棕剛玉冶煉用混合爐料物料配比計算方法的探討（連載二）

貴州達眾第七砂輪有限責任公司 胡勇 / 文

2 使用傳統方法存在問題和需要注意事項的討論

2.1

存在的問題

2。1。1 矽鐵比概念理解存在歧義

在棕剛玉冶煉用混合爐料物料配比計算傳統方法計算公式（2）、（4）中，規定 K 為“矽鐵中鐵矽比”，其定義是指矽鐵中鐵元素百分含量與矽元素百分含量的比值。由於棕剛玉冶煉過程中，混合爐料中二氧化矽還原反應途徑多樣化，除了一部分還原為單質矽進而生成矽鐵除去外，其餘則要麼生成 SiO 等氣體除去，要麼以二氧化矽形式少量殘存沒有被還原，致使實際矽鐵中的鐵矽比與混合爐料配比計算及配料作業時使用的“矽鐵中鐵矽比”並不一致，實際矽鐵中的鐵矽比才是真正的矽鐵中鐵矽比，而混合爐料配比計算及配料作業所使用的“矽鐵中鐵矽比”不是真正的矽鐵中鐵矽比，所以 K要表達的不是矽鐵中鐵矽比，而是為了滿足一定的物料配比需要所規定的一個引數，這個引數可以用“配料鐵矽比”這一概念術語來表述，其定義為混合爐料中的鐵元素百分含量與矽元素百分含量的比值。可見，“配料鐵矽比”與矽鐵中鐵矽比，是完全不同的兩個概念，傳統方法計算公式中所謂的“矽鐵中鐵矽比”實際上是“配料鐵矽比”，對其含義的理解和認識不同，導致對矽鐵比概念存在歧義。

2。1。2 配料矽鐵比範圍不同，取值有高有低

明確了計算公式（2）、（4）中 K 為配料鐵矽比後，配料鐵矽比如何取值是首先必須要解決的問題。配料鐵矽比取值範圍不同於矽鐵中鐵矽比取值範圍，但配料鐵矽比取值，顯然和矽鐵中鐵矽比密切相關，其目的主要是為了確保矽鐵中鐵矽比在適宜範圍內（4。5~6。5），以滿足促使雜質沉降分離和促進雜質還原反應的需要，滿足保證矽鐵的感磁效能的需要，同時還需要考慮鐵質新增劑的經濟使用。

根據有關資料推薦，矽鐵中鐵矽比的適宜取值範圍為 4。5~6。5，其所要表達的究竟是矽鐵中鐵矽比，還是配料鐵矽比？由於對矽鐵比概念理解存在歧義，有的是將矽鐵中矽鐵比直接視為配料鐵矽比，因而導致實際矽鐵中的鐵矽比值高於 4。5~6。5，一般會達到 6~8 甚至更高；有的則認為，這一要求是實際矽鐵中的鐵矽比，只要能保證實際矽鐵中的鐵矽比在規定範圍（4。5~6。5）即可，加上鐵質新增劑使用目的不同，以及冶煉裝備不同，所以配料鐵矽比取值往往較低，其取值大多小於 5。0。也就是說，由於對矽鐵比概念的理解和認識不同，在物料配比計算公式中採用的配料鐵矽比範圍不同，取值有高有低。

2。1。3 沒有專門量化反映三氧化二鋁的還原及其對物料配比的影響

在傳統方法中，一些確定性影響因素，在探討其對物料配比的影響時，是和所有其他隨機性影響因素一起，被視作隨機性影響因素簡化處理，沒有專門量化反映到物料配比計算公式中。

具體來講，傳統方法物料配比計算公式，只考慮了三氧化二鐵、二氧化矽、二氧化鈦的還原反應，實際上三氧化二鋁的還原不可避免，三氧化二鋁還原對物料配比必然產生影響。特別是當原材料中二氧化鈦含量高時，三氧化二鋁還原量更大，三氧化二鋁還原對物料配比的影響更不能忽視。

由於傳統方法計算公式所依據的反映物理化學原理的還原反應式不全面，不能準確地反映棕剛玉冶煉過程實際情況，混合爐料物料配比計算公式中，沒有專門量化反映三氧化二鋁的還原及其對物料配比的影響，因而物料配比準確性必然受到影響。

