高炉冶炼硅锰合金试验

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1988.02.021 北京钢铁学院学报 第10卷第2期 Journal of Beijing University Vol,10 No.2 1988年4月 of Iron and Steel Technology Apr.1988 高炉冶炼硅锰合金试验 秦民生 吴胜利 熊小星 王朝正 (北京钢铁学院铁教研室) (新余钢铁厂) 摘 要 高护法辅助电炉因地制宜地生产硅锰铁合金，可以充分利用我国贫锰矿资源， 并有可能提供一个新的高炉铁合金品种。 在理论分析的基础上，在一座36m8的小高炉上进行了工业冶炼试验。试验表明： 在高炉上用富氧皱风治炼含S=12一14%的硅锰铁合金，在技术上是成功的，在我 国条件下，经济上也是有益的。 关键词：Si一M铁合金，高炉治炼，铁合金 Smelting Si-Mn Ferro-Alloy in Blast Furnace Qin Minsheng Wu Shengli Xiong Xiaoxing Wang Chaozheng Abstract Smelting to local condition can be used for full application of chine- se poor manganous ore,and this process probably provides a new va- riety of B.F ferro-alloy. This industrial experiment was based on therotical investigation and carried out with a small B.F.of 36m3,The test shows that the smelting Si-Mn ferro-alloy of 12-14%Si content in blast furnace with oxy- gen enriched blast is success technically and beneficial economically in chinese condition. Key words:Si-Mn ferro-alloy,blast furnace smelting,ferro-alloy 1987-07-18收稿 135

第 卷第 么 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 。 高炉冶炼硅锰合金试验 秦 民生 吴胜利 熊小星 王 朝正 北京钢铁学院炼铁教研室 新佘钢铁厂 摘 要 高炉法辅助电炉因地制宜地生产硅锰铁合金 ， 可以充分利 用我国贫锰矿资源 ， 并有可能提供一个新的高炉铁合金品种 。 在理论分析的基础上 ，在一座 的刁稿炉上进行了工业冶炼试验 。 试验表明 在高炉上用富氧鼓风冶炼含 一 拓 的硅锰铁合金 ， 在技术上是成功的 ， 在我 国条件下 ， 经济上也是有益 的 。 关键词 、一 铁合金 ， 高 炉 冶炼 ， 铁合金 一 一 ” 班 夕 ” 不 ” 刀 ‘ 卜 让 ， 一 ， 。 一 一 一 乒 了 一 一 ， ， 一 一 一 收稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．02．021

