（钢铁冶金专业论文）高磷铁水脱硅粉剂和工艺参数的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 由于硅与氧的结合能力远远大于磷与氧的结合能力，所以硅比磷优先氧化，而且生成 的s i 0 2 会大大降低渣的碱度。为了减少脱磷剂用量、提高脱磷效率，必须在高炉铁水进行 脱磷预处理之前先进行预脱硅处理。 本文结合鄂西高磷铁矿和武钢生产实际，在实验室条件下，研究了脱硅剂成分、脱硅 剂用量、反应温度、处理时间、搅拌强度和初始硅含量对脱硅效率的影响，并对高磷铁水 脱硅热力学和脱硅过程中的温降问题进行了研究。 试验结果表明： ( 1 ) 碱度小于0 8 时，随碱度的增大，脱硅率升高，脱锰率降低；碱度大于o 8 时， 碱度增大，脱硅率反而下降。如果考虑抑制泡沫渣的问题，将碱度控制在0 6 是合理的。 ( 2 ) 较低的反应温度不仅有利于提高脱硅率，还有利于抑制泡沫渣的生成和减少碳、 锰的损失。经过计算分析，发现终点硅含量相同时反应温度越低，平衡氧活度越低；反应 温度相同时终点硅含量越低平衡氧活度越高； ( 3 ) 增大氧化剂过剩系数脱硅率升高。为了节约成本、减少温降和控制泡沫渣，将 氧化剂过剩系数控制在3 0 是较合理的； ( 4 ) 脱硅的反应速度很快，在1 3 5 0 1 5 0 0 的温度范围内，5 m i n 时反应基本完成； ( 5 ) 搅拌强度增加，脱硅率升高，同时也有利于泡沫渣的生成； ( 6 ) 初始硅含量较低时，脱硅率较低但终了硅含量也较低；初始硅含量较高时，脱 硅率较高，超过了9 0 ，但终了硅含量也较高。 ( 7 ) 通过调节固体氧与气体氧的比例、加强保温、缩短处理时间和严格控制脱硅剂 的用量，能够将脱硅过程的铁水温降控制在合理范围内。 关键词：高磷铁水；预脱硅；脱硅剂；温降 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 p e 3 m m e bp e 3 y n b t a t ec b h 3 b i b a h h en o t e h h l 4 a r l b ik p e m h l l ack h c o p o 皿。螽r o p a 3 皿o6 0 n b m e ，q e m c b 9 3 b i b a h h en o t e h t l j 4 a u b im o c 中o p acr n c a o p o z o 兹，o k t t c j i e h h ek p e m h h rct e mn p n o p h t e t o m ， q e m 由o c 由o p 鸟a0 6 p a 3 0 b a 2 i c rk p e m h e 3 e mc b e p x 3 a h h ) k e h h om e n o q h o c t i , bi l l i i a k e 3 a t e mi r r 0 6 1 , x ， y m e h b m h t bp e 攫 h mx h m a f e h t o 话且e 巾o c 巾o p h 3 a e ，h o b b i i i i e h h r3 蛳e k t h b h o c t h 且e 巾o c 巾o p h 3 a i i e ，皿o a x n a 皿on p e 且b a p r r r e n s h o f i 且e 巾o c 由o p h 3 a i i e i d p 习【i l e 兹m e t a r l h h q e c i 麟 且o m h b i ，q t o0 6 p a 6 0 t x a p e 邸a p h t e b h o 话0 6 e c k p e m h h b a h n g 3 t o hc t a t b ec b r 3 bb b i c o k o 巾o c 巾o p h c t o 矗) k e j i c 3 h o f ip ) j 殂b i3 a n a 皿q o f ix y 6 a 话h h p o r l 3 b o 四t c t a o y x a r m c k a f i m e r a m i y p r n q e c r n f ir p y l i n b i ，bn a 6 0 p a t o p h s l xy c h o b h r x ，6 b l $ l nn 3 y t i e h l l l k o m i i o h e h t b lx h m a f e h t o 螽0 6 e c k p e m h h b a h i i ，i ，p e 攫n mx h m a r e h t o f i0 6 e c x p e m n r l b a h i 暇，p e a k m 攸 t e m n e p a t y p a , b p e m q0 6 p a 6 0 t m i ，h h t e h c h b h o c t br l e p e m e m h b a h r i j ；i hi l e p b o h a q a h b h o r o c o 皿e p 搬a h 瑚k p e m h h qb h h h h h eh a9 蛐e k