浅析低硅冶炼

第19卷第3期　

2009年3月

中国冶金China Metallurgy

　Vol.19,No.3

March 2009

浅析低硅冶炼

周永平

(安阳钢铁公司技术中心,河南安阳455004)

摘　要:通过对硅在高炉内迁移行为的研究,分析了影响焦炭灰分中Si 以气态SiO 进入煤气的因素,以及影响低硅冶炼热力学和动力学等因素,分析了高炉实现低硅冶炼所要采取的措施。关键词:高炉;低硅冶炼;SiO ;滴落带

中图分类号:TF533 文献标识码:A 文章编号:100629356(2009)022*******

Simple Analysis on Low 2Silicon H ot Metal Production

ZHOU Y ong 2ping

(Technology Center of Anyang Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Anyang 455004,Henan ,China )

Abstract :Based on the study of silicon behavior during the iron 2making process in blast f urnace ,this paper put for 2ward the proposals on how to produce low 2silicon hot metal by analyzing the mechanism of silicon f rom coke ash into blast gas and other thermodynamics and kinetics factors which associated with low 2silicon hot metal production.K ey w ords :blast f urnace ;low 2silicon hot metal production ;silicon monoxide ;dropping zone

作者简介:周永平(19752),男,硕士研究生; E 2m ail :2007108@ ; 修订日期:2008209216

近年来,随精料水平的提高,高炉大型化,设备

先进化,操作水平提高,及先进工艺的采用如高顶压、高风温、大富氧和大喷煤等,中国炼铁事业取得显著的进步,低硅冶炼取得了很大的进步。高炉冶炼低硅生铁,可达到高产、稳产、节焦、优质的目标,降低生产成本、取得良好的经济效益。铁水含硅量的高低已成为人们评价高炉操作水平的一个重要指标,低硅冶炼是炼铁工作者追求的一个目标。

1　高炉内硅迁移的机理

1.1　铁水中[Si]的来源

高炉铁水硅的来源有两个:一个是焦炭灰分中的二氧化硅,一个是矿石脉石中的二氧化硅,随着高炉喷煤量的提高,煤粉灰分中的二氧化硅也是高炉铁水一个重要来源。一般认为焦炭和煤粉灰分中的SiO 2呈自由状态存在,a SiO 2可取为1,而炉渣中a SiO 2在0105～0110,焦炭煤粉灰分中的a SiO 2为炉渣a SiO 2的10～20倍,并且灰分中SiO 2与C 有均匀而紧密的接触,易发生还原反应。焦炭灰分中的SiO 2,优先熔融造渣,然后从液态气化气态为SiO ,由于焦炭灰分中SiO 2质量分数很高(45%～50%),a SiO 2亦很高,根据首钢试验证明此时a SiO 2可达0185,仍为一般高炉渣的815～10倍,可见焦炭煤粉灰分中的SiO 2几无论从什么状态下气化,a SiO 2都比普通高炉

渣大得多,因此焦炭煤粉灰分中的SiO 2是气态SiO 的主要来源[1]。根据风口取样分析,硅的还原在风口水平或渣层以上基本完成,这时铁中的硅已接近甚至超过终铁的[Si ]。联系以上分析,可以得出硅还原的主要方式是通过SiO 气体还原。即从风口水平上升的SiO 下降的铁滴相遇,被铁水中的[C ]还原,还原出的[Si ]很快溶于铁中。112　高炉内硅的还原再氧化反应

大量的实践和研究表明,硅在高炉内的行为以风口为界分为两个区域。风口区还原区及以上区域,确切的说是在滴落带和部分回旋区,该区域内进行的是Si 场的还原反应,称为硅还原区。风口燃烧区内的氧化区及以下区域,主要是铁滴穿过渣层及风口回旋区前端,进行的是硅的再氧化反应,称为硅氧化区。

11211　还原热力学动力学分析

(1)还原热力学分析

高炉中硅进入铁水的途径较为普遍的看法是根据日本学者槌谷等人对高炉解剖与大量的实验室研究得出的,高炉中硅的主要来源是焦炭灰分中的SiO 2,分两步进行还原,反应式如下:

SiO 2(coke )+C =SiO g +CO (1)SiO (g )+[C]=[Si ]+CO

(2)

对于反应式(1):

