陳立杰， 李保良， 劉寶洋， 婁振國(guó)， 閆 斌， 任進(jìn)權(quán)

（敬業(yè)鋼鐵有限公司， 河北 石家莊 050409）

摘 要：為實(shí)現(xiàn)高爐穩(wěn)定順行，基于降硅基本理論，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐，詳細(xì)分析低硅冶煉的過(guò)程，并進(jìn)行效益分析。采用低硅冶煉技術(shù)后，鐵水 w（Si）由 0.35%逐步降低到 0.23%，硫負(fù)荷變化后，鐵水 w（Si）長(zhǎng)期穩(wěn)定在 0.23%左右，w（S）穩(wěn)定在 0.021%，為低硅冶煉技術(shù)的發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：高爐；低硅冶煉；硫負(fù)荷；效益分析

中國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展到今天，面臨著產(chǎn)能過(guò)剩和環(huán)境污染的雙重壓力，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，不斷降低生產(chǎn)成本已成為企業(yè)發(fā)展的必由之路。低硅冶煉對(duì)高爐強(qiáng)化冶煉、節(jié)能降耗有重要作用，同時(shí)也為轉(zhuǎn)爐煉鋼的少渣冶煉提供了條件，可為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益^[1-4]。

根據(jù)原燃料情況，自 2020 年 1 月中旬開(kāi)始，在高爐上采取一系列技術(shù)手段，進(jìn)行低硅冶煉試驗(yàn)，逐步降低鐵水 w（Si），取得了豐碩成果。目前，鐵水 w（Si）穩(wěn)定在 0.23%左右，w（S）穩(wěn)定在 0.021%左右，鐵水物理熱為 1 470 ℃，成功冶煉出低硅高溫鐵水，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。本文對(duì)高爐低硅冶煉理論進(jìn)行分析，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)低硅冶煉實(shí)踐進(jìn)行介紹，旨在為廣大鋼鐵企業(yè)的低硅冶煉探索提供借鑒。

1 降硅基本理論

降硅基本理論：在爐腰或爐腹上部 SiO₂ 開(kāi)始還原，到風(fēng)口水平面時(shí)，鐵水中還原出的 w（Si）達(dá)到最高，隨后在風(fēng)口區(qū)和渣鐵界面處[Si]又被氧化一部分，才形成終鐵含硅量[5]。低硅冶煉主要從降低 SiO₂還原和提高鐵水中[Si]的再氧化兩個(gè)方向著手。硅的還原是逐級(jí)進(jìn)行的，第一步是焦炭灰分中的 SiO₂ 或渣中的 SiO₂ 還原產(chǎn)生 SiO 蒸氣，第二步是 SiO 蒸氣在上升過(guò)程中被鐵滴吸收，并被 [C]還原。硅還原的化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示：

SiO₂+C=SiO（g）+CO （1）

SiO（g）+[C]=[Si]+CO （2）

SiO₂+C+[C]=[Si]+2CO （3）

硅的還原是可逆吸熱反應(yīng)，從熱力學(xué)上考慮，降低 SiO₂ 的活度、增大[Si]的活度系數(shù)或 CO 分壓、降低溫度都會(huì)使鐵水 w（Si）下降；從動(dòng)力學(xué)上考慮，降低溫度和 SiO 的氣相分壓、減少反應(yīng)接觸面積及時(shí)間可以降低還原反應(yīng)速度。

鐵水中[Si]的再氧化過(guò)程是在鐵滴穿過(guò)渣層時(shí)的渣鐵界面上發(fā)生的。此反應(yīng)是放熱反應(yīng)，可以提高鐵水物理熱，為冶煉出低硅高溫鐵水提供了方向^[6]。

