铁水预脱硅

硅一直作为转炉炼钢的发热元素。但随着转炉容量增加和冶炼技术的进步，需要由硅提供的热量逐渐减少。又由于减少渣量对炼钢技术经济指标改善十分有利，所以对铁水含硅量的要求逐渐降低，尤其是需要预处理脱磷脱硫的铁水。

根据不同的冶炼工艺和技术经济条件，大致可分为以下两种情况：(1)对需要脱磷脱硫预处理的铁水，其硅含量分成两种，如果使用苏打系熔剂，则硅含量要求小于0.10%;如果使用石灰系熔剂，则硅含量要求小于0.15%。因为高于此值时熔剂首先用于脱硅，不能脱磷，不利于提高脱磷渣碱度和脱磷剂利用率。(2)对直接供给转炉炼钢的铁水，按不同对象钢种，以[Si]0.5%为基准，改变硅含量对炼钢时铁矿石加入量、炉渣碱度、渣中TFe量和铁收得率、锰铁合金消耗、渣量和喷溅损失等对冶炼成本的影响，得出低温(1610℃±10℃)出钢要求的铁水含硅量以0.20%时成本最低，大于或小于0.2%时都引起成本升高。高温(1700℃±10℃)出钢要求的铁水含硅量小于0.40%，高于0.40%时则引起成本上升。

按处理场所不同分为在高炉出铁过程中连续脱硅和在铁水罐(或鱼雷车)中间歇处理两种;按加入方法有自然落下的上置法，喷枪在铁水面上的顶喷法和喷枪插入铁水的喷吹法等;按搅拌方法有吹气搅拌、铁水落下流搅拌、喷吹的气粉流搅拌和叶轮搅拌。脱硅方式的选择主要根据铁水含硅量、要求处理后的含硅量和已有设备限制等条件来确定。若铁水含硅量大于0.45%～0.50%，应设置高炉炉前脱硅。若铁水需预处理脱磷、脱硫，需先在铁水罐中脱硅，将含硅量降至0.10%～0.15%以下。

出铁场脱硅 有的脱硅剂以皮带或溜槽自然落下加入铁水沟，经铁水落下流将脱硅剂卷入进行反应。有的铁水沟有落差，脱硅剂高点加入，过落差点有一段反应距离，再设置撇渣器将脱硅渣分离。硅含量可由0.50%降至0.20%，锰也有下降。有的脱硅剂以加速添加方式进行。一种为插入铁水的喷枪，以高速气粉流喷入，喷枪处铁水沟改造为圆形反应坑。喷枪为横吹4孔;另一种喷枪在铁水面上，以高速气粉流向铁水投射。有的投射点在铁水沟，该处改造为较宽较深的反应室。有的投射点在摆动流嘴处。这些加速添加方式都改善了反应的动力学条件。同时还需克服喷溅过大、耐火材料侵蚀等问题。

铁水罐脱硅 这种脱硅在专门预处理站进行。采用插入铁水的喷枪脱硅。脱硅剂粒度为—40～—100目，处理温度低(约1320℃左右)，需加氧枪面吹(距铁水面200mm左右)，防止温度下降。当气体氧/固体氧在0.3～0.5范围时，平均脱硅量0.59%，铁水处理后温度基本不变，气体氧用量相当于1.4～2.0m3/t。若上述比值增至0.6～1.0，平均脱硅量0.48%，则处理后平均升温50℃左右。与高炉炉前脱硅相比，高炉前脱硅不需增加脱硅时间和工序，热损失少，铁水温降不大。处理温度较铁水罐脱硅高100℃左右，但铁水罐装入量减少10%～30%，出铁中的硅含量，铁流大小和温度较难控制，影响了脱硅效率的稳定性。从设备上看，炉前脱硅随出铁沟的设置需多点处理，设备费用高。但不需新建厂房。

铁水预处理脱硅开始较早，1897年曾有人用平炉进行了脱硅脱磷的预备精炼工业试验，20世纪初进行了混铁炉脱硅，到40年代试验了高炉出铁时的脱硅，中国于50年代曾在鞍山钢铁公司实施过预备精炼炉脱硅和高炉铁水沟脱硅，这些都对改善平炉炼钢的冶炼技术经济指标和提高生产率起了良好的作用。到了90年代，基于对优质钢材的需求，以及钢铁生产工艺本身节省资源和能量、减少渣量等公害的需要，日本发展了以脱硅、脱磷为目的的铁水预处理。此后发展成两类预脱硅工艺，一类是作为铁水同时脱磷、脱硫的前工序，以提高其效率，这种铁水进入转炉只需完成脱碳和提高温度，炉渣减少到微量保护渣层的程度，主要生产高纯钢种;另一类是作为降低转炉渣量的措施。1985年前后日本各大厂曾广泛采用，主要在高炉炉前进行。后来，由于高炉冶炼低硅铁技术的发展，这类预脱硅方法已较少使用。