t h b h o c t b0 6 e c k p e m h h b a h r i j i hb b i c o k 0 由o c 中o p h c t o 兹 r o p a n - a f i m e t a j i j i t e p m o 娜4 h a m l 4 k a hn p 0 6 n e m u3 a h h 撒e h h e t e m n e p a t y p u b n p o u e c c c 0 6 e c k p e m h h b a h h qh c c h e 且o b a h h g 3 k c n e p h m e h t a j i b h b i ep e 3 y h i , t a t l , ic b h 且e t c j i b c t b y l o t0t o m ，q t o ： ( 1 ) bm e j i o q h o c t l , m e h e e0 8 ，n p ny b c h h h e h h hm e h o q h o c t n ，h o b b l i i i e h h r3 中中e k t h b h o c t b 0 6 e c l q o e m h h b a h h r ，3 a h h 援e h h oo tm a p r a m t a ；bi e o 唧o c t bb l , x m e0 8 ，n p hy b e h h q e h h h k i e h o q h o c t h ，3 a h h ) k c h h o3 ( i ) ( 1 ) e k t h b h o c t b0 6 e c k p e m h r l m a h r i j l e c n r lp a c c m o t p t l mn p 0 6 n e m a b c h e h h b a h h hh l r l a k an h r r l 6 a p o b a t t h e m ，k o h t p o d _ ri i i e h o h h o c t h0 6g b 1 q e t c rp a 3 y m h b i m ( 2 ) h h x m a at e m n e p a t y p ap e a k i _ i h hh et o h b k oc n o c 0 6 c t b y i o th o b m i i i e h h i o3 中q b e k t h b h o c t b 0 6 e c l q o e m h h b a h h g ，at a i o k e i i o m o x g e tb c i i e h h b a h h gn t a a k ah h f t t 6 h p o b a h h e mhc o k p a l i i e h h g y r n e p o 皿ahm a p r a i = 1 m an o t e p b h o c n ep a c q e r aa h a r i h 3 am b i0 6 h a p y 斌h j i hbk o h h ct o f o ) 黼 c o 皿e p 孤a h h k p e m h i l qbh h x h e 螽p e a k t l h nt e m n e p a t y p a t e mh h ) k ea k t h b h o c t bk h c n o p o m s n 馥 6 a n a n c ；) k ep e a m i h ht e m n e p a t y p ak o h h ah h 船i e 矗k p e m h h gc o 皿e p 硪a h h b b l c m e r o6 a n a n c a k h c a o p o 且a 且e h t e h b h o c t h ； ( 3 ) 、 b c h h q e h h eo k h c h h t e h gk 0 3 蛐h r h e h t ah 3 6 8 1 t o q h o f oo k h c b e h h h ，h o b b i i i i e h i t l l 3 q b q b e k t h b h o c t b0 6 e c k p e m h r l b a r l r l g bl i e j l x3 k o h o m h h3 a t p a thc h h k e h h f lt e m e p a d r p b ih k o h t p o i qb c i i e h h b a i o i h h et t m a m o k h c h h t e j i gk o g 蛳h h h e h t ah 3 6 b i t o q h o f oo k h c h e h l 4 j i k o h t p o a ah a3 0 6 0 n , m ep a 3 h b i m h ； ( 4 ) p e a k i 王h 0 6 e c k p e m h r l b a h h i6 r ：, m t p o ，b13 5 0 。c 1 5 0 0 。