2。1。4 雜質還原程度採用固定值，不能準確反映冶煉過程實際情況

棕剛玉冶煉，需要將混合爐料中雜質三氧化二鐵、二氧化矽、二氧化鈦等還原去除，以便獲得化學組成符合要求的棕剛玉熔液。無論是從從化學平衡理論，還是從棕剛玉冶煉實踐來看，各種雜質均不可能全部還原去除，總是會殘留一定數量，因此對於使用不同質量的物料，這些雜質的還原程度是變化的，不是固定值；即使是使用同一原料、相同的物料配比，由於冶煉過程的複雜性和不可重複性，各種雜質還原程度也是不斷變化的，不會保持一致；而傳統方法計算公式中雜質的還原程度是固定值，這顯然不能準確反映棕剛玉冶煉過程的實際情況。

2。1。5 沒有專門量化反映鐵質新增劑中矽元素和三氧化二鐵對物料配比的影響

鐵質新增劑中矽元素和三氧化二鐵總是不可避免地存在。由於所能獲得的鐵質新增劑質量的下降，一是發生氧化作用或摻雜使三氧化二鐵含量增加，再就是存在一定量矽元素，需要將其視作確定性影響因素，其對碳質還原劑配比量和鐵質新增劑配比量的影響不可忽略，需要反映到物料配比計算公式中，而傳統方法計算公式中對此並沒有專門量化反映。

2。1。6 碳質還原劑配比調整係數選擇範圍寬泛

對於碳質還原劑理論配比量的調整，所規定的“碳質還原劑配比調整係數”，是綜合考慮了理論配比計算公式準確性（不區分確定性影響因素和隨機性影響因素）和冶煉實踐作業層面（隨機性影響因素）兩方面各種因素的共同作用，對理論配比計算公式進行調整而總體規定的一個經驗係數，物理含義籠統，選擇範圍寬泛，其準確取值需要透過冶煉實踐經驗確定，具體選定、適時調整。造成此問題的原因是，在於傳統方法沒有根據影響因素的性質和作用規律，將理論配比計算公式準確性的影響因素按照隨機性影響因素和確定性影響因素區分開來，更沒有把理論配比計算公式準確性的影響因素與冶煉實踐作業層面方面的影響因素區分開來，並據此按照各自的作用規律分別對碳質還原劑理論配比量進行調整。

2.2

需要注意的事項

2。2。1 計算公式對鋁礬土化學組成的適用要求

主要原料鋁礬土中二氧化鈦含量較低時（比如低於 2。5%），碳質還原劑理論配比量計算公式不適用，需要對原料組合選用重新調整，否則不僅不能保證棕剛玉中二氧化鈦含量在 1。5%~3。8% 範圍內，三氧化二鋁含量也會偏高；二氧化鈦含量也不能太高（比如大於7。5%），否則碳質還原劑理論配比量計算公式同樣不適用，也需要對原料組合選用重新調整，否則也不能保證棕剛玉中二氧化鈦含量在 1。5%~3。8% 範圍內，三氧化二鋁含量往往低於 94。5%。

2。2。2 棕剛玉化學組成不是點值而是範圍值

按照傳統方法計算公式進行計算，預期獲得的棕剛玉化學組成不是點值而是範圍值，沒有固定的目標值，因而使用同一鋁礬土或不同質量鋁礬土，特別是二氧化鈦不同的鋁礬土，按照計算的物料配比進行混合爐料配製，由於冶煉過程的複雜性和不可重複性，各種雜質還原程度不會保持一致，不同爐次冶煉產出的棕剛玉其化學組成不同，有一定變化範圍，棕剛玉產品技術條件對此進行了規定，即三氧化二鋁含量 94。5%~97。5%、二氧化鈦含量 1。5%~3。8%。因而，棕剛玉在化學組成符合技術條件的情況下，其具體化學組成有差別，導致其理化指標和技術性能不同，產品質量、用途也不完全相同。

反過來，由於棕剛玉產品技術條件規定化學組成有一定變化範圍，因而可以使用同一質量鋁礬土，只需改變計算公式中碳質還原劑配比調整係數，從而改變二氧化鈦等雜質的還原程度，改變物料配比以及透過爐前調整，就可獲得棕剛玉具體化學組成不同、但其化學組成在技術條件規定範圍內的符合要求的棕剛玉。更進一步要求，要使棕剛玉化學組成基本保持一致，具有固定的目標值，則必須改變計算公式中碳質還原劑配比調整係數，對物料配比進行調整，並輔之以爐前調整、控制才能實現。