前 言 高炉治炼条件与矿热电炉相似，都具有强烈的还原熔炼能力。特别当高炉使用高风 温及富氧鼓风有效地提高炉缸温度后，有可能代替矿热电炉熔炼某些铁合金。这一思想 早在50年代前就由Velkert提出(1)。但由于国外电费与焦炭价格相对比值较低，高炉代 替电炉治炼铁合金的经济效益并不优越，除苏联在40一50年代进行过小规模试验外，国 外没有广泛开展此项试验研究。 鉴于国内电力长期短缺，而焦炭价格相对便宜，且有长期使用高炉冶炼锰铁合金的 经验，因此用富氧鼓风高炉代替矿热电炉治炼某些锰铁以外的铁合金的思想不断有人提 出，并进行过一些小型探索性试验2)。高炉富氧鼓风冶炼硅锰合金是优先被考虑的试 验项目，这是因为硅锰合金相对较易还原，且不生成难熔碳化物，原料也较便宜。从经 济上分析，高炉富氧治炼硅锰合金可以使用我国的贫锰矿作原料，从而有利于资源的开 发利用。硅锰合金需求量大，国内现有的生产能力是年产20万吨左右，若高炉治炼成 功，将大大缓和硅锰合金的供需矛盾。 因此，在新余钢铁厂36m3高炉上，自1979年至1985年的6年期间，先后进行了5 次高炉富氧治炼硅锰铁合金的工业性试验，这是国内进行的一次时间较长、规模较大的 高炉治炼新品种铁合金的试验。 前两次试验为预试验，目的在于探索高炉治炼硅锰合金可能产生的问题，以便准备 必要的正式试验条件。在预试验基础上先后进行了两次正式试验。根据试验结果，最后 于1985年进行了14天的试生产。试生产期原、燃料条件见表1。两次正式试验及试生产的 基本情况列于表2。 表1试生产期原、燃料亲件 Table 1 The analysis of primary material and coke in test period 成分，% 锰 熔剂附加剂 迨金焦炭 富锰渣 龙地 平均 石灰硅液萤石 化学成分工业分析 配比 1/5 4/5 cf Mo 42.06 30.89 33.12 0,08 82.04 Fe 1.66 10.02 8.35 0.92 SiO2 26.30 27.49 27,25 1.68 67,19 31.67 8.53 fai Mgo 0,97 0.13 0.30 0.78 2.94 0.05 2.27 sic Ca0 3.55 1.11 1.60 85.91 12.64 0.44 A A120g 8.37 2.47 3.65 4.41 15.69 CaF2 60.00 P 0.040 0.055 0.052 0.076 0.390 0.074 0.137 0.924 Ma/Fe 25.34 3.08 3.97 P/Mn 0.00095 0.00178 0.00157 136

前 州 舀 口口 七口 高炉冶炼条件与矿热电炉相似 ， 都具有强烈的还原熔炼能力 。 特别 当高炉使用 高风 温及富氧鼓风有效地提高炉缸温度后 ， 有可能代替矿 热电炉熔炼某些铁 合金 。 这一思想 早在 年代前就由 提 出〔 〕 。 但 由于国外电费与焦炭价格相对 比值较低 ， 高炉代 替电沪冶炼铁合金的经济效益并不优越 ， 除苏联在 一 。 年代进行过小 规模试验 外 ， 国 外没有广泛开展此项试验研究 。 鉴于国内电力长期短 缺 ， 而焦炭 价格相对便宜 ， 且有长期使用 高炉冶炼锰铁 合金 的 经 验 ， 因此用 富氧鼓风高炉代替矿热 电炉冶炼某些锰铁以外的铁合金的思想不 断有人提 出 ， 并进行过一些小型探索性试验〔 〕 。 高炉富氧鼓凤冶炼硅锰合 金是优先被 考 虑 的 试 验项 目 ， 这是 因为硅锰合金相对较 易还原 ， 且不生成难熔碳化物 ， 原料 也较便宜 。 从经 济上分析 ， 高炉 富氧冶炼硅锰合金可以使用我国的 贫锰矿作原料 ， 从而有利于资源的开 发利用 。 硅锰合金需求量大 ， 国内现有的生产能力是 年产 万吨左右 ， 若高 炉 冶 炼 成 功 ， 将大大缓和硅锰合金的 供需矛盾 。 因此 ， 在新余钢铁 厂 高炉上 ， 自 年至 年的 年期间 ， 先后进行 了 次高炉 富氧冶炼硅锰铁合金 的工业性试验 ， 这是 国内进行的一次时间较长 、 规模较大的 高炉冶炼新品种铁合金的试验 。 前两次试验为预试验 ， 目的在于探索 高炉 冶炼硅锰合金可能产生的 问题 ， 以便准 备 必要的正式试验 条件 。 在预试验基础上先后进行 了两次正式试验 。 根据试验结果 ， 最后 于 年进行 了 天 的试生产 。 试生产期原 、 燃料 条件见表 。 两次正式试 验 及试生产 的 基本 情况列于表 。 表 试生产 期原 、 燃料条件 锰 矿 成分 ， 多 熔 剂 附 加 剂 硅 渣 萤 石 冶 金 焦 炭 富锰渣 。 。 。 龙 地 平 均 石 灰 化学成分 工业分析 配比 岔 。 。 。 。 。 。 ， 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