ct e m n e p a t y p h b i f i , r h a l l a 3 0 h ，5 m h h y t3 a b e p m n np e a k t t r l i o ； ( 5 ) h h t e h c h b h o c t bi i e p e m e i i i h b a h h 只 y b e a h q h h o c b ， i i o b b l i i i e h h h 3 q b c e l c r h b h o c t b 0 6 e c k p e m h r l b a h h 丑，t a k g ec n o c 0 6 c t b y i o td p o p m h p o b a h h i ob c n e h h b a l o t t l h em n a k ； ( 6 ) h e p b o h a q a n b h o ec o 且e p m a h h ek p e m h h gh a x o 且h t c gh ah h 3 k o my p o b h e ，h oh h 黜 3 q ) 中e k t h b h o c t b 0 6 e c k p e m h h b a h h f l3 a k o h q h b l l i e m y c g h h h 2 0 、 f e o 5 时，石灰颗粒表面会生成熔点达2 1 3 0 的c a 2 s i 0 4 外壳，妨碍了石灰的继续溶解， 易产生常见的炉渣僵化或返干现象。通常转炉渣碱度在3 0 3 5 之间，铁水含硅每升高 o 1 ，将使吨钢渣量增加8 1 3 k g ，渣多将使氧枪位置调节频繁，吹氧的气体动力学条件 变坏，导致操作中容易出现喷溅； ( 2 ) 炼钢的脱硫和脱磷剂主要是碱性物( 石灰、萤石等) ，高硅铁水带来的s i 0 2 将 优先与它们化合，降低了碱性物的活度，不利于去除硫磷； ( 3 ) 转炉渣中含有一定数量的氧化铁和铁珠，渣量大，铁损必然增加； ( 4 ) 渣量大，加重了炉衬的冲刷和侵蚀，尤其是初渣酸性大，对碱性炉衬的侵蚀更 为明显，必将缩短炉龄，且增加了炉衬喷补料的消耗； ( 5 ) 从炼铁一炼钢联合工序的能量利用角度来看，冶炼高硅铁水再加入转炉炼钢存 在着严重的浪费。研究表明，铁水中硅含量每增加0 1 ，高炉将多耗能2 0 9 2 0 0 l 【j r 铁；而 在转炉中l k g 硅氧化后( 扣除熔渣损失) 放出的热量约为6 2 7 6 j t ，能量有效利用率仅3 。 鉴于上述原因，将传统的炼钢工艺分解成三个步骤：先脱硅、后脱硫磷、最后脱碳； 配合炉外精炼等手段，就能获得优质钢水。实行铁水预处理脱硅还能带来以下好处： ( 1 ) 节约了渣料。脱硅与脱硫、磷分开所用的石灰量比同时去除时要少；此外，预 脱硅后的渣中因含磷很低，可返回作烧结添加剂回收其中的铁、锰等有用元素和大量游离 石灰，不会引起磷的富集； ( 2 ) 能大大地缩短冶炼时间。结合预脱硫、磷后的脱硅铁水进入l d 转炉，只需脱 碳，这样就可最大限度地发挥设备的能力，且易于控制吹炼终点。 1 1 2 铁水预脱硅反应的热力学和动力学 1 1 2 1 脱硅反应热力学【1 ，2 】 ( 1 ) 使用气体氧( 0 2 ) 的脱硅反应： 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 s i 】+ 0 2 ( g ，= s i 0 2 【s ) a o = 一8 2 1 7 8 0 + 2 11 t ( j m o l 。1 ) ( 2 ) 使用f e 2 0 3 的脱硅反应： 【s i 】+ 詈f e 2 0 3 = s i 0 2 ( s ) + f e 】 ，4 铹= 一2 8 8 0 0 0 + 6 0 t ( j t o o l 。1 ) ( 3 ) 使用f e 3 0 4 的脱硅反应： s i 】+ i 1f e 3 0 4 = s i 0 2 ( s ) + 吾【f e 】 g ；= 一2 7 5 9 0 0 + 1 5 6 t ( j m o l 一) ( 4 ) 脱硅剂的有效成分是f e o ，其反应式为： s i 】+ 2 ( f e o ) = ( s i 0 2 ) + 2 f e g o = 一2 7 8 1 1 5 + 9 5 7 0 t ( j t o o l 。1 ) 而此反应可分解为两阶段： 2 ( f e o ) = 2 f e + 2 0 】 s i 】+ 2 0 】= ( s i 0 2 ) 且有： g o ：一r r l nk 则： i n k = 3 3 4 5 l 7 二1 1 5 2 k 2 百瓤o s i 0 2 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) k ：黑：k 鱼仅肿2 ( 1 9 ) l 7 0 d l jy s i 由以上各式可知，在1 6 7 3 k ，用气体氧作为脱硅剂的脱硅反应较用固体脱硅剂的脱硅 反应容易进行( 在标准状态下) 。 由公式( 1 7 ) 可知，当铁水的温度低时反应平衡常数k 很大，对铁水脱硅有利；另外， 为了脱硅的同时碳不被氧化，脱硅应在低温下进行。但在实际生产中，要求较高铁水温度， 一是确保炉渣流动性，避免粘度增加影响脱硅，二是满足炼钢要求。 