2。2。3 原料質量呈現下降趨勢

隨著社會經濟的發展和科學技術的進步，產品市場和原料需求規模越來越大，市場對鋁礬土、碳質還原劑、鐵質新增劑的需求量也越來越大。鋁礬土、碳質還原劑都是不可再生的資源，特別是優質鋁礬土資源隨著不斷的開採和使用，其天然儲備量越來越少，甚至接近枯竭。市場競爭的結果，導致棕剛玉冶煉用的鋁礬土質量越來越差。鑄造技術的進步，使精密鑄造和無餘量鑄造得到很大的發展，鑄件加工餘量很小甚至不需加工就可直接使用，致使鑄鐵屑和鑄鋼屑的產出比和產量也在下降，而實際市場需求量卻在不斷增加，這一供需矛盾是科技進步和社會經濟發展的必然結果，直接導致棕剛玉冶煉用鐵質新增劑貨源緊張，質量下降也是不爭的事實。原料質量下降的結果，超標到一定程度，必然影響物料配比計算公式的準確性，進而影響物料配比的準確性。

2。2。4 鋁礬土質量下降，對物料配比準確性要求更高

鋁礬土質量下降，表現在棕剛玉冶煉實踐中，就是爐況不穩定、爐前操作難度大，作業條件惡化、物料飛揚和燃燒損失增大、爐中物料配比發生變化、爐前質量調整頻繁且調整量大，甚至導致安全事故，各項技術經濟指標不理想。這些不利影響，在物料配比不準確時會進一步惡化，因而鋁礬土質量下降，對物料配比準確性的要求更高。

2。2。5 鐵矽比取值選擇，受多種因素影響

由於對鐵矽比概念的理解和認識不同，以及在棕剛玉冶煉過程中追求的主要目的和棕剛玉產品用途的不同，因而對促使雜質沉降分離和促進雜質還原反應、保證矽鐵感磁效能的關注度不同，並受經濟使用鐵質新增劑的影響，從而影響鐵矽比取值選擇。

除了矽元素影響矽鐵感磁效能外，其他組分金屬元素比如鋁、鈦在矽鐵中含量較高時，其影響也不可忽略，從而影響鐵矽比取值選擇。

2。2。6 爐前調整是必不可少的工藝作業

對於碳質還原劑，由於調整配比計算公式中“碳質還原劑配比調整係數”是一個範圍值，具有一定不確定度，因此碳質還原劑調整配比量的準確性會受到影響，還要酌情考慮冶煉現場爐前調整量以彌補其不足，爐前調整是必不可少的工藝作業。考慮爐前調整量之後的碳質還原劑配比量，是碳質還原劑實際配比量，但只要碳質還原劑配比調整係數取值得當，則碳質還原劑調整配比量直接可作為實際配比量。

對於鐵質新增劑，一般不用考慮爐前調整量，將鐵質新增劑調整配比量或理論配比量直接作為實際配比量。

3 棕剛玉冶煉用混合爐料物料配比計算新方法推導

如前所述，透過對棕剛玉冶煉用混合爐料物料配比計算傳統方法的研究分析，以及對使用傳統方法存在問題和需要注意事項的討論，在此基礎上，本文提出了對原材料質量適用範圍更寬的“棕剛玉冶煉用混合爐料物料配比計算新方法”。在新方法中，物料配比也包括理論配比、調整配比和實際配比；計算公式也包括理論配比計算公式、調整配比計算公式。

3.1

理論配比計算公式

本著“改進理論模型以提高物料配比準確性”的原則，在新方法推導中，就理論配比計算公式準確性影響因素，克服和改進了傳統方法中認識的不足，將理論配比計算公式準確性影響因素按照隨機性影響因素和確定性影響因素區分開來，將影響理論配比計算公式準確性的確定性因素儘可能地專門量化處理到計算公式中。

在新方法中，理論配比計算公式的推導，考慮到了棕剛玉冶煉過程如下實際情況，並做出了規定，這也是新方法理論配比計算公式成立的條件：

（1）棕剛玉化學組成目標值：三氧化二鋁含量95。0%~96。0%、二氧化鈦含量 2。5%~3。5%，這是基於棕剛玉的普遍適用性而規定的化學組成；也可根據冶煉目的和用途以及經濟上考慮，另行作出其他規定；

