111 專技高考高等考試 冶金工程技師 鋼鐵冶金學 考古題詳解

核心觀念

本題評量鋼鐵冶煉工程中兩大核心製程路線（高爐－轉爐一貫作業製程 vs. 電爐廢鋼回收製程）的基本熱力學、動力學原理與冶金特性，涵蓋四大核心範疇：

1. 製程定義與反應機制：高爐（Blast Furnace, BF）的逐級還原反應與溶碳機構；轉爐（Basic Oxygen Furnace, BOF / LD）的純氧選擇性強氧化反應與自熱平衡。
2. 鐵水與鋼液的熱力學相平衡差異：依據 $\text{Fe-C}$ 相圖，比較碳濃度對液相線溫度（熔點）、凝固組織、流動性與塑韌性加工極限之影響。
3. 轉爐與電爐（Electric Arc Furnace, EAF）之熱力學條件差異：主要原料來源、能量供給型態（氧化化學放熱 vs. 電弧物理熱）、反應大氣與雜質元素分佈行為（特別是難氧化去除的殘留元素 Tramp elements 與氣體溶解度）。
4. 鋼品潔淨度與下游客戶端加工需求之匹配：殘留元素（$\text{Cu, Sn, Ni, Cr}$）引起的熱脆性（Hot shortness）、高氮含量引發之應變時效（Strain aging），如何決定扁平材（板捲）與長條材（棒線、結構鋼）之製程分流。

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解題方法

本題屬四合一的綜合比較型申論題。答題策略採「結構化、量化數據化、矩陣對比化」三原則：

1. 定性與定量並重：說明各製程時，明確寫出核心化學反應式及操作溫度區間；比較鐵水與鋼液時，明確列出成分比例（特別是 $\text{wt}\% \text{ C}$ 及伴生元素含量）與液相線溫度數值。
2. 多維度剖析製程差異：比較轉爐與電爐時，由「原料結構」、「熱能來源」、「冶煉氣氛與雜質去除動力學」、「殘留元素與氣體控制」四個維度切入，直擊冶金本質。
3. 下游用途與產品等級鏈結：將產品差異回扣至材料成形加工特性（如深衝性、表面瑕疵敏感度、結構強度需求）。

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選項分析

本題為專技高考工程技師之申論問答題，無選擇選項。閱卷評分依據為四大子題要點之完整性與技術深度：

• 子題一（高爐與轉爐定義）：需完整交代進料、還原／氧化熱力學機制及產出物。
• 子題二（鐵水與鋼液差異）：需涵蓋化學成分（$\text{C, Si, Mn, P, S}$）、熔點溫度及機械物理性質。
• 子題三（轉爐與電爐差異）：需點出能源形式、原料差異、脫磷脫碳效率及殘留元素行為。
• 子題四（產品差異）：需明確指出板材（扁平材）與條鋼（長條材）之分界及其冶金成因。

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解題技巧

1. 熱力學電位判斷（Ellingham Diagram 應用）： $\text{Cu, Ni, Mo, Sn}$ 等元素之氧化物標準生成自由能高於 $\text{FeO}$，在煉鋼條件下無法藉由造渣氧化去除。掌握此點即可直接論證「電爐使用廢鋼必然累積殘留元素，難以生產超深衝薄板」的結論。
2. 氣體溶解度定律（Sieverts' Law）： 雙原子氣體溶於鋼液遵循 $[\%N] = K_N \cdot \sqrt{P_{N_2}}$。電爐電弧高溫將空氣中之 $\text{N}_2$ 離子化，使鋼液含氮量偏高（$50 \sim 100\text{ ppm}$）；轉爐頂吹高純度氧氣，且大量 $\text{CO}$ 氣泡上浮產生強烈氣提作用（Flushing effect），氮含量極低（$15 \sim 30\text{ ppm}$）。
3. 速記數值標準：

• 鐵水：$[\text{C}] \approx 4.0 \sim 4.5\%$, 熔點約 $1150^\circ\text{C} \sim 1250^\circ\text{C}$。
• 鋼液：$[\text{C}] \le 2.0\%$（一般碳鋼 $\le 0.25\%$）, 熔點約 $1500^\circ\text{C} \sim 1535^\circ\text{C}$。