尽管脱硅反应均为放热反应，但在生产实践中，用气体脱硅剂时，由于反应是放热过 程，能使铁水温度升高；而用固体脱硅剂时，尽管反应也是放热反应，但由于固体脱硅剂 升温融化而吸热，二者综合的结果是导致铁水温度下降。 在高碱度渣中，s i 0 2 和c a o 结合成高熔点、稳定的硅酸钙，因而y 。i o ，( s i 0 2 活度系 数) 较小，l s i ( 硅在渣铁之间的分配比) 大，大大促进了脱硅反应正向进行；在酸性渣条 件下，s i 0 2 含量高，虽然在脱硅初期，【s i 】也强烈氧化，但是渣中f e o 活度不高( f e o 与 s i 0 2 结合成硅酸铁) ，降低了脱硅效率。渣的氧化性越高( f e o 含量高、活度大) 对脱硅 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 越有利。随着铁水中的【s i 】以s i 0 2 进入渣中，脱硅渣碱度下降，使脱硅热力学条件恶化， 从而限制了脱硅效率的提高。同时，脱硅过程中产生的玻璃状酸性渣粘度很大，阻碍了c o 气泡的逸出。可见脱硅效率降低的一个重要原因就是脱硅渣碱度降低，因此维持适当的碱 度有利于脱硅。 1 1 2 2 脱硅反应动力学 脱硅反应在渣铁界面的过程可用图1 1 所示 过程可分以下几步： ( 1 ) 【s i 】_ 【s i 】，铁液本体的硅通过铁液边界层扩散到渣铁界面； ( 2 ) ( f e o ) - - * ( f e o ) ，熔渣本体的f e o 通过渣液边界层扩散到渣铁界面； ( 3 ) 【s i 】+ 2 ( f e o ) 气s 1 0 2 ) + 2 【f e 】。，达到界面的硅和f e o 在界面上进行化学反应生成 s i 0 2 和f e , ( 4 ) ( s i 0 2 ) - - + ( s i 0 2 ) ，界面上生成的s i 0 2 通过渣液边界层扩散到熔渣本体； ( 5 ) 【f e 】。- - ) f e ，界面上生成的f e 通过铁液边界层扩散到铁液本体。 ( f e o ) ( s i 0 2 ) 一一- 一一一一一一j 一一一_ f _ 一一一一一一一 一一一一千一一一一一一一一一一一一上一一一 【s i 】 【f e 】 渣 界面 铁 图1 1 渣铁界面氧化脱硅反应示意图 以上步骤中，( 3 ) 为界面化学反应，( 1 ) 、( 2 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 为参加反应有关物质在相 应扩散层中的扩散过程。其中，扩散过程的速率为： 厂= 鲁一层吾( 0 i - - c i * ) = - k i ( q1 木) ( 1 1 0 ) 式中：o 一物质在相应熔体本体的浓度； c i 牛一f 物质在相界面的浓度； 屠一物质传质系数； 么一相界面面积； 卜相应熔体体积； t 一时间； k i = | b 令。 对公式( 1 1 0 ) 积分，并考虑t = 0 时，c ，= c o ，n - l n ( c i c f ) = l n ( c o c i ) 一k i t ( 1 1 1 ) 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 根据有关资料研究【3 】，温度对过程速率的影响不显著，搅拌对过程速率的影响则比较 大。因此，界面化学反应，即步骤( 3 ) 不是过程的控制步骤；搅拌对过程速率的影响大， 表明扩散是过程的限制性步骤。实验表明，在( 1 ) 、( 2 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 四个扩散步骤中，硅 通过铁液边界层向渣铁界面的扩散即步骤( 1 ) 是全过程的控制步骤。 当铁液本体的硅通过铁液边界层向反应界面的扩散为渣一铁反应脱硅过程的控制步 骤时，脱硅过程速率由硅在铁液边界层的扩散速率决定。由公式( 1 1 0 ) 可知，在此情况 下有： 坐掣= - k t s n ( s i 】一 s i 】) ( 1 1 2 ) 由于界面反应速度很快，而且达到的平衡硅浓度很低，即 s i 】0 。对上式积分， 并考虑t = o 时， s i 】= s i 】o ，得到脱硅受铁水侧扩散控制的通式： - l n 牌f ( 1 1 3 ) f s i l ” p ” 公式( 1 1 3 ) 显示，硅在铁液边界层的扩散为脱硅过程的限制步骤时，铁液中硅的浓 度【s i 同脱硅时间之间的关系。因此要提高脱硅过程速率，必须提高硅的扩散速率，一个 重要的措施就是加强搅拌。 为了提高脱硅反应速度、充分利用脱硅剂，必须加强搅拌，以减小扩散层厚度和增加 反应界面面积。从此角度看，使用转炉做反应器比鱼雷罐车和铁水包要优越的多。因为鱼 雷罐和铁水包的容积小，在脱硅反应时容易产生喷溅，限制了喷吹的强度，特别是鱼雷罐 车，其形状是两头小中间大，反应空间决定它的动力学条件远不如转炉。相比之下，转炉 的熔池大，渣层较薄、渣铁接触面积大于鱼雷罐车和铁水包；炉容比大，几乎不存在喷溅 问题，可以允许更高的喷吹强度，有条件的转炉还可以加上底吹，进一步改善了炉内铁水 的动力学反应条件，缩短了处理时间【4 j 。 