（2）隨著鋁礬土中三氧化二鋁含量不同，冶煉 1噸棕剛玉需要消耗的鋁礬土不超過 1。4~1。5 噸，一般為1。1~1。3 噸；

（3）鋁礬土中二氧化矽還有少量殘存未被還原。其還原度以還原後鋁礬土中二氧化矽殘存 0。5% 來確定，並以二氧化矽生成單質矽來確定配碳係數；

（4）三氧化二鐵是以生成單質鐵確定配碳係數，還原度以 100% 計；

（5）鋁礬土中二氧化鈦是以生成單質鈦確定配碳係數，其還原度以還原後鋁礬土中殘存 2。3%~3。0% 二氧化鈦來確定，如此可以控制棕剛玉中二氧化鈦含量為2。3%~3。5%；

（6）鋁礬土中二氧化鈦不足 2。3% 時，需要在鋁礬土中採取增加二氧化鈦的措施；二氧化鈦最好低於5。5%，超過 5。5% 時需要在鋁礬土中採取增加三氧化二鋁、減少二氧化鈦的措施；

（7）由於三氧化二鋁與三氧化二鈦還原難易程度接近，當二氧化鈦還原時三氧化二鋁必然被還原，因而需多消耗一定量碳質還原劑。根據棕剛玉冶煉實踐獲知的經驗認識，可以設定還原 1 摩爾三氧化二鈦，相應也會有 1 摩爾三氧化二鋁還原；相當於 2 摩爾的二氧化鈦還原，相應會還原 1 摩爾的三氧化鋁；換算成重量比，則還原 1 公斤二氧化鈦，會有 0。64 公斤三氧化二鋁被還原，據此計算鋁礬土中氧化鋁還原量。這些還原的三氧化二鋁，一大部分進入冶煉煙氣塵中；一小部分則進入矽鐵中，會對矽鐵的感磁效能造成不利影響，這種情況主要在棕剛玉中三氧化二鋁含量超過 96。5% 時影響相對明顯；

（8）鐵質新增劑中有少量矽元素，也含有一定量三氧化二鐵，需要考慮另行增補一部分鐵質新增劑和碳質還原劑；

（9）碳質還原劑中，因灰分帶進的二氧化矽、三氧化二鐵、二氧化鈦量很少，其對物料配比的影響可忽略不計；

（10）鋁礬土中，計算公式涉及的相關雜質組分及其含量應符合技術要求，沒有其他雜質組分或其含量很小，不影響棕剛玉化學組成的實現；

（11）棕剛玉冶煉過程中，除了計算公式涉及的相關雜質組分還原反應外，其他雜質組分還原反應可忽略不計；

（12）科學確定鐵矽比取值。目的在於滿足促使雜質沉降分離和促進雜質還原反應的需要，滿足保證矽鐵的感磁效能的需要，同時還要考慮經濟使用鐵質新增劑；

（13）除了矽元素影響矽鐵的感磁效能外，其他組分金屬元素不影響，或在矽鐵中含量很少其影響可忽略不計。

根據上述規定，棕剛玉冶煉用混合爐料物料配比計算新方法，以 1000kg 鋁礬土為基準，計算碳質還原劑、鐵質新增劑理論配比量（kg），據此求出理論配比。經推導得出新方法理論配比計算公式如下：

計算公式（5）、（6）中：K 為配料鐵矽比、GC碳質還原劑理論配比量（kg）、GFe 為鐵質新增劑理論配比量（kg）、TFe2O3% 為鐵質新增劑中三氧化二鐵的百分含量、Kf 為鐵質新增劑配比量增補調整係數；X% 為假設規定的還原後鋁礬土中殘存的二氧化鈦百分含量，在 2。3%~3。0% 範圍內，根據產品需要具體選定，一般選定為 2。3%。

需要強調的是，配料鐵矽比 K 的取值需要考慮兩方面因素的影響，即：

鋁礬土中二氧化矽，除了一部分還原為單質矽進而生成矽鐵除去外，其餘則要麼生成 SiO 等氣體除去，要麼以二氧化矽形式少量殘存沒有被還原，可以在保證矽鐵感磁效能的情況下減少一定量鐵質新增劑，這可透過減小配料鐵矽比取值確定；