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【答案】

一、高爐煉鐵與轉爐煉鋼之定義與原理

1. 高爐煉鐵（Blast Furnace Ironmaking, BF）

• 定義：高爐為連續作業的立式逆流反應爐，主要任務為將天然鐵礦石轉化為液態鐵水（生鐵）。
• 反應機制：從爐頂分批裝入鐵礦石（燒結礦、球團礦）、焦炭與石灰石助熔劑；由爐身下部風口吹入富氧熱風與噴吹煤粉。焦炭與氧氣燃燒產生高溫 $\text{CO}$ 還原性氣體，在上升過程中將逆流下降的鐵礦石逐級還原： $\text{Fe}_2\text{O}_3 \rightarrow \text{Fe}_3\text{O}_4 \rightarrow \text{FeO} \rightarrow \text{Fe}$ 金屬鐵在高溫滴落過程中大量溶解焦炭中的碳，形成低熔點的液態鐵水（Hot Metal），並藉由石灰石造渣去除脈石（形成高爐渣），於爐底定期排放。

2. 轉爐煉鋼（Basic Oxygen Furnace Steelmaking, BOF）

• 定義：轉爐為間歇式擺動式耐火襯反應爐，主要任務為將高碳、富雜質的液態鐵水快速精煉為低碳、高潔淨度的鋼液。
• 反應機制：爐內主要裝入 $75\% \sim 90\%$ 高溫液態鐵水與 $10\% \sim 25\%$ 固態廢鋼（作為冷卻劑），加入生石灰（$\text{CaO}$）與輕燒白雲石等造渣劑。自爐頂以超音速水冷氧槍（或配合爐底吹惰性氣體之頂底複合吹煉）吹入高純度氧氣（$\ge 99.5\%$），利用強烈氧化反應去除鐵水中過量的碳及雜質：

核心觀念

電弧爐（EAF）鍊鋼中，「發泡渣」（Foamy Slag）技術的核心在於利用熔渣內部產生的微細氣泡，使熔渣體積膨脹（通常膨脹至原體積的 $2 \sim 3$ 倍），將電弧完全掩埋於渣層中（即「埋弧操作」）。此舉能大幅減少電弧對爐壁及爐頂耐火材料的直接熱輻射損耗，並大幅提升電弧向鋼液傳遞熱能的熱效率（熱效率可由傳統長弧的約 $40\%$ 提升至 $70\% \sim 80\%$ 以上），平均每噸鋼可節省電力消耗約 $20 \sim 40\text{ kWh/t}$。

評估發泡渣性能的關鍵指標為發泡指數（Foaming Index, $\Sigma$），其物理意義為氣泡停留在熔渣內的平均滯留時間： $\Sigma = \frac{\Delta V}{Q_g} = \frac{H_{foam}}{v_g}$ 其中：

• $\Delta V$ 為發泡增量體積，
• $Q_g$ 為氣體生成速率，
• $H_{foam}$ 為發泡層高度，
• $v_g$ 為氣體表觀流速。

根據 Ito 與 Fruehan 等人之冶金動力學研究，發泡指數與熔渣的物性參數關係可表示為： $\Sigma \propto \frac{\mu}{\sqrt{\sigma \cdot \rho} \cdot d_b}$

• $\mu$：熔渣黏度（Viscosity）
• $\sigma$：熔渣表面張力（Surface Tension）
• $\rho$：熔渣密度（Density）
• $d_b$：生成氣泡的平均直徑（Bubble Diameter）

因此，要提升發泡渣性能，本質上必須從兩大物理化學方向著手：

1. 強化氣體生成動力學：持續且均勻地產生細小的 $CO$ 微氣泡（減小 $d_b$、維持適當且穩定的 $Q_g$）。
2. 調控熔渣物性與結構：提高熔渣表觀黏度 $\mu$、適度降低表面張力 $\sigma$，並利用適量微細固相顆粒阻礙氣泡膜排液（Drainage），延長氣泡破滅時間。

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解題方法

本題為冶金工程技師經典申論題。解題應以「發泡指數控制」與「$CO$ 產氣反應動力學」為切入點，從渣相成分控制、固相質點懸浮、噴吹工藝控制及操作溫度控制等面向，提出具備明確學理依據與實務可行性的提升方法：