1 2 铁水预脱硅研究现状 1 2 1 铁水预脱硅的方法 铁水脱硅有二种方式：一种在高炉内进行，另一种是在高炉外进行。 1 2 1 1高炉炉内的铁水预脱硅技术 高炉炉内进行脱硅，即生产低硅铁水，既可降低高炉焦比，又配合了少渣炼钢。但是 低硅冶炼时高炉炉缸的热贮备很少，原燃料条件差时必须保持铁水含硅在较高的水平。 通过对解剖高炉内铁水中硅行为的调查【5 l ，已基本弄清了炉高方向上硅含量的变化： 在软熔带下方1 4 5 0 左右的铁水中几乎不含硅，风口循环区温度1 9 0 0 以上含硅最高， 炉芯部温度较低含硅亦低，两风口循环区之间温度有1 8 0 0 ，焦炭内铁液含硅达5 以上。 当高硅铁水离开风口水平落下穿过渣层时，会发生2 f e o + s i - - - * 2 f e o + s i 0 2 的脱硅反应。根 据铁水含硅在风口平面以下不再上升的现象，设想通过风口喷入脱硅剂进行炉内预脱硅。 与炉外脱硅相比，炉内脱硅能保持铁水温度不变；而炉外用固体脱硅剂操作，将使铁水温 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 度下降5 0 左右。 通过风口向炉内喷吹脱硅剂来进行脱硅的方法主要有： ( 1 ) 喷吹石灰石粉进行铁水脱硅【6 j 由于石灰石在风口循环区内会分解成c a o 和c c h ，此c a o 与渣中或焦炭灰分中的s i 0 2 结合，有助于抑制s i 0 2 坨_ s i o 屺。反应的发展，因此可达到脱硅的效果。日本千叶2 号 高炉采用此法，在喷吹量为8 k g t 铁的条件下，在1 4 9 0 时【s i 】下降了约0 1 。 ( 2 ) 喷吹烧结矿粉进行铁水脱硅【7 1 从风口向炉内喷入粒度 3 m m 的烧结矿粉，每次喷2 5 - - 4 5 m i n ，停吹3 0 m i n ，再继续 喷，如此反复。表1 1 是日本底烟3 号高炉喷吹烧结矿粉的效果。 表1 1 喷吹烧结矿粉炉内铁水脱硅的效果 试验期 项目对照期 喷吹时停吹时 出渣前 1 5 0 8 3 1 5 1 4 31 5 1 1 3 铁水温度， 出渣中 1 5 3 2 91 5 3 5 61 5 3 5 8 出渣前 0 8 0o 6 60 7 3 铁水含硅， 出渣中 0 7 90 6 70 7 0 t f e ，0 1 8 90 1 6 5 炉渣成份 c a o s i 0 2 1 2 9 71 2 7 8 风口本体前端温度， 9 1 88 3 9 ( 3 ) 喷吹铁磷进行铁水脱硅【引 千叶2 号高炉在向炉内喷入铁鳞时，喷入量为3 2 k g t 铁，铁水温度在1 4 5 0 - 1 4 8 0 时， s i 下降约0 1 5 - 0 2 0 ，但 s 】却上升0 0 1 。 ( 4 ) 喷吹瓦斯灰进行铁水脱硅【9 】 日本住友金属和歌山4 号高炉，在对炉内喷吹瓦斯灰时，保持高炉入炉焦比等各种操 作条件不变，以风温调节炉热。结果表明，喷吹物对风口循环区的透气性和通液性无不良 影响。当铁水温度为1 5 1 0 ，矿焦比为3 2 9 时，只要喷入瓦斯灰量大于l o k g t 铁，就有 降 s i 效果，喷吹量3 0 k g t 铁时， s i 从0 5 0 降至0 4 0 。 研究指出【旧】，通过缩短s i 在炉内还原时间、抑制s i 还原温度，减少渣一焦、煤气一 铁水作用面积及改变炉渣组成( 控制s i 0 2 的活度) 都可以获得低硅生铁。有人【1 1j 提出在炉 缸渣口水平开设喷吹口，连续地向炉缸内喷吹压缩空气或富氧空气，喷入氧量约为鼓风带 入氧量的5 1 0 ，使已还原的硅重新氧化成s i 0 2 。 在推行低硅铁冶炼技术时，要特别注意冶炼条件，不能忽视客观条件和铁水温度去片 面追求铁水的过低含硅量，这就是说低硅铁冶炼在一定的冶炼条件下有个低限范围。例如 在杭钢生产条件下，生产实践归纳出的合适生铁含硅量为o 3 0 4 ，低于0 3 时铁水温 度不足，生产难度增加，而且要求外部条件特别严格，困难很大【1 2 1 。 1 2 1 2 高炉炉外铁水预脱硅技术 高炉炉外脱硅可以较灵活地调整s i 含量。常用的方法主要有两种【1 3 , 1 4 ： 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 高炉铁水沟连续脱硅 高炉铁水沟脱硅处理的优点是不占用时间，处理能力大，温降小，渣铁分离方便；缺 点是用于脱硅反应的氧利用率低、脱硅水平波动较大和工作条件较差。经研究表明【l5 】在高 炉铁水沟连续脱硅处理前后铁水含硅量与处理时间的关系为： 一l i ( 【s i 】， s i 。一0 3 8 ) = 0 2 0 2 4 t + 0 4 7 8 ( 1 1 4 ) 式中： s i 】， s i 。处理前后铁水含硅量，；卜处理时间，m i n 。 高炉铁水沟连续脱硅过程中脱硅量随时间的变化如图1 2 。 t ，m i n 图1 2 出铁沟脱硅量与时间的关系 高炉铁沟连续脱硅分为以下几种。 自然投入法 这是一种早期使用的方法，即将粒度约3 m m 的脱硅剂投入到流动的铁水表面，借铁 水从主沟和倾斜流槽落入混铁车或铁水罐时的冲击搅拌作用，使脱硅剂与铁水混合产生脱 硅反应。此法工艺流程及设备都比较简单，但脱硅效率较低，一般为5 0 左右。 