摘  要  南钢4号高炉生铁含硅总体偏高，极大限制了降低高炉消耗水平以及生铁成本。4号高炉积极探索低硅冶炼，取得了较好效果。铁水中含硅量由0.55%降至0.38%，最低0.33%。同时，各项经济技术指标得到了明显改善，燃料比和焦比大幅度降低，煤比和有效容积利用系数获得了大幅度提高。

关键词  高炉  低硅冶炼  燃料比  煤比

1  引言

铁水含硅量是评价高炉铁水质量和生产技术水平的重要指标，低硅冶炼是炼铁工作者追求的目标。在高炉冶炼过程中，硅作为难还原元素，还原1kg硅消耗的热量是还原1kg铁的8倍。随着硅还原量的减少，炉内热量的消耗会大幅降低。根据炼铁经验，每降低生铁含硅0.1%，能够降低燃料比4~6 kg/tFe，提高产量0.5%～0.7%，降本增产效果相当明显。此外对于炼钢工序，降低生铁含硅量可减少石灰用量、减少渣量以及热量、氧量等能源消耗，能够缩短炼钢冶炼时间，提高生产效率。经验表明，在炼钢过程中生铁含硅每降低0.1% ，吨钢可减少熔剂10～15 kg^[1]。

南钢第二炼铁厂4号高炉（1800m³）于2014年1月24日点火开炉。开炉以后，虽然很快达产达效，但4号高炉铁水含硅量总体偏高，平均可达到0.55%，极大限制了进一步降低高炉消耗水平以及生铁成本。为了降低生产成本、提高铁水质量和产品的市场竞争力，4号高炉于2015年4月份开始尝试进行低硅冶炼，取得了较好效果。

2  铁水中硅的来源

高炉铁水硅的来源有三个：焦炭灰分、高炉炉渣和煤粉灰分中的二氧化硅。由于煤粉影响原因复杂，业界内没有统一说法，本文暂时不把煤粉灰分作为铁水硅主要来源进行研究。

2.1  焦炭灰分中的二氧化硅^[2]

一般认为焦炭灰分中的SiO₂ 呈自由状态存在， 这时αSiO₂=1，为一般高炉渣αSiO₂的10~20倍（一般高炉渣αSiO₂=0.05~0.10，初生渣也不超过0.15~0.20），因而有利于气化。并且灰分中SiO₂与C有均匀而紧密的接触，易发生还原反应。如果焦炭灰分中的SiO₂先熔融造渣，然后从液态气化气态为SiO，由于焦炭灰分中SiO₂很高(45~50%)，αSiO₂亦很高。据首钢试验高炉条件下计算αSiO₂可达0.85，仍为一般高炉渣的8.5~10倍，可见焦炭灰分中的SiO₂无论从什么状态下气化，αSiO₂ 都比普通高炉渣大得多。焦炭灰分中的SiO₂ 是气态SiO的主要来源。

2.2  高炉炉渣中的二氧化硅

虽然焦炭中SiO₂的活性高，比炉渣中SiO₂更容易还原，但焦炭带入高炉SiO₂的数量只为入炉SiO₂总量的15%左右^[3]。实验表明^[4]，铁水中硅含量为0.7%~0.9%时，进入生铁的[Si]有53%来自焦炭，其余则来自炉渣。炉渣中SiO₂的活性虽然较低，但由于渣量较大，SiO₂含量较高，也是铁水中硅的主要来源。

3  高炉内硅的基本反应^[5]

大量的实践和研究表明，硅在高炉内的行为以风口为界分为两个区域。风口以上区域，确切的说是在滴落带，对应的主要部位是炉腹，该区域内进行的是SiO₂的还原反应，称为硅还原区。风口以下区域，主要是铁滴穿过渣层，对应的是炉缸部位，进行的是硅的再氧化反应，称为硅氧化区。

在硅还原区，SiO₂的还原分两步进行。首先，焦炭灰分和炉渣中的SiO₂在高温区与焦炭中的固定碳发生反应，释放SiO气体，反应式为：

                     SiO₂ + C = SiO_(g) + CO                         (1)

