冶炼硅铁工艺设计

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1、攀枝花学院学生课程设计（论文）题 目冶炼硅铁工艺设计学生姓名：邱江 学 号：200811103052所在院（系）：材料工程学院专业：冶金专业班级：08冶金有色班指导教 师：苟淑云 职称： 教授2011年6月6日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目冶炼硅铁工艺设计1、课程设计的目的使学生融会贯通相关专业课程理论知识，培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问 题的能力，从而加深对所学理论知识的理解、掌握与应用。本课题是为了使学生了解硅铁的 生产原理、主要原料及工艺。2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）1）生产硅铁的基本工艺和主要工艺参数；预计所需的主要原

2、材料种类及数量，主要产品 成分等。可以与进行物料平衡和热平衡计算的同学一起商定有关参数。2）提交30005000字的设计说明书，在说明书中须按规范注明设计的依据及主要参考 文献；3、主要参考文献1 李春德.铁合金冶金学冶金工业出版社.2 刘卫.铁合金生产.冶金工业出版社.3 袁熙志.冶金工艺工程设计冶金工业出版社.4 张承武.炼钢学（下册）冶金工业出版社.4、课程设计工作进度计划第十六周：对选定题目进行分析，查阅相关文献资料，做好原始记录，确定相关参数。第十七周：撰写课程设计说明书，并进行修改、完善，进行课程设计答辩，提交设计说明书。指导教师（签字）日期年 月 日教研室意见：年 月 日学生（签

3、字）：接受任务时间：年 月 日注：任务书由指导教师填写。课程设计（论文）指导教师成绩评定表分值得分工 作 表 现 20%度 态 习mm03量能 力 水 平 35%ZELd独列息 能较信案 方 力 匕匕 厶冃Ld亦清 駅路 i 田思 毎研 T 安g数 方， 验作 实工 跖实熱 确等完 正作、 能操晰E怖技 ml/匕匕AB 结析力 厶乂匕匕77厶冃 实合析 卖综分 算济 计力经 寸匕匕R X厶冃才O1成果质量45%E篇化 量规 质XJ氏仑 纟十 图 或计 /|尽又图、度 插幅程5本 合 符 化 范 规 要O 关求 相頂量 质一韓 解IF 见验 有宀头 完合 练谨 简严 述论 综结新 创O 解 见

4、特 独 有 或指导教师评语日 月 年 导 指1 前言1.1 硅铁简介铁合金是指一种 或几种以上 的金属或非金属元素于 铁组合成的合金，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。【 1】1.2 硅铁的冶炼简介硅铁是以 焦炭、钢屑、石英(或 硅石)为原料，用电炉冶炼制成的。传统 炼制硅铁时， 是将硅从含有 2 的硅石中还原出 来。冶炼硅铁大多使用 冶金焦 作还原剂，钢 屑是硅铁的调节剂。2 原料2.1 原料及其要求2.1.1 含硅原料及其要求含原料一般采 用 SiO 含量很 高的石英和石英岩 ( 通称为硅石)。表 1

5、为各2种硅石的质量 和物理性能。用于冶炼硅铁的硅 石必须符合下列各项要求：(1) SiO 含量大于 97%2(2) 有害杂质含量低。硅石中主要 杂质 AlO ，MgO,CaO,P O 和 FeO 。除2 3 2 5 2 3FeO 外，其他氧化物 均是有害物质，其中 PO 必须小于 1%， CaO 和 MgO 之和 2 3 2 5也应小 于 1.(3) 有良好的抗爆性。(4) 有一定的粒度 。硅石的粒度根据电炉的容量 、工作电压 、硅石个所用 还原剂的性质以及操作水平确定，一般大型电炉的硅石入炉粒度为40 120mm，小型电炉为2580mm。表 1 各种硅石质量的物理性能品种SiO2FgCaOM

