D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.06.002 第30卷第6期 北京科技大学学报 Vol.30 No.6 2008年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun·2008 高炉铁水降硅的实验研究 张雪松张建良郭豪赵霞 宋建成 北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 摘要从理论上分析了降低铁水中硅含量的三个途径：控制硅源：降低滴落带的高度；增加炉缸渣中的氧化性·在实验室进 行了降低铁水中硅含量的实验，得到了铁水中硅含量的影响因素：提高二元碱度有利于降硅：增加渣中氧化物可降低S02的 活度有利于降硅；Al203和Si02不利于降硅；治炼时焦炭中SiO2的挥发量随温度的升高而增多，使铁水中硅含量增加：随着滴 落带高度的增加，铁水中硅含量不断增加，根据实验室研究针对唐山建龙公司高护特点提出降低铁水中硅含量的措施，降硅 效果明显，铁水中硅的质量分数由原来的0.55%左右降到了0.40%左右 关键词炼铁：铁水：降硅：二元碱度：炉渣氧化性 分类号TF538 Experimental research of reducing the silicon content of hot metal ZHA NG Xuesong.ZHA NG Jianliang,GUO Hao;ZHAO Xia,SONG Jiancheng School of Metallurgical and Ecological Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT Three methods were analyzed to reduce the silicon content of hot metal in theory:controlling silicon resource,decreas- ing the drip zone's altitude,and increasing the oxidation of slag in hearth.Some factors to influence the silicon content of hot metal were proposed on the basis of the experiment in the lab:increasing the binary basicity is favorable to desiliconization:the oxide in slag debases the silicon activity and is of great advantage to desiliconization:Al203 and SiO2 are disadvantageous to desiliconization:the volatilization content of SiO2 in coke increases with increasing smelting temperature,leading to increase the silicon content of hot met- al:the silicon content of hot metal increases with increasing the drip zone's altitude.The measures of reducing the silicon content of hot metal were applied in JIAN-Long Iron and Steel Company in Tangshan according to the test results.The result of reducing the silicon content of hot metal was obvious,and the mass fraction of silicon in molten iron was reduced to 0.40%from 0.55%. KEY WORDS ironmaking:hot metal:desiliconization:binary basicity:oxidation of slag 高炉冶炼过程中，铁水含硅量的高低是评价高 文从理论分析与实验室实验证实完全可以冶炼低硅 炉治炼技术水平的重要指标之一).降硅是一项 高温铁水，并给出降硅的具体措施将实验结果应用 重大节能、增产措施，生铁含硅量的降低即可降低 于唐山建龙公司生产，效果良好. 焦比和提高产量，也可促使炼钢实行无渣或少渣治 1铁水降硅方向的理论分析 炼，缩短炼钢时间，降低能耗和材料费用，因此低硅 铁的冶炼技术是炼铁生产技术现代化的重要内容之 铁水中硅含量从软熔带开始逐渐增加并在风口 一·许多高炉操作者都将硅含量作为衡量炉温的重 水平到达最高值，然后又逐渐下降最终达到铁水含 要指标]，硅含量不能过低，否则炉温过低会造成 硅量，在风口中心线以上发生了硅的还原反应，分 炉凉，甚至会冻结，冶炼低硅高温铁水比较困难。本 别为硅的还原区、铁水吸硅区及增硅区；在风口中心 线以下发生了硅的氧化反应，分别为硅的氧化区、铁 收稿日期：2007-05-24修回日期：2007-10-20 水脱硅区和降硅区] 作者简介：张雪松(1979一)女，博士研究生：张建良(1965一)，男， 增硅过程即硅在高炉内的还原反应为[，9-0： 教授，博士生导师，E-mail:il-zhang@126.com Si02(焦炭)十C=Si0气十C0↑ (1)
