陈立杰， 李保良， 刘宝洋， 娄振国， 闫 斌， 任进权

（敬业钢铁有限公司， 河北 石家庄 050409）

摘 要：为实现高炉稳定顺行，基于降硅基本理论，结合实际生产实践，详细分析低硅冶炼的过程，并进行效益分析。采用低硅冶炼技术后，铁水 w（Si）由 0.35%逐步降低到 0.23%，硫负荷变化后，铁水 w（Si）长期稳定在 0.23%左右，w（S）稳定在 0.021%，为低硅冶炼技术的发展积累了宝贵经验。

关键词：高炉；低硅冶炼；硫负荷；效益分析

中国钢铁行业发展到今天，面临着产能过剩和环境污染的双重压力，国内外市场竞争日趋激烈，不断降低生产成本已成为企业发展的必由之路。低硅冶炼对高炉强化冶炼、节能降耗有重要作用，同时也为转炉炼钢的少渣冶炼提供了条件，可为企业创造巨大的经济效益^[1-4]。

根据原燃料情况，自 2020 年 1 月中旬开始，在高炉上采取一系列技术手段，进行低硅冶炼试验，逐步降低铁水 w（Si），取得了丰硕成果。目前，铁水 w（Si）稳定在 0.23%左右，w（S）稳定在 0.021%左右，铁水物理热为 1 470 ℃，成功冶炼出低硅高温铁水，达到国内领先水平。本文对高炉低硅冶炼理论进行分析，并对现场低硅冶炼实践进行介绍，旨在为广大钢铁企业的低硅冶炼探索提供借鉴。

1 降硅基本理论

降硅基本理论：在炉腰或炉腹上部 SiO₂ 开始还原，到风口水平面时，铁水中还原出的 w（Si）达到最高，随后在风口区和渣铁界面处[Si]又被氧化一部分，才形成终铁含硅量[5]。低硅冶炼主要从降低 SiO₂还原和提高铁水中[Si]的再氧化两个方向着手。硅的还原是逐级进行的，第一步是焦炭灰分中的 SiO₂ 或渣中的 SiO₂ 还原产生 SiO 蒸气，第二步是 SiO 蒸气在上升过程中被铁滴吸收，并被 [C]还原。硅还原的化学反应方程式如下所示：

SiO₂+C=SiO（g）+CO （1）

SiO（g）+[C]=[Si]+CO （2）

SiO₂+C+[C]=[Si]+2CO （3）

硅的还原是可逆吸热反应，从热力学上考虑，降低 SiO₂ 的活度、增大[Si]的活度系数或 CO 分压、降低温度都会使铁水 w（Si）下降；从动力学上考虑，降低温度和 SiO 的气相分压、减少反应接触面积及时间可以降低还原反应速度。

铁水中[Si]的再氧化过程是在铁滴穿过渣层时的渣铁界面上发生的。此反应是放热反应，可以提高铁水物理热，为冶炼出低硅高温铁水提供了方向^[6]。

铁水中[Si]再氧化的化学方程式如下所示。

[Si]+2FeO=SiO₂+2[Fe] （4）

[Si]+2MnO=SiO₂+2[Mn] （5）

[Si]+2CaO+2S=SiO₂+2CaS （6）

[Si]的再氧化过程主要在铁滴穿过渣层时发生，占总氧化量的 95%。[Si]的再氧化与温度、[Si]在铁水中的扩散条件、渣中 w（FeO）、w（MnO）、渣碱度、渣黏度等有关，在动力学上则受到接触时间、接触面积的影响。

理论上降低铁水 w（Si）有三个途径：控制硅源、降低滴落带高度、增加高炉渣的氧化性^[7-8]。

2 低硅冶炼实践

经过多年的探索实践，高炉在低硅冶炼方面已取得了可喜的成绩。取三个具有代表性的时间段分析其低硅冶炼过程。2020 年 1 月到 6 月，铁水 w（Si）在0.35%的高硅阶段；2020 年 8 月到 12 月，铁水 w（Si）降至 0.23%；2021 年 1 月到 3 月，由于硫负荷变化，同时进行控制铁水 w（Si）、w（S）的试验。依次用 1 号、2 号和 3 号代表这三个时间阶段。

2.1 试验原料

高炉的基本炉料结构为 80%烧结矿 +15%球团矿 +5%块矿，熟料比在 95%以上，含铁原料全部混匀处理，以减少原料化学成分波动，焦炭强度较好M25＞91%、M10＜7%，反应性为 36.6%，反应后强度为44.61%，为高炉顺行提供了良好的原料条件。

烧结矿化学成分如下页表 1 所示。烧结矿二元碱度 R=1.83 不变，转鼓指数在 73%以上。由表 1 可以看出，随低硅冶炼进程的发展，烧结 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 号阶段比另外两个阶段中的 w（SiO₂ ）和 w（MgO）显著降低，但 w（S）由 0.03%增加到 0.07%。烧结矿中 w（TFe）提高，w（SiO₂ ）降低，有利于降低烧结返粉。强化槽下筛分和管理，使烧结入炉粒度组成中＜5 mm 的粉末在 6%以下。

球团矿化学成分如表 2 所示。由表 2 可以看出，3 号阶段球团矿 w（S）由 0.06%显著增加到 0.12%。

焦炭和煤粉的化学成分如表 3 所示。由表 3 可以看出，随低硅冶炼进程的发展，焦炭灰分由12.68% 逐步降低到 11.97%，3 号阶段焦炭 w（S）由 0.80%增加到 0.86%；而煤粉成分基本稳定。

