時，脫硫反應(yīng)為二者聯(lián)合控制。

用石灰脫硫有一些缺點：

①由于石灰流動性差，在料罐中易“架橋”堵料，且石灰粉極易吸潮，吸潮后，其流動性惡化，潮解生成的Ca（OH）2不但影響脫硫效果，而且污染環(huán)境，因此，石灰粉最好在干燥氮氣下密封儲存在單獨料倉內(nèi)。

②用石灰脫硫過程是暴露在大氣下進行的，鐵水中的[Si]會被氧化生成[SiO2]，[SiO2]將與CaO作用生成（2CaO?SiO2），相應(yīng)地消耗了有效的CaO量，降低了脫硫效果，因此，用石灰脫硫，最好能在惰性氣體或還原氣氛下進行。

2.1.4鐵水預(yù)脫硫方法

鐵水爐外脫硫方法有幾十種，按照脫硫劑的加入方式和鐵水攪拌方式不同可分為鋪撒法、搖包法、機械攪拌法、噴粉法、喂線法等，其中噴粉法使用廣泛。該法具有操作靈活、處理鐵水量大、費用低、冶金效果好等優(yōu)點。上述各種鐵水預(yù)脫硫的方法經(jīng)工業(yè)實際應(yīng)用，有的因處理能力較小、主要部件耐火材料壽命低、處理效果及可控性較差和環(huán)境污染問題較嚴重等而逐漸被淘汰。下面就幾種工業(yè)上應(yīng)用較成熟的方法和有應(yīng)用前景的方法做進一步介紹。2.1.4.1攪拌法脫硫 1）KR攪拌法

KR（Kambara Reactor）法是日本新日鐵廣畑制鐵所于1963年開始研制，并于1965年投入工業(yè)生產(chǎn)的鐵水爐外脫硫技術(shù)，以后被日本鋼管和住友金屬公司等采用。這種脫硫方法是以一種外襯耐火材料的攪拌器浸入鐵水罐內(nèi)，利用攪拌器在鐵水中旋轉(zhuǎn)（150～300轉(zhuǎn)/分）攪動鐵水，使鐵水產(chǎn)生旋渦，在鐵水液面中央部分產(chǎn)生一個渦流下陷坑，同時加入脫硫劑使其在下陷坑中被卷入鐵水內(nèi)部進行脫硫反應(yīng)（如圖3-8所示），從而達到鐵水脫硫的目的。它具有脫硫效率高、脫硫劑耗量少、金屬損耗低等優(yōu)點。此法CaC2用量2～3kg/t或蘇打粉6～8kg/t，處理10分鐘，脫硫率為80～95％。

KR法處理鐵水的最大允許數(shù)量受鐵水面至罐口高度限制，最小處理量受攪拌器的最低插入深度限制。對于100 t鐵水罐來說，液面至罐口距離應(yīng)不小于620 mm(因插入攪拌器會引起液面升高約50 m m，攪拌器旋轉(zhuǎn)會使液面升高300 mm，鐵水液面波動100 mm，預(yù)留170 mm 富余量)。攪拌器插入深度的確定，應(yīng)注意使攪拌頭與罐底距離大致等于葉片外緣與罐壁的距離。

在處理之前，鐵水內(nèi)的渣子必須充分扒除，否則會嚴重影響脫硫效果。處理完畢，還需仔細地扒除脫硫渣。在處理過程中攪拌器的轉(zhuǎn)數(shù)一般為90～120r／min，攪功力矩對于100 t罐為≤820kg?m，攪動功率為1.0～1.5kW／t。在攪動1～1.5min后開始加入脫硫劑，攪動時間約13min左右。攪拌頭為高鋁質(zhì)耐火材料，壽命為90～110次，每使用3～4次后需要用塑性耐火材料進行局部修補。脫硫率取決于原始鐵水含硫，一般可以達到90％左右。

圖3-8 KR脫硫法示意圖

1一葉輪，2一脫硫劑，3一鐵水

1976年武鋼在引進硅鋼生產(chǎn)專利技術(shù)時，根據(jù)硅鋼質(zhì)量的要求，從日本引進了KR鐵水脫硫裝置，1979年在武鋼二煉鋼廠建成投產(chǎn)。攪拌器為高鋁質(zhì)耐火材料，壽命90～110次。經(jīng)脫硫處理后，鐵水含硫量小于0.005％的罐次比例在98％以上，滿足了冶煉無取向硅鋼的要求，并為開發(fā)和生產(chǎn)低硫新鋼種提供了重要條件。a．鐵水條件和脫硫工藝參數(shù)

鐵水條件和脫硫工藝參數(shù)見表3-9。表3-9 KR法鐵水條件和脫硫工藝參數(shù) 項 目 條件參數(shù) 鐵水條件： 鐵水溫度 [S] 渣層厚度

每次處理重量 脫硫工藝參數(shù)： 處理時間

攪拌器旋轉(zhuǎn)速度 攪拌器浸入鐵水深度 處理后[S] 總工序時間 過程溫降 1300℃ ≤0.060％ <50mm 75～85t/罐

10～15min 90～120r/min 1300mm ≤0.005％

35～50（平均42）min 約45℃

2.1.4.3噴粉法脫硫

噴粉法亦稱噴射冶金或稱噴吹。用氮氣、氬氣、天然氣或壓縮空氣做載體把脫硫劑通過直接插入鐵水內(nèi)的專用噴槍噴入鐵水深處進行脫硫，用吹入的氣體攪拌鐵水，使粉劑與鐵水充分接觸，在上浮過程中將硫去除。為了完成這一過程，要求從噴粉罐噴出的氣粉流均勻穩(wěn)定、噴槍出口不發(fā)生堵塞、脫硫劑粉粒有足夠的速度進入鐵水、在反應(yīng)過程中不發(fā)生噴濺，最終取得高的脫硫率，使處理后的鐵水含硫量能滿足低硫鋼生產(chǎn)的需要。此法設(shè)備簡單、操作靈活、易于控制、脫硫率高、幾乎不受容量限制，鐵水包或混鐵車均可采用，是應(yīng)用最廣泛的一種脫硫方法。

1）噴粉脫硫的系統(tǒng)裝備與控制技術(shù) 噴粉法又分混合噴吹、復(fù)合噴吹、順序噴吹、雙通道噴吹和雙槍噴吹。

（1）混合噴吹 混合噴吹是最簡單的模式，它僅需要一個噴吹罐。這種模式要求來廠的脫硫劑事先完全混合好，若混合劑中含有鎂粒，需要采取特殊措施以避免物料偏析。通常混合脫硫劑中CaC2占5～15％，其余為金屬鎂粉或含金屬鎂20～25％的石灰粉。單一噴吹系統(tǒng)具有易于操作和維護、設(shè)備投資低等特點，而且噴粉速度的控制系統(tǒng)比較簡單。（2）復(fù)合噴吹 復(fù)合噴吹是采用兩套相互獨立控制的噴粉系統(tǒng)，兩種脫硫劑：鎂粉和石灰或鎂粉和電石粉分別經(jīng)由兩條輸送管并在噴粉槍內(nèi)匯合，通過一套噴粉槍向鐵水內(nèi)噴吹。這種系統(tǒng)可使操作者更好的控制噴吹過程，進而更好的利用脫硫劑，在提高噴粉速度的同時不會造成噴槍堵塞。

（3）順序噴吹 順序噴吹是采用各自獨立控制的噴粉罐通過一條輸送管道向鐵水中噴入3種或更多種類的脫硫劑，這將方便用戶在更大的范圍內(nèi)選擇脫硫工藝。設(shè)備配置與復(fù)合噴吹系統(tǒng)相同，但控制更復(fù)雜一些。這種模式在鐵水初始硫含量和溫度都很高時采用就會顯示出其經(jīng)濟效益。例如，當處理周期的要求并不嚴格時，可采用鎂一石灰脫硫粉劑低速噴粉工藝；另一方面，如果對處理周期有較嚴格的規(guī)定，則可采用“預(yù)噴+二次噴粉”的方法噴吹比較便宜的石灰粉，以提高噴粉的速度。這一工藝方法特別適宜要求全量鐵水脫硫處理而且對處理后硫含量要求嚴格的煉鋼廠采用。

（4）雙槍噴吹 采用兩支獨立工作的噴槍，可以提高工廠的脫硫能力，與單噴粉槍工藝相比，該工藝多增加了一套噴粉系統(tǒng)。只要合理地設(shè)計兩支噴槍的間距，在提高噴粉強度的條件下不會造成金屬噴濺的增大。和多孔噴槍相比，兩支槍的間距大，氣泡在鐵水中上浮的角度明顯減小，可以形成兩個基本分離的混合反應(yīng)區(qū)。此外，工廠生產(chǎn)組織也具有靈活性，一支槍損壞更換時，另一支槍可繼續(xù)工作。

（5）采用帶有蒸發(fā)器的噴吹金屬鎂粉噴槍 與普通噴鎂粉的浸沒式噴槍十分相似，但它卻采用一個專門用于噴吹金屬鎂粉的特殊噴槍，如圖3－12所示。這種工藝僅用于俄羅斯和烏克蘭。回顧歷史，俄羅斯采用這種方法有其特殊的背景。因此，相對于國際市場，俄羅斯由于富產(chǎn)鎂而價格低廉。這種特殊的地區(qū)優(yōu)勢使俄羅斯可以較早地使用鎂脫硫，研究開發(fā)出帶鎂汽化室的噴槍，而對于西歐國家，金屬鎂是十分昂貴的。這種脫硫工藝在俄羅斯已經(jīng)成功地應(yīng)用了好多年，但由于汽化噴槍耐火材料造型復(fù)雜，致使成本相對較高。

圖3-12 噴吹金屬鎂粉的特殊噴槍

2）噴吹鎂用的載流氣體

在應(yīng)用鎂粒進行噴吹脫硫的發(fā)展過程中，曾先后使用過空氣、氮氣、氬氣、天然氣作為載體流氣體。載流氣體特性和鎂投放區(qū)氣氛是影響鎂利用率的主要參數(shù)，有氧氣和氮氣存在時，它能與投放的鎂發(fā)生下列的反應(yīng)：

1/2O2+Mg(g)([Mg])→MgO（3－43）1/3N2+Mg(g)([Mg])→1/3Mg3N2（3－44）

該反應(yīng)在l 573K～17l3K的溫度范內(nèi)可以反應(yīng)，在943.15K反應(yīng)異常迅速。試驗證明以壓縮空氣作為載體，在空氣/鎂粒＝0.1m3/Kg時，噴吹的Mg約有4％在汽化器內(nèi)變?yōu)檠趸铮s有16～20％的鎂可能結(jié)合成Mg3N2，使鎂的利用率降低。因此，氮氣對鎂而言不是惰性氣體，而且用氮氣作載氣噴槍易產(chǎn)生堵塞。使用對鎂顯中性的天然氣做為輸送鎂的載體，可以造成一系列提高鎂吸收的有利條件，天然氣主要含甲烷（CH4），在1000℃以上分解為H2和碳黑，其分解反應(yīng)式為： {CH4}={H2}+C石墨（3－45）CH4的分解率為90％，熱力學(xué)計算結(jié)果為： 2{Mg }＋{ H2 }＝{MgH }（3－46）

K1650℃＝85.11×10－18

{Mg }＋2 C石墨＝MgC2（3－47）K1650℃＝14.45×10－4 從以上兩式可以看出其反應(yīng)的K數(shù)很小，因此可以認為，天然氣對Mg為惰性氣體，以天然氣為載體，可提高Mg的利用率，降低脫硫劑的消耗量。用天然氣做載體，鐵水液面上的空間充滿氫氣，這一反應(yīng)可降低爐渣的氧化性，而氧與Mg的親和力大于硫與Mg的親和力，因此，降低氧化性有利于脫硫，另一方面氫氣燃燒放熱，可以減少鐵水的溫度損失。用天然氣作載體時，鐵水含氫量為6×10－4％，能滿足煉鋼鐵水的要求。但是存在著降低鐵水溫度的副作用，而且應(yīng)有防爆措施。用氬氣、氙可以解決氮氣和天然氣的缺點，但是氬氣成本高限制了使用。因此從提高鎂的利用率和成本兩方面綜合考慮，選擇合適的載氣種類。3）鎂的脫硫效率和消耗量

按化學(xué)當量計算，如果脫硫效率ηs為100％，1Kg Mg能脫S 1.32Kg。實際上由于鐵水中還有殘余的Mg，少量的Mg蒸汽逸出等原因，ηs達不到100％，在用大型鐵水包處理時，鐵水溫度1360℃，插槍深度2.3 m，鐵水初始[S]＝0.06％，脫至0.01％，Mg的ηs為63％。如果由0.02％脫至0.01％，Mg的ηs為31％，這個數(shù)值是用CaC2脫S的6倍。影響Mg效率，ηs最重要因素是插槍深度，在用小型鐵水包處理時，槍插入淺，Mg的ηs會大大降低，如槍插入深度由2.3降至1.3 m，Mg的ηs會降至10～15％。

目前采用Mg脫硫劑已經(jīng)可以把鐵水中的S降至極低水平，當[S] 降至0.005％時每噸鐵水Mg的用量為300～500g/t鐵。2.2 鐵水預(yù)脫硅處理

鐵水預(yù)脫硅處理是指鐵水進入煉鋼爐前的降硅處理，它是分步精煉工藝發(fā)展的結(jié)果。它能改善煉鋼爐的技術(shù)經(jīng)濟指標，降低煉鋼費用，也可以作為預(yù)脫磷、脫硫的前處理，可降低脫磷處理劑的消耗，進一步生產(chǎn)純凈鋼等各種優(yōu)質(zhì)鋼。

鐵水預(yù)脫硅處理開始較早，1897年Thiel等人用平爐進行了脫硅脫磷的預(yù)備精煉工業(yè)試驗，20世紀初進行了混鐵爐脫硅試驗，到20世紀40年代試驗了高爐出鐵時的脫硅。我國曾在20世紀50年代在鞍鋼實行過預(yù)備精煉爐脫硅和高爐鐵水溝脫硅，這些都對改善當時的平爐煉鋼的冶煉技術(shù)經(jīng)濟指標和提高生產(chǎn)率起了良好的作用。到了20世紀90年代，基于對優(yōu)質(zhì)鋼的需求，同時由于需要節(jié)省資源和能量、減少渣量等，日本發(fā)展了以脫硅脫磷為目的的鐵水預(yù)處理，此后發(fā)展成兩類預(yù)脫硅工藝：一類是作為鐵水同時脫磷脫硫的前工序以提高脫磷脫硫的效率。處理后的鐵水進入轉(zhuǎn)爐，只需完成脫碳和提高溫度，渣量減少至100kg／t以下，只起保護渣層的作用，主要用于生產(chǎn)高純凈鋼種。另一類是作為降低轉(zhuǎn)爐渣量的措施。1985年前后日本各大廠曾廣泛采用預(yù)脫硅技術(shù)，主要在高爐爐前進行。后來，由于高爐冶煉低硅鐵水技術(shù)的發(fā)展，這類預(yù)脫硅已較少，不過仍作為脫磷脫硫的前工序在高爐爐前脫硅。總的說來，作為分步精煉的第一步，鐵水預(yù)脫硅已成為冶煉優(yōu)質(zhì)鋼種、改善預(yù)處理脫磷脫硫和轉(zhuǎn)爐冶煉技術(shù)的重要工序。

在普通的氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝中，因鐵水中的[Si]很容易被氧氣或氧化鐵渣除去，脫硅本身幾乎不需要消耗任何熔劑。但由于鐵水硅含量高，將產(chǎn)生大量的Si02，與此相應(yīng)，必須用大量的熔劑來獲得足夠高的堿度，以滿足有效脫磷、脫硫的需要。于是，開發(fā)了鐵水脫硅的方法和少渣煉鋼工藝，采用的結(jié)果是使熔劑(主要是石灰)和渣量大幅度降低，轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝也進一步穩(wěn)定。另一方面，雖然轉(zhuǎn)爐本身已經(jīng)取得了明顯的技術(shù)進步，但僅僅靠轉(zhuǎn)爐來滿足高質(zhì)量和低成本的要求顯然是不可能的，這就要求將轉(zhuǎn)爐的功能加以分散，將其某些功能(如脫磷、脫硫)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)爐以外。例如，鐵水預(yù)處理工藝、爐外精煉工藝。這也是當前鐵水預(yù)脫硅處理工藝得以發(fā)展的一個重要原因。2.2.1鐵水預(yù)脫硅處理的意義

鐵水預(yù)脫硅處理的目的是減少轉(zhuǎn)爐渣量并為鐵水預(yù)脫磷創(chuàng)造條件。鐵水中的硅是發(fā)熱元素，轉(zhuǎn)爐煉鋼為了脫磷造高堿度渣需SiO2作化渣劑，但是研究表明，為了化渣和保證出鋼溫度有0.3％的硅就足夠了，多余的硅含量則是有害的，并惡化了技術(shù)經(jīng)濟指標。

(1)減少脫磷劑用量，提高脫磷脫硫效率。在氧化脫磷時，由于SiO2比P205更穩(wěn)定，Si比P優(yōu)先氧化，因此在鐵水硅含量較高(含Si 0.30％～0.80％)對鐵水進行爐外預(yù)脫磷處理時，加入的含氧化劑的脫磷劑大部分要被硅氧化消耗，而使脫磷反應(yīng)滯后，脫磷劑用量增加，同時產(chǎn)生大量的SiO2降低了熔渣的堿度使脫磷無法進行。因此，在脫磷之前，首先要進行鐵水脫硅處理。圖2－1為鐵水含硅量對脫磷的影響。

(2)減少轉(zhuǎn)爐石灰用量，在鐵水含P 0.11％和含S 0.025％的條件下，鐵水中硅從0.6％下降到0.15％時，煉鋼石灰消耗量可以從42kg/t減少到18kg／t，渣量從110kg／t減少到42kg/t，而且吹煉平穩(wěn)沒有噴濺，金屬收得率提高0.5％～0.7％。

鐵水預(yù)脫硅處理可使鐵水含硅量由0.6％以上脫除到0.2％以下，如新日鐵在120t轉(zhuǎn)爐上采用低硅（0.2 ％）鐵水煉鋼，每噸鋼的石灰消耗由40～50Kg下降到15～20Kg，耐火材料消耗比原來高硅鐵水（0.5 ％～0.6％）減少30 ％～40％，渣量減少10～12kg／t，余Mn增加，金屬收得率增加0.8 ％，鐵水硅含量每降 0.1％，降低氧氣消耗0.86m /t，石灰消耗8～9Kg/t，金屬收得率提高2.4Kg/t。

通常認為鐵水中的硅是轉(zhuǎn)爐煉鋼的熱源和成渣元素，這種觀點應(yīng)重新認識，因為鐵水中的硅高是不經(jīng)濟的。由于每噸鐵水增加1Kg Si（0.1％）要使高爐增加能耗209200 KJ/t鐵，而轉(zhuǎn)爐每1Kg Si的發(fā)熱量僅28314 KJ/t，扣除熔渣損失，有效發(fā)熱量僅6276 KJ/t，能量利用僅3％，它只能熔化4 Kg廢鋼。1Kg Si要增加 ×3.5×1000＝8.73 Kg石灰（R＝3.5）消耗，吸熱量4345 KJ/ Kg×8.73＝12527.55 KJ/ Kg。從轉(zhuǎn)爐熱平衡計算可知，硅氧化鐵并非必需。加拿大Dofasco鋼廠統(tǒng)計，鐵水每降Si 0.1％，將增加轉(zhuǎn)爐金屬收得率0.2 ％，延長爐襯壽命110爐，節(jié)約渣料石灰6.3Kg/t鐵和白云石2.85Kg/t鐵，而高爐增產(chǎn)3.1％，降焦比6.5Kg/t，可見經(jīng)濟效益顯著。