第3期周永平:浅析低硅冶炼

△G1=16422414-8211533t

在标准状态下,上述反应在1700℃左右才能开始进行,但在实际生产中大约在1500℃左右就能产生上述反应。而在风口区域温度高达2000℃以上,这完全可以满足该反应的热力学条件。但风口区域的燃烧带是由氧化区和还原区组成,气态SiO是在非氧化区内形成。形成的气态SiO是一种气体氧化物,它随着煤气上升,在滴落带与不断下落而且已含有饱和碳的铁液相遇,产生了以下反应。

对于反应式(2)[2]:

△G2=33950-30184t　J/mol

可知,在829℃,反应式(2)求出,ΔG2<0反应(2)就可以发生。而高炉中从炉身上部开始往下的温度逐渐升高并大于该温度,说明反应(2)在高炉内在热力学上是很容易进行的。随着铁滴的不断下降,铁水硅含量越来越高,以至在风口上方达到最高值。

(2)动力学分析

在硅的还原分析中特别需要注意的限速环节: SiO的生成速度。SiO的生成自由能随温度的变化规律很象CO,温度越高,生成自由能的负值越大,即温度越高,SiO越易生成,且SiO易被碳还原,在高炉条件下,还原率非常大。因此温度对SiO的生成速度影响很大,低温不利于SiO的生成。根据相关研究表明,高炉内硅的还原主要受到动力学上的限制。主要受制于SiO气体的生成。日本冶金工作者在SiO生成速度方面进行了大量工作,提出了SiO生成速度公式[3]:

R SiO=k×A×a SiO

式中　R SiO———SiO生成速度;

k———反应速度常数;

A———反应接触面积;

a SiO———SiO的活度。

由公式可见,SiO的生成速度与温度、反应接触面积及SiO活度直接相关。

1.2.2　氧化区内硅的热力学及动力学分析

(1)热力学分析

当铁水穿过风口氧化区及炉缸渣层时,铁水中的[Si]发生再氧化反应,其反应式为:

[Si]+O2=(SiO2)(3) [Si]+2(FeO)=(SiO2)+2Fe(4)

[Si]+2(MnO)=(SiO2)+2Mn(5)风口区的自由氧具有非常强的氧化能力,一般通过该区域的物质均被氧化,硅在该区域发生反应式(3)所示的氧化反应。国内外高炉解剖数据表明,在风口区铁水的硅含量开始急剧下降,也同样证明了这一点。在铁水流经渣层时发生反应式(4)和(5)得反应。

对于式(4)有:

△G4=-81500+28150t　J/mol

在高炉实际条件下,即使取t为1500℃,△G4 =-3096915J/mol,反应趋势很大。从氧势图可以看出,由于FeO和MnO氧势位相近,因此在热力学上MnO与FeO具有相似的氧化作用。炉缸炉渣对硅的氧化使生铁中硅含量进一步降低,达到了最终要求的硅含量,因而,炉渣起到脱硅的作用。

(2)动力学分析

铁水中硅的再氧化主要发生在铁滴穿过渣层的过程中,这一过程对铁水最终含硅量有重要影响。铁滴穿过渣层被氧化的硅量可用下式计算:

Q Si=q Si×S×τ×100(6)式中　Q Si———铁滴穿过渣层时再氧化的硅量;

q Si———硅由铁水向炉渣的迁移速度,它决定

于铁水中硅的浓度和扩散条件;

S———铁滴的比表面积,它与铁滴直径和铁

水密度有关,在高炉冶炼条件下是一

个少变因素;

τ———铁滴在渣层内滞留时间,它与渣层厚

度、炉渣粘度等因素有关。

从式(6)可知,渣铁良好的流动性,是有利于低硅冶炼;大且深的炉可以延长铁液穿过渣层的时间,增加渣铁相互接触的表面积,对于低硅冶炼是有利的。

2　高炉操作低硅冶炼的措施

2.1　实现精料入炉

精料操作包括:提高入炉品位,减少渣量,优化炉料结构,降低焦炭和煤粉灰分以及提高焦炭强度、入炉炉料粒度均匀等。因为焦炭的反应指数与SiO2气化为SiO的反应的平衡常数呈正相关[4],所以焦炭的反应指数越大,在高炉风口高温区产生的SiO就越多。因而采用反应性指数小的焦炭会有利低硅冶炼。减小焦炭反应指数的措施主要是利用焦炭的钝化技术来处理。宝钢的研究也表明,反应性低的焦炭,其灰分中SiO2开始和C激烈反应的温度比反应性高的焦炭高。冶炼硅质量分数为0130%铁水的宝钢3号高炉使用焦炭的反应性指数为25%左右,反应后强度在61%左右。

212　合理的炉缸热制度,控制风口前理论燃烧温度

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