气体搅拌法 在自然投入法的基础上，向铁水表面吹压缩空气加强搅拌，以促进熔剂脱硅反应进行。 该法较自然投入法熔剂利用率高。 液面喷吹法 是在投入法基础上，将粒度小于l m m 的脱硅剂依靠载气喷向铁水表面。它和一般喷 吹法的主要区别在于喷枪不插入铁水内部。射入铁水内部和浮于铁水表面的粉剂随铁水流 动落入混铁车内，靠落差冲击达到铁水与脱硅剂的进一步混合。此法脱硅效果比较好，脱 硅剂利用率也高。 在许多场合下采用简便的出铁沟脱硅方式，脱硅率很难突破5 0 ，同时受高炉操作因 素影响很大。 ( 2 ) 在高炉一转炉间的铁水预处理车间进行铁水脱硅 从高炉来的铁水注入鱼雷型铁水罐或铁水罐内进行脱硅处理。 载气通过耐材喷枪把粉剂吹入铁水中，同时吹氧气以防止温降。 这种脱硅法的优点是脱硅反应时氧的利用率高，工作条件好， 脱硅处理时，用氮气作 处理后铁水中硅含量稳 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 定；缺点是脱硅处理要占用一定时间及温度降低较多。 一般情况下当铁水硅含量高，在高炉出铁沟脱硅达不到目标要求时，才在运输容器中 进行补充脱硅，以保证铁水含硅量在0 1 5 以下。 采用氧化铁系脱硅剂时，各种脱硅方法的脱硅效率顺序如下：铁水罐气体搅拌脱硅法 出铁沟脱硅法 烧结矿粉。 ( 2 ) 铁水初始含硅量对脱硅效率的影响 孚 o c ，) 、 t f r a i n 图1 3 铁水初始含硅量与铁水脱硅的关系 生产实践表明【2 4 1 ，铁水初始含硅量越高，脱硅量和脱硅效率都越高，如图1 3 所示。 这是因为铁水初始硅含量高，铁水中 s i 的活度大，有利于脱硅反应的进行。但是铁水初 始硅含量过高，要达到炼钢所需的含硅铁水，脱硅剂消耗亦相应增加，如图1 4 所示 2 5 】。 0 ，4 00 5 00 6 0 0 7 0u 8 0 铁水 s i ， 图1 4 铁水1 s i 与石灰消耗的关系 ( 3 ) 碱度对脱硅效率的影响 脱硅渣碱度对脱硅有重要影响。一般情况下，铁水中原始熔渣( 央带高炉渣) 的碱度 为1 1 5 左右，随着铁水中【s i 】的脱出，即以s i 0 2 进入渣中，脱硅渣碱度下降，使脱硅热力 学条件恶化，从而限制脱硅效率提高。同时，脱硅过程中产生的玻璃状渣很粘稠，阻碍了 c o 气泡逸出。预脱硅效率低的一个重要原因就是碱度降低，即便是使用高效率脱硅剂， 脱石士效率也不会有很大提高，故维持适当碱度，创造有利于脱硅的热力学条件，将有利于 提高脱硅效率。 在碱性渣下，s i 0 2 与c a o 结合形成稳定的硅酸钙，y s i o ( s i 0 2 活度系数) 很小，l s i 6 5 4 3 *誊6)1o西o 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 ( 硅在渣铁之间的分配比) 很大，硅氧化进行得很彻底。在脱硅后期，由于仍是在碱性条 件，7 s l o 仍然很小，故渣中s i 0 2 很难还原。 在酸性渣下，因为s i 0 2 含量高，7 s i o 比碱性条件下要大，虽然在脱硅初期，【s i 】也强 烈氧化，但渣中f e o 活度c if 。o 不高( f e o 与s i 0 2 结合形成硅酸铁) ，故渣中s i 0 2 可发生 还原，降低了脱硅效率。 图1 5 是杜洪阳 2 6 】等人在太钢3 号高炉出铁场试验得到的脱硅率与脱硅渣碱度的关系。 从图中可看出，脱硅渣碱度与脱硅效率呈正相关关系。熔渣碱度对脱硅率影响在一定范围 内，渣中碱度提高使s i 0 2 活度下降，而渣中f e o 的活度却有所升高 2 7 】。在对太钢脱硅渣 所做的岩矿相观察与实验研究认为，脱硅渣碱度以0 8 为宜，因为此时脱硅渣处于有 强结晶能力的硅灰石区时，炉渣有较强的反应能力，可使( f e o ) 中的氧利用较为充分， 同时熔渣熔点和粘度均较低，有利于反应气体逸出和扒渣。 c a 0 s i 0 2 图1 5 脱硅率与碱度的关系 另外，碱度低有利于脱锰，提高脱硅渣碱度可抑制 m n 】的氧化，如图1 6 所示【2 甜。 癣 o c 羔 、- ， c a o s i o , 图1 6 脱硅渣碱度与渣中氧化锰的关系 ( 4 ) 铁水初始温度对脱硅效率的影响 图1 7 是脱硅平衡常数k 与温度丁的关系。平衡常数k 越大，越有利于脱硅反应的充 分进行，从图中可知，低温有利于脱硅。理论计算结果表明，脱硅达到平衡时，铁水中硅 的浓度远低于实际脱硅条件下的硅浓度，这是由于脱硅反应受到动力学条件的限制。 第l o 页武汉科技大学硕士学位论文 b h 瓤 挺 趣 出 温发 图1 7 脱硅平衡常数五与温度的关系 1 2 2 2 铁水脱硅渣起泡与消泡 铁水预脱硅工艺在国内外已被广泛用于生产，在铁水中加入脱硅剂时，会出现泡沫渣 现象 2 9 , 3 0 ，3 1 1 。 脱硅渣起泡有两个方面的原因：一是脱硅过程中碳参与氧化，生成c o 气体，为泡沫 渣的生成提供了气源；二是熔渣的表面性质有利于泡沫的稳固，气体在渣中不能及时释放， 形成泡沫渣。一般认为c o 的生成有两条途径：一是铁水中加入脱硅剂后温度要降低【3 2 l ， 在整个铁水内部析出高度分散的微小碳粒，这些碳粒与渣中f e o 反应生成分散的c o 微小 气泡，这些微小气泡进入渣层后，向上浮生成泡沫渣。