炼钢铁水中硅的来源

D0I:10.13374/j.iss1001-053x.1990.0M.018 第12卷第4期 北京科技大学学报 Vol,12 No,4 1990年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju1y1990 炼钢铁水中硅的来源 宋建成·丁汝才 摘要：在前人研究的基础.上，用实验模拟高炉滴落带的方法，对硅的还原过程中目前 尚未清楚的〔Si门的主要来源问题进行了研究，确定了焦类灰分中SO2是炼钢生铁中 [S)的主要来源，并在实验条件下，定量得出灰分中SO2对铁水中〔S门的贡献大约 占70%左右。 关键词：低纸硅铁，谪落带，软熔带，硅 The Silicon Sources in the Hot Metal Song Jiancheng'Ding Rucai ABSTRACT:On the basis of the previous experimental results on low silicon iron,the sources of silicon in the hot metal have been studied by means of the dropping zone method.It is concluded that silica in the coke ash is the predo- minant source of silicon of the pig iron for steelmaking,and about 70%silicon in the hot metal is from coke ash under the experimental conditions. KEY WORDS:low silicon iron,dropping zone,softening melting zone,silicon 高炉冶炼低硅生铁，是目前提高炼钢精炼效果和降低能耗的重要措施之一。铁水含硅量 的高低已成为人们评价高炉操作水平的一个重要指标，控制铁水中〔S)含量达到炼钢所要求 的任意水平，是炼铁工作者追求的一个目标。为此人们很早就开始对高炉内硅的还原进行了 大量研究。现在最为人们所接受的观点是：首先焦炭灰分和炉渣中的SO:在风口以上的高 温区被还原成$O气体后随煤气流上升，在滴落带与下落的铁滴相遇，被铁液中的碳还原而 进入生铁1，即： SiO,(焦炭灰分和炉渣中)+C(8)=SiO(e)+CO(a) (1) 1989-03-13收稽 ·饴金系(Department of Metallurgy) 309

卜 第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 炼钢铁水 中硅的来源 甲、几 宋建成 ‘ 丁 汝才 、 、 摘 要 在 前人 研 究 的基 础上 ， 用 实 脸模拟 高炉 滴落带 的 方法 ， 对 硅 的 还 原过 程 中 目前 尚未 清楚的 〔 泊 的主要来 源 问题进 行 了研 究 ， 确定 了焦 炭灰 分 中 宝 是 炼 钢 生 铁 中 〔 泊 的 主要 来 源 ， 并在实 验 条件下 ， 定 量 得出 灰分中 对铁水 中 〔 〕 的贡献大约 占 左右 。 关键 词 低 硅 铁 ， 滴落带 ， 软 熔带 ， 硅 、 、 。 夕 ’ 拄 夕 拄夕 “ ， 扭 主 · ， ， ， ， 高炉冶炼低 硅生铁 ， 是 目前 提高炼钢精炼效果和降低 能耗的重要措施之一 。 铁水含硅量 的 高低已成 为人 们评价高炉操作水平 的一 个重要 指标 ， 控制铁 水中〔 〕含量达到炼钢所要求 的 任意 水平 ， 是炼铁工作者追求的一个 目标 。 为 此人 们很早 就开 始对高炉 内硅的还原进行 了 大量研究 。 现在最为人们所接 受的观点是 首先焦炭灰分 和炉渣 中的 在风 口 以上的 高 温区被 还原成 气体后随煤气流上升 ， 在滴落带与下落的铁 滴相遇 ， 被铁液 中的碳还原而 进入生铁 〔 ‘ ’ ， 即 焦 炭灰分和炉渣 中 。 〕 。 ‘ 一 一 收 稿 冶金系 垃 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．04．018

