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1、1 前言 在硅铁生产过程中或多或少存在着炉况的波动，较大的炉况波动会造成冶炼操 作困难，指标恶化。对炉况的变化需准确及时地作出判断，以尽快找住引起炉况变 化的原因和正确指定出处理炉况的有效措施，改善硅铁冶炼经济技术指标。 2 硅铁冶炼存在的基本反应 硅铁电炉冶炼时从上到下可分为预热带、烧结区即坩埚壳、坩埚区和电弧区， 个区域的温度和基本反应及产物大致如下： 2.1 预热带（SiO歧化反应区）温度约500~1300℃，厚度约200~400mm，炉心处 由于沉料快而厚，锥体边脚由于沉料慢而薄。其主要反应是： 2Si=SiO2+Si
2、…………………………① △G0=-630113+290.56T t开≤1895℃ SiO(g)+2C(s)=SiC(S)+CO(g)………………② △G0=-5875-4.02T 3SiO(g)+CO(g)=SiC(S)+ 2SiO2(s)……….③ △G0=-1260227+581.13T t开≤1896℃ Si(l)+C(s)=SiC(s)…………………………④ △ G0=-100600+34.9T t开≤2609℃ 主要产物是SiC、Si、SiO2、、SiO 较多地被多孔的焦炭吸附并形成SiC，不与 焦炭接
3、触的SiO发生歧化反应后所得的Si也有部分在操作和炉料运行中与焦炭接触 按④生成SiC，因此在该区对SiC的生成更有利。但由于①、②、③反应都是气体物 质接触固体炉料时发生，因此所得产物量是有限的。 2.2 烧结区即坩埚壳（SiC形成区）温度约1300-1750℃，厚度随炉况而变化（ 应在400mm以上），其主要反应是： 1/2SiO2（L）+3/2C(s)=1/2SiC(S)+CO(g)………………………⑤ △ G0=67035-43.89T t开=1254℃ 3SiO(g)+CO(s)=SiC(S)+2SiO2（L）………………………………⑥
4、 △G0=-332.75+0.1529T t开≤1903℃ Fe(l)+ SiC(S)= FeSi(l)+ C(s) ………………………………⑦ △ G0=9900-9.14T t开=810℃ 6SiO2（L）+12C(s)+Fe(l)=FeSi(l)+5Si(l)+12 CO(g) ……………⑧ △ G0=9900-9.14T t开=810℃ 2SiO(g)= SiO2（L）+ Si(l) ……………………………………① SiO(g)+2C(s)= SiC(S)+CO(g)……………………………………② Si(L) + Fe(l)= Fe
5、Si(l) ………………………………………⑧ △ G0=-28500-0.64T 主要产物是SiC、含Si低的[Si]Fen及SiO2，由于该区硅石软化呈半熔融状态， 与C接触更充分，大量生成SiC。此时铁屑以熔化，其破解SiC反应加快，或按⑧反 应生成一部分含Si低的[Si]Fen，有①、③反应所得的液态SiO2与SiC形成烧结状态 影响炉料透气性。 2.3 坩埚区（SiC的分解区）温度约1750-2000℃，厚度随炉况而变化，其主要 反应是： SiO(g)+SiC(S)=2 Si(L)+ CO(g) ……………………………⑨ △
6、G0=49150-24.59T t开=1726℃ 1/2SiO2（L）+ SiC(S)=3/2Si(L)+CO(g) ……………………⑩ △ G0=97380-47.64T t开=1771℃ 1/2SiO2（L）+ C(S)=1/2Si(L)+CO(g) ………………………⑾ △ G0=83700-43.2T t开=1665℃ 主要产物是Si和含Si高的[Si]Fen，由于该区温度提高使SiO2破解SiC而生成大 量的Si，有该区上部所得的含Si低的[Si]Fen溶解该区生成的Si而得到含Si高的[S i]Fen。由于焦炭在进入该