高炉铁水降硅的实验研究 张雪松 张建良 郭 豪 赵 霞 宋建成 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 摘 要 从理论上分析了降低铁水中硅含量的三个途径：控制硅源；降低滴落带的高度；增加炉缸渣中的氧化性．在实验室进 行了降低铁水中硅含量的实验得到了铁水中硅含量的影响因素：提高二元碱度有利于降硅；增加渣中氧化物可降低 SiO2 的 活度有利于降硅；Al2O3 和 SiO2 不利于降硅；冶炼时焦炭中 SiO2 的挥发量随温度的升高而增多使铁水中硅含量增加；随着滴 落带高度的增加铁水中硅含量不断增加．根据实验室研究针对唐山建龙公司高炉特点提出降低铁水中硅含量的措施降硅 效果明显铁水中硅的质量分数由原来的0∙55％左右降到了0∙40％左右． 关键词 炼铁；铁水；降硅；二元碱度；炉渣氧化性 分类号 TF538 Experimental research of reducing the silicon content of hot metal ZHA NG XuesongZHA NG JianliangGUO HaoZHA O XiaSONG Jiancheng School of Metallurgical and Ecological EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T hree methods were analyzed to reduce the silicon content of hot metal in theory：controlling silicon resourcedecreasing the drip zone’s altitudeand increasing the oxidation of slag in hearth．Some factors to influence the silicon content of hot metal were proposed on the basis of the experiment in the lab：increasing the binary basicity is favorable to desiliconization；the oxide in slag debases the silicon activity and is of great advantage to desiliconization；Al2O3 and SiO2 are disadvantageous to desiliconization；the volatilization content of SiO2in coke increases with increasing smelting temperatureleading to increase the silicon content of hot metal；the silicon content of hot metal increases with increasing the drip zone’s altitude．T he measures of reducing the silicon content of hot metal were applied in JIAN-Long Iron and Steel Company in Tangshan according to the test results．T he result of reducing the silicon content of hot metal was obviousand the mass fraction of silicon in molten iron was reduced to0∙40％ from 0∙55％． KEY WORDS ironmaking；hot metal；desiliconization；binary basicity；oxidation of slag 收稿日期：2007-05-24 修回日期：2007-10-20 作者简介：张雪松（1979—）女博士研究生；张建良（1965—）男 教授博士生导师E-mail：jl．zhang＠126．com 高炉冶炼过程中铁水含硅量的高低是评价高 炉冶炼技术水平的重要指标之一［1—2］．降硅是一项 重大节能、增产措施．生铁含硅量的降低即可降低 焦比和提高产量也可促使炼钢实行无渣或少渣冶 炼缩短炼钢时间降低能耗和材料费用因此低硅 铁的冶炼技术是炼铁生产技术现代化的重要内容之 一．许多高炉操作者都将硅含量作为衡量炉温的重 要指标［3—6］硅含量不能过低否则炉温过低会造成 炉凉甚至会冻结冶炼低硅高温铁水比较困难．本 文从理论分析与实验室实验证实完全可以冶炼低硅 高温铁水并给出降硅的具体措施将实验结果应用 于唐山建龙公司生产效果良好． 1 铁水降硅方向的理论分析 铁水中硅含量从软熔带开始逐渐增加并在风口 水平到达最高值然后又逐渐下降最终达到铁水含 硅量．在风口中心线以上发生了硅的还原反应分 别为硅的还原区、铁水吸硅区及增硅区；在风口中心 线以下发生了硅的氧化反应分别为硅的氧化区、铁 水脱硅区和降硅区［7—8］． 增硅过程即硅在高炉内的还原反应为［79—10］： SiO2（焦炭）＋C SiO气＋CO↑ （1） 第30卷 第6期 2008年 6月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．6 Jun．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．06．002
第6期 张雪松等：高炉铁水降硅的实验研究 .595. SiO气+[C]=[Si]+C0↑ (2) 2实验 Si02(炉渣)+2[C]一[Si]+2C0↑ (3) 降硅过程即硅在高炉内的氧化反应为： 本实验主要用品为生铁、炉渣、化学药品(Ca0、 2(Ca0)+[Si]+2[S]=(Si02)+2(Cas)(4) Si02、Mg0、Alz03、TiO2、MnC03、碳粉和Fe203,其 2(Mn0)+[Si]=(Si02)+2[Mn] (5) 中MnCO3用来制备Mn0,Fe203用来制备Fe0), 2(Fe0)+[Si]-(Si02)+2[Fe] (6) 生铁成分见表1，原渣成分见表2，配渣结果见表3. (Tio2)+[Si](SiO2)+[Ti] (7) 表1生铁成分表（质量分数） (0z)(风)+[Si]=(Si0z) (8) Table 1 Composition of the pig iron % 铁水中硅含量增加主要来源于焦炭灰分与矿石 [Si] [s] [P] [Mn] [c] [Fe] 脉石中S02,而减少铁水中硅含量主要靠提高渣中 0.56 0.034 0.042 0.044 4.35 94.70 氧化性气氛.