鐵水增硅原理

鐵水增硅過程就是固體硅鐵在鐵水中熔化溶解的過程。因為硅鐵的熔點(含Si45%的硅鐵熔點1290℃，含si75%的熔點1300~1330℃)均低于高爐鐵水的溫度，所以高爐鐵水能夠熔化適量的硅鐵。液態(tài)硅溶于液態(tài)鐵中，當硅濃度為1%時，其標準自由能為:Si(l)=[si] △F。=一28500-6.09T可見硅的溶解始終是放熱效應(yīng)，它能補償增硅過程中硅鐵熔化吸熱和散熱損失，減少溫降，不至于發(fā)生澆注的困難。

鐵水增硅(increasing silicon to hot metal)

向鐵水中添加硅鐵，使其硅含量增加到預(yù)定值的一種鐵水預(yù)處理工藝。主要用于將高爐冶煉的低硅鐵水增硅變成鑄造生鐵，是一種生產(chǎn)鑄造生鐵的新方法。它可使高爐節(jié)能和增產(chǎn)，而且能改善鐵水鑄件的質(zhì)量。此項技術(shù)是20世紀70年代末到80年代發(fā)展起來的。中國鞍山、本溪、酒泉、鄂城、新余等地的鋼鐵廠先后從試驗到工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用投入法鐵水增硅生產(chǎn)鑄造生鐵。前蘇聯(lián)稱之為鑄造生鐵合成冶煉法，是圖拉黑色冶金科研生產(chǎn)聯(lián)合體首先研制并在大規(guī)模生產(chǎn)中推行的。1983年中國鄂城鋼鐵廠首次實現(xiàn)鐵水罐噴粉增硅工藝(見圖)。1987年在邢臺鋼鐵廠的鐵水增硅站又用壓縮空氣代替氮氣作載氣噴粉增硅成功。鐵水增硅已經(jīng)被許多鋼鐵廠接受為生產(chǎn)鑄造生鐵的常規(guī)方法.

鐵水增硅通常采用兩種方法:即在高爐撇渣器后的鐵溝上投入硅鐵塊增硅和鐵水罐中噴硅鐵粉增硅。投入法增硅的工藝簡單。硅鐵塊浮在鐵流和鐵水罐的鐵水上面，熔化溶解的同時伴隨著燒損。硅鐵塊的粒度是影響加熱熔化速度的主要因素。粒度過大、熔化慢、燒損多。不過，據(jù)試驗發(fā)現(xiàn)，粒度小于50ram后，對硅鐵回收率就沒有明顯的影響。一般投入法增硅，硅鐵回收率只在80%左右。噴粉增硅法，即將硅鐵粉在噴粉罐內(nèi)用載氣流態(tài)化并通過插入鐵水罐的噴槍噴入鐵水底層中。硅鐵粉的顆粒均勻地分布在充分攪動的鐵水中，有很好的熔化和溶解的傳熱、傳質(zhì)條件，熔化和溶解速度很快。只要噴槍插入鐵水的深度和硅鐵粉粒度能保證硅鐵粉上浮到鐵水表面的時間內(nèi)熔化和溶解完。如果載氣不具氧化氣氛，硅鐵的重熔回收率將達到100%。經(jīng)計算，在一般鐵水增硅條件下，硅鐵粉平均粒徑r≈0.6mm;噴槍插入鐵水深度H≈2m的條件下，硅鐵粉在鐵水中上浮的時間τ≈1.78s，而這種硅鐵粉完全熔化溶解時間τ镕≈0.27s。τ>τ镕，即硅鐵粉在浮出鐵水面以前就已經(jīng)熔化溶解完了。實際上噴粉增硅的硅鐵回收率都在90%以上，損失可能發(fā)生在送粉途中或者因噴濺而燒損。用壓縮空氣代替氮氣作載體噴粉增硅時，確實有部分si元素被空氣中O2所氧化，但所占比例很小，從生產(chǎn)實踐和實驗室研究都證明無論從經(jīng)濟角度還是技術(shù)角度看，都是可行的。尤其對無管道N2氣來源的中小型連續(xù)鑄鋼|煉鐵廠更具優(yōu)越性，拓寬了噴粉增硅的應(yīng)用前景。