7、区前参与生成SiC的反应大量被消耗掉，因此在坩埚区⑾ 反应较少且受⒃反应所限制。 2.4 电弧区（各质气化区）温度约2000-6000℃，其大小与电压有关，主要反 应是： 3/2SiO2（L）+ SiC(S)=1/2Si(L)+CO(g)+ 2SiO(g)……………………⑿ △ G0=211975-95.69T t开=1942℃ 2SiO2（L）+ SiC(S)= CO(g)+ 1/3SiO(g)……………………⒀ △ G0=315850-131.13T t开=2136℃ SiO(g)+SiC(S)=2 Si(L)+ CO(g
8、) ……………………………⑨ SiO2（L）+ Si(L)=2 SiO(g) …………………………………⒁ △ G0=121430-52.87T t开=2024℃ 以及各种物质的气化反应。 主要产物是SiO和Si，由于该区温度特别高，未放映完的SiO2和SiC继续反映生 成大量的SiO。该区是气体物质的来源，它不但产生SiO而且也气化其它物质。 2.5 其它反应 2SiO(g)+ CO(g)= SiC(S)+ CO2(g)+ SiO2（L） ……………………………⒂ △G0=-215.643+0.1176T t
9、开≤1561℃ SiO2（L）+C（s）= SiO(g)+ CO(g) …………………………………………⒃ △ G0=159600-77.94T t开=1775℃ SiO+C=Si+CO …………………………………………………⒄ △ G0=8900-8.86T t开=731℃ 由于焦炭在进入坩埚区前除按⑦反应外一般都被生成SiC的还原反应消耗尽了 （即形成所谓的炭下不到底的现象），所以⒃反应甚少，⒃反应一般在亏炭情况下 附加焦炭直接进入干果时发生。在预热区和烧结区由于其它反应较强烈所以⒂、⒄ 反应都应为很次要的反应。
10、 3 不正常炉况的形成和影响因素 若硅铁电炉的主要反应能够顺利进行，则硅铁炉料就能以正常速度下沉，炉况 就处于正常状态。 若硅铁冶炼的某些因素发生变化，如原材料变化、电压波动、设备故障停炉等 的影响，会使硅铁冶炼的某一环节的主要反映异常，次要反应或副反应发展，导致 炉料下沉减慢，炉内积渣，冶炼操作困难等炉况不顺，恶化生产技术指标。主要反 应异常的情形有如下几种： 1）SiC的生成反应 由于SiC的生成反应在很低的温度下△ G0就已成负值，而且焦炭对SiO\CO的吸 附作用很强以及SiO2的熔化度使SiC的生成条件大大改善。因此
11、炉料中的焦炭在进 入坩埚之前就已被生成SiC的反应所消耗掉，当炉料亏炭时生成的SiC减少，使进入 坩埚区的SiC少，SiO2多。当炉料多炭时生成大量的SiC，使进入坩埚区的SiC过多 ，SiO2过少。 2）SiC的破解反应 当进入坩埚区SiC过多SiO2过少时，则SiC的破解反应不完全，产生的Si少，生 产率降低。由于炉渣中含SiC高而使炉渣变稠，几乎不能排泄，使大量的SiC积存炉 底，产生炉底上涨，坩埚缩小，电极上抬并进入而塌料频繁，坩埚间和到出铁口通 道阻塞。当进入坩埚内SiC减少，SiO2增多时，使内SiC的破解反应朝生成SiO的反 应方向发展，
12、使炉内Psio过大，且炉渣含SiO2升高，渣量增加。当坩埚区温度降低 时，即使进入坩埚内SiC和SiO2比例正常，SiC的破解反应也因此不能充分进行，造 成坩埚区被半成品（即SiC和SiO2）充填而缩小，炉内反应减少，炉料下沉减慢， 烧结区扩展并使上层炉料严重板结。当坩埚区缩小后电弧区温度升高产生较多的S iO，PSIO增大。 若炉内因亏炭而积存大量的SiO2使坩埚缩小，此时若补充焦炭由于电极上抬，坩埚 区温度降低，SiC的破解反应减弱，会有焦炭下不到底的现象。若电炉热停路频繁 或电压低输入坩埚内的功率减小时，坩埚区温度降低，也有炉底亏炭的假象。 3）SiO的捕集反
