铁合金冶炼函授培训讲座(硅系)

铁合金冶炼函授培训讲座一、什么是硅产品含硅量达14%以上至99%之间，其余为杂质或另一种（个别两种）主要元素，通过冶炼所得的合金俗称硅产品。

通常包括工业硅、硅铁、硅钡、碳化硅、硅钙等，最常用的为工业硅、硅铁两种。

冶炼任一种硅产品必须涉及到矿石（含SiO2）这一原料，采矿会破坏森林、植被，同时冶炼过程也会产生大量的污染（如CO、粉尘过量等），属于消耗资源、高污染、技术含量低的冶金行业。

所以，发达国家一般不予生产，主要依赖进口。

由于硅产品的广泛用途（汽车工业、信息工业）又决定了它的最大消费方为发达国家地区，所以发展中国家生产的硅产品，除自身消耗外，大部分用于出口换取外汇。

冶炼硅产品必须具备以下两个最基本的条件：①自身环境净化能力强的地方（亦允许产生轻度污染源的地方）；②丰富的低价电源，因为硅冶为高耗能行业，以工业硅为例，每吨成品耗电平均12000度，通常只能以低廉的水电（每度从0.2-0.5元不等）作为生产能源。

由于污染重，能耗高硅冶企业只能分布在边远、水电丰富（个别火电丰富）的地区，并且受电力紧张的缘故，在枯水季节常因限电而减产或停产。

二、我国硅冶炼行业状况福建三明地区是中国最早生产工业硅等硅产品的地方，由于近年水电的缺乏及资源的过度开采。

目前福建的硅冶规模大部分偏小，近五六年来，贵州、云南利用自身丰富的水电资源，已成为中国最大的硅生产基地，特别是贵州产量约占全国的50%以上，生产硅产品的地方还有四川、湖南、江西（个别）、西宁、内蒙、东北等地。

除个别小厂外，现在硅铁炉一般都在6300KVA以上，随着国家对铁合金行业的整顿，以及受环保要求，各地小容量电炉及达不到环保要求的炉子必然被淘汰。

三、硅系产品用途1、工业硅俗称金属硅或结晶硅，严格来讲工业硅不属于铁合金行业，在习惯上由于工业硅的冶炼采用矿热炉进行，就把工业硅划分到铁合金行业中。

工业硅是指含硅量大于等于98.5%的纯硅产品，其中以铁、铝、钙（按顺序排列）的三种杂质含量分成各小类，如553、441、331、2202等。

其中553代表该品种工业硅含铁小于等于0.5%，含铝小于等于0.5%，含钙小于等于0.3%；331工业硅代表含铁小于等于0.3%，含铝小于等于0.3%，含钙小于等于0.1%，以此类推，因习惯原因其中2202也简写成220代表钙小于等于0.02%，2开头的工业硅也称为化学硅。

工业硅的主要用途：工业硅作为非铁基合金的添加剂。

工业硅也用作要求严格的硅钢的合金剂，冶炼特种钢和非铁基合金的脱氧剂。

工业硅经一系列工艺处理后，可拉制成单晶硅，供电子工业使用，在化学工业中用于生产有机硅等，因此它有魔术金属之称，用途十分广泛。

工业硅添加到铝、铁等金属中，可改良或增强金属的优良性能。

汽车（含摩托车）用铝对工业硅的需求相当大，所以一个地区、国家的汽车工业的发展状况对工业硅的市场兴衰有直接的影响。

工业硅进一步提纯至99.999%以上（4个九以上，9越多越值钱），制成多晶硅（圆柱体），再用机械切割成硅单晶片，大量应用到电子信息工业上。

比如各类IC卡、VCD片、DVD片等。

目前我国提纯的技术不是十分成熟，基本上依赖日本进口，即日本从我国以每吨7300元到7600元左右的价格进口工业硅原材料，进一步提纯再以每吨30万人民币左右的价格出口到我国有关行业（如单晶硅厂等）。

