棕刚玉冶炼用混合炉料物料配比计算方法的探讨（连载二）

贵州达众第七砂轮有限责任公司 胡勇 / 文

2 使用传统方法存在问题和需要注意事项的讨论

2.1存在的问题

2.1.1 硅铁比概念理解存在歧义

在棕刚玉冶炼用混合炉料物料配比计算传统方法计算公式（2）、（4）中，规定 K 为“硅铁中铁硅比”，其定义是指硅铁中铁元素百分含量与硅元素百分含量的比值。由于棕刚玉冶炼过程中，混合炉料中二氧化硅还原反应途径多样化，除了一部分还原为单质硅进而生成硅铁除去外，其余则要么生成 SiO 等气体除去，要么以二氧化硅形式少量残存没有被还原，致使实际硅铁中的铁硅比与混合炉料配比计算及配料作业时使用的“硅铁中铁硅比”并不一致，实际硅铁中的铁硅比才是真正的硅铁中铁硅比，而混合炉料配比计算及配料作业所使用的“硅铁中铁硅比”不是真正的硅铁中铁硅比，所以 K要表达的不是硅铁中铁硅比，而是为了满足一定的物料配比需要所规定的一个参数，这个参数可以用“配料铁硅比”这一概念术语来表述，其定义为混合炉料中的铁元素百分含量与硅元素百分含量的比值。可见，“配料铁硅比”与硅铁中铁硅比，是完全不同的两个概念，传统方法计算公式中所谓的“硅铁中铁硅比”实际上是“配料铁硅比”，对其含义的理解和认识不同，导致对硅铁比概念存在歧义。

2.1.2 配料硅铁比范围不同，取值有高有低

明确了计算公式（2）、（4）中 K 为配料铁硅比后，配料铁硅比如何取值是首先必须要解决的问题。配料铁硅比取值范围不同于硅铁中铁硅比取值范围，但配料铁硅比取值，显然和硅铁中铁硅比密切相关，其目的主要是为了确保硅铁中铁硅比在适宜范围内（4.5~6.5），以满足促使杂质沉降分离和促进杂质还原反应的需要，满足保证硅铁的感磁性能的需要，同时还需要考虑铁质添加剂的经济使用。

根据有关资料推荐，硅铁中铁硅比的适宜取值范围为 4.5~6.5，其所要表达的究竟是硅铁中铁硅比，还是配料铁硅比？由于对硅铁比概念理解存在歧义，有的是将硅铁中硅铁比直接视为配料铁硅比，因而导致实际硅铁中的铁硅比值高于 4.5~6.5，一般会达到 6~8 甚至更高；有的则认为，这一要求是实际硅铁中的铁硅比，只要能保证实际硅铁中的铁硅比在规定范围（4.5~6.5）即可，加上铁质添加剂使用目的不同，以及冶炼装备不同，所以配料铁硅比取值往往较低，其取值大多小于 5.0。也就是说，由于对硅铁比概念的理解和认识不同，在物料配比计算公式中采用的配料铁硅比范围不同，取值有高有低。

2.1.3 没有专门量化反映三氧化二铝的还原及其对物料配比的影响

在传统方法中，一些确定性影响因素，在探讨其对物料配比的影响时，是和所有其他随机性影响因素一起，被视作随机性影响因素简化处理，没有专门量化反映到物料配比计算公式中。

具体来讲，传统方法物料配比计算公式，只考虑了三氧化二铁、二氧化硅、二氧化钛的还原反应，实际上三氧化二铝的还原不可避免，三氧化二铝还原对物料配比必然产生影响。特别是当原材料中二氧化钛含量高时，三氧化二铝还原量更大，三氧化二铝还原对物料配比的影响更不能忽视。

由于传统方法计算公式所依据的反映物理化学原理的还原反应式不全面，不能准确地反映棕刚玉冶炼过程实际情况，混合炉料物料配比计算公式中，没有专门量化反映三氧化二铝的还原及其对物料配比的影响，因而物料配比准确性必然受到影响。

