1、 WORD 11/14學院學生課程設計（論文）題 目：冶煉硅鐵工藝設計 學生：邱江 學 號：2所在院(系)： 材料工程學院 專 業： 冶金專業 班 級： 08冶金有色班 指導教 師： 茍淑云 職稱： 教授 2011年6月6日學院教務處制學院本科學生課程設計任務書題目冶煉硅鐵工藝設計1、課程設計的目的使學生融會貫通相關專業課程理論知識，培養學生綜合運用所學知識分析問題和解決問題的能力，從而加深對所學理論知識的理解、掌握與應用。本課題是為了使學生了解硅鐵的生產原理、主要原料與工藝。2、課程設計的容和要求（包括原始數據、技術要求、工作要求等）1）生產硅鐵的基本工藝和主要工藝參數；預計所需的主要原材料

2、種類與數量，主要產品成分等。可以與進行物料平衡和熱平衡計算的同學一起商定有關參數。2）提交30005000字的設計說明書，在說明書中須按規注明設計的依據與主要參考文獻；3、主要參考文獻1 春德. 鐵合金冶金學. 冶金工業.2 衛. 鐵合金生產. 冶金工業.3 袁熙志. 冶金工藝工程設計. 冶金工業.4 承武. 煉鋼學（下冊）.冶金工業.4、課程設計工作進度計劃第十六周：對選定題目進行分析，查閱相關文獻資料，做好原始記錄，確定相關參數。第十七周：撰寫課程設計說明書，并進行修改、完善，進行課程設計答辯，提交設計說明書。指導教師（簽字）日期年 月 日教研室意見：年 月 日學生（簽字）： 接受任務時間

3、： 年 月 日注：任務書由指導教師填寫。課程設計（論文）指導教師成績評定表題目名稱冶煉硅鐵工藝設計評分項目分值得分評價涵工作表現20%01學習態度6遵守各項紀律，工作刻苦努力，具有良好的科學工作態度。02科學實踐、調研7通過實驗、試驗、查閱文獻、深入生產實踐等渠道獲取與課程設計有關的材料。03課題工作量7按期圓滿完成規定的任務，工作量飽滿。能力水平35%04綜合運用知識的能力10能運用所學知識和技能去發現與解決實際問題，能正確處理實驗數據，能對課題進行理論分析，得出有價值的結論。05應用文獻的能力5能獨立查閱相關文獻和從事其他調研；能提出并較好地論述課題的實施方案；有收集、加工各種信息與獲取新

4、知識的能力。06設計（實驗）能力，方案的設計能力5能正確設計實驗方案，獨立進行裝置安裝、調試、操作等實驗工作，數據正確、可靠；研究思路清晰、完整。07計算與計算機應用能力5具有較強的數據運算與處理能力；能運用計算機進行資料搜集、加工、處理和輔助設計等。08對計算或實驗結果的分析能力（綜合分析能力、技術經濟分析能力）10具有較強的數據收集、分析、處理、綜合的能力。成果質量45%09插圖（或圖紙）質量、篇幅、設計（論文）規化程度5符合本專業相關規或規定要求；規化符合本文件第五條要求。10設計說明書（論文）質量30綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結論嚴謹合理；實驗正確，分析處理科學。11創

5、新10對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。成績指導教師評語指導教師簽名： 年月日前言1.1 硅鐵簡介鐵合金是指一種或幾種以上的金屬或非金屬元素于鐵組合成的合金，硅鐵即是硅與鐵的合金。硅鐵是煉鋼和鑄造的重要原料，它能改善鋼和鑄件的物理化學性能和機械性能，提高鋼和鑄件的質量。11.2 硅鐵的冶煉簡介硅鐵是以 HYPERLINK :/baike.baidu /view/465250.htm t _blank 焦炭、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/73990.htm t _blank 鋼屑、石英（或 HYPERLINK :/baike.baidu /view/47768

6、3.htm t _blank 硅石）為原料，用 HYPERLINK :/baike.baidu /view/14957.htm t _blank 電爐冶煉制成的。傳統煉制硅鐵時，是將硅從含有2的硅石中還原出來。冶煉硅鐵大多使用 HYPERLINK :/baike.baidu /view/815675.htm t _blank 冶金焦作還原劑，鋼屑是硅鐵的調節劑。2 原料2.1 原料與其要求2.1.1 含硅原料與其要求含原料一般采用SiO2含量很高的石英和石英巖（通稱為硅石）。表1為各種硅石的質量和物理性能。用于冶煉硅鐵的硅石必須符合下列各項要求：(1) SiO2含量大于97%(2) 有害雜質含