表2试验及试生产期技术经济指标 Table 2 The technical dete of some test 项目 时 间 第一次试验 第二次试验 试生产 焦比，kg/t 3520/3790 3132/3389 2258/2365 治炼强度，t/m3d 1.100 1.190 1.390 风温，七 987 979 1038 富氧率，% 5.02 3.13 4.21 顶温，℃ 375 425 304 能耗，上g标煤/1 2244/2407 2390 1972 合金含Si,% 12.37 12.70 15.06 合金含Mn,% 64.08 63.01 63.05 1高炉冶炼硅锰合金的基本反应 高炉治炼铁合金的基本条件是： (1)有足够高的炉缸温度，以利合金元素的还原， (2)不生成难熔的合金碳化物，保证渣铁流动性良好， (3)不造成合金元素的大量氧化损失。 锰的基本还原反应式为： (MnO)+〔C]=〔Mn]+C0(1)△G:=11924-8.01T3J/mol 开始还原温度约为1216℃。高炉中能顺利进行M的还原，适当提高炉缸温度可治 炼Mn>80%的锰铁合金。 硅的还原比较复杂，但治炼高硅铁的情况下，渣中SO2的还原是主要的。 (Si02)+C=Si0+C0 SiO+C=〔Si)+CO (Si02)+2C=〔Si)+2CO(2)△G:=31979-17.99T4J/mo1 要保证硅大量还原，要有足够高的炉缸温度，但在用富氧和高风温的高炉条件下， SiO2还原的温度条件是足够的。 治炼硅锰合金，有Si与M同时还原问题，因此存在耦合反应： CSi]+2(MnO)=2CMn]+SiO2 (3) △G:=-18130+1.97T3) J/mol Turkdogan导出高炉中该耦合反应的平衡状态由下式决定(5)： 1os(0))2(气3922=2.792B-1.16 cSi B=_ CaO+MgO (4) SiO2 137

表 试验及试生产 期技 术经济指标 ， 。 时 间 焦比 ， 冶炼强度 ， ， · 风 温 ， ℃ 富氧率 ， 多 顶 温 ， ℃ 能耗 ， 标煤 合金含 ， 拓 合金含 ， 苏 第一次试验 。 。 。 。 第二次试验 。 一 。 一 试 生 产 。 。 。 。 高炉冶炼硅锰合金的基本反应 高炉 冶炼铁合金 的基本 条件是 有足够高的炉缸温度 ， 以利 合金元素的还原， 不生成难熔的合金碳化物 ， 保证渣铁流动性 良好， 不造成合金元素的大量氧化损失 。 锰的基本还原反应式为 〔 〕 〔 〕 卜 一 〔 〕 开始还原温度约为 ℃ 。 高炉 中能顺利进 行 的 还 原 ， 适 当提高沪缸温 度可冶 炼 的锰铁合金 。 硅的 还原 比较复杂 ， 但冶炼高硅铁 的情况下 ， 渣 中 的还 原是主要 的 。 〔 〕 〔 〕 △ 呈 一 〔 〕 要保证硅 大量还原 ， 要有足够高的 炉缸温度 ， 但在用 富氧和 高风温 的 高 炉 条 件下 ， 主 还原的温度 条件是足够的 。 、声 于 、少 冶炼硅锰合金 ， 有 与 同 时还原 问题 ， 因此存在祸合反应 〔 〕 〔 〕 △ 且 一 。 〔 〕 导 出高炉 中该祸合反应 的平衡状态 由下式决定 〔 〕 〔 〕 。 一 士 布尸丁 一一 一 乙 〔 一