2.1.4 杂质还原程度采用固定值，不能准确反映冶炼过程实际情况

棕刚玉冶炼，需要将混合炉料中杂质三氧化二铁、二氧化硅、二氧化钛等还原去除，以便获得化学组成符合要求的棕刚玉熔液。无论是从从化学平衡理论，还是从棕刚玉冶炼实践来看，各种杂质均不可能全部还原去除，总是会残留一定数量，因此对于使用不同质量的物料，这些杂质的还原程度是变化的，不是固定值；即使是使用同一原料、相同的物料配比，由于冶炼过程的复杂性和不可重复性，各种杂质还原程度也是不断变化的，不会保持一致；而传统方法计算公式中杂质的还原程度是固定值，这显然不能准确反映棕刚玉冶炼过程的实际情况。

2.1.5 没有专门量化反映铁质添加剂中硅元素和三氧化二铁对物料配比的影响

铁质添加剂中硅元素和三氧化二铁总是不可避免地存在。由于所能获得的铁质添加剂质量的下降，一是发生氧化作用或掺杂使三氧化二铁含量增加，再就是存在一定量硅元素，需要将其视作确定性影响因素，其对碳质还原剂配比量和铁质添加剂配比量的影响不可忽略，需要反映到物料配比计算公式中，而传统方法计算公式中对此并没有专门量化反映。

2.1.6 碳质还原剂配比调整系数选择范围宽泛

对于碳质还原剂理论配比量的调整，所规定的“碳质还原剂配比调整系数”，是综合考虑了理论配比计算公式准确性（不区分确定性影响因素和随机性影响因素）和冶炼实践作业层面（随机性影响因素）两方面各种因素的共同作用，对理论配比计算公式进行调整而总体规定的一个经验系数，物理含义笼统，选择范围宽泛，其准确取值需要通过冶炼实践经验确定，具体选定、适时调整。造成此问题的原因是，在于传统方法没有根据影响因素的性质和作用规律，将理论配比计算公式准确性的影响因素按照随机性影响因素和确定性影响因素区分开来，更没有把理论配比计算公式准确性的影响因素与冶炼实践作业层面方面的影响因素区分开来，并据此按照各自的作用规律分别对碳质还原剂理论配比量进行调整。

2.2需要注意的事项

2.2.1 计算公式对铝矾土化学组成的适用要求

主要原料铝矾土中二氧化钛含量较低时（比如低于 2.5%），碳质还原剂理论配比量计算公式不适用，需要对原料组合选用重新调整，否则不仅不能保证棕刚玉中二氧化钛含量在 1.5%~3.8% 范围内，三氧化二铝含量也会偏高；二氧化钛含量也不能太高（比如大于7.5%），否则碳质还原剂理论配比量计算公式同样不适用，也需要对原料组合选用重新调整，否则也不能保证棕刚玉中二氧化钛含量在 1.5%~3.8% 范围内，三氧化二铝含量往往低于 94.5%。

2.2.2 棕刚玉化学组成不是点值而是范围值

按照传统方法计算公式进行计算，预期获得的棕刚玉化学组成不是点值而是范围值，没有固定的目标值，因而使用同一铝矾土或不同质量铝矾土，特别是二氧化钛不同的铝矾土，按照计算的物料配比进行混合炉料配制，由于冶炼过程的复杂性和不可重复性，各种杂质还原程度不会保持一致，不同炉次冶炼产出的棕刚玉其化学组成不同，有一定变化范围，棕刚玉产品技术条件对此进行了规定，即三氧化二铝含量 94.5%~97.5%、二氧化钛含量 1.5%~3.8%。因而，棕刚玉在化学组成符合技术条件的情况下，其具体化学组成有差别，导致其理化指标和技术性能不同，产品质量、用途也不完全相同。

反过来，由于棕刚玉产品技术条件规定化学组成有一定变化范围，因而可以使用同一质量铝矾土，只需改变计算公式中碳质还原剂配比调整系数，从而改变二氧化钛等杂质的还原程度，改变物料配比以及通过炉前调整，就可获得棕刚玉具体化学组成不同、但其化学组成在技术条件规定范围内的符合要求的棕刚玉。更进一步要求，要使棕刚玉化学组成基本保持一致，具有固定的目标值，则必须改变计算公式中碳质还原剂配比调整系数，对物料配比进行调整，并辅之以炉前调整、控制才能实现。