鐵水增硅取代高爐直接冶煉鑄造生鐵的主要原因是高爐煉鑄造生鐵的困難。冶煉鑄造生鐵(含Si 1%~3.5%)與冶煉煉鋼生鐵(含Si<1%，現(xiàn)在已降低到0.1%~0.2%)相比，高爐內(nèi)要進行大量的硅還原反應(yīng)，需要高溫和高焦比。鐵水含硅升高促使碳素的石墨化沉積，而過高的爐溫和過多的碳素沉積在爐缸將妨礙高爐行程，造成爐況不順和高焦比冶煉，又使高爐產(chǎn)量降低。由于精料和高爐還原過程的改善，現(xiàn)代高爐內(nèi)的直接還原過程減少和下部熱量需要降低造成鐵水過熱(鐵水溫度由1450℃提高到1550℃)和增強碳素的溶解(鐵水含碳由4.O%~4.5%提高到5.1%~5.5%)，這種條件下高爐冶煉鑄造生鐵將更加困難。采用爐外增硅這種合成法煉鑄造生鐵，其應(yīng)用價值可歸納為:(1)高爐可以低硅作業(yè)，爐況順行而且指標良好。按中國高爐生產(chǎn)經(jīng)驗，生鐵含si量每降低0.1%，高爐燃料比降低4~7kg/t，產(chǎn)量也相應(yīng)提高。前蘇聯(lián)用合成法生產(chǎn)含si 1.3%~3.5%的鑄造生鐵，高爐生產(chǎn)能力可提高13%~25%，焦比降低15%~25%。(2)鐵水增硅生產(chǎn)的鑄造生鐵比高爐直接冶煉的鑄造生鐵質(zhì)量好。因為高爐煉的鑄造鐵水溫度高、含si高，碳素溶解量和氣體及非金屬夾雜增高，鑄鐵中石墨晶粒粗大、組織結(jié)構(gòu)和力學性能變差。而增硅法所得的鑄造生鐵是在低硅低碳鐵水中增硅而成。原來的碳素石墨化程度低，溶入的硅鐵又起了孕育作用，增加外來核心，細化了共晶團和石墨，提高了鑄鐵組織的均勻性和致密性，從而改善了生鐵的性能。同時，鐵水增硅還有降低生鐵含硫量的效果。酒泉鋼鐵廠采用鐵水增硅前鐵水[si]1.48%、[S]0.031%，增硅后鐵水含[Si]2.45%、[S]0.025%。鄂城鋼鐵廠的鐵水經(jīng)噴粉增硅后含S量降低20%以上?？赡苁窃龉柽^程加強了鐵水中Mn的脫硫作用，或者鐵水中Si含量增加使S的活度系數(shù)增高所致。(3)鐵水增硅是鋼鐵廠平衡連續(xù)鑄鋼|煉鐵和煉鋼能力、調(diào)節(jié)生鐵品種必須建立的鐵水處理系統(tǒng)。常有這樣的情況:一個鋼鐵廠只有一座高爐，而高爐生產(chǎn)的鐵水煉鋼爐用不完，或者一個鋼鐵廠要生產(chǎn)的鑄造生鐵產(chǎn)量只相當一座高爐能力的一部分，而鋼鐵廠的煉鋼爐臨時不能接受高爐的鐵水。有了鐵水增硅設(shè)備，高爐可以完全煉制煉鋼生鐵，焦比低、產(chǎn)量高、充分發(fā)揮它磐麓麟的能力。煉鋼用不完的鐵水或需要生產(chǎn)的鑄造鐵，或煉鋼爐臨時不要的高爐鐵水都可采用增硅以成為鑄造生鐵，提高生鐵的售價、減少鐵種轉(zhuǎn)換對冶煉造成的困難和損失。(4)還有一種特殊情況，例如在酒泉鋼鐵廠鐵礦含Mn01.1%~1.25%，鐵水含[Mn]0.9%~1.3%，若高爐冶煉高牌號鑄造生鐵必然導(dǎo)致產(chǎn)出高錳號外鐵。這種爐料就更適合在爐內(nèi)煉低硅低錳生鐵，然后在爐外增硅得到鑄造生鐵.