鐵水中[Si]再氧化的化學(xué)方程式如下所示。

[Si]+2FeO=SiO₂+2[Fe] （4）

[Si]+2MnO=SiO₂+2[Mn] （5）

[Si]+2CaO+2S=SiO₂+2CaS （6）

[Si]的再氧化過(guò)程主要在鐵滴穿過(guò)渣層時(shí)發(fā)生，占總氧化量的 95%。[Si]的再氧化與溫度、[Si]在鐵水中的擴(kuò)散條件、渣中 w（FeO）、w（MnO）、渣堿度、渣黏度等有關(guān)，在動(dòng)力學(xué)上則受到接觸時(shí)間、接觸面積的影響。

理論上降低鐵水 w（Si）有三個(gè)途徑：控制硅源、降低滴落帶高度、增加高爐渣的氧化性^[7-8]。

2 低硅冶煉實(shí)踐

經(jīng)過(guò)多年的探索實(shí)踐，高爐在低硅冶煉方面已取得了可喜的成績(jī)。取三個(gè)具有代表性的時(shí)間段分析其低硅冶煉過(guò)程。2020 年 1 月到 6 月，鐵水 w（Si）在0.35%的高硅階段；2020 年 8 月到 12 月，鐵水 w（Si）降至 0.23%；2021 年 1 月到 3 月，由于硫負(fù)荷變化，同時(shí)進(jìn)行控制鐵水 w（Si）、w（S）的試驗(yàn)。依次用 1 號(hào)、2 號(hào)和 3 號(hào)代表這三個(gè)時(shí)間階段。

2.1 試驗(yàn)原料

高爐的基本爐料結(jié)構(gòu)為 80%燒結(jié)礦 +15%球團(tuán)礦 +5%塊礦，熟料比在 95%以上，含鐵原料全部混勻處理，以減少原料化學(xué)成分波動(dòng)，焦炭強(qiáng)度較好M25＞91%、M10＜7%，反應(yīng)性為 36.6%，反應(yīng)后強(qiáng)度為44.61%，為高爐順行提供了良好的原料條件。

燒結(jié)礦化學(xué)成分如下頁(yè)表 1 所示。燒結(jié)礦二元堿度 R=1.83 不變，轉(zhuǎn)鼓指數(shù)在 73%以上。由表 1 可以看出，隨低硅冶煉進(jìn)程的發(fā)展，燒結(jié) w（TFe）由51.26%逐步提高至 52.87%，w（Al₂O₃ ）由 3.63%逐步降低到 2.87%。3 號(hào)階段比另外兩個(gè)階段中的 w（SiO₂ ）和 w（MgO）顯著降低，但 w（S）由 0.03%增加到 0.07%。燒結(jié)礦中 w（TFe）提高，w（SiO₂ ）降低，有利于降低燒結(jié)返粉。強(qiáng)化槽下篩分和管理，使燒結(jié)入爐粒度組成中＜5 mm 的粉末在 6%以下。

球團(tuán)礦化學(xué)成分如表 2 所示。由表 2 可以看出，3 號(hào)階段球團(tuán)礦 w（S）由 0.06%顯著增加到 0.12%。

焦炭和煤粉的化學(xué)成分如表 3 所示。由表 3 可以看出，隨低硅冶煉進(jìn)程的發(fā)展，焦炭灰分由12.68% 逐步降低到 11.97%，3 號(hào)階段焦炭 w（S）由 0.80%增加到 0.86%；而煤粉成分基本穩(wěn)定。

2.2 高爐操作參數(shù)優(yōu)化

由于高爐實(shí)行高冶煉強(qiáng)度和重負(fù)荷，經(jīng)不住爐況的劇烈波動(dòng)，一旦順行遭到破壞，爐缸熱量支出過(guò)大，就會(huì)造成嚴(yán)重爐涼，發(fā)生號(hào)外生鐵等重大事故，因此，低硅冶煉生鐵的基本前提是高爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定順行。在操作制度上，運(yùn)用上下部調(diào)劑手段，鼓風(fēng)動(dòng)能要能夠吹透中心，以保持爐缸工作均勻活躍。控制氣流合理分布，保證渣鐵溫度充足。此外，在順行前提下，要適當(dāng)抑制邊緣氣流，疏通中心氣流。