降硅反应中Si02会放出大量的热，提 高了温度，即降硅得到热量，所以能够冶炼出低硅高 表2原渣成分（质量分数） 温铁水，控制高炉铁水含硅量主要考虑控制硅源、 Table 2 Composition of the original slag % 降低滴落带的高度以及增加炉缸渣中的氧化性三方 面，以促使铁水降硅反应的进行，因而有利于降低铁 34.9732.629.6913.070.111.342.330.95 水含硅量， 表3实验配渣 Table 3 Composition of the confected slag 需要配的化学药品的各成分的数量/g 条件 原渣/g Ca0 Si02 Mgo A1203 Mno FeO TiO2 R2=1.07 35 R2=1.17 20 5.76 4.38 1.45 1.96 0.02 0.20 0.35 B2=1.27 20 6.24 3.90 1.45 1.96 0.02 0.20 0.35 D(Mg0)=6.69% 20 5.79 5.42 0.40 1.96 0.02 0.20 0.35 o(Mg0)=9.69% 35 一 w(Mg0)=12.69% 20 4.70 4.40 2.50 1.96 0.02 0.20 0.35 (Al203)=13.07% 35 一 一 0(A203)=15.07% 20 4.88 4.57 1.45 2.66 0.02 0.20 0.35 w(A203)=17.07% 20 4.51 4.23 1.45 3.36 0.02 0.20 0.35 注：2为二元碱度，地为物质的质量分数 2.1渣中二元碱度、Mg0和A2O,对硅含量影响 是否挥发，挥发量的大小，以及挥发量与温度的关 的实验 系，对建龙的焦炭进行了高温挥发实验研究，实验 实验设备主要包括碳管高温炉、DWT一720温 装置图如图1所示 度控制柜、石墨坩埚（外径相同的平底坩埚和漏斗坩 埚)、双铂铑热电偶以及取样细管 通人高纯N, 在保持炉渣其他成分不变的情况下，通过改变 石英管 炉渣碱度检测Ca0对降硅的影响.分为三个系列进 带孔石墨坩埚 行：1号炉渣为原渣R2=1.07,2号炉渣R2=1.17, 焦炭粒 刚玉支承件 石墨坩埚 3号炉渣2=1.27，渣铁比取350kgt1. 坩埚底托 热电偶 保持R2=1.07,其他成分不变，通过改变氧化 碳管炉发热体 镁含量来研究氧化镁对降硅的作用，同样保持 R2=1.07,其他成分不变，通过改变Al203含量以 1↑↑ 研究A203对降硅的作用， 通人高纯N 2.2焦炭高温挥发量对硅含量影响的实验 图1焦炭灰分中Si02挥发实验装置 为了了解高炉所用焦炭灰分中S02在高温下 Fig-I Volatilization test equipment of SiOz in coke ash
SiO气＋［C］ ［Si］＋CO↑ （2） SiO2（炉渣）＋2［C］ ［Si］＋2CO↑ （3） 降硅过程即硅在高炉内的氧化反应为： 2（CaO）＋［Si］＋2［S ］ （SiO2）＋2（CaS） （4） 2（MnO）＋［Si］ （SiO2）＋2［Mn］ （5） 2（FeO）＋［Si］ （SiO2）＋2［Fe］ （6） （TiO2）＋［Si］ （SiO2）＋［Ti］ （7） （O2）（风）＋［Si］ （SiO2） （8） 铁水中硅含量增加主要来源于焦炭灰分与矿石 脉石中 SiO2而减少铁水中硅含量主要靠提高渣中 氧化性气氛．降硅反应中 SiO2 会放出大量的热提 高了温度即降硅得到热量所以能够冶炼出低硅高 温铁水．控制高炉铁水含硅量主要考虑控制硅源、 降低滴落带的高度以及增加炉缸渣中的氧化性三方 面以促使铁水降硅反应的进行因而有利于降低铁 水含硅量． 2 实验 本实验主要用品为生铁、炉渣、化学药品（CaO、 SiO2、MgO、Al2O3、TiO2、MnCO3、碳粉和 Fe2O3其 中 MnCO3 用来制备 MnOFe2O3 用来制备 FeO）． 生铁成分见表1原渣成分见表2配渣结果见表3． 表1 生铁成分表（质量分数） Table1 Composition of the pig iron ％ ［Si］ ［S ］ ［P ］ ［Mn］ ［C ］ ［Fe］ 0∙56 0∙034 0∙042 0∙044 4∙35 94∙70 表2 原渣成分（质量分数） Table2 Composition of the original slag ％ CaO SiO2 MgO Al2O3 MnO FeO TiO2 S 34∙97 32∙62 9∙69 13∙07 0∙11 1∙34 2∙33 0∙95 表3 实验配渣 Table3 Composition of the confected slag 条件 原渣／g 需要配的化学药品的各成分的数量／g CaO SiO2 MgO Al2O3 MnO FeO TiO2 R2＝1∙07 35 — — — — — — — R2＝1∙17 20 5∙76 4∙38 1∙45 1∙96 0∙02 0∙20 0∙35 R2＝1∙27 20 6∙24 3∙90 1∙45 1∙96 0∙02 0∙20 0∙35 w（MgO）＝6∙69％ 20 5∙79 5∙42 0∙40 1∙96 0∙02 0∙20 0∙35 w（MgO）＝9∙69％ 35 — — — — — — — w（MgO）＝12∙69％ 20 4∙70 4∙40 2∙50 1∙96 0∙02 0∙20 0∙35 w（Al2O3）＝13∙07％ 35 — — — — — — — w（Al2O3）＝15∙07％ 20 4∙88 4∙57 1∙45 2∙66 0∙02 0∙20 0∙35 w（Al2O3）＝17∙07％ 20 4∙51 4∙23 1∙45 3∙36 0∙02 0∙20 0∙35 注：R2 为二元碱度w 为物质的质量分数． 2∙1 渣中二元碱度、MgO 和 Al2O3 对硅含量影响 的实验 实验设备主要包括碳管高温炉、DWT—720温 度控制柜、石墨坩埚（外径相同的平底坩埚和漏斗坩 埚）、双铂铑热电偶以及取样细管． 在保持炉渣其他成分不变的情况下通过改变 炉渣碱度检测 CaO 对降硅的影响．分为三个系列进 行：1号炉渣为原渣 R2＝1∙072号炉渣 R2＝1∙17 3号炉渣 R2＝1∙27渣铁比取350kg·t —1． 保持 R2＝1∙07其他成分不变通过改变氧化 镁含量来研究氧化镁对降硅的作用．同样保持 R2＝1∙07其他成分不变通过改变 Al2O3 含量以 研究 Al2O3 对降硅的作用． 2∙2 焦炭高温挥发量对硅含量影响的实验 为了了解高炉所用焦炭灰分中 SiO2 在高温下 是否挥发挥发量的大小以及挥发量与温度的关 系对建龙的焦炭进行了高温挥发实验研究．实验 装置图如图1所示． 图1 焦炭灰分中 SiO2 挥发实验装置 Fig．1 Volatilization test equipment of SiO2in coke ash 第6期 张雪松等： 高炉铁水降硅的实验研究 ·595·