SiO(s)+〔C]=〔Si)+CO(g) (2) 在硅的还原过程中，SO气体起着非常重要的作用，弄清反应式(1)中SO2主要是来自 焦炭乐分还是来自炉渣，这对子控制高内非的还原是非常重要的，放对此内容进行了初步 的研究。 1实验设备、材料与方法 1.1实验设备 实验用容量为7.5kVA的钼丝炉，采用DWT一702型精密温度控制器自动控温，高温 表1实验用生铁主要成分 Table 1 Main compositions of the pig iron tested 成分，% Si Mn 杭钢生铁 0.14 0.62 0.038 首钢生铁 0.59 0.17 0.023 表2实验用焦炭主要成分 Table 2 Main compositions of the coke tested 成分，% 灰分 灰分中SiO, 定铜风口焦 13.63 35.06 杭钢焦炭 13.96 44.92 区△T≤4°C,实验用的CO是由煤气发生 图1实验装置的局部意图 1美管2铁水3石最坩埚4刚五答 炉制得。 5焦炎6热电偶7刚天管8钥丝 1.2实验材料 Fig.1 Partial schematic diagram of the apparatus 实验用渣为宝钢一高炉炉渣，其成分是： 40.74%Ca0,33.9%Si02,14.40%A1203, 7,78%Mg0。实验用生铁有杭钢和首钢尘铁两种，成分见表1多焦炭采用宝钢高炉风口区取 出的试样焦利和杭钢焦炭二类，成分见表2。 1.3实验方法 实验装置局部示意图见图1。实验用下部坩埚内径50mm,上部坩埚内径中30mm,底 部开有一直径φ5mm的小孔，将粒度为10~15mm的焦炭颗粒放进下部坩埚至实验要求高 度，置于组丝炉高温区；子下部通入Ar气，到实验温度1600°C后，从插入焦炭层内的 石英管内通入CO'体，使其中熔化后的铁水从小孔滴下，穿越焦炭层到达坩埚底部，从铁 液滴完开始记时，5m后取出坩埚空冷，并将由坩埚下部的铁液冷却得到的铁样化验分 310

。 〔 〕 〔 〕 在硅的 还原 过程 ， ， ， 气体起 着非常重 要的 作 用 ， 弄请反 应 式 中 主 要是 来 白 焦炭 灰分 还是 来 自炉 查 ， 这 对于 控 制 高炉 内硅的还原是非 常重要 的 ， 故 对此 内容 进 行 了初步 的 研究 。 实验设备 、 材料与方法 实验设备 实验 用 容量为 的 铂 丝 炉 ， 采 用 一 型 精密温 度控制器 自动控温 ， 高 溢 表 实 验 用生 铁主 要成分 尸 成分 ， 杭钢生铁 首钢生 铁 。 。 。 。 ， ， 表 实验 用焦 炭 主 要成分 成 分 ， 灰 分 灰分中 宝 钢风 口 焦 杭钢焦 炭 。 。 。 连 。 图 实验 装置的局 部示意图 石英 瞥 铁水 石 墨柑 祸 刚五 管 焦 炭 热 电 偶 刚 玉管 铂丝 区 △ ， 实验 用 的 是 由煤气 发 生 炉制 得 。 实验 材料 实验 用渣为 宝钢一 高炉 炉渣 ，其成分 是 。 纬 ， ， 。 ， 吓 。 实验 用 生铁 有杭钢 和 一 首钢生铁 两种 ， 成分 见 表 焦炭采用宝钢高炉风 口 区取 出的 试样 焦和 杭 钢焦 炭二 类 ， 成分 见 表 。 。 