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冶炼过程及控制

钢冶炼

炼钢主要是以高炉炼成的生铁和直接还原炼铁法炼成的海绵铁以及废钢为原料，用不同的方法炼成钢。主要的炼钢方法有转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法3类(见钢，转炉，平炉，电弧炉)。以上3种炼钢工艺可满足一般用户对钢质量的要求。为了满足更高质量、更多品种的高级钢，便出现了多种钢水炉外处理(又称炉外精炼)的方法。如吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等，对转炉、平炉、电弧炉炼出的钢水进行附加处理之后，都可以生产高级的钢种。对某些特殊用途，要求特高质量的钢，用炉外处理仍达不到要求，则要用特殊炼钢法炼制。如电渣重熔，是把转炉、平炉、电弧炉等冶炼的钢，铸造或锻压成为电极，通过熔渣电阻热进行二次重熔的精炼工艺;真空冶金，即在低于1个大气压直至超高真空条件下进行的冶金过程，包括金属及合金的冶炼、提纯、精炼、成型和处理。

钢液在炼钢炉中冶炼完成之后，必须经盛钢桶(钢包)注入铸模，凝固成一定形状的钢锭或钢坯才能进行再加工。钢锭浇铸可分为上铸法和下铸法。上铸钢锭一般内部结构较好，夹杂物较少，操作费用低;下铸钢锭表面质量良好，但因通过中注管和汤道，使钢中夹杂物增多。在铸锭方面出现了连续铸钢、压力浇铸和真空浇铸等新技术

铁冶炼

现代炼铁绝大部分采用高炉炼铁，个别采用直接还原炼铁法和电炉炼铁法。高炉炼铁是将铁矿石在高炉中还原，熔化炼成生铁，此法操作简便，能耗低，成本低廉，可大量生产。生铁除部分用于铸件外，大部分用作炼钢原料。由于适应高炉冶炼的优质焦炭煤日益短缺，相继出现了不用焦炭而用其他能源的非高炉炼铁法。直接还原炼铁法，是将矿石在固态下用气体或固体还原剂还原，在低于矿石熔化温度下，炼成含有少量杂质元素的固体或半熔融状态的海绵铁、金属化球团或粒铁，作为炼钢原料(也可作高炉炼铁或铸造的原料)。电炉炼铁法，多采用无炉身的还原电炉，可用强度较差的焦炭(或煤、木炭)作还原剂。电炉炼铁的电加热代替部分焦炭，并可用低级焦炭，但耗电量大，只能在电力充足、电价低廉的条件下使用。

冶炼的应用

分析仪表应用指南，从事自动化仪表应用者都深有体会。尤其是在有色冶炼工业中，过程分析面对的困难与问题很多：高温、高粉尘、高水份、负压及结晶、腐蚀性等恶劣气体条件;预处理装置的有效性差;过程、预处理及分析仪等环节导致的大滞后;防尘、防溅、防腐、防高温等防护的高要求;较高的自动化程度与较少的维护工作量等等。这些都对过程成分分析和环保监测分析仪表(系统)的应用带来了很多困难。

气体成分分析

在有色冶炼工业中，最重要也是用得最多的是气体成分的分析测量。根据气体成分分析仪工作原理的不同，大致可分为两种测量方式：一是直接测量方式，即将探头安装在过程气体管道中直接测量(测量、变送装置在探头内)，如红外线、紫外线和激光气体分析器等;一是间接(取样)测量方式，即将过程气体抽出进行除尘等处理后送至分析仪表进行测量(测量、变送装置在仪表内)。

