脱硅

第2章铁水预处理脱硅
1、脱硅意义
铁水预处理脱硅，有两种目的，一种是对硅含量比较高的铁水，为了转炉冶炼时达到渣量减少的目的，进行预处理脱硅，这种情况铁水原始的硅含量往往在0.5%以上，经过处理后硅的含量在0.2%¬0.35%左右，这样可以大大减少转炉渣量，同时化渣较好。

我国曾在20世纪50年代在鞍钢为提高平炉炼钢的冶炼技术经济指标而实行过铁水预处理脱硅。

[赵沛，炉外精炼及铁水预处理实用技术手册，冶金工业出版社，北京，2004年6月第一版，155]这种目的的铁水预处理脱硅模式现在运用已经越来越少。

另一种则是现在普遍使用的工艺，主要目的是为后续进行的铁水预处理脱磷创造良好的条件。

这种处理模式其原始硅可能较高，但也可能已经比较低如0.3%，不管怎样还是要进行处理，其硅的目标值为：0.08%¬0.10%。

因为只有在硅的含量低于0.10%的条件下，铁水预处理脱磷才能取得较好的作业指标。

经过铁水预处理脱硅后，铁水的硅含量从原始的0.35%¬0.50%左右，降低到0.08%¬0.10%的范围，再经过铁水预处理脱磷，硅含量继续下降，大约降低到0.004%¬0.006%左右的范围。

在转炉冶炼如仍主要用石灰造渣的话，化渣有一定的困难，此时需要加一些能有效化渣的矿物。

2、脱硅模式和工艺
脱硅模式主要有高炉炉前预处理脱硅和铁水站预处理脱硅两种方式。

高炉炉前处理又有撇渣器前铁水沟处理和摆动溜槽处理两种方式。

高炉炉前处理有利的一面是：不需要另外投资兴建处理车间，不占用铁水停留时间，充分利用出铁过程中自然形成的铁水落差的冲击力；不利一面是：会恶化炉前操作环境，增设一些设备如喷吹设备、投料设备或多或少会给正常操作带来不利影响，脱硅率较低且不稳定。

用铁水预处理站脱硅，脱硅率较高并相对稳定，工人操作条件较好，但是这种方式需要投资，铁水停留时间增加，温降也相应增加，需要专门机械设备扒渣。

两种处理模式的对比见表2~1。

表2~1 高炉炉前脱硅和铁水预处理站脱硅比较
2.1、高炉炉前出铁场脱硅
这种方法是目前铁水预处理脱硅采用较多的方法，其反应主要在铁水沟、摆动溜嘴、铁水罐及鱼雷罐车内进行。

