铁水预脱硅

铁水预脱硅铁水预脱硅(desiliconization of hot metal)铁水进入炼钢炉前的降硅处理。

它是发展较早的一种铁水预处理工艺，是分步精炼工艺的发展。

能改善炼钢炉的技术经济指标，降低炼钢费用，也可作为预处理脱磷、脱硫的前处理，可降低脱磷处理剂消耗，进一步生产纯净优质钢。

简史铁水预处理脱硅开始较早，1897年曾有人用平炉进行了脱硅脱磷的预备精炼工业试验，20世纪初进行了混铁炉脱硅，到40年代试验了高炉出铁时的脱硅，中国于50年代曾在鞍山钢铁公司实施过预备精炼炉脱硅和高炉铁水沟脱硅，这些都对改善平炉炼钢的冶炼技术经济指标和提高生产率起了良好的作用。

到了90年代，基于对优质钢材的需求，以及钢铁生产工艺本身节省资源和能量、减少渣量等公害的需要，日本发展了以脱硅、脱磷为目的的铁水预处理。

此后发展成两类预脱硅工艺，一类是作为铁水同时脱磷、脱硫的前工序，以提高其效率，这种铁水进入转炉只需完成脱碳和提高温度，炉渣减少到微量保护渣层的程度，主要生产高纯钢种；另一类是作为降低转炉渣量的措施。

1985年前后日本各大厂曾广泛采用，主要在高炉炉前进行。

后来，由于高炉冶炼低硅铁技术的发展，这类预脱硅方法已较少使用。

原理硅是易氧化元素。

脱硅反应可表示如下：按硅在渣相和金属相问的分配比可表示为式(2)：式中L si为硅在渣铁间分配率；C si为硅容量(K si／γ(sio2 ) )；a [O]为氧在铁水中活度；f [si]为硅在铁水中活度系数；γ(sio2 )为氧化硅在渣相中的活度系数；K’ Si为反应式(1)的平衡常数。

在碳饱和铁水中硅的活度系数根据各元素相互作用系数按下式计算：按一般炼钢生铁计算，f Si约在7～8之间。

硅容量C si，表示了渣相的溶硅能力。

它与渣中二氧化硅的活度系数，γ(sio2)成反比。

硅容量和渣成分有密切关系。

图1给出了FeO--SiO2--CaO--CaF2渣系的硅容量。

从以上热力学性质可以看出：(1)在一定温度和生铁成分条件下，脱硅能力决定于渣相的硅容量和供氧强度。

(2)脱硅过程中随着生铁成分的变化(硅锰等含量下降)f Si下降。

用氧化铁脱硅发生以下反应：[Si]+2(FeO)= (SiO2 )+2Fe (4)此反应可认为分成以下步骤：硅自铁水向渣铁界面转移；渣铁界面的化学反应；二氧化硅从渣铁界面向渣中转移；渣中氧化铁向渣铁界面转移。

成田等人用氧化铁脱硅实验发现：渣中FeO含量大于40％时，铁水中硅向渣铁界面扩散是反应的限制环节。

FeO含量小于10％时，渣中FeO向渣铁界面扩散是反应的限制环节。

FeO含量在10％～40％之间，为两种扩散的混合控制。

按硅在铁水中扩散为控制环节时，反应速度可写成式中K si为铁水中硅的表观传质系数，cm／s；A为渣铁间界面积，cm2；V为铁水体积，cm3；[％Si] 为时间t 时铁水中硅含量；[％Si] *为时间t 时界面硅含量。