对于采用间接分析测量的仪表来说，由于受冶炼过程气体高温、高粉尘、高水份、负压及腐蚀性等恶劣气体条件影响，面对的最大困难就是怎样获得适合仪表测试条件的样气。惟一的方法就是采用预处理装置对样气进行处理。由于一些进口的分析仪本身技术的发展已比较成熟，可以满足工业分析的需要。因此，选用(制作)能适应工艺条件的、性能稳定可靠的预处理装置是解决分析仪表使用问题的要害。对于采用直接分析测量的仪表来说，由于它采用了最新光学技术，能在不影响被测气体本身状态的情况下进行测量，具有测量准确、反应迅速的优点。尤其是它不需预处理装置，省去了在自动吹扫装置上的投资，与传统的热导式气体分析仪相比有很大的优势。但也存在一些问题：1)价格昂贵;2)不适用于含尘粒度较大的气体;3)对工作光波不敏感的气体无能为力等。

仪表的应用

韶关冶炼厂是采用密闭鼓风炉(ISP)工艺进行铅锌冶炼的企业，在物料烧结制粒、制酸、密闭鼓风炉熔炼、煤气生产、余热发电等工艺流程中使用了不少过程分析仪表，如CO、CO2、SO2气体分析仪，H2SO4浓度计和pH计，红外线水分计，热值仪等。下面介绍部分分析仪的应用情况。

红外水分分析仪

用于测量烧结混合物料的湿度。由于物料湿度对烧结的质量有重要影响，选用精度高、稳定可靠的水分分析仪对实现物料湿度的自动精确控制极为重要。该厂早期采用的是IRS-MO-Ⅲ型红外水分分析仪，近两年逐步改成了OMM3000(前者的换代产品)。该仪表最大的优点是取消了二次仪表，实现了测变一体化，与PC连接即可随时进行校验、标定、设定、诊断等操作，使操作更加简便。该仪表本身性能较好，但由于现场条件较差(高温、高湿、高腐蚀)，在使用过程中还存在不少问题。为此，笔者同厂家一起，对该分析仪的使用作了以下几项改进：1)制作不锈钢保护箱，使用压缩空气隔离现场空气，提高仪表的抗腐蚀性能;2)请厂家提高仪表防护等级;3)请厂家将光路套筒由硬性改为软性，避免大块物料对仪表及安装支架的冲击;4)采用新的内部冷却结构，根除冷却气源中的油、水对光学器件的损害;5)在现场仪表四周安装遮光罩，避免日光对仪表的影响。通过以上改进，提高了该仪表的适应性和可用性。

炉气成分分析仪

鼓风炉冶炼过程所产生的炉气成分很复杂，主要含有SO2、SO3、CO、CO2、H2、水蒸汽、尘、铅锌蒸汽等，其中CO、CO2及H2的含量是衡量炉内物料反应状态的重要参数，工艺要求对CO、CO2及H2进行实时测量。由于在早期还没有成熟的能用于复杂条件下的成套分析系统采用的是国内某厂的热导式气体分析仪，只分析测量CO、CO2的含量，预处理装置是自制的两级过滤罐。由于炉气含尘量大、过滤装置处理能力差和仪表本身性能差等原因，炉气成分分析一直没能用好，给生产造成极大不便。在炉气分析方面已有几种较成熟的分析仪表(系统)目前正抓紧选型和考察工作，以尽快解决厂里鼓风炉炉气分析这个难题。

酸碱值分析仪

该厂在制酸工艺中使用了10套美国FOXBRO公司的873 pH计，用于93%、98%H2SO4冷却器循环水的pH值测量，以便及时发现设备漏酸事故。该仪表性能稳定、精度高、维护量很小，在93%酸冷却器上使用很成功。但在98%酸冷却器上使用不太理想，传感器非常轻易坏。经对照93%酸冷却器的使用条件认真研究分析，确定了98%酸冷却器出口循环水温度过高，使传感器的玻璃电极破裂，是传感器损坏的根本原因。为此，专为传感器设计制作了冷却器安装于传感器前方，彻底解决了问题。