2.2 高炉操作参数优化

由于高炉实行高冶炼强度和重负荷，经不住炉况的剧烈波动，一旦顺行遭到破坏，炉缸热量支出过大，就会造成严重炉凉，发生号外生铁等重大事故，因此，低硅冶炼生铁的基本前提是高炉的长期稳定顺行。在操作制度上，运用上下部调剂手段，鼓风动能要能够吹透中心，以保持炉缸工作均匀活跃。控制气流合理分布，保证渣铁温度充足。此外，在顺行前提下，要适当抑制边缘气流，疏通中心气流。

高炉主要操作参数如图 1 所示。由图 1 可以看出，随着低硅冶炼进程的发展，压差基本维持在 151 kPa不变，即高炉透气性不降低，矿批由 24.3 t 逐步增大到 26.3 t，富氧率由 2.75%逐步提高到 3.93%，热风温度由 1 171 ℃提高到 1 200 ℃以上，炉顶压力由163 kPa 逐步提高到 181 kPa。

在高炉顺行前提下，增大矿批有利于提高煤气利用率，发展间接还原，有利于低硅冶炼。 提高富氧率或炉顶压力，煤气中 CO 分压升高，由反应方程式（3）可知，此操作会抑制硅的还原。虽然提高富氧率可使炉缸温度升高，但冶炼炼钢生铁时，前者作用大于后者，故提高富氧率会抑制硅的还原。

提高风温，可以增大间接还原反应区，降低滴落带高度，减少硅还原反应时间，有利于降低铁水 w （Si）。此外提高风温还可以降低焦比。冶炼炼钢生铁时的[Si]主要来自于焦炭灰分。焦炭和煤粉灰分中的SiO₂ 活度是炉渣 SiO₂ 活度的 10~20 倍，且与碳有均匀而紧密的接触，更易被还原^[9]。焦比、煤比降低，吨铁进入高炉的焦炭、煤粉灰分中 w（SiO₂ ）减少，有利于低硅冶炼。

2.3 铁水和炉渣成分

在低硅冶炼过程中，要保证渣铁的物理热、流动性和炉渣的脱硫能力。低硅冶炼要紧紧围绕这两大难题进行，一是保证铁水物理热充足，实现“化学凉，物理热”；二是保证铁水 w（S）合格。而铁水物理热及 w（S）与造渣制度紧密相关。铁水各项指标和高炉渣成分如图 2 所示。

由图 2 可以看出，随着低硅冶炼进程的发展，铁水 w（Si）由 0.35%降低到 0.23%，硅偏差控制在0.23%±0.04%；w（S）维持在 0.020%左右；铁水物理热先由 1 460 ℃略微降低到 1 453 ℃，后又提高到 1471 ℃，铁水物理热充足。为增强炉渣脱硫能力，高炉渣二元碱度由 1.10 提高到 1.28，降低铁水 w（S）的同时，提高铁水物理热至 1 471 ℃。渣中 w（MgO）=5%~10%时，对改善炉渣流动性能、降低生铁含 w（S）的效果最好，超过 12%后作用减弱；若渣中 w（Al₂O₃）＞15%，会使渣流动性变差。因此，在 3 号阶段降低渣 中 w （MgO） 和 w （Al₂O₃ ） 分 别 到 10.47%和14.78%，此时镁铝质量比为 0.71，处在相对合适的水平，取得了良好冶炼效果。

2.4 高炉出铁制度

低硅冶炼也是强化冶炼的过程。放净渣铁能够稳定风量、风压，保证炉内煤气流分布稳定，防止炉内受憋。因此，高炉需要加强出铁管理，减少出铁间隔，及时排净渣铁。高炉出铁制度如表 4 所示。

3 效益分析

低硅冶炼可以为企业创造巨大的经济效益和社会效益。高炉主要技术经济指标如图 3 所示。

由图 3 可知，随着低硅冶炼进程的发展，高炉利用系数由 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；综合焦比由 538 kg/t 逐步下降到 481 kg/t。

计算一座高炉低硅冶炼的年增经济效益。应用低硅冶炼技术，高炉年增铁水产量及节约焦炭和煤粉量分别为：ΔWFe= （2 918-2 710）×365= 7.6 万 t；ΔW 焦炭 =（397-356）×（2 918×365）= 4.37 万 t；ΔW 煤粉=（177-157）×（2 918×365）= 2.13 万 t。

计算一座高炉低硅冶炼的年增社会效益，因焦比、煤比降低，一座高炉年减排 CO₂ 量为 （4.37× 0.85+2.13×0.67）×44/12= 18.8 万 t。

此外，低硅冶炼还可以大大降低 SO₂、氮氧化物等有害气体的排放。

4 结语

低硅冶炼是一项系统工程，涉及原料条件、上下部调剂、高压操作、合理的热制度和造渣制度、炉前出铁制度等许多方面，需要企业经过长时间的探索实践才能实现，绝不是一蹴而就的。经过多年低硅冶炼实践，主要得到以下几点经验：

1）高炉炼铁是讲究冶炼条件的，高熟料比和优良的焦炭质量是低硅冶炼成功的关键；

2）高炉操作上，适度加大矿批、提高富氧率、风温、顶压有利于降低硅的还原；

3）造渣制度上，提高炉渣碱度有利于铁水[Si]的再氧化，提高铁水物理热；

4）要使生铁 w（Si）稳定在 0.23%左右甚至更低，保证炉缸长期稳定活跃、热量充足尤为重要；

5）低硅冶炼可以创造巨大的经济效益和社会效益，是企业降本增效的有力手段。

参考文献

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