7、量低。硅石中主要雜質Al2O3，MgO,CaO,P2O5和Fe2O3。除Fe2O3外，其他氧化物均是有害物質，其中P2O5必須小于1%，CaO和MgO之和也應小于1.(3)有良好的抗爆性。(4)有一定的粒度。硅石的粒度根據電爐的容量、工作電壓、硅石個所用還原劑的性質以與操作水平確定，一般大型電爐的硅石入爐粒度為40120mm，小型電爐為2580mm。表1 各種硅石質量的物理性能2.1.2 炭質還原劑與其要求鐵合金生產中，用的最多、最廣且價格最最便宜的還原劑是炭質還原劑。硅鐵生產所用的炭質還原劑主要為冶金焦，其主要理化性能指標要求如下表1.此外，對冶金焦的灰分組成也有一定要求，具體為FeO約45

8、%，CaO約27%，SiO2約25%，MgO約1.0%，Al2O30.4%,P2O582 14 3 6 0.6 1200 3054 3203 冶煉設備3.1 變壓器與斷網爐用變壓器將從電網獲取的高壓電、小電流轉換成符合冶煉的低電壓、大電流, 經短網、銅瓦送到電極后, 轉化為爐所需熱能。短網的阻抗對節電和有效利用電能影響很大。短網的合理布置與結構,對提高功率因數和電效率,降低電能損失有重要意義。短網應盡量降低各導電部位的長度和通電后的溫度, 溫度越高導體電阻越大, 新的電爐設計逐步趨于用通水導電銅管替代銅排。3.2 電極把持器系統電級把持器是爐最重要的部件之一,它與電極壓放、升降裝置與銅瓦等一起

9、保證電爐的送電、負荷調整、電極下放等。由于該設備的煙罩,全部構件包括液壓、水路、絕緣等都處在高溫區, 承受高溫幅射氣流的沖刷, 工環境極為惡劣, 特別是“刺火”時, 受到更高溫度氣流的沖刷。3.3 煙罩在生產時,冶煉工藝要求電極極心圓在爐料作用下仍能保持穩定的尺寸。現設計的矮煙罩, 較過去的高煙罩不僅有利于煙氣回收, 而且對固定電極柱,穩定極心圓直徑也很有作用。目前多采用水冷鋼骨架,頂部和側面焊有Y 型鉚釘,噴涂耐熱高溫混凝土或耐火材料, 其使用壽命長、維修量小。3.4 爐體設備爐體包括爐殼和爐襯。爐襯要承受高溫電弧和電流的沖刷與爐渣侵蝕。直接與電弧和鐵水接觸的炭磚最易氧化, 因此爐殼不僅有足

10、夠的強度, 而且必須非常嚴密。3.5 液壓系統液壓控制和驅動是電爐實現自動控制的重要保證。新設計的系統采用箱體閥塊集成化的模式, 大大簡化管路布置, 整個結構緊湊, 便于安裝檢修。閥件工作面和接頭經過特殊處理,耐磨無泄漏, 工作十分可靠, 為工藝操作提供了保證3。4 硅鐵生產工藝流程4.1 硅鐵冶煉基本原理用碳還原二氧化硅是冶煉硅鐵時的基本反應。生產上為了把氧從二氧化硅中除去，在礦熱爐創造高溫條件，以焦炭中的碳奪取硅石(SiO)中的氧，生成的CO氣體通過料層從路口逸出，硅石中的硅便還原出來。冶煉硅鐵時，爐的反應機理可用圖1描述圖1 硅鐵冶煉反應機理4.2 冶煉機理冶煉硅鐵總的反應方程式為實際上

11、硅鐵反應機理是非常復雜的，盡管研究者們提出來的還原機理不完全一樣，但有幾點公認是無疑的，即在冶煉過程中有中間產物碳化硅和一氧化硅產生，而且在碳化硅和一氧化硅的生成與分解在二氧化硅的整個還原過程中起著重要作用。在較低溫度下，二氧化硅與碳作用：在較高溫度下，二氧化硅被還原成一氧化硅：而且碳化硅在高溫下因二氧化硅和一氧化硅的存在而被破壞：鐵存在時對SiO2的還原過程有很大的影響，把鐵反應出來的硅溶解，使硅脫離反應區，還加速了Si反應的進行，同時鐵與硅生成穩定的化合物硅化鐵(SiFe),并放出一定的熱量，使二氧化硅的還原溫度降低。另外中間化合物碳化硅被鐵破壞(Fe+SiC=SiF+C G0=9900-

