KR法脱硅可行性分析
李洪卫
（湖北省计量测试技术研究院湖北武汉430071）
摘要：阐述了铁水预处理脱硅的必要性，从热、动力学上分析了脱硅的影响因素。讨论了当前主要脱硅方法的工艺现状和特点，分析了KR法脱硅的可行性。
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关键词 ：KR法；脱硅；可行性分析
中图分类号：TF821文献标识码：Adoi：10.3969／j.issn.1665－2272.2015.16.047
1概述
随着国民经济的飞速发展和科学技术的进步，要求钢铁行业冶炼出更多的优质钢材。因此对钢铁中硫、磷等有害元素的含量需要进行严格的控制。由于硅与氧的结合能力远远超过磷与氧的结合能力，所以铁水加入脱磷剂后，硅比磷更容易被优先氧化，形成二氧化硅，从而大大降低了钢渣的碱度。为了减少脱磷剂的用量、提高脱磷率，需要将铁水中的硅进行预氧化处理到一定程度。因此，应在脱磷处理前增加一道脱硅预先处理工序。
当前，铁水有两种脱硅方式。一种是在高炉中进行的，另一种是在高炉外进行的，即高炉铁水沟连续脱硅和在高炉转–炉间的铁水预处理车间进行铁水脱硅。笔者针对以上脱硅方法分析讨论了各自的工艺现状和特点，总结了当前铁水脱硅存在的问题，结合机械搅拌法（KR法）在热动力学上的优势，分析了KR法脱硅的可行性。
2脱硅理论基础
2.1脱硅反应热力学
脱硅剂的有效成分是FeO，其反应式为：
［Si］＋2（FeO）＝（SiO2）＋2［Fe］（1）
而此反应可分解为两阶段：
2（FeO）＝2［Fe］＋2［O］
［Si］＋2［O］＝（SiO2）（2）
且有：
lnK＝33541／T－11.52（3）
由公式（3）可知，当铁水的温度大大低于反应平衡常数K时，对铁水的脱硅有益；同时，为了脱硅时碳不被氧化，应在低温条件下进行脱硅。随着铁水中的Si原子以二氧化硅进入铁渣中，使脱硅渣碱度下降，脱硅条件恶化，因而限制了对脱硅效率的提高。
2.2脱硅原理机理
根据研究发现，温度对过程中速率的影响不是很明显，机械搅拌则对过程中进行的速率的影响较大。因此，界面的化学反应，搅拌对过程速率的影响大，当铁液本体的硅通过铁液边界层向反应界面的扩散为渣-铁反应脱硅过程的控制步骤时，脱硅过程的速率由硅在液边界层的扩散速率决定。
3铁水预脱硅的工艺现状
3.1高炉炉内的脱硅技术
在高炉炉内进行的脱硅，既可降低高炉焦比，又可减少炼钢渣。但是低温条件下炉缸只能贮备较少热量，原燃料供应不充足时应该保持铁水较高含硅量。
通过实验，现在已得到在炉体高度方向上硅含量的变化规律：在软熔带下方1450℃左右的铁水中几乎不含硅，风口循环区温度1900℃以上含硅量最高，炉芯部温度较低含硅量也低，两风口循环区之间温度有1800℃左右，焦炭内铁液含硅量高达5%以上。当高硅铁水穿过渣层时离开风口水平落下，会发生脱硅反应。风口平面以下的铁水含硅量不能升高，只能通过风口向炉内喷入脱硅剂进行炉内预脱硅处理。
但是在进行低硅铁冶炼时，应特别注意冶炼条件，不能忽视客观条件和铁水温度去片面追求铁水的过低含硅量，这就是说低硅铁冶炼在一定的冶炼条件下有个低限范围。
3.2高炉炉外的预脱硅技术
高炉炉外脱硅可以较灵活地调整硅的含量。常用的方法主要有两种。
3.2.1高炉铁水沟连续脱硅
高炉铁水沟脱硅处理的优点是：不占用时间，处理能力大，温降小，铁渣分离方便。缺点是：脱硅反应的氧利用率较低、脱硅含量不易掌握和工作环境条件较恶劣等。