6、gO灼烧 -物理性能强度搞繰性熔点严：秣归97.460.770.450,270.130.68校好较好1750合川97.090.90.560.360.190.66般-JK1730江津96,780.870.780.410.160.79般一般1 700-1 730彭水97.180.860.590.320.180.66差差17002.1.2 炭质还原剂及其要求铁合金生产中，用的最多、最广且价格 最最便宜的还原剂是炭质还原 剂 硅铁生产所用的炭质还原剂主 要为冶金焦，其主要理 化性能指标 要求如下表 1.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%，SiO

7、约 25%， MgO 约 1.0%，Al O 0.4%,P O 8214360.6120030 543203 冶炼设备3.1 变压器与断网炉用 变压器将从 电网获取的 高压电、小 电流转换成 符合冶炼的 低电压、 大电流, 经短网、铜瓦送到 电极后, 转化为炉内所需热能。短 网的阻抗对节 电和有效利用 电能影响很大。短网的合理布置及结构 ,对提高功率因数和电效 率 ,降低电能损失有重要意义 。短网应尽量降低各导电 部位的长度和通电后的 温度, 温度越高导体电阻越 大, 新的电炉设计逐 步趋于用通水 导电铜管替代 铜排。3.2 电极把持器系统电级把持器是 炉内最重要的部件之一 ,它与电极压放、

8、升降装置及铜瓦等 一起保证电炉 的送电、负荷调整 、电极下放等 。由于该设备的烟罩内 ,全部构 件包括 液压、水路、 绝缘等都处在 高温区 , 承受高温幅射 气流的冲刷 , 工环 境极为恶劣 , 特别是“ 刺火”时, 受到更 高温度气流的冲刷。3.3 烟罩在生产时 ,冶炼工艺要求电极 极心圆在炉料作用下仍能保持稳 定的尺寸。 现设计的矮烟罩, 较过去的高烟罩不仅有利 于烟气回收 , 而且对固定电极柱 , 稳定极心圆直径也很有作用。目前多采用水冷钢骨架，内顶部和侧面焊有Y型 铆钉,喷涂耐热高温混凝土或 耐火材料, 其使用寿命长、 维修量小。3.4 炉体设备炉体包括炉壳 和炉衬。炉衬要承受高温电弧

9、和 电流的冲刷及炉渣侵蚀。 直接与电弧和 铁水接触的炭砖最易氧化 ， 因此炉壳不仅有足 够的强度 ， 而且 必须非常严密 。3.5 液压系统液压控制和驱 动是电炉实现自动控制的重要保 证。新设计的系统采用箱 体阀块集成化 的模式 ， 大大 简化管路布置， 整个结构紧凑 ， 便于安装检修。阀件 工作面和接头经过特殊处理 ， 耐磨无泄 漏 ， 工作十分可靠 ， 为工艺操作提供了保证 3。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

10、 气体通过料层从路 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 冶炼机理冶炼硅铁总的反应方程式为SiO2 +2C- Si+2C0 TAG = 167 400 - 86.40 T7*开=1 938 KSi + Fe = SiFeAC0 x - 28 500 - 0. 64 7实际上硅铁反应 机理是非常 复杂的，尽管研究者们 提出来的还原机理不 完全相同，但有几点公认是无 疑的，即在冶炼过程中 有中间产物 碳化硅和一 氧化 硅产生，而 且在碳化硅和 一氧化硅的 生成与分解 在二氧化硅 的整个还原 过程中起着重 要作用。在较低温度下，二氧化硅与碳作用：SiO

11、2 + C = SiC +2CO f = 67 03543. 89 T开=1 523 K在较高温度下，二氧化硅被还原成一氧化硅：SiO2 + C = SiO + 2C0 t G=159 600 -77*94 T71 开=2 048 K而且碳化硅在高温下因二氧化硅和一氧化硅的存在而被破坏：2SiC + S1O2 =3Si+2COf q 二 97 380 - 47, 64 rTjp = 2 043 K SiC + SiO = 2Si +CO t AG0 = 49 150 - 24. 59 T T开=1 999 K铁存在时对SiO的还原过程有很大的影响，把铁反应出来的硅溶解，使2 硅脱离反应区，还加