12、9.14T T開=1083K)，結果使硅的生成容易些4。從以上的分析中可以看出，生產中控制還原劑的加入量是很重要的。還原劑過多，會使SiC生成量增加，使爐底積存的碳化硅越來越多。反應還原劑過少，SiO2不能充分地還原，價低了硅的回收率5。4.3 合金成分的控制合金含硅量越高，要求還原溫度就越高，對原料質量性能和爐況操作維護要求更高，由于硅石質量性能較差，難以保持較高的爐溫，還原反應速度與爐料融化速度不匹配而惡化爐況。為了加快還原反應速度，增加配鐵量降低硅的還原溫度，因此合金含硅量按75%硅鐵國際下限控制，即按72Si 74%圍操控。4.4 冶煉操作為了減少爐況波動，統一操作，堅持混合料加入，維

13、護電極穩定，加強爐料均勻透氣，保持較大坩堝，避免生料進入坩堝造成三相負荷不平衡，熱量分布不均，降低反應速度。在配電操作中，須密切關注爐況。正常情況下，電極電流幾乎全部進入坩堝區，支路電流占很小比例，因此在配電時必須關注三相電極電流和對地電壓的平衡，通過觀察電極周圍火焰和沉料情況判斷該相電極放弧做功好壞，若對放弧做功差的某項電極急于下插來增大做功，這樣只會增加支路電流，增加熱損失，而對進入坩堝坩堝區得功率增加很有限，應準確分析原因，如電極結渣或大量生料進入坩堝區，與時與電爐操作工聯系加以處理。保持三個坩堝穩定良好的放弧做功狀態，保持較高的反應區溫度，達到穩定良好的爐況6。5 硅鐵生產中雜質元素的

14、控制5.1 鋁的控制方法5.1.1 精料入爐還原劑采用低灰分(10 % ) 的藍炭。在轉煉的頭一個班就全部使用藍炭, 減少灰分中Al2O3的帶入量。5.1.2 爐外精煉按要求的鋁含量, 出鐵后, 按一定比例加入氧化性四元渣即: SiO2 一CaO 一CaF 一Fe0 系低熔點四元渣, 并加頂吹氧進行爐外精煉, 吹氧壓力5 k g 為宜。5.1.3 中頻爐生產(重熔法)由于在爐外頂吹精煉吹氧時, 在沒加裝中間包與更先進精煉設備時, 鐵水溫度損失大, 鐵損多, 生產更低鋁含量的硅鐵就較為困難, 所以該公司就采用中頻爐進行生產:在保證溫度的前提下, 進行二次精煉, 進行更進一步的脫鋁操作,能使合金中

15、Al 0 . 1 %。5.2 鈣的控制方法(1)入爐硅石需洗選干凈, 盡可能地把混人硅石中的雜石、風化石挑選干凈,減少其帶入量(2)由于各元素和氧的親和力強弱順序為: C、Ca、Al、Si、Fe, 硅鐵中雜Ca、Al對氧的親和力大于Si、Fe ,所以硅鐵中雜質Ca 、Al會優先于Si和Fe氧化生成CaO 和A12O3 。所以在必要的情況下可采用吹壓縮空氣或氧氣進行脫鈣處理。一般硅鐵生產過程中, 只要能把混入硅石中的雜石、風化石挑選干凈, 合金中含鈣量就能控制在0.5 % 以下, 如客戶需要更低鈣含量的硅鐵,就可采用爐外精煉( 吹氧和壓縮空氣)的方法進行處理。5.3 碳的控制方法5.3.1 控制

16、澆鑄溫度碳在硅鐵合金中的溶解度隨溫度降低而減少。碳在固相硅和硅化物中的溶解度是相當有限的, 在液態合金中碳的溶解度隨著溫度升高而增加, 所以澆鑄溫度的控制對合金中碳的含量有直接關系。資料表明, 澆鑄溫度低于1 5 5 0 , 可使碳化物盡可能多地析出。常用的降溫方法有鎮靜、倒包和搖包處理等。5.3.2 合理控制用碳量在硅鐵生產過程中, SiC 的生成和分解是一個重要的因素。當爐子上部溫度大于1500時則發生以F 反應:4 C + 2 SiO = 2SiC+2CO而爐子下部溫度大于1800時, 則發生SiC分解反應, 即:3SiO2 + 2SiC二Si +4SiO+ 2CO所以在生產過程中控制還

17、原劑的加人量很重要, 還原劑過多,會使SiC生成量增加, 從而造成合金中碳含量增加。為此在生產中還原劑的加入量一定要合適。5.3.3 爐外精煉(1)吹氧降碳由于碳極易與氧結合, 吹氧幾乎能使全部游離的碳迅速與氧結合并析出硅液。在吹氧過程中, 不但加強氧與游離碳的迅速結合, 也加強了合金的攪拌, 改善了碳化物的析出條件, 使碳人物能迅速析出液面。(2)重熔降碳碳化硅與硅鐵密度相差較小(SiC:3.21g/cm3、75SiFe:3.5g/cm3),彌散在合金中的碳化硅析出速度較慢, 有相當一部分聚集在晶界。重熔合金時這一部分碳化硅進一步聚集, 使顆粒變大, 從而使SiC的上浮條件更為有利, 合金中