596 北京科技大学学报 第30卷 2.3滴落带铁水吸硅热态模拟实验 值得说明的是，实验结果与实际生产的回归结 为了研究滴落带高度对铁水含硅量的影响程 果相符，但是因为实验室实验没有实际生产复杂，受 度，设计了滴落带铁水吸硅的热态模拟实验，采用 影响的因素比较简单，所以同样的碱度变化引起的 不同高度(50,75,90,120mm)的焦炭层来模拟滴 硅含量变化比实际回归结果明显要大，由生产数据 落带的高度，先将盛有焦炭的石墨坩埚放入炉内， 回归计算得出碱度每提高0.1，铁水中硅仅降低 当温度达到1550℃时，将铁样放入置于焦炭层上带 0.01%;而实验室实验中铁水中硅降低了0.10%， 小孔的漏斗状坩埚内，然后铁滴从漏斗状坩埚滴下， 甚至更多，为回归计算的10倍.300~450m3的高 穿过焦炭层而汇聚在盛有不同焦炭高度的坩埚底 炉冶炼低硅生铁时，二元碱度一般在1.15~1.17左 部.，反应lh,最终制样化验不同焦炭高度时汇聚在 右，有的高炉由于硫负荷高，也可能控制在1.20 坩埚底部铁水含硅量.实验装置如图2所示 左右 生铁块 表4给出了硅含量随三元碱度的变化关系，结 带孔石墨坩埚 果表明，随着三元碱度的增加，铁水中硅含量逐渐的 焦炭粒 降低，可见MgO可以降低铁水中硅含量.Mg0本 有墨坩埚 身没有降[Si]反应式，但是Mg0与SiO2相结合，也 坩埚底托 热电偶 可以降低SiO2活度，有间接的降[Si]作用.Ca0虽 碳管炉发热体 然能降硅但Ca0含量不能太高，否则会形成2Ca0· Si02(熔点2130℃)及其他高熔点物质，难熔、粘度 大且流动性差，不利于高炉料柱的透气性，高炉难 111 通入高纯N: 行.MgO的碱性比CaO弱一些，往往以MgO替代 Ca0,这样不仅可以降低Si02的活度(&o,),降低了 图2滴落带铁水吸硅模拟实验 Fig-2 Simulation test equipment for the absorbability of silicon in 熔点，改善了流动性，同时也缩短了在滴落带的滞留 hot metal at softening zone 时间，因此，在一定范围内增加MgO,也就起到降 [S]作用.另外，炉渣中含有MgO,可以使炉渣与焦 3 结果与讨论 炭间的润湿性降低，减少了炉渣与焦炭之间的反应 面积，能抑制S0生成，有利于冶炼低硅生铁，但也 3.1二元碱度、Mg0和A12Os对硅含量的影响 要保持适当的Mg0含量，一般应该保持在8%~ 图3为硅含量随碱度的变化曲线，从图中可以 12%,三元碱度控制在1.45~1.60 看出，随着二元碱度的增加铁水中硅含量在不断地 下降，说明适当提高二元碱度有利于降硅工作的进 表4硅含量随三元碱度R3变化关系 Table 4 Correlation between the mass fraction of silicon and the 行 ternary basicity Ca0与Si发生了以下反应： 实验号 R3 2(Ca0)+[Si]+2[S]=(Si02)+2(Cas) [Si]/% 1 1.35 0.78 0.75 1.44 0.65 0.70 1.55 0.61 0.65 0.60 图4为硅含量随A203含量的变化曲线.可以 世0.55 看出，随着A203的增加，硅含量有所增加，表明 A1203不利于降硅，由于铁水降硅依靠炉缸中保持 0.50 氧化性气氛，而A203属于中性物质，即不属于碱性 0.405 1.10 1.151.20 1.25 1.30 炉渣也不属于酸性炉渣，而且A203含量增加到 碱度 15%以上还会使炉渣流动性变差，透气性变差，所以 图3硅含量随碱度的变化关系 不利于铁水降硅，高炉生产中A203含量要严格控 Fig-3 Correlation between the mass fraction of silicon and the ba- 制在15%以下. sicity
2∙3 滴落带铁水吸硅热态模拟实验 为了研究滴落带高度对铁水含硅量的影响程 度设计了滴落带铁水吸硅的热态模拟实验．采用 不同高度（507590120mm）的焦炭层来模拟滴 落带的高度．先将盛有焦炭的石墨坩埚放入炉内 当温度达到1550℃时将铁样放入置于焦炭层上带 小孔的漏斗状坩埚内然后铁滴从漏斗状坩埚滴下 穿过焦炭层而汇聚在盛有不同焦炭高度的坩埚底 部．反应1h最终制样化验不同焦炭高度时汇聚在 坩埚底部铁水含硅量．实验装置如图2所示． 图2 滴落带铁水吸硅模拟实验 Fig．2 Simulation test equipment for the absorbability of silicon in hot metal at softening zone 3 结果与讨论 3∙1 二元碱度、MgO 和 Al2O3 对硅含量的影响 图3为硅含量随碱度的变化曲线．从图中可以 看出随着二元碱度的增加铁水中硅含量在不断地 下降说明适当提高二元碱度有利于降硅工作的进 行． CaO 与 Si 发生了以下反应： 2（CaO）＋［Si］＋2［S ］ （SiO2）＋2（CaS）． 图3 硅含量随碱度的变化关系 Fig．3 Correlation between the mass fraction of silicon and the basicity 值得说明的是实验结果与实际生产的回归结 果相符但是因为实验室实验没有实际生产复杂受 影响的因素比较简单所以同样的碱度变化引起的 硅含量变化比实际回归结果明显要大．由生产数据 回归计算得出碱度每提高0∙1铁水中硅仅降低 0∙01％；而实验室实验中铁水中硅降低了0∙10％ 甚至更多为回归计算的10倍．300～450m 3 的高 炉冶炼低硅生铁时二元碱度一般在1∙15～1∙17左 右有的高炉由于硫负荷高也可能控制在1∙20 左右． 表4给出了硅含量随三元碱度的变化关系．结 果表明随着三元碱度的增加铁水中硅含量逐渐的 降低可见 MgO 可以降低铁水中硅含量．MgO 本 身没有降［Si］反应式但是 MgO 与 SiO2 相结合也 可以降低 SiO2 活度有间接的降［Si］作用．