电渣重熔工艺和理论知识

电渣重熔工艺和理论知识
ESR techniques and theoretical knowledge
* 一、电渣重熔基础理论知识
1、概述
电渣冶金起源于美国，一九四〇年霍普金斯取得了发明专利。

一九五八年，苏联德聂泊尔特钢厂工业电渣炉建成，现代电渣冶金开始进入工业化进程。

六十年代中期，由于航空、航天、电子、原子能等工业的发展，电渣重熔在苏联、西欧、美国获得较快的发展，生产的品种包括：优质合金钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金以及铝、铜、钛、银等有色金属合金。

我国是世界上电渣冶金起步较早的国家之一，一九六〇年，重庆特殊钢厂、大冶特殊钢厂，大连钢厂及上钢五厂的电渣炉先后建成投产。

紧随其后齐齐哈尔钢厂、抚顺钢厂等工业电渣炉相继建成投产。

五十多年来，我国电渣冶金始终保持着旺盛的发展趋势。

随着我国科学技术突飞猛进的发展，航天航海、汽车制造、石油化工、电站建设、核设施、机械制造等诸多行业，以及军工事业的发展、列车提速等许多领域越来越发挥着电渣钢的作用。

目前最大的一座是原上海重型机器厂电渣炉，重熔钢锭重达200t，现在又筹建450t大型电渣炉。

2009年，我国电渣重熔钢生产能力已超过170万t。

50多年来国内外电渣冶金取得了突飞猛进的发展，新工艺、新技术层出不穷，形成了一个跨专业、跨行业的新学科。

2、现代炼钢方法
转炉，电弧炉，电渣重熔炉，真空感应炉，真空自耗炉（电弧重熔炉），电子束重熔炉（EBR）等。

电渣重熔是一种炼钢方法，而不是炉外精炼。

炉外精炼方法有LF,VD,VOD,VAD,RH 等。

3、电渣重熔炉类型
3.1按工艺特点分：普通电渣重熔炉，电渣熔铸炉，加压电渣炉,保护气氛（可控气氛）电渣炉，连铸式电渣炉，电渣离心浇注炉，电渣热封顶等。

可控气氛电渣重熔技术。

电渣重熔通常在大气下进行，重熔合金中的氧含量，取决于主要脱氧元素的浓度和该脱氧元素的氧化物在渣中的活度。

此外，渣池上的氧分压或多或少也会产生一定的影响。

过去通常采用往渣池中加入脱氧剂的方法对熔渣连续脱氧，但是这会导致熔渣成分的改变。

随着钢种的发展和质量要求的不断提高，出现了不同气氛的电渣重熔技术。

目前，可控气氛电渣炉主要有几种形式：惰性气体保护，其主要目的是防止重熔过程钢中活泼金属被氧化，主要采用氩气保护或氮气保护；干燥空气保护电渣炉，适合于重熔对氢比较敏感的钢种，特别是大型钢锭。

