(东北大学材料与冶金学院，沈阳110006)刘爱华
(本溪冶金专科学校，辽宁本溪 117022)鲁 平
摘要：本文对“电-煤”双热源冶炼硅铁节能机理进行了初步探讨，该工艺节电10%以上，降低电极消耗35%～45%，降低成本200元/t以上。空心电极喷粉加速了传质，粉料喷入坩埚区，极大地加速了化学反应，扩大了坩埚区，提高了热效率。 关键词：硅铁；双热源；空心电极；热平衡
1概述
硅铁在冶金工业中得到广泛的应用，特别是在炼钢生产中应用更多。硅铁主要用作炼钢的脱氧剂和合金剂(一般可达到炼钢总量的0135%～015%)；在铁合金生产中也可用作还原剂；在铸铁生产中用作孕育剂和球化剂。
我国硅铁产量占铁合金总产量的30%以上，冶炼硅铁能耗占铁合金总能耗的50%，而在硅铁生产成本中电费占70%1。因此研究硅铁节能，降低硅铁生产成本和单位电耗，具有特殊的意义。
我们在某厂1800kVA矿热炉上通过空心电极向炉内坩埚区喷入煤粉生产硅铁(75#硅铁)，取得了良好的效果。节电10%以上，电极消耗降低35%～45%，每吨硅铁降低成本200多元，实现了以煤代电，以煤代焦。 2试验条件及结果
2.1试验设备
oddi括约肌试验是在1800kVA矿热炉上进行的，主要技术参数见表1。
表1 1800kVA矿热炉主要技术参数
项目变压器容量
(kVA)
一次电压
(kV)
二次电压
(V)
二次电流
(A)
电极直径
(mm)
电极心圆直径
(mm)
炉膛直径
(mm)
炉壳直径
(mm)
炉壳高度
(mm)
参数18001080、85115745201250300042002800
采用S L-250喷粉罐向炉内喷粉，主要技术参数如下:
有效容积:244L;
工作压力:<0.8MPa;
最大安全压力:1.0MPa;
适用粉剂：金属粉、煤粉、矿粉、渣粉;
供粉能力:0～100kg/min;
粉料要求：干燥，粒度为0～2mm;
载气：空气(无油、脱湿)、氩气、氮气、二氧化碳气等;
空气压缩机1台:0.9m3/min。
电炉设有空心电极3根和相应的喷粉管路系统。
锭模内型尺寸为960mm×480mm×170mm。2.2试验用原料
试验用原料有硅石、钢屑、焦炭、无烟煤和硅石粉。要求见表2。
2.3生产工艺
在三相敞口矿热炉中以硅石、钢屑、焦炭为原料。按传统工艺冶炼硅75，在出铁30min后，通过空心电极向坩埚区喷入煤粉，在出铁前半小时停止喷吹。每吨铁喷入煤粉250～300kg，其他操作按冶炼硅75传统工艺进行。
2.4试验结果
喷煤粉后，电极消耗降低35%～45%，电耗降低10%以上，每吨硅75降低成本200元以上，冶炼炉况稳定，炉底上涨慢，电极基本不发生事故，因此，可以通过喷吹煤粉控制炉况变化。
表2 对冶炼用原料的要求
原料名称
化 学 成 分(%)
S iO2Al2O3Fe2O3P2O5CaO M gO Fe C灰分挥发分
粒度(mm)
硅石98.10.500.450.0070.330.1110-40钢屑98<100焦炭74.3713.12 5.831-20无烟煤71.8218.728.46<1.6
3节能机理超灵
3.1硅铁生产的化学反应
冶炼硅铁的基本反应为1:
SiO2+2C=Si+2C O ΔG0=700870.32+ 361.74 T始=1937K(1)这是一个吸热反应，需消耗大量热能，在高温下才能进行。当有铁存在时，还原得到的硅与铁生成硅化铁:
Fe+Si=FeSi
ΔG0=-119323-2.68T(2)
因此，硅铁生成总反应式为:
SiO2+2C+Fe=FeSi+2C O
ΔG0=581546.52-364.42T
T始=1596K(3)
从总反应式看出，还原得到FeSi比得到纯硅容易。
含硅大于33.3%的硅合金，合金溶液中除FeSi 外，还有纯硅。因此，在电炉中冶炼硅45、硅65、硅75、硅90时，虽然有反应(3)存在，但熔炼条件仍决定于反应(1)。我们研究时假定了炉料是纯净的，而实际上炉料含氧化物杂质(MgO、CaO、Al2O3……)与SiO2成渣后，使SiO2还原更困难了。
生产时,SiO2的还原过程比上述复杂得多，并分段进行1。
SiO2+2C=SiO+2C O
ΔG0=668213.28-326.32T
T始=2047.7K(4)
SiO2+Si=2SiO
ΔG0=508303.12-221.36T
T始=2296.7K(5)
SiO在高温下呈气态，高挥发性的SiO常用来解释硅的气化损失。SiO蒸汽上升与C反应:
SiO+2C=SiC+C O
ΔG0=24579.45-16.83T
T始=1461.5K(6)
SiO+C=Si+C O
ΔG0=32657.04-35.42T
T始=921.99K(7)
当还原剂过量时，生成:
SiO2+3C=SiC+2C O
ΔG0=486924.84-322.17T
T始=1511.39K(8)
2SiC+SiO2=3Si+2C O
ΔG0=920677.32-441.79T
T始=2083.1K(9)