12、速 了 Si 反应的进行，同时铁与硅 生成稳定的化合物硅化 铁（SiFe）,并放出一定的热量，使二氧化硅 的还原温度降低。另外中间化合物 碳化硅被铁破坏（Fe+SiC二SiF+CA Go=99OO-9.14T T =1083K），结果使硅的开生成容易些 4。从以上的分析中 可以看出， 生产中控制还原剂的加 入量是很重要的。还 原剂过多，会 使 SiC 生成量增加，使炉底积存的碳化 硅越来越多。反应还原 剂过少， SiO 不能充分地还原，价低 了硅的回收率 5。24.3 合金成分的控制合金含硅量越高 ，要求还原 温度就越高，对原料质 量性能和炉况操作维 护要求更高，由于硅石质量性 能较差，难以保

13、持较高 的炉温，还 原反应速度 与炉料融化速度 不匹配而恶化 炉况。为了加快还原反 应速度，增 加配铁量降 低硅的还原温度，因此合金含硅量按75%硅铁国际下限控制，即按72W Si W 74%范围操控。4.4 冶炼操作为了减少炉况波 动，统一操 作，坚持混 合料加入， 维护电极稳 定，加强 炉料均匀透气， 保持较大坩埚 ，避免生料进入坩埚内 造成三相负 荷不平衡， 热量分布不均 ，降低反应速度。在配电操作中， 须密切关注 炉况。正常情况下，电 极电流几乎全部进入 坩埚区，支路电流占很小比例 ，因此在配电时必须关 注三相电极 电流和对地 电压的平衡 ，通过观察电极周围火焰和 沉料情况判断该相电极

14、放弧做 功好坏， 若对放弧做功差的某项电极急 于下插来增大做功，这 样只会增加 支路电流， 增加热损失，而对进入坩埚坩 埚区得功率增加很有限 ，应准确分 析原因，如 电极结渣或大量 生料进入坩埚 区，及时与电炉操作工 联系加以处 理。保持三 个坩埚稳定良好的放弧做功状 态，保持较高的反应区 温度，达到 稳定良好的 炉况 6 。5 硅铁生产中杂质元素的控制5.1 铝的控制方法5.1.1 精料入炉还原剂采用低灰分（W 10 % ）的蓝炭。在转炼的头一个班就全部使用蓝 炭,减少灰分中Al2O3的带入量。5.1.2 炉外精炼按要求的铝含量, 出铁后, 按一定比例加入氧化性四元渣即: SiO 一2 Ca

15、O 一 CaF 一 Fe0 系低熔点四元渣 , 并加顶吹氧 进行炉外精炼 , 吹氧压力 W 5 k g为宜。5.1.3 中频炉生产 （重熔法）由于在炉外顶吹精炼 吹氧时, 在没加装中 间包及更先进 精炼设备时 , 铁 水温度损失大, 铁损多, 生产更低铝含 量的硅铁就较为 困难, 所以该公司就 采用中频炉进行生产:在保证温度的前提下, 进行二次精炼, 进行更进一步 的脱铝操作，能使合金中Al W 0 . 1 %。5.2 钙的控制方法（1）入炉硅石需洗选干净 ， 尽可能地把混人硅 石中的杂石、风化石挑选干 净 ， 减少其带入量（2）由于各元 素和氧的亲 和力强弱顺 序为 : C、Ca、Al、Si

16、、Fe， 硅铁中 杂 Ca、Al 对氧的亲和力大于 Si、Fe ， 所以硅铁中杂质 Ca 、Al 会优先于 Si 和Fe氧化生成CaO和。所以在必要的情况下可采用吹压缩空气或氧气 进行脱钙处理 。一般硅铁生产过程中， 只要能把混入硅石中的杂石、风化石挑选干净， 合金中 含钙量就能控 制在 0.5 % 以 下， 如客户需要更低 钙含量的硅铁 ， 就可 采用炉外精炼 （ 吹氧和压缩 空气）的方法进行 处理。5.3 碳的控制方法5.3.1 控制浇铸温度碳在硅铁合金 中的溶解度随温度降低而减少 。碳在固相硅和硅化 物中的溶解度是相 当有限的， 在液态合金中碳的溶解度 随着温度升高而增加， 所以浇铸温度

