电硅热法是当前我国生产稀土硅铁合金的主要工艺派程，经过长期的生产实践，得到不断的改进。但在某些方面尚不理想。最主要的问题是冶炼时间长，能耗高，稀土收率低。如何提高冶炼设备的生产率和技术经济指标，实是该工艺需改革的症结所在。

喷粉工艺是60年代开始发展起来的^[1]，该技术可将各种粉剂直接吹入熔体中，以最大的反应面和强烈的搅拌作用，增加了反应物间的碰撞机会，进而创造了良好的动力学条件。喷射冶金在钢铁生产中已得到广泛应用^[2-4]，近年来又将之推广到铁合金生产中^[5]。在稀土合金方面苏联作过向硅铁熔体喷射稀土氧化物试验^[6]，但利用喷射冶金技术强化稀土合金冶炼中还原剂和渣料之间的反应乃是一个新的尝试。本研究为国家科委重点攻关项目(75-30-02-06)中的“强化还原法制取稀土中间合金”研究课题。

1 试验设备及试验条件 1.1 喷吹系统和冶炼设备

图 1为喷吹系统的工艺流程。装置为上海钢铁工艺研究所提供。喷吹用载气为瓶装氮气(纯度99.5%)和压缩空气；喷粉罐为可调喉口，锥底局部流态化，下出粉式。

其主要技术参数：

喷粉罐有效容积 0.15m³

喷吹强度       5~20kg/min

喉口直径       4.5~8mm

粉料粒度       20目以下

流量           12~20Nm³/h

试验用冶炼设备为0.5t电弧炉，炉衬为碳捣

其主要技术参数：

变压器容量       400KVA

二次电压         190/110V

二次电流         1500~1800A

熔池直径         800mm

电极极心园直径   350mm

电极直径         150mm

1.2 实验条件

试验用原材料均为包钢稀土一厂现行生产所用原料。试验所用还原剂硅铁和硅铁粉(粒度小于1mm)，其成份为74.25%Si，0.5%Ca，0.25%Mn，0.10%Ti；碳粉为焦碳粉，固定碳88.50%。原材料及其成份见表 1。

2 结果和讨论 2.1 试验结果

本次试验进行10个方案，共47炉。以现行生产工艺为参照，在相同条件下探讨了喷射冶金技术应用在稀土合金生产中的优化工作条件。经选择，其中方案Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ有较大工业应用价值，方案Ⅴ经试验积累了经验。表 2列出了主要方案的试验结果，为了便于各方案护次的主要指标稀土回收率(η%)比较，将各方案结果示于图 2。稀土合金的冶炼，是一个间断性的连续过程。一个工艺的评价，其连续性和稳定性是至关重要的。故将各方案连续炉次指标的平均值列于表 3和示于图 3

从每吨合金的直接成本，计算了各主要方案的经济指标，计算结果示于表 4。

2.2 结果讨论 2.2.1 方案Ⅰ

原工艺对照试验  将包头中贫铁矿经脱铁后的稀土富渣、30%稀土精矿经脱铁后的稀土渣和石灰按一定配比入炉，全熔后加入硅铁。温度达1450~1550℃。利用压缩空气(3~5kg/cm²)进行停电搅拌，共2次，每次5分钟。搅拌以后，送电升温。从搅拌开始还原时间30分钟左右，升温达1500℃时出炉。每炉总冶炼时间为1.5~2小时。

由表 3可见，现行工艺对照试验情况正常，稀土回收率、合金率和电耗等各项工艺技术指标良好，并稍高于正常生产情况。关于硅铁还原稀土富渣熔体的机理已有过大量实验室和生产上的研究，虽然有些问题还存在分歧和争论，但有几点是肯定的：

a  稀土富渣的矿相组成，其中含有稀土元素的矿物是铈钙硅石(3CaO·REO·2SiO₂)，在1240~1300℃温度下，熔渣可与加入的石灰反应，因CaO更易与SiO₂结合，可把REO置换出来，成为能参加反应的自由氧化稀土，反应产物以铈针石(REO)和硅酸二钙(2CaO·SiO₂)存在，有利于稀土合金的生成^{[10, 11]}。

还原过程的总反应可写为：

2(REO)+y[Si]=2x[RE]+y(SiO₂)

为使反应进行，必须尽量减少Q_SiO2，还原过程熔渣的高碱度，可使CaO与SiO₂生成稳定的2CaO·SiO₂，保证了还原的进行。此外，实验已证明，除上述反应外，还有类似的CaO、MgO等氧化物的Si还原反应，以及硅钙、硅镁等还原稀土产生的二次还原剂作用的反应发生。