CaO 虽 然能降硅但 CaO 含量不能太高否则会形成2CaO· SiO2（熔点2130℃）及其他高熔点物质难熔、粘度 大且流动性差不利于高炉料柱的透气性高炉难 行．MgO 的碱性比 CaO 弱一些往往以 MgO 替代 CaO这样不仅可以降低 SiO2 的活度（αSiO2 ）降低了 熔点改善了流动性同时也缩短了在滴落带的滞留 时间．因此在一定范围内增加 MgO也就起到降 ［Si］作用．另外炉渣中含有 MgO可以使炉渣与焦 炭间的润湿性降低减少了炉渣与焦炭之间的反应 面积能抑制 SiO 生成有利于冶炼低硅生铁．但也 要保持适当的 MgO 含量一般应该保持在8％～ 12％三元碱度控制在1∙45～1∙60． 表4 硅含量随三元碱度 R3 变化关系 Table 4 Correlation between the mass fraction of silicon and the ternary basicity 实验号 R3 ［Si］／％ 1 1∙35 0∙78 2 1∙44 0∙65 3 1∙55 0∙61 图4为硅含量随 Al2O3 含量的变化曲线．可以 看出随着 Al2O3 的增加硅含量有所增加表明 Al2O3 不利于降硅．由于铁水降硅依靠炉缸中保持 氧化性气氛而 Al2O3 属于中性物质即不属于碱性 炉渣也不属于酸性炉渣而且 Al2O3 含量增加到 15％以上还会使炉渣流动性变差透气性变差所以 不利于铁水降硅．高炉生产中 Al2O3 含量要严格控 制在15％以下． ·596· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第6期 张雪松等：高炉铁水降硅的实验研究 .597 12 含量变化情况，见表5所示，实验结果表明硅含量 都是随Mn0、Fe0和TiO2含量的升高而降低，渣 1.0 中氧化物如Mn0、Fe0和TiOz由于会与Si发生耦 ￥ 合反应，所以对降硅也是有利的 0.8f 3.2焦炭高温挥发量对硅含量的影响 器 图5为焦炭灰分中Si02与温度的关系曲线 0.6 可以看出，随着温度的升高，焦炭灰分中SO2含量 越来越低，说明挥发得越来越多，这表明焦炭在高温 0.4L 13 14 1516 17 环境里会有一部分SiO2挥发，而且温度越高挥发掉 AlO,质量分数% 的S02也越多，由于高炉内硅主要来源与焦炭灰 图4硅含量随A203含量的变化关系 分与矿石脉石中Si02,而且硅在高炉内被还原出来 Fig.4 Correlation between the mass fraction of silicon and the 的主要反应是： Al203 content Si02(焦炭)十CSi0气十C0↑， 实验室分别实验了硅含量随Mn0,FeO和TiO2 Si0气+[C]-[Si]+C0↑. 表5硅含量（质量分数）随Mn0,Fc0和Ti02含量的变化关系 Table 5 Correlation between the mass fraction of silicon and the contents of MnO,Fe0 and TiO2 % Mn0质量分数/% Fe0质量分数/% Ti02质量分数/% 0.11 0.51 0.91 1.34 3.68 5.68 2.33 4.33 6.33 0.72 0.67 0.55 0.72 0.50 0.38 0.72 0.72 0.70 52 滴落带的高低意味着反应时间的长短，所以在低硅 治炼过程中，滴落带高度是一个极其重要的因素，滴 48 ● 落带越高，表示反应经历的过程越长，因此吸收的硅 就越多 1.0 42 0.8 38L 1550 16001650 17001750 0.6 温度℃ 0.4 图5焦炭灰分中Si0:含量与温度的关系 Fig.5 Relation of the mass fraction of SiOzin coke ash with temper- ature 60 80 100 120 滴落带高度mm 温度的升高会促进SiO2与焦炭反应生成SiO 图6硅含量随滴落带高度的变化关系 气体，Si0气体又会被铁水中C还原生成Si而进入 Fig.6 Correlation between the mass fraction of silicon and the 到铁水中，使铁水含硅量增加.在实际生产中，只有 height of softening zone 减少Si02挥发成Si0量或者降低Si02的活度才能 降低生铁含硅量，因而尽量降低理论燃烧温度，从而 降低软熔带的位置以及具有合理的热流分布， 减少焦炭中Si02的挥发量， 相当于降低了软熔带的高度，可以减少铁水中[C] 3.3滴落带高度对铁水吸硅的影响 与$0相接触的机会，从而明显地减少铁水吸硅量， 图6为硅含量随滴落带高度的变化曲线.可以 这是冶炼低硅生铁必不可少的条件，根据动力学分 看出：随着滴落带高度的增加，铁水含硅量是不断增 析与实验结果，高炉在冶炼低硅生铁时，应该改善炉 加的，因为铁水中吸收的硅是通过随煤气上升的 料结构与炉料高温冶金性能，要使烧结矿、球团矿有 S0气体与滴落带铁水中[C]反应而还原出来的，而 较高的软熔温度采用合理的煤气分布以形成接近倒
图4 硅含量随 Al2O3 含量的变化关系 Fig．4 Correlation between the mass fraction of silicon and the Al2O3content 实验室分别实验了硅含量随MnO、FeO和TiO2 含量变化情况见表5所示．实验结果表明硅含量 都是随 MnO、FeO 和 TiO2 含量的升高而降低．渣 中氧化物如 MnO、FeO 和 TiO2 由于会与 Si 发生耦 合反应所以对降硅也是有利的． 3∙2 焦炭高温挥发量对硅含量的影响 图5为焦炭灰分中 SiO2 与温度的关系曲线． 可以看出随着温度的升高焦炭灰分中 SiO2 含量 越来越低说明挥发得越来越多这表明焦炭在高温 环境里会有一部分 SiO2 挥发而且温度越高挥发掉 的 SiO2 也越多．由于高炉内硅主要来源与焦炭灰 分与矿石脉石中 SiO2而且硅在高炉内被还原出来 的主要反应是： SiO2（焦炭）＋C SiO气＋CO↑ SiO气＋［C］ ［Si］＋CO↑． 