在切割单晶硅片方面，我国与发达国家尚有一定的技术差距，特别是在硅片的后精加工及表面“涂料”等方面差距相当大。

2、硅铁硅铁：硅铁是以焦炭、钢屑、石英（或硅石）为原料，用矿热炉冶炼制成的。

硅和氧很容易化合成二氧化硅。

所以硅铁常用于炼钢作脱氧剂，同时由于SiO2生成时放出大量的热，在脱氧同时，对提高钢水温度也是有利的。

硅铁作为合金元素加入剂。

广泛用于低合金结构钢、合结钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢之中，硅铁在铁合金生产及化学工业中，常用作还原剂。

含硅量达95%-99%。

纯硅常用制造单晶硅或配制有色金属合金。

用途：硅铁在钢工业、铸造工业及其他工业生产中被广泛应用。

硅铁是炼钢工业中必不可少的脱氧剂。

炼钢中，硅铁用于沉淀脱氧和扩散脱氧。

砖坯铁还作为合金剂用于炼钢中。

钢中添加一定数量的硅，能显著提高钢的强度、硬度和弹性，提高钢的磁导率，降低变压器钢的磁滞损耗。

一般钢中含硅0.15%-0.35%，结构钢中含硅0.40%～1.75%，工具钢中含硅0.30%～1.80%，弹簧钢中含硅0.40%～2.80%，不锈耐酸钢中含硅3.40%～4.00%，耐热钢中含硅1.00%～3.00%，硅钢中含硅2%～3%或更高。

在炼钢工业中，每生产一吨钢大约消耗3～5kg75%硅铁。

高硅硅铁或硅质合金在铁合金工业中用作生产低碳铁合金的还原剂。

硅铁加入铸铁中可作球墨铸铁的孕育剂，且能阻止碳化物形成，促进五、硅及其化合物的物化性质硅是自然界中分布较广的元素之一。

就其含量而言，仅次于氧，在地壳中占第二位。

硅的主要物理性质如下：熔点：1414℃沸点：2287℃硅与铁可按任一比例相互熔合在一起。

如共晶体（20%Si）的熔点为1195℃，共晶体（51% Si）的熔点为1212℃，共晶体（59% Si）的熔点为1207℃。

随着含硅的不同，可能有下列化合物：FeSi（33.3%Si），Fe3Si2（25.1%Si），Fe2Si5（55.68%Si）。

其中最稳定的硅化物是硅化铁（FeSi）。

硅化铁的熔点为1410℃，熔化时不分解，仍以硅化铁的形式存在于液态合金中。

硅化铁生成时放出大量的热。

Fe+Si= FeSi+53997焦硅45（含硅40~47%）的熔化温度为1360~1280℃；硅75（含硅72~80%）的熔化温度为1290~1340℃。

硅铁的比重取决于硅铁的含硅量，含硅量越高，则比重越小。

硅铁中的含铝量决定于原料中的Al2O3含量，一般约为2%。

硅和铝不生成化合物。

硅和钙生成化合物Ca2Si、CaSi和CaSi2，基中CaSi最稳定。

硅和硫生成化合物SiS和SiS2，这些化合物在高温下变成挥发性的物质，并随炉气逸出。

硅和氢生成下列化合物：Si2H2、Si2H和SiH4，在正常条件下，SiH4最稳定，当温度大于400℃时，SiH4按下式分解：SiH4= Si+2H2氢在硅铁中的溶解度随温度的升高而增加，当硅铁的含硅量为33.3%时，氢的溶解度最小。

在生产过程中，硅铁可能吸收原料中和锭模涂料中的水分解而生成的氢，在1650℃时，硅75含氢达0.003%。

实际硅75含氢达0.0025%。

因此，硅铁中的氢是钢中氢之来源之一。

碳和硅生成稳定的碳化物――碳化硅SiC。

碳化硅的比重为3.2，硬度为9.5~9.75H。

由Si和C生成SiC的反应式为：Si（固）+C（固）= SiC（固）把粉状硅和碳的混合物在真空（0.005毫米汞柱）下加热到1250~1300℃，开始生产SiC，到1400℃时，生成SiC的速度相当大。