17、的控制对合 金中碳的含量有直接关系。资料表明，浇铸温度低于1 5 5 0 C ,可使碳化物 尽可能多地析出。常 用的降温方法有镇静、倒包和摇 包处理等。5.3.2 合理控制用碳量在硅铁生产过程中 , SiC 的生成和分 解是一个重 要的因素。当 炉子上部 温度大于1500 C时则发生以F反应：4 C + 2 SiO = 2SiC+2CO t而炉子下部温 度大于 1800C 时, 则发生 SiC 分解反应 , 即： 3SiO + 2SiC 二 Si +4SiO+ 2CO t2 所以在生产过程中控 制还原剂的加 人量很重要 , 还原剂过多,会使 SiC 生成 量增 加, 从而造成合金中 碳含量增加

18、 。为此在生产 中还原剂的加 入量一定要 合适。5.3.3 炉外精炼(1) 吹氧降碳由于 碳极易与氧结 合, 吹氧几乎能使 全部游离的 碳迅速与氧结 合并析出 硅液。 在吹氧过程中 , 不但 加强氧与游离 碳的迅速结合 , 也加 强了合金的搅 拌 , 改善了碳化物的析出条 件, 使碳人物能 迅速析出液面。(2) 重熔降碳碳化硅与硅铁 密度相差较小 (SiC：3.21g/cm3、75SiFe：3.5g/cm 3),弥散在 合金中的碳化硅析 出速度较慢 , 有相当一部分聚集 在晶界。重熔 合金时这一 部分碳化硅进 一步聚集, 使颗粒变大, 从而使 SiC 的上浮条件更为有 利, 合 金中碳含量得到

19、进 一步降低。此 方法在该公 司中频炉上得 到验证, 能使硅铁 合金中碳含量 降到 0.03%以下。(3) 防止外来污染在硅铁镇静过程中 ,采用锯未、蔗渣及 干稻草进行 保温, 禁止使用焦 粉, 严禁使用石墨 粉涂刷铁水包和锭模内壁 ,避免合金增碳 7。6 硅铁牌号及用途6.1 硅铁牌号和化学成分硅 铁按硅及 其杂质 含量，分 为十六 个牌号， 其化学 成分如表 3 ：(根据 GB2277-87 )表 3 硅铁牌号和化学成分牌号化学成分SiAlCaMnCRPSC范围不大于FeSi90Al1.587.0-95.01.50.50.40.20.040.020.2FeSi90Al387.0-95.03

20、.00.50.40.20.040.020.2FeSi75AllO.5-A74.0-80.00.51.00.40.30.0350.020.1FeSi75AllO.5-B72.0-80.00.51.00.50.50.040.020.2FeSi75Al1.0-A74.0-80.01.01.00.40.30.0350.020.1FeSi75Al1.0-B72.0-80.01.51.00.50.50.040.020.2FeSi75Al1.5-A74.0-80.01.51.00.40.30.0350.020.1FeSi75 A11.5-B72.0-80.01.51.00.50.50.040.020.2Fe

21、Si75 A112.0-A74.0-80.02.01.00.40.30.0350.020.1FeSi75 A112.0-B74.0-80.02.01.00.40.30.040.020.1FeSi75 A112.0-C72.0-80.02.00.50.50.040.020.2FeSi75-A74.0-80.00.40.30.0350.020.1FeSi75-B74.0-80.00.40.30.040.020.1FeSi75-C72.0-80.00.50.50.040.020.2FeSi6565.0-72.00.60.50.040.02FeSi4540.0-47.00.70.50.040.026.

