冶炼硅铁工艺设计设计

学院

学生课程设计（论文）

题 目： 冶炼硅铁工艺设计 学生： 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 学院教务处制

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学院本科学生课程设计任务书

题 目 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。 冶炼硅铁工艺设计 2、课程设计的容和要求（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3000～5000字的设计说明书，在说明书中须按规注明设计的依据及主要参考文献； 3、主要参考文献 [1] 春德. 《铁合金冶金学》. 冶金工业. [2] 卫. 《铁合金生产》. 冶金工业. [3] 袁熙志. 《冶金工艺工程设计》. 冶金工业. [4] 承武. 《炼钢学》（下册）.冶金工业. 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） 教研室意见： 年 月 日 日期 年 月 日 .

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学生（签字）： 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

题目名称 评分项目 工作 表现 20% 01 学习态度 02 科学实践、调研 03 课题工作量 04 综合运用知识的能力 05 应用文献的能力 06 设计（实验）能力，方案的设计能力 冶炼硅铁工艺设计 分得值 分 6 7 7 10 5 5 5 10 评价涵 遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。 通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。 能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。 能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。 具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。 具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。 能力 水平 35% 07 计算及计算机应用能力 对计算或实验结果的分析08 能力（综合分析能力、技术经济分析能力） 插图（或图纸）质量、篇09 幅、设计（论文）规化程度 10 设计说明书（论文）质量 11 创新 成果 质量 45% 5 30 10 符合本专业相关规或规定要求；规化符合本文件第五条要求。 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。 对前人工作有改进或突破，或有独特见解。 成绩 .

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指导教师评语 指导教师签名： 年 月 日 .

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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

【1】

物理化学性能和机械性能，提高钢和铸件的质量。

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SiO2含量很高的石英和石英岩（通称为硅石）。表1为各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) SiO2含量大于97%

(2) 有害杂质含量低。硅石中主要杂质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1%，CaO和MgO之和

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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25～80mm。

表1 各种硅石质量的物理性能

2.1.2 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%，SiO2约25%，MgO约1.0%，Al2O3<0.4%,P2O5<0.04%。

为了增大炉料的比电阻，增加化学活性，也有搭配使用气煤焦[2]。

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2.1.3 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，希望钢屑能较快融化，以便吸收硅或有效地破坏SiC。为此，要求钢屑长度不能超过100mm，为保证硅铁的化学成分和在质量，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，生铁严重和沾有油污的钢屑不能入炉，铁屑的寒铁量应大于95%。

表2 冶炼硅铁用冶金焦的理化性能指标

固定碳 灰分 挥发分 水分 硫 电阻率(11000C) 气孔率 粒

% % % % % % % % >82 <14 <3 <6 <0.6 1200 30～54 3～20

3 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。

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3.2 电极把持器系统

电级把持器是炉最重要的部件之一,它与电极压放、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,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,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

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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气体通过料层从路口逸出，硅石中的硅便还原出来。 冶炼硅铁时，炉的反应机理可用图1描述

图1 硅铁冶炼反应机理

4.2 冶炼机理

冶炼硅铁总的反应方程式为

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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：

在较高温度下，二氧化硅被还原成一氧化硅：

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：

铁存在时对SiO2的还原过程有很大的影响，把铁反应出来的硅溶解，使硅脱离反应区，还加速了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=SiF+C ΔG0=9900-9.14T T开=1083K)，结果使硅的

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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，SiO2不能充分地还原，价低了硅的回收率[5]。

4.3 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72≤[Si] ≤74%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

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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(≤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: SiO2 一CaO 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≤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≤ 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

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(2)由于各元素和氧的亲和力强弱顺序为: C、Ca、Al、Si、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A12O3 。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 ℃ , 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 ℃ 时则发生以F 反应: 4 C + 2 SiO = 2SiC+2CO↑

而炉子下部温度大于1800℃ 时, 则发生SiC 分解反应, 即: 3SiO2 + 2SiC 二Si +4SiO+ 2CO↑

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。为此在生产中还原剂的加入量一定要

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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/cm3),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）

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表3 硅铁牌号和化学成分

牌号 Si 围 FeSi90Al1.5 FeSi90Al3 FeSi75Al10.5-A FeSi75Al10.5-B FeSi75Al1.0-A FeSi75Al1.0-B FeSi75Al1.5-A FeSi75 Al1.5-B FeSi75 Al12.0-A FeSi75 Al12.0-B FeSi75 Al12.0-C FeSi75-A FeSi75-B FeSi75-C FeSi65 FeSi45 87.0-95.0 87.0-95.0 74.0-80.0 72.0-80.0 74.0-80.0 72.0-80.0 74.0-80.0 72.0-80.0 74.0-80.0 74.0-80.0 72.0-80.0 74.0-80.0 74.0-80.0 72.0-80.0 65.0-<72.0 40.0-47.0 1.5 3.0 0.5 0.5 1.0 1.5 1.5 1.5 2.0 2.0 2.0 - - - - - 0.5 0.5 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 - - - - - - 0.4 0.4 0.4 0.5 0.4 0.5 0.4 0.5 0.4 0.4 0.5 0.4 0.4 0.5 0.6 0.7 Al Ca 化学成分% Mn CR 不大于 0.2 0.2 0.3 0.5 0.3 0.5 0.3 0.5 0.3 0.3 0.5 0.3 0.3 0.5 0.5 0.5 0.04 0.04 0.035 0.04 0.035 0.04 0.035 0.04 0.035 0.04 0.04 0.035 0.04 0.04 0.04 0.04 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.2 0.2 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.2 0.1 0.1 0.2 0.1 0.1 0.2 P S C 0.02 - 0.02 -

6.2 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SiO2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，能显著提高钢的强度、硬

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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3～5kg75%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，为了提高我国硅铁的国外市场竞争力，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。

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参 考 文 献

[1] 忠萍. 硅铁合金生产工艺. ：新余钢铁有限责任公司.1997.10.5 [2] 春德. 铁合金冶金学[M]. ：冶金工业，2006.

[3] 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] 乃成，启轩.铁合金生产实用技术手册[M]. ：冶金工业，2003.

[5] 浩军，祖平. 提高硅产品质量和降低电电耗的途径[B]. ：包钢(集团)公司设计研究

院. ：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]. ：鑫腾冶金炉料有限责任公司. 2004(6) [7] 琪，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)

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