高炉低硅冶炼知识

4.2硅还原机理与硅迁移理论的进展
• 早期研究认为，[Si]向铁水中迁移是通过高炉 炉缸的渣铁反应来实现的，由渣中（SiO2）与 铁液中的[C]或焦炭中的C进行反应。即： • （ SiO2）+2[C]=[Si]+2CO（g） • 传统的观念都认为这是高炉内Si迁移的主 要途径，根据研究，如果[Si]的迁移机理按上 式进行属于αSi02的一级反应，速度较慢，又受 时间限制，迁移量不大，热力学计算表明[Si] 的迁移量小于高炉铁水实际的[Si]含量。
从高炉转炉联合工序的能量利用角度来看， 将高硅铁水加入转炉导致了严重的wenku.baidu.com费。研究与 统计表明，铁水中Si含量每增加0.1%，高炉将多 耗209.02MJ/t，相当焦比4~6kg/t，在转炉中，每降 低铁水[Si]0.1%，可少加石灰7~10kg/t，可以多加 废钢，而且缩短了吹炼时间，节省了氧量，延长 了炉龄。因此，高炉冶炼低硅铁水从能源利用与 经济效益都是比较合理的。 例：1987年国家组织杭钢高炉冶炼低硅铁， 经过冶金部组织验收时，铁水含硅[Si]0.41%降至 0.27%，焦比降低11kg/t，不但炼铁经济效益明显， 而且炼钢经济效益更加明显。
4.3硅在炉内的主要反应
• 硅在高炉内的还原与氧化主要存在以下反应式： • 焦炭灰分中与炉渣中的二氧化硅（Si02）在高温下 与C作用气化分解为SiO，由于在焦炭灰分Si02条件 优于炉渣，故先气化，即： • Si02（焦炭灰分中、炉渣中）+C=Si0（气体）+CO • Si0（气体）+[C]=[Si]+CO • （Si02）+2C=[Si]+2CO • 从以上反应可以看出，提高炉渣中CaO/SiO2（二元 碱度），也就是降低Si02的活度；降低反应区主要 是理论燃烧温度以及减少Si0与[C]接触机会，主要 是降低软熔带中滴落带的高度等均可以降低铁水含 硅量。
• （1）杭钢高炉（300m3级）冶炼[Si]=0 .2~0.3%时（3#高炉） • [Si]%=0.343-0.393（CaO/SiO2）-0.062（MnO）%-0.067 （FeO）%-0.022（MgO）%+0.054（AI2O3） • （2）首钢高炉（1200m3级）冶炼[Si]=0. 29%时（2#高炉） • [Si]%=1.463-1.0{（CaO+MgO）/SiO2}-0.149（FeO)% • +0.044（AI2O3）+0.408[Mn]% • （3）南钢高炉（300m3级）冶炼[Si]=0.40%时（2#高炉） • [Si]%=1.444-0.296（CaO/SiO2）-0.095（FeO）%1.829×10-3（MgO）%+0.116（AI2O3）% • （4）宝钢高炉（4063m3级）冶炼[Si]=0.40%时（1#高炉） • [Si]%=1.57195-1.80798（CaO/SiO2）-0.1733（MgO） %+0.1684（AI2O3）%
2、降低软熔带位置
• 主要依靠具有良好的高温冶金性能的炉料（包括球团、烧结、焦 炭）、合理的软熔带形状、有利于高温区下移的操作制度以及合 理的炉料结构来达到。这部分内容十分丰富，例如炉料的高温冶 金性能中有还原性、低温粉化、软熔温度、熔滴特性、粒度筛分 分级、焦炭的强度与反映性等，对这些炉料的高温冶金性能都有 较高的要求。总的矿焦比，特别是在高炉断面上矿焦比的分布决 定了煤气流与热流的合理分布（CO2曲线或温度曲线）。 • 根据前面分析可知，Si0（气体）+[C]=[Si]+CO 的反应主要是在 滴落带完成吸硅过程，滴落带越高，表示反应经历的过程越长， 因此吸硅的可能性越多，降低软熔带的位置以及具有合理的热流 分布，相当于降低了软熔带的高度，这都是冶炼低硅铁必不可少 的条件。 • 软熔带的形状，一般具有三种，即V型、倒V型及W型，其中以 倒V型较为适宜，根据宝钢、攀钢等厂冶炼实践，倒V型软熔带 靠炉墙边沿（第一点）温度应该高于第二点，大约高30~50℃时 可以避免炉墙结厚。