即铁水成份品与温度无关，仅决定于护渣碱度，不过，按(4)式计第出高炉治炼时 比应在1,0一1,5之间，而实际情况与之相差很大，（如图1所示)，这说明耦合 反应(3)在高炉中未达到平衡。因此，提高温度 一STEEL'WORKS- 以改善动力学条件仍有利于品比的上升。 ACHIBA BFL 1000CHIBAT -BF2十 .HOMISTEAD BF3 600-◆D0 QUESNE-BF4 提高碱度，有利于KMnsi的提高，但这也意味 SOUTHI BF10 400 -EQUILIBRIUM/ 若<8，塔大，面（专8）该小，这不是 200 o 我们所希望的，故为了〔S门的提高，在热量充 100 沛的条件下应尽量采用较低的炉渣碱度。 60 影响Si还原的另一个因素是Si易于以SiO 40 .oo 形式大量气化。这一气化损失不仅造成热量浪 20E 费(SiO2还原成SiO与还原成S所耗的热量几 10 乎相等)，还由于SiO在高炉上部氧化成粉面 0 1.2 1.4 1:6 状的SO2沉降，造成炉子上部结瘤和上升管堵 %Ca0+%MgO %Si02 塞，严重影响炉子顺行。近年来通过高炉解剖 图1糊合反应平衡状态与减度的关系 及实验室理论研究得知，SiO是硅还原过程中 Fig.1 The relation between equilbrium 不可逾越的中间产物，因此S的氧化和Si的还 constants of couple reaction and slag basicity 原是相联系的。 锰在高炉治炼条件下形成低熔点MnC,另外渣中含有较多的SiO2,故SiC不能大 量生成，因此高炉冶炼硅锰合金不会产生碳化物的干扰。 综上分析，保证SiO2的适量还原是高炉冶炼硅锰合金的关键问题。SiO2还原不足 则合金中〔Si门含量过低，而SiO2还原大量发展则伴随着Si的挥发急剧上升。 2高炉冶炼硅锰合金的操作制度 2.1热制度 高炉治炼硅锰合金，需要保持适宜的炉缸温度和炉顶温度。 虽然使用富氧和高风温作业对提高炉缸温度起有效作用，有利于Si、M的还原， 但过高的风口区温度会促使S○形成和挥发。实验中控制风口区理论燃烧温度在2400一 2600℃，操作效果良好。合金中的Si可达14一17%，而气化率可控制在25%以下。炉顶 温度在300℃左右时较佳，顶温过高也易促进S的气化并造成上部结瘤或上升管堵塞； ]顶温过低往往显示炉温不足或富氧水平过高，氧气消耗太大。 富氧鼓风应与高风温相配合使用。因为SO2还原不仅需要高温水平，而且大量耗热， 因此要用高风温来补偿热量。但单纯提高风温，即使达到1200℃，炉缸温度水平仍然不 足。另外一定水平的富氧率对控制炉顶温度也是必需的，否则会因高风温而使顶温过高 导致炉况不顺。本试验中，风温在1000℃水平时，富氧率为4一5%，氧耗为460-一500 138

即铁 水成份 〔 〕 〔 〕 与温 度 无关 ， 仅决定 于沪渣碱 度 。 不过 ， 按 式计 算 出高炉冶炼时 〔 〕 〔 〕 比应在 一 。 之间 ， 而实 际 情况与 之相差 很 大 ， 如 图 所 示 ， 这说 明祸合 反应 在高炉 中未达到 平衡 。 因此 ， 提高温度 以改善动 力学 条件仍有利 于 〔 〕 〔 〕 比的上 升 。 提 高碱 度 ， 有利于尤 的提高 ， 但这 也意味 、 〔 〕 二 二 一 〔 〕 ， ‘ ， 、 、 一 二 着不 斋井共 增大 ， 而 丁 攀岑夫气 减小 ， ‘ 曰 一 口 、 ’ “ ’‘ ， 这不 是 ” “ 一 ， ’ · ’ 我 们所 希望的 ， 故为 了〔 〕 的提高 ， 在 热量 充 沛 的 条件下应尽量采用较 低的炉渣碱 度 。 影响 还原的 另 一 个因素是 易于以 形式大量 气化 。 这一气化损失 不 仅造 成热量浪 费 还原成 与还原成 所耗 的 热量几 乎相 等 ， 还 由于 在高炉上部氧化成粉 面 状的 沉 降 ， 造成炉子上部结瘤和上升管堵 塞 ， 严重影响 炉子顺行 。 