(3)對于含釩和含鈮等特殊鐵水，預(yù)脫硅可為富集 V205和Nb2O5等創(chuàng)造條件。2.2.2鐵水預(yù)脫硅處理原理

2.2.2.1脫硅劑

鐵水預(yù)脫硅處理使用的脫硅劑以提供氧源的氧化劑材料為主劑，以調(diào)整爐渣堿度和改善流動性的熔劑為副劑。氧化劑有固體氧化劑和氣體氧化劑兩種，固體氧化劑主要是鐵氧化物（如連鑄和軋鋼的氧化鐵皮（鐵鱗）、精礦粉、燒結(jié)礦粉、氧化鐵煙塵等）或錳礦粉；氣體氧化劑主要是氧氣。單純使用固體氧化劑脫硅產(chǎn)生的熔渣粘度大、流動性差，隨著硅的降低，產(chǎn)生脫碳反應(yīng)又形成泡沫渣。因此，脫硅劑中還應(yīng)配加熔劑，主要用石灰、轉(zhuǎn)爐渣和少量螢石，它們起著固化硅、磷等氧化物作用，形成穩(wěn)定的硅酸鹽，同時降低渣熔點，使爐渣堿度為0.9～1.2。脫硅劑中添加熔劑（石灰、石灰石、螢石等）有利于提高氧效率，降低渣中氧化鐵和氧化錳的含量。當堿度CaO/SiO2為0.8～1.0時，氧效率可提高到60％～70％（[Si] >0.40％），渣中氧化鐵小于7％～10％，氧化錳15％左右，其原因是堿度提高，渣中FeO、MnO的活度系數(shù)增加，SiO2的活度系數(shù)降低。因此作為CaO來源的生石灰、轉(zhuǎn)爐渣、預(yù)處理脫磷渣等都可作為脫硅劑中的熔劑添加劑。如日本福山廠脫硅劑組成：鐵皮0～100％、石灰0～20％、螢石0～10％；日本川崎水島的脫硅劑為：燒結(jié)礦粉75％、石灰25％。脫硅生成的渣必須扒除，否則影響下—步脫磷反應(yīng)的進行。

2.2.2.2硅在鐵水中的優(yōu)先氧化

為了優(yōu)先脫硅，盡可能避免Mn和C的氧化，可以比較這三種元素氧化反應(yīng)的標準自由能變化來判斷。（1）固體氧化劑脫硅：

[Si]+2 FeO（S）=(SiO2)+ 2[ Fe]（2－1）△G01=-81500+28.53T lgK1=-6.236 [Mn]+ FeO（S）=(MnO)(S)+ [ Fe]（2－2）△G02=-34520+14.8T lgK2 =-3.24 [C]+ FeO（S）=CO(g)+ [ Fe]（2－3）△G03=25950-23.03T lgK3=-+5.03（2）吹氧脫硅：

[Si]+ O2(g)=(SiO2)（2－4）△G04=-197690+54.46T lgK4=-11.90 [Mn]+ O(g)=(MnO)(S)（2－5）△G05=-86290+25.44T lgK5 =-5.56

[C]+ O(g)=CO(g)（2－6）△G06=-36440-8.09T lgK6=-1.77 按等溫方程式△G＝△G0＋RT LnK,在通常高爐鐵水（C≥4.0 ％，Si＝（0.4～0.7）％，Mn＝（0.4～0.6）％），在1300～1400℃范圍內(nèi)，可以算出：

ΔG1<Δ G2<Δ G3< 0 ΔG4 <ΔG5 <ΔG6 <0

這說明加入固體氧化劑或深吹氧氣，鐵水中的硅都比錳和碳要優(yōu)先氧化，說明鐵水預(yù)脫硅處理是可行的。

2.2.2.3脫硅的基本反應(yīng)

脫硅的基本反應(yīng)式如下：

[Si]＋O2(g)＝SiO2(S)（2－7）

[Si]+2/3Fe2O3(S)=SiO2(S)+4/3Fe（2－8）[Si]＋1/2Fe3O4=SiO2(S)+3/2Fe（2－9）

[Si]+2(FeO)＝SiO2(S)+2Fe(1)（2－10）

上述諸反應(yīng)標準自由能變化△G0i與溫度T的關(guān)系以及T＝1673K時△G0i值見表2—1。表2－1脫硅反應(yīng)的△G0i（1673K）

△G = a＋bT,J/mol △G（1673K），J/mol △G =-821780+221.16T-451779 △G =-287800+60.38T-186784 △G =-275860+156.49T-14052 △G =-356020+130.47T-137744

從表2—1的數(shù)據(jù)可以看出，在標準狀態(tài)下，氣體脫硅劑與固體脫硅劑相比用前者脫硅反應(yīng)更易進行。因為脫硅反應(yīng)產(chǎn)物中有SiO2，所以在固體脫硅劑中加入一定量的CaO等堿性氧化物，可降低渣中αSiO2值，從而有利于促進脫硅反應(yīng)的進行。

盡管脫硅反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，但從生產(chǎn)實踐和熱平衡計算可知，用氣體脫硅劑能使熔池溫度升高；用固體脫硅劑時，因其熔化過程吸熱，綜合效果使熔池溫度下降。井上等在100t鐵水包中進行了用淹沒噴槍吹氧脫硅和表面加Fe2O3吹氮氣攪拌脫硅試驗，結(jié)果表明使熔池溫度下降50℃（即－12.5℃/0.1％Si）。所以，通過調(diào)節(jié)氧與固體脫硅劑的比例，可以實現(xiàn)脫硅時鐵水溫度的調(diào)節(jié)。2.2.2.4脫硅渣性質(zhì)

由于脫硅渣需要不斷地排出，因此必須保持爐渣的流動性良好。脫硅渣的流動性可用堿度來調(diào)整。如果堿度R控制在0.5～1.2范圍，渣就具有較好的流動性，此時不—定必須向渣中加入螢石。中村等在鐵磷中加入一部分轉(zhuǎn)爐風化渣(粒度＜3mm)，使脫硅渣堿度CaO／SiO2≈0．5時，改善了渣的流動性同時促進了脫硅反應(yīng)。2.2.3鐵水預(yù)脫硅處理方法

目前鐵水爐外預(yù)脫硅方法按處理場所不同，可分為在高爐出鐵過程中向爐前鐵水溝加固體氧化劑連續(xù)脫硅法，向鐵水罐或混鐵車內(nèi)噴射脫硅劑脫硅和吹氧法脫硅。高爐出鐵場是主要爐外脫硅場所，一般后兩種方法只是作為在出鐵場脫硅達不到目標的補充手段。

按加入脫硅劑方法不同，有自然投入法、噴槍在鐵水面上的液面噴吹法和噴槍插入鐵水內(nèi)的噴吹法等。

按攪拌方法不同，有吹氣攪拌、鐵水落下流攪拌、噴吹的氣粉流攪拌和葉輪攪拌。從改善處理劑與鐵水的反應(yīng)動力學(xué)條件看，以后兩種較好，但需有相應(yīng)的設(shè)備，鐵水落下流攪拌最簡單，吹氣攪拌次之。

各種脫硅方式的選擇主要根據(jù)鐵水含硅量、要求處理后的含硅量和已有的設(shè)備場地限制等條件來確定。當鐵水含硅量>0.45％(質(zhì)量分數(shù))時，以高爐前鐵水溝脫硅為宜，應(yīng)設(shè)置高爐爐前脫硅；當鐵水含硅量<0.45％時,以鐵水罐噴吹脫硅為宜。噴吹脫硅過程中,需頂吹部分氧作為氣體氧化劑，以防止鐵水降溫。一般操作中控制氣氧與固氧的比例,使得噴吹脫硅過程中少降溫或不降溫。若鐵水需預(yù)處理脫磷脫硫，需先在鐵水罐中脫硅，將含硅量降至0.10％～0.15％以下。

2.2.3.1高爐出鐵場的鐵水溝內(nèi)連續(xù)脫硅法

向高爐出鐵場的鐵水溝內(nèi)加入脫硅劑的方式有：

（1）自然投入法 向表面投入熔劑，在鐵溝內(nèi)將脫硅劑投入流動的鐵水流表面，利用鐵水流入鐵水包或混鐵車時鐵水的落差進行沖擊攪拌，使脫硅劑與鐵水混合產(chǎn)生脫硅反應(yīng)。這是早期使用的方法。脫硅效率一般為50％左右。

1－主料倉；2－輔料倉；3－混料倉；4－定量給料機 5－擺動溜嘴；6－320t魚雷罐車 圖2-8 脫硅劑自然落入擺動溜嘴

1－料倉；2－脫硅劑；3－主鐵溝；4－高爐渣； 5－脫硅渣；6－渣罐；7－鐵水；8－魚雷罐車

圖2-9 脫硅劑自然落入鐵溝

有的脫硅劑以皮帶機或溜槽自然落下加入鐵水溝，隨鐵水流入鐵水罐進行反應(yīng)。如圖2-8所示。有的鐵水溝有落差，脫硅劑高點加入，過落差點后一段距離設(shè)置撇渣器，將脫硅渣分離，如圖2-9所示。落差脫硅在硅含量降低的同時錳含量也相應(yīng)下降。

（2）氣體攪拌法 在自然投入法的基礎(chǔ)上，向鐵水表面吹壓縮空氣加強攪拌，使脫硅反應(yīng)進行。該法較自然投入法的熔劑利用率高。

（3）液面噴吹法 用載氣將脫硅劑從噴粉罐噴出，經(jīng)噴槍口靠氣體射流作用將粉劑射入鐵水溝內(nèi)的鐵水表面。它不同于一般噴吹法，噴槍不是插入鐵水內(nèi)部，而是在距鐵水表面一定距離處以高速氣粉流向鐵水噴吹。有的投射點在鐵水溝，該處改造為較寬較深的反應(yīng)室，如圖2-10所示；有的投射點在擺動溜嘴處，如圖2-11所示。粉料粒度小于1.0mm，貯倉為30m3一個，40m3兩個，最大給料速度為365kg/min。此法經(jīng)二次鐵流沖擊混合，脫硅率可達70～80％。

圖2-10 投射法布置在鐵溝脫硅及反應(yīng)室結(jié)構(gòu) 1－軋鋼皮，空氣；2－噴槍； 3－高爐鐵溝；4－鐵水罐

圖2-11 投射法布置在擺動溜嘴處脫硅

1－主料倉（燒結(jié)塵）；2－輔料倉（CaCO3）；3－稱量罐；4－螺旋給料器； 5－螺旋混料器；6－混料倉；7－輸送罐；8－噴粉罐；9－旋轉(zhuǎn)給料器； 10－噴槍；11－主溝；12－擺動溜嘴；13－250t魚雷罐車

圖2－12 鐵溝內(nèi)噴吹脫硅

1－料倉；2－給料機；3－皮帶機；4－料倉；5－定量給料器；

6－輸送裝置；7－載氣；8－噴槍；9－主溝；10－擺動溜嘴；11－鐵水罐

(4)鐵水內(nèi)噴吹法 通過插入鐵水內(nèi)的耐火材料噴槍利用載氣向鐵水內(nèi)噴吹熔劑。噴槍附近的鐵水溝改為圓形反應(yīng)坑，噴槍有橫吹4孔，位于反應(yīng)坑的中心，如圖2-12所示。向高爐鐵水溝內(nèi)加氧化鐵皮脫硅劑，這種方法簡單。加入量：15～25Kg/t（Si降0.4％）,脫硅效率ηSi=80～90％，ηSi較高。其重點是控制好爐渣的堿度R，研究表明把R（CaO/SiO2）調(diào)整到1.5～2.0就可以減少脫Si過程中Mn的損失，可使原始Mn含量的75％保留下來。據(jù)報道0.6％的Si脫至0.4％時，溫降50℃，即試驗表明通過出鐵溝加氧化鐵皮，可使原始Si>1.2％降至0.5％±，溫降14℃，而鐵水產(chǎn)量增加1.1％。

2.2.3.2向鐵水罐或混鐵車內(nèi)噴射脫硅劑脫硅法

將耐火材料噴槍插入鐵水罐或混鐵車內(nèi)的鐵水深處,用氮氣做載體將細碎氧化鐵皮（脫硅劑粒度為－40～－100目）或燒結(jié)礦粉等脫硅劑噴入鐵水內(nèi)。處理時鐵水溫度為1320℃左右，另加氧槍面吹(距鐵水面200mm左右)，防止溫度下降。當氣氧／固氧在0.3～0.5范圍時，平均脫硅量達0.59％，處理后鐵水溫度基本不變，其氣體氧用量(標態(tài))相當于1.4～2.0m3／t。若上述比值増至0.6～1.0，平均脫硅量0.48％，則處理后平均升溫50oC左右。這種脫硅法的優(yōu)點是脫硅反應(yīng)氧的利用率高，工作條件較好，處理后鐵水硅含量穩(wěn)定，而高爐出鐵溝脫硅不占用時間；缺點是脫硅處理要占用更多時間。噴入量：鐵水罐32Kg/t, 混鐵車15～25Kg/t（降硅25％）,脫硅率分別為60～80％和40～60％。這種工藝僅在需一部分脫硅或高爐出鐵場無法放置脫硅設(shè)置時才采用，一般用于鐵水罐或混鐵車的補充脫硅。2.2.3.3向鐵水罐或混鐵車內(nèi)吹氧脫硅

將純氧用一種浸入鐵水深處的用氮氣冷卻的耐火材料噴槍吹入（頂吹）鐵水罐或混鐵車內(nèi)鐵水中，深吹氧可減少Mn的損失，并有可能把Mn控制到類似于堿性渣操作時所達到的情況。在鐵水罐中深吹氧會使鐵水溫度劇烈上升，因而常常在處理中配合采用，以便使鐵水在用于轉(zhuǎn)爐之前就釋放熱量。

脫硅處理的合適地點，通常是選在高爐的出鐵溝。八十年代初期，由于高爐出鐵水的含硅量較高([Si]＞0.50％)，加之高爐出鐵過程的[Si]是波動的，要穩(wěn)定地將鐵水[Si]脫至要求的低水平(如[Si]＜0.15％)是比較困難的，為此發(fā)展了象鐵水包/混鐵車內(nèi)脫硅處理工藝。在特殊要求情況下(深脫硅)，還將此作為高爐出鐵溝脫硅的補充工藝。但是，近年來隨著高爐煉鐵技術(shù)的發(fā)展，低硅([Si]＜0.30％)出鐵技術(shù)日臻成熟并廣泛應(yīng)用，鐵水經(jīng)高爐出鐵溝脫硅處理后已經(jīng)能夠穩(wěn)定地控制[Si]＜0.15％。噴射脫硅劑是目前脫硅處理首選的方式，已在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。對鐵水脫硅機理的研究表明，金屬熔池中[Si]的擴散是硅氧化反應(yīng)速度的限制性環(huán)節(jié)，為了得到較高的脫硅氧效率，必須強化攪拌，增加反應(yīng)界面積，采用噴射熔劑法最為有利。2.2.4鐵水爐外預(yù)脫硅工藝 2.2.4.1合適的鐵水含硅量

鐵水[Sil對后續(xù)煉鋼工藝有著有利和不利兩方面的影響，有必要從工藝和技術(shù)經(jīng)濟指標角度探討鐵水—鋼水間鐵水最佳含硅量。一般而言，鐵水含硅量應(yīng)根據(jù)不同的冶煉工藝和不同的技術(shù)經(jīng)濟條件而定。

根據(jù)不同的冶煉工藝和技術(shù)經(jīng)濟條件，大致可分為需要脫磷脫硫預(yù)處理的鐵水和直接供給轉(zhuǎn)爐煉鋼的鐵水兩種情況。對需要進一步預(yù)處理脫磷脫硫的鐵水，其硅含量按使用脫磷脫硫預(yù)處理劑的不同分為兩種：如果使用蘇打系處理劑脫磷脫硫時，為了形成低熔點渣，不需要使用促進化渣的硅，而希望進行徹底脫硅，要求脫硅后鐵水[Sil＜0.10％；如果使用石灰系處理劑脫磷脫硫時，為了促進生石灰化渣，脫硅后最佳鐵水[Si]＝0.10％～0.15％，因為高于此值時，處理劑首先用于脫硅而不能脫磷，不利于提高脫磷渣堿度(脫磷渣堿度CaO/Si02：3.5~6.0)和脫磷劑利用率。表2-4 鐵水合適的含硅量 鋼液出鋼溫度 鐵水合適含硅量 [Si%] 鋼液含磷量 [P％]

高溫出鋼鋼水

（1700℃±10±）0.40 0.110 低溫出鋼鋼水

（1600℃±10℃）0.20 0.110 對直接供給轉(zhuǎn)爐煉鋼的鐵水，日本野見山寬等人分析了不同鋼種(高溫或低溫出鋼)，以鐵水[Si]＝0.50％為基準，對比分折了加入鐵礦石、爐渣堿度要求、渣中TFe量和鐵收得率、錳鐵合金費用、渣量和噴濺損失等多因素的影響，得出以下結(jié)論：鐵水不進行預(yù)脫磷脫硫直接進行轉(zhuǎn)爐吹煉，鐵水最佳含硅量見表2-4。低溫(1610℃±10℃)出鋼要求的鐵水含硅量以0.20％時成本最低，大于或小于0.20％時都引起成本升高；高溫(1700℃±10℃)出鋼要求的鐵水含硅量小于0.40％，高于0.40％時則引起成本上升。如圖2-17和圖2-18所示。