且泡沫寿命随温度降低而增长【3 3 ，3 4 】： 二是脱硅剂与铁水中的 c 反应，生成c o 气体【3 5 1 。 1 、影响脱硅渣泡沫化的因素可归结为以下几点： ( 1 ) 脱硅剂氧含量的影响 渣中氧化剂含量高，泡沫渣严重，原因是氧化剂含量高，脱碳反应易发生；脱硅剂用 f e 2 0 3 时，比用铁鳞( 主要成分是f e o ) 做脱硅剂时炉渣泡沫化程度高。因为f e 2 0 3 转化为 f e 3 0 4 和f e 3 0 4 转化为f e o 的供氧速度远大于f e o 转化为f e 的供氧速度，使铁水中碳易氧 化成c o ，从而形成气泡。 ( 2 ) 脱硅渣粘度的影响 熔渣内各个气泡之间有液相分隔膜存在，能阻止气泡之间液态的排出，从而阻碍了气 泡合并。泡沫的稳定性或存在的寿命也与排液有关。熔渣粘度对此有很大影响。熔渣粘度 越高，排液速度越慢，延长了泡沫寿命。因此，降低脱硅渣粘度，有利于消除泡沫渣。如， f e l l c h t 、l u n d e m a i l i l e 【3 6 署i k i m i h i s a 3 7 1 的研究结果表明，当炉渣中有2 c a o s i 0 2 生成时，其泡 沫化特性显著增强。同时，实验研究也表明，c a f 2 配加量增加，泡沫渣高度降低，原因是 c a f 2 能够改善渣流动性。 2 、抑制脱硅炉渣泡沫化得措施 热力学分析表明，向铁水中投入脱硅剂( 氧化剂) 后， s i 、【m n 将迅速氧化，对 c 的氧化是否起到抑制作用取决于反应式【3 8 】： ( s i 0 2 ) 十2 c _ 2 c o ( g ) “s i 】 ，、 g 品= 5 1 9 3 0 3 2 9 1 6 5 t ( j m o l 叫) l1 1 ) ， 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 要抑制脱硅渣的发泡和喷溅。就必须提高脱硅反应的氧效率，抑制( f e o ) 与铁水中 c 】的反应措施如下： ( 1 ) 改变脱硅渣的性状 研究发现，当渣中( f e o ) 2 0 ，脱硅渣有发泡现象；当渣中2 0 ( f e o ) 3 0 时，则不会发生脱硅渣的起泡喷 溅。但高( f e o ) 渣对耐材侵蚀严重，故此不是推荐的措施。 ( 2 ) 采用泡沫渣抑制剂 泡沫形成时，体系有很大的气液界面积。如果熔渣表面张力很高，则体系表面吉布斯 能增高，泡沫在热力学上不稳定，有自动合并而消灭的趋势。但是，在某种稳定的条件下 ( 表面张力小) ，泡沫可以准稳定存在。如果向脱硅渣中配加能提高熔渣表面张力的物质 ( 如c a o 和a 1 2 0 3 ) ，使熔渣表面积缩小，降低体系总表面能到最小，则能阻碍泡沫形成， 有利于消除泡沫渣。 有研究表明【3 9 删，碳质材料对炉渣泡沫化有抑制作用。太钢曾向渣中加入碳质压渣剂 对抑制泡沫渣有一定作用【2 6 1 。 ( 3 ) 采用合适的出铁温度 根据宝钢经验，维持出铁温度在1 5 0 0 1 5 2 0 之间，有利于降低脱硅渣粘度，创造 c o 气体排出的良好条件，加快消泡速度【4 1 1 。 1 2 3 铁水预脱硅工艺参数的控制 o u 2 u 0 4 006 0 脱硅量s i 】， 图1 8 喷吹脱硅后铁水温度的变化 氧气顶吹脱硅工艺要注意控制二个主要工艺参数，即降低供氧速度和加强搅拌。降低 供氧速度有利于脱硅、保锰和保碳。在相同供氧速度下，烧结矿粉脱硅效率低于轧钢铁鳞， 故采用烧结矿时，应选用较低的供氧速度。如果供氧速度过快或搅拌强度不足时，熔池液 相中的传质速度成为化学反应的限制环节，局部脱硅反应趋于平衡，继续供氧将使锰和碳 被氧化【4 引。 温度升降随脱硅方法而异，如图1 8 【4 3 】所示。从图中可以看出氧气顶吹能使铁水温度 啪 m 盼 o 舶 渤 2基馘憾赠*岱 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 增高，而加固体氧化剂或喷吹氧化剂和合成渣粉剂都使铁水温度下降。 氧气的供应量应视铁水处理初始温度的高低来决定，如果铁水初始温度高，可适当减 少供氧量，反之则适当地增加。 用氧气做载体输送粉剂，必然强化铁水包内的氧化反应，在一定程度上可以弥补由于 其它原因造成的铁水温度下降。但当应注意，氧气过量增加容易产生脱碳，给后面炼钢造 成困难，同时还会使铁水预处理过程的废气显热增大，造成更大的热量损失。有数据表明， 在铁水初始温度高的条件下，减少氧气使用量， c 】的平均值可以从3 4 5 提高到3 6 5 ， 铁水中氧气的活度值从2 5 x 1 0 4 降低到2 1 x 1 0 。，同时c o 的二次燃烧也减少，温度约比原 用氧水平下降2 0 左右m 】。 1 3 脱硅对铁水预处理脱磷的影响 当采用氧化法脱磷时，会发生以下反应 4 5 】： 【s i + 2 0 】_ s i 0 2 2 p 】+ 5 0 】= ( p2 0 5 ) ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) 5 s ? + 2 p 2 0 5 2 4 p + 5 ( s 1 0 2 ) ，( 1 1 8 ) g 嚣= 一3 1 8 4 7 1 - 2 0 4 t ( j m o l 叫) 如果脱磷前不进行预脱硅处理，当加入富氧脱磷剂时，根据公式( 1 1 8 ) 优先氧化的 原理，脱磷剂中的氧首先与硅发生反应而抑制了脱磷反应的进行。