鐵水預脫矽是鐵水進入煉鋼爐前的降矽處理。它是發展較早的一種鐵水預處理工藝，是分步精煉工藝的發展。能改善煉鋼爐的技術經濟指標，降低煉鋼費用，也可作為預處理脫磷、脫硫的前處理，可降低脫磷處理劑消耗，進一步生產純淨優質鋼。
基本介紹
- 中文名：鐵水預脫矽
- 外文名：desiliconization of hot metal
- 學科：冶金工程
- 出現時間：20世紀初
- 處理目的：降矽
- 類別：鐵水預處理工藝
簡史,反應原理,脫矽工藝,脫矽方式,爐前脫矽的過程控制,
簡史
鐵水預處理脫矽開始較早，1897年曾有人用平爐進行了脫矽脫磷的預備精煉工業試驗，20世紀初進行了混鐵爐脫矽，到40年代試驗了高爐出鐵時的脫矽，中國於50年代曾在鞍山鋼鐵公司實施過預備精煉爐脫矽和高爐鐵水溝脫矽，這些都對改善平爐煉鋼的冶煉技術經濟指標和提高生產率起了良好的作用。到了90年代，基於對優質鋼材的需求，以及鋼鐵生產工藝本身節省資源和能量、減少渣量等公害的需要，日本發展了以脫矽、脫磷為目的的鐵水預處理。此後發展成兩類預脫矽工藝，一類是作為鐵水同時脫磷、脫硫的前工序，以提高其效率，這種鐵水進入轉爐只需完成脫碳和提高溫度，爐渣減少到微量保護渣層的程度，主要生產高純鋼種;另一類是作為降低轉爐渣量的措施。1985年前後日本各大廠曾廣泛採用，主要在高爐爐前進行。後來，由於高爐冶煉低矽鐵技術的發展，這類預脫矽方法已較少使用。
反應原理
矽是易氧化元素。脫矽反應可表示如下：
式中LSi為矽在渣鐵間分配率;Cs為矽容量(K′Si/γ(SiO2));a[O]為氧在鐵水中活度;f[Si]為矽在鐵水中活度係數;γSiO2為氧化矽在渣相中的活度係數;K′Si為反應式(1)的平衡常數。在碳飽和鐵水中矽的活度係數根據各元素相互作用係數按下式計算：
按一般煉鋼生鐵計算，fSi約在7～8之間。矽容量CSi表示了渣相的溶矽能力。它與渣中二氧化矽的活度係數γ(SiO2)成反比。矽容量和渣成分有密切關係。從以上熱力學性質可以看出：(1)在一定溫度和生鐵成分條件下，脫矽能力決定於渣相的矽容量和供氧強度。(2)脫矽過程中隨著生鐵成分的變化(矽錳等含量下降)fSi下降。
用氧化鐵脫矽發生以下反應： [Si]+2(FeO)=(SiO2)+2Fe
此反應可認為分成以下步驟：矽自鐵水向渣鐵界面轉移;渣鐵界面的化學反應;二氧化矽從渣鐵界面向渣中轉移;渣中氧化鐵向渣鐵界面轉移。
脫矽工藝
矽一直作為轉爐煉鋼的發熱元素。但隨著轉爐容量增加和冶煉技術的進步，需要由矽提供的熱量逐漸減少。又由於減少渣量對煉鋼技術經濟指標改善十分有利，所以對鐵水含矽量的要求逐漸降低，尤其是需要預處理脫磷脫硫的鐵水。
根據不同的冶煉工藝和技術經濟條件，大致可分為以下兩種情況：(1)對需要脫磷脫硫預處理的鐵水，其矽含量分成兩種，如果使用蘇打系熔劑，則矽含量要求小於0.10%;如果使用石灰系熔劑，則矽含量要求小於0.15%。因為高於此值時熔劑首先用於脫矽，不能脫磷，不利於提高脫磷渣鹼度和脫磷劑利用率。(2)對直接供給轉爐煉鋼的鐵水，按不同對象鋼種，以[Si]0.5%為基準，改變矽含量對煉鋼時鐵礦石加入量、爐渣鹼度、渣中TFe量和鐵收得率、錳鐵合金消耗、渣量和噴濺損失等對冶煉成本的影響，得出低溫(1610℃±10℃)出鋼要求的鐵水含矽量以0.20%時成本最低，大於或小於0.2%時都引起成本升高。高溫(1700℃±10℃)出鋼要求的鐵水含矽量小於0.40%，高於0.40%時則引起成本上升。
脫矽方式
按處理場所不同分為在高爐出鐵過程中連續脫矽和在鐵水罐(或魚雷車)中間歇處理兩種;按加入方法有自然落下的上置法，噴槍在鐵水面上的頂噴法和噴槍插入鐵水的噴吹法等;按攪拌方法有吹氣攪拌、鐵水落下流攪拌、噴吹的氣粉流攪拌和葉輪攪拌。脫矽方式的選擇主要根據鐵水含矽量、要求處理後的含矽量和已有設備限制等條件來確定。若鐵水含矽量大於0.45%～0.50%，應設定高爐爐前脫矽。若鐵水需預處理脫磷、脫硫，需先在鐵水罐中脫矽，將含矽量降至0.10%～0.15%以下。
