高炉低硅冶炼知识

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。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浪费。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。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。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。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。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。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。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。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）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。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。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）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•（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）%（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）%（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）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。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。3、保持适当的MgO含量•MgO的性能与作用，和CaO类似，也属于碱性氧化物，仅次于CaO，而且特别有利于改善炉渣的流动性与稳定性，根据国内外冶炼操作经验，MgO含量应该保持在8~12%为宜，三元碱度控制在1.45~1.6之间，MgO含量高时，CaO则低一点，要以MgO代替CaO，不要二者同时都高，以免导致影响流动性的改善。•国内外冶炼低硅铁的高炉，炉渣成分列于下表：4、合理的炉料分布与煤气流