采用这种方式时，在反应地点的上方布置有块状或粉状的贮存罐，称料设备、投料设备或喷粉设备。

可以在出铁过程连续地向铁水沟、摆动溜嘴、铁水罐或鱼雷罐车供给脱硅剂。

利用高炉铁水在出铁过程中的产生的动能作为搅拌能。

其工艺方面的特点为：
（1）不需要专门设铁水预处理脱硅站，节省投资。

（2）不增加铁水出铁后的停留时间，脱硅反应在出铁过程中进行，温降小。

（3）利用铁水的落差搅拌，使脱硅剂与铁液混合，提高反应效率。

（4）大多数情况下，可以利用原有设备做到渣铁分离，不用专门进行扒渣。

（5）出铁场本身空间有限，增设铁水预处理脱硅设备后，使原有的出铁操作或多或少受到影响；脱硅过程产生的烟尘恶化了出铁场操作环境。

（6）脱硅剂利用率低，脱硅剂消耗大；脱硅反应条件差，脱硅率低；脱硅后铁水中硅含量在0.15%¬0.20%之间，脱硅率在40%~60%之间。

目前采用较多的是部分脱硅剂加入到铁水沟、部分脱硅剂加入到铁水罐或鱼雷罐车，如图1、2所示。

铁水罐或鱼雷罐车在进入受铁工位前，先加入脱硅剂总量的50%，在受铁达到30%后，再把余下的脱硅剂均匀加入到铁水沟内。

利用铁水落差的冲击力搅拌铁水与脱硅剂充分混合。

脱硅剂单耗在25~35kg/t，喷吹速度250~400kg/min。

脱硅率达到50%~70%，终点硅含量低于0.25%。

图2~1 脱硅剂加入到铁水沟和铁水罐
1、高炉；
2、主铁沟；
3、撇渣器；
4、渣罐；
5、料罐；
6、脱硅剂加入铁沟；
7、铁水罐
图2~2 脱硅剂加入到鱼雷罐车的脱硅方式
1、高炉；
2、主铁沟；
3、撇渣器；
4、渣罐；
5、料罐；
6、脱硅剂加入铁沟；
7、鱼雷罐车
另一种是采用向摆动溜嘴喷吹脱硅剂的方式，反应在摆动溜嘴内进行，利用铁水自然落差形成的冲击力搅拌，摆动溜嘴两侧设挡渣板，并设置溢渣槽，使脱硅渣不进入鱼雷罐车，而进入渣罐。

见示意图2~3
图2~3 在摆动溜嘴内喷吹脱硅剂
1、高炉；
2、主铁沟；
3、撇渣器；
4、渣罐；
5、主料仓；6副料仓；7、混料仓；8、给料器；
9、喷枪；10、摆动溜嘴；11、鱼雷罐车
脱硅处理时硅、锰含量有所下降。

一般铁水沟脱硅采用烧结矿作为脱硅剂，有的文献报道其化学成分和粒度见表2~2[3一钢技术，2000年第三期，39页]。

表2~2 脱硅剂（烧结矿为脱硅剂）的化学成分和粒度
也有采用轧钢产生的鱼鳞铁皮作为脱硅剂，但是采用这种原料氧的利用率低，铁屑加入量多，温降大，相比之下采用烧结矿粉末较为理想。

2.2、铁水预处理站脱硅
在专门设立的铁水预处理站，用喷粉冶金的方式对铁水罐或鱼雷罐车内的铁水进行脱硅处理，这种方法也为一些钢铁公司采用。

喷枪插入到铁水罐或鱼雷罐车的中下部，一般以空气为载气，喷氧化铁为主少量活性石灰的粉剂。

这种工艺方法的主要特点是：（1）需要建立专门的喷吹车间或叫铁水预处理车间，这个车间除进行脱硅外、也可以进行脱磷、脱硫的处理。

需要的投资较大，但是对高炉操作环境无不利影响。

（2）可以达到深脱硅的目的。

脱硅率稳定并较高，粉剂利用率高。

一般情况经过处理后硅的含量可以达到0.08%¬0.12%的范围。

为下一步脱磷做好准备。

（3）处理站必须设计有机械化扒渣设备。

（4）增加了铁水停留时间和温降。

铁水预处理站喷粉设备一般有：贮粉罐、振动给料器、电子称、喷粉罐、喷枪；用压缩空气把粉剂送入铁液中。

用鱼雷罐车盛放铁水时，喷枪出口采用倒“T”型或倒“Y”形；对铁水罐则用直筒形喷枪。

铁水预处理站脱硅示意图见图2~4、2~5 图一钢技术，2000年第三期，39页
图2~4 铁水罐喷粉脱硅处理
图2~5 鱼雷罐车喷粉脱硅处理
2.3、脱硅方法的选择
对高炉炉前出铁场脱硅和铁水预处理站脱硅这两种方法的选择需要考虑后续是否进行脱磷处理。

一般情况，如果脱硅后需要进行脱磷处理，高炉原始硅含量又比较高，则应选择铁水预处理站脱硅的方式，也可以先进行铁水沟脱硅，再用铁水预处理站二次脱硅，是处理后硅的目标值低于0.15%，最好是低于0.10%，因为只有这样低的硅含量才能顺利进行脱磷处理。

