1 硅铁生产发展简史

铁合金是指一种或一种以上的金属或非金属元素与铁组成的合金, 硅铁即是硅与铁的合金。硅铁是炼钢和铸造的重要原料, 它能改善钢和铸件的物理化学性能和机械性能, 提高钢和铸件的质量。

1810年伯齐厄斯第一个制取了硅铁。在试验中他把铁屑、石英和松木炭黑放在缎工炉中冶炼, 得到含硅2.2%~9.3%的低品位硅铁。

1875只年普尔宰尔成功地在高炉中制得含硅1。10%~18%的硅铁。

1899年迪夏尔莫等在美国霍尔库姆罗克厂一的电炉(矿热炉)中第一个制得了电炉硅铁, 含硅25%~50%纬。

大约在1903年, 卡达尔按迪夏尔莫法在电炉中制得含硅75%的硅铁, 此法一直延续至今。现在不仅能生产出各种含硅量的硅铁, 而且所含杂质较低, 能满足工业发展的需要。

2 硅铁牌号及用途 2.1 硅铁牌号

表 1所列为我国标准规定的硅铁牌号及化学成分。为节约能源、降低生产成本, 国外也生产一些低硅硅铁和其他牌号的硅铁, 如含硅10%~30%的硅铁。在我国的规划中也要求生产含硅45%和65%的硅铁品种。

2.2 硅铁的用途

(1) 在炼钢工业中作脱氧剂和合金剂。为了获得化学成份合格的钢和保证钢的质量, 在炼钢的最后阶段必须进行脱氧。硅和氧之间的化学亲和力很大, 因而硅铁是炼钢工业中不可缺少的脱氧剂。在钢中添加一定数量的硅, 能显著提高钢的强度、硬度和弹性, 因而在冶炼结构钢、工具钢、弹簧钢等钢种时, 必须添加一定数量的硅铁作合金剂使用。硅还具有比电阻较大、导热性较差和导磁性较强的特点, 因而在冶炼硅钢时, 硅铁也是不可缺少的合金剂。

此外利用硅铁粉在高温下燃烧放出大量热量的特点, 炼钢生产中常将硅铁粉作为浇铸钢锭时的发热剂使用, 以提高钢锭质量和钢水收得率。

(2) 在铸造工业中作铸铁孕育剂和球化剂。铸铁是现代工业的一种重要金属材料。它比钢便宜, 容易熔化冶炼, 具有优良的铸造性能和比钢好得多的抗震性能。在铸铁中加入一定量的硅能阻止铁中碳化物的形成, 促进石墨析出和球化, 因而在铸铁生产中, 硅铁是一种重要的孕育剂和球化剂。

(3) 在铁合金生产中作还原剂。硅与氧之间的化学亲和力很大, 且高硅硅铁的含碳量很低。因此, 高硅硅铁(或硅质合金)是铁合金工业中生产低碳铁合金时常用的还原剂。

(4) 其他方面的用途。经磨细或雾化处理的硅铁粉, 在选矿工业中可作为悬浮剂, 在焊条制造业中可作为焊条的涂料成分。高硅硅铁在化学工业中可用于制造硅酮等产品。

在使用硅铁的各行各业中, 炼钢工业、铸造工业和铁合金工业是硅铁的最大用户, 其消耗的硅铁占硅铁总量的如%以上。在各种牌号的硅铁中, 目前应用最广的是75%硅铁, 如在炼钢工业中, 每生产It钢大约消耗硅铁3~5kg。

3 冶炼硅铁的原料

冶炼硅铁的主要原料是硅石、焦炭和钢屑。

3.1 含硅原料及其要求

含硅原料一般采用SiO₂含量很高的石英和石英岩(通称为硅石)。用于冶炼硅铁的硅石必须符合下列各项要求:

(1) SiO₂含量大于97%。

(2) 有害杂质含量低。硅石中主要的杂质有Al₂O₃: , MgO, CaO, P₂O₅和Fe₂O₃。除Fe₂O₃外, 其他氧化物均是有害物质, 其中P₂O₅必须小于0.03肠, Al₂O₃必须小于1%, CaO和MgO之和也应小于l%。

(3) 有良好的抗爆性。

(4) 有一定的粒度。硅石的粒度根据电炉容量、工作电压、硅石和所用还原剂的性质以琴操作水平确定, 一般大型电炉的硅石入沪粒度为40~120mm, 小型电炉为25~80 mm。

3.2 碳质还原剂及其要求

铁合金生产中, 用得最多、最广且价格最便宜的还原剂是碳质还原剂。硅铁生产所用的碳质还原剂主要为冶金焦, 其主要理化性能指标要求如表 2。

此外, 对冶金焦的灰分组成也有一定要求, 具体为FeO约45%, CaO约27%, SiO₂约25写, MgOl.0%, Al₂O₃ < 0.4%, P₂O₅ < 0.04%。