表5 硅含量（质量分数）随 MnO、FeO 和 TiO2 含量的变化关系 Table5 Correlation between the mass fraction of silicon and the contents of MnOFeO and TiO2 ％ MnO 质量分数／％ FeO 质量分数／％ TiO2 质量分数／％ 0∙11 0∙51 0∙91 1∙34 3∙68 5∙68 2∙33 4∙33 6∙33 0∙72 0∙67 0∙55 0∙72 0∙50 0∙38 0∙72 0∙72 0∙70 图5 焦炭灰分中 SiO2 含量与温度的关系 Fig．5 Relation of the mass fraction of SiO2in coke ash with temperature 温度的升高会促进 SiO2 与焦炭反应生成 SiO 气体SiO 气体又会被铁水中 C 还原生成 Si 而进入 到铁水中使铁水含硅量增加．在实际生产中只有 减少 SiO2 挥发成 SiO 量或者降低 SiO2 的活度才能 降低生铁含硅量因而尽量降低理论燃烧温度从而 减少焦炭中 SiO2 的挥发量． 3∙3 滴落带高度对铁水吸硅的影响 图6为硅含量随滴落带高度的变化曲线．可以 看出：随着滴落带高度的增加铁水含硅量是不断增 加的．因为铁水中吸收的硅是通过随煤气上升的 SiO 气体与滴落带铁水中［C］反应而还原出来的而 滴落带的高低意味着反应时间的长短所以在低硅 冶炼过程中滴落带高度是一个极其重要的因素滴 落带越高表示反应经历的过程越长因此吸收的硅 就越多． 图6 硅含量随滴落带高度的变化关系 Fig．6 Correlation between the mass fraction of silicon and the height of softening zone 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可以减少铁水中［C ］ 与 SiO 相接触的机会从而明显地减少铁水吸硅量 这是冶炼低硅生铁必不可少的条件．根据动力学分 析与实验结果高炉在冶炼低硅生铁时应该改善炉 料结构与炉料高温冶金性能要使烧结矿、球团矿有 较高的软熔温度采用合理的煤气分布以形成接近倒 第6期 张雪松等： 高炉铁水降硅的实验研究 ·597·
.598 北京科技大学学报 第30卷 V型的软熔带；中心气流要有适当的发展，以利于降 度，二是可以减少焦带入高活度的S02的数量，三 低软熔带的根部位置与滴落带的高度 是可以促进中心气流的发展，活跃炉缸中心，使炉缸 4降硅技术在生产中的应用 有充足的热储备，三者共同达到降硅的目的 (4)增加高炉铁水测温装置，将铁水物理热温 唐山建龙于2002年新建高炉，生产三年多来， 度控制在1420~1480℃.只要铁水实际温度在此 铁水含硅量在0.65%左右（有时也会低于0.60%）， 温度范围，即使[S]含量低，也可不必减轻负荷，超 较长时间都难以降下来，因此不能完全满足炼钢对 过此范围时，需要进行负荷调整，严禁出现低于 铁水质量的要求，同时也不利于高炉技术经济指标 1380℃的铁水温度. 的优化和企业经济效益的进一步增长 (5)在顺行的基础上适当抑制边缘煤气流，以 4.1降硅措施 控制合理的煤气分布，改善间接还原，提高煤气利用 降低铁水含硅量，最重要的是保持炉缸渣中氧 率.450m高炉采用“上焖下活的操作方针，即：装 化性气氛，运用理论分析与治炼实践，要治炼低硅 料制度上靠矿焦分角差布料，布矿的溜槽倾角大于 铁水，根据建龙的实际情况建议采取以下各项具体 布焦的溜槽倾角3°以内；下部送风制度保持标准风 措施， 速在160~180mmin进行风口面积调整 (1)提高炉渣二元碱度，在保证炉况顺行、不影 (6)使用高风温与综合喷煤相结合，使用高风 响炉渣流动性的基础上，适当上调炉渣碱度来抑制 温不仅可以降低焦比，增加产量，提高炉缸物理热， Si02的还原，即将R2向上控制在1.15~1.25范 而且使炉内高温区下移，炉况顺行，间接还原区扩大 围.Mg0质量分数要保持在8%以上·碱度的提高 更重要的效果是高炉软熔带（根部）下移，实际上使 可以提高炉渣的熔化性温度，在保证炉缸有充足物 软熔带位置下移，因而有利于冶炼低硅生铁，使用 理热的同时降低软熔带的高度，减少S0与[C]的 高风温必须与喷吹燃料相结合，高风温可以补偿喷 接触还原机会 吹燃料所需要的热量以及有利于炉况顺行，二者相 (2)在保证炉况顺行、设备允许的基础上， 辅相成，同时，还可以避免风口区理论燃烧温度过 450m3高炉适当提高顶压至110~115kPa,通过提 高而导致Si0过多的形成，并且缓解炉缸水平与垂 高顶压，可以有效抑制风口前SO2的还原，因顶压 直方向的温度梯度，有利于炉况顺行稳定、治炼低硅 提高，压差降低，炉料下降阻力减小，炉况顺行改善； 生铁， 而且因为煤气在炉内的停留时间延长，也提高了煤 4.2生产效果 气利用率. 将实验室研究结果应用于建龙高炉，取得了很 (③)适当提高煤比，由150kgt1提高到 好的效果.降硅前后的主要技术指标见表6. 160kgt1.增加喷煤量，一是可以降低理论燃烧温 表6建龙1号、4号高炉降硅前后主要技术指标对比 Table 6 Contrast of the main technical indexes of No.I and No.4 BF between undesiliconization and desiliconization 降硅前 降硅后 项目 1号高炉 4号高炉 1号高炉 4号高炉 [Si]/% 0.59 0.57 0.38 0.41 [S]/% 0.024 0.026 0.022 0.023 利用系数/t(m3d)-] 3.86 3.87 3.91 3.96 冶炼强度/[t(m3d)-1] 2.12 2.11 2.06 2.03 综合燃料比/(kgt) 553.21 547.77 543.63 540.70 顶压/kPa 100 100 110 112 富氧量/% 3.17 2.96 3.52 3.26 炉渣二元碱度 1.08 1.10 1.15 1.18 炉渣中Mg0质量分数/% 9.42 9.57 10.12 10.34 炉渣中Mn0质量分数/% 0.12 0.13 0.38 0.41 炉渣中F0质量分数/% 1.28 1.31 1.59 1.63 炉渣中T0:质量分数/% 2.47 2.46 2.60 3.04