增加时不利于铁水脱[Si]，而渣中CaO、MgO、FeO、 MnO等碱性氧化物增加时都有利于脱硅，同时根据炉渣 某一成分的变化量，可以计算出影响[Si]含量的大小。
五、降低铁水含[Si]的具体措施
• 1、要选择合适的炉渣成分 • 其中特别是渣中CaO的含量，或者是二元碱度 （CaO/SiO2），渣中CaO的作用主要是为了脱 硫、促进炉渣熔化、提高炉渣的熔化温度、保 持炉缸充沛的物理热、降低二氧化硅的活度以 控制SiO的挥发，根据冶炼实践，可能还有间 接的脱硅作用。从杭钢、南钢、首钢、宝钢等 高炉与国外高炉冶炼低硅铁水的实践可知，炉 渣的二元碱度不可太低，一般均在1.2~1.25， 日本高炉冶炼[Si]=0.2%时，二元碱度高达1.27。 我国宝钢高炉冶炼0.30~0.40%[Si]时，二元碱 度也在1.22~1.25。不过硫负荷不太高的高炉， 二元碱度可以低一些，应该根据实际炉况进行 适当的调剂。
（5）马钢高炉（300m3级）冶炼[Si]=0.4%时（二铁,3#高炉）
[Si]%=0.69-4.88（CaO/SiO2）-0.036（MgO）%+6.145×10-3 （AI2O3）%-0.04(MnO)%
（6）唐钢高炉（100m3级）冶炼[Si]=0.29%时（2#高炉）
[Si]%=0.832-0.142（CaO/SiO2）-0.034（FeO）%-0.034（MgO） %
国内情况
我国从1979年开始推广冶炼低硅低硫生铁的先进经验， 1978年8月为0.76%，82年6月为0.62%，84年9月为0.54， 马钢、首钢、重钢等厂高炉一般含Si量维持0.30~0.50% 左右。目前，我国大型钢铁厂如宝钢在1999年已降至 0.30~0.33%左右，2003年上半年已降到0.27%，达到世 界先进水平。首钢、武钢、鞍钢大高炉分别在0.4~0.6%， 与国外先进高炉还有0.2%左右的差距。地方企业如杭钢， 300m3级高炉自1979年长期冶炼低硅铁水，努力降低焦 比和提高产量，创造了中、小高炉冶炼低硅生铁的先进 经验。生铁含Si长期稳定在0.2~0.4%，1983年9月3#高 炉月平均[Si]量为0.22%，年均0.39%，进入世界先进水 平。我国低硅生铁冶炼技术从低硅冶炼机理、操作技术、 数据统计分析、现场数据计算、风口渣铁取样与测试等 诸多方面取得较大进展。
冶炼低硅铁,一方面可以为新的炼钢工 艺提供合适的优质铁水,使得炼钢过程少加 熔剂,并使吹炼时间大为缩短,改善转炉终点 控制和提高炉衬寿命,对炼钢十分有利。另 一方面，采用低硅冶炼提高高炉生产和效 益也是非常有益的。根据一些统计与分析 得出，生铁中硅含量降低0.1%，高炉焦比 可降低4~6kg/t，产量也相应增加。因此冶 炼低硅铁水经济效益显著，而且也势在必 行。
日本解剖了12座大小高炉，从软熔带液相以下， [Si]一直是增加的，在风口处达到最大，这与上述反 应式传统的炼铁理论截然不同. 日本最先提出高炉内Si迁移的新理论，确认在炉 腹和炉缸，SiO气相的生成对Si迁移起着重要的作用。 Si的还原过程反应为：
SiO2（焦炭灰分中或炉渣中）+C（S）=SiO（R）+CO（g）
二、国内外低硅铁冶炼水平
• 国外情况 • 日本是研究低硅冶炼技术最早的国家。日本在 低硅冶炼机理研究以及操作技术均处于领先地 位。日本高炉铁水含Si已由上世纪70年代的 0.5~0.6%水平降至目前的0.3~0.4%水平，并且 部分高炉降至0.15~0.25%左右。 • 欧洲一些国家生铁含Si量也在降低。北美国家 铁水含Si量稍微高一些，但近年来也有所降低， 但与日本相比，仍有较大差距。
低硅 冶炼理论探讨
高炉车间
一、低硅生铁冶炼的意义
