硅钙合金的生产工艺及配料计算

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（来源：SMM 硅世界）

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硅钙合金的用途、牌号及生产方法

硅钙合金是硅、钙、铁组成的复合合金，是一种较理想的复合脱氧剂、脱硫剂，主要用于炼钢和铸铁生产。硅钙合金脱氧能力强，脱氧产物易于上浮排出，在冶炼优质钢、特殊钢和特殊合金中常用作脱氧剂。硅钙合金中的钙与硫可形成不溶于钢水的稳定CaS,因此硅钙合金脱氧时还有脱硫作用。硅钙合金也适合用作炼钢转炉的增温剂，用作铸铁的孕育剂和添加剂，同时起到脱氧、脱硫、脱氮和增硅的效果。

硅钙合金的牌号及化学成分列于表1。

表1 硅钙合金牌号及化学成分(YB/T 5051—2016)

硅钙合金的生产方法有一步法和二步法。一步法是在一台电炉内，用碳还原硅石和石灰生产出硅钙合金;二步法是先在一台电炉内生产出电石(或高碳硅铁),然后用电石加硅石和焦炭(或用高碳硅铁加石灰)在另一台电炉内生产出硅钙合金。二步法需要两台电炉，综合电耗高，操作要求高，过程难控制，对原料中的水分要求严格，因而只有在自动化程度高、管理条件好、机械化上料、料仓密封好的电炉上采用。

硅钙合金生产用原料

生产硅钙合金的原料有硅石、石灰、焦炭、木块(或木炭)和烟煤等。

硅石：要求SiO₂>98%,Al₂O₃+Fe₂O₃<1%,其他杂质越少越好;表面不能粘有泥土或其他杂质，吸水率低于5%;硅石入炉粒度为30～60mm,其中大于60mm、小于30mm的部分要小于5%。

石灰：要求CaO>85%,Al₂O₃≤0.5%,Fe₂O₃≤0.3%,S<0.03%,不混有生烧和过烧，入炉粒度10～15mm。

焦炭：固定碳高于80%,灰分低于15%,挥发分不高于2%,S≤0.6%,入炉粒度3~5mm,粉末应小于10%。

木炭：固定碳高于75%,灰分低于2%,挥发分低于20%,水分低于10%,不得混有生烧木柴头、粉末和其他杂质，块度20～80mm。

木块：配入的目的是增加炉料电阻率。采用普通的松杂木，剥去树皮，厚度大于20mm,长度小于200mm,其中厚度小于20mm的应小于5%。

烟煤：要求灰分低于8%,水分低于10%,不混有其他杂质;要有良好的烧结性能;入炉粒度为0～13mm。

硅钙合金冶炼原理

硅钙合金是在矿热炉内用碳质还原剂，还原二氧化硅和氧化钙制取的。熔炼硅钙合金的主要反应为：

总反应可以写成：

在有铁存在时，用碳还原CaO和SiO₂可在较低反应下进行，反应如下：

一步法硅钙合金冶炼工艺

一步法是将称量好且混合均匀的石灰、硅石、碳质还原剂一同装入电炉中，采用恰当的工艺操作，炼制硅钙合金，其工艺流程如图1所示。

硅石石灰还原剂(焦炭、烟煤、木炭、木块)配料矿热炉冶炼出铁渣铁分离铁水浇注取样分析精整入库。

一步法分为混合加料法和分层加料法。

4.1 混合加料法

混合加料法的操作与小电炉生产FeSi75的操作相似，但硅钙合金炉料不是全部以混匀的状态入炉，有1/4~1/3的硅石是在塌料后单独加于电极周围，木块也是单独加入，其余的硅石和石灰、焦炭、烟煤混匀后加入炉内。

混合加料法的操作过程是：出铁后堵好炉眼，料面出现第一次大塌料，然后捣炉压硅石，把热料推向电极附近，压平，把木块加在电极附近，压平，再加混合料，料面要堆成锥体，锥体高度约200mm,上面撒些焦炭与烟煤的混合料，进行焖烧，当发现料面个别地方变薄后，轻加一些新料，以延长焖烧时间。当料面大部分变薄时，出现第二次大塌料，塌料后，往电极旁加入回炉渣，平整料面，再加混合料，堆成锥体，进行焖烧。当发现料面个别地方变薄时，轻轻盖上新料，当料面大部分变薄时，出现第三次大塌料，塌料后的操作与第一次大塌料后的操作完全相同，也是捣炉、加木块，压平后盖混合料进行焖烧，直至出铁。

混合加料法的缺点是氧化钙和二氧化硅接触后生成低熔点的硅酸盐，从硅酸盐中还原出硅和钙很困难，基于这种情况产生了分层加料法。目的是减少氧化钙和二氧化硅的接触以减少CaO·SiO₂的生成。

4.2 分层加料法

分层加料法是把石灰和相应数量的焦炭(按生成低品位电石所需焦炭)混合后集中加入炉内，待其熔清后，硅石和剩余的还原剂混合后再加入。

分层加料法的操作过程可分为三个阶段：

第一阶段为提温阶段。出铁后下放电极，捣炉，将硬块料打碎，整理料面，扎眼透气，加强料面维护，给满负荷，深插电极，利用高温加热炉底积存的高熔点碳化物，破坏SiC。此阶段80min左右。