圖2－17 低溫出鋼的最佳鐵水含硅量

圖2－18 高溫出鋼的最佳鐵水含硅量

2.3鐵水預(yù)脫磷處理

2.3.1鐵水預(yù)脫磷處理的產(chǎn)生與發(fā)展

除易切削鋼和炮彈鋼外，磷也是絕大多數(shù)鋼種的有害元素，它顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，增加鋼的強度和硬度，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。磷在鋼中的偏析比較嚴重，容易使鋼板的局部組織異常，造成機械性能不均勻。因此隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對鋼中的磷含量要求日益嚴格。例如，對于低溫用鋼、海洋用鋼、抗氫致裂紋鋼（天然氣和石油輸送管線及石油精煉設(shè)備等）除了要求極低硫外，也要求含磷量小于0.01％甚至0.005％。此外，為降低氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼成本和實現(xiàn)少渣冶煉，也要求鐵水[P]≤0.015％，因此必須進行鐵水預(yù)脫磷處理。鐵水預(yù)脫磷處理是鐵水進入煉鋼爐前預(yù)處理的新工藝，是煉鋼分步精煉工藝的新發(fā)展，是適應(yīng)對低磷鋼種的需求、改進煉鋼工藝技術(shù)和利用含磷較高的鐵礦資源而得到發(fā)展的。鐵水中磷的去除是隨著煉鋼工藝和設(shè)備的發(fā)展變化而變化的。在1897年，英國Thiel等用一座平爐進行過鐵水預(yù)脫硅脫磷工業(yè)試驗，再用此鐵水煉鋼提高了煉鋼生產(chǎn)效率。鞍鋼在建國初期也采用過此種工藝。1879年，歐洲用托馬斯轉(zhuǎn)爐去磷，冶煉高磷(1.8％～2.2％)鐵水。后來的堿性平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐都有較強的去磷能力，對于一般含磷(0.04％~0.1％)鐵水冶煉普通鋼種都能滿足去磷要求，所以鐵水預(yù)脫磷處理的研究趨于停滯。到了20世紀80年代，由于石油危機沖擊的影響，需要發(fā)展節(jié)能、降低原材料消耗、減少廢棄物的新工藝。煉鋼在實現(xiàn)鐵水預(yù)脫硫處理后，進一步研究了預(yù)脫磷處理問題，同時也是適應(yīng)低磷鋼和純凈鋼種的需求。1982年3月，住友鹿島廠實現(xiàn)了堿精煉工藝(SARP)，同年9月新日鐵君津廠最佳精煉工藝(ORP)運行，11月神戶廠專用爐脫磷投入使用；1984～1985年，川崎的千葉廠和水島廠鐵水預(yù)處理站先后投產(chǎn)，并于1988年擴建為鐵水全處理；1986年11月，日本鋼管京濱廠脫磷站投產(chǎn)；1990年，住友各廠實現(xiàn)了雙爐串聯(lián)簡單精煉工藝；1993年4月，韓國浦項公司建成脫磷站；1998年，日本鋼管福山廠也采用雙爐串聯(lián)工藝處理100％鐵水，歐洲的意大利塔蘭托廠和荷蘭霍戈文廠有脫磷試驗的報道。

我國太鋼二煉鋼于1988年建成鐵水三脫預(yù)處理站，但脫硅脫磷處理較少；寶鋼1990年末在一煉鋼預(yù)脫硫站部分改為三脫預(yù)處理，由于工藝不完善沒有正常運行，寶鋼二煉鋼在1998年3月三脫預(yù)處理站投入運行；1994年5月，中國臺灣中鋼鐵水三脫預(yù)處理站投產(chǎn)。這種發(fā)展變化是適應(yīng)提高鋼的質(zhì)量降低冶煉工藝成本和減少廢棄物的環(huán)保需要的。是否要大力發(fā)展爐外鐵水脫磷，最初爭論很大，爭論的焦點是如何解決煉鋼過程的熱量問題，因為鐵水預(yù)脫磷需要預(yù)脫硅，處理過程溫降比較大，爐外預(yù)脫磷之后的鐵水不論物理熱和化學(xué)熱都已經(jīng)比較貧乏，使煉鋼熱量富余度減少。氣氧的采用、各種熱補償技術(shù)的開發(fā)成功以及鐵水預(yù)處理技術(shù)的進一步走向成熟，使這種爭論趨向緩和。轉(zhuǎn)爐采用低磷鐵水冶煉的優(yōu)點：

轉(zhuǎn)爐采用低磷鐵水冶煉可以從大渣量操作改為少渣操作，造渣的作用主要是為了覆蓋鋼液，抑制金屬蒸發(fā)，減少鋼液散熱和吸氣，于是產(chǎn)生了許多經(jīng)濟效益：

①總的渣料消耗降低。日本6個鋼廠的統(tǒng)計指出，石灰由25～30Kg/t減至15～20Kg/t，白云石由12～16Kg/t減至4～8 Kg/t。

②轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率和終點命中率提高。據(jù)新日鐵君津廠的報道，命中率上升到99.5％，特別是因脫碳與脫磷矛盾的解除，無需較高的（FeO）。這就為冶煉高碳鋼時提高拉碳命中率提供了保證。

③鐵損減少，君津廠的結(jié)果由15.1 Kg/t減少為2.8 Kg/t。

④由于渣量少，（FeO）低，可用在出鋼前提高堿度至7－8的辦法控制下渣量（由6～10 Kg/t降至3 Kg/t以下）。

⑤用加錳礦取代錳鐵，用少渣操作可增Mn至1.5％。2.3.2脫磷劑

用于鐵水爐外預(yù)脫磷采用的脫磷劑主要由氧化劑、造渣劑和助熔劑組成，其作用在于供氧將鐵水中磷氧化成P205，使之與造渣劑結(jié)合成磷酸鹽留在脫磷渣中。目前工業(yè)上應(yīng)用的脫磷劑主要有蘇打系脫磷劑和石灰系脫磷劑兩類，它們必須附加以氧化劑（氣體氧和固體氧化劑）和助熔劑。

2.3.2.1蘇打(Na2CO3)系脫磷劑

蘇打系脫磷劑以Na2CO3為主，氧化鐵水中的磷使之生成磷酸鈉進入爐渣將磷脫除。在不另加氧化劑時，蘇打可直接供氧和造渣，其反應(yīng)如下：

Na2CO3十4[P]＝5(Na2O)十2(P205)十5C(4－1)3(Na2O)+(P2O5)＝(3Na20?P205)(4－2)蘇打脫磷有如下特點：脫磷初期，硅、鈦先于磷被氧化，不吹氧時，鐵水磷降至0.02％以下時釩才被脫除，脫磷時錳不氧化，因此，脫磷初期大約只有10％的蘇打用于脫磷和氣化；雖然蘇打能有較高的脫磷、脫硫能力，從脫磷渣和爐塵中能回收大約70％的蘇打，但是由于鐵水溫降大、包襯侵蝕嚴重、蘇打價格貴、利用率低、處理成本高，所以目前已較少單獨采用蘇打脫磷，如鹿島廠已改用專用爐預(yù)脫磷。2.3.2.2石灰(GaO)系脫磷劑

石灰系脫磷劑以CaO為主，配加氧化劑和助熔劑。目前，已獲得工業(yè)應(yīng)用的氧化劑有軋鋼鐵皮、連鑄鐵皮、鐵礦石、燒結(jié)返礦、錳礦石等固體氧化劑和氧氣；添加助熔劑以改善脫磷渣性能，助熔劑多采用螢石，有的配加少量氯化鈣、蘇打等。脫磷時利用氧化鐵或氧氣將鐵水中的磷氧化成P205，再與石灰中的CaO結(jié)合生成磷酸鈣留在渣中。石灰系脫磷劑來源廣，價格便宜，脫磷能力比蘇打系稍差，以石灰為主的復(fù)合脫磷劑的脫磷能力不亞于蘇打系脫磷劑。研究表明，用單一的石灰對鐵水不能脫磷，脫硫率也不高，若配以氧化劑或吹氧氣和助熔劑，則可達到很高的脫磷率，同時也有一定的脫硫率。

初期，石灰基脫磷劑的開發(fā)主要由氧化鐵、石灰、螢石等組成，磨成細粉用載氣噴入。為了節(jié)約脫磷劑磨制費用和成本，有部分原料以塊狀從頂部加入，同時使用了多種氧化鐵，如燒結(jié)除塵粉等，這種粉料比磨制軋鋼鐵皮大大節(jié)省了磨制費用。后來，采用了專用轉(zhuǎn)爐做預(yù)處理爐，利用了原來的加料系統(tǒng)，脫磷劑可利用頂部料倉加入，由于反應(yīng)空間大，攪拌力強，加入的塊狀料也能迅速熔化，使脫磷反應(yīng)迅速完成，復(fù)吹轉(zhuǎn)爐約10min左右，底吹轉(zhuǎn)爐只需2min。加螢石等助熔劑是為了提高脫磷渣的流動性和反應(yīng)能力。

2.3.3鐵水爐外脫磷基本原理

鐵水爐外預(yù)脫磷與爐內(nèi)脫磷原理相同，即低溫、高堿度、高氧化性爐渣和大渣量條件下有利于脫磷。與鋼水相比，鐵水溫度低，這是爐外脫磷的有利條件，此時向鐵水內(nèi)加入具有一定堿度和氧化能力的脫磷劑，可把鐵水中的磷降低到較低的水平。對于碳飽和鐵水的脫磷，從熱力學(xué)條件分析，一方面低溫有利于脫磷反應(yīng)而不利于脫碳反應(yīng)，另一方面鐵液中有大量的碳存在，由于碳磷在鐵水中的相互作用，使磷的活度提高，更增加了脫磷傾向，這表明碳飽和鐵水的脫磷不但是可能的，而且脫磷條件比鋼水脫磷更優(yōu)越。在氧化脫磷時，鐵水中的磷被氧化成P2O5而除去，但是P2O5的熔點550℃，沸點為605℃，因此在鐵水溫度下P2O5是氣體。鐵水中除P外還會有Si、Mn、C和占90％以上的Fe元素存在，吹氧時這些元素也會發(fā)生氧化，優(yōu)先氧化的是Si、Mn、C、Fe，這時實際上磷不發(fā)生氧化，因此鐵水中的磷不能直接氧化成P2O5氣體而除去。為了在鐵水的氧化過程中能順利地進行脫磷，必須加入與P2O5結(jié)合能力很強地堿性氧化物，使之生成穩(wěn)定的磷酸鹽才能有效的進行脫磷。因此，脫磷時首先將磷氧化成P2O5，然后與強堿性氧化物結(jié)合成穩(wěn)定的磷酸鹽。堿性氧化物脫磷

鐵水脫磷使用比較多的是CaO、Na2O，其脫磷反應(yīng)：

6/5CaO(S)+4/5[P]+O2(g)=2/5 3CaO.P2O5(S)(4－3)8/5CaO(S)+4/5[P]+O2(g)=2/5 4CaO.P2O5(S)(4－4)6/5Na2O(S)+4/5[P]+O2(g)=2/5 3Na2O.P2O5(S)(4－5)加入石灰的同時加入氧化劑

2[P]+5（FeO）+3(CaO)=3 CaO?P2O5+5[Fe](4－6)2[P]+5（FeO）+4(CaO)=4 CaO?P2O5+5[Fe](4－7)脫磷產(chǎn)物是3CaO?P2O5還是4CaO?P2O5有不同的看法。一般認為在CaO過飽和的情況下生成4CaO?P2O5，而一般情況下生成3CaO?P2O5。Na2CO3脫磷反應(yīng)

Na2CO3+4/5[P]=(Na2O)+2/5P2O5+[C](4－10)3(Na2O)+(P2O5)=(3Na2O?P2O5)(4－11)無論采用Na2O還是CaO脫磷，Si總是比磷優(yōu)先氧化，因此脫磷處理之前必須先脫Si處理，這樣可以減少Na2CO3消耗，因為

Na2CO3+4/5[Si]=(Na2O)+(SiO2)+[C](4－12)生成3Na2O?P2O5的ΔG°比生成的3CaO?P2O5的ΔG°小很多，證明Na2O的脫磷能力比CaO大很大。

根據(jù)試驗，用蘇打脫磷，磷的分配比（P2O5）/[P]最大值可達1600～1800，而CaO系熔渣脫磷，磷的分配比（P2O5）/[P]最大值只有300～500。另外，反應(yīng)的平衡常數(shù)K：CaO脫磷的K=4.15×1013，Na2O脫磷的K=2.06×1019。

實際上Na2O在高溫高碳鐵水條件下Na的汽化損失很大，因此實際脫磷能力比理論計算小很多。

無論脫硫脫磷均為鋼、渣界面反應(yīng)，為了促進反應(yīng)，應(yīng)加強攪拌，增加反應(yīng)的動力學(xué)條件。4.4鐵水預(yù)脫磷處理的方法及效果

鐵水預(yù)脫磷處理方法按處理設(shè)備可分為爐外法和爐內(nèi)法。爐外法設(shè)備有鐵水包和魚雷罐，爐內(nèi)法設(shè)備有專用轉(zhuǎn)爐和頂吹轉(zhuǎn)爐；按加料方式和攪拌方式可分為噴吹法、頂加熔劑機械攪拌法(KR)以及頂加熔劑吹氮攪拌法等，目前采用噴吹法的比較多。現(xiàn)將其主要特點和發(fā)展變化分述如下。2.3.4.1噴吹法

噴吹法是用載氣將脫磷劑噴吹到混鐵車或鐵水包內(nèi)，與鐵水產(chǎn)生脫磷反應(yīng)。采用鐵水包處理鐵水具有較好的動力學(xué)條件，而且排渣容易，為了防止噴濺，鐵水包可加防濺罩。1）鐵水包噴吹法

表4-1 鐵水脫磷裝置的規(guī)格 生產(chǎn)能力 135t/罐×2罐 150000t/月 噴吹熔劑的設(shè)備 貯存罐 138m3×1 提升罐 2.6m3×1 噴吹罐 3.7m3×2（給料速度100㎏/min）頂加熔劑的設(shè)備 貯料倉 25m3×2 30 m3×1 稱量倉 1.25 m3×4 1.5 m3×2 頂吹氧槍的裝置 2500 m3/h（標態(tài)）

20世紀80年代初，采用原有脫硫設(shè)備進行鐵水脫磷工業(yè)試驗，1985年7月，日本鋼管福山制鐵所投入生產(chǎn)。它包括高爐出鐵場頂噴脫硅和鐵水包噴吹脫磷，脫磷裝置規(guī)格如表4-1和圖4-1所示。

圖4-1 鐵水包脫磷裝置系統(tǒng)圖

1－貯料倉；2－提升罐；3－噴吹罐；4－CaO；5－CaF2；6－軋鋼皮；7－斗式提升機； 8－運輸機；9－集塵罩；10－襯；11－N2槍；12－O2槍；13－鐵水罐

根據(jù)上述流程，高爐鐵水含硅量為0.25％，采用投射法(TIM)可確保處理后小于0.15％含硅量的比例大于90％。脫磷處理有如下優(yōu)點：鐵水罐混合容易，排渣性好；氧源供給可上部加軋鋼鐵皮，并配以生石灰、螢石等熔劑，在強攪拌下加速脫磷反應(yīng)；氣體氧可以調(diào)節(jié)控制鐵水溫度；處理量與轉(zhuǎn)爐匹配，使轉(zhuǎn)爐可冶煉低磷(≤0.010％)鋼種，減少造渣熔劑，并用錳礦石取代錳鐵冶煉高錳鋼取得經(jīng)濟效益。

2）魚雷罐噴吹法 在日本的大鋼鐵廠，魚雷罐普遍作為鐵水的運輸工具，因而各大公司大部分實現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模的魚雷罐鐵水預(yù)脫磷處理。經(jīng)過幾年的生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，以魚雷罐作為鐵水預(yù)脫磷設(shè)備存在如下問題：魚雷罐中存在死區(qū)，反應(yīng)動力學(xué)條件不好，在相同粉劑消耗下，需要載氣量大，且效果不如鐵水罐；噴吹過程中罐體振動比較嚴重，改用傾斜噴槍或T形、十字形出口噴槍后有好轉(zhuǎn)；用做脫磷設(shè)備后，由于渣量過大，罐口結(jié)渣鐵嚴重，其盛鐵容積明顯降低；每次倒渣都需倒出相當多的殘留鐵水，否則倒不凈罐內(nèi)熔渣，影響盛鐵量和下次處理效果；用蘇打做脫磷劑罐襯侵蝕嚴重，尚無經(jīng)濟適用的方案予以解決。因此，使用這種脫磷容器的廠逐漸減少。

2.3.4.2典型的鐵水脫磷工藝方法

鐵水預(yù)脫磷按原料可分為氧化脫磷和還原脫磷，二者中哪個占主導(dǎo)地位由渣鐵界面的氧勢決定，氧勢高時以氧化脫磷為主，反之以還原脫磷為主。目前，鋼廠用的普通鐵水主要采用氧化脫磷工藝。一些國家曾試驗研究過用還原脫磷工藝，但由于存在諸多問題而未轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)。20世紀80年代以后采用氧化脫磷工藝后，已取得較好研究成果，但至今仍處于研究開發(fā)階段。脫磷工藝方法根據(jù)脫磷劑不同有專用轉(zhuǎn)爐法、SARP法、ORP法和NRP法。1）專用轉(zhuǎn)爐脫磷法

專用轉(zhuǎn)爐脫磷處理是在煉鋼車間專門用一座預(yù)處理爐進行鐵水脫磷。它有兩種形式：一種是專門建造的一座可傾翻扒渣、容量較大并配有防濺密封罩、噴粉處理的鐵水包，如日本鋼管福山廠、寶鋼二煉鋼和太鋼二煉鋼就是如此。另一種是將煉鋼車間的轉(zhuǎn)爐稍加改造后專用于鐵水脫磷，目前不少廠已經(jīng)采用此法，較早采用此法進行工業(yè)生產(chǎn)的是神戶制鋼的H爐（Hot Metal Refining Furnace）法，1983年10月投入使用，如圖4-2所示。即將脫硅鐵水在專門用于脫磷的爐內(nèi)處理。

圖4-2 鐵水處理爐

操作方式是頂吹氧氣，同時用氮氣做載氣噴吹石灰系脫磷劑，并用少量蘇打分期脫硫，脫磷后鐵水移至轉(zhuǎn)爐內(nèi)煉鋼。該法的特點是在同一工序內(nèi)分別脫磷、脫硫，即先用石灰系粉劑脫磷，然后用蘇打灰脫硫，所以該工藝稱為專用爐（H爐)氧一石灰噴吹脫磷脫硫工藝，即OLIPS(Oxygen Lime Injection Dephosphorization and Desulphurization)法。

同年，川崎千葉廠進行了底吹轉(zhuǎn)爐（Q－BOP）脫磷的工業(yè)試驗。以后，住友開發(fā)了預(yù)煉爐工藝，稱為兩級轉(zhuǎn)爐串聯(lián)操作SRP(Simple Refiningp Process)工藝，如圖4-3所示。1988年，分別在和歌山廠160t轉(zhuǎn)爐和鹿島廠250t專用復(fù)吹轉(zhuǎn)爐進行鐵水預(yù)脫磷試驗并投產(chǎn)。其中，第一級轉(zhuǎn)爐稱為脫磷爐或稱為預(yù)煉爐，完成脫磷任務(wù)；第二級稱為脫碳爐，完成煉鋼任務(wù)。脫碳爐的轉(zhuǎn)爐渣可配入鐵礦石、螢石或加少量石灰作為預(yù)煉爐的脫磷劑，充分利用轉(zhuǎn)爐渣的脫磷能力，可節(jié)約脫磷劑、降低成本。該工藝取得如下結(jié)果：預(yù)煉爐可在10min內(nèi)將鐵水中的磷降至0.011％以下，同時可加7％的廢鋼；用脫磷鐵水可以很容易生產(chǎn)小于0.010％的極低磷鋼；總的CaO消耗量比冶煉普通含磷鋼減少10～18kg／t；由于加錳礦石熔融還原，終點錳含量可提高到1.5％，因此可減少錳鐵合金的費用；頂加脫磷劑(如塊狀石灰、轉(zhuǎn)爐渣等)代替噴吹脫磷劑，價格便宜。這些結(jié)果的取得是因為爐型優(yōu)于魚雷罐，對脫磷反應(yīng)速度和反應(yīng)效率有利，處理時間短，散熱損失小，鐵水溫度高，有利于煉鋼過程的進行。