棕剛玉中三氧化二鋁含量大於 96。5%、二氧化鈦含量小於 2。0% 時，矽鐵感磁效能有所下降，需要提高配料鐵矽比，進而增加鐵質新增劑配比量。鐵質新增劑配比量增補調整係數 Kf 的計算公式為：

公式（7）中：K‘ 為增補鐵矽比，其定義為就鐵質新增劑中矽元素含量增補一定量鐵質新增劑而生成“假設矽鐵”時矽鐵的鐵矽比，以保證“假設矽鐵”的感磁效能為主要取值依據，其取值範圍為 4。5~6。5。Kf

主要受鐵質新增劑中鐵元素含量、矽元素含量和增補鐵矽比的影響。Si% 為鐵質新增劑中矽元素的百分含量，TFe% 為鐵質新增劑中總鐵的百分含量。

在新方法中，理論配比計算公式較之傳統方法計算公式，由於對確定性影響因素的考慮更加全面，因而能更加準確地反映棕剛玉冶煉過程實際情況，其準確性更高。

3.2

調整配比計算公式

和傳統方法類同，由於對影響理論配比計算公式準確性的確定性影響因素及其作用規律的認識不一定全面，影響理論配比計算公式準確性的隨機性影響因素仍然存在，新方法理論配比計算公式的準確性也必然受到一定影響。決定於理論配比計算公式準確性，外加冶煉實踐作業層面的隨機性影響因素依然存在和發揮影響，按照新方法計算的混合爐料理論配比的準確性也會受到影響，因而也不能直接採用，需以理論配比計算公式為基礎進行調整，得到準確性更高的調整配比計算公式，然後計算出調整配比，才能在冶煉實踐中使用。調整配比較之理論配比準確性更高。

對於碳質還原劑理論配比量的調整，在新方法中，區別理論配比計算公式準確性的影響因素和冶煉實踐作業層面對理論配比準確性的影響因素，分別對碳質還原劑理論配比量進行調整。其調整方法是考慮兩類影響因素各自整體的作用及其規律，分別規定一個經驗係數，即對理論配比計算公式準確性影響因素中理論模型調整係數 KC1”、對冶煉實踐作業層面的隨機性影響因素規定一個“碳質還原劑配比作業調整係數 KC2”，兩者相乘之積即為“碳質還原劑配比調整係數 KC”，據以計算碳質還原劑調整配比量。

碳質還原劑調整配比量的計算，是將計算公式（5）乘以碳質還原劑配比調整係數 KC，也就是按照計算公式（8）進行：

計算公式（8）中：G’C為碳質還原劑調整配比量（kg）；碳質還原劑配比模型調整係數 KC1 取值為 0。9~1。0；碳質還原劑配比作業調整係數 KC2 具體取值主要因不同冶煉裝備（含爐型和變壓器功率）、不同的操作工藝（埋弧作業或明弧作業以及用電引數的不同等等）、碳質還原劑品種和質量、鋁礬土質量特別是二氧化鈦含量、鐵屑新增劑質量、棕剛玉化學組成目標值等而異，需要透過冶煉實踐確定；KC2取值推薦在 1。1~1。2 範圍內具體選定、適時調整，一般取其平均值為 1。15。

相對於傳統方法理論配比計算公式（1），新方法理論配比計算公式（5）更加準確地反映棕剛玉冶煉過程實際情況，新計算方法理論配比計算公式準確性得到一定程度提升，因而碳質還原劑配比調整係數 KC 取值範圍相對要狹些，一般在 1。1~1。2 之間。

對於鐵質新增劑，考到無論是影響理論配比計算公式準確性方面，還是冶煉實踐作業層面對鐵質新增劑理論配比量準確性影響方面，影響因素都不多，且其影響程度也小可忽略不計，因而，在新方法中，鐵質新增劑調整配比量等同於理論配比量，只需直接根據鋁礬土中二氧化矽和三氧化鐵百分含量，以及鐵質新增劑中矽元素的百分含量和總鐵的百分含量，等同於計算公式（6），按照公式（7）、（9）進行計算即可。

計算公式（9）中：G‘Fe 為鐵質新增劑調整配比量（kg）。

（未完待續）