2.2.3 原料质量呈现下降趋势

随着社会经济的发展和科学技术的进步，产品市场和原料需求规模越来越大，市场对铝矾土、碳质还原剂、铁质添加剂的需求量也越来越大。铝矾土、碳质还原剂都是不可再生的资源，特别是优质铝矾土资源随着不断的开采和使用，其天然储备量越来越少，甚至接近枯竭。市场竞争的结果，导致棕刚玉冶炼用的铝矾土质量越来越差。铸造技术的进步，使精密铸造和无余量铸造得到很大的发展，铸件加工余量很小甚至不需加工就可直接使用，致使铸铁屑和铸钢屑的产出比和产量也在下降，而实际市场需求量却在不断增加，这一供需矛盾是科技进步和社会经济发展的必然结果，直接导致棕刚玉冶炼用铁质添加剂货源紧张，质量下降也是不争的事实。原料质量下降的结果，超标到一定程度，必然影响物料配比计算公式的准确性，进而影响物料配比的准确性。

2.2.4 铝矾土质量下降，对物料配比准确性要求更高

铝矾土质量下降，表现在棕刚玉冶炼实践中，就是炉况不稳定、炉前操作难度大，作业条件恶化、物料飞扬和燃烧损失增大、炉中物料配比发生变化、炉前质量调整频繁且调整量大，甚至导致安全事故，各项技术经济指标不理想。这些不利影响，在物料配比不准确时会进一步恶化，因而铝矾土质量下降，对物料配比准确性的要求更高。

2.2.5 铁硅比取值选择，受多种因素影响

由于对铁硅比概念的理解和认识不同，以及在棕刚玉冶炼过程中追求的主要目的和棕刚玉产品用途的不同，因而对促使杂质沉降分离和促进杂质还原反应、保证硅铁感磁性能的关注度不同，并受经济使用铁质添加剂的影响，从而影响铁硅比取值选择。

除了硅元素影响硅铁感磁性能外，其他组分金属元素比如铝、钛在硅铁中含量较高时，其影响也不可忽略，从而影响铁硅比取值选择。

2.2.6 炉前调整是必不可少的工艺作业

对于碳质还原剂，由于调整配比计算公式中“碳质还原剂配比调整系数”是一个范围值，具有一定不确定度，因此碳质还原剂调整配比量的准确性会受到影响，还要酌情考虑冶炼现场炉前调整量以弥补其不足，炉前调整是必不可少的工艺作业。考虑炉前调整量之后的碳质还原剂配比量，是碳质还原剂实际配比量，但只要碳质还原剂配比调整系数取值得当，则碳质还原剂调整配比量直接可作为实际配比量。

对于铁质添加剂，一般不用考虑炉前调整量，将铁质添加剂调整配比量或理论配比量直接作为实际配比量。

3 棕刚玉冶炼用混合炉料物料配比计算新方法推导

如前所述，通过对棕刚玉冶炼用混合炉料物料配比计算传统方法的研究分析，以及对使用传统方法存在问题和需要注意事项的讨论，在此基础上，本文提出了对原材料质量适用范围更宽的“棕刚玉冶炼用混合炉料物料配比计算新方法”。在新方法中，物料配比也包括理论配比、调整配比和实际配比；计算公式也包括理论配比计算公式、调整配比计算公式。

3.1理论配比计算公式

本着“改进理论模型以提高物料配比准确性”的原则，在新方法推导中，就理论配比计算公式准确性影响因素，克服和改进了传统方法中认识的不足，将理论配比计算公式准确性影响因素按照随机性影响因素和确定性影响因素区分开来，将影响理论配比计算公式准确性的确定性因素尽可能地专门量化处理到计算公式中。

在新方法中，理论配比计算公式的推导，考虑到了棕刚玉冶炼过程如下实际情况，并做出了规定，这也是新方法理论配比计算公式成立的条件：

（1）棕刚玉化学组成目标值：三氧化二铝含量95.0%~96.0%、二氧化钛含量 2.5%~3.5%，这是基于棕刚玉的普遍适用性而规定的化学组成；也可根据冶炼目的和用途以及经济上考虑，另行作出其他规定；