圖4-3住友SRP操作工藝

專用轉(zhuǎn)爐法由于具有脫磷效率高(可頂吹+底吹攪拌)、可頂加粒狀或塊狀脫磷劑、能控制脫磷渣起泡,并可返回利用部分轉(zhuǎn)爐渣作脫磷劑和加錳礦熔融還原的優(yōu)點，對于處理我國的中、高磷鐵水具有良好的應(yīng)用前景。

2）SARP法

SARP（Soda Ash Refining Process）法是日本住友金屬的鹿島制鐵所1982年起實施的鐵水預(yù)脫磷工藝的簡稱，如圖4-4所示。鐵水首先在高爐出鐵場和魚雷罐車內(nèi)脫硅，然后用蘇打灰脫磷、脫硫。該法的特點是可同時脫磷、脫硫，處理過程中Mn、C損失少，堿度（Na2O/SiO2）為3時，磷分配比（P2O5）/[P]高達1500。如配合吹氧和加入氧化鐵可有效的控制（Na2CO3）+[C] Na2O+CO，Na2O+[C] 2Na+ CO，P2O5+[C] 2[P]+5CO 反應(yīng)引起的蘇打灰蒸發(fā)損失和回磷。另外，可從脫磷終渣中回收蘇打灰二次利用。

1982年鹿島廠的生產(chǎn)能力為每月3萬t，脫磷后的鐵水主要用于復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉含磷小于0.010％的低磷鋼(如不銹鋼)，低磷鋼的月產(chǎn)量在2萬t以上。該廠脫磷操作的主要條件如下：噴槍為兩個水平噴嘴，內(nèi)徑25mm；用氮氣作載氣，流量為7～10Nm3／min；噴吹深度為鐵水面下1.2～1.5m；蘇打的噴吹速度為100～300kg／min，吹氧量為10~50Nm3／min，吹在鐵水液面下500mm。

圖4-4 SARP生產(chǎn)流程示意圖 3）ORP法

ORP（Optimizing the Refining Process）法是最優(yōu)化精煉工藝的簡稱。典型的ORP法是新日鐵君津廠的工藝，如圖4-5所示。其突出特點是用CaO系脫磷劑，全部使用固態(tài)氧化劑和適用于所有鋼種的處理，具體處理水平是：普通鋼[P]=0.015％~0.040％，[S]＝0.010％；低磷鋼[P]＝0.005％～0.015％，[S]＝0.005％％；低磷低硫鋼為[P]＝0.005％～0.015％，[S]＝0.003％。另外，脫磷渣殘留在魚雷罐車內(nèi)，注入脫硅鐵水后同脫硅渣一起扒掉。

圖4-5 君津廠最佳精煉（ORP）工藝流程 4）NRP法

NRP（New Refining Process）法是新的精煉工藝的簡稱。該法使用鐵水罐進行脫磷，設(shè)有測溫取樣、排脫硅渣、脫磷和排脫磷渣4個工位。為防止跑渣鐵，在鐵水罐上部設(shè)有浸槽。使用石灰系脫磷劑，通過調(diào)整渣中CaO/O之比可同時脫磷、脫硫。氧化劑用噴吹氧化鐵和氧氣或頂加氧化鐵和頂吹氧的方式供給，如圖4-6所示。

圖4-6 鹿島廠新精煉（NRP）工藝流程

4.5鐵水同時脫磷脫硫

在氧化精煉的條件下，脫磷反應(yīng)是陽極反應(yīng)([P]→P5++5e)，隨著氧化電位的升高而加速，相反，脫硫反應(yīng)是陰極反應(yīng)([S]+2e→S2-)，隨著氧化電位的升高而減慢。由此看來，實現(xiàn)同時脫磷脫硫似乎是不可能的。但是，根據(jù)電中性原理，在熔渣一金屬界面上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)必定是同時進行陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)，所以同時進行脫磷脫硫是可能的。這里必須注意到，脫硫反應(yīng)是在氧化性條件下進行的，這會發(fā)生很大的困難，因此需要采用在氧化條件下仍具有較大脫硫能力的熔劑，才能有效地實現(xiàn)同時脫磷脫硫。在氧化條件下，脫磷和脫硫反應(yīng)及磷硫分配比可用下式表示：(4－18)

(4－19)

由此可知，在溫度和金屬成分一定時，選擇磷容量CP和硫容量CS較大的渣系就能得到較大的LP和LS值，實現(xiàn)鐵水的同時脫磷脫硫。如在渣系一定的情況下，我們可以通過控制熔渣－鐵水界面的氧位 來調(diào)節(jié)LP和LS大小，即增大 能增大LP和減小LS，反之亦然。這樣，可以根據(jù)對鐵水脫磷和脫硫程度的要求，控制合適的氧位，有效地實現(xiàn)鐵水的同時脫磷脫硫。現(xiàn)在，鐵水預(yù)處理主要采用蘇打系或石灰系熔劑。蘇打系熔劑的優(yōu)點是脫磷和脫硫能力都很強，脫磷率和脫硫率都能達到90％以上；其缺點是價格較貴，鈉的蒸發(fā)損失嚴重和污染環(huán)境。

CaO系同時脫磷脫硫

石灰系熔劑的優(yōu)點是價格便宜，原料來源廣和對環(huán)境污染少，一直是研究和應(yīng)用的重要熔劑。但是，石灰系熔劑脫磷時需要的氧勢較高，因而降低了脫硫效率。當脫磷的效率達到90％左右時脫硫效率只有50～70％，故控制合適的氧位較困難。此外由于CaO的熔點很高（2615℃），所以石灰系熔劑成渣困難。為了使高堿度渣在鐵水溫度下具有一定的流動性，需要配加Fe2O3、CaF2和CaCl2等助熔劑。

3現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)

3.1轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉少渣精煉工藝

造渣是煉鋼過程的重要環(huán)節(jié)，造渣的目的是為了去除鋼中的S和P，S與CaO結(jié)合生成CaS，P氧化成P2O5,再與CaO結(jié)合生成3CaO?P2O5或4CaO?P2O5，造渣操作的好壞對鋼質(zhì)量是至關(guān)重要的。正常情況下爐渣量約在10～15％。爐渣的作用除了能有效去除S和P外，另一個作用是覆蓋鋼水，不利的方面是消耗大量的石灰、白云石等造渣材料，爐渣帶走了大量的熱，渣中含有20％ 的鐵而損失掉了，如果渣量能減少，將會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

鐵水經(jīng)預(yù)脫硅、預(yù)脫磷和預(yù)脫硫三脫預(yù)處理之后，為轉(zhuǎn)爐提供低硅、低磷和低硫的鐵水，減輕了煉鋼過程的脫S、脫P負擔，為轉(zhuǎn)爐少渣冶煉創(chuàng)造了條件。這樣就可以不大量造渣，簡化轉(zhuǎn)爐操作，轉(zhuǎn)爐內(nèi)只進行脫碳和升溫操作。石灰可由50～60Kg/t，減少到15～20 Kg/t。渣量由100～150Kg/t降至30～50Kg/t；這就是轉(zhuǎn)爐少渣冶煉的基本含義（1)少渣精煉法的發(fā)展 為了生產(chǎn)低磷、低硫的純凈鋼，提高冶金效率和降低生產(chǎn)成本，從70年代末期國外著眼探索新的轉(zhuǎn)爐工藝流程。像硫這樣的元素，在鐵水中處理比在鋼水中處理效率高，因此旨在分散轉(zhuǎn)爐功能的生產(chǎn)流程逐漸投產(chǎn)。其中包括對鐵水預(yù)處理，為轉(zhuǎn)爐提供低硅、低磷和低硫鐵水，使轉(zhuǎn)爐簡化操作和實行少渣精煉。

1979年，新日鐵室蘭廠開發(fā)了脫硅鐵水在轉(zhuǎn)爐的“小渣量精煉法”，即SMP(Slag Minimising Process)法。在SMP法基礎(chǔ)上，新日鐵君津廠于1982年投產(chǎn)了 采用石灰熔劑脫磷、脫硫預(yù)處理的稱為ORP(Optimising the Refining Process)法的“最佳精煉工藝”，并經(jīng)過短時間發(fā)展為非常成熟的工藝；同年，日本住友金屬也投產(chǎn)了采用蘇打粉進行鐵水預(yù)處理的稱為SARP(Sumitomo Alkai Refining Process)法的“住友堿精煉法”。1983年，神戶公司加古川廠投產(chǎn)了集用石灰和蘇打粉聯(lián)合預(yù)處理鐵水的少渣精煉法—— OLTPS法。由此，開創(chuàng)了轉(zhuǎn)爐少渣精煉的發(fā)展歷程，并逐漸完善形成為當今轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)中的先進工藝流程之一。（2)工藝流程、以有代表性的少渣精煉法ORP和SARP為例，來介紹少渣精煉的工藝線路及其效率。圖4-18為ORP法生產(chǎn)流程示意圖，圖4-19為ORP法各階段成分變化和物料平衡。ORP法 的工藝特征是在高爐鐵溝完成脫硅，使硅含量降低到0．15％。然后鐵水流入290t混鐵車內(nèi)脫磷，噴入石灰系熔劑同時脫磷、脫硫，處理后鐵水(P)≤0.015％，[S)≤0.005％。最后將鐵水倒入300t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐(LD-OB)中脫碳和升溫，加少量造渣劑(約21kg／t)進一步脫磷。由于轉(zhuǎn)爐中渣量少，因此氧的利用率高，鐵損少，合金元素收得率較高。

圖4－15為SARP法生產(chǎn)流程示意圖。該法的特征是：在300t混鐵車內(nèi)首先進行脫硅處理，處理后[Si]<0.1％。然后噴蘇打粉脫磷、脫硫，使[P)≤0.01％，[S)≤0.003％。最后在復(fù)吹轉(zhuǎn)爐中脫碳和升溫，煉鋼過程形成的渣量很少(約10kg／t)。

(3)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐少渣冶煉的冶金特性

轉(zhuǎn)爐少渣精煉，如果采用頂吹轉(zhuǎn)爐，因液面復(fù)壓渣少，金屬噴濺和煙塵很大，而且低碳區(qū)熔池攪拌弱，低碳區(qū)脫碳困難；采用底吹轉(zhuǎn)爐，因預(yù)處理鐵水發(fā)熱元素顯著減少，加之爐膛內(nèi)CO燃燒成CO2的量少，使廢鋼用量減少。因此，對預(yù)處理鐵水采用單純頂吹或底吹轉(zhuǎn)爐都不理想，而采用復(fù)吹轉(zhuǎn)爐有利于彌補它們的不足。1)熔池中元素氧化動態(tài)

圖5-22為240t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐中少渣吹煉和普通鐵水吹煉時的C，Mn，P的變化情況。預(yù)處理鐵水Si<0．10％，P≤0.020％，S≤0.005％，復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹N，Ar氣體，供氣強度為0.06—0.1 0m3／(t?min)。從圖5-22可見，吹煉沒有硅氧化直接進入脫碳期，由于渣量少，脫談反應(yīng)效率提高。在高碳區(qū)，脫碳速度受供氧速度制約，速度成直線下降；在低碳區(qū)，存在臨界碳濃度，在臨界點以后脫碳速度受供碳速度控制。少渣精煉的臨界碳濃度明顯向低碳區(qū)轉(zhuǎn)移，說明了少渣精煉的優(yōu)越性。

鋼中Mn的變化與普通吹煉相似，但Mn的回升及其極大值較高。圖5-23為終點[C]一終點Mn／裝入錳的關(guān)系。少渣精煉Mn的收得率提高，在高碳區(qū)可達100％，而在臨界碳濃度以后錳的氧化很快，與普通吹煉呈明顯不同。為了提高低碳區(qū)錳的回收率，可以提高底吹氣體流量以改善碳優(yōu)先氧化條件，這樣可以使低碳區(qū)錳的回收率大于70％。如果在爐內(nèi)使用錳礦石，在渣量<15kg／t情況下，可以使錳礦石還原率達到70％，而且可以做到在1．0％的高錳時停吹。

由于鋼中磷的初始濃度小及渣量少，因此吹煉過程中磷濃度幾乎不發(fā)生變化。2)鋼中氫含量明顯減少

由于散狀料及鐵合金消耗量減少，少渣精煉時鋼水和爐渣的氫含量明顯減少，可以穩(wěn)定地得到終點ω[H]<2.0X10—6的鋼水。圖5-24 脫碳速度與氧流狀況的關(guān)系 實線一普通氧流；虛線一頻率為80Hz的脈動氧流；1，2，5，10一氧氣流量，cm3／s 由于散狀材料及鐵合金消耗量減少，少渣精煉時鋼水和爐渣的氫含量明顯減少，可以穩(wěn)定地得到終點[H]<2X10—6(ppm)的鋼水。研究表明，在1 680C時，氫在鋼、渣間的分配系數(shù)(H)／[H] ＝3—9，因此要獲得低氫鋼水，必須降低渣中氫。少渣精煉減少了爐內(nèi)總氫含量和渣中氫，因此鋼中氫也明顯減少。3)少渣精煉中的鐵損

由于渣量減少，少渣精煉隨渣帶走的鐵損明顯減少。但是由于覆蓋鋼水的渣層薄，試驗期帶走的煙塵量增多。研究表明，吹煉初期產(chǎn)生煙氣量多而后期減少，煙塵的粒度分布與頂吹相似，即90～180μm和3—11μm兩種粒度居多。粗粒煙塵生成與氧流沖擊熔池有關(guān)，細粒煙塵主要是一次反應(yīng)區(qū)中鐵的蒸發(fā)物。因此，在少渣吹煉時頂槍采用超軟吹，使氧流穿透深度(h穿)與熔池深度(h)之比h穿／h<0．2，可以將煙塵中鐵損量降至一般吹煉水平。

4)還原性功能。由于渣量少，復(fù)吹轉(zhuǎn)爐中∑(FeO)低，底部吹A(chǔ)r或N2攪拌熔池，使熔池中渣、鋼的氧分壓都降低，而具有一定程度的還原性功能。這樣吹人的錳礦粉，可利用渣量少，∑(FeO)低，熔池溫度高的特點，使MnO直接還原，回收錳礦中的Mn，從而提高鋼液中錳含量。

3.2轉(zhuǎn)爐濺渣護爐 定義：轉(zhuǎn)爐出鋼以后，爐內(nèi)留下全部或部分終渣，將爐渣粘度和氧化鎂含量調(diào)整倒適當范圍，利用氧槍噴吹氮氣將爐渣濺起，使其均勻地粘附在爐襯表面，形成對爐襯的保護層，減輕煉鋼過程中對爐襯的機械沖刷和化學(xué)侵蝕，從而達到保護爐襯，提高爐齡的目的。

3.2.1發(fā)展概論與特點 提高轉(zhuǎn)爐爐齡的重要意義

氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的爐襯使用壽命（即一個爐役內(nèi)的煉鋼爐數(shù)）稱為轉(zhuǎn)爐的爐齡。轉(zhuǎn)爐爐齡是轉(zhuǎn)爐冶煉的一項重要的綜合性技術(shù)指標，它直接反映出煉鋼工藝技術(shù)操作水平和管理水平的高低。爐齡受諸多因素的影響，提高爐齡不僅可以降低耐火材料消耗，提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率，降低生產(chǎn)成本，而且有利于組織均衡生產(chǎn)，促進企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的良性循環(huán)。因此，大幅度提高爐齡是煉鋼工作者長期工作所追求的目標。濺渣護爐技術(shù)的發(fā)展

20世紀70年代初期，日本開發(fā)出轉(zhuǎn)爐煉鋼加白云石造渣工藝，提高了渣中MgO的含量，降低了高氧化鐵爐渣對爐襯的侵蝕。與此同時，在加MgO造稠渣保護爐襯的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了搖爐掛渣操作，此技術(shù)是向初期渣或終點渣中加入白云石，白云石質(zhì)石灰或菱鎂礦，使渣中MgO含量過飽和，并通過搖爐使MgO含量過飽和的爐渣粘掛在轉(zhuǎn)爐裝料側(cè)和出鋼側(cè)，延長爐襯壽命。但此技術(shù)不可能在整個爐膛內(nèi)均勻地掛渣，尤其是侵蝕嚴重的耳軸部位無法掛上粘渣。20世紀70年代中期我國也己掌握造粘渣掛渣補爐技術(shù)。

濺渣護爐技術(shù)首先是在美國共和國公司的大湖分廠（Great lakes）由普萊克斯（Praxair）氣體有限公司開發(fā)的，在大湖分廠和格棱那也特市分廠（Granite City）實施后，并沒有得到推廣。1991年美國LTV鋼公司的印第安納哈伯廠（Indiana Habor）用濺渣作為全面護爐的部分。1994年美國LTV鋼公司印第安納哈伯廠的232t轉(zhuǎn)爐爐齡由8000爐達到15658爐，噴補料消耗0.37Kg/t，轉(zhuǎn)爐作業(yè)率84年的78%升到97%。這項技術(shù)在美國的內(nèi)陸、美鋼聯(lián)、伯利恒等鋼廠的應(yīng)用，都取得了良好的效果。多數(shù)廠爐齡達到10000～15000爐。韓國浦項鋼鐵公司購買了LTV鋼公司的濺渣護爐技術(shù)。印度、巴西和歐洲的一些國家也對美國的濺渣護爐技術(shù)進行了考查。對于濺渣護爐技術(shù)，日本鋼鐵廠并無大的反應(yīng)。他們認為轉(zhuǎn)爐采用少渣煉鋼及一系列護爐措施，爐齡也可以達到1萬爐，而且工藝簡化，無需增加濺渣護爐操作。

北京鋼鐵研究總院在1994年與美國內(nèi)陸鋼鐵公司、空氣液化公司專家的技術(shù)交流中了解到這項技術(shù)情況。冶金部科技司于95年4月批準“氧槍噴吹濺渣補爐的研究”課題專項。并由承鋼與鋼鐵研究總院共同承擔此項研究工作。隨后太鋼在其50t轉(zhuǎn)爐上開展了濺渣護爐的試驗工作。由于太鋼的生產(chǎn)條件和試驗組織工作較好，濺渣護爐很快就取得了良好的效果。第三個爐役爐齡達到5492爐的紀錄，并于96年7月由冶金部給予鑒定。承鋼轉(zhuǎn)爐采用半鋼煉鋼，出鋼溫度1710～1730℃，終渣TFe20～30%，爐襯的工作條件極為不利，經(jīng)過一年多試驗研究，解決了濺渣護爐的技術(shù)難關(guān)，使該廠平均爐齡由原來的543爐提高到1002爐，爐齡上升85%，于96年12月通過了冶金部的鑒定。

鋼鐵研究總院于1995年12與美國LTV鋼公司專家R.O.Russell等人進行了濺渣護爐技術(shù)交流。并邀請首鋼、鞍鋼、武鋼等16家大、中型企業(yè)的技術(shù)人員與美國專家進行了在座談討論。1996年5月在國家經(jīng)貿(mào)委支持下，由冶金部翁宇慶副部長率領(lǐng)的煉鋼技術(shù)考察團到美國LTV鋼公司、內(nèi)陸鋼鐵公司等單位，實地考查了美國濺渣護爐的效果和存在問題，對濺渣護爐有了直觀的了解。