高爐主要操作參數(shù)如圖 1 所示。由圖 1 可以看出，隨著低硅冶煉進(jìn)程的發(fā)展，壓差基本維持在 151 kPa不變，即高爐透氣性不降低，礦批由 24.3 t 逐步增大到 26.3 t，富氧率由 2.75%逐步提高到 3.93%，熱風(fēng)溫度由 1 171 ℃提高到 1 200 ℃以上，爐頂壓力由163 kPa 逐步提高到 181 kPa。

在高爐順行前提下，增大礦批有利于提高煤氣利用率，發(fā)展間接還原，有利于低硅冶煉。 提高富氧率或爐頂壓力，煤氣中 CO 分壓升高，由反應(yīng)方程式（3）可知，此操作會(huì)抑制硅的還原。雖然提高富氧率可使?fàn)t缸溫度升高，但冶煉煉鋼生鐵時(shí)，前者作用大于后者，故提高富氧率會(huì)抑制硅的還原。

提高風(fēng)溫，可以增大間接還原反應(yīng)區(qū)，降低滴落帶高度，減少硅還原反應(yīng)時(shí)間，有利于降低鐵水 w （Si）。此外提高風(fēng)溫還可以降低焦比。冶煉煉鋼生鐵時(shí)的[Si]主要來(lái)自于焦炭灰分。焦炭和煤粉灰分中的SiO₂ 活度是爐渣 SiO₂ 活度的 10~20 倍，且與碳有均勻而緊密的接觸，更易被還原^[9]。焦比、煤比降低，噸鐵進(jìn)入高爐的焦炭、煤粉灰分中 w（SiO₂ ）減少，有利于低硅冶煉。

2.3 鐵水和爐渣成分

在低硅冶煉過(guò)程中，要保證渣鐵的物理熱、流動(dòng)性和爐渣的脫硫能力。低硅冶煉要緊緊圍繞這兩大難題進(jìn)行，一是保證鐵水物理熱充足，實(shí)現(xiàn)“化學(xué)涼，物理熱”；二是保證鐵水 w（S）合格。而鐵水物理熱及 w（S）與造渣制度緊密相關(guān)。鐵水各項(xiàng)指標(biāo)和高爐渣成分如圖 2 所示。

由圖 2 可以看出，隨著低硅冶煉進(jìn)程的發(fā)展，鐵水 w（Si）由 0.35%降低到 0.23%，硅偏差控制在0.23%±0.04%；w（S）維持在 0.020%左右；鐵水物理熱先由 1 460 ℃略微降低到 1 453 ℃，后又提高到 1471 ℃，鐵水物理熱充足。為增強(qiáng)爐渣脫硫能力，高爐渣二元堿度由 1.10 提高到 1.28，降低鐵水 w（S）的同時(shí)，提高鐵水物理熱至 1 471 ℃。渣中 w（MgO）=5%~10%時(shí)，對(duì)改善爐渣流動(dòng)性能、降低生鐵含 w（S）的效果最好，超過(guò) 12%后作用減弱；若渣中 w（Al₂O₃）＞15%，會(huì)使渣流動(dòng)性變差。因此，在 3 號(hào)階段降低渣 中 w （MgO） 和 w （Al₂O₃ ） 分 別 到 10.47%和14.78%，此時(shí)鎂鋁質(zhì)量比為 0.71，處在相對(duì)合適的水平，取得了良好冶煉效果。

2.4 高爐出鐵制度

低硅冶煉也是強(qiáng)化冶煉的過(guò)程。放凈渣鐵能夠穩(wěn)定風(fēng)量、風(fēng)壓，保證爐內(nèi)煤氣流分布穩(wěn)定，防止?fàn)t內(nèi)受憋。因此，高爐需要加強(qiáng)出鐵管理，減少出鐵間隔，及時(shí)排凈渣鐵。高爐出鐵制度如表 4 所示。