新型保护性气氛电渣炉使用的是气密型惰性气体保护罩，从电极料杆到结晶器上口用一个完全致密的不锈钢金属罩封闭，密封效果很好。

惰性气体可以在气密罩内积蓄并形成一定的压力，既防止重熔过程中电渣钢增氢，也防止大气对金属电极和渣池的氧化。

同时，电渣锭头尾的化学成分均匀性，也大大优于普通电渣炉生产的电渣锭，包括重熔含铝、钛钢在内，电渣锭的头尾铝、钛等化学成分偏差极小。

加压电渣炉，主要用于生产高氮钢，产品中氮含量可达1.0%以上。

高效节能电渣连铸设备。

传统电渣重熔采用一次重熔一个钢锭的间歇式生产方式，生产效率低，且钢锭在后步锻造或初轧开坯过程中钢锭头尾去除量较大，钢的成材率低。

另外，传统电渣重熔电极的熔化速度受到很大的限制，生产成本较高。

为此，奥地利因泰克公司开发了快速电渣技术，铸坯的表面质量和内部质量良好。

自2002年起，我国也进行了电渣连铸技术的开发研究，采用双极串联、交换电极、液面检测与控制、连续拉坯及在线切割等技术。

电渣热封顶的设备是普通的电渣炉。

将常规冶炼的钢水浇入钢锭模后，在锭模上方安装特制的冒口，加入渣料，插入电极即可开始电渣加热保温过程。

冶金效果可归纳为三点：(1)节约金属，提高金属收得率。

因使钢锭或铸件在凝固过程中的收缩不断得到补充，消除了中心疏松和缩孔缺陷，减少了废品率。

同时由于保证了冒口最后凝固，可以减小冒口的体积，减少了金属消耗。

例如浇铸9t重的涡轮机叶片，采用电渣热封顶技术可以使冒口金属消耗减少88％。

(2) 提高钢锭中心化学成分的均匀性和钢的纯净度。

由于钢锭顶部存在热源，避免了普通钢锭凝固过程出现的“结晶雨”现象，消除了钢锭下部的负偏析锥。

当在电渣热封顶过程中采用金属自耗电极时，电极熔化的金属不断进入钢锭中心的液相区，使由于选分结晶造成的中心溶质元素富集得到稀释，钢锭的中心偏析减轻。

富集到钢锭中心的非金属夹杂物，随金属液流动与钢锭顶部的高温渣池接触，进行反应进入渣池，从而又减少了钢锭中的非金属夹杂物。

(3) 改善了钢锭中心的凝固质量。

由于钢锭顶部存在高温热源，同时熔化电极的金属熔滴也从上到下向钢锭中的液体传热，改变了钢锭凝固时的热状态，使钢锭实现了从下到上的定向凝固。

另外热状态的改变，也影响了金属的结晶速度和凝固前沿的温度梯度，使之与普通钢锭相比晶粒尺寸减小，凝固组织致密。

通过改变电渣热封顶的工艺参数，控制向钢锭的输入功率，可以改变金属的结晶形态，得到所需要的凝固组织。

3.2按生产方式分：双臂交替电渣炉，单臂单（熔）位电渣炉，单臂双工（熔）位电渣炉。

3.3按调压方式分：有载有极调压电渣炉，有载无极调压电渣炉。

3.4按控制方式分：恒功率控制电渣炉，恒熔速控制电渣炉，电压摆动控制电渣炉。

3.5按结晶器形式分：结晶器固定式电渣炉，结晶器移动式电渣炉，钢锭下拉式电渣炉。

尤其在高速钢冶炼上，为了使高速工具钢在电渣重熔时内部质量均匀，尤其是微细碳化物的分布，电渣重熔钢锭的断面必须小，因此一般采用结晶器固定式熔炼。

但这种方式操作周期长，生产率很低。

为了长时间连续熔炼，采用钢锭下拉方式，装备有两个交替使用的重熔电极支臂、钢锭下拉装置、切断装置、运输台车、液面监控设备和防止结晶器熔损的结晶器移动装置。

* 采用这种新的电渣重熔技术，可以实现小断面钢锭的长时间稳定熔炼，可以改善钢材的质量，生产率可提高50％左右，钢锭成品率提高了5％以上。

* 3.6按布置形式分：地坑式电渣炉，台架式电渣炉。

* 3.7按供电方式分：单相电渣炉，两相电渣炉，三相电渣炉，双级串联电渣炉。

* 双极串联供电，可以减少回路感应，提高电功率因数；采用三相电源，有利于外网电压平衡；用小截面电极重熔大钢锭，有利于控制电极成分偏析；采用抽锭操作，能用短结晶器重熔长的钢锭。

*
* 4、电渣炉的构造???
* 分成以下几个部分：电源变压器；电极升降机构；电气控制及测量仪表；结晶器和底水箱；电极。

* 4.1电源变压器
* 高压电器控制采用真空开关柜，具有齐全的电压、电流、功率及电度的检测计量及继电保护，设置氧化锌避雷
* 器吸收操作过电压，并设有分合闸式整流电源。

* 高压供电：10KV/6KV
* 高压保护：
* 一次接地；一次欠压；
* 一次过流；二次过流；????
* 变压器重瓦斯；
* 变压器轻瓦斯；????
* 变压器油温高；
* 变压器冷却故障等。