1996年10月由國家經(jīng)貿(mào)委、冶金部組織國內(nèi)專家對“轉(zhuǎn)爐濺渣護爐系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)開發(fā)”項目進行了論證。確認這項技術(shù)應(yīng)該立項，決定第一批的19個企業(yè)中62座轉(zhuǎn)爐為依托工程進行并開發(fā)研究。這對轉(zhuǎn)爐濺渣護爐的開發(fā)起了很大推動作用。

寶鋼于96年11月與美國LTV鋼公司簽訂了轉(zhuǎn)爐濺渣護爐技術(shù)訣竅轉(zhuǎn)讓協(xié)議（25億美元），并于96年12月派技術(shù)人員去LTV鋼公司培訓(xùn)。97年上半年進行工業(yè)試驗。

我國94年開始濺渣護爐試驗，采用和發(fā)展速度很快。鞍鋼、首鋼、寶鋼、武鋼等鋼廠采用濺渣護爐技術(shù)，爐齡大幅度提高，取得了明顯效果。最高爐齡已達到37500爐。甚至出現(xiàn)了永久爐襯的概念。

濺渣護爐對轉(zhuǎn)爐技術(shù)的重大進步，這項能夠大幅度提高爐齡，降低耐材消耗的技術(shù)，在我國展示了廣闊的推廣應(yīng)用前景。

實踐表明，采用濺渣護爐技術(shù)前，轉(zhuǎn)爐爐襯渣線與耳軸的工作層部位，是侵蝕最嚴重、最薄弱的環(huán)節(jié)，經(jīng)常需要人工鏟貼補或噴補，爐役末期易掉磚導(dǎo)致停爐。采用濺渣護爐技術(shù)后，消除了渣線與耳軸部位的嚴重浸蝕現(xiàn)象，使貼補渣線工作量大幅度下降，各部位基本侵蝕均勻，消除了因局部侵蝕嚴重的停爐現(xiàn)象，從而使轉(zhuǎn)爐爐齡大幅度提高。濺渣護爐的技術(shù)特點

1）操作簡便。根據(jù)爐渣粘稠程度調(diào)整成份，利用氧槍和自動控制系統(tǒng)，改供氧氣為氮氣即可降槍進行濺渣操作；

2）成本低，充分利用了轉(zhuǎn)爐高堿度終渣和制氧副產(chǎn)品氮氣，加少量調(diào)渣劑（菱鎂球、輕燒白云石等）就可以實現(xiàn)濺渣；實現(xiàn)部分終渣的再利用，減少造渣料用量；降低噸鋼石灰消耗；

3）時間短，一般只需3-4分鐘即可完成濺渣護爐操作，不影響正常生產(chǎn)；

4）濺渣層均勻敷蓋在爐襯表面上，基本不改變爐膛形狀，可大幅度提高轉(zhuǎn)爐爐齡； 5）工人勞動強度降低，無環(huán)境污染；

6）濺渣層與爐壁溫差小，爐膛溫度較穩(wěn)定，爐襯磚無急冷急熱變化；

7）由于爐齡提高，節(jié)省修砌爐時間，使轉(zhuǎn)爐作業(yè)率和單爐產(chǎn)量提高，為轉(zhuǎn)爐實現(xiàn)2吹2，或1吹1生產(chǎn)模式創(chuàng)造了條件。總體經(jīng)濟效益顯著。8）投資小，見效快。

濺渣護爐的不足之處是濺渣層耐火度低，需要反復(fù)進行濺渣操作。3.2.2濺渣護爐機理

濺渣護爐的基本原理是向初期渣和終點渣中加入輕燒白云石和輕燒鎂球等含有MgO的調(diào)渣劑，使渣中MgO達到飽和或過飽和狀態(tài)。在出鋼后采用氧槍噴吹高壓氮氣，利用氮氣的沖擊能量和對爐渣的冷卻作用，將留在爐內(nèi)的爐渣噴濺涂敷在轉(zhuǎn)爐內(nèi)襯的整個表面上，形成爐渣保護層，以減輕下次煉鋼過程中對爐襯的機械沖刷和化學(xué)侵蝕，從而達到保護爐襯，提高爐齡的目的。濺渣護爐技術(shù)可使轉(zhuǎn)爐爐齡成倍增長，耐火材料消耗降低，轉(zhuǎn)爐作業(yè)率提高，經(jīng)濟效益十分明顯，因而在國內(nèi)外得以迅速推廣。濺渣護爐技術(shù)與其它護爐技術(shù)相比，具有許多優(yōu)點。

3.2.2.1 爐渣的組成與性質(zhì)

轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中，鐵水中元素氧化形成的氧化物與造渣劑以及熔蝕的耐火材料等結(jié)合成爐渣。爐渣在煉鋼過程中起到去除有害雜質(zhì)、防止鋼液吸氣，保溫和提高熱效率等作用，濺渣護爐采用高壓氮氣將出鋼后留在爐內(nèi)的爐渣濺起來涂敷在爐襯上形成濺渣層，對下一爐冶煉起到保護爐襯的作用，因此轉(zhuǎn)爐終渣不僅要滿足冶煉過程要求而且應(yīng)符合濺渣護爐的條件．即：易于將爐渣噴濺到爐襯上．濺到爐壁上的爐渣應(yīng)能與爐襯很好地結(jié)合，且具有一定的抗高溫侵蝕能力。這3個條件分別涉及到熔池濺渣動力學(xué)，濺渣層與爐襯的結(jié)合機理和爐渣對濺渣層的侵蝕機理等問題，都與爐渣的組成和性質(zhì)有關(guān)。

1）爐渣的組成與結(jié)構(gòu)

爐渣成分通常是指構(gòu)成爐渣的各種礦物的成分．它決定了爐渣的基本性質(zhì)。一般說來．初期渣的王要成分是SiO2，MnO,CaO,MgO和FeO等，隨著吹煉過程進行，石灰的熔化，渣量增加，使SiO2，MnO的含量逐漸降低，CaO，MgO的含量逐漸增加，在冶煉低磷生鐵時，終渣成分范圍通常是45%-55CaO，2%-8%MgO，10%-30%FeO，l0%-25%SiO2，3%-8%MnO，1%-2%Al2O3，1%-2%CaF2，0.1%-0.3%S，0.5%-2%P2O5等,其主要組元SiO2，MnO,CaO,MgO和FeO大約占爐渣總量的95%。

爐渣的成分通常取決于鐵水成分、終點鋼水碳含量、供氧制度、造渣制度和冶煉工藝等因素。如吹煉低碳鋼時，隨鋼中碳含量降低，爐渣的氧化性升高，渣中FeO含量有時可高達30％，而吹煉高碳鋼時，由于渣鋼反應(yīng)接近平衡使渣中FeO含量很難提高。在用普通鐵水煉鋼時，渣中P2O5含量波動在0.5％－1.5％，而用高磷鐵水煉鋼時，渣中P2O5含量可高達20％，對常溫下爐渣相組成的研究表明，爐渣是由硅酸鹽、鐵酸鹽、尖晶石、磷酸鹽、鋁酸鹽、硫化物和自由氧化物等物相組成。爐渣的相組成隨冶煉過程中爐渣成分的變化而不斷改變。轉(zhuǎn)爐冶煉與濺渣過程中爐渣巖相結(jié)構(gòu)的變比如下。

（1）轉(zhuǎn)爐初期渣。轉(zhuǎn)爐初期渣是開吹3－5分鐘時形成的，其堿度偏低，熔池溫度在1420一1450oC時，堿度約為1.3一1.7，MgO含量接近飽和值(6％－7％)；渣中FeO含量較低。

(2)轉(zhuǎn)爐終點渣。轉(zhuǎn)爐終點渣的堿度為2．8—3．7，渣中TFe含量13％一30％，MgO含量波動較大為3％一13％。

(3）改質(zhì)渣。改質(zhì)渣是轉(zhuǎn)爐出鋼后為適應(yīng)濺渣的要求，添加少量石灰或鎂質(zhì)材料，調(diào)整爐渣過熱度和粘度所形成的爐渣。該爐渣的成分與堿度基本與轉(zhuǎn)爐終渣相同，但未熔的CaO，MgO結(jié)晶相增加，(4)濺后渣。濺后渣是指濺渣后留在爐內(nèi)的殘渣。濺后渣的成分與轉(zhuǎn)爐終碴或改質(zhì)渣相同；但爐渣的物理狀況和巖相結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的改變，其特點是：由于N2氣流對熔渣的沖擊和冷卻作用，粗大發(fā)育良好的板條狀C3S已成為顆粒細小的顆粒，均勻的分布于C2F和RO結(jié)合相間。冷凝后的爐渣致密，密度提高。2)爐渣的熔化特性

爐渣的熔化溫度與濺渣層的高溫抗渣侵蝕密切相關(guān)。如果濺渣層具有較高的熔化溫度，在吹煉后期不會因為熔池溫度升高而被熔化淌落，將有助于提高濺渣層的使用壽命。(1)熔化性溫度 純金屬、多元共晶體或同分化合物等，其固－液平衡時具有確定的溫度，即熔點。而煉鋼爐渣是由多種化臺物構(gòu)成的多元復(fù)雜體系，固一液共存溫度在一個較大的溫度范圍內(nèi)波動，即爐渣的熔化發(fā)生在一定的溫度區(qū)間內(nèi)。因此，很難準確地討淪爐渣的熔點。

爐渣的熔點通常是指爐渣完全轉(zhuǎn)變成均一液體時的溫度，或是冷凝時開始析出固相的溫度。轉(zhuǎn)爐終渣的熔化性溫度一般在1450℃左右，且隨渣中氧化鐵含量的升高而降低。

根據(jù)相圖，可以計算出爐渣的熔點。圖2-3是鋼研總院利用法國鋼鐵研究院提供的BELAF程序計算出MgO含量對實際轉(zhuǎn)爐渣熔點的影響。由圖中可以看出：對于各種堿度的煉鋼爐渣(R=2.1-3.6；TFe=20％），當渣中MgO≥8％時，隨著渣中MgO含量的提高，爐渣熔點升高。

在實際生產(chǎn)中對復(fù)雜的熔渣體系，一般采用實驗法測定爐渣的熔化特性。采用差熱分析法可以精確地測出熔渣開始熔化溫度和完全熔化溫度（記固相線扣液相線）。工程上為了對應(yīng)比較爐渣的熔化特性，常采用試樣變形法描述爐渣的熔化過程。這種方法注重被測爐渣試樣在熔化過程中的變形特性，即用試樣的變形過程來表示其熔化程度。因為多元渣系的熔化過程是在一定的溫度區(qū)間內(nèi)完成，當升溫到一定溫度后，試樣開始熔化；隨著溫度的升高，液相量增加且試樣形狀發(fā)生變化，如圖2－4所示。文獻中稱試樣變形到圖2－4c時的溫度為“熔化性溫度”或“半球點溫度”，而將b和d分別稱為“開始熔化溫度（或變形溫度）”和“完全熔化溫度”。

爐渣的熔化性溫度取決于爐渣的成分，因此有些廠家依據(jù) 實驗測定結(jié)果回歸得出

熔化性溫度與爐渣成分的經(jīng)驗關(guān)系式。如首鋼三煉鋼廠得出的關(guān)系式如下：

相關(guān)系數(shù)： R＝0.8104（2－1）

該式可大致估算爐渣的熔化性溫度。值得注意的是，除爐渣成分外，造渣原料的狀態(tài)，如巖相結(jié)構(gòu)，密度，粒度大小和升溫速度等因素也對爐渣的熔化性溫度有一定的影響。從濺渣層不在吹煉過程中熔化的角度考慮，希望爐渣的熔化性溫度越高越好，最好超過出鋼溫度，但這樣的終渣不可能滿足煉鋼工藝要求。（2）爐渣的分熔現(xiàn)象

轉(zhuǎn)爐冶煉要求爐渣具備良好的流動性和合適的堿度。因此爐內(nèi)實際溫度一股要高于爐渣的熔化性溫度(過熱度通常在100－200oC）。因此，在冶煉過程中濺渣層部分熔融流淌下來是不可避免的。終渣氧化鐵含量愈高，爐渣熔化性溫度愈低，也更易于從爐壁流淌下來。我國寶鋼與美國LTV鋼公司的終渣氧化鐵高達25％－30％，濺渣護爐后爐齡壽命卻超過10000爐次，這是為什么呢?

北京科技大學(xué)金山同等人在研究濺渣層在冶煉過程中的熔融過程時發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的升高，濺渣層中的低熔點相(主要是FeO成分）先行熔化，并緩慢從濺渣層中分離流出，使濺渣層厚度減薄，巖相組成中高熔點相比例升高。當熔池溫度達到1600oC一1650oC時，爐壁上未熔殘留的爐渣仍處于固體狀態(tài)。該現(xiàn)象稱為濺渣層的分熔現(xiàn)象，其測定實驗裝置如圖2－5所示。表2—3紿出幾種濺渣層渣樣發(fā)生分熔后質(zhì)量變化及TFe變比。

實驗結(jié)果表明，渣中TFe含量越高，分熔開始的溫度越低，分熔后流失的Fe含量越大。爐渣分熔現(xiàn)象使高TFe的爐渣濺到爐壁上后，在冶煉升溫過程中，由低耐火度向高耐火度變化。

2）爐渣的粘度與流動性

爐渣粘度反映出爐渣內(nèi)部相對運動時各層間的內(nèi)摩擦力，是爐渣性質(zhì)的一項重要的指標。粘度直接影響著爐渣和渣-鋼間的反應(yīng)速率、流動傳熱能力。濺渣護爐對轉(zhuǎn)爐終渣的粘度有著特殊的要求：粘度不能太高，以利于高壓氮氣流沖擊爐渣將渣滴濺射到爐壁上；粘度也不能過低，使噴濺在爐襯上的爐渣層不容易流淌，而能與爐襯粘結(jié)，形成濺渣層。渣稀容易有掛渣流落現(xiàn)象，濺渣層抗侵蝕能力差，渣稠不易起濺，給轉(zhuǎn)爐下部濺渣帶來極為不利的影響，使耳軸、渣線處濺渣效果不佳，對濺渣不利。爐渣過稠還會造成爐底上漲和爐膛變形。正常冶煉要求爐渣保持合適的粘度一般在0.02－0.1Pa?S間，相當干輕機油的粘度，比熔池中金屬的粘度高10倍左右。冶煉操作還要求爐渣的粘度保持很好的穩(wěn)定性，即在一定溫度下爐渣的成分在一定范圍內(nèi)波動時，或在渣組成一定時溫度在一定范圍內(nèi)變化時不會對粘度變化產(chǎn)生較大的影響。為了順利地進行冶煉，不希望爐渣粘度急劇波動。與此相反．根據(jù)各廠的實際情況，一股在濺碴護爐時都要求終渣有更高的粘度，并希望終渣粘度能隨溫度變化的更敏感些，以便噴濺在爐襯上的爐渣能隨爐溫降低迅速變粘，更為牢固地粘附在爐襯上。熔渣組成一定時，提高過熱度可使粘度降低。一般說來，相同溫度下，熔化性溫度低的熔渣其粘度也較低。提高渣中CaF2，F(xiàn)eO含量能顯著降低熔渣的熔點，使過熱度提高，因此能顯著降低熔渣粘度。對熔點相同而組成不同的爐渣，粘度取決于各組元在渣中的存在形式。如酸性渣比堿性渣的熔點低，但因渣中硅氧離子團大而多，在高溫下其粘度反而比堿性渣高。懸浮于渣中的固體顆粒的尺寸和數(shù)量是影響爐渣粘度的重要因素。CaO和MgO具有較高的熔點，當它們在渣中過飽和時會以固體粒子的形態(tài)析出，使爐渣的內(nèi)摩擦力增加，導(dǎo)致爐渣粘度升高。

3）爐渣的表面張力與界面張力

爐渣的表面張力和渣—鋼、渣—耐材間的界面張力也是熔渣的重要性質(zhì)，前兩者對冶金過程動力學(xué)及鋼液、熔渣的乳化和分離，夾雜物去除等有密切關(guān)系；后者與爐渣對爐襯耐火材料侵蝕，濺渣層與爐襯耐火材料結(jié)合等有很大關(guān)系。

在液體表面，由于表面能的作用，在液體表面的切線方向上存在一種均勻的張力，力圖使液體的表面積縮小。就液體與氣相界面而言，這一張力稱之為表面張力。當液體與另一種不相溶的相接觸時，接觸表面質(zhì)點受兩種質(zhì)點間相互作用力的影響，界面能力圖使這兩種物質(zhì)的界面縮小，這時界面上存在的張力便稱之為界面張力。由于涉及的是表面能，故其單位為J?m－2(N?m-1)。

爐渣與耐火材料接觸時，可將爐渣、耐材與氣體之間的界面張力關(guān)系簡化為圖2－14所示的平面交匯力系，力的方向是三相平衡點處某兩相界面的切線方向。平衡時，圖中各相的形狀不變，合力為零，潤濕角與各界面張力之間的關(guān)系如下式：

幾種耐火材料和熔渣間的潤濕角如表2－4所示。

由式2-2，在已知潤濕角的條件下，只要測得各相的表面張力，便可計算出爐渣與耐材之間的界面張力。測定表面張力的方法很多，常用的有毛細管上升法、靜滴法、懸滴法、滴重法，最大氣泡壓力法等。一般渣系的表面張力可由文獻查得。如1400oC時CaO—FeO-SiO2渣系的表面張力為0.41-0.55N?m-1，1600oC時CaF2.3%—A12O314．6%—CaO 56．69%—FeO 1.9%-MgO5.59％—MnO0.22％-Na2O2.69%-SiO216.5%渣系的表面張力為0.596N?m－1。而由于任何熔體都比與氣體相接觸時質(zhì)點的作用力大，故界面張力比表面張力高。Al2O3-CaO-SiO2渣系和熔鐵間的界面張力為1.1－1.2N?m－1，堿性氧化碴下熔鐵間的界面張力為500－1000N?m－1。TFe含量越高，熔渣的表面張力和渣—鋼界面張力越小，說明氧化鐵是堿性渣中的表面活性物質(zhì)。

爐渣對造渣材料和耐火材料潤濕，使它們被饅蝕和溶解。潤濕角與不同相間質(zhì)點作用力有關(guān)，潤濕角越小，則熔渣浸入耐材或造渣材料內(nèi)毛細管的能力就越大。值得注意的是，測量表面張力或界面張力是在兩相間達到化學(xué)平衡時進行的，如果兩相間的化學(xué)反應(yīng)尚未達到平衡，則表面張力或界面張力就較低。化學(xué)反應(yīng)自由能差越大，界面張力就越低。