硅是易氧化元素。脱硅反应可表示如下：

式中LS_i为硅在渣铁间分配率;Cs为硅容量(K′S_i/γ(S_iO₂));a[O]为氧在铁水中活度;f[S_i]为硅在铁水中活度系数;γS_iO2为氧化硅在渣相中的活度系数;K′S_i为反应式(1)的平衡常数。在碳饱和铁水中硅的活度系数根据各元素相互作用系数按下式计算：

按一般炼钢生铁计算，f_Si约在7～8之间。硅容量CS_i表示了渣相的溶硅能力。它与渣中二氧化硅的活度系数γ(S_iO2)成反比。硅容量和渣成分有密切关系。从以上热力学性质可以看出：(1)在一定温度和生铁成分条件下，脱硅能力决定于渣相的硅容量和供氧强度。(2)脱硅过程中随着生铁成分的变化(硅锰等含量下降)f_Si下降。

用氧化铁脱硅发生以下反应： [Si] 2(FeO)=(Si_O2) 2Fe

此反应可认为分成以下步骤：硅自铁水向渣铁界面转移;渣铁界面的化学反应;二氧化硅从渣铁界面向渣中转移;渣中氧化铁向渣铁界面转移。

为了给炼钢提供成分稳定的低硅铁水，必须根据出铁时的硅含量和出铁速度确定和控制脱硅剂的输送速度和添加量。典型的控制系统包括高炉热控制模型预报铁水含硅量，出铁期间硅含量在线快速分析，再根据炼钢要求的含硅量控制脱硅剂加入量。硅含量的快速分析已开发多种，生产已采用的有两种：一种为将圆片状试样夹在两电极间，其间温差200℃，电极间热电势随硅含量增加而上升。测量范围是0～1.5%Si，精度σ=0.02%。插入试样至显示结果需50s。另一种为固体电解质定硅探头，其结构为Cr·Cr₂O₃//ZrO₂—MoO//SiO₂/Si(铁中)，用钼丝作

高温导线。当固体电解质外套石英管SiO₂与铁水中硅平衡时，有如下关系：

[Si] 2[O]=(SiO₂)

从测定固体电解质/铁水/石英套管间氧的活度得出相应的硅含量，即硅含量与输出电势(毫伏值)的关系。用此方法控制调节脱硅剂加入量的效果是：目标硅为0.05%～0.12%时，命中率由46%提高至77%，脱硅剂消耗减少30%。

脱硅用耐火材料

脱硅渣与高炉渣比较，前者FeO含量高。原来用Al₂O₃-SiC-C系的铁沟耐火材料在渣线部分侵蚀严重。因此在渣线部分改变材质，在脱硅剂加入处扩大铁水沟尺寸，铁沟侧壁埋设强制风冷管等。对高FeO的脱硅渣，由于SiC、C被氧化而受到侵蚀，可用Al₂O₃-MgO系耐火材料代替，耐侵蚀性主要在于成渣反应生成液相量的大小。试验证实，当MgO/A1₂O3大于1.0时，液相的生成受到抑制，原因在于脱硅渣中FeO与MgO-Al₂O₃反应生成高熔点矿物。

影响脱硅的因素

主要有脱硅剂单耗、处理前含硅量、反应界面积(即铁水与脱硅剂混合状况)、脱硅剂的种类和粒度等。根据炉前脱硅和铁水罐脱硅的生产数据，温度在1250～1450℃范围内，温度变化对脱硅没有明显影响。

脱硅剂单耗和原始硅含量 铁水含硅量大于0.5%时，一般每吨生铁加入脱硅剂10～30kg、脱硅量约0.1%～0.4%，脱硅剂单耗增加，脱硅量增加，但其增加幅度减小。这与铁水含硅量逐渐降低后脱硅氧效率降低有关。与硅以外的其他元素(C、Mn等)的氧化有关。