* 电渣炉变压器可以是单相变压器，也可是三相变压器。

目前最小吨位的电渣炉多采用单相变压器，大吨位的电渣炉多采用三相变压器。

无论单相或三相变压器的电力曲线都应是硬特性的，即在冶炼过程中变压器输出电压不随冶炼电流而变化。

变压器的容量大小，主要视重熔钢锭的截面积（即结晶器的横截面积）而定。

?
* 从变压器的冷却方式上，由原来的强制油循环冷却，发展为干式风冷。

随着铁芯材料质量的提高，变压器发热
* 的现象明显减弱，自冷式变压器将成为电渣炉用变压器的发展方向。

西安变压器厂为山东一企业制造的40t 电渣炉用6000 KVA大型变压器就是采用自行冷却方式冷却的。

其主要缺点是为了增大散热面积，变压器的体积较大。

* 对于变压器的安装位置，在保证安全的条件下应尽可能离电渣炉近一些，以缩短导线，减少网络感抗及电压降。

* 4.2电极升降机构
* 电渣炉电极升降机构通常有：丝杆传动；钢丝绳传动；液压式传动。

* 目前的发展，在传动机构方面：已由滚珠丝杠、精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝绳及梯型丝杠，使支臂及托锭承重小车的升降更加灵活、平稳、准确。

另外，立柱旋转取代了支臂旋转，不仅解决了支臂旋转巨大的齿轮制造及安装方面的困难，而且减少了零部件重量，所占空间及造价，转动更加灵活，设备外观给人以简洁明快之感。

* 电极升降机构的主要问题是电极的给送速度，电极的给送速度关系着供电制度和温度的变化。

为了适应熔化速度的要求，电极给送速度应当可以大幅度调整和灵敏控制。

为了缩短辅助时间和换电极停电时间，要求有较高的非工作提升速度。

从目前生产实践经验上看，上述两种速度大致范围如下：电极给送速度5－60mm/min；非工作提升速度2－4m/min。

* 为了适应这种要求，在电极升降机构上采用以下几种传动方式：
* a.手动传动：适合于100kg以下的小型电渣炉。

* b.单电动机传动：单电动机传动为了适应调整速度的要求都采用直流电动机，这种电动机可以无级调整。

只适用于0.5t以下的电渣炉。

* c.双电动机传动：双电动机传动，即高速采用交流电动机，低速采用交（直）流电动机，以满足电极给送速度和非工作提升速度的要求。

这种传动方式，两个单动机同时装入一套轮系驱动从动轴。

* 连接的方式有：离合器传动、行星齿轮传动、差动齿轮传动三种。

* 电极升降采用丝杆传动，传动平稳、精度高。

为适应熔化速度的要求，缩短辅助时间，变速箱采用双行星齿轮差动式变速器，双电机输入，可以满足电极快速提升，快速下降和慢速冶炼的要求。

为保证电极升降的自锁、差动减速器，除采用双行星及双蜗轮蜗杆外，电机采用电制动型。

立柱用无缝钢管及方钢焊制。

横臂为铜钢复合式导电横臂，升降为台车式结构，通过六对导轮上下移动，灵活可靠。

为减轻传动部分的负荷在立柱心部配有平衡锤，以平衡自耗电极和横臂的重量。

丝杠装有保护套和自动调心装置防止灰尘进入，并自动调节丝杠间隙。

* 4.3短网
* 即大电流线路，对电渣炉来说，由变压器二次侧至电极夹头，和至底水箱之间，连接的缆、铜排、电铜管和低压电流互感器等组成。

*
* 短网特点：由于大电流线路中通过强大的电流，在电
* 渣炉附近空间会形成一个强大的交变磁场，磁场内的钢铁构件，甚至混凝土中的钢筋都要产生涡流发热，即增加了网路的电能损耗，又有损于结构件的强度。