如果仅仅是为了达到转炉冶炼少渣、转炉达到高的脱磷率以适应某些低磷钢种对磷含量的要求，则可以采用高炉炉前出铁场脱硅的方式，在原始硅含量不是特别高的情况下，通过铁水沟脱硅就可以把硅脱到0.20%¬0.25%的范围，而这一范围完全可以使转炉达到少渣炼钢、并取得高的脱磷率。

这是从工艺的角度考虑问题，但是这是不够的。

有时还需要考虑厂房、场地的因素。

如有的老厂出铁场比较狭窄，此时再要增加布置脱硅的喷吹设备基本上是不可能的。

也有的老厂厂区比较拥挤，炼铁厂紧挨着炼钢厂，则无法建立铁水预处理站。

究竟选择哪一种方案，需要考虑众多的因素。

3、脱硅反应的机理
3.1、铁水条件下硅氧化反应的特点
(1)碳、锰、磷参与氧化
硅是一个氧化能力较强的的元素，在铁液一般元素中硅与氧的结合能力最强。

硅生成的氧化物较为稳定，同时呈较强的酸性。

在铁液中加入氧或氧化性物质，硅氧化的同时，铁液中碳、锰、磷等元素也会氧化。

因此此时的反应可如下表示：
[Si]+（FeO）=（SiO2）+[Fe]
[C]+（FeO）={CO}+[Fe]
[Mn]+（FeO）=（MnO）+[Fe]
2[P]+5（FeO）=（P2O5）+5[Fe]
从上述所列的反应可以看出，在脱硅的过程中，铁液中[C]、[Mn]含量会下降，同时由于碳参与反应，形成CO气泡，因此脱硅过程往往会形成泡沫渣。

在上述反应中，（FeO）也可以是O2、（Fe2O3）。

由于硅的强氧化性质，同时处于冶炼的最初阶段的预处理，脱硅剂可以有多种的选择，现在从文献中报导的脱硅剂有：烧结矿粉、烧结厂除尘灰、高炉除尘灰、轧钢氧化铁皮。

(2)加入CaO的作用
从促进反应的角度分析，由于硅氧化生成强酸性的物质，为了降低产物的活度，在脱硅剂中适当加入碱性物质如CaO，可以提高脱硅率。

在CaO参与反应的条件下，其反应可表达如下：
2[Si]+4（FeO）+（CaO）=（2SiO2·CaO）+4{Fe] （2~1）从（2~1）反应式可见，由于加入CaO，可以显著降低SiO2的活度，从而提高脱硅剂的利用率，达到较好的脱硅效果。

3.2、强脱硅和弱脱硅
脱硅处理有两中层情况，[Si]目标值得为0.20%¬0.30%，主要配合某些规格较高的钢种如不锈钢的冶炼，或取得较高的转炉作业指标，这种情况可以用钢厂筛下料和返回料如烧结粉矿、烧结除尘灰、高炉除尘灰、轧钢氧化铁皮等。

另一种情况[Si]目标值为0.08%¬0.12%，主要为配合低磷钢钢种的冶炼和铁水预处理脱磷，此时需要使用富氧空气、纯氧。

也可以采用二次脱硅的方式，先用烧结粉矿、烧结除尘灰、高炉除尘灰在铁水沟或摆动溜嘴脱硅，然后到铁水处理站用喷吹法作深脱硅处理。

3.3、脱硅过程的温降
硅氧化是强放热反应，但是由于一般情况下使用的是烧结粉矿、烧结除尘灰、高炉除尘灰，因此热效率并不高，整个过程仍然处于降温的状态不过比没有进行脱硅反应时温降要缓慢一些。