1. 控制熔渣二元鹼度與 $MgO$ 飽和度，形成「適量微細固相析出物」

• 學理依據：純液態熔渣的黏度通常不足以維持持久的泡沫結構。若能使熔渣處於 $MgO$ 或雙鈣矽酸鹽（$2CaO\cdot SiO_2$，$C_2S$）的近飽和或微過飽和狀態，渣中會析出微細的固相懸浮質點（體積分率約 $5\% \sim 15\%$）。
• 具體作法：
• 將二元鹼度（$B = \frac{\%CaO}{\%SiO_2}$）調控在 $1.5 \sim 2.2$ 之間，促使適量 $C_2S$ 顆粒析出。
• 添加適量輕燒白雲石或苦土（$MgO$），使渣中 $MgO$ 達到溶解飽和（通常約 $8\% \sim 12\%$，視溫度與 $(FeO)$ 含量而定）。
• 效應：依據 Einstein-Roscoe 方程式，懸浮固相顆粒顯著提高熔渣的表觀黏度（$\mu_{apparent}$），並滯留於氣泡間的液膜平台邊界（Plateau Border），物理性阻礙液膜排液與氣泡兼併（Coalescence），使發泡高度大幅提升且泡沫結構持久。

2. 優化碳粉與氧氣噴吹工藝（精確匹配產氣動力學）

• 學理依據：發泡的氣源主要來自碳氧反應生成的 $CO$ 氣泡： $(FeO) + C_{(s)} \rightarrow Fe_{(l)} + CO_{(g)}$ $[C] + [O] \rightarrow CO_{(g)}$
• 具體作法：
• 採用集束氧槍（Coherent Jet）與加壓碳粉深層噴吹技術，將微細碳粉精準噴入渣-金界面層。
• 控制碳粉粒徑（通常選用 $0.1 \sim 1\text{ mm}$ 之無煙煤粉、焦炭粉或石墨粉），避免過粗（沉入鋼液過深）或過細（隨爐氣抽走）。
• 效應：細小碳粉可提供大量非均質成核位置（Heterogeneous Nucleation Sites），促使生成均勻而微細的 $CO$ 氣泡（降低 $d_b$）。微細氣泡比大氣泡更不易破裂，能顯著增強發泡指數 $\Sigma$。

3. 控制渣中 $(FeO)$ 含量於最適動態平衡範圍

• 學理依據：$(FeO)$ 既是產氣反應 $(FeO) + C \rightarrow Fe + CO$ 的反應物，又是強烈破壞矽酸鹽網狀結構的鹼性修飾劑（Network Modifier）。
• 具體作法：

核心觀念

本題評量鋼鐵冶金學中「鋼液火法精煉熱力學與動力學」的核心機制，主要涵蓋以下兩大主軸：

1. 脫磷熱力學（Dephosphorization）：磷在鋼液中通常以 $[\text{P}]$ 形式存在，脫磷本質為「氧化反應」。依據能斯特分配律與自由能變化，鋼中磷氧化生成酸性氧化物 $\text{P}_2\text{O}_5$，必須藉由鹼性渣（主要為 $\text{CaO}$）形成穩定磷酸鹽以固定於渣中： $2[\text{P}] + 5(\text{FeO}) + 4(\text{CaO}) \rightleftharpoons (4\text{CaO}\cdot\text{P}_2\text{O}_5) + 5\text{Fe} \quad (\Delta H^\circ < 0)$ 或以離子反應式表示： $2[\text{P}] + 5[\text{O}] + 3(\text{O}^{2-}) \rightleftharpoons 2(\text{PO}_4^{3-})$ 反應為強烈放熱反應，高磷分配比 $L_{\text{P}} = \frac{(\%\text{P})}{[\%\text{P}]}$ 依賴：低溫、高氧位（高 $(\text{FeO})$ 活度）、高鹼度（高 $a_{\text{CaO}}$ 或高自由氧離子 $\text{O}^{2-}$ 濃度）及大渣量。