* 为了减少电抗造成的电能损失，消除散磁、降低电流的搅拌作用，防止出现点状偏析，该电渣炉采用计算机化最佳设计的低阻抗节能型短网。

为减小大电流线路的阻抗值，两相之间布置尽量靠近，抵消磁作用，并采用同轴设计（同轴导电立柱、同轴电缆）及大截面水冷电缆供电。

* 在电极升降臂的前端为电极夹紧装置，通常是水冷的铜夹头。

* 电极夹头的作用主要是：1）传导电流，把软电缆传来的很大电流传到电极上；2）夹持作用，把很重的电极夹住；电极夹头可以用手工夹紧，也可以用机械夹紧。

* 电极夹头是在很恶劣的条件下工作的，它受高温炉气加热和电流流过时本身发出的电阻热的作用。

因此对夹头材料的要求是耐高温、抗氧化、电阻小，有足够的强度。

* 也就是说：电极夹头必须和电极保持良好的接触，以降低电耗和本身产生的电阻热，并有足够的强度卡住电极保证在重熔时不掉下来。

* 为了保证电极和夹头的接触良好，可以采用辅助电极。

辅助电极通常用低碳素钢制成。

辅助电极除保证夹头和电极接触良好外，还起保证重熔电极全部熔化的作用。

* 电极夹紧装置采用弹簧压紧，液压或气动松放，电极夹头采用水冷烙铜夹头。

耐高温、抗氧化、电阻小、强度高、寿命长。

电极夹头可旋转调整，以保证电极与立柱平行。

4.4低压电器控制
* 采用可编程控制器（PLC）进行电器控制，采用SIEMENS?PLC，对FRN G--11S日本富士公司生产的变频器实现交流电机的无级调速。

* 4.5电极升降系统
* a.快速和慢速升降；
*
?b.手动和自动操作升降；
* 采用差动式变速器，快速用交流电机实现快升快降，慢速采用变频调速电机，自动升降，也可手动操作。

* ??? ?c.室内和炉前可两地操作。

4.6结晶器
* 可以是钢制的，也可以是铜制的。

* 钢制结晶器比较便宜，但导热性差，常发生粘锭现象，寿命较低，维修费用大。

* 铜制结晶器价格比较昂贵，但寿命高，采用铜制结晶器实际上比钢制结晶器合算。

* 结晶器的结构有焊接结构和装配结构。

* 随着结晶器尺寸增加，给结晶器的焊接也带来困难。

为节约铜板，采用内套铜制外套钢制的。

为了解决铜－钢焊接的困难，采用装配式结构。

从使用效果来看内筒铜制外套钢制的装配式结晶器较好，其使用寿命较高。

这种结晶器由于采用螺栓连接避免在重熔过程中，由于内外套膨胀收缩不不一致，引起焊缝裂纹而产生漏水的可能性。

* 4.7冷却水
* 冷却水质要求应符合GB10067.7-88中第5.1.33条的要求。

* PH值?????????????? ? 7-8.5
* 悬浮性固体????????? ＜10mg/L
* 碱度＜60mg/L
* 氯离子＜60mg/L(平均)
* ＜220mg(最多)
* 硫酸粒子＜100mg/L
* 全铁＜2mg/L
* 可溶性SiO2???????? ? ＜6mg/L
* 溶解性固体????????? ＜300mg/L
* 电导率????????????? ＜500μs/L
* 总硬度CaO (mg当量) 对带电体＜10????
* ???????????????????????? 对不带电体＜60
*
5、电渣重熔安全操作知识
* 电渣重熔主要操作事故，与重熔过程中使用水冷件有关。