4）氧化鎂在煉鋼爐渣中的飽和溶解度 無論對普通轉(zhuǎn)爐冶煉，還是對采用濺渣護爐技術(shù)的轉(zhuǎn)爐冶煉，爐渣氧化鎂飽和溶解度都是非常重要的參數(shù)。實驗表明，MgO在堿度為1的CaO-SiO2-FeO渣系中以(Ca,Mg,Fe)O的形式與SiO2結(jié)合，在FeO含量為30％時，加入10％的MgO可降低熔點大約100oC，因此在吹煉初期，用白云石、菱鎂球（礦）等代替部分石灰造渣，通過提高渣中MgO含量，可降低爐渣的熔化溫度和初始流動溫度，減緩石灰表面形成致密的C2S殼層．提高石灰熔化速度，有利于早化渣。提高吹煉過程中爐渣的MgO含量，可以減緩爐渣對爐襯耐火材料的侵蝕。但MgO的加入量超過其飽和溶解度時，將析出固體MgO會提高爐渣的粘度，有利于爐壁掛渣和提高爐襯壽命；但不利于渣－鋼間的精煉反應(yīng)。各個時期MgO的加入量的控制，需要權(quán)衡保護爐襯與冶煉要求的關(guān)系，控制渣中MgO接近飽和溶解度值。在轉(zhuǎn)爐煉鋼溫度，提高渣中SiO2、．MnO、P2O5、Al2O3含量，能增加MgO的飽和溶解度．對于低堿度爐渣(R≤1.5)，渣中MgO的飽和溶解度可以高達40％；隨著渣FeO含量的升高，MgO的飽扣溶解度逐漸降低。對于高堿度爐渣，MgO的飽和溶解度波動在4％－18％之間，隨堿度的升高，MgO的飽和溶解度迅速降低。渣中FeO含量對MgO在高堿度爐渣中的飽和溶解度沒有明顯影響。

影響爐渣MgO飽和溶解度的主要因素是爐渣的堿度和溫度。如圖2-16所示，在吹煉初期堿度較低(1一2)時，當FeO含量在10％－40％，MgO的飽和溶解度較高。因此，吹煉初期早化渣，盡快提高堿度，是減緩爐渣對鎂碳磚侵蝕的重要因素。

渣中MgO飽和溶解度隨溫度的升高而增加，溫度每提高約50oC，MgO飽和溶解度增加1.0％－1.3％。當堿度約為3時，溫度由1600oC提高到1700oC，MgO的飽和溶解度由約6.0％提高到到8.5％。

由實驗得到MgO飽和溶解度經(jīng)驗公式如下：

實驗結(jié)果表明，在此溫度范圍內(nèi)，計算結(jié)果與實測結(jié)果具有較好的—致性。

150噸轉(zhuǎn)爐渣MgO的控制范圍：

①液面高度在正常范圍時（以新爐液面為基準，-15cm～+25cm為正常范圍），終渣MgO的含量按正常值9～11%控制。

②液面高度高出正常范圍上限時，終渣MgO按7～9%控制。③液面高度低于正常范圍下限時，終渣MgO按11～13%控制。⑵終渣堿度的控制范圍：

終渣堿度按不同鋼種工藝要求控制，控制范圍2.3～2.8。

⑶終渣FeO的控制范圍：終渣FeO含量按12～17%控制，對于低碳鋼要求（FeO）≤22%。3.2.2.2轉(zhuǎn)爐濺渣動力學(xué)

研究結(jié)果表明]，濺渣有兩種動力學(xué)機理:噴射濺渣(或濺射掛渣、射流攜帶濺渣)和浪涌濺渣(或沖刷掛渣、液面波動濺渣)。以下稱噴射濺渣和浪涌濺渣。⑴浪涌濺渣

在高速氣流的作用下，在爐內(nèi)運動的大團熔渣，在渣線上方形成熔渣浸潤區(qū)，凝固后成為掛渣層。噴吹方式、熔渣特性、爐體幾何結(jié)構(gòu)等均對大團熔渣運動產(chǎn)生影響。浪涌濺渣效果取決于大團熔渣運動的熱交換與熔渣特性的共同作用。⑵噴射濺渣

高速噴射的氣體產(chǎn)生高切向力，使液渣向外噴濺，濺出的爐渣粘附在爐壁上。濺出的爐渣速度及角度取決于射流特性以及射流形成的孔穴大小。掛渣效果取決于濺渣渣粒的大小、質(zhì)量、濺射角度、速度等因素及它們的相互作用。

高槍位有利于爐渣的破碎乳化，適用于轉(zhuǎn)爐上部濺渣。低槍位有利于渣液面的劇烈攪動，適用于轉(zhuǎn)爐下部濺渣。槍位低，有利于浪涌濺渣;槍位高，利于噴射濺渣。對于確定的爐型幾何尺寸，確定最佳的濺渣參數(shù)，平衡各種濺渣機制的結(jié)合作用，得到最佳的濺渣量和較均勻的濺渣效果。

3.2.2.3 濺渣層與爐襯的結(jié)合機理

轉(zhuǎn)爐濺渣護爐的效果決定于濺渣層與爐襯間的結(jié)合狀態(tài)。研究濺渣層與轉(zhuǎn)爐爐襯間的結(jié)合機理以及濺渣層對爐襯的保護機理，不僅能從理論上說明濺渣護爐的作用，而且為優(yōu)化濺渣工藝，合理調(diào)整爐渣成分和正確選擇耐火材料提供理論依據(jù)。研究濺渣層與爐襯間的結(jié)合機理，主要應(yīng)明確的內(nèi)容如下： 1）爐渣如何與爐襯磚有機的相結(jié)合； 2）爐渣層如何有效的保護轉(zhuǎn)爐爐襯。

濺渣護爐形成的濺渣層具有分熔現(xiàn)象，在濺渣層的形成過程中，經(jīng)過多次“濺渣—熔化—濺渣”的循環(huán)和反復(fù)，使濺渣層表面一些低熔點的氧化物(如2CaO?Fe2O3, RO相等)，不斷被下一爐次的高溫爐渣所熔化、流失，造成濺渣層中低熔點氧化物含量明顯降低，高熔點的氧化物(MgO和2CaO?SiO2,3CaO?SiO2)含量增加。爐渣經(jīng)噴槍噴濺到轉(zhuǎn)爐爐襯上，濺渣層與爐襯MgO-C磚在結(jié)合部發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)。有研究表明[32]，其結(jié)合主要有以下三種形式: ⑴化學(xué)結(jié)合:熔點低流動性好的富鐵爐渣濺射到爐襯的表面，沿鎂碳磚的表面顯微氣孔和裂縫向致密的MgO機體內(nèi)滲透、擴散，在高溫下與MgO顆粒反應(yīng)生成鐵鎂尖晶石（MgO?Fe2O3）固溶體，形成厚度0.5～1.0mm的燒結(jié)層。

⑵機械鑲嵌與化學(xué)燒結(jié)結(jié)合:在爐渣一爐襯結(jié)合界面，渣中顆粒狀高熔點礦物(MgO結(jié)晶，C2S, C3S)被氣流濺射到粗糙爐襯的表面，并在高速噴吹氣流的沖擊下鑲嵌于其中的間隙內(nèi)。形成化學(xué)燒結(jié)一機械鑲嵌的結(jié)合界面。

⑶冷凝粘結(jié):在爐渣—爐襯的結(jié)合界面上繼續(xù)濺渣，沉積冷凝后形成以高熔點的MgO結(jié)晶，C2S, C3S顆粒為骨架，以RO相和C2F為結(jié)合相的濺渣層。

根據(jù)上述試驗和巖相分析，推斷濺渣層與爐襯的結(jié)合機理是：在濺渣初期，低熔點流動性強的富鐵爐渣首先濺射到爐襯表面，渣中Fe0x和C2F沿磚表面顯微氣孔和裂紋向鎂碳磚表面脫碳層內(nèi)擴散滲透，并與周圍Mg0顆粒燒結(jié)固熔在一起，形成以Mg0結(jié)晶為主相，以MF為膠合相的燒結(jié)層。部分C2S和C3S也沿殘磚表面氣孔和裂紋流入磚內(nèi)，冷凝后與Mg0顆粒鑲嵌在一起。

隨著繼續(xù)濺渣，顆粒狀高熔點化合物(C2S，C3S和MgO結(jié)晶)被氣流濺到粗糙的爐襯表面，并在高速氣流的沖擊下鑲嵌在爐襯表面的間隙內(nèi)，形成以鑲嵌為主的機械結(jié)合。同時，富鐵的低熔點爐渣包裹在耐火磚表面上突出的Mg0結(jié)晶顆粒或已經(jīng)脫離的MgO結(jié)晶顆粒周圍，形成以燒結(jié)為全的化學(xué)結(jié)合層。

隨著進一步濺渣，大顆粒C3S，C2S和MgO顆粒濺到結(jié)合層表面并與渣中C2F和RO相結(jié)合，冷凝后形成爐襯表面濺渣層。圖2—27為濺渣層與爐襯的結(jié)合機理的示意圖。3.2.3濺渣護爐工藝 3.2.3.1濺渣基本操作工藝

1）終點渣成分控制 終點渣成分決定了爐渣的耐火度和粘度。我國轉(zhuǎn)爐煉鋼廠所用的原料，由于生產(chǎn)產(chǎn)品和工藝制度差別很大，造成終點渣成分很不相同。

影響終點渣耐火度的主要組成是MgO，TFe和堿度。堿度和氧化鐵含量是由原料和鋼種決定的，其中氧化鐵變比范圍較大，波動在10%-30%范圍內(nèi)，為使濺渣層有足夠的耐火度，主要措施是調(diào)整渣中MgO含量。

爐渣的巖相研究表明．轉(zhuǎn)爐終渣C2S+C3S之和可以達到70%一75%，這兩種化合物都是高熔點物質(zhì)(C2S：21300C，C3S：20700C)。氧化鐵與氧化鈣錳所形成的化合物為低熔點物質(zhì)。氧化鐵與氧比錳等組成的RO相熔點也較低。當?shù)腿埸c相達到40%時，爐渣開始流動。為了提高濺渣層的耐火度，必須減少低熔點物質(zhì)。提高直中MgO含量是減少由于氧化鐵所形成低熔點相的有效措施，圖3—4與圖3—5是MgO與氧化鐵的二元系相圖。

生成固溶體。兩種物質(zhì)都是高溫耐火材料。在Fe2O3 含量達到70％時，其熔點在18000C以上。MgO與FeO。Fe203，二元系相圖(圖3-4．3—5)清楚地表明了MgO可以吸收比其本身重量還多的氧化鐵。為了使濺渣層有高的耐火度，必須使改質(zhì)渣中MgO達到一定含量。如果MgO含量低，氧化鐵就會與氧化鈣起作用生成低熔點鐵酸鈣。根據(jù)理論分析和國內(nèi)外濺渣護爐實踐，在正常的轉(zhuǎn)爐終渣成分范圍內(nèi)，為使濺渣層有足夠的耐火度，終渣MgO應(yīng)控制在表3-3的范圍內(nèi).濺渣護爐對于終渣氧比鐵含量并無特殊要求．只要把濺渣前的MgO含量調(diào)整在合適范圍。轉(zhuǎn)爐終渣氧化鐵高低都可以取得較好的濺渣護爐效果，如美國LTV鋼公司，內(nèi)陸鋼公司．寶鋼煉鋼廠等轉(zhuǎn)爐終渣氧化鐵都在18%-27% 范圍內(nèi)。如終渣氧化鐵較低，渣中MgO少，RO相的熔化性溫度高，在保證足夠的耐火度的情況下，渣中MgO含量也可降低，使加入的調(diào)渣劑數(shù)量減少。終廢氧比鐵低的轉(zhuǎn)爐。濺渣護爐的成本低．也較容易獲得高爐齡． 2）調(diào)渣劑的選擇

調(diào)渣劑是指在濺渣護爐工藝中為達到濺渣所要求的爐渣MgO含量．在造渣過程中和出鋼后進行爐渣調(diào)整時所加入的MgO質(zhì)造渣材料。煉鋼中常用的調(diào)渣劑主要有：輕燒白云石、生白云石、輕燒菱鎂球、冶金鎂砂、菱鎂礦渣和含MgO較高的石灰。表3-4給出了常用調(diào)渣劑的成分。

調(diào)渣劑的作用主要是提高渣中MgO含量，因此，調(diào)渣劑中MgO含量的高低應(yīng)是選擇調(diào)渣劑的重要物性參數(shù)。考慮到調(diào)渣劑中CaO含量可以取代石灰中的CaO，保證煉鋼終渣堿度，減少石灰加入量。而調(diào)渣劑中SiO2含量．需要增加石灰的消耗量。綜合考慮提出MgO質(zhì)量分數(shù)的概念，用以比較調(diào)渣劑中MgO含量的高低。MgO質(zhì)量分散的定義如下： MgO質(zhì)量分數(shù)(%）=MgO%/(1-CaO%+RSiO2%)(3-1)式中 MgO%，CaO%，SiO2%分別為調(diào)渣劑中 MgO，CaO，SiO2買際含量，R為爐渣堿度，取R＝3.5。

不同調(diào)渣劑的MgO質(zhì)量分數(shù)列于表3-4。從表中可以看出，不同調(diào)渣劑MgO含量按從大到小排即順序力：冶金鎂砂、輕燒菱鎂球、輕燒白云石、含MgO石灰．菱鎂礦渣粒和生白云石。根據(jù)MgO含量選擇調(diào)渣劑．應(yīng)以冶金鎂砂。輕燒菱鎂球、輕燒白云石和含鎂石灰為宜(質(zhì)量分數(shù)大于等于50%)。

價格是選擇調(diào)渣劑的重要因素．因為調(diào)渣劑價格的高低直接影響到濺渣護爐的經(jīng)濟效益。顯然，從成本考慮，盡量選擇較便宜的調(diào)渣劑，在調(diào)渣劑調(diào)渣時，還應(yīng)充分注意MgO造渣料的加入對煉鋼過程熱平衡的影響。

用生白云石調(diào)渣，熱耗量很大．約相當熔化11kg廢鋼所消耗的熱量。而輕燒白云石和冶金鎂砂的熱耗量較小，適用于廢鋼比較高．煉鋼熱源較緊張的鋼鐵廠采用。

綜上聽述．正確選擇凋渣劑的原則如下。

(1)因地制宜。要結(jié)合本廠煉鋼的實際情況和當?shù)刭Y源條件，盡可能選擇含Mg量高，價格便宜和熱消耗量少的凋渣劑．

（2）綜合考慮各種凋渣劑的價格、成分和熱耗量，推薦輕燒白云石作為首選的調(diào)渣劑，(3)根據(jù)各廠生產(chǎn)條件，最好選配幾種調(diào)渣劑搭配使用，以達到最佳效果和較高的經(jīng)濟效益。調(diào)渣劑的粒度應(yīng)根據(jù)調(diào)渣劑的種類、轉(zhuǎn)爐終點溫度、終渣成分和加入方式確定。通常，生白云石的粒度應(yīng)為5一15mm，輕燒鎂球和輕燒白云石粒度可以大一些，但不應(yīng)大于25mm。從爐頂料倉加入的調(diào)渣劑最小粒度不應(yīng)小于5mm。

調(diào)渣劑種類的選擇會受到爐頂料倉個數(shù)的限制。為保證濺渣的效果，建議至少采用2個爐頂料倉存放調(diào)渣劑。其一可作為爐內(nèi)調(diào)渣，存放輕燒白云石等主要調(diào)渣劑；另一個則用于爐后調(diào)渣，存放速熔菱鎂球，含碳菱鎂球等調(diào)渣劑。

3）合適的留渣量

合適的留渣量應(yīng)保證在爐襯內(nèi)表面形成足夠厚度的濺渣層，并可在濺渣層對裝料側(cè)和出鋼側(cè)進行搖爐掛渣，剩余的爐渣倒入渣罐。形成濺渣層的渣量可以根據(jù)爐襯內(nèi)表面積．濺渣層厚度及爐渣密度計算。濺渣護爐所需的總渣量可按濺渣層埋論重量的1.1—1.3倍來估算，爐渣密度可取3.5t/m3。在上述計算中，大型轉(zhuǎn)爐的濺渣層厚度可取25—30mm，中．小型轉(zhuǎn)爐可取15-20mm(大于200t以上轉(zhuǎn)爐為大型,100t以下為小型轉(zhuǎn)爐.留渣量的汁算公式如下：

式中 W--留渣量，t； K--渣層厚度，mm； A--爐襯內(nèi)在面積，m2； B--爐渣密度，t/m3； C--系數(shù)，取1.1一1.3。

表3-7為不同容量轉(zhuǎn)爐濺渣層重量參考值。

上述計算值可作為濺渣護爐開始時的參考。經(jīng)過一段試驗之后．應(yīng)根據(jù)本廠的實際情況，確定合適的留渣量。

留渣量過大將增加調(diào)渣劑的消耗．提高濺渣護爐的成本；留渣量過小不能形成足夠厚度的濺渣層和不能有效地進行搖爐掛渣。根據(jù)經(jīng)驗．轉(zhuǎn)爐的噸鋼留渣暈應(yīng)在90—l00kg／t。我國多數(shù)轉(zhuǎn)爐鋼廠噸鋼爐渣的總量力90-140kg/t。有些鋼廠在吹煉后期多次倒渣，使出鋼前的渣量低下80kg/t，造成正常濺渣護爐的困難。應(yīng)規(guī)范煉鋼操作，減少倒渣次數(shù)和減少倒爐時的倒渣量。

根據(jù)冷態(tài)模擬試驗研究，提出合理的留渣量以金屬量的11%為宜。國內(nèi)幾家鋼廠濺渣實踐應(yīng)用效果表明，渣量在100kg/t較為合適。

根據(jù)國內(nèi)濺渣的生產(chǎn)實踐，合理的留渣量可根據(jù)文獻所提供的公式來計算: …………………………………式（1）式中：QS—轉(zhuǎn)爐留渣量/t 爐； W—轉(zhuǎn)爐公稱噸位/ t ； n —系數(shù)。

轉(zhuǎn)爐合理的留渣量可根據(jù)轉(zhuǎn)爐的具體尺寸和容量計算,并根據(jù)實際情況選擇系數(shù)n。4）調(diào)渣工藝

調(diào)渣工藝是指在煉鋼結(jié)束后，通過爐口觀察爐渣狀況，判定爐渣是否適宜濺渣。如果爐渣過于粘稠，應(yīng)加入少量化渣劑稀釋爐渣，增強爐渣的流動性；如果爐渣過熱度高，爐渣稀流動性良好．應(yīng)加入少量調(diào)渣劑(又稱稠渣劑）提高爐渣粘度．使之更適宜濺渣的操作工藝。

由于爐子噸位不同及各鋼廠原料條件．冶煉鋼種。精煉及澆鑄方式等方面各異，造成終渣成分和爐渣過熱度有很大差別。因此．濺渣護爐的調(diào)渣工藝也不完全相同。主要有以下兩種不同的工藝：

（1）直接濺渣工藝

即以煉鋼過程中調(diào)整爐渣為主，出鋼后基本不再調(diào)渣。直接進行濺渣橾作。

轉(zhuǎn)爐終渣MgO含量可以滿足濺渣層耐火度的要求，爐渣的過熱度不高時，出鋼后可以直接噴吹氮氣進行濺渣操作；寶鋼、太鋼，LTV和內(nèi)陸鋼公司等廠家都采用這種工藝。當終渣MgO含量要求在10%以下，采用這種方法并無困難。

直接濺渣工藝適用于大型轉(zhuǎn)爐，要求鐵水及原燃料條件比較穩(wěn)定，吹煉平穩(wěn)，終渣控制準確，出鋼溫度低。

直接濺渣工藝的操作程序如下．

（1）吹煉開始加入第一批熔劑時，將所需調(diào)渣劑的大部分加入爐中，控制初期渣MgO≤8%．利用MgO降低爐渣熔點，促進化渣。

（2）爐渣“返干期”過后，根據(jù)化渣情況，分批加入剩余的調(diào)渣劑，保證終渣MgO含量能達到濺渣操作要求的目標值。

（3)出鋼時通過爐口觀察爐內(nèi)渣況，決定是否需要補加少量調(diào)渣劑。在終點碳．溫度控制比較準確的條件下，一般不需要再加入調(diào)渣劑稠化爐渣．