3.3 含铁原料及其要求

电炉冶炼硅铁时, 一般采用钢屑作含铁原料, 钢屑在SiO₂还原过程中有促进作用。冶炼时, 希望钢屑能较快熔化, 以便吸收硅或有效地破坏SIC。为此, 要求钢屑长度不超过100mm。为保证硅铁的化学成分和内在质量, 不允许使用合金钢钢屑、有色金属屑和生铁屑, 而只能使用碳素钢钢屑。钢屑不应夹带杂质, 生锈严重和沾有油污的钢屑不能入炉, 钢屑的含铁量应大于95%。

4 硅铁生产工艺流程 4.1 硅铁冶炼基本原理

用碳还原二氧化硅是冶炼硅铁时的基本反应。生产上为了把氧从二氧化硅中除去, 在矿热炉内创造高温条件, 以焦炭中的碳夺取硅石(SiO)中的氧, 生成的CO气体通过料层从炉口逸出, 硅石中的硅便还原出来。

冶炼硅铁时, 炉内的反应机理可用图 1描述。

4.2 硅铁冶炼工艺流程

在正常情况下, 矿热炉冶炼硅铁是连续不断地进行。焦炭、硅石、钢屑的混合料不断地从炉口加入炉内, 在电极电弧产生的高温条件下, 炉内的沪料不断熔化、反应, 形成液态合金铁水, 铁水积累到一定的量后便从铁口放出, 浇铸成硅铁锭。硅铁冶炼的工艺流程为: 配料(焦炭+硅石+钢屑)→加料入炉(勤加薄盖)→冶炼→定期出铁→浇铸→精整→分级入库。

5 硅铁质量控制及成本 5.1 质量控制

在硅铁生产中, 除了按工艺要求进行沪前冶炼外, 还必须严格抓好原料入炉关, 以防“病从口入”; 同时要把好硅铁浇铸关。

(1) 冶炼硅铁的入炉原料必须严格按工艺要求精选, 尤其要控制焦炭中的P, Al₂O₃量以及硅石中的Al₂O₃量, 因为这些有害元素直接导致硅铁粉化。

(2) 严格控制硅铁浇铸厚度, 75%硅铁浇铸厚度控制在100mm以下, 65%硅铁控制在80mm以下。硅铁浇铸过厚, 容易引起偏析, 产生ξ相。ξ相中的杂质大多数以磷化物形态聚集于晶界。在随后的冷却过程中, 随着ξ相向FeSi₂转化, 固体合金锭发生显著的体积变化, 其产生的内应力使合金锭内部产生裂纹, 此后, 空气中的水分会逐渐渗入裂纹中, 与聚集在晶界的磷化物反应, 生成有臭鸡蛋气味的PH₃和AsH₃气体, 使晶界遭到彻底破坏, 固体合金锭便成为粉末。

5.2 冶炼成本

冶炼硅铁时, 原材料消耗及电耗是很大的。生产1t75%硅铁, 大约消耗硅石1780~ 1850kg, 焦炭890~930kg, 钢屑220~230 kg, 电极材料45~50kg, 电能8600~9000 k w.h。影响硅铁生产成本的关键因素是电耗, 由于电价不断上涨, 硅铁生产中的电费占成本的比例越来越高, 达到65%以上。因此, 硅铁生产必须走低能耗路线。

6 硅铁冶炼技术进展

(1) 电炉大型化。大型电炉在经济上有很多优点: 投资费用和劳动费用省, 维护费用和检验费用低, 热效率高, 元素挥发损失少, 操作稳定, 产品质量均匀, 能较集中地处理炉气, 便干余热利用和烟气净化。

(2) 半封闭电炉。此种电炉采用矮烟罩, 能够回收炉气余热, 改善环境, 同时可以使用粗料生产, 易于进行捣炉, 生产效率高, 节电。

(3) 采用优质还原剂。冶炼硅铁用还原剂要求含固定碳高, 灰分少, 比电阻大, 反应性能好。国外冶炼75%硅铁使用的还原剂主要有冶金焦、气煤半焦、烟煤、无烟煤、木片等。用我国大同蓝炭(以大同块煤为原料, 经低温闷烧, 去除部分挥发物, 炼成的表面有蓝色光泽的土焦称为“蓝炭”)冶炼75%硅铁, 不仅电耗低, 且铁合金含铝量也明显下降。电耗低的主要原因是蓝炭比电阻大(常温12300 Ω·mm² /m, 高温1945Ω·mm²/m), 化学反应性能好, 且高温下石墨化程度低, 能保证电极深插, 提高炉底温度, 稳定炉况, 减少炉口热损失。

(4) 采用炉外精炼法生产高纯度硅铁。为了提高硅铁质量, 国内外对于硅铁炉外精炼开展了研究工作, 取得了一些进展, 硅铁含铝量降至0.01%, 合金中的钙也在精炼中脱除。

(5) 利用电子计算机控制冶炼过程。计算机主要应用于电炉的热力控制和工艺控制, 即重点控制电气参数(电流、电压)、电极插入深度、电极压放、碳平衡以及辅助系统。使用计算机控制硅铁冶炼过程, 可降低电耗5%~12%, 提高电炉作业率25%, 提高生产率10%。

(6) 用直流电冶炼硅铁。目前有以直流电取代交流电冶炼铁合金的趋势。用直流电冶炼硅铁可降低电损失, 稳定炉况, 使硅回收率由89%提高到95%左右。