近 年来通过高炉解剖 及实 验室 理论研究得知 ， 是硅还原过程 中 不 可逾越的 中间产物 ， 因 此 的 氧化和 的还 原 是相联 系的 。 占二几长 口 州 艰 心屯 浑 一 洲 ， 一 幼 ， ， 灯 ，了仙 ，民 一泣一一一 讯衬 口 石刀 兰 兴黔瑞扣丫下一 了 才 一一乒 一宁斗一 姿， 冬一 石 生 一 了 一 山 一 一 一产二 二 二 ， 一 碧甘。 华口 毛寥翻坛弓尸， 立 一 ， 一 口户 心 － 一－一 － 立一一 月 一 一 陆 六人 ︸ ︸韭︸服 塑寰慧巴 图 藕合反应平衡状态与碱度的关系 件 锰在 高炉 冶炼条 件下形 成低熔 点 ， 另外渣 中含有 较 多的 ， 故 不 能 大 量 生 成 ， 因此高炉冶 炼硅锰合金不会产生碳 化物 的千扰 。 综上 分析 ， 保证 的适量 还原 是 高炉 冶炼硅 锰合金 的关 键 问题 。 还原 不足 则合 金 中〔 〕 含量 过低 ， 而 还原大量发展则伴随 着 的挥 发急剧 上升 。 高炉冶 炼硅锰合金 的操作制度 热制度 高炉冶炼硅锰合 金 ， 需 要保持适宜的炉缸温 度和炉 顶温 度 。 虽然使用 富氧和 高风温 作业对提 高 炉缸温 度 起有 效作用 ， 有 利 于 、 的还原 ， 但过高的 风 口 区温度 会促使 形成和 挥发 。 实 验 中控制风 口 区理论燃烧温度在 一 ℃ ， 操作 效果良 好 。 合金 中的 可达 一 ， 而气化率 可控 制在 以下 。 炉顶 温 度 在 ℃ 左 右时较 佳 ， 顶 温 过高也 易促进 的气化并 造成上部结瘤或 上 升 爷 堵塞 顶温 过低往往显示炉温不足或 富氧水平过高 ， 氧 气消耗 太大 。 富氧鼓风应 与高 风温相配合 使用 。 因为 还原 不 仅需要 高温 水 平 ， 而且大量耗热 ， 因此 要用 高风温 来补偿热量 。 但单纯提 高风温 ， 即使达 到 ℃ ， 炉缸温 度水平仍然不 足 。 另外一定 水平的 富氧率 对控 制炉顶温 度 也 是 必需的 ， 否则 会 因高风温而使顶温 过高 导 致 炉况不顺 。 本试验 中 ， 风 温在 ℃水平时 ， 富氧率 为 一 ， 氧耗为 一

Nm3/t-HM。 2.2造渣制度 虽然治炼中S还原是主要矛盾，而酸性渣有利于S还原，但是实验室理论研究和工 式验均表明，炉渣碱度（S。,)保持在1,2一1.3更为适宜。这是因为在高焦比条件 下流中A20,含量高，Mε0合量低，炉造四元碱度（写88，）较低，只有 0.8一0.9。这种炉渣的高温粘度较小，如图2所示。从而使得炉缸不易堆积，渣铁反 有 应的动力学条件得以改善，渣铁分离良好（实际测定治炼硅锰合金时，高炉渣温达 1500℃)。这些作用远比单纯降低渣碱度提Si更为重要。实践证明，适当提高渣碱度对 S还原的不利影响并不严重，完全可以通过提高炉温得到弥补。 由于使用原料的特点是焦炭灰分高，在碱度S℃，=1,2一1,3时，造成过大的渣 量（渣铁比为1.5一2.0）。在这种情况下，减小渣量有利于炉况顺行并能明显降低焦 比，因此没有必要盲目加大硅石用量。实践表明，过多地使用硅石（从而加大了渣量） 没有显示出促进〔S门升高的作用。在另一个小型试验炉中发现，使用无渣操作也能保证 S的还原，而对高炉顺行十分有利。 2.3送风制度及装料制度 试验表明：适当发展中心气流，保证足够 A1203=17% 的鼓风动能是很重要的。治炼中鼓风含氧达 25一30%，故应适当减小风口直径。另外CS) 3.0 R2-1.0 是在风口带以上被还原的，当〔S门下降到炉缸 经过渣层，又将部分(MnO)还原成CMn], 2.0 R=1l5 R2=1.3 即发生耦合反应。欲使〔Si门充分还原，需在软 熔带造成良好的液态金属吸收SiO的条件，因 1.0 为较为发展的中心气流，造成适当的高尖蜂形 倒V型软熔带，使滴落面积增大，有利于S的 120013001400 1500 还原。