炉内SiC生成的T始=1461.5K和T始=1511. 39K，破坏Si生成的T始=2083.1K，导致冶炼中SiC 生成容易，破坏困难。SiC积存与残渣料结合造成炉底上涨。解决此问题，需要靠提高炉温。
在生产条件下，炉料中P2O5、FeO还原相当完全，炉料中CaO和Al2O3有40%～50%被还原入合金，其余未还原组成炉渣。硅铁冶炼有3%～5% (铁量)的炉渣，由于硅铁炉渣熔点高，粘度大，易使炉底上涨，炉况恶化，渣铁不易分离。要使炉况正常，必须有高温条件。因此硅铁生产高温是很重要的。
3.2热平衡
硅铁生产中实际电耗和理论电耗相差较大，该厂1800kVA电炉实际冶炼硅75电耗为9726kWh/t，而理论电耗为4879kWh/t，相差4847kWh/t，为实际电耗的49.84%。这证明生产硅75节能潜力是很大的。表3、表4是做硅75试验时的物料平衡和热平衡。
表3 物料平衡表
收 入支 出
物料名称kg%产品名称kg%硅石10047.12合金56.6026.67
续表3
收 入支 出焦炭59.2127.90炉渣 3.95 1.86
电极糊 2.5 1.18气体146.3068.94
钢屑12.20 5.75挥发物 5.45 2.57
碳电极糊38.3018.05误差+0.09+0.04总计212.21100212.21100
表4 热平衡表
收 入支 出
项目k J%项目k J%
电能收入198136281.62氧化物分解热147077660.58碳氧化成C O422555.517.41加热合金至2073K117186.3 4.84
硅化铁与硅加热炉渣至2073K85140.35硅酸盐生成热20503.20.84炉气带走热98978 4.08
炉料带入热3208.70.13炉衬热损失164123 6.76
炉口热损失2390759.85
冷却水带走热5860.02
烟尘带走热81070.33
电损及其它损失32028613.19总计24276311002427631100
从上面的热平衡计算看冶炼硅75,81.62%的热能是通过电能来补充的，在数量上是很大的。从热量利用上看，用于氧化物分解为60.58%，渣铁加热为5.19%，从各方面看节能潜力是较大的。“电-煤”双热源节能，就是利用煤粉燃烧放热提供冶炼硅铁用热量，这种热量主要是用于氧化物分解和加速还原过程。
3.3喷入煤粉的热量
(1)煤燃烧热计算
喷入坩埚区的煤粉在高温区碳与氧原子生成C O气体是放热反应，并随温度升高加速进行。
C+1
2
O2=C O
ΔH=109861.6J/m ol=9155k J/kg2
冶炼1t硅75喷入煤粉(煤粉含固定碳为72. 82%)250～300kg，按250kg/t计算，其放热量为: 250×0.72820×9155=1666668k J。
试验中供气量为383L/min，煤、气比为13:1，空气比热取为0.276(0.0209～0.31123)，所以通过喷入250kg煤粉增加的热量为1664509k J，相当于462kWh电的能量。
(2)试验结果比较
通过试验得知在喷入煤粉冶炼硅75时的电耗为8571kWh，而不喷煤粉冶炼硅75时的电耗为9724kWh(试验前3个月的统计)。
4试验分析
根据以上的数据可以看出，冶炼吨硅75喷入250kg煤粉，相当于实际节能511kWh电。这部分能量的获得主要是由于通过空心电极喷入了煤粉而获得的动力学热。分析如下:
安云霁(1)将煤粉通过空心电极直接喷入高温区，电极端部温度为4273～8273K，大大地加速了冶炼过程。在坩埚区2273～6273K的高温下,SiC、SiO2很容易分解,FeSi明显气化，形成离子、原子的蒸汽，产生: SiO2=Si+2O,SiC=Si+C,C+O=C O↑
此反应随温度升高ΔG负值越大1。
(2)由于喷吹加速了传质过程。通过空心电极喷煤粉在高温区形成了高速弥散的碳粒子流，煤与离子、原子氧有极大的接触机会，对化学反应极为有利。
(3)大量气体上升，扩大了反应区，加大了坩埚区，加速了还原过程。
5结论
(1)“电-煤”双热源冶炼硅铁节能(电)10%以上，电极消耗降低35%～45%，硅铁成本降低200元以上，是一种很有前途的节能技术。
(2)空心电极喷粉，发挥了喷粉工艺的特点，加速了传质过程，高速粒子流加速了化学反应速度。
(3)煤粉直接进入坩埚区，在电极端部的高温下充分利用了高温条件，煤粉高速燃烧，极大地加速了SiO2还原过程。
(4)喷入煤粉后，高温气体上升，扩大了坩埚区，扩大了反应面积，提高了煤粉、碳的利用率和热效率。
参考文献
腔静脉
1李春德.铁合金冶金学M.冶金工业出版社,1991.
2相天钧，刘述临.熔融还原技术M.冶金工业出版社, 1991.湖南工程学院学报
3鞍钢炼铁厂.大高炉炼铁生产M.冶金工业出版社, 1974.
作者简介：刘爱华(1963-)，女，辽宁省黑山县人，工程师，在东北大学材料与冶金学院实验室从事科研工作。惯量
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