18、碳含量得到進一步降低。此方法在該公司中頻爐上得到驗證, 能使硅鐵合金中碳含量降到0.03%以下。(3)防止外來污染在硅鐵鎮靜過程中,采用鋸未、蔗渣與干稻草進行保溫, 禁止使用焦粉,嚴禁使用石墨粉涂刷鐵水包和錠模壁,避免合金增碳7。硅鐵牌號與用途6.1 硅鐵牌號和化學成分 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006031617315300437.html t _new 硅鐵按硅與其雜質含量，分為十六個 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006011617333400373.html t _new 牌號，其 HYPE

19、RLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006052209155300447.html t _new 化學成分如 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006030909330600310.html t _new 表3：（根據GB2277-87）表3 硅鐵牌號和化學成分牌號化學成分%SiAlCaMn HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006031316515800190.html t _new CRPSC圍不大于FeSi90Al1.587.0-95.01.50.50.40.20.040.

20、020.2FeSi90Al387.0-95.03.00.50.40.20.040.020.2FeSi75Al10.5-A74.0-80.00.51.00.40.30.0350.020.1FeSi75Al10.5-B72.0-80.00.51.00.50.50.040.020.2FeSi75Al1.0-A74.0-80.01.01.00.40.30.0350.020.1FeSi75Al1.0-B72.0-80.01.51.00.50.50.040.020.2FeSi75Al1.5-A74.0-80.01.51.00.40.30.0350.020.1FeSi75 Al1.5-B72.0-80.01

21、.51.00.50.50.040.020.2FeSi75 Al12.0-A74.0-80.02.01.00.40.30.0350.020.1FeSi75 Al12.0-B74.0-80.02.01.00.40.30.040.020.1FeSi75 Al12.0-C72.0-80.02.0-0.50.50.040.020.2FeSi75-A74.0-80.0-0.40.30.0350.020.1FeSi75-B74.0-80.0-0.40.30.040.020.1FeSi75-C72.0-80.0-0.50.50.040.020.2FeSi6565.0-72.0-0.60.50.040.02-F

22、eSi4540.0-47.0-0.70.50.040.02-6.2 硅鐵的用途(1)硅和氧很容易化合成 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006040711163400447.html t _new 二氧化硅。所以硅鐵常用于 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006040715243900447.html t _new 煉鋼作脫氧劑，同時由于SiO2生成時放出大量的熱，在脫氧同時，對提高鋼 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006030911434300310.html

23、 t _new 水溫度也是有利的。硅鐵作為合金元素加入劑。廣泛用于低合金 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2008060514303200604.html t _new 結構鋼、合結鋼、 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006011015132500381.html t _new 彈簧鋼、 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006011015003100381.html t _new 軸承鋼、耐熱鋼與電工 HYPERLINK :/knology.chinaccm /p

24、hrase-2006011114574100378.html t _new 硅鋼之中，以外硅鐵在 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006011115093300326.html t _new 鐵合金生產與化學 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006081511005000447.html t _new 工業中，常用作還原劑。含硅量達95%-99%。純硅常用制造 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006072712081700447.html t _new 單晶硅或配

25、制 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006011522483300232.html t _new 有色金屬合金。(2)硅鐵在鋼工業、鑄造工業與其他工業生產中被廣泛應用。硅鐵是煉鋼工業中必不可少的脫氧劑。炬鋼中，硅鐵用于沉淀脫氧和擴散脫氧。磚坯鐵還作為合金劑用于煉鋼中。鋼中添加一定數量的硅，能顯著提高鋼的強度、硬度和彈性，提高鋼的 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006041408412400447.html t _new 磁導率，降低 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase

26、-2006011014183000191.html t _new 變壓器鋼的磁滯損耗。一般鋼中含硅0.15%-0.35%，結構鋼中含硅0.40%1.75%， HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2008060514401700604.html t _new 工具鋼中含硅0.30%1.80%，彈簧鋼中含硅0.40%2.80%，不銹耐酸鋼中含硅3.40%4.00%，耐熱鋼中含硅1.00%3.00%，硅鋼中含硅2%3%或更高 。(3)高硅硅鐵或硅質合金在鐵合金工業中用作生產低碳鐵合金的還原劑。硅鐵加入鑄鐵中可作 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006011014341800126.html t _new 球墨鑄鐵的孕育劑，且能阻止碳化物形成，促進 HYPERLINK :/knology.chinaccm /phrase-2006062014550300372.html t _new 石墨的析出和球化，改善鑄鐵性能。 (4) HYPERLINK :/knology.chinaccm