还原过程中应尽量避免冶炼时间过长造成反应产物的烧损。为加速反应，获得最好的稀土收率，造成反应物充分接触的动力学条件是非常必要的。

b  实验室研究和生产实践都表明反应物搅拌的充分与否直接影响着稀土的回收率。

2.2.2 方案Ⅱ

氮气搅拌  压缩空气搅拌，已成为传统的工艺操作。但空气中氧的存在是否产生氧化危害问题，一直未引起人们的重视，其影响程度如何也未经试验验证。本试验在现行工艺配料条件下，采用N2代替压缩空气进行试验，由试验结果表 2可见，用N2代替压缩空气，由原压缩空气搅拌2次，各5分钟，搅后再送电升温，改用N2搅拌一次5分钟，搅毕出炉，各炉次的稀土回收率均比原工艺明显提高。

表 3表明采用N2搅拌，合金的平均稀土回收率由原工艺的68.51%提高到78.49%，合金率由1.275提高到1.355。因减少了一次搅拌和搅拌后的加热时间，电耗下降675kWh/t。

这些结果表明了现行工艺压缩空气操作，空气中的氧导致了还原剂和合金产生氧化。搅拌作用只有在空气中氧消耗了部份还原剂和合金后才能发挥强化还原反应的效果。由于这些付反应和二次反应出现，造成了现行工艺稀土回收率不高，仅在63%~65%，说明此项操作的不合理性。这种情况也可由热力学计算得到证明，吹入熔池中的氧，由于搅拌作用将直接与还原剂Si、Fe和还原出来的RE接触，在1400℃时，其反应和反应自由焓见表 5。

△G⁰越负反应越易进行。由上述计算，稀土元素首先被氧化，由于金属硅浓度高，与空气接触的机会更多，因此它的氧化也是不可忽视的。

2.2.3 方案Ⅲ

压缩空气加碳粉搅拌  由方案Ⅱ可见，现行工艺压缩空气搅拌操作具有明显的缺欠。如采用空气喷吹碳粉操作便可转害为利。近年来，钢铁工业中，喷吹煤粉、碳粉操作，以达到节能和强化还原效果已得到普及。本方案在现行工艺不变的情况下，改用喷吹碳粉，试验结果表明，压缩空气喷吹碳粉操作与现行工艺相比，稀土的回收率和合金率均比原工艺明显提高。稀土回收率由现行工艺的68.51%提高到77.90%。合金率由1.275提高到1.292，电耗下降了323Wh/t。

压缩空气加碳粉操作，可使空气中的氧首先消耗在碳氧反应上，产生了上述N2搅拌的同样效果。此外，碳的燃烧放出的大量热补偿了喷吹操作的降温；由于大量析出反应产物CO，又强化了熔池的搅动，使还原剂和熔渣接触更加充分。因此，在试验中，观察到熔池搅动剧烈且温降很少的现象。碳粉的燃烧，是由其中的水份的蒸发、挥发份的析出及燃烧、固定炭的燃烧等一系列物理化学反应组成的。一般来说，包括氧化反应和气化反应。在熔池温度条件下(大于800℃时)，生成的CO₂将和炽热的碳还会发生如下反应：

C+CO₂=2CO

在熔池内造成了一种还原气氛，避免了还原剂和反应产物稀土元素的二次氧化作用。这就是喷吹空气和碳粉能取得较好的冶炼效果的原因。

碳粉输入量必须与气流速度相适应，防止碳粉喷完后空喷，又回到原工艺即方案Ⅰ的条件。为此，很有必要对使用的焦粉考虑其物理性能、粒度、气体流量、喷枪口径等因素的影响。

2.2.4 方案Ⅳ

N2喷吹硅铁粉  在现行工艺配料条件下，采用N2为载体，喷吹硅铁粉(＜20目)试验。因为采用喷吹N2，防止了空气中氧的二次氧化作用；硅铁以粉刊喷入又强化了还原效果。它最好地沐体现了喷射冶金技术的利用条件。试验结果表明，采用此方案稀土回收率由原工艺的68.51%提高到75.10%，合金率由1.275提高到1.365，节电1197kWh/t。本方案省掉了硅铁块的熔化和搅拌时间，冶炼时间平均比原工艺缩短30分钟，节能效果最佳。由于炉数少，工艺条件掌握的还不太充分。在试验中已观察到大量硅铁粉吹入使熔池温度下降幅度大，在喷吹的后期时有黑色硅铁粉上浮：从32、33、47、48炉次的成品合金成份中也可看到。合金中硅、钙含量均比上述几个方案高，说明了还原剂还未充分利用。如在搅拌工艺方面再择优效果会更佳。如23炉吹入硅铁粉后，又升温搅拌了3分钟，稀上回收率接近80%，合金率为1.40，效果明显。根据物料流态化理论，一般火法冶金反应的扩散传质速度，是由菲克第一定律和质量作用定律决定的，反应速度与反应物界面大小有密切关系，即