（2）随着铝矾土中三氧化二铝含量不同，冶炼 1吨棕刚玉需要消耗的铝矾土不超过 1.4~1.5 吨，一般为1.1~1.3 吨；

（3）铝矾土中二氧化硅还有少量残存未被还原。其还原度以还原后铝矾土中二氧化硅残存 0.5% 来确定，并以二氧化硅生成单质硅来确定配碳系数；

（4）三氧化二铁是以生成单质铁确定配碳系数，还原度以 100% 计；

（5）铝矾土中二氧化钛是以生成单质钛确定配碳系数，其还原度以还原后铝矾土中残存 2.3%~3.0% 二氧化钛来确定，如此可以控制棕刚玉中二氧化钛含量为2.3%~3.5%；

（6）铝矾土中二氧化钛不足 2.3% 时，需要在铝矾土中采取增加二氧化钛的措施；二氧化钛最好低于5.5%，超过 5.5% 时需要在铝矾土中采取增加三氧化二铝、减少二氧化钛的措施；

（7）由于三氧化二铝与三氧化二钛还原难易程度接近，当二氧化钛还原时三氧化二铝必然被还原，因而需多消耗一定量碳质还原剂。根据棕刚玉冶炼实践获知的经验认识，可以设定还原 1 摩尔三氧化二钛，相应也会有 1 摩尔三氧化二铝还原；相当于 2 摩尔的二氧化钛还原，相应会还原 1 摩尔的三氧化铝；换算成重量比，则还原 1 公斤二氧化钛，会有 0.64 公斤三氧化二铝被还原，据此计算铝矾土中氧化铝还原量。这些还原的三氧化二铝，一大部分进入冶炼烟气尘中；一小部分则进入硅铁中，会对硅铁的感磁性能造成不利影响，这种情况主要在棕刚玉中三氧化二铝含量超过 96.5% 时影响相对明显；

（8）铁质添加剂中有少量硅元素，也含有一定量三氧化二铁，需要考虑另行增补一部分铁质添加剂和碳质还原剂；

（9）碳质还原剂中，因灰分带进的二氧化硅、三氧化二铁、二氧化钛量很少，其对物料配比的影响可忽略不计；

（10）铝矾土中，计算公式涉及的相关杂质组分及其含量应符合技术要求，没有其他杂质组分或其含量很小，不影响棕刚玉化学组成的实现；

（11）棕刚玉冶炼过程中，除了计算公式涉及的相关杂质组分还原反应外，其他杂质组分还原反应可忽略不计；

（12）科学确定铁硅比取值。目的在于满足促使杂质沉降分离和促进杂质还原反应的需要，满足保证硅铁的感磁性能的需要，同时还要考虑经济使用铁质添加剂；

（13）除了硅元素影响硅铁的感磁性能外，其他组分金属元素不影响，或在硅铁中含量很少其影响可忽略不计。

根据上述规定，棕刚玉冶炼用混合炉料物料配比计算新方法，以 1000kg 铝矾土为基准，计算碳质还原剂、铁质添加剂理论配比量（kg），据此求出理论配比。经推导得出新方法理论配比计算公式如下：

计算公式（5）、（6）中：K 为配料铁硅比、GC碳质还原剂理论配比量（kg）、GFe 为铁质添加剂理论配比量（kg）、TFe2O3% 为铁质添加剂中三氧化二铁的百分含量、Kf 为铁质添加剂配比量增补调整系数；X% 为假设规定的还原后铝矾土中残存的二氧化钛百分含量，在 2.3%~3.0% 范围内，根据产品需要具体选定，一般选定为 2.3%。

需要强调的是，配料铁硅比 K 的取值需要考虑两方面因素的影响，即：

1. 铝矾土中二氧化硅，除了一部分还原为单质硅进而生成硅铁除去外，其余则要么生成 SiO 等气体除去，要么以二氧化硅形式少量残存没有被还原，可以在保证硅铁感磁性能的情况下减少一定量铁质添加剂，这可通过减小配料铁硅比取值确定；