随着科学技术和社会经济的发展，社会要求冶 金行业提供的是更多的优质钢材。日本从提高精炼 效果和节能两方面考虑，提出了无渣或少渣的炼钢 法。这种炼钢方法减少渣量的着眼点是将铁水中Si 含量降低到一定值。由于铁水中Si含量的减少，炼 钢过程中Si的氧化产物SiO2也就相应降低。炼钢渣 中的CaO的活度得到提高，导致脱P效果改善。因 此，脱P用的CaO与渣量大大降低。根据统计，铁 水中含Si量每降低1%，将使吨钢渣量减少8~13kg， 而且这种炼钢过程平稳、周期短、铁损与热量损失 减少。随着渣量的减少，对耐火材料的侵蚀减弱， 延长了炉龄。
四、高炉内[Si]变化规律与研究
• 4.1根据国内外研究,控制高炉铁水含[Si]量主要
考虑三个方面的情况: • 一是控制硅源,因为硅主要来自矿石中脉石与焦 炭灰分中的SiO2，只有减少SiO2挥发生成的 （SiO）量或者降低SiO2的活度才能降低生铁 中的含[Si]量。 • 二是控制滴落带的高度，因为铁水中吸收的硅 量是通过随煤气上升的SiO气体与滴落铁水中 [C]反应而还原出来的，降低滴落带高度可以减 少铁水中[C]与SiO相接触的机会，故有利于冶 炼低硅铁水。 • 三是增加炉缸渣中的氧化性，以促进铁水脱硅 反应的进行，因而有利于降低铁水含[Si]量。
根据研究，鼓风中的氧（O2）、渣中的 （MnO）、（FeO）、（TiO2）等氧化物成分， 通过耦合反应等方式，也可以消耗铁水中的 [Si]，因而降低了铁水中[Si]的含量。即： [Si]+（O2）（风）=（SiO2） [Si]+2（MnO）=2[Mn]+（SiO2） [Si]+2（FeO）=2[Fe]+（SiO2） [Si]+（TiO2）=[Ti]+（SiO2） 另外还可能有： [Si]+2[S]+2（CaO）=2（CaS）+（SiO2）
SiO是一种气体，随炉内煤气或炉渣中二氧化硅 的活度（αSi02）与温度（主要是风口前煤气理论燃 烧温度t理）的增加，都将是SiO量增加，硅的迁移量 增加，使Si的还原量增加，导致铁水吸硅量增加，使 高炉冶炼低硅生铁难度增加。后来的研究工作与生产 实践都充分表明这一论点是现代科学研究的进步，推 动了炼铁研究的生产的发展。
（7）日本水岛高炉（2500m3级）冶炼[Si]=0.18%时（2#高炉） [Si]%=1.913-1.309（（CaO+MgO）/（SiO2+AI2O3））-0.50 （FeO）%-0.529[Mn]%
从上面大小不等容量的高炉冶炼低硅铁时的炉渣成分统计分析， 可以明显的看出有一个共同的特点：渣中(SiO2)、（AI2O3）
以上是高炉内硅的还原与氧化等的主 要反应式，如果以风口中心线（面） 为界，从以上反应特点可知，风口中 心线（面）以上为硅的还原区（吸硅、 增硅），风口中心线（面）以下为硅 的氧化区（脱硅、减硅）。以离子式 可以表达为： Si4++4e=Si（风口中心线以上）
Si-4e=Si4+（风口中心线以下）
4.4一些冶炼低硅铁的高炉炉渣与[Si]含量 的回归方程
三、最佳硅含量的选择
• 铁水含硅不一定越低越好，要综合考虑 冶炼效果。特别是在炉况不正常、原料 条件大幅度波动或炉役后期，很难做到 维持铁水含[Si]不波动，同时考虑到原料 准备等诸方面付出的代价和操作人员精 神紧张程度，倒不如采取低硅冶炼与炉 外处理相结合更为合理。
我国精料水平近年来虽然有大幅度提高， 但原料条件差，炉容不大，顶压也较低，热 损失大，铁水温度也比日本低，要实现生铁 含硅量在0.25%左右困难太大，而且硅含量 在0.25%左右时经济效益也不一定就好。 就我国目前情况而言，铁水含[Si]普遍 偏高，就现阶段来看，铁水含[Si]可能在 0.3~0.4%左右为宜。
根据杭钢300m3级高炉低硅冶炼研究结果，铁 水中含[Si]在风口水平达到最高，故可以这样 来划分，在风口线水平以上，主要是硅的还 原，铁水中含[Si]不断升高的过程（增硅）， 因此称为硅的还原区，铁水吸硅区又叫做增 硅区；在风口水平线以下，由于各种氧化作 用的结果，铁水含[Si]不断减少，形成一个脱 硅过程，因此可以叫做硅的氧化区，铁水脱 硅区又叫降硅区。该结论与日本各类高炉解 剖后的变化、分布规律相似，与前苏联高炉 取样研究的结果也是一致的，因此是可信的。