若渣铁界面有足够的(FeO)脱硅渣，渣铁处于平衡状态，界面铁水的硅含量[％Si]≈0，则式(5)积分可得式(6)：式中[%Si] 0为铁水中起始硅含量。

将实验结果按- d[％Si] / dt 和[％Si] 的关系作图2，可以证实，反应初期脱硅按式(5)3生行，与式(6)的直线式一致。

与[％Si]。

、铁量、渣成分、渣量无关，只受搅拌强度的影响。

按式(6)计算的K si与温度的关系求活化能为15kcal ／mol。

此值近似于饱和碳铁水中硅的扩散活化能。

这也说明反应初期铁水中硅的扩散是限制性环节。

反应后半期逐渐偏离直线。

其偏离值相当于式(5)中K si A / V [％Si]*值。

由初期的K si和A／V求[％Si]*，得出各时期的(FeO)％与[％Si]*／[％Si]的关系图3，结果是(％FeO)≥40％[％Si]*／[％Si] =0。

若外延至(%FeO)≈10％时[％Si]*／[％Si] =1。

大贯一雄等人用气体氧喷吹脱硅，实验研究了上浮过程中的反应模型。

将反应分为喷枪前端、上浮过程和顶渣／铁水界面三个区。

枪前端为铁水中Fe、Si、Mn、C与O2的反应区。

后两区均为FeO与铁水中Si、Mn反应区。

喷吹过程顶渣中FeO在5％以下，可以认为与顶渣的反应是受渣中传质控制的。

但大部分反应是在上浮过程中发生的。

对整体来说可按混合控制考虑。

脱硅工艺硅一直作为转炉炼钢的发热元素。

但随着转炉容量增加和冶炼技术的进步，需要由硅提供的热量逐渐减少。

又由于减少渣量对炼钢技术经济指标改善十分有利，所以对铁水含硅量的要求逐渐降低，尤其是需要预处理脱磷脱硫的铁水。

根据不同的冶炼工艺和技术经济条件，大致可分为以下两种情况：(1)对需要脱磷脱硫预处理的铁水，其硅含量分成两种，如果使用苏打系熔剂，则硅含量要求小于0．10％；如果使用石灰系熔剂，则硅含量要求小于0．15％。

因为高于此值时熔剂首先用于脱硅，不能脱磷，不利于提高脱磷渣碱度(脱磷渣碱度CaO／SiO2为3．5～6．0)和脱磷剂利用率。

(2)对直接供给转炉炼钢的铁水，按不同对象钢种(指高温或低温出钢)，以[Si]0．5％为基准，改变硅含量对炼钢时铁矿石加入量、炉渣碱度、渣中TFe量和铁收得率、锰铁合金消耗、渣量和喷溅损失等对冶炼成本的影响，得出低温(1610℃±10℃)出钢要求的铁水含硅量以0．20％时成本最低，大于或小于0．2％时都引起成本升高。

高温(1700℃±10℃)出钢要求的铁水含硅量小于0．40％，高于0．40％时则引起成本上升。

脱硅方式按处理场所不同分为在高炉出铁过程中连续脱硅和在铁水罐(或鱼雷车)中间歇处理两种；按加入方法有自然落下的上置法，喷枪在铁水面上的顶喷法和喷枪插入铁水的喷吹法等；按搅拌方法有吹气搅拌、铁水落下流搅拌、喷吹的气粉流搅拌和叶轮搅拌。