13、应 SiO的捕集反应主要指SiO的歧化反应和SiO转化为SiC的反应。若料层太薄，或 料面温度过高，或刺火塌料频繁，使SiO的捕集反应减少没，造成大量SiO损失和热 量损失，使电炉生产率降低，消耗增加。 若炉内产生过多的SiO，由于初期SiO在预热层大量捕集，过多的SiO的歧化等 反应放出大量热量，使料面温度升高炉料比电阻减小，形成的SiO2与SiC的半熔状 物，造成炉料透气通道被堵塞，当此处长久得不到炉气的预热温度降低形成炉料板 结并由外向里发展，此种情况若未及时处理，则SiO2随后在坩埚区边缘逐渐聚集使 坩埚缩小，由于炉渣含SiO2较高，炉渣粘稠不易
14、排出造成炉内积渣并进而炉底上涨 ，坩埚继续缩小，最终会使坩埚分隔不通，炉况严重恶化。 过多的SiO从坩埚区逸出不但带走坩埚区大量的热量，而且减少了坩埚区Si的 生成，降低了电炉生产率。 主导硅铁冶炼反应的应是SiC的破解反应，一般炉况变化发生在SiC的破解反应 受阻，次反应或副反应发展时，进而产生炉内积渣，坩埚收缩，电极上抬等一系列 炉况变化。 3.2 产生不正常炉况的影响因素 1）焦炭用量的影响 由于焦炭水分、固定碳含量的变化，造成焦炭配入量的不准。当焦炭过多时， 电极上抬，坩埚温度降低，进入坩埚的SiC多、Si
15、O2少，使SiC的破解反应不完全， 造成坩埚内积存SiC后坩埚缩小；当焦炭过少时，进入坩埚内SiC少、SiO2多，使S iO2不能充分还原，渣量增加，PSIO增大。 2）电压的影响 当系统电压波动时会对炉况产生影响。当电压过高时，电极上抬，坩埚温度降 低，SiC的破解反应减弱，使坩埚内积存SiC和SiO2，造成坩埚缩小；当电压过低时 ，输入坩埚内的功率减小，破解SiC的反应区域减小，生成SiC的区域增大，炉料运 行减慢，是SiC形成粗大晶粒增加了破解难度。 3）极心圆的影响 极心圆直径大小不合理会对炉况产生影响。极心圆过大时热量
16、不集中，渣铁排 不净，造成电极上抬，使坩埚区温度降低，SiC的破解反应减弱，渣量增加；极心 圆过小集中，炉心化料快并使SiO2气化增多，硅的挥发损失增加，由于坩埚区小且 电极上抬坩埚区温度降低，因此SiC的破解反应减少，生产率降低，电耗损升高。 4）硅石的影响 硅石性能的变化，质量的降低会对炉况产生影响。硅石杂质含量高，渣化快， 强度和抗爆性能差，粒度大小不均匀，使硅石过早熔化，炉料透气性变差，因此S iC生成快，SiO捕集差。由于化料速度大于还原速度，以及炉料比电阻降低，使电 极上抬，因此坩埚温度降低，SiC的破解反应减弱，渣量增加。 硅
17、石性能的变化，质量的降低会对炉况产生影响。硅石杂质含量高，渣化快， 强度和抗爆性能差，粒度大小不均匀，使硅石过早熔化，炉料透气性变差，因此S iC生成快，SiO捕集差。由于化料速度大雨还原速度以及炉料比电阻降低，使电极 上抬，因此坩埚温度降低，SiC的破解反应减弱，渣量增加。 硅石大小不均，使炉料中形成SiC和SiO2不均匀，影响SiC破解和SiO2的还原， 渣量增加并使PSIO增大。 5）操作的影响 冶炼操作主要是围绕电极深插，炉料透气良好，扩大坩埚进行。若操作中不当 使电极上抬，坩埚温度降低，SiC的破解反应减弱；或炉料透气差，使CO排出
18、困难 ，炉内反应减慢，并且不利于SiO捕集反应。 6）热停炉的影响 热停炉后坩埚区温度降低，SiC的破解反应停止，未及时破解的SiC转变为致密的粗 大晶粒，使其破解难度增加，同时也会因电极的上下移动而使生料落入坩埚内，造 成渣量增加，坩埚缩小。 4 炉况的维护 一般坩埚区温度高低决定坩埚大小，料面透气范围的大小是坩埚大小的表现， 所以在炉况的维护时要求：①电极深插稳插②料面透气性好，火焰区宽大均匀。因 为电极深插，坩埚区温度提高，使SiC的破解反应区增大，SiC的破解反应加快；炉 料透气性好，以利于SiO捕集和热量的利用，也有利于扩大