从高炉顺行来看，足够的鼓风动能可使 t,℃ 炉缸工作均匀，从而减轻炉缸堆积。合适的治 图2渣碱度与粘度的关系 炼强度维持在1.2-一1.3t/m3·昼夜。装料制 Fig.2 The relation between basicity 度为全正装。 and viscosity of slags 3几个特殊的操作问题 3.1炉缸堆积 炉缸堆积曾一度妨碍试验治炼的正常进行，高炉治炼硅锰合金的炉渣粘度并不高， 因为渣中含有3一5%的MnO。实验室测定1500℃时渣粘度在0.5Pa·s以下。但是分析 认为这种炉渣稳定性差，由于S还原量有很大波动，造成炉渣碱度相应变化，同时由于 139

一 。 造渣 制度 虽 然冶炼 中 还原 是主要矛盾 ， 而 酸性渣有利于 还原 ， 但是 实验室理论研究 和 工 业 试验均表明 ， 炉演碱度 保持在 一 更 为适宜 。 这是 因为 在 高焦 比条件 知 下渣 中 含量 高 ， 含量低 ， 炉渣四元碱度 票彝嘿赎 一 较 低 ， 只 有 ” 旦 一 。 目 ’叫 ’ 一 。 一 曰 ’ ‘ ， ‘ 一 “ 认 ’ 、 口 一 。 这种炉渣的高温粘度 较小 ， 如 图 所 示 。 从而使得 炉缸不 易堆积 ， 渣 铁 反 应 的动 力学 条件得 以改善 ， 渣铁 分离良 好 实 际测定冶炼硅锰合 金 时 ， 高 炉 渣 温 达 ℃ 。 这些作用 远 比单纯降 低渣碱度提 更为 重要 。 实践证 明 ， 适 当提高渣碱 度对 还原 的不利影响并 不严重 ， 完 全可 以通过 提 高炉温得到 弥 补 。 二 一 冲 。 ‘ 、 ， ， ， ，小 卜 。 ，、 。 一 ‘ 、 一 一 、 ‘ 。 ， 、 ， 、 、 、 ， 二 ， 、二 由于使用原料 的 特点是 焦炭 灰分高 ， 在碱 度一井岑 一 时 ， ‘ 月 ， ’ 闪 、 ’ ‘ 一 ， 曰 一 ，， “ “ 造 成过 大 的 渣 “ ‘ ’ ‘ 少、 、 刀 ’曰 ” 一 独 ‘ 一 ‘ 一 卜 ’ 侣 ’钧 、 卜，沙 讯 量 渣铁 比为 一 。 。 在这种情况下 ， 减小 渣量有 利于 炉况顺行并能 明 显 降 低 焦 比 ， 因此没 有必要盲 目加大硅石用量 。 实践表 明 ， 过多地使用 硅 石 从而加大了渣量 没 有显示 出促进〔 〕升高的作用 。 在 另一 个小 型试验炉 中发现 ， 使用 无 渣操作 也能保证 的还原 ， 而对高炉顺行 十分有利 。 山 送风制度及装料制度 试验表 明 适 当发 展 中心 气流 ， 保证足够 的鼓风动 能是很重要的 。 冶 炼中鼓 风 含 氧 达 一 ， 故应 适 当减小风 口直径 。 另外 〔 〕 是 在风 口带 以上被 还原的 ， 当〔 〕下降到炉缸 经 过 渣 层 ， 又将部分 还原 成〔 〕 ， 即发生祸合反应 。 欲 使〔 〕充分还原 ， 需在软 熔带造 成良 好的液 态金属 吸 收 的 条件 ， 因 为 较为 发 展 的 中心 气流 ， 造成适 当的高尖峰形 倒 型软熔带 ， 使滴落面积增大 ， 有利 于 的 还原 。 从高炉 顺行 来看 ， 足够的 鼓风动 能可使 炉 缸 工作 均 匀 ， 从而减轻炉缸堆积 。 合适的 冶 炼强度 维 持在 一 。 · 昼夜 。 装料 制 度为 全正装 。 吧 口 山 土 一 ‘ ” 。 ’ ‘ ‘ 鸟攀黔一 芬 ， 七 图 渣喊度与粘度 的关系 几个特殊的操作问题 弓 炉缸堆积 炉缸堆积 曾一度妨碍试验冶 炼的正常进行 ， 高 炉冶炼硅锰合金 的炉 渣 粘 度并不高 ， 因为 渣 中含有 一 的 。 实验室测定 ℃ 时 渣粘 度在 以下 。 但 是 分 析 认为这种炉渣稳定性差 ， 由于 还原量 有很 大波动 ， 造 成炉 渣碱 度 相应 变化 ， 同时 由于