然后，产生的SiO气体随煤气上升，与大量滴落的铁水中的[C]反应还原出[Si]，反应方程式为：

SiO_(g) + [C] = [Si] + CO                         (2)

在硅氧化区，铁滴中的[Si]在穿过渣层汇聚到炉缸时会被炉渣中的FeO再氧化，反应方程式为：

[Si] + 2(FeO) = (SiO₂)                          (3)

因此，降低生铁含硅量，必须抑制反应(1)、(2)进行的同时促进反应(3)进行。

4  低硅冶炼生产实践措施

4号高炉依据南钢实际生产状况，主要采取以下几方面措施来进行低硅冶炼。

4.1  保证炉况稳定顺行

保证炉况稳定顺行是实行低硅冶炼的基础。采用合理的送风制度，通过布料档位的调整，获得合理的煤气流分布，提高煤气利用率。煤气流分布模式以确保稳定中心煤气流、一定的边缘煤气流并与下部初始煤气流分布相适应为原则。除了获得合理煤气流分布之外，还要保证炉墙热负荷稳定。炉墙热负荷的波动会对炉温产生极大冲击，影响高炉稳定顺行。低硅冶炼期间，高炉炉缸热量储备处于炉况和技术操作水平所允许的最佳水平上，一旦炉况出现波动，极易诱发高炉炉凉、炉缸冻结等重大事故的发生，破坏炉况稳定顺行。因此实行低硅冶炼期间，需要保证炉况稳定顺行。

4.2  提高炉顶压力

低硅冶炼期间，4号高炉将炉顶压力从185kpa逐步提高到后期的195kpa。

提高炉顶气压力主要出于以下三方面^[6]考虑：第一，可以提高炉身以下P _CO，抑制SiO气体的产生，从而降低铁水含硅量；第二，高顶压操作可以降低煤气流速，增加煤气在炉内的停留时间，改善煤气流分布，提高煤气利用率，降低焦比，降低焦炭带入的SiO₂的量，最终可以降低铁水含硅量；第三，髙顶压有利于炉内热量向下部集中，降低了软熔带的高度，从而进一步抑制了硅的还原。此外炉顶压力提高后，改善了煤气的径向分布，抑制了煤气管道的形成，促进了高炉的稳定顺行。

4.3  降低风口理论燃烧温度

风口理论燃烧温度是高炉下部鼓风参数的一个综合反映，直接影响到煤粉的燃烧和炉缸的热量。风口理论燃烧温度要保证适宜，过高和过低都会影响高炉炉况顺行。实行低硅冶炼前，4号高炉风口理论燃烧温度一直控制在2150℃~2300℃之间。

随着风口理论燃烧温度的降低，会使风口回旋区温度下降，能够抑制风口前SiO₂被还原成SiO的反应，降低了硅进入铁水的量。和歌山实验也表明，风口前燃烧焦点的温度不超过2000℃，水岛厂由2260℃降到2200℃，福山厂由2270℃降到2070℃，铁水含[Si]均有不同程度下降 ^[7]。因此，在适宜范围内，适当降低风口理论燃烧温度对低硅冶炼有利。低硅冶炼期间，4号高炉在保证炉况顺行的基础上，尝试将风口理论燃烧温度控制范围调整为2100℃~2250℃。

低硅冶炼期间，4号高炉主要采用全用风温、稳定富氧，通过提高煤比来降低风口理论燃烧温度。煤比由之前的140 kg/tFe提高至155kg/tFe左右，风口理论燃烧温度由之前的平均2270℃降至后期的平均2120℃。2015年风口理论燃烧温度如表1所示。

表1  2015年风口理论燃烧温度（℃）

同时随着煤比的提高，焦比由358 kg/tFe降至328kg/tFe，大幅度降低了焦比，降低了入炉的SiO₂含量降低以及低活性的SiO₂含量增加，同样有利于进行低硅冶炼。