实验 方法 实验装置 局 部示 意图见 图 。 实验 用下 部增塌 内径 价 二 ， 上部增 祸 内径 梦 ， 底 部开 有一 直径 沪 的小 孔 ， 将 粒 度为 一 的焦炭 颗拉放 进 下部增 祸 至 实验 要 求 高 度 ， 置于铂丝 炉 高温 区 炉 子 下部 通入 气 ， 到 实验 温 度 “ 后 ， 从擂入 焦 炭层 内的 石英 管内通 入 气 体 ， 使 共 熔 化后 的铁 水从小 孔滴下 ， 穿 越焦炭层 到 达琳 祸底部 ， 从铁 液 滴完开 始 记时 ， 后 取出晰 涡空 冷 ， 并将 由柑 祸 下 部的 铁液 冷 却 得到 的 铁 样 化 验 分

析。另一组实验是模拟渣铁同时穿过焦炭层的情况，实验是在放小铁块之前先将炉渣滴下， 然后谪铁，其它步骤完全相同。 2实验结果与讨论 2.1实验结果与分析 现将实验条件与结果列于表3，关于其中〔S)来源的比例这一项的计算，是在同一焦炭 层高度、温度和CO流量相同的条件下，比较有炉渣和无炉渣存在两种情况下的增硅（△S) 情况，当铁水单独在焦炭层中滴落时，铁中增硅应完全归因于焦炭灰分，此时炉渣的作用记 为零，而当渣铁同时滴落时的增硅量与前者的差值则应归因于炉渣中SO2的贡献。则在同 一温度、焦炭高度和CO流量条件下： 炉渣对铁水含6SD贡献比例=5D?二D:×100% 〔%Si)2-〔%Si)。 (3) 式中〔%Si)。一初始生铁含〔Si)量。 C%Si)1一无渣时铁水含〔S)量，〔%Si门2一一有渣时铁水含〔S)量。 表3S还原反应实验结果 Table 3 Experimental results of the reactions △Si来源比例 编号 焦炭类别 焦炭层高度 CO流量 增Si贤 (mm) (1/min) (%) 焦炭灰分 炉 盗 01 50 是 0.61 02 50 9 0.74 82.4% 17.6% 03 宝 100 0.75 04 锅 100 0.8 0 风 100 2 1.08 72.2% 27.8% 06 100 0.91 82.4% 17,6% 07 焦 100 单 0.91 82.4% 17.6% 08 炭 150 单 0.54 一 09 150 0.52 78.3% 了21.7% 10 150 2 0.69 、75.4% \24.6% 00 100 1 0.63 一 11 100 1 0.56 12 杭 150 1 0.95 13 锅 150 1 1.14 83.3% 16.7% 14 焦 100 0.10 15 100 0.13 76.92% 23.08% 16 炭 :40 1 0.12 17 140 1 0.15 80% 20% 比较实验03、04、05、06、07与01、02可看出，在其他条件相同的情况下，随着焦炭层 高度的增加，无论是有渣的情况还是无渣的情况下，铁水中〔%S)含量都迅速地增加。宝钢 311

气、 析 。 另 一 组实验是模拟渣铁 同时穿过焦炭 层的情况 ， 实验是 在放 小铁块之前先将炉渣滴下 ， 然后滴铁 ， 其它 步骤完全 相 同 。 实验结果与讨论 。 实验结 果 与分析 现将 实验 条件与结 果列于 表 ， 关 于其 中〔 〕来源 的 比例这一项 的 计算 ， 是 在同一焦炭 层高度 、 温度 和 流 量相 同的 条件下 ， 比较 有炉渣和无炉 渣存 在两种情况下的增硅 △ 情况 ， 当铁 水单独 在焦炭 层中滴落 时 ， 铁 中增硅应完全 归 因于焦炭灰分 ， 此 时炉渣 的作 用记 为 零 ， 而 当渣 铁 同时滴落 时的 增 硅量与 前 者 的差值则应归 因于炉 渣 中 的 贡献 。 则 在 同 一温度 、 焦 炭 高度和 流量 条 件下 炉 渣对铁 水含 〔 〕贡献 比 例 〔 〕 一 〔 〕 〔 〕 一 〔 〕 。 