第二阶段为CaC₂生成阶段。当炉内温度提高后，扒净电极周围浮料，挑开粘料，迅速将所加石灰及相应的还原剂拌匀，全部直接加到电极周围的坩埚中。为加速CaC₂的生成，应尽量给满负荷，争取早盖料。此阶段的时间一般为30～40min。时间过短，CaC₂生成不充分，大量未参与反应的CaO与后加入的SiO₂发生反应;时间过长，钙元素挥发和热能损失增加，合金含Ca降低，单位电耗增高。

第三阶段是用硅石破坏CaC₂生成CaSi合金阶段。当CaC₂生成后，加混合料，利用混合料中的SiO₂破坏CaC₂,生成CaSi合金。加完料后，进行焖烧，直至出炉。第三阶段的操作应加料均匀，精心维护炉况，增加料面透气性，保证电极深而稳地插入炉料中，防止塌料刺火，以减小Ca的挥发和热能损失。此阶段熔炼时间一般为2.5~3h。这一阶段的时间也不宜过长或过短。时间过长，Ca的挥发及热能损失增加，合金含Ca低，单位电耗升高;时间过短，大量CaC₂与SiO₂未充分发生反应，渣量增大，合金中钙低，生成的硅钙量少。

4.3 出铁及浇注

正常情况每4～5h出一次炉。出铁时用圆钢或烧穿器打开出铁口，铁水与渣同时流入中间包内。由于炉渣密度大于合金密度，合金在分渣器中镇静2～4min,待合金完全上浮后，将合金慢慢浇入锭模内。当发现合金表面发白、发亮时，立即停止浇铸，以免合金夹渣。合金冷凝后，脱模，精整入库。

硅钙合金生产配料计算

5.1 混合加料法配料计算

以100kg硅石为基础计算。

依据的化学反应为石灰和硅石中主要氧化物的还原反应：

CaO+C=Ca+CO

SiO₂+2C=Si+2CO

合金成分设定为：含Ca 31%,Si 60%。

元素回收率为：钙的回收率ηca为34%~40%;硅的回收率ns;为50%～55%。

计算所用符号、意义及选择范围：

每批料能生成的合金量，以Q表示：

当ηsi取52%,Si=60%,SiO₂=98%时，则Q=40kg。

每100kg硅石需配入的石灰量，以G表示：

当ηca=38.5%,Ca=31%,CaO=85%,Q=40时，则G=53kg。

还原100kg硅石、Gkg石灰所需的焦炭量为Z,则：

当SiO₂=98%,G=53kg,CaO=85%,C焦=85%,A焦=8%,H₂O焦=10%时，则Z=70kg。

配碳系数取1.08,则Z=70×1.08≈76kg。

若每批硅石料为260kg,配入25kg木炭，则石灰配入量为53×2.6=138kg,焦炭配入量为76×2.6-25×0.78=178kg。

则计算配比与计算料批如下：

5.2 分层加料法配料计算

以100kg硅石为基础计算。

依据的化学反应为：

CaO+3C=CaC₂+CO

SiO₂+2C=Si+2CO

CaC₂+SiO₂=CaSi+2CO

每批料能生成的合金量为Q,依上例，Q=40kg。

每100kg硅石需配入的石灰量为G,依上例，G=53kg。

配入石灰生成含CaC₂70%左右的低品位电石时应配入的焦炭数，以X表示：

当H₂O焦=14%,A焦=8%,A石=2%,Bcao=30%,C焦=85%,G=53kg时，X=29.6kg。

当配入Gkg石灰生成的电石中的CaC₂被SiO₂破坏时所需的硅石数为Y,则：

当G=53kg,CaO=85%,A石=2%,βcao=30%,SiO₂=98%时，Y=33.8kg。

100kg硅石减去破坏电石用的部分后，需直接还原部分应配入的焦炭数为Z:

当Y=33.8kg,SiO₂=98%,C焦=85%,A焦=8%,H₂O焦=14%时，Z=38.6kg。

10kg木炭折合焦炭数，以A表示：

当C木=77%,H₂O木=4%,A木=30%,C焦=85%,H₂O焦=14%,A焦=8%时，A=7.7kg。

则计算配比与计算料批如下：

硅钙合金生产节能

硅钙合金生产主要节能措施：优选生产工艺，小型电弧炉采用分层加料，可使硅钙合金冶炼周期长达1年以上，电耗降低到12000kW·h/t以下;强化精料工作，提高炉料的比电阻;优选电弧炉参数，提高熔池的功率密度;开发低能耗的低钙合金品种，按冶金的不同需要提供不同牌号产品;加强炉渣、炉瘤的回收利用;提高工艺操作水平。

硅钙合金生产技术经济指标及原辅材料消耗

硅钙合金生产的主要技术经济指标见表2。

表2 硅钙合金生产的主要技术经济指标