V 型的软熔带；中心气流要有适当的发展以利于降 低软熔带的根部位置与滴落带的高度． 4 降硅技术在生产中的应用 唐山建龙于2002年新建高炉生产三年多来 铁水含硅量在0∙65％左右（有时也会低于0∙60％） 较长时间都难以降下来因此不能完全满足炼钢对 铁水质量的要求同时也不利于高炉技术经济指标 的优化和企业经济效益的进一步增长． 4∙1 降硅措施 降低铁水含硅量最重要的是保持炉缸渣中氧 化性气氛．运用理论分析与冶炼实践要冶炼低硅 铁水根据建龙的实际情况建议采取以下各项具体 措施． （1） 提高炉渣二元碱度在保证炉况顺行、不影 响炉渣流动性的基础上适当上调炉渣碱度来抑制 SiO2的还原即将 R2 向上控制在1∙15～1∙25范 围．MgO 质量分数要保持在8％以上．碱度的提高 可以提高炉渣的熔化性温度在保证炉缸有充足物 理热的同时降低软熔带的高度减少 SiO 与［C ］的 接触还原机会． （2） 在保证炉况顺行、设备允许的基础上 450m 3高炉适当提高顶压至110～115kPa．通过提 高顶压可以有效抑制风口前 SiO2 的还原．因顶压 提高压差降低炉料下降阻力减小炉况顺行改善； 而且因为煤气在炉内的停留时间延长也提高了煤 气利用率． （3） 适 当 提 高 煤 比由 150kg·t —1 提 高 到 160kg·t —1．增加喷煤量一是可以降低理论燃烧温 度二是可以减少焦带入高活度的 SiO2 的数量三 是可以促进中心气流的发展活跃炉缸中心使炉缸 有充足的热储备三者共同达到降硅的目的． （4） 增加高炉铁水测温装置将铁水物理热温 度控制在1420～1480℃．只要铁水实际温度在此 温度范围即使［Si］含量低也可不必减轻负荷．超 过此范围时需要进行负荷调整严禁出现低于 1380℃的铁水温度． （5） 在顺行的基础上适当抑制边缘煤气流以 控制合理的煤气分布改善间接还原提高煤气利用 率．450m 3 高炉采用“上焖下活”的操作方针即：装 料制度上靠矿焦分角差布料布矿的溜槽倾角大于 布焦的溜槽倾角3°以内；下部送风制度保持标准风 速在160～180m·min —1进行风口面积调整． （6） 使用高风温与综合喷煤相结合．使用高风 温不仅可以降低焦比增加产量提高炉缸物理热 而且使炉内高温区下移炉况顺行间接还原区扩大 更重要的效果是高炉软熔带（根部）下移实际上使 软熔带位置下移因而有利于冶炼低硅生铁．使用 高风温必须与喷吹燃料相结合高风温可以补偿喷 吹燃料所需要的热量以及有利于炉况顺行二者相 辅相成．同时还可以避免风口区理论燃烧温度过 高而导致 SiO 过多的形成并且缓解炉缸水平与垂 直方向的温度梯度有利于炉况顺行稳定、冶炼低硅 生铁． 4∙2 生产效果 将实验室研究结果应用于建龙高炉取得了很 好的效果．降硅前后的主要技术指标见表6． 表6 建龙1号、4号高炉降硅前后主要技术指标对比 Table6 Contrast of the main technical indexes of No．1and No．4BF between undesiliconization and desiliconization 项目 降硅前 降硅后 1号高炉 4号高炉 1号高炉 4号高炉 ［Si］／％ 0∙59 0∙57 0∙38 0∙41 ［S ］／％ 0∙024 0∙026 0∙022 0∙023 利用系数／［t·（m 3·d） —1］ 3∙86 3∙87 3∙91 3∙96 冶炼强度／［t·（m 3·d） —1］ 2∙12 2∙11 2∙06 2∙03 综合燃料比／（kg·t —1） 553∙21 547∙77 543∙63 540∙70 顶压／kPa 100 100 110 112 富氧量／％ 3∙17 2∙96 3∙52 3∙26 炉渣二元碱度 1∙08 1∙10 1∙15 1∙18 炉渣中 MgO 质量分数／％ 9∙42 9∙57 10∙12 10∙34 炉渣中 MnO 质量分数／％ 0∙12 0∙13 0∙38 0∙41 炉渣中 FeO 质量分数／％ 1∙28 1∙31 1∙59 1∙63 炉渣中 TiO2 质量分数／％ 2∙47 2∙46 2∙60 3∙04 ·598· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第6期 张雪松等：高炉铁水降硅的实验研究 .599. Metall,2006,134(6):31 5结论 (郭建斌，郭建国，石钢高炉铁水含硅量神经网络预报模型·湖 南治金，2006,134(6)：31) (1)理论分析可知，降低铁水硅含量有三个途 [4]Hur N S.Cho B R.Kim G Y.et al.Hot metal Si control at 径：控制硅源；降低滴落带的高度：增加炉缸渣中的 Kwangyang blast furnaces//Ironmaking Conference Proceedings. 氧化性， Manchester:Claudel Crowley Publisher.1995:115 (2)提高二元碱度有利于降硅，增加渣中氧化 [5]Wang W.Yu F C.A model for predicting the silicon content in 物可降低Si02的活度有利于降硅，A203和SiO2不 hot metal based on neural network and considered the time lag 利于降硅， Shandong Metall.2006.28(2):41 (王炜，于方超·考虑时滞的铁水硅含量预报模型·山东治金 (③)焦炭在高温环境里会有一部分Si02挥发， 2006,28(2):41) 而且温度越高挥发掉的SiO2也越多，这将增加铁水 [6]Wang X L.The Question and Answer of Production Knowledge 的硅含量，因此应采用含SiO2较低的焦炭或煤粉来 in the Blast Furnace.Beijing:Metallurgical Industry Press. 冶炼铁水， 2005:146 (4)随着滴落带高度的降低，铁水含硅量降低 (王筱留-高炉生产知识问答，北京：冶金工业出版社，2005： 146) (5)针对建龙高炉特点提出降低铁水硅含量措 [7]Song JC.Theory and Operation of Iron Making in the Blast 施，降硅效果明显 Furnace.Beijing:Metallurgical Industry Press,2005:255 (宋建成高炉炼铁理论与操作.