2. 脫硫熱力學（Desulfurization）：硫在鋼液中以 $[\text{S}]$ 形式存在，脫硫本質為「還原置換反應」。硫離子取代爐渣中的氧離子進入渣中： $[\text{S}] + (\text{CaO}) \rightleftharpoons (\text{CaS}) + [\text{O}] \quad (\Delta H^\circ > 0)$ 結合強脫氧劑（如鋁脫氧）時之總反應式為： $3[\text{S}] + 3(\text{CaO}) + 2[\text{Al}] \rightleftharpoons 3(\text{CaS}) + (\text{Al}_2\text{O}_3)$ 或以硫容量（Sulfide Capacity, $C_{\text{S}}$）理論之離子反應式表示： $[\text{S}] + (\text{O}^{2-}) \rightleftharpoons (\text{S}^{2-}) + [\text{O}]$ 反應為吸熱反應，高硫分配比 $L_{\text{S}} = \frac{(\%\text{S})}{[\%\text{S}]}$ 依賴：高溫、極低氧位（低 $[\text{O}]$ 及極低渣中 $(\text{FeO} + \text{MnO})$）、高鹼度（高光學鹼度 $\Lambda$、高 $\text{O}^{2-}$）及強烈界面攪拌。

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解題方法

本題為標準的火法冶金對比型申論題，答題架構應包含三大層次：

1. 原理陳述：分別寫出電爐脫磷與精煉爐（LF/VD）脫硫的化學反應方程式、熱力學驅動力（$\Delta H^\circ$ 符號、氧勢要求、活度關係）與動力學控制步驟。
2. 相似特性歸納：從「渣－金界面傳質反應特徵」、「造渣基底」、「流動性改質需求」與「渣量／攪拌動力學」切入，提出至少 4 種相似點。
3. 相異特性對比：從「熱力學溫度效應（放熱 vs. 吸熱）」、「系統氧勢（氧化性 vs. 還原性）」、「造渣劑組成與渣系（黑渣 vs. 白渣）」及「製程階段與排渣控制（及時扒渣 vs. 密封保溫覆蓋）」切入，提出至少 4 種相異點，並條列呈現。

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解題技巧

1. 口訣記憶對比：

• 脫磷四大要素：「低溫、高氧、高鹼、大渣量」（因 $\Delta H < 0$，低溫利於平衡向右；磷為酸性氧化物，需氧化環境與高鹼度固化）。
• 脫硫四大要素：「高溫、強還原（極低氧）、高鹼、強攪拌」（因 $\Delta H > 0$，高溫利於反應；硫置換需釋放氧，極低氧位利於平衡向右）。

2. 常見陷阱與評分失分點：

• 混淆反應溫度效應：切勿將脫磷與脫硫的溫度要求寫反。若電爐末期過度升溫，脫磷會發生嚴重的「回磷（Rephosphorization）」；而鋼包精煉脫硫則必須維持高溫。
• 造渣劑種類不清：脫磷用的是含氧化鐵的「氧化渣／黑渣」；精煉脫硫必須造「還原渣／白渣（$(\%\text{FeO} + \%\text{MnO}) < 1.0\%$）」，需添加脫氧劑（鋁粒、碳化矽、碳粉）將渣中不穩定氧化物完全還原。

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【答案】

一、電爐脫磷與精煉爐脫硫之原理說明

1. 電爐脫磷原理

• 熱力學機制： 鋼液中脫磷屬於氧化放熱反應。金屬液中的磷與熔渣界面之氧化鐵（$\text{FeO}$）反應生成酸性氧化物 $\text{P}_2\text{O}_5$，並隨即與鹼性渣中的游離生石灰（$\text{CaO}$）結合成穩定的磷酸四鈣或磷酸三鈣固化於渣中： $2[\text{P}] + 5(\text{FeO}) + 4(\text{CaO}) \rightleftharpoons (4\text{CaO}\cdot\text{P}_2\text{O}_5) + 5\text{Fe} \quad (\Delta H^\circ < 0)$
• 控制要件：

核心觀念

本題旨在評量考生在「鋼鐵冶金熱力學」、「高爐反應動力學」與「低碳/淨零冶金製程」的整合論述能力。高爐（Blast Furnace, BF）煉鐵是以碳質燃料（焦炭與噴吹煤）同時擔任「化學還原劑」與「熔煉熱源」，其碳排佔鋼鐵聯合企業總排放量 70% 以上。

核心涉及之冶金原理與反應式包括：

1. 碳熱還原與熱源生成：

• 風口燃燒發熱：$C + O_2 \rightarrow CO_2 \quad (\Delta H^\circ < 0)$
• Boudouard 反應（吸熱）：$C + CO_2 \rightleftharpoons 2CO \quad (\Delta H^\circ > 0)$
• 間接還原（放熱）：$Fe_2O_3 + 3CO \rightarrow 2Fe + 3CO_2 \quad (\Delta H^\circ < 0)$
• 直接還原（消耗焦炭，高溫吸熱）：$FeO + C \rightarrow Fe + CO \quad (\Delta H^\circ > 0)$