（4）進行濺渣，井由操作工確定是否需要對爐村上的特殊部位進行噴補，以保證濺渣護爐的效果和控制良好爐型．

（2）出鋼后調(diào)渣工藝 即在煉鋼結(jié)束后，根據(jù)爐渣狀況適當加入少量調(diào)渣劑用以降低爐渣過熱度，提高爐渣黏度．然后進行濺渣。

爐后凋渣工藝適用于中小型轉(zhuǎn)爐。由于中小型轉(zhuǎn)爐出鋼溫度偏高，造成爐渣過熱度升高；同時，由于原料條件不穩(wěn)定，往往造成后吹。多次倒爐致使終渣FeO升高，渣稀且渣中MgO達不到飽和值，不適宜直接濺渣，往往需要在出鋼后向爐內(nèi)再加入少量調(diào)渣劑，改善爐渣狀態(tài)，使之適合于濺渣操作。

出鋼后調(diào)渣工藝在冶煉過程中的操作與直接濺渣工藝相同。出鋼后凋渣工藝的操作程序如下：

(1)吹煉終點，控制爐渣中的MgO含量達到8%-10%；

(2）出鋼時，根據(jù)出鋼溫度和觀察到的爐渣狀況，決定加入調(diào)渣劑的數(shù)量，進行爐后調(diào)渣。(3）調(diào)渣后進行濺渣操作。

出鋼后調(diào)渣的目的主要是使爐渣MgO達到飽和值，提高爐渣的熔點，同時加入的調(diào)渣劑熔解吸熱可降低爐渣粘度，渣過熱度和爐渣粘度，使其適宜濺渣。出鋼后調(diào)渣工藝還可分為以下兩種操作。

1)單純調(diào)整爐渣MgO的操作工藝。通過爐后添加調(diào)渣劑使爐渣MgO過飽和，達到降低爐渣過熱度和稠化爐渣的目的。

2)同時調(diào)整爐渣中氧化鐵和MgO的操作工藝。通過后添加含碳的鎂質(zhì)耐火材料，利用c—O反應(yīng)降低爐渣FeO含量和Mg0的飽和熔解度．使爐渣MgO更易于達到或超過飽和值。對于出鋼溫度偏高的中小型轉(zhuǎn)爐，采用出鋼后調(diào)渣工藝操作非常重要。出鋼后調(diào)渣的目的是為了降低爐渣過熱度．稠化爐渣，使渣中MgO含量超過飽和值，因此．對出鋼后調(diào)渣劑的要求也更嚴格，其要求條件如下：

1）出鋼后調(diào)渣劑應(yīng)易熔、速熔．即具有良好的熔比性能和高的反應(yīng)活性。能與高溫液態(tài)爐渣迅速發(fā)生反應(yīng)；

2)出鋼后調(diào)渣劑應(yīng)有較高的MgO含量，熔化后能明顯提高爐渣MgO含量； 3)出鋼后調(diào)渣劑應(yīng)具有較大的熱焓．熔比后能明顯降低爐渣溫度。5)合理確定濺渣工藝參數(shù) 合理的濺渣工藝參數(shù)．主要是根據(jù)具體的轉(zhuǎn)爐爐形尺寸，確定能在盡可能短的時間內(nèi)將爐渣均勻噴濺涂敷在整個爐襯表面，并對渣線。耳軸兩側(cè)等易于熔損的部位能形成厚而致密的濺渣層所要求的噴吹工藝參數(shù)。它主要包括以下幾項：(1)噴吹氮氣的工作壓力和流量(2)確定最佳的濺渣槍位。

(3)設(shè)計適宜的噴槍結(jié)構(gòu)相尺寸參數(shù)（如噴孔數(shù)目、噴孔夾角和喉口直徑）。

高壓氮氣是濺渣的動力，其壓力和流量直接影響到濺渣護爐的效果。當?shù)獨鈮毫土髁坎蛔銜r，爐渣濺起高度不夠，將會導(dǎo)致耳軸以上濺渣層薄，爐底濺渣層較厚，造成爐底上漲，底部供氣元件堵塞，不利于爐襯維護和冶煉操作。氮氣壓力較大時，濺渣高度可達爐口上部，爐襯渣層較為均勻，能有效控制爐底上漲和減少耳軸以上部位爐襯侵蝕。但氮氣壓力過高，對爐底沖刷嚴重，而且也會增加濺渣護爐的成本。關(guān)于濺渣護爐噴吹氮氣的工作壓力和流量的確定，國內(nèi)外做過很多研究工作。用文獻的公式可以計算出氮氣射流對熔池的沖擊能量，用文獻的公式可以計算出氮氣射流對渣層的穿透深度。按照各廠濺渣經(jīng)驗，一般情況下，濺渣護爐吹氮的工作壓力、流量與轉(zhuǎn)爐吹煉時吹氧的工作壓力和流量相差不多時，其射流作用于爐渣的能量轉(zhuǎn)換才最為合理。國內(nèi)外較為成熟的濺渣工藝是：氮氣工作壓力在0.9～1.0Mpa，流量為20000～22000。由于轉(zhuǎn)爐的公稱容量不同，所以濺渣的氮氣壓力、流量存在差異。

6)濺渣操作程序

普通轉(zhuǎn)爐廠的濺渣護爐工藝操作程序如下：

(1）轉(zhuǎn)爐出鋼時，煉鋼工應(yīng)密切注意爐內(nèi)鋼水狀況及渣況．保證出凈鋼水，嚴禁爐內(nèi)留有殘鋼(否則易引起濺渣粘槍及金屬噴濺)；

(2)轉(zhuǎn)爐出鋼過程中及結(jié)束后．煉鋼工應(yīng)觀察爐渣的顏色及流動性，判斷爐渣的溫度、粘度等狀況，確定是否加入調(diào)渣劑：

(3)同時，煉鋼工應(yīng)觀察爐襯的熔損狀況(有條件的廠家可參考激光測距儀的掃描結(jié)果)，決定是否對爐襯某些的部位進行重點濺渣或噴補，(4）操作工將轉(zhuǎn)爐搖至零位，如需調(diào)整渣況，則加入調(diào)渣劑：

(5)操作工將氧槍降到預(yù)定的槍位，調(diào)節(jié)氮氣流量(或壓力)符合規(guī)程的要求：

(6)操作工在濺渣的過程中，可適當改變槍位．以求得濺渣量的最大效果或固定某一槍位噴濺一個特定位置；

(7）操作工觀察濺渣爐況，如果在正常時間內(nèi)爐口噴出小渣塊，證明濺渣狀況良好．可正規(guī)程規(guī)定的時間內(nèi)結(jié)束濺渣。

(8）濺渣即將結(jié)束前．適當降低槍位，進一步提高濺渣量，結(jié)束濺渣，提槍、切斷氮氣；(9）在結(jié)束濺渣提槍的同時，觀察氧槍是否粘槍；(10)在搖爐掛渣結(jié)束后，將剩余的爐渣倒入渣罐；(11）煉鋼工觀察爐襯，判斷濺渣效果；(12)如果氧槍粘槍嚴重，則采取措施處理氧槍；(13）進行下一爐冶煉。

如果在復(fù)吹轉(zhuǎn)爐上濺渣．則應(yīng)注意的問題如下：(1)注意在濺渣過程中的底吹氣體流量的變化情況；

(2）為保證底部供氣元件的暢通，可在濺渣過程中適當提高底部供氣強度；(3)在濺渣后，如果發(fā)現(xiàn)底吹供氣元件有堵塞現(xiàn)象，應(yīng)立即采取復(fù)通措施。

7)濺渣時間與濺渣頻率(1)濺渣時間

濺渣時間是濺渣操作中的一個重要工藝參數(shù)，各個廠家根據(jù)自己車間的生產(chǎn)節(jié)奏靈活掌握。濺渣時間過短，不能起到濺渣的效果，過長將會浪費氮氣、致使爐襯降溫過多，影響下爐冶煉等很多危害。

目前各廠家的濺渣時間定為2．5—4min。濺渣時間過短．爐渣沒有得到充分的冷卻和混勻，爐渣條件比較差，即使濺到爐壁上，也不能很好地掛上，起不到護爐的作用。在爐況正常的條件下，濺渣時間越長，爐襯掛渣越多．但也易造成爐底上漲扣粘槍。在留渣量較小時，也會造成爐底磨損增大，爐底壽命下降。尢其是在爐渣溫度過低的或流動性較差的時候，爐渣濺不起來，如果一味地延長濺渣時間，由于渣況不良．濺渣時間再長，起不到濺渣的效果。反而，由于濺渣時間的延長．爐襯溫度降的過低，即浪費了氮氣也影響后續(xù)的煉鋼操作．同時也降低生產(chǎn)效率．(2)濺渣頻率

A 開始濺渣護爐的時機

在一個爐役中，什么時間開始濺渣護爐，要根據(jù)各廠的具體情況確定。原則上由操作工根據(jù)對爐襯侵蝕情況的觀察結(jié)果決定，若爐襯有明顯的損耗．則應(yīng)開始濺渣護爐。一般從爐役的中期開始濺渣護爐．即在起始補爐時就應(yīng)開始濺渣護爐。B 濺渣的頻率

濺渣頻率，即為合理濺渣的間隔爐數(shù)．是濺渣護爐的重要操作工藝參數(shù)之一。

濺渣頻率，可以概括為“前期不濺、中期兩爐一濺、中后期爐爐濺”。掌握濺渣頻率的關(guān)鍵是在中后期爐爐濺渣。只有在爐役中后期堅持爐爐濺渣護爐，才能使爐襯損耗最小并達到動態(tài)平衡，是實現(xiàn)爐襯長壽的理想操作。在爐襯厚度為400mm左右時應(yīng)保持爐爐濺渣，力爭爐襯厚度保持在300-400mm之間，形成動態(tài)平衡．有利于形成永久爐襯。8)合理控制轉(zhuǎn)爐出鋼溫度

濺渣層的熔損侵蝕主要發(fā)生在轉(zhuǎn)爐吹煉后期，由于熔池溫度升高而超過了濺渣層的熔化溫度，使濺渣層迅速熔化。因此，合理控制轉(zhuǎn)爐出鋼溫度，對采用濺渣護爐工藝的轉(zhuǎn)爐進一步提高爐齡有重要意義。

⑴用濺渣護爐工藝后，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度對爐齡有明顯的影響。隨著出鋼溫度的降低，爐齡線性提高，爐齡與出鋼溫度的關(guān)系為[17]：

………………………………………………….式（2）

式（2）可說明采用濺渣護爐工藝后，出鋼溫度平均降低1℃，轉(zhuǎn)爐爐齡可提高121爐。⑵LTV哈伯廠能連續(xù)創(chuàng)造轉(zhuǎn)達爐爐齡世界新記錄，主要得益于轉(zhuǎn)爐出鋼溫度比較低，而LTV東方廠采用同樣的濺渣護爐工藝，由于出鋼溫度偏高，造成爐齡明顯降低。我國寶鋼煉鋼廠，濺渣護爐工藝掌握比較好，但因出鋼溫度偏高，造成與LTV哈伯廠爐齡差距較大。同樣，太鋼、鞍鋼、首都鋼二煉、石鋼等廠的出鋼溫度明顯偏高。若能適當降低出鋼溫度,有利于大幅度提高轉(zhuǎn)爐爐齡。

轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝配置對出鋼溫度的影響和降低出鋼溫度的關(guān)系。采用濺渣護爐技術(shù)的轉(zhuǎn)爐廠，今后一定要結(jié)合本廠的設(shè)備狀況、工藝配置和冶煉品種等因素，采用必要的技術(shù)措施，努力降低出鋼溫度，轉(zhuǎn)爐爐齡將會有大幅度提高。3.2.4 濺渣效果與爐況監(jiān)測

在濺渣操作的初期，為了下斷改進濺渣操作工藝，應(yīng)該不斷對濺渣效果進行觀察。為了有效地觀察爐襯濺渣的效果，在煉鋼過程的一倒、二倒及出鋼的過程中應(yīng)不斷地觀察爐襯表面，保證對前一爐濺渣層的工作效果及磚縫暴露情況．做祥細了解。濺渣之后，也可以立即倒爐觀察爐況。良好的濺渣效果，應(yīng)是爐襯的內(nèi)表面由上至下均勻地濺涂上了一層爐渣，如果在上一爐磚縫已暴露．在濺渣后由于濺渣層的敷蓋，磚縫應(yīng)消失．同時在下一爐冶煉中利用各種機會，密切注意爐襯的熔損狀況，為掌握以后的濺渣效果打下基礎(chǔ)。應(yīng)對本廠轉(zhuǎn)爐在各種不同的冶煉工藝條件下，每濺渣一次后可冶煉的爐數(shù)，做到心中有數(shù)；

在有條件的企業(yè)．則可采用激光測距儀來定期測量爐襯的蝕損速度。采用激光測距儀，一般應(yīng)每天測量一次爐襯厚度，以便準確地監(jiān)視爐襯各部位厚度的變化情況，根據(jù)激光測距儀煶供的數(shù)據(jù)，合理地控制濺渣層厚度．評估濺渣的質(zhì)量．對爐襯的薄弱部位，應(yīng)合理地控制噴補，提高噴補料的利用率．并應(yīng)控制濺渣層厚度及濺渣頻率，均衡爐襯厚度。還應(yīng)根據(jù)激光測距儀提供的數(shù)據(jù)對爐座的停開提供依據(jù)(激光測距儀的測量實例見本書節(jié)4.4)。3.2.5 氧槍(濺渣）的設(shè)計

濺渣護爐要求氧槍應(yīng)能保證在3分鐘左右的濺渣時間內(nèi)，在爐襯各部位形成所要求的濺渣層厚度，還要有較長的槍齡和低的氮氣消耗量．

濺渣護爐依靠氮氣射流作為動力沖擊爐渣使其飛濺到爐襯內(nèi)表面形成濺渣層、如果煉鋼與濺渣采用同一氧槍．則噴頭參數(shù)應(yīng)主要按滿足煉鋼工藝要求進廠設(shè)計。我國中、小型轉(zhuǎn)爐大多數(shù)都采用同一氧槍進行煉鋼與濺渣操作．如果有必要采用專用噴槍濺渣，則應(yīng)根據(jù)濺渣護爐的工藝特點．選取濺渣專用槍設(shè)計參數(shù)．

把噴孔出口馬赫數(shù)提高到22.0-2.3，這樣可以提高射流的出口速度．使單位體積的氮氣具有更高的能量，采用高馬赫數(shù)槍噴吹氮氣，可使濺渣護爐氮氣消耗量下降20%。

由表3-9可知，當Ma值由1.8提高到2.4,每1m3氮氣的出口射流動量增加16.3%。高動量射流的速度衰減慢，效率高。

采田高馬赫數(shù)射流，需要提高滯止壓力。目前寶鋼濺渣護爐用噴槍Ma=2.1。當?shù)獨鈿庠磯毫μ岣吆驧a。還可進一步提高． 下面分項討論幾個問題。

(1)噴頭的噴孔數(shù)。隨著爐子容量增加，應(yīng)適當增加噴頭的噴孔數(shù)，這樣可以使濺渣層厚度更均勻。噴孔數(shù)目增加會使每孔的氮氣流量下降．因此要與提高噴孔出口馬赫數(shù)結(jié)合起來進行考慮。濺渣用噴槍的噴孔數(shù)可參考表3-10中的數(shù)字。

(2)噴孔傾角。專用濺渣氧槍噴孔的傾角可取120-140LTV鋼公司250t轉(zhuǎn)爐使用120噴孔傾角效果最好。寶鋼300t轉(zhuǎn)爐使用過140的噴孔傾角也有較好的效果。國內(nèi)多數(shù)轉(zhuǎn)爐的氧槍噴頭在90一140范圍。噴孔的傾角與爐子高寬比有關(guān)，高寬比小的爐子，傾角可大些。例如鞍鋼轉(zhuǎn)爐的高寬比為1.17，其噴孔傾角為140；寶鋼轉(zhuǎn)爐高寬比為1.59，其噴孔傾角為120；有些鋼廣采用110傾角噴孔，其效果也較好。我國一些轉(zhuǎn)爐經(jīng)過擴容后其H/D值下降．對于同一座轉(zhuǎn)爐新砌爐襯與中后期爐襯的H/D可相差15-20%．在實際操作中可以通過調(diào)整噴吹壓力與槍位對濺渣情況加以調(diào)節(jié)，噴孔傾角并非只在120為最好，可以在一定范圍內(nèi)選取，(3j氧槍冷卻。濺渣護爐過程中氧槍的熱負荷低于煉鋼過程(大約相當于煉鋼熱負荷的25-30%)，但氧槍噴頭及槍體下部粘渣嚴重，需要加強局部冷卻。目前對這方面的研究工作還很少。

3.2.6 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐濺渣工藝

底部供氣元件穩(wěn)定長壽和暢通是保證復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉工藝正常進行的關(guān)鍵設(shè)備之一。從1992年美國LTV鋼公司印地安那港廠采用濺渣護爐以來爐齡不斷地創(chuàng)造出新紀錄．但是同時出現(xiàn)轉(zhuǎn)爐復(fù)吹比不斷下降，即底部供氣元件堵塞嚴重，我國復(fù)吹轉(zhuǎn)爐濺渣護爐也遇到了同樣問題。

1）復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底部供氣元件 底部供氣元件結(jié)構(gòu)有套管噴嘴型、磚縫組合型、細金屬管多孔型等，連通供氣室及輸氣管道組成底部供氣元件。目前普遍應(yīng)用是細金屬管多孔型的底部供氣元件．根據(jù)轉(zhuǎn)爐裝入量、爐壁及冶煉鋼種等。有不同支數(shù)底部件氣元件布置方案。如圖3-8示鞍鋼180t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底部供氣元件構(gòu)造及布置。供氣元件是由內(nèi)徑ф4mm不銹鋼管19根，接著每兩管中心距離為16—24mm布置在長、寬、高為150，150，1150mm的鎂碳磚中。經(jīng)過等壓成型，低溫熱處理烘干以及氣室焊接和組裝后，鑲嵌在爐底上位于0.4D(D為爐底內(nèi)徑)圓周上且平行于耳軸方向上兩支底部供氣元件。唐鋼一鋼軋廠透氣磚確定為奧鎂公司生產(chǎn)的鎂碳質(zhì)24孔針管式透氣磚（圖6）。針管布置形式為4排×6根。常溫耐壓強度40MPa，高溫抗折強度（1400℃，30min）14MPa。具有較好的抗侵蝕性能、抗熱震性能。

磚體 上端面 圖6 透氣磚示意圖

底吹噴嘴冷卻介質(zhì)是N2和CO2，CO2冷卻介質(zhì)是采用Na2CO3水溶液吸收石灰窯放出氣體中的CO2，經(jīng)過低溫分解出純度高的CO2氣體。CO2不僅作為冷卻介質(zhì)冷卻底吹噴嚏，而且吹入鋼液中不發(fā)生污染，起著很好的攪拌作用.因為CO2又是一種弱氧化性氣體，在冶煉過程中對底吹噴嘴輕微堵塞有著輔通的作用，尤其是對采用濺渣護爐之后，爐底經(jīng)常有剽余的溫度低、粘度大的爐渣覆蓋在噴嘴口之上而發(fā)生堵塞的輸通作用。2）底部供氣元件噴嘴的維護

