中國鋼鐵行業(yè)發(fā)展到今天，面臨著產(chǎn)能過剩和環(huán)境污染的雙重壓力，國內(nèi)外市場競爭日趨激烈，不斷降低生產(chǎn)成本已成為企業(yè)發(fā)展的必由之路。低硅冶煉對高爐強化冶煉、節(jié)能降耗有重要作用，同時也為轉(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)濟效益。

根據(jù)原燃料情況，自2020年1月中旬開始，在高爐上采取一系列技術(shù)手段，進行低硅冶煉試驗，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1470℃，成功冶煉出低硅高溫鐵水，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。本文對高爐低硅冶煉理論進行分析，并對現(xiàn)場低硅冶煉實踐進行介紹，旨在為廣大鋼鐵企業(yè)的低硅冶煉探索提供借鑒。

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 降硅基本理論

降硅基本理論：在爐腰或爐腹上部SiO2開始還原，到風口水平面時，鐵水中還原出的w（Si）達到最高，隨后在風口區(qū)和渣鐵界面處[Si]又被氧化一部分，才形成終鐵含硅量。低硅冶煉主要從降低SiO2還原和提高鐵水中[Si]的再氧化兩個方向著手。硅的還原是逐級進行的，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、降低溫度都會使鐵水w（Si）下降；從動力學(xué)上考慮，降低溫度和SiO的氣相分壓、減少反應(yīng)接觸面積及時間可以降低還原反應(yīng)速度。

鐵水中[Si]的再氧化過程是在鐵滴穿過渣層時的渣鐵界面上發(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。

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

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

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低硅冶煉實踐

經(jīng)過多年的探索實踐，高爐在低硅冶煉方面已取得了可喜的成績。取三個具有代表性的時間段分析其低硅冶煉過程。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，由于硫負荷變化，同時進行控制鐵水w（Si）、w（S）的試驗。依次用1號、2號和3號代表這三個時間階段。

2.1 試驗原料

高爐的基本爐料結(jié)構(gòu)為80%燒結(jié)礦+15%球團礦+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，焦炭強度較好M25＞91%、M10＜7%，反應(yīng)性為36.6%，反應(yīng)后強度為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號階段比另外兩個階段中的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。強化槽下篩分和管理，使燒結(jié)入爐粒度組成中＜5mm的粉末在6%以下。

球團礦化學(xué)成分如表2所示。由表2可以看出，3號階段球團礦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，隨低硅冶煉進程的發(fā)展，焦炭灰分12.68% 逐步降低到11.97%，3號階段焦炭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

由于高爐實行高冶煉強度和重負荷，經(jīng)不住爐況的劇烈波動，一旦順行遭到破壞，爐缸熱量支出過大，就會造成嚴重爐涼，發(fā)生號外生鐵等重大事故，因此，低硅冶煉生鐵的基本前提是高爐的長期穩(wěn)定順行。在操作制度上，運用上下部調(diào)劑手段，鼓風動能要能夠吹透中心，以保持爐缸工作均勻活躍?？刂茪饬骱侠矸植?，保證渣鐵溫度充足。此外，在順行前提下，要適當抑制邊緣氣流，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，隨著低硅冶煉進程的發(fā)展，壓差基本維持在151kPa不變，即高爐透氣性不降低，礦批由24.3t逐步增大到26.3t，富氧率由2.75%逐步提高到3.93%，熱風溫度由1171℃提高到1200℃以上，爐頂壓力由163kPa逐步提高到181kPa。

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，此操作會抑制硅的還原。雖然提高富氧率可使爐缸溫度升高，但冶煉煉鋼生鐵時，前者作用大于后者，故提高富氧率會抑制硅的還原。

提高風溫，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)時間，有利于降低鐵水w（Si）。此外提高風溫還可以降低焦比。冶煉煉鋼生鐵時的[Si]主要來自于焦炭灰分。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。焦比、煤比降低，噸鐵進入高爐的焦炭、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

在低硅冶煉過程中，要保證渣鐵的物理熱、流動性和爐渣的脫硫能力。低硅冶煉要緊緊圍繞這兩大難題進行，一是保證鐵水物理熱充足，實現(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)。鐵水各項指標和高爐渣成分如圖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1460℃略微降低到1453℃，后又提高到1471℃，鐵水物理熱充足。為增強爐渣脫硫能力，高爐渣二元堿度由1.10提高到1.28，降低鐵水w（S）的同時，提高鐵水物理熱至1471℃。渣中w（MgO）=5%~10%時，對改善爐渣流動性能、降低生鐵含w（S）的效果最好，超過12%后作用減弱；若渣中w（Al2O3）＞15%，會使渣流動性變差。因此，在3號階段降低渣中w（MgO）和w（Al2O3）分別到10.47%和14.78%，此時鎂鋁質(zhì)量比為0.71，處在相對合適的水平，取得了良好冶煉效果。

2.4 高爐出鐵制度

低硅冶煉也是強化冶煉的過程。放凈渣鐵能夠穩(wěn)定風量、風壓，保證爐內(nèi)煤氣流分布穩(wěn)定，防止爐內(nèi)受憋。因此，高爐需要加強出鐵管理，減少出鐵間隔，及時排凈渣鐵。高爐出鐵制度如表4所示。

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效益分析

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

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

計算一座高爐低硅冶煉的年增經(jīng)濟效益。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=（2918-2710）×365=7.6萬t；ΔW焦炭=（397-356）×（2918×365）=4.37t；ΔW煤粉=（177-157）×（2918×365）=2.13萬t。

計算一座高爐低硅冶煉的年增社會效益，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。

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結(jié)語

低硅冶煉是一項系統(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)過長時間的探索實踐才能實現(xiàn)，絕不是一蹴而就的。經(jīng)過多年低硅冶煉實踐，主要得到以下幾點經(jīng)驗：

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)濟效益和社會效益，是企業(yè)降本增效的有力手段。