如图2~4所示。

图2~4 铁水罐（鱼雷罐车）内铁水温降
1 无硅氧化反应温降曲线；
2 有硅氧化反应温降曲线
3.4、脱硅反应的动力学
从反应的动力学分析，用FeO类块状的或粉剂脱硅时，存在以下动力学环节：
(1)块状的FeO或粉状的FeO在铁液中溶解；
(2)FeO从渣中向铁渣界面迁移；
(3)Si从铁液中向铁渣界面迁移；
(4)在铁渣界面Si与FeO进行化学反应；
(5)生成的SiO2向渣的内部迁移。

从上述五个环节分析，Si在铁液中的迁移是一个控制环节，决定了脱硅反应的速度。

因此应该尽可能利用铁液自动产生的搅拌作用。

根据这一原理，工艺布置时应充分利用铁液落差产生的搅拌功。

另外可以适当地提供一定的搅拌，如吹空气时碳氧反应产生的CO气泡具有强的搅拌作用。

4、脱硅过程的泡沫化及消泡方法
4.1、冶金过程的泡沫化现象
泡沫化是冶金过程中的一种现象。

有时我们不希望出现泡沫化，但是它有非常容易形成泡沫化，这时我们工作的重点是如何消除泡沫化，如高炉炉缸上方出现的泡沫化现象，会导致风口上方产生液析，影响煤气的上升和合理分布；另外就是铁水预处理脱硅过程中出现的泡沫化现象也是我们不希望产生的。

但是有时恰恰相反，我们希望形成泡沫渣，但是又非常困难，最典型的是LF炉埋弧泡沫渣。

另外一种情况是冶金过程自然形成泡沫渣，它又促进了反应，符合我们的需要如转炉吹炼过程的泡沫渣。

因此冶金工作者重视了熔渣泡沫化现象、机理的研究，同时加强了抑制、消除泡沫渣方法的研究。

4.2、产生泡沫化机理的分析 (1)熔渣泡沫化指数
衡量熔渣泡沫化好坏的指标是：①熔渣的发泡高度（相对高度）；②持续时间。

可以用以下指标数表示发泡效果的好坏：
(1)相对发泡高度：0
H H H H H t -=
∆=
ε
式中，ΔH ：相对发泡高度； H 0：渣原始高度，mm ；
H t ：渣发泡高度，mm 。

(2)发泡持续时间，τ，min 。

(3)发泡指数：i i t H P ∑∆= 式中：P ：发泡指数；
ΔH i ：在第i 段时间熔渣的相对发泡高度； t i ：第i 段时间的持续长度，min 。

发泡指数也可以用积分的形式表示： ⎰
⋅∆=
t
dt H P 0
从上述的式子可以看到，相对发泡高度没有说明熔渣的发泡持续时间，而发泡持续时间没有说明渣发泡高度，发泡指数综合考虑了渣发泡高度和持续的时间，因此其更为准确地反映了渣发泡的真实情况。

(2)熔渣发泡的基本条件
熔渣形成泡沫化必须熔渣的性质适当，主要是熔渣的表面张力和粘度合适，这是熔渣形成泡沫化的内在原因；熔渣形成泡沫化必须气体冲击的作用力，如吹氩、碳氧反应产生的CO 气泡的冲击作用下，这是熔渣形成泡沫化的外部原因。

如果熔渣的表面张力和粘度非常适合形成泡沫渣，但是没有外力的冲击，不会形成泡沫渣；反之如果熔渣的表面张力和粘度非常不适合形成泡沫渣，此时即使有再强的冲击力也不会形成泡沫渣。

由此分析可知，熔渣表面张力这个内因和冲击力这个外因是互补的。

在转炉冶炼过程中，熔渣的成分变化情况从三元相图上可以看到，其成分变化范围非常大，其时熔渣的性质变化也很大，肯定在某一段时间熔渣的性质不是最适合形成泡沫渣，但是由于转炉吹脱碳速度非常快，所以转炉内熔渣的泡沫化程度一直非常高。