經(jīng)過“七五”攻關(guān)，鞍鋼三煉鋼廠技術(shù)人員，基本上掌握了底部供氣元件冶煉操作工藝參數(shù)、熱修補等維護手段，尤其是使底吹噴嘴口處形成一定尺寸的蘑菇頭的保護技術(shù)。如圖3—10所示，不同的碳含量的金屬液和高熔點氧化物凝固在底吹噴嘴口處而形成留蘑菇

頭，其內(nèi)部形成0.11一1.10mm的網(wǎng)狀微孔。它不僅防止從噴嘴口滲入鋼液堵塞供氣元件，隔離鐵水與其相接觸，減緩噴嘴蝕損速度，又能保證穩(wěn)定的透氣性，而且可以調(diào)節(jié)氣體流量。⑴爐渣—金屬蘑菇頭組織結(jié)構(gòu)、形成機理

①爐渣—金屬蘑菇頭的結(jié)構(gòu)，爐渣—金屬蘑菇頭自下而上形成 3 種結(jié)構(gòu)：

a.金屬蘑菇頭—氣囊?guī)В盒纬沙跗冢捎跉饬骼淠饔茫诮饘倜毠芏瞬坷鋮s形成單一的小型金屬蘑菇頭，并在每個金屬蘑菇頭間形成氣囊。

b.放射性氣孔帶：在濺渣過程中，氣流以射流形式穿透渣層，冷凝后形成。

c.迷宮式彌散氣孔帶：在放射性氣孔帶上方，爐渣繼續(xù)冷卻，由于爐渣—金屬蘑菇頭長大對氣流的阻力加大，使氣體的流動受爐渣冷凝不均勻的影響，隨機改變流動方向，形成彌散細小的氣孔通道。

②爐渣—金屬蘑菇頭具有以下優(yōu)點：

a.增大了蘑菇頭的體積。濺渣過程中在金屬蘑菇頭表面冷凝沉積大量透氣爐渣，體積比金屬蘑菇頭大萬倍，不易被熔蝕。

b.提高了蘑菇頭表面抗沖刷的能力。底吹氣體通過蘑菇頭表面迷宮式彌散細小的氣孔（＜1mm），大幅度減輕了“沖刷侵蝕，蘑菇頭表面不會形成凹坑。

c.提高了蘑菇頭的熔點和抗氧化能力。爐渣蘑菇頭堿度≥3.5，MgO 和 FeO含量高，因此熔點高，不易氧化，可形成永久性蘑菇頭保護爐底噴嘴。

⑵爐渣—金屬蘑菇頭形成對渣的要求： 為保證爐渣—金屬蘑菇頭形成，該渣層對轉(zhuǎn)爐初期渣應(yīng)有較強的抗侵蝕能力，而對轉(zhuǎn)爐冶煉后期應(yīng)具有抗高溫侵蝕能力。因此，為保證該渣層的耐高溫性能，盡可能提高終渣的熔化性溫度成為合理控制終渣的主要目的。

3.3計算機控制轉(zhuǎn)爐冶煉終點技術(shù)

氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼過程是一個非常復(fù)雜的多元多相高溫反應(yīng)過程，反應(yīng)極其復(fù)雜，冶煉周期短，需要控制和調(diào)整的參數(shù)很多，影響鋼水終點成分和溫度的因素很多，再加上為了回收煤氣需要降下活動煙罩畢罩操作。所以單憑煉鋼操作人員的經(jīng)驗判斷來控制冶煉過程，冶煉終點命中率低，已不能適應(yīng)現(xiàn)代煉鋼生產(chǎn)的需要。而用計算機控制煉鋼過程能在較短時間內(nèi)對冶煉過程的各種復(fù)雜參數(shù)進行快速的計算處理，并給出相應(yīng)的動作指令，準確命中冶煉終點，冶煉出成分和溫度合格的鋼水。實踐證明，應(yīng)用電子計算機控制煉鋼過程可以顯著提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率和鋼水質(zhì)量，縮短冶煉時間，降低原材料消耗及改善勞動條件。

六十年代以來，隨著氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼、電子計算機和檢測技術(shù)的迅速發(fā)展，開始應(yīng)用計算機控制轉(zhuǎn)爐煉鋼過程。美國Jones&Laughlin鋼鐵公司首先在世界上成功的開發(fā)了轉(zhuǎn)爐靜態(tài)控制模型，并應(yīng)用于實際生產(chǎn)，從此開始了轉(zhuǎn)爐煉鋼的自動控制時代。經(jīng)過30多年的發(fā)展，轉(zhuǎn)爐煉鋼自動控制技術(shù)取得了很大的發(fā)展，從靜態(tài)控制發(fā)展到動態(tài)控制。

轉(zhuǎn)爐冶煉計算機自動控制系統(tǒng)包括計算機系統(tǒng)，電子稱量系統(tǒng)，檢測調(diào)節(jié)系統(tǒng)，邏輯控制系統(tǒng)，顯示裝置及副槍設(shè)備等。

轉(zhuǎn)爐冶煉的計算機自動控制系統(tǒng)通常應(yīng)具備如下功能：工藝過程參數(shù)的自動收集，處理和記錄；根據(jù)模型計算鐵水、廢鋼、散狀料、鐵合金和氧氣等各種原料用量；吹煉過程的自動控制，包括靜態(tài)控制、動態(tài)控制和全自動控制，人－機聯(lián)系，包括各種顯示器報告冶煉過程和向計算機輸入信息；控制系統(tǒng)本身的故障處理；生產(chǎn)管理，包括向后步工序輸出信息以及打印每爐冶煉記錄和報表等。

轉(zhuǎn)爐冶煉過程的計算機自動控制發(fā)展較快的是冶煉終點的靜態(tài)控制和動態(tài)控制。

（1）靜態(tài)控制模型

靜態(tài)模型是以物料平衡和熱平衡計算為基礎(chǔ)建立一定的數(shù)學(xué)模型，按照已知的原料條件和吹煉終點溫度和成分要求，計算鐵水、廢鋼、造渣材料（石灰、白云石等）的加入量和吹氧量，按照計算結(jié)果裝料和吹煉，在吹煉過程中不再進行任何修正，并保證能基本命中控制目標值的控制方法。

靜態(tài)模型依據(jù)建模方法的不同大致分為三類：理論模型、統(tǒng)計模型和增量模型。1）理論模型

理論模型從冶金機理出發(fā)，以質(zhì)量平衡、能量平衡為基礎(chǔ)，通過理論推導(dǎo)確定各變量之間關(guān)系。

六十年代初，美國Jones&Loughlin鋼鐵公司的W?J?Slatosky以煉鋼過程中的物理化學(xué)反應(yīng)機理為依據(jù)，根據(jù)物料平衡和能量平衡原理，計算出為了達到終點目標碳含量和溫度所需的各種原材料和輔料加入量、吹氧量和冷卻劑加入量。其他一些公司在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出了改進的理論模型，并在實際生產(chǎn)中投入使用，取得了較好的控制效果，終點碳溫控制命中率可以達到40～50%。原材料消耗減少，平均冶煉時間縮短，提高了轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率。

由于理論模型是從冶金理論出發(fā)，因而這類模型的開發(fā)相對復(fù)雜，周期較長，同時由于過程不可測干擾的影響，單純的機理模型常常難以滿足現(xiàn)場的要求。2）統(tǒng)計模型

理論模型從煉鋼反應(yīng)的物化原理出發(fā)，對吹煉過程進行數(shù)學(xué)描述。由于爐內(nèi)反應(yīng)的復(fù)雜性，理論模型不可能完全正確的描述煉鋼反應(yīng)的實際情況，因此理論模型計算結(jié)果與實際結(jié)果存在較大的偏差，終點命中率較低。為了克服理論模型的不足，又發(fā)展了統(tǒng)計模型。統(tǒng)計模型不需要對煉鋼反應(yīng)過程進行了深入了解和分析，而是對于大量實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計回歸，得到影響吹氧量和冷卻劑加入量的各變量間的關(guān)系。

統(tǒng)計模型則是單純采用統(tǒng)計的方法，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集、整理與統(tǒng)計分析，確立模型的建模方法。這種方法其過程相對簡單，但由于冶金過程機理復(fù)雜，干擾因素眾多，目前統(tǒng)計模型還不能有效的覆蓋各種冶煉模式，因而其適用范圍有限。3）增量模型

統(tǒng)計模型雖然部分克服了理論模型的不足，但統(tǒng)計模型本身還存在對系統(tǒng)變化反應(yīng)滯后，模型推廣適用性差等缺點，影響統(tǒng)計模型的控制效果。為了進一步提高靜態(tài)模型的控制精度和提高模型對吹煉系統(tǒng)變化的適應(yīng)能力，開發(fā)了增量模型。

增量模型的原理是以前一爐或前幾爐的實際操作結(jié)果作為本爐的參考爐，根據(jù)參考爐的實際吹煉結(jié)果和參考爐與本爐初始條件的差別，計算本爐吹煉工藝參數(shù)。增量模型將轉(zhuǎn)爐整個爐役期間工藝因素變化的影響看作是連續(xù)函數(shù)，相鄰兩爐爐型對操作結(jié)果的影響由于相差甚微而看成是一樣的。這樣以上一爐操作情況為基礎(chǔ)，對下一爐操作因素的變化加以修正，作為下一爐數(shù)學(xué)模型。其數(shù)學(xué)通式為：

y0=y1+f(x0－x1)…………………………………………………(1)式中：

y0——下一爐控制參數(shù)的目標值； y1——上一爐控制參數(shù)的實際結(jié)果； x0——下一爐的變量； x1——上一爐的變量。

由于增量模型將整個爐役期作為一個連續(xù)變化的過程，克服了原料波動、計算誤差、爐容變化等對模型計算結(jié)果造成的影響，提高了模型的計算精度。與理論模型和統(tǒng)計模型相比，提高了模型對系統(tǒng)變化的應(yīng)變能力，增強了模型的自學(xué)習(xí)功能。因此得到廣泛的應(yīng)用，成為使用最多、效果較好的靜態(tài)模型。

實際應(yīng)用中，以上方法往往是相互結(jié)合，取長補短，以提高控制精度。對于靜態(tài)模型，影響其精度的關(guān)鍵是輸入數(shù)據(jù)的精度和冶煉過程的可再現(xiàn)性。（2）動態(tài)控制模型 靜態(tài)控制只考慮始態(tài)與終態(tài)之間的變量關(guān)系，不考慮變量隨時間的變化，因而靜態(tài)控制的命中率是有限的，為了提高命中率，應(yīng)根據(jù)吹煉中檢測的金屬成分，溫度及爐渣狀況等相關(guān)量隨時間變化的動態(tài)控制信息對吹煉參數(shù)進行修正，以達到預(yù)定的吹煉目標，這種方法稱為動態(tài)控制。冶煉過程中熔池反應(yīng)信息的檢測是實現(xiàn)動態(tài)控制的基礎(chǔ)。動態(tài)控制是在靜態(tài)控制的基礎(chǔ)上，除進行裝料計算外，應(yīng)用副槍等檢測手段檢測吹煉過程中鋼液成分、溫度及爐渣狀況等有關(guān)變量隨時間變化的動態(tài)信息，反饋給計算機，計算機依據(jù)獲得的信息及時修正吹煉軌道，達到預(yù)定吹煉目標。它比較真實的反映了熔池情況，命中率一般比靜態(tài)控制顯著提高。動態(tài)控制又有吹煉條件控制和終點控制兩種方式。

1）吹煉條件控制 這種方式不是直接控制終點，而是使整個吹煉過程按標準狀態(tài)進行，或控制成渣過程，使吹煉穩(wěn)定，熔池含碳量和溫度沿著一定的軌道變化。代表這種方式的有CRM模型和克虜伯模型。

CRM模型是通過連續(xù)測定廢氣溫度和爐口噪聲推定熔池的脫碳速度和成渣過程。發(fā)現(xiàn)脫碳速度和升溫速度與預(yù)計軌道不符時，調(diào)節(jié)供氧量和槍位進行校正。在噪聲降低到預(yù)定范圍時，即穩(wěn)定供氧量和槍位。

克虜伯模型是測定廢氣溫度，據(jù)以控制供氧量和槍位，使廢氣溫度和脫碳速度與給定值相一致。當成渣不良或發(fā)生噴濺前，可以提槍調(diào)節(jié)脫碳速度，使吹煉穩(wěn)定。

2）終點控制 這種方式又分為軌道跟蹤法和動態(tài)停吹法。

（1）軌道跟蹤法。吹煉后期的脫碳速度和升溫速度是有規(guī)律的。軌道跟蹤法是在吹煉后期，參照以往的典型曲線，將測得的含碳量和溫度信息輸入計算機，算出預(yù)計的曲線。最初預(yù)計的曲線與實際曲線相差較大，但以此為基礎(chǔ)，繼續(xù)用檢測的信息算出新的預(yù)計曲線。新曲線雖與實際曲線仍有差異，但已較為接近。這樣反復(fù)進行，直至吹煉終點。越接近終點，預(yù)計曲線越接近實際曲線。

該方法認為吹煉后期的脫碳速度規(guī)律呈指數(shù)衰減方式，其指數(shù)方程為：

R－冶煉過程中瞬時脫碳速度； RP－冶煉過程中最大脫碳速度

K－常數(shù)

C－脫碳速度為R時的熔池含碳量，％； C0－R外推到零時的熔池含碳量，％； O－氧氣，m3。將上式整理成下式：

根據(jù)冶煉過程中獲得的氣體分析和流量數(shù)據(jù)可以計算脫碳速度，從而由前式可以解出系數(shù)K，式中RP以吹煉中期測得的R平均值代替，然后由上式用迭代法算出熔池含碳量。將前式(R)整理并積分，從而求出達到目標含碳量Cf時所需的氧量：

用一個獨立的系數(shù)來測定熔池溫度，并把測得數(shù)據(jù)代入下面的經(jīng)驗性方程，以確定終點溫度。Tf＝Tb＋A?△OT Tf－目標終點溫度；

Tb－測得熔池溫度；

A－單位吹氧量的升溫值，常數(shù)；

△OT－從測溫時起到目標溫度時應(yīng)吹入的氧量。

過程控制計算機對算出的達到目標含碳量和目標溫度所需的氧氣量OC和OT進行比較，若OC＝OT即達到目標含碳量和達到目標溫度所需的氧氣量相等，則無需調(diào)整操作。若OC＞OT應(yīng)加入冷卻劑；若OC＜OT則應(yīng)提高搶位使終點碳和溫度同時命中目標值。

軌道跟蹤法用計算機每5秒鐘從檢測系統(tǒng)采用一套新的瞬時熔池數(shù)據(jù)，對計算結(jié)果做一次校正，這樣反復(fù)進行，直到吹煉終點。越接近終點，預(yù)計的吹煉曲線越接近實際曲線。（2）動態(tài)停吹法。開吹前先用靜態(tài)模型進行裝料計算。接近終點時，由測得的信息，根據(jù)對接近爐次或類似爐次的回歸分析獲得的脫碳速度vc與含碳量[C]的關(guān)系，以及升溫速度vT與溫度T的關(guān)系，判斷最佳停吹點。停吹后按需要允許作相應(yīng)的修正動作。最佳停吹點應(yīng)是含碳量[C]和溫度T同時命中，或含碳量和溫度二者有一項命中，但另一項不需補吹，只經(jīng)某些修正動作即可達到目標要求。如圖所示。

軌跡1是停吹時[C] 和T同時命中；軌跡2和3是二者不能同時命中，但不必補吹，只需作軌跡6和7軌跡修正就可以達到目標值，也不需在吹煉過程中作軌跡4和5修正。動態(tài)停吹法的優(yōu)點是操作簡便，有可能實行固定操作。

1.2.1 檢測技術(shù)

要實現(xiàn)煉鋼的自動化，檢測儀表是一個重要的前提，只有對生產(chǎn)過程中所需的各個參數(shù)進行準確而又及時的測量，才能使各種控制技術(shù)和方法得以實施。在轉(zhuǎn)爐煉鋼中，需要檢測的參數(shù)主要有：鋼液溫度、鋼液成分、液面高度等[7]。1．副槍檢測技術(shù)

目前，熔池溫度的測定有多種方法，包括熱電偶測溫、導(dǎo)光測溫和副槍測溫等，而應(yīng)用最為廣泛的是副槍，它不僅能測溫，而且還能定碳。副槍檢測技術(shù)最早由美國伯利恒鋼鐵公司發(fā)明，后由日本幾個大鋼鐵公司不斷改進和完善，取得了巨大成功。全世界有100個以上的副槍系統(tǒng)在使用，1991年全世界轉(zhuǎn)爐煉鋼產(chǎn)量為4億3千萬噸，其中1億5千萬噸是使用副槍技術(shù)冶煉的。

美國Inland鋼鐵公司[8]所采用的副槍有5個探頭貯藏室，每個貯藏室可以容納20支探頭，這些探頭分為4類，分別用于測量熔池溫度、氧氣活度、液面高度凝固溫度及取樣。由計算機自動選擇探頭或手工選擇探頭，以便根據(jù)需要測量不同的參數(shù)。從副槍測得的信號傳送導(dǎo)DIRC-2型信號分析器，通過該裝置確定鋼液的溫度或氧的活度等。由于空間上的原因，在小于100t的轉(zhuǎn)爐上安裝副槍會出現(xiàn)一些問題，通過轉(zhuǎn)爐爐口在氧槍旁安裝一只副槍實際上是不可能的。針對這一情況，1992年奧鋼聯(lián)開發(fā)了一種傾斜式副槍裝置[9]，稱為Slantee副槍。副槍通過轉(zhuǎn)爐錐體段由側(cè)面進入爐內(nèi)，從而不會干擾吹煉操作。這種副槍可以測量溶池溫度，確定含碳量及氧活度，并可進行取樣操作。

（3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型

所謂人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是人們對人腦神經(jīng)系統(tǒng)所作的抽象、簡化和模仿所得到的復(fù)雜信息處理系統(tǒng)。它由很多類似人腦神經(jīng)細胞的單元——神經(jīng)元所組成。單個的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)簡單，功能有限，但大量神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)卻十分復(fù)雜且具有強大的功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強的容錯性、學(xué)習(xí)性、自適應(yīng)性和非線性的映射能力，特別適合于解決因果關(guān)系復(fù)雜的非確定性推理、判斷、識別和分類等問題，為冶金過程數(shù)據(jù)處理提供了一種新的方法。轉(zhuǎn)爐煉鋼是一個非常復(fù)雜的周期性升溫降碳過程，期間存在著許多難以定量的因素，建立一個準確的數(shù)學(xué)模型非常困難[2]，轉(zhuǎn)爐冶煉終點控制的傳統(tǒng)方法是看火焰憑經(jīng)驗煉鋼，致使終點命中率較低，容易造成后吹。普通的靜態(tài)模型計算精度差，目標命中率低，實際生產(chǎn)中的應(yīng)用效果不是很好。而動態(tài)控制，