北京：治金工业出版社，2005： 参考文献 255) [1]Han J Y.Practice of low silicon smelting of 700 m3 BF in [8]Meraikib M.Silicon distribution between blast furnace slag and TIANTIE group corporation.Tianjin Metall,2005(5):3 hot metal.Ironmaking Steelmaking.2000.27(4):280 (韩金玉·天铁700m3高炉低硅治炼实践.天津治金，2005(5)： [9]Zhao D Y,Luo C P.LiS B.Practice decreasing silicon content of 3) hot metal on the No.1 BF at ANYANG steel.Henan Metall, [2]Jin Y L.Xu N P.Theory and practice of low silicon smelting 2003,11(5):26 with high PCI patio.Iron Steel.2004.39(1):17) (赵德义，罗春平，李守彬.安钢一号高炉降低铁水含硅生产实 (金永龙·徐南平.高煤比条件下低硅冶炼的理论与实践·钢铁， 践.河南冶金，2003,11(5)：26) 2004,39(1):17) [10]Ozturk B,Fruehan R J.Kinetics of the reaction of Sio(g)with [3]Guo J B.Guo JG.A Neural network forecasting model of silicon carbon saturated iron.Ironmaking Steelmaking.1987,14(6): content in liquid iron in the blast furnace at SHIGANG.Hunan 43
5 结论 （1） 理论分析可知降低铁水硅含量有三个途 径：控制硅源；降低滴落带的高度；增加炉缸渣中的 氧化性． （2） 提高二元碱度有利于降硅增加渣中氧化 物可降低 SiO2 的活度有利于降硅Al2O3 和 SiO2 不 利于降硅． （3） 焦炭在高温环境里会有一部分 SiO2 挥发 而且温度越高挥发掉的 SiO2 也越多这将增加铁水 的硅含量因此应采用含 SiO2 较低的焦炭或煤粉来 冶炼铁水． （4） 随着滴落带高度的降低铁水含硅量降低． （5） 针对建龙高炉特点提出降低铁水硅含量措 施降硅效果明显． 参 考 文 献 ［1］ Han J Y．Practice of low silicon smelting of 700 m 3 BF in TIANTIE group corporation．Tianjin Metall2005（5）：3 （韩金玉．天铁700m 3 高炉低硅冶炼实践．天津冶金2005（5）： 3） ［2］ Jin Y LXu N P．Theory and practice of low silicon smelting with high PCI patio．Iron Steel200439（1）：17） （金永龙．徐南平．高煤比条件下低硅冶炼的理论与实践．钢铁 200439（1）：17） ［3］ Guo J BGuo J G．A Neural network forecasting model of silicon content in liquid iron in the blast furnace at SHIGANG．Hunan Metall2006134（6）：31 （郭建斌郭建国．石钢高炉铁水含硅量神经网络预报模型．湖 南冶金2006134（6）：31） ［4］ Hur N SCho B RKim G Yet al．Hot metal Si control at Kwangyang blast furnaces∥ Ironmaking Conference Proceedings． Manchester：Claudel Crowley Publisher1995：115 ［5］ Wang WYu F C．A model for predicting the silicon content in hot metal based on neural network and considered the time lag． Shandong Metall200628（2）：41 （王炜于方超．考虑时滞的铁水硅含量预报模型．山东冶金 200628（2）：41） ［6］ Wang X L．The Question and A nswer of Production Knowledge in the Blast Furnace．Beijing： Metallurgical Industry Press 2005：146 （王筱留．高炉生产知识问答．北京：冶金工业出版社2005： 146） ［7］ Song J C．Theory and Operation of Iron Making in the Blast Furnace．Beijing：Metallurgical Industry Press2005：255 （宋建成．高炉炼铁理论与操作．北京：冶金工业出版社2005： 255） ［8］ Meraikib M．Silicon distribution between blast furnace slag and hot metal．Ironmaking Steelmaking200027（4）：280 ［9］ Zhao D YLuo C PLi S B．Practice decreasing silicon content of hot metal on the No．1BF at ANYANG steel．Henan Metall 200311（5）：26 （赵德义罗春平李守彬．安钢一号高炉降低铁水含硅生产实 践．河南冶金200311（5）：26） ［10］ Ozturk BFruehan R J．Kinetics of the reaction of SiO（g） with carbon saturated iron．Ironmaking Steelmaking198714（6）： 43 第6期 张雪松等： 高炉铁水降硅的实验研究 ·599·