2. 氫還原取代反應：

• 氫氣還原鐵礦（吸熱反應）：$Fe_2O_3 + 3H_2 \rightarrow 2Fe + 3H_2O \quad (\Delta H^\circ > 0)$
• 產物為水蒸氣（$H_2O$），無溫室氣體生成；且 $H_2$ 擴散係數大、黏度低，還原動力學速率顯著高於 $CO$。

3. 高爐質量與熱量平衡（Rist 操作圖原理）：

• 限制因素：焦炭在高爐中除了作為還原劑，尚提供爐內透氣性骨架（Coke Grid）、滲碳降低生鐵熔點（至約 1150 °C）。因此高爐內無法 100% 抽離固體碳。

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解題方法

本題為典型的「申論型技術論述題」。解答時切忌流於概念性空談（如單純回答節約用電、綠電替代），必須從**「冶金物理化學」、「爐料與操作控制」、「創新還原劑替代」與「系統整合」**四個層次切入，依技術成熟度與落實時程（近中期高爐改善 $\rightarrow$ 中遠期爐頂氣循環與氫能注入 $\rightarrow$ 遠期跳脫高爐之直接還原鐵轉型）展開論述：

1. 爐料結構優化與能效提升（近中期）：提高精料水平（高品位塊礦與球團礦替代燒結礦）、利用生質炭（Biomass）替代部分化石碳。
2. 富氫氣體噴吹還原（中期技術）：由風口或爐身噴吹焦爐氣（COG）、天然氣或綠氫，利用富氫還原降低碳耗。
3. 爐頂氣循環與全氧鼓風（TGR-BF + CCUS，中遠期）：脫除尾氣中的 $CO_2$ 並使還原氣體（$CO$、$H_2$）再循環噴入爐內。
4. 極限低碳路徑變革（2050 終極方案）：氫基直接還原鐵（$H_2$-DRI）串聯電弧爐（EAF），徹底取代傳統高爐製程。

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選項分析

本題為國家考試專業技師專門科目之「申論申述題」，試卷無單選或複選選項。為使論述結構嚴謹、條理分明，以下依冶金工程之「減碳途徑與技術可行性」進行逐項技術剖析評比：

1. 途徑一：爐料高金屬化與優化（原料端改善）

• 原理分析：增加酸性球團礦與高品位塊礦比例，降低燒結礦比例。燒結過程需使用大量焦粉燃燒，自身即是高碳排環節；入爐鐵礦品位提高 1%，高爐燃料比（Fuel Rate）可下降約 1.5% 至 2.0%。另可入爐金屬化爐料（如 HBI, 熱壓鐵塊），直接省去鐵氧化物還原所需之碳量。
• 可行性評估：成熟度最高，屬目前各大鋼廠立即可行之減碳策略。

2. 途徑二：噴吹生質能碳材（Biomass Substitution）

• 原理分析：利用農業廢棄物熱裂解製成生質炭，部分取代噴吹煤粉（PCI）或焦炭。因生質能具「碳中和（Carbon-Neutral）」屬性，生命週期評估（LCA）上不計入淨 $CO_2$ 排放。
• 可行性評估：冶金限制在於生質炭機械強度低、灰份組成（尤其鹼金屬如 $K_2O$、$Na_2O$）易造成高爐內襯侵蝕，需嚴格控制配比（通常替代率在 10%～20% 以下）。

3. 途徑三：風口噴吹富氫氣體 / 氫氣（Hydrogen Injection）

• 原理分析：利用焦爐氣（含 55%～60% $H_2$）、天然氣或純綠氫自風口噴入。$H_2$ 代替 $CO$ 進行還原反應，生成 $H_2O$。
• 可行性評估：因氫還原為吸熱反應，大量噴入將導致高爐風口前理論燃燒溫度（TFT）下降，因此必須配合「高富氧鼓風」或「風口電漿/熱風補熱」以維持熱平衡；減碳潛力約 10%～20%，但無法達到 100% 零碳。

4. 途徑四：全氧高爐與爐頂氣循環技術（Top Gas Recycling Oxygen Blast Furnace, TGR-BF）結合 CCUS

• 原理分析：以純氧代替熱風鼓風，消除煙氣中佔比最大的 $N_2$。