4.3、铁水预处理脱硅的泡沫渣 (1)脱硅时[C]的氧化反应
脱硅时脱硅剂中的氧化剂是否与铁液中的碳反应是形成泡沫渣的关键因素。

现场观察及研究表明，脱硅剂加入后，随即形成泡沫渣，渣铁界面紊流强烈，泡沫渣在一定高度内反复上涨、塌陷。

这是铁液中碳氧反应的显著特征。

说明在脱硅的同时，
铁液中碳参与氧化反应。

热力学分析表明，向铁液中投入脱硅剂后，[Si]、Mn]将迅速氧化，[C]是否反应取决与下反应式：
（SiO 2）+2[C]=2CO （g ）+[Si] (1) ΔG 01=519303－291.65T （J/mol ）
由于铁液中存在多种元素，在非标准状态下，式(1)的自由能变化为： 2
2
01
])
[%(][%ln 2C f a Si f P D
RT G G C SiO Si CO ⋅⋅⋅+∆=∆ (2)
假定=CO P 0.1MPa ，根据铁水成分及相互作用系数求得活度系数及活度，考虑到脱硅渣成分波动（=2
SiO a 0.2¬0.7），经计算得[Si]、[C]氧化转化温度为1 378~1 325℃，所以脱
硅剂投入铁水，脱碳反应即可进行。

虽然铁液中存在多种元素，但显然一般情况下，Si 的氧化趋势是最强的，现计算表明[C]氧化反应可能发生，则其他元素更不能抑制[C]的氧化反应。

实际上许多文献报道的脱硅期间[C]损耗2%~3%，都说明在脱硅条件下，发生了[C]的氧化反应。

(2)不同脱硅剂条件下渣泡沫化状况
高炉渣的碱度一般在0.95¬1.15之间，加入脱硅剂脱硅后生成（SiO 2）使渣的碱度迅速降低，形成的玻璃状的酸性渣很粘稠，阻止了脱硅剂中的氧化铁与碳反应生成的CO 气泡的逸出。

而此时渣的表面张力不是太高，扩大界面积所需要的吉布斯自由能不高，因此泡沫渣得到较好的发展。

因此，脱硅过程渣的泡沫化程度取决于：(1)是否形成粘稠的玻璃状的酸性渣；(2)脱硅剂中氧化铁与铁液中[Si]、[Mn]、[C]的反应速度的大小。

脱硅初期，铁水中、[Si]、[Mn]、[C]即迅速下降，与此相对应，渣铁界面强烈的反应状态，这可以看作渣迅速泡沫化的初期；2~3min 之后趋于平缓，是渣泡沫化的稳定期。

用烧结矿做脱硅剂，泡沫渣高度由高渐低，再升高后下降；富矿粉、铁鳞为脱硅剂时，泡沫渣的高度较烧结矿低起伏也较小，通过实际观察发现，脱硅初期脱碳量大，但并不是泡沫渣的高涨期，之后，脱碳反应减弱了，渣泡沫化程度反而增高了。

烧结矿和富矿粉、铁鳞作脱硅剂时渣泡沫化状况见示意图2~5。

4.4、消泡方法
从熔渣形成泡沫化的机理分析可知，在有比较充足气体搅拌的条件下，熔渣必须具备较低的表面张力和合适的粘度，才能形成泡沫化的渣。

消泡的方法则相反。

在脱硅的情况下，暂时不考虑抑制[C]氧化的反应，这一措施，而着眼于改变熔渣的性质。

具体有以下几种措施：
(1)提高渣的熔点，使其熔点接近固相点，形成固液两相区；
(2)提高渣的表面张力，使液体增加表面积的吉布斯自由能较大，泡沫化程度得到减
弱；
(3)降低渣的粘度，使产生的气体很容易排除。

宝钢采用Al2O3含量较高的熔剂作为消泡剂，其基本原理是Al2O3能大大提高CaO~Fe2O3~SiO2系渣的表面张力，因为CaO~Fe2O3~SiO2是脱硅剂的主要成分。