3 效益分析

低硅冶煉可以為企業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。高爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如圖 3 所示。

由圖 3 可知，隨著低硅冶煉進(jìn)程的發(fā)展，高爐利用系數(shù)由 2.58 t/（m³·d）逐步提高到 2.78 t/（m³·d）；焦比降低 41 kg/t，由 397 kg/t 逐步下降到 356 kg/t；煤比降低 20 kg/t，由 177 kg/t 逐步下降到 157 kg/t；綜合焦比由 538 kg/t 逐步下降到 481 kg/t。

計(jì)算一座高爐低硅冶煉的年增經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用低硅冶煉技術(shù)，高爐年增鐵水產(chǎn)量及節(jié)約焦炭和煤粉量分別為：ΔWFe= （2 918-2 710）×365= 7.6 萬(wàn) t；ΔW 焦炭 =（397-356）×（2 918×365）= 4.37 萬(wàn) t；ΔW 煤粉=（177-157）×（2 918×365）= 2.13 萬(wàn) t。

計(jì)算一座高爐低硅冶煉的年增社會(huì)效益，因焦比、煤比降低，一座高爐年減排 CO₂ 量為 （4.37× 0.85+2.13×0.67）×44/12= 18.8 萬(wàn) t。

此外，低硅冶煉還可以大大降低 SO₂、氮氧化物等有害氣體的排放。

4 結(jié)語(yǔ)

低硅冶煉是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及原料條件、上下部調(diào)劑、高壓操作、合理的熱制度和造渣制度、爐前出鐵制度等許多方面，需要企業(yè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索實(shí)踐才能實(shí)現(xiàn)，絕不是一蹴而就的。經(jīng)過(guò)多年低硅冶煉實(shí)踐，主要得到以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

1）高爐煉鐵是講究冶煉條件的，高熟料比和優(yōu)良的焦炭質(zhì)量是低硅冶煉成功的關(guān)鍵；

2）高爐操作上，適度加大礦批、提高富氧率、風(fēng)溫、頂壓有利于降低硅的還原；

3）造渣制度上，提高爐渣堿度有利于鐵水[Si]的再氧化，提高鐵水物理熱；

4）要使生鐵 w（Si）穩(wěn)定在 0.23%左右甚至更低，保證爐缸長(zhǎng)期穩(wěn)定活躍、熱量充足尤為重要；

5）低硅冶煉可以創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是企業(yè)降本增效的有力手段。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉洪新，趙軍.高爐低硅冶煉實(shí)踐[J].河北冶金，2012（9）：52-53.

[2] 楊生州，候偉.高爐冶煉低硅生鐵技術(shù)的探討[J].甘肅冶金， 2013，35（6）：23-24.

[3] 孟凡林.蕪湖新興鑄管 1# 高爐低硅冶煉操作實(shí)踐[J].河北冶金，2014（3）：40.

[4] 盧保軍，王玉蓮.高爐低硅冶煉研究與應(yīng)用[J].甘肅冶金，2014，36 （2）：10-11.

[5] 周傳典.高爐煉鐵生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社， 2012.

[6] M. Meraikib. Silicon Distribution between Blast Furnace Slag and Hot Metal [J]. Ironmaking and Steelmaking，2000，27（4）： 281-285.

[7] Yasuo NIWA，Takashi SUMIGAMA，Akira MAKI，et al. Blast Furnace Operation for Low Silicon Content at Fukuyama No.5 Blast Furnace [J]. ISIJ International，1991，31（5）：487-493.

[8] 張雪松，張建良，郭豪，等.高爐鐵水降硅的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（6）：594-599.

[9] 馬金芳，賈國(guó)立.關(guān)于高爐低硅冶煉的探討[J].中國(guó)冶金，2008，18 （9）：31-35.