如果水从熔渣或金属表面流过而不倒出它们的情况下，也不会有多大的危害，但是，少量的水流人熔钢或熔渣层的下面，就会发生破坏性的爆炸危害。

结晶器、底水箱、卡头和水冷电缆都是漏水源。

结晶器和底水箱在使用中偶尔可能破袭，这可能由机械、或电破坏、或密封失败而造成。

即使如此，也很少发生爆炸，但是这种危险总是存在的，因此，主张操作者穿劳保服，特别是操作者向炉内观察时，要保护好面部和眼睛。

所以，如有可能的话，在观察熔炼时，最好使用潜望镜(或一个小镜子)，或通过电视以确保绝对安全。

在整个熔炼过程中，操作人员要戴上色镜来保护眼睛，因为色镜能抑制来自渣池的闪烁，这种色镜要比常规的炼钢色镜暗一些，因为渣温度大约在1800～20000℃左右。

* 由于冷凝作用，结晶器表面有冷凝水产生的危险，未处理的渣材料中也含有水，因此，都不得忽视。

确保供水
* 需求，但有时可能出现某个供水件没有打开的人为错误。

如果熔炼中发生断水情况，操作者应及时打开备用水源，仍无法供水，这时操作者应立即停炉，并从自由水源用软管提供冷却，耽搁供水可引起严重问题。

对于已过热的件千万不要强制供水，因为当新的供水流到一个已过热的件上时，易引起严重爆炸事故。

水集中在热渣表面，不可能引起严重问题。

但是，如果在凝固产生渣帽收缩之后，水就有可能进入渣帽和结晶器壁之间的间隙中，那么爆炸性蒸发就能发生。

以上情况的发生常常先于高水温报警动作，或先于蒸汽冒出，因此，要密切注意那样的报警信号，不理睬报警信号，或忽视安全连锁，往往会发生不幸后果。

* 在短结晶器操作中，座炉前要认真检查结晶器底法兰焊缝、内腔纵焊缝是否渗水，如有应进行修理或更换，否则会引起爆炸。

刚起弧加渣料时要均匀加入不能停留，否则会因渣阻小产生大的电流而熔漏底水箱爆炸。

发现结晶器内渣液面翻动，这是由于结晶器内焊缝漏水形成，要及时切断高压并将电极提起，通知人员远离炉前，防止爆炸
* 烫伤人。

* 电渣重熔采用低电压，不存在大的危险，但是变压器室内电压高，因此，通常要求注
意。

电渣炉设备的传动系统是液压传动的，一定要注意液压介质的泄漏问题，如果是易燃介质，在冶炼过程中泄漏极易造成火灾。

所以，为了安全起见，可选用不易燃烧的液压介质做为传动介质，这样就可避免火灾事故的发生。

* 电渣重熔可能出现的主要危险是由于工艺看上去很好掌握，可能产生自满情绪。

倘若采取预防措施，积极维护，就不会发生任何问题。

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6、电渣重熔现状及发展趋势
* 从趋势上看，新建电渣炉向着钢锭大型化的方向发展。

八十年代，绝大多数厂家的电渣炉都在3t以下，而近三十年来10t以上的电渣炉已相当普遍。

就连山东民营企业也建起了40t电渣炉。

一九七九年，齐齐哈尔钢厂从西德莱保尔德——海拉
* 斯公司，引进第一台10t单相、单支臂、双熔位、保护性气氛电渣炉。

之后近20年的时间里，没有厂家再从国外引进电渣炉。

九十年代末期以来，邢台轧辊厂、内蒙二机及上钢五厂先后从美国康萨克公司引进了四台20t电渣炉。

2000年后，引进电渣炉数量更加增多。

随着引进电渣炉数量的增加，国外电渣炉一些先进技术也逐渐被移植。

重力传感器的使用为电子称重系统的应用以及计算机控制熔化速率提供了必要条件。

从我国电渣炉的发展情况看，控制系统已由简单的自耦，甚至手动控制，发展为可控硅或PLC控制，部分厂家采用了计算机控制。

但是由于我国在冶炼工艺与计算机的结合方面存在着薄弱环节，当前很多厂家的计算机控制实质上还是停留在一般的冶炼过程控制上。

真正意义上的计算机控制应当是在控制冶炼过程的同时，控制熔化速率及熔池的深度和形状。

在传动机构方面，已由精密球型丝杠及液压传动取代了钢丝绳及梯型丝杠，使支臂及托锭承重小车的升降更加灵活、平稳、准确。

另外，立柱旋转取代了支臂旋转，不
* 仅解决了支臂旋转巨大的齿轮制造及安装方面的困难，而且减少了零部件重量，所占空间及造价，转动更加灵活，设备外观给人以简洁明快之感。

变压器由过去的冶炼过程中，必须断电换档的无载有级调压，发展为不需断电即可调整冶炼电压的有载有级和有载无级变压器，有载无级变压器可以在带有负载，即在冶炼过程中，不需断电就可把电压调整到任何所需位置。

有载无级调压变压器的出现，为实现真正意义上的计算机控制提供了必要条件。

从变压器的冷却方式上，由原来的强制油循环冷却，发展为干式风冷。

随着铁芯材料质量的提高，变压器发热的现象明显减弱，自冷式变压器将成为电渣炉用变压器的发展方向。

西安变压器厂为山东一企业制造的 40t 电渣炉，用 6000KVA 大型变压器就是采用自行冷却方式冷却的。

其主要缺点是为了增大散热面积，变压器的体积较大。

为了减少电抗造成的电能损失，消除散磁、降低电流的搅拌作用，防止出现点状偏析，同轴设计电路（同轴导电立柱、同轴电缆）将会成为电渣炉今后的发展方向，到
* 目前为止，国内引进的近十台电渣炉全部采用的同轴设计电路。