式 中〔 〕 。 － 初 始生铁含 〔 〕 量 。 〔 〕 － 无 渣 时铁 水含〔 〕 量 ， 〔 〕 － 有渣 时铁 水含〔 〕 量 。 表 还 原 反 应 实 验 结 果 △ 来源比例 编 号 焦 炭类别 焦 炭 层高度 流量 增 量 焦 炭灰分 。 。 。 。 。 。 。 环 钢焦炭宝风口 八﹄︸﹄ 曰口丹任舀一了只曰三，一﹄‘ ‘ 了 。 又 。 厂 。 肠 飞 韶 八甘日︸﹄︸︺﹄︸ ， 匕匕八工甘︺一 “ 山上，，︸ 。 上，山︸口亡一曰任合几一 … 二上‘，上，几土， ，﹄︸甘工﹄ 八︸”内︸﹄﹄ 占上，土上生 ︹﹃︸口甘︸﹄ 钢焦杭炭 曰，‘︸ 一 。 一 比较 实验 、 、 、 。 、 与 、 可 看出 ， 在其他 条件相 同的情况下 ， 随着焦炭层 高度的增加 ， 无论是有渣 的情况 还是 无渣 的情况下 ， 铁 水 中〔 〕含 量都迅速地增加 。 宝钢 李

高炉风口焦焦炭层高度与生铁〔%Si)含量关系见图2。比较14、15、00、11及16、17可得到 同样的结论。 这主要是因为随焦炭高度的增加，下落的铁滴与上升的SO气体有较长的反应接触时 间。 1.8 ●With slag 1,8 ●With slag o'No-slag o No-slag 1.6 1,6 1.4 1.4 1.2 1.2 1.0 0.8 50 100150200 1.0 H,mm 50 100 150 ,mm 图2焦炎层高度与生铁〔%Si门含量的 图3C021/min抗钢焦炭丛高度与生铁〔%Si门 关系（宝钢风口）C0:21/min 的关系 Fig.2 Relation between coke bed height Fig.3 Relation between coke bed height with silicon content in hot metal, and silicon content in hot metal, CO:2 1/min CO,21/min 比较图3与图4，可以明显地看到，CO流量2/min时的增(Si)速率远比CO流量1l/min 时要大得多。总之随着CO气体流量的增加，SO2还原成SiO的量随之增加(2)，图52)是 0.4 40 .With slag 2 i/min o No-slag ●4l/mi 30 0.3 中 米 20 色 0.2 0 0. 50 100 150200 0 20 40 60 H,mm min 图4CO11/min杭钢焦：炎层高度与铁水〔%Si) 图51800C时，CO流屉对焦炭中么Si的影响 的关系 Fig.5 The effect of carbon monoxide Fig.4 Relation between coke bed height f1owon△Siat1800°C and silicon content in hot metal, CO:11/min 312

高炉风 口 焦焦炭层 高度与生铁 〔 〕含量关系见 图 。 比较 、 、 、 及 、 可 得到 同样的结 论 。 这 主 要 是 因为随 焦 炭高度的增 加 ， 下 落的铁 滴与上 升的 气体 有 较 长 的 反 应接 触时 间 。 声洲尸 一 ， 「’ 犷 。 。 芝 【 才一 工，立 只︸﹄ 。 洲声 ， 图 焦 炭层高度 与生 铁 〔 〕 含量 的 关 系 宝 钢风 口 焦 ， 万 ， 】用 人‘上，，上 ‘︸ 次 ‘ ︹巴﹃ 图 抗钢焦 炭层高度 与 生 铁 〔 约 的关系 ， ， 尸洲 比较 图 时要 大 得多 。 与 图 ， 可 以 明显 地看到 ， 流 量 时的增 〔 〕 速 率远 比 流 量 。 总 之随 着 气体流 量的增 加 ， 还 原 成 的 量 随 之增 加 〔 ’ ， 图 〔 〕 是 尸 的东 一‘ ︺ 一 、 一‘ 口口 一 工 白，一 洲洲尸 户 卜 ， 万 ， 丁 ， 图 杭 钢 焦 炎层高度 与铁 水 〔 〕 的 关系 ， 图 。 。 。 时 ， 流呈 对 热 炭 中△ 的影响 卜 △