出鐵場脫矽 有的脫矽劑以皮帶或溜槽自然落下加入鐵水溝，經鐵水落下流將脫矽劑捲入進行反應。有的鐵水溝有落差，脫矽劑高點加入，過落差點有一段反應距離，再設定撇渣器將脫矽渣分離。矽含量可由0.50%降至0.20%，錳也有下降。有的脫矽劑以加速添加方式進行。一種為插入鐵水的噴槍，以高速氣粉流噴入，噴槍處鐵水溝改造為圓形反應坑。噴槍為橫吹4孔;另一種噴槍在鐵水面上，以高速氣粉流向鐵水投射。有的投射點在鐵水溝，該處改造為較寬較深的反應室。有的投射點在擺動流嘴處。這些加速添加方式都改善了反應的動力學條件。同時還需克服噴濺過大、耐火材料侵蝕等問題。
鐵水罐脫矽 這種脫矽在專門預處理站進行。採用插入鐵水的噴槍脫矽。脫矽劑粒度為—40～—100目，處理溫度低(約1320℃左右)，需加氧槍面吹(距鐵水面200mm左右)，防止溫度下降。當氣體氧/固體氧在0.3～0.5範圍時，平均脫矽量0.59%，鐵水處理後溫度基本不變，氣體氧用量相當於1.4～2.0m3/t。若上述比值增至0.6～1.0，平均脫矽量0.48%，則處理後平均升溫50℃左右。與高爐爐前脫矽相比，高爐前脫矽不需增加脫矽時間和工序，熱損失少，鐵水溫降不大。處理溫度較鐵水罐脫矽高100℃左右，但鐵水罐裝入量減少10%～30%，出鐵中的矽含量，鐵流大小和溫度較難控制，影響了脫矽效率的穩定性。從設備上看，爐前脫矽隨出鐵溝的設定需多點處理，設備費用高。但不需新建廠房。
爐前脫矽的過程控制
為了給煉鋼提供成分穩定的低矽鐵水，必須根據出鐵時的矽含量和出鐵速度確定和控制脫矽劑的輸送速度和添加量。典型的控制系統包括高爐熱控制模型預報鐵水含矽量，出鐵期間矽含量線上快速分析，再根據煉鋼要求的含矽量控制脫矽劑加入量。矽含量的快速分析已開發多種，生產已採用的有兩種：一種為將圓片狀試樣夾在兩電極間，其間溫差200℃，電極間熱電勢隨矽含量增加而上升。測量範圍是0～1.5%Si，精度σ=0.02%。插入試樣至顯示結果需50s。另一種為固體電解質定矽探頭，其結構為Cr·Cr2O3//ZrO2—MoO//SiO2/Si(鐵中)，用鉬絲作
高溫導線。當固體電解質外套石英管SiO2與鐵水中矽平衡時，有如下關係：
[Si]+2[O]=(SiO2)
從測定固體電解質/鐵水/石英套管間氧的活度得出相應的矽含量，即矽含量與輸出電勢(毫伏值)的關係。用此方法控制調節脫矽劑加入量的效果是：目標矽為0.05%～0.12%時，命中率由46%提高至77%，脫矽劑消耗減少30%。
脫矽渣與高爐渣比較，前者FeO含量高。原來用Al2O3-SiC-C系的鐵溝耐火材料在渣線部分侵蝕嚴重。因此在渣線部分改變材質，在脫矽劑加入處擴大鐵水溝尺寸，鐵溝側壁埋設強制風冷管等。對高FeO的脫矽渣，由於SiC、C被氧化而受到侵蝕，可用Al2O3-MgO系耐火材料代替，耐侵蝕性主要在於成渣反應生成液相量的大小。試驗證實，當MgO/A12O3大於1.0時，液相的生成受到抑制，原因在於脫矽渣中FeO與MgO-Al2O3反應生成高熔點礦物。
主要有脫矽劑單耗、處理前含矽量、反應界面積(即鐵水與脫矽劑混合狀況)、脫矽劑的種類和粒度等。根據爐前脫矽和鐵水罐脫矽的生產數據，溫度在1250～1450℃範圍內，溫度變化對脫矽沒有明顯影響。
脫矽劑單耗和原始矽含量 鐵水含矽量大於0.5%時，一般每噸生鐵加入脫矽劑10～30kg、脫矽量約0.1%～0.4%，脫矽劑單耗增加，脫矽量增加，但其增加幅度減小。這與鐵水含矽量逐漸降低後脫矽氧效率降低有關。與矽以外的其他元素(C、Mn等)的氧化有關。