另外，二次环路中通过强大的电流，在电渣炉附近空间会形成一个强大的交变磁场，磁场内的钢铁构件，甚至混凝土中的钢筋都要产生涡流发热，即增加了网路的电能损耗，又有损于结构件的强度。

这一点应当成为新型电渣炉设计必须考虑的问题。

从国内电渣钢产量及生产能力方面，也呈现出迅猛发展的态势。

仅东北特钢就成为拥有30 台电渣炉，形成年产 8.5-9 万t电渣钢的生产能力。

目前，已形成年产3.5万t以上电
渣钢生产能力的厂家有抚顺特钢、北满特钢、大冶特钢和西宁特钢。

我国是电渣冶金起步较早的国家，属于电渣冶金技术先进的国家。

但是在采用电渣熔铸、电渣浇注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸、快速电渣重熔等新技术方面普及面不宽，甚至在某些领域近乎处于空白状态。

我国在电渣熔铸异形件方面工作开展较早，很多厂家
* 及院所在六、七十年代就对曲轴、炮管、飞机发动机涡轮盘、轧辊、模块等异形件进行过研制，但是电渣熔铸异形件这项技术始终没有真正发展起来。

目前，实现工业化生产具有代表性的有西宁特钢电渣熔铸轧辊、模块；沈阳铸造研究所的大型电站用水轮机叶片、挖掘机复合斗齿、气压机连杆；成都冶金硬面技术加工厂的供无缝管生产用复合穿孔顶头等。

二、电渣重熔原理及工艺
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* 1、电渣重熔基本原理
* 1.1什么是电渣重熔
* 电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源将电极熔化，溶化的金属汇聚成滴，穿过渣层进入金属熔池，在水冷结晶器内凝固成铸件的方法称为电渣重熔。

* 1.2工艺特点
* 在铜制水冷结晶器内盛有熔融的炉渣，自耗电极一端插入熔渣内。

自耗电极、渣池、金属熔池、钢锭、底水箱通过短网导线和变压器形成回路。

在通电过程中，渣池放出焦耳热，将自耗电极端头逐渐熔化，熔融金属汇聚成液滴，穿过渣池，落入结晶器，形成金属熔池，受水冷作用，迅速凝固形成钢锭。

在电极端头液滴形成阶段，以及液滴穿过渣池滴落阶段，钢–渣充分接触，钢中非金属夹杂物为炉渣所吸收。

钢中有害元素（硫、铅、锑、铋、
* 锡）通过钢-渣反应和高温气化比较有效地去除。

液态金属在渣池覆盖下，基本上避免了再氧化。

* 1.3电渣重熔冶金特点
* 1.3.1反应温度高
* 电渣重熔过程渣池的温度对精炼提纯效果、电极溶化率、金属熔池形状、铸件成型和结晶有决定性的影响。

* 一般渣池表面层的温度在1750℃左右，渣池最高温度区的温度达1900℃左右。

电渣重熔的常用渣系CaF270％＋Al2O330％的熔点1320～1340℃，一般钢的熔点在1400～1500℃之间，因此在重熔过程，渣过热600℃左右，钢液过热450℃左右，无疑渣池温度是促进一系列物理化学反应的前提条件。

* 1.3.2钢渣充分接触
* 电渣过程液态金属和熔渣充分接触发生在三个阶段：
* （1）电极溶化末端：自耗电极端头，在熔渣内受熔渣的电阻热，电极表面逐层熔化，熔化金属沿锥头形成薄
* 膜，金属细流沿锥面滑移，在端头汇聚成滴。

金属流内可能产生湍流，不断更新表面。

* （2）金属熔滴滴落：电极端头金属滴在重力和电磁引缩效应作用下，脱离电极滴落，穿过液态熔池，过渡到金属熔池。

滴内金属可能产生环流。

* （3）金属熔池：金属熔池上表面始终在渣层下，和熔渣长时间相接触。

* 1.3.3渣池强烈搅拌。