脱硅方式的选择主要根据铁水含硅量、要求处理后的含硅量和已有设备限制等条件来确定。

若铁水含硅量大于0．45％～0．50％，应设置高炉炉前脱硅。

若铁水需预处理脱磷、脱硫，需先在铁水罐中脱硅，将含硅量降至0．10％～0．15％以下。

出铁场脱硅有的脱硅剂以皮带或溜槽自然落下加入铁水沟，经铁水落下流将脱硅剂卷入进行反应。

有的铁水沟有落差，脱硅剂高点加入，过落差点有一段反应距离，再设置撇渣器将脱硅渣分离。

硅含量可由0．50％降至0．20％，锰也有下降。

有的脱硅剂以加速添加方式进行。

一种为插入铁水的喷枪，以高速气粉流喷入，喷枪处铁水沟改造为圆形反应坑。

喷枪为横吹4孔；另一种喷枪在铁水面上，以高速气粉流向铁水投射。

有的投射点在铁水沟，该处改造为较宽较深的反应室。

有的投射点在摆动流嘴处。

这些加速添加方式都改善了反应的动力学条件。

同时还需克服喷溅过大、耐火材料侵蚀等问题。

铁水罐脱硅这种脱硅在专门预处理站进行。

采用插入铁水的喷枪脱硅。

脱硅剂粒度为-40～-100目，处理温度低(约1320℃左右)，需加氧枪面吹(距铁水面200mm左右)，防止温度下降。

当气体氧／固体氧在0．3～0．5范围时，平均脱硅量0．59％，铁水处理后温度基本不变，气体氧用量相当于1．4～2．0m3／t。

若上述比值增至0．6～1．0，平均脱硅量0．48％，则处理后平均升温50℃左右。

与高炉炉前脱硅相比，高炉前脱硅不需增加脱硅时间和工序，热损失少，铁水温降不大。

处理温度较铁水罐脱硅高100℃左右，但铁水罐装入量减少10％～30％，出铁中的硅含量，铁流大小和温度较难控制，影响了脱硅效率的稳定性。

从设备上看，炉前脱硅随出铁沟的设置需多点处理，设备费用高。

但不需新建厂房。

炉前脱硅的过程控制为了给炼钢提供成分稳定的低硅铁水，必须根据出铁时的硅含量和出铁速度确定和控制脱硅剂的输送速度和添加量。

典型的控制系统包括高炉热控制模型预报铁水含硅量，出铁期间硅含量在线快速分析，再根据炼钢要求的含硅量控制脱硅剂加入量。

硅含量的快速分析已开发多种，生产已采用的有两种：一种为将圆片状试样夹在两电极间，其间温差200℃，电极间热电势随硅含量增加而上升。

测量范围是0～1．5%Si，精度σ=0．02％。

插入试样至显示结果需50s。

另一种为固体电解质定硅探头，其结构为Cr•Cr2O3／／ZrO2-MoO／／SiO2／Si(铁中)，用钼丝作高温导线。

当固体电解质外套石英管SiO2与铁水中硅平衡时，有如下关系：[Si]+2[O]=(SiO2) (7)从测定固体电解质／铁水／石英套管间氧的活度得出相应的硅含量，即硅含量与输出电势(毫伏值)的关系。

用此方法控制调节脱硅剂加入量的效果是：目标硅为0．05％～0．12％时，命中率由46％提高至77％，脱硅剂消耗减少30％。

脱硅用耐火材料脱硅渣与高炉渣比较，前者FeO含量高。

原来用Al2O3 - SiC-C 系的铁沟耐火材料在渣线部分侵蚀严重。

因此在渣线部分改变材质，在脱硅剂加入处扩大铁水沟尺寸，铁沟侧壁埋设强制风冷管等。

对高FeO的脱硅渣，由于SiC、C被氧化而受到侵蚀，可用Al2O3- MgO系耐火材料代替，耐侵蚀性主要在于成渣反应生成液相量的大小。

试验证实，当MgO／Al2O3大于1．0时，液相的生成受到抑制，原因在于脱硅渣中FeO与MgO=Al2O3反应生成高熔点矿物。

影响脱硅的因素主要有脱硅剂单耗、处理前含硅量、反应界面积(即铁水与脱硅剂混合状况)、脱硅剂的种类和粒度等。

根据炉前脱硅和铁水罐脱硅的生产数据，温度在1250～1450℃范围内，温度变化对脱硅没有明显影响。

脱硅剂单耗和原始硅含量铁水含硅量大于0．5％时，一般每吨生铁加入脱硅剂10～30kg、脱硅量约0．1％～0．4％，脱硅剂单耗增加，脱硅量增加，但其增加幅度减小。

这与铁水含硅量逐渐降低后脱硅氧效率降低有关。

与硅以外的其他元素(C、Mn等)的氧化有关。

脱硅反应与脱硅剂单耗的关系可用下式表示-ln[Si]f ／[Si]0 = KW (8)式中[Si] f 为处理后铁水含硅量；[Si]0 为处理前铁水含硅量；K为比例常数；W为脱硅剂单耗，kg／t。

脱硅氧效率η si可按下式表示η si =与硅反应的氧/ 脱硅剂中的全氧×100％(9)实践证实，铁水原始硅含量对脱硅氧效率影响较大，当[Si]0 >0．5％时；η si在70％以上，当[Si]0降低时，效率急剧变差，当[Si]0=0．2％时，η si约40％。

反应界面积即铁水与脱硅剂的混合。

出铁速度影响着铁水与脱硅剂的混合。

在[Si]0=0．4％～0．6％时，向摆动流嘴处加入25～30kg／t的脱硅剂，当铁流速度由6t／min 提高到9t／min，脱硅率由40％提高到60％。

铁沟上顶部投射法(TIM)，喷枪不插入铁水，能改善脱硅的氧效率，尤其是要求终硅量达0．1％～0．2％时，投射法比自然落下法(SFM) η si 提高约10％。