式中 C_Ⅲ-原始溶液浓度

     Cb-平衡时溶液浓度

     K-传质系数

     S/V-反应物的比表面

反应速度正比于S/V。若硅铁块和硅铁粉都按球形考虑，则由它们的当量直径计算出的两种物料比，表面积之比为直径之比D[块]/d[粉]。如果硅铁块的平均直径为80mm，硅铁粉的平均粒度小于0.8mm(20目)，则块与粉的表面比为数百倍。再者，反应速度还正比于传质系数K，按照有效边界层理论的反应表面更新理沦：

式中  D-扩散系数

     τ-界面停留时间

由于喷射冶金的载气将硅铁粉喷入熔体，进行气泡搅拌，使界面停留时间(t)大大减少。因此，传质系数K比静态或人工搅拌的冶炼过程显著提高，且喷吹硅铁粉强化了反应的动力学条件，同时减少了原工艺中硅铁块熔化所需的电耗。在试验中发现，硅铁粉的粒度不宜太小，太小易随气泡上浮而逸出烧损，其粒度最好≥2mm为宜。

2.2.5 方案Ⅴ

向硅铁和碱性复盖渣熔体喷吹精矿粉制取稀土合金，乃是直接利用稀土精矿，不经造球、脱铁直接炼合金的一个工艺流程。

a.30%精矿粉  试验中发现，30%稀土精矿粉粒度细(＜200目)、密度小，由于熔池浅，大量细矿粉随气泡一起逸出炉外，损失严重。从5炉试验结果的稀土元素的物料平衡计算表明，稀土精矿损失量约为20%~50%。加之30%稀土精矿粉含铁高达7.75%，含磷6.69%，它们均以氧化物存在，造成了还原剂硅铁的消耗，使用于稀土还原方面的硅量不足，故使合金的品位仅17%RE，合金率0.77，电耗大。通过本试验表明，采用此法直接冶炼稀土合金困难很大，不宜采用。

b  60%精矿粉  向硅铁和高碱度稀土渣熔体喷吹60%精矿粉，共进行了5炉，其中3炉由于跑渣、炉盖耐火砖脱落等意外事故，结果不佳外，其余两炉尚可。5炉平均稀土品位为27.30%，稀土回收率为50.84%，合金率1.079。由于炉次少，试验条件不充分，尚不能作出结论。

3 结论

a  通过本试验表明，现行工艺还原期采用压缩空气搅拌，由于空气中的氧，在高温下，造成合金中RE、Si等元素的氧化，是导致稀土回收率和合金率低的主要原因。

b  方案Ⅱ中N₂代替压缩空气搅拌，避免了空气中氧的作用，在同样的配料条件下，稀土回收率由原来的68.51%提高到78.4%；合金率由原来的1.275提高到1.355；电耗下降675kWh/t，节能增产效果显著。

c  方案Ⅲ采用压缩空气加碳粉，可使空气中的氧消耗在碳的氧化燃烧上，除产生上述N₂搅拌的同样效果外，碳氧反应热、节能效果明显。采用此法稀土回收率由现行工艺的68.51%提高到77.90%；合金率由1.275提高到1.292；电耗下降了323kWh/t。

d  方案Ⅳ  N₂喷吹硅铁粉，既防止了高温下空气中氧的作用，还原剂以粉剂喷入，又强化了冶金过程。应特别指出的是减少硅铁熔化时间而使还原时间缩短。据统计由硅铁加入到出炉原工艺60分钟降至15分钟。此方案综合指标是稀土回收率由原工艺的68.51%提高到75.10%；合金率由原来的1.275，提高到1.365；节电1197kwWh/t。

e  上述方案Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ均具有明显的经济效益，根据原材料成本核算表明：方案Ⅱ可使合金成本下降268.53元/t；方案Ⅲ可使合金成本下降186.57元/t；方案Ⅳ可使合金成本下降161.08元/t。

f  通过本试验表明，30%精矿不宜采用此法冶炼稀土合金，60%精矿在有条件时可进一步探索。

参加实验的有蔡安洪、周有田(包头稀土研究院〕、朱焕臣、乔贞(包钢稀土一厂)、蔡志刚、吕鹏(上海钢铁工艺所)，在此一并感谢。