1800℃，CO流量对焦炭中SiO2挥发量的影响，也是随着CO流量的增加，焦炭中SiO2挥 发加快，因此与本实验结果一致。 对最关心的〔S的来源问题，可以从表3的最后儿行中看出，在本实验条件下，焦炭灰 分中SiO:应该是铁水中〔S)的主要来源，渣中SiO,对铁水中〔Si)的贡献，大约只占30% 左右。 从本实验看，即使焦炭层高度和CO流量发生变化，如果温度不变的话，则炉渣和焦炭 灰分中SO2对铁水中〔S)的贡献之比例也基本上保持恒定。实验结果证实了大家的猜测，即 铁水中〔S门的主要来源是焦炭灰分中的SO2。同时也不可忽视炉渣的作用，因为本实验的温 度条件只有1600℃，而生产的实际高炉风口高温区远远超出1600℃，故炉渣在炉缸挥发的 SO气体就比本实验中的结果可能要高得多，特别是对于炉缸温度高、炉渣碱度低的情况下， 渣中SO2对铁水中〔%S)含量的相对比例将可能会大大地提高。 2.2焦炭灰分中Si02参加反应的有利条件 对于反应式(1)，如果是焦炭灰分中的SO2参加反应，SiO2是何种状态参加反应不 十分清楚。很多文献认为SO2是以固态参加反应的，但是近期的资料认为，SO2参加反 应是在风口附近先成渣，也就是说以液相形式参加反应3)。我们认为后者更为切合实际一 些。因为风口区温度高达2000℃以上，超过了SO2的熔点1723℃，况且灰分中还有其它 氧化物存在，从CaO-MgO-SiO2-A12O3四元相图来看，其熔点低于1500℃，而高炉初渣 明显地形成始于软熔带，可见在风口以上，焦炭灰分中的氧化物早已成为熔融状态的物质。 从焦炭的显微结构照片可以看出，很多大小不同的矿物弥散状态分布于多孔疏松的炭基 体上，SO2常同灰分中主要成分之一的A1203结合在一起，由于焦炭灰分中其它碱性氧化物 含量低，使得灰分中SO2的活度很大，几乎近似于1.0，而且SiO2与C接触条件又紧密，故 焦炭灰分中SiO2被还原的条件将优先于渣中SiO2。 2.3生产实际高炉取样对实验结果检验 作者于1987年5~6月在杭钢生产高炉上进行了风口区铁取样的研究4？，并以此时焦 炭渣铁为例。当时使用的焦炭其灰分为13.97%。灰分成分是：46.19%Si02,34.34%A120,, 7.63%Fe203,1.63%Ti02,3.86%Ca0,1,31%Mg0,0.79%K20与0.04%Mn0。从查 1600℃时CaO一SiO2一A1203的活度图得asi02=0.80~0.90。当时杭钢高炉炉渣成分是： 39.02%Ca0,33.85%Si02,11.95%Mg0,11.90%A1203,此时炉渣1600℃状态下as102= 0.06~0.07。二者的二氧化硅活度相差10倍之多，而且炉渣SO2与焦炭接触条件更不如焦 炭中灰分与炭接触条件好，故灰分中的SO?易于被焦炭中碳还原。再以实验中得到的 70%〔S门来自焦炭灰分这个比例检验风口铁水中含〔Si)量。 杭钢焦炭灰分中SiO2全部还原，并完全被铁水所吸收的情况下，铁水中〔S)可能达到 的最高〔Si)含量为： 焦比×灰分×Si02%×28/10000×60=580×0.1387×0.4619×28/1000×60= 1.76% 当时杭钢从高炉风口水平上取样铁水含〔S门约2.2%左右，计算值1.76%约占实际值 2.0%的70%左右，其余30%应来自炉渣，因此焦炭灰分中SiO2为铁水中〔S)的主要来源的 313