这样使得该熔渣继续增大表面积需要较大的吉布斯自由能，泡沫渣得不到。

熔渣的物性随熔点的变化很大。

采用适当提高铁水及渣的温度，可以降低熔渣的粘度，使CO气泡很容易排出。

另外在某些情况下，可以结合对脱硅剂碱度的调整来对渣的表面张力、粘度进行调整。

如有时脱硅剂的碱度偏低，可以适当加入CaO。

作用：①提高熔渣碱度，对脱硅有利；②降低熔渣熔点，从而降低粘度，使CO气泡易于派除；③CaO提高熔渣的表面张力的作用仅次于Al2O3，Al2O3是偏酸性的物质，过多使用对提高脱硅率不利。

太原钢铁厂使用的消泡剂成分如表2~3所示。

表2~3 太钢脱硅剂、消泡剂成分(wt%)[太钢科技2003年第二期]
5、脱硅工艺参数
图2~5 脱硅剂对渣发泡性能的影响
以上渣发泡的情况可作如下分析：
在脱硅剂中。

氧化铁是最关键的成分。

氧化铁含量高，脱硅剂熔融后粘度低，随着氧化铁含量的增加，其熔点进一步降低。

当氧化铁含量达到40%时，熔点达到最低点。

脱硅反应开始后，随着氧化铁含量的降低，熔点升高粘度增大。

所以在固定渣的碱度为1.22和铁水处理温度为1400℃这两个条件不不变，随着氧化铁含量的降低，熔渣泡沫化指数增加。

脱硅初期脱碳反应虽然激烈，，但渣中（FeO）高，渣的熔点低、粘度小，气体在渣中易上浮逸出。

在加入烧结矿作脱硅剂的条件下，随[Si]、[Mn]、[C]的氧化，渣中（FeO）下降，（SiO2）增加，碱度（CaO）/（SiO2）下降，渣的熔点升高，粘度增大，泡沫化性能增加。

此时虽然[C]氧化量减少，但是渣发泡高度还是增加了。

然而在用富矿、铁鳞作脱硅剂的条件下，由于脱硅剂中本身无（CaO），渣中在（FeO）含量较高时就极易进入固液两相区，因渣粘度高，阻碍了[Si]、[C]的进一步氧化，（FeO）与[C]反应产生（CO）气泡的功能未能充分发挥，其发泡高度也有限。

▲宝钢脱硅工艺
（1）主要工艺参数
宝钢在铁水进入铁水预处理三脱生产线后，先进行脱硅处理，然后扒渣。

其工艺参数如表2~3所示。

表2~3 宝钢铁水预处理三脱工艺参数
（2）脱硅剂单耗与脱硅效率的关系
适当增加脱硅剂的使用量可以提高脱硅效率，但是一般控制在适中的范围。

喷吹的气氧比、高炉渣带入量的多少对脱硅效率也有较大的影响。

脱硅剂单耗与脱硅效率见图2~6。

图2~6脱硅剂单耗与脱硅效率的关系
▲脱硅探头
▲脱硫脱钒钛
▲喷枪浇铸料
▲铁水预处理自动控制系统（本钢）
▲转炉渣用于脱磷、动力学
▲君津厂改进的工艺路线
▲脱磷动力学模型
▲同时脱磷脱硫
▲脱磷剂中减少氟用量
▲低磷钢冶炼
▲上钢一厂炉前脱硅
▲铁水预处理温度下转炉渣剂的熔化特性
▲铁水预处理粉剂输送影响因素研究
▲武钢转炉脱磷同一转炉少渣吹炼
▲铁水预处理喷枪的改进（国外耐火材料）2004年第6期▲用预熔渣对铁水脱磷的试验研究.caj
▲铁水连续预处理涡流反应器的优化运行研究Ⅱ.caj
▲莱钢铁水预处理工艺可行性方案探讨.kdh
▲铁水预脱硅中防止生成泡沫渣初探.caj
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