2. 棕刚玉中三氧化二铝含量大于 96.5%、二氧化钛含量小于 2.0% 时，硅铁感磁性能有所下降，需要提高配料铁硅比，进而增加铁质添加剂配比量。铁质添加剂配比量增补调整系数 Kf 的计算公式为：

公式（7）中：K' 为增补铁硅比，其定义为就铁质添加剂中硅元素含量增补一定量铁质添加剂而生成“假设硅铁”时硅铁的铁硅比，以保证“假设硅铁”的感磁性能为主要取值依据，其取值范围为 4.5~6.5。Kf

主要受铁质添加剂中铁元素含量、硅元素含量和增补铁硅比的影响。Si% 为铁质添加剂中硅元素的百分含量，TFe% 为铁质添加剂中总铁的百分含量。

在新方法中，理论配比计算公式较之传统方法计算公式，由于对确定性影响因素的考虑更加全面，因而能更加准确地反映棕刚玉冶炼过程实际情况，其准确性更高。

3.2调整配比计算公式

和传统方法类同，由于对影响理论配比计算公式准确性的确定性影响因素及其作用规律的认识不一定全面，影响理论配比计算公式准确性的随机性影响因素仍然存在，新方法理论配比计算公式的准确性也必然受到一定影响。决定于理论配比计算公式准确性，外加冶炼实践作业层面的随机性影响因素依然存在和发挥影响，按照新方法计算的混合炉料理论配比的准确性也会受到影响，因而也不能直接采用，需以理论配比计算公式为基础进行调整，得到准确性更高的调整配比计算公式，然后计算出调整配比，才能在冶炼实践中使用。调整配比较之理论配比准确性更高。

对于碳质还原剂理论配比量的调整，在新方法中，区别理论配比计算公式准确性的影响因素和冶炼实践作业层面对理论配比准确性的影响因素，分别对碳质还原剂理论配比量进行调整。其调整方法是考虑两类影响因素各自整体的作用及其规律，分别规定一个经验系数，即对理论配比计算公式准确性影响因素中理论模型调整系数 KC1”、对冶炼实践作业层面的随机性影响因素规定一个“碳质还原剂配比作业调整系数 KC2”，两者相乘之积即为“碳质还原剂配比调整系数 KC”，据以计算碳质还原剂调整配比量。

碳质还原剂调整配比量的计算，是将计算公式（5）乘以碳质还原剂配比调整系数 KC，也就是按照计算公式（8）进行：

计算公式（8）中：G'C为碳质还原剂调整配比量（kg）；碳质还原剂配比模型调整系数 KC1 取值为 0.9~1.0；碳质还原剂配比作业调整系数 KC2 具体取值主要因不同冶炼装备（含炉型和变压器功率）、不同的操作工艺（埋弧作业或明弧作业以及用电参数的不同等等）、碳质还原剂品种和质量、铝矾土质量特别是二氧化钛含量、铁屑添加剂质量、棕刚玉化学组成目标值等而异，需要通过冶炼实践确定；KC2取值推荐在 1.1~1.2 范围内具体选定、适时调整，一般取其平均值为 1.15。

相对于传统方法理论配比计算公式（1），新方法理论配比计算公式（5）更加准确地反映棕刚玉冶炼过程实际情况，新计算方法理论配比计算公式准确性得到一定程度提升，因而碳质还原剂配比调整系数 KC 取值范围相对要狭些，一般在 1.1~1.2 之间。

对于铁质添加剂，考到无论是影响理论配比计算公式准确性方面，还是冶炼实践作业层面对铁质添加剂理论配比量准确性影响方面，影响因素都不多，且其影响程度也小可忽略不计，因而，在新方法中，铁质添加剂调整配比量等同于理论配比量，只需直接根据铝矾土中二氧化硅和三氧化铁百分含量，以及铁质添加剂中硅元素的百分含量和总铁的百分含量，等同于计算公式（6），按照公式（7）、（9）进行计算即可。

计算公式（9）中：G'Fe 为铁质添加剂调整配比量（kg）。