19、坩埚提高炉内还原反应 速度，降低消耗，因此冶炼操作主要是围绕这两点进行，以保证炉况的稳定良好。 4.1 正确判断炉况 要维护好炉况首先必须正确对炉况作出判断，以利于正确操作和及时处理。 1）炉况正常时表现为：电极深而稳，坩埚大，炉料透气均匀，火焰区宽大， 炉料沉料正常，还原反应快，出炉时间短，铁水温度高，产量质量正常，消耗低等 。 2）当炉况不正常时表现为： ①若初期电极起伏，炉料透气性还好，坩埚还较大，但随后电极位置高，塌料 增多，坩埚缩小，铁水温度低等，应与焦炭用量偏多，粒度过大，电压偏高等有关 。
20、 ②若初期电极深插，用不足负荷（或电流波动），随后炉料透气性差，变粘， 料面出现较多的SiO燃料产生的白烟，刺火增多坩埚收缩，渣量增加并逐渐积渣， 使电极位置上移等，应与焦炭用量不足出现亏炭有关。 ③若初期电极深插，负荷不足，反应减弱，沉料减慢，火焰软弱无力，随后炉 心透气差（或炉心不走料），坩埚区缩小等，应与电压偏低有关。 ④若初期电极深插，炉内反应正常，但炉心透气差（或炉心不走料），出炉不 倒表，铁水流不尽，出现三相坩埚不通，随后电极位置高难以下插等，应与极心圆 过大有关。 ⑤若电压起伏大，炉内反映正常，但炉心化料快，坩埚较小，SiO
21、挥发损失增 加，电耗高等到，应与极心圆过小有关。 ⑥若料面易烧结，收火快，出炉渣量多，为此用炭量一般呈上限，因此电极难 以深插稳插，坩埚难以扩大。这应与硅石质量较差，如杂质多，强度低，抗爆性能 差，硅石粒度大小不均等，使硅石出现较早地熔化有关。 4.2 不正常炉况的处理 首先应在炉况变化初期及时根据不正常炉况的判断分析其影响因素，进行逐个 排出，找准真正影响因素加以解决，以使炉况不至于恶化。并通过加强操作可使炉 况恢复正常。 当炉况恶化后，一般会出现电极上抬，料面透气性差，刺火或塌料，坩埚缩小 ，炉内积渣等此时必须进行洗炉处理
22、才能使炉况恢复正常。 洗炉的目的是通过加入洗炉材料使炉内的积渣排出或部分转化为合金，从而使 电极得以下插，扩大坩埚，并最终使炉况恢复正常。 洗炉方法和理论依据： 1）洗炉方法： 采用在炉料配比中配入少量的石灰石和直接对三相坩埚加入一定量的铁屑（并 配有适量焦炭）的办法洗炉，一般经过24小时就可以使电极下插并达到炉况基本恢 复正常的效果。 2）洗护的理论依据： 炉料中配入石灰石后比电阻增加，促使电极深插，促使炉内反应，加快炉料进 行，减轻炉料烧结，改善炉料透气性；CaO与炉渣中Al2O3\SiO2结合放出
23、热量，降 低炉渣黏度，有利于SiC的破解反应和炉渣的排出。 Fe或（FeO）与少量C加入坩埚后按⑥和⑦式进行反应，不但破解SiC、降低炉 渣熔点和黏度，而且使SiO2更多的被还原减少了炉渣量。 一般在炉况正常，炉渣中SiC和SiO2含量合适情况下不会造成Al2O3的积存，只 有当SiO2过多，SiC过多（或SiO2过少）时炉渣黏度大才会产生Al2O3的积存。 当炉渣中SiC和SiO2尽可能地转化成合金后，炉渣量减少，积存的Al2O3被CaO作用 后排出炉外，所以炉底下降，电极下降，电极下插，坩埚扩大，烧结区变薄，透气 性改善，炉况得以恢复。
24、 4.3 对产品质量的正确控制 对于软化点低，较易熔的硅石冶炼硅铁时，要提高炉温比较困难，合金含硅量 不宜控制过高，否则维护炉况的操作变难，指标变差；对于软化点较高的硅石冶炼 时合金中硅可控制较高。通过控制过高的炉温和过多的用炭量不但使炉况维护增加 难度，热损失增加，而且根据选择性还原理论，会造成过多的Al2O3被还原，使产 品含铝和电耗增加，因此当维护好炉况正常，并根据原材料状况控制合适的炉温和 用炭量，选取合理的合金含硅量控制才能获得较好的产品质量和最佳的经济技术指 标。 5 结语 5.1 炉内主要反应受影响，次要反应或副反应发展是使炉况出现异常的根由 。主导硅铁炉内反应的是SiC的破解反应。 5.2 对炉况及时正确判断是维护好炉况的先决条件。炉况变化初期及时排出 影响因素，并通过加强操作可使炉况恢复正常；炉况恶化后必须采取洗炉才能使炉 况恢复正常。 5.3炉况维护操作主要是围绕电极深插，炉料透气性好，利用扩大坩埚的出发 点。
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