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在预处理站将脱硅剂喷吹到铁水罐中进行脱硅的方法。

在各工艺中，脱磷的操作条件因铁水的处理目标和初始条件而异，但主要应控制的操作条件有铁水初始硅含量、温度、氧化剂、渣碱度和脱磷剂用量等因素。

铁水预脱磷硅含量

脱磷前铁水含硅量应控制在0.15%以下，以确保以小量脱磷剂实现高效脱磷。根据转炉吹炼经验，硅降至0.2%以下时开始脱碳，为防止脱硅时碳的氧化，脱磷前铁水含硅量也可控制在0.2%左右。由于高炉冶炼低硅生铁已成为可能，许多钢铁企业正在开展同时脱硅、脱磷研究，如日本日新制钢进行了5t规模的同时脱硅、脱磷研究，结果表明，通过控制CaO/∑O₂(∑O₂=O₂ 固体氧化剂含氧量)比值，即使硅含量为0.5%的铁水也可有效地脱磷，而脱磷剂用量增加不大。这是因为有效脱磷的条件一是增大氧势，二是提高碱度，即降低CaO/∑O₂值，在高氧势条件下脱磷和提高CaO/∑O₂以及在高碱度条件下脱磷都是可能的，而前者的脱硅效率比后者大。关键是根据具体条件选择合适的CaO/∑O₂值。日新制钢选择的是1.5kg/m。

铁水预脱磷处理温度

铁水脱磷温度不宜过高。合适的处理温度是1380～1480℃。这是考虑到铁水脱磷过程中产生温降和转炉炼钢对入炉铁水温度要求确定的。从脱磷的热力学条件和使用苏打灰为脱磷剂时防止或减少其挥发的角度考虑，低温有利，但低温不利于石灰系脱磷剂的渣化和保证不了炼钢对铁水温度的要求。而温度过高，从脱磷热力学条件和苏打灰挥发损失考虑都不利于脱磷。脱磷处理后的铁水显热和潜热都降低，前者是因为脱硅、脱磷使用了大量的冷态脱磷剂，后者是因为作为炼钢热源的硅、锰，磷和碳在处理过程中被除去或降低。

铁水预脱磷氧化剂

氧化剂有气体氧(O₂)和固体氧(铁矿石或氧化铁)两种，二者的作用有3点不同：(1)气体氧使铁水温度升高，而固体氧降低铁水温度;原因是气体氧与铁水中[C]的反应为放热反应，而氧化铁与[C]的反应是吸热反应;另外气体氧的存在促进CO的二次燃烧也使铁水温度升高。(2)顶加氧化铁与面吹氧相比，脱磷终渣中全铁高;但也有的研究指出，增加气氧比会使渣中全铁增加，气氧比为60%时，渣中全铁高达15%，如在脱磷后期停止吹氧，可使渣中全铁保持在5%左右。(3)氧形态不同脱磷效果也不同。氧化剂的加入方式有向铁水中喷吹氧气和氧化铁、顶加氧化铁和面吹氧气，其中顶加固体氧对脱磷效率很重要，因只喷吹氧化剂使渣中氧化铁降低，不能确保脱磷效果。

铁水预脱磷渣碱度

渣碱度高，有利于脱磷。苏打系脱磷剂熔点低，可根据脱磷要求选择合适的碱度。使用石灰系脱磷剂时，碱度CaO/SiO₂为3～4时磷容最高。 2100433B

1877年，洛杉·贝尔(Lowthian Bell)根据在预精炼炉内用氧化铁在脱碳前能脱磷的经验开发了铁水预脱磷技术，即向装有铁水的摆动槽内投入氧化铁皮、精炼渣和铁矿石等，边加热边以60～80次/min的频率振动，然后扒去含P₂O₅的渣，铁水送至精炼炉，铁水中磷自1.5%降至0.22%。与此同时进行的另一种脱磷法是在金属炉壳内附有炉衬的旋转炉内装入铁水，边旋转边投入氧化铁进行脱磷，然后将脱磷铁水与高硅铁水混合，在贝塞麦(Bessemer)炉或西门子一马丁(Siemens-Martin)炉内精炼。该法工业化后仅两年，在德国即被托马斯(Thomas)炉取代，北美引进该工艺后改造成为克虏伯(Krupp)精炼炉，脱磷率为70%～80%，磷从0.1%～0.5%降至0.02%。其后，由于托马斯转炉、碱性平炉及LD(Linz-Donawitz)转炉均能实现脱磷，因而铁水预脱磷一度受到冷落。20世纪70年代，随着钢铁生产进入高速度发展期，含磷转炉渣的存放变得困难，需要尽可能地减少转炉渣量，加之连铸比和炉外精炼比的增加需要提高出钢温度而使转炉吹炼过程脱磷负荷增大，低磷钢、高级优质钢、不锈钢和高级合金钢需求量也日益增加，世界各国对铁水预脱磷的研究日趋兴盛，并取得了重大发展，特别是日本已实现了工业化。中国的宝山钢铁(集团)公司在1990年也设置了铁水预处理站并开发了预脱磷技术。随着对钢材品种、质量的要求日益苛刻和钢铁冶金工艺的日趋合理化，铁水预脱磷将为冶金工作者重视。