同时反应产物使渣碱度 和磷酸盐容量降低m ，从而降低脱磷剂的脱磷效率。而且当磷酸盐系统中有硅存在时，饱 和的固溶磷酸三钙和硅酸二钙有较低的熔点，在低氧化铁的饱和石灰区域，固态相区域向 液态相区域扩展。从实际精炼工艺来说，如果炉渣有较高的二氧化硅和氧化铁含量，则渣 中一定量的磷硅酸盐沉淀固溶，造成炉渣物理性能，尤其是流动性变差，从而影响其化学 反应性【47 1 。所以高炉铁水进行脱磷预处理之前必须对铁水进行与脱硅处理。 如图1 9 【4 8 】是初始铁水硅含量与炉渣中磷分配比的关系，从图中可看到，当初始铁水 硅含量约为o 1 5 时，磷分配比较高，约为7 0 0 ；但当初始铁水硅含量大于0 2 5 时，磷分 配比降低，约为6 4 0 。所以炉渣中磷的分配比是随铁水中初始硅含量升高而降低。 脱磷阿铁水r 1 ，的自蔓含鬣 图1 9 初始铁水硅含量与磷分配比的关系 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 图1 1 0 是k s a s a k i 等1 4 9 1 在3 0 0 t 混铁车中喷吹石灰系熔剂进行脱磷脱硫试验时得到的结 果，发现脱磷剂的用量在铁水硅含量低于0 1 5 时比较少，而当硅含量超过0 1 5 以后，脱 磷剂用量随硅含量的增大而几乎呈直线的关系迅速增加。 7 0 l 胡 曩6 0 餐 髫 5 0 0 0 1 00 2 0 0 3 0 w s i ， 图1 1 0 脱磷剂用量与处理前铁水含s i 量的关系 实验室试验和工业实践都清楚地表明脱磷处理前必须将铁水中的硅含量降至0 1 5 左 右。 1 4 铁水预脱硅的经济意义 硅元素对整个钢铁冶金过程的能量分配、生产控制和总体效益都有着重要的意义。高 炉的硅控制不仅影响炉内热平衡，而且影响焦比、铁水温度和产量。转炉炼钢的铁水硅含 量将影响其装入制度、造渣制度和钢水成本等。在保证转炉完成脱磷任务的条件下，控制 硅在高炉、脱硅预处理、转炉过程中的最佳水平。 铁水脱硅处理在高炉与转炉间处于承上启下的位置。这一阶段采用的工艺决策，既要 保证转炉脱硫所需要的碱度和渣量，又要使系统的总生产成本最低。 铁水中的硅一直被认为是转炉炼钢的主要热源之一，通过相关反应热效应计算，铁水 中的硅不是转炉炼钢的主要热源，氧化反应产生的热量只有小部分被金属吸收。尽管硅元 素氧化反应能放出大量的热，但同时为了调整炉渣碱度又必须加入一定量的石灰。石灰升 温和熔化需吸收大量的热，热量来源于炉内的化学反应产生的热量。根据冶炼的钢种，高 温出钢( 1 7 0 0 士1 0 ) 和低温出钢( 1 6 0 0 - a ：1 0 * c ) 的铁水最佳含硅量分别为0 4 和0 2 ， 如图1 1 1 和图1 1 2 所裂2 引。因此，为了适应转炉炼钢少渣冶炼的要求希望降低高炉铁水 的硅含量。从炼铁和炼钢两工序的热量平衡看，也希望高炉能够冶炼出硅含量低的生铁， 因为每吨铁水增加l k g 硅( 0 1 ) 要使高炉增加能耗2 0 9 2 0 0 k j t ，而转炉每l k g 硅的发热 量仅为2 8 3 1 4 k j t ，扣除熔渣损失，有效发热量仅6 2 7 6 k j t ，能量利用仅3 ，它只能熔化 4 k g 废钢1 5 。而且，高炉冶炼低硅生铁不但能够减少燃料消耗，降低生铁成本，还有利于 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 提高产量。但是高炉铁水的 s i 】含量受到炉型大小和操作条件的限制，不可能无限制地降 低。武钢一般在0 4 0 5 ，宝钢在0 2 0 3 。所以需要发展高炉炉外脱硅技术。另 外，降低硅含量，可以减少转炉中的渣量，提高金属收得率，降低耐火材料的消耗和提高 生产率。加拿大d o f a s c o 钢厂统计p 1 1 ，铁水每降低硅o 1 ，将增加转炉金属收得率0 2 ， 延长炉衬寿命1 1 0 炉，节约渣料石灰6 3 k g t 铁和白云石2 8 5 k g t ，而高炉增产3 1 ，降焦 比6 5 k g t ，可见经济效益显著。 o 葛- 2 0 0 磐 格 镫一3 0 0 0 聋 辍 。一1 0 0 疑 鍪 餐 垡一2 0 0 旗准( s i = 0 5 0 ) ：一： i卜一_ 一一一 o0 10 2 0 3 0 40 50 6 f s i 图1 1 l 低温出钢的最佳含硅量 罄准“s i ：o 5 ) 、 一 、l 少 、1 一、。t f e 一一 l i 。 i i l i l 2 5 霉 o u - i - - - 2 0 ：墨 翅 1 5 2 5 担 2 0 t 嬲 1 5 00 10 20 30 4 0 5 0 6 s i l 图1 1 2 高温出钢的最佳含硅量 潘小伟【5 2 】等经计算机系统仿真、寻优后选择出最佳脱硅生产流程为：原料一高炉炼铁 一铁水脱硅一转炉炼钢，总的生产成本为5 4 1 6 0 元t 钢。在用同样的原料、同样的钢料要 求等条件下，若不采用铁水预脱硅