热值仪

使用德国UNION的CW95 digital成套系统对自产煤气热值进行测量。该系统的预处理装置不能说不好，因为它在钢铁、化工等其它行业用得还可以。但由于自产煤气质量太差，含水、焦油、煤灰等杂质较多，使得该系统的预处理装置对其无能为力。由于热值仪使用条件恶劣，使得预处理部分经常堵塞，过滤芯、阀易损坏，使得维护费用高(部分易耗件昂贵)、维护工作量大，严重影响了煤气热值的分析测量及液化气的掺混调节。针对这种情况，专门成立了攻关小组对此进行攻关。经过认真分析研究和反复不断的试验，最后对原处理装置进行了两方面的改进：1)在原预处理装置中增加自制的过滤器：过滤器分为两层。下层为水洗室，装有两层钻有细孔的不锈钢板，尽可能让煤气在水中形成的气泡最小，达到充分洗涤的效果，从而去除绝大部分的油及灰尘杂质;上层为玻璃纤维过滤器，用来进一步除去煤气中的杂质。该自制过滤器还具备自动冲洗功能，可以不断地将水洗室中的杂质带出罐外，大大延长了过滤器的使用周期，减少了维护量。2)将仪表用压缩空气经进一步的除尘、除水处理后，送至热值仪底箱，隔离现场空气，保证燃烧空气的质量。经过改进后，在维护人员的精心维护下，该套分析系统已能长期正常运行。

浓度分析仪

该装置用于监测收尘烟气排放SO2浓度。分析仪采用紫外线作为检测光源，通过测量光线经过测量管段的衰减来测量SO2的浓度，由于传感器采用插入式安装，不需对气样进行预处理，因此测量实时、准确且维护量小。在使用一段时间后，又发现该套装置还存在两点不太理想的地方：1)吹扫空气单元的效果不好，镜片很轻易脏;2)探头太粗笨(5 kg 以上)，给反射镜片的清洁造成极大不便。针对以上情况采取了两项措施：1)引入压缩空气，经进一步净化后取代原吹扫空气单元;2)安装方式改为伸出式，使探头前端伸出工艺管道(测量段仍在过程管道内)，以方便反射镜片的清洁。改进后取得了很好的效果，基本上实现了免维护。

冶炼分为火法冶炼、湿法提取或电化学沉积

火法冶炼(Pyrometallurgy)

又称为干式冶金，把矿石和必要的添加物一起在炉中加热至高温，熔化为液体，生成所需的化学反应，从而分离出粗金属，然后再将粗金属精炼。

湿式冶金(Hydrometallurgy)

湿法冶金这种冶金过程是用酸、碱、盐类的水溶液，以化学方法从矿石中提取所需金属组分，然后用水溶液电解等各种方法制取金属。此法主要应用在低品位、难熔化或微粉状的矿石。现在世界上有75%的锌和镉是采用焙烧-浸取-水溶液电解法制成的。这种方法已大部分代替了过去的火法炼锌。其他难于分离的金属如镍-钴，锆-铪，钽-铌及稀土金属都采用湿法冶金的技术如溶剂萃取或离子交换等新方法进行分离，取得显著的效果。

化学反应

利用某种溶剂，借助化学反应(包括氧化、还原、中和、水解及络合等反应)，对原料中的金属进行提取和分离的冶金过程。湿法冶金包括4个主要步骤：①用溶剂将原料中有用成分转入溶液，即浸取。②浸取溶液与残渣分离，同时将夹带于残渣中的冶金溶剂和金属离子回收。③浸取溶液的净化和富集，常用离子交换和溶剂萃取技术或其他化学沉淀方法。④从净化液中提取金属或化合物。

湿法冶金在锌、铝、铜、铀等工业中占有重要地位，世界上全部的氧化铝、氧化铀，大部分锌和部分铜都是用湿法生产的。湿法冶金的优点在于对非常低品位矿石(金、铀)的适用性，对相似金属(铪与锆)难分离情况的适用性;以及和火法冶金相比，材料的周转比较简单，原料中有价金属综合回收程度高，有利于环境保护，并且生产过程较易实现连续化和自动化。