22、2 硅铁的用途(1)硅和氧很容 易化合成二氧 化硅。所以硅铁 常用于 炼钢作脱氧剂，同时由 于 SiO 2生成时放出大 量的热，在脱氧同时，对提高 钢水温度也是有利的。硅 铁作为合金元 素加入剂。广泛用于低合金 结构钢、合结钢、 弹簧钢、轴承钢、 耐热钢及电工 硅钢之中，以外硅铁在 铁合金生产及化学 工业中，常用作 还原剂。 含硅量 达 95%-99% 。纯硅常用制造单 晶硅或配制有色金属合金。(2) 硅铁在钢工业、铸造工 业及其他工业生产中被广 泛应用。硅铁是炼钢工 业中必不可少的 脱氧剂。炬钢 中，硅铁用 于沉淀脱氧 和扩散脱氧 。砖坯铁还 作为合金剂用于 炼钢中。钢中 添加一定数 量的硅

23、，能 显著提高钢 的强度、硬 度和弹性，提高钢的磁导率，降低变压器钢 的磁滞损耗。一般钢中含硅 0.15%-0.35%，结构钢中含硅 0.40%1.75% ,工具钢中含硅0.30%1.80%, 弹簧钢中含硅0.40%2.80%，不锈耐酸钢中含硅3.40%4.00%，耐热钢中含 硅 1.00%3.00%，硅钢中含 硅 2%3%或更高 。(3) 高硅硅铁或硅质合金在 铁合金工业中用作生产低 碳铁合金的还原剂。硅 铁加入铸铁中可 作球墨铸铁的 孕育剂，且 能阻止碳化 物形成，促 进石墨的析 出和球化，改 善铸铁性能。(4) 硅铁粉在 选矿工业中 可作悬浮相使 用，在焊条 制造业中作焊 条的涂料； 高

24、硅硅铁在电气 工业中可用制 备半导体纯 硅，在化学 工业中可用 于制造硅酮 等。(5) 在炼钢工业中，每生产一吨钢大约消耗35kg75%硅铁。7 结论硅铁产品作为 钢铁和金属镁等工业的重要原材 料， 在国民经济建设中发 挥着重要作用。 炼钢工业、铸 造工业和铁 合金是硅铁 的最大用户 ，他们共消 耗 90% 以上的硅铁 ，在钢铁中 ，硅铁用作 脱氧剂和合 金剂，在铸 铁工业中用 于孕 育剂和球化 剂，在铁合金 生产中用作 还原剂。硅 铁产品的冶 炼工艺决定 了需要消耗大 量的电能，每生产 1 吨硅铁 耗电大约在 8500-9000kWh 之间， 电耗所占成本的 比重为 70%左右。因此， 为了

25、提高我 国硅铁的国 内外市场竞 争力，在硅铁生产过程中 ，要不断探索和总结冶炼工 艺技术， 通过技 术改造 工艺创新、精料 入炉、精心操 作等手段， 不断降低能 源消耗，特 别是电力消 耗，从而达到 降低生产成本的目的，以提升我 国硅铁的国际竞争力。参考文献1曹忠萍. 硅铁合金生产工艺. 江西：新余钢铁有限责任公司.1997.10.52 李春德.铁合金冶金学M.北京：冶金工业出版社，2006.3 陈树太 . 前述硅铁生产设备与工艺的关系 A. 永登：腾达西北铁合金有限责任公司 . 2005（6）4 赵乃成，张启轩.铁合金生产实用技术手册M.北京：冶金工业出版社，2003.浩军，尹祖平.提高硅产品质量和降低电电耗的途径B.包头：包钢（集团）公司设计研究院. 包头：稀土研究院. 2009.11 （35）6向天虎，陆雪生.硅铁生产节能工艺措施B.重庆：鑫腾冶金炉料有限责任公司.2004（6）陈琪，郑毅等.硅铁生产中的杂质元素的控制B.德昌：德昌铁合金（集团）有限责任公司. 2006（5）