高炉铁沟连续脱硅分为以下几种：①自然投入法；②气体搅拌法；③液面喷吹法。
3.2.2在高炉、转炉铁水预处理车间进行脱硅处理。
从高炉来的铁水注入鱼雷型铁水罐进行脱硅处理。也就是用氮气作载体把粉剂吹入铁水中，用吹氧的办法保持温度的下降。
这种方法的优点是：脱硅的氧利用率高，环境条件好，硅含量稳定；缺点是：脱硅的处理时间相对较长，温度不易保持，降幅较大。
4KR法脱硅的优势
KR机械搅拌法：是将十字搅拌头，插入一定深度熔池的铁水中进行漩涡搅拌，同时不断将加入熔剂，与铁水进行混合、反应的一种方法。近年来，不少国内外企业开始将机械搅拌法应用于铁水预处理脱硅，并取得了较好的效果。
4.1动力学上的优势
从脱硅反应动力学角度分析，提高脱硅效率的一个重要的措施就是加强搅拌。而混匀时间反映了熔池中的混合搅拌效率。在同一搅拌能下，KR法比喷吹法的混匀时间短，表明KR搅拌机械能传递效果要比喷吹法好。这是由于KR法使铁水在圆周方向上的旋转流动，等同于复合涡流流动。这种流动是对流扩散、涡流扩散和分子扩散综合作用的结果。
4.2KR法建设投资和运行成本
由于粉剂加入的溜槽并不插入到铁水中，因而属于常规大气压下的气体粉料输送系统，电气传动及控制系统也同样是最普遍的控制和传动系统，在系统的机、电、仪、液等方面都是应用成熟的技术。建设投资是一个很复杂的话题，项目建设形式不同，管理运作水平不同，最终决算方式和准确程度不同，都会造成不同的结果。KR法设备重量大且较复杂，带来的一次性投资费用要高于喷吹法，根据有关推算，KR法在前期所高出的投资，一般能在3～5年即可收回。
4.3KR法脱硅效果
目前，国内外少数钢铁厂采用的高炉前铁水沟上置法、顶喷法脱硅以及铁水罐喷吹法脱硅，虽然能达到一定的脱硅效果，但起泡问题严重，脱硅有效氧利用率较低，渣中残余FeO含量较高。而采用机械搅拌法进行铁水预处理脱硅能够解决以上问题。炉前铁水沟进行了工业试验和生产，结果表明，机械搅拌法脱硅在脱硅效率、脱硅渣起泡和脱硅有效氧利用率等方面都优于传统的顶喷脱硅方法。
实验证明，加入相同的脱硅量，高炉出铁过脱硅效率明显不及KR法脱硅效果。
4.4KR法脱硅存在的问题
从以上分析结果可以看出，KR机械搅拌法在脱硅动力学、脱硅效率、脱硅渣起泡和脱硅有效氧利用率等方面表现出了巨大的优势。同时将KR法应用于铁水预处理脱硅上，还得解决以下两个问题，①脱硅过程的温降；②脱硅渣对耐火材料的侵蚀。
采用KR法进行铁水预处理脱硫时，由于搅拌能远强于喷吹法。因此，KR法对罐体耐火材料的侵蚀速度也远大于喷吹法。铁水预脱硅与铁水预脱硫的不同之处，主要在于熔渣的强氧化性，对浇注料的性能提出了更高的要求。所以铁水预脱硅的粉剂用量远远超过预脱硫，必须相应扩大喷吹系统的能力。因此，需要开发一种既耐高温铁水又耐氧化渣侵蚀的搅拌头材质。
5结语
（1）从脱硅反应动力学角度分析，提高脱硅效率的一个重要的措施就是加强搅拌。在这点上KR法要比其它脱硅方法的优势明显。
（2）当前，主要的脱硅方法都存在着脱硅过程起泡严重，脱硅有效氧利用率低，渣中残余FeO含量高等缺点，而KR机械搅拌法能有效的解决以上问题。但KR法要在铁水预处理脱硅中得到应用，需亟待解决脱硅过程温降和脱硅渣对耐火材料的侵蚀等问题。
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参考文献
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（责任编辑要毅）