权 、 ℃ ， 流 量对焦炭中 挥发 量的影响 ， 也 是随 着 流 量的增加 ， 焦 炭 中 挥 发加快 ， 因 此 与本实验结 果一致 。 对 最关 心 的 〔 〕 的来源 问题 ， 可 以从 表 的 最后 儿行 中看出 ， 在本 实验 条件下 ， 焦 炭灰 分 中 应该 是 铁 水 中 〔 〕 的 主 要来源 ， 渣 中 对铁 水 中 〔 〕 的 贡献 ， 大 约 只 占 陌 左右 。 从本实 验 看 ， 即使 焦 炭层 高度和 流 量发生变化 ， 如果温 度 不 变的 话 ， 则 炉 渣 和 焦 炎 灰分 中 对铁 水中〔 〕的 贡献之 比 例也 基本上保持 恒定 。 实验结果证 实了 大 家 的 猜测 ， 叩 铁 水 中〔 〕的主要来源是 焦 炭灰 分 中的 。 同时 也 不可忽 视炉渣 的作 用 ， 因为 本实验 的温 度条件只 有 ℃ ， 而生产的 实际 高炉凤 口 高温 区 远远超 出 ℃ ， 故炉 渣 在炉 缸挥 发灼 气 体就比本实验 中的结 果可 能要 高得 多 ， 特 别 是对于 炉 缸温 度 高 、 炉渣碱度低 的情况下 ， 渣 中 对 铁 水 中〔 〕含 量的相对 比 例将 可 能会大 大地提 高 。 。 焦 炭灰分 中 参加 反 应 的有利条件 对于反 应 式 ， 如果 是 焦 炭灰 分 中的 。 参加反 应 ， 是 何 种状态 参加反应 不 十分清楚 。 很多文献 认为 是 以 固态 参 加反 应 的 ， 但是近期 的 资料 认 为 ， 参加 反 应是在风 口 附近 先成渣 ， 也 就是说以液相形 式参加反 应 〔 “ ’ 。 我们 认 为 后 者 更为 切 合实际一 些 。 因 为风 口 区 温度 高达 ℃ 以上 ， 超 过 了 的熔点 ℃ ， 况且灰分 中还有其它 氧化物存 在 ， 从 一 人兔 一 一 。 四 元相 图来 看 ， 其 熔 点低于 ℃ ， 而 高 炉初查 明显地形 成 始于 软熔 带 ， 可见 在风 口 以上 ， 焦炭 灰分 中的氧 化物早 已 成 为熔 融状态 的物质 。 从焦炭的 显微结 构照 片可 以看出 ， 很多大小 不 同的矿物弥 散状态分 布于 多孔疏松 的 炭基 体上 ， 常 同灰 分 中主要成分 之一 的 结 合 在一起 ， 由于 焦 炭灰分 中其它 碱性氧化物 含 量低 ， 使 得灰 分 中 。 的 活度很大 ， 几乎近似于 ， 而且 与 接触 条件又紧 密 ， 故 焦 炭灰分 中 被 还原 的 条件将优 先于渣 中 。 生 产实 际 高炉取样对 实验结 果检验 作者于 了年 一 月在杭 钢生产 高炉上进 行了风 口 区渔 铁取样的研 究 〔 “ ， 并以此时焦 炭渣 铁 为 例 。 当时 使用 的焦 炭其灰分 为 。 灰 分 成分是 。 ， ， 炜 ， 沁 ， 。 线 ， 。 ， 。 写 与 。 从查 ℃ 时 一 一 的活度 图得 。 、 。 一 。 当 时杭 钢高炉炉渣 成分 是 ， 。 ， ， ， 此 时炉渣 ℃ 状 态下 。 。 。 。 。 二者 的 二 氧 化硅活度相 差 倍之多 ， 而且炉 渣 与焦 炭接 触 条 件 更不如焦 炭 中灰分 与炭接 触条 件好 ， 故灰分 中的 易 于 被 焦 炭 中 碳 还 原 。 再 以实验 中得到的 写〔 〕来 自焦 炭灰 分 这个比 例检验风 口 铁 水 中含 〔 〕 量 。 杭 钢焦 炭灰分 中 全部 还原 ， 并完全被铁 水所 吸收 的情况下 ， 铁 水 中 〔 〕 可 能达到 的 最 高〔 〕含量为 焦 比 灰 分 火 。 另 当 时杭 钢 从 高炉风 口 水平 上取样铁 水含 〔 〕 约 左右 ， 计算值 吓 约 占实际 值 的 左右 ， 其余 应来 自炉渣 ， 因此 焦 炭灰分 中 为铁水中〔 〕 的主 要来源 的