SiC的分解温度在2200~2700℃间，在这样高的温度下，部分碳化硅蒸发，部分碳化硅分解成硅蒸气和石墨碳。

由于碳化硅中的夹杂成分不同，碳化硅的颜色也不同，在炉中发现的碳化硅，可能是焦炭，SiC和其他物质的混合物。

硅的氧化物硅和碳一样，也有两种氧化物：SiO和SiO2，SiO在高温下才能生存，在自然界中硅的氧化物只有一种形式SiO2。

SiO2的熔点为1710℃，有八个变态：α、β石英、α――β和γ――磷石英，α――β――白石英及SiO2玻璃。

其中只有四个变态是稳定的：α――和β石英，α――磷石英和β――白石英。

实际生产中需要关心的是α――和β石英，在848K时，β――石英转变成α――石英，同时体积增加，机械强度下降。

在实际生产中，有时由于升温太快，β――石英也可能来不及转化成α――石英，而以不稳定的形式继续存在，一直到熔化为止。

其他各种变态也有类似的性质，当加热（或冷却）过快时，各种变态的转化也可能不发生。

玻璃就是液态的SiO2急速冷却后的产物，它是一种不稳定的形态，生产时，扒出来的炉料呈玻璃状。

就是半熔的SiO2急速冷却后形成的。

硅石的电阻很大，其电阻随着温度的升高而下降。

SiO2的粘度很大，其粘度亦随着温度的升高而下降，由于二氧化硅的粘度很大，因而阻碍了Si02与其他物质进行反应。

一氧化硅一氧化硅只在温度大于1500℃才存在，当温度低于1500℃时，Si0按下式分解：2SiO=Si+Si02第二节硅铁冶炼基础一、冶炼硅铁的原材料铁合金生产中，为了提高技术经济指标，必须贯彻“精料”入炉。

就目前的设备技术条件来说做到“精料”是提高各项经济指标的关键。

因此，改善原材料质量和加强原料管理的工作在铁合金冶炼中显得非常重要。

冶炼硅铁用的原材料主要有硅石、焦炭和钢屑。

硅石的主要成分是二氧化硅，上节说道二氧化硅是一种很稳定的化合物，广泛地分布于自然界很多种天然矿物中，但冶炼硅铁所采用的只是那些二氧化硅含量很高的矿物。

这些矿物是石英和硅石。

石英是致密的结晶体矿物，几乎完全由二氧化硅组成，比重为2.59~2.65克/厘米3，在大多数情况下是无色的。

由于所含杂质的不同，有的石英呈白色，有的呈灰色，有的呈粉红色。

硅石是一种岩石，它是由石英颗粒被一种粘合剂粘合成的，粘结剂的主要成分也是二氧化硅。

硅石含二氧化硅大于98%，杂质（三氧化二铝、氧化铁、氧化钙等）则越少越好。

在很多情况下，硅铁中的铝很大部分是由入炉硅石中含三氧化铝的粘土杂质带入的。

因此，在入炉冶炼前需要用水把这些杂质冲掉。

一般可以冲掉5%的碎石和泥土。

硅铁冶炼对硅石中的硫和铁没有限制。

硫的挥发性大，在高温下随炉气逸出。

铁是有益元素。

硅石的磷大部分（达80%）进入合金。

磷会促使硅铁粉化；炼钢时大部分进入钢水，降低钢的质量，所以硅石中五氧化二磷（P2O5）的含量不得超过0.02%。

对于大电炉，要注意硅石的机械强度，当破碎并加热到软化温度时碎成粉末的硅石不能用。

用于冶炼硅铁的硅石预先先破碎，大电炉的硅石粒度为50~120毫米，小电炉的硅石粒度为25~80毫米，其中25~40毫米的硅石不大于20%。

日本入炉硅石粒度比较小，如大牟田厂1500千伏安电炉使用的硅石粒度为15~44毫米。

近年来，国外对硅石的质量提出了越来越严格的要求。

要求硅石有较好的热态性能，即在加热过程中不爆裂，在高温下具有较好的反应性能。

国外在选择硅石时，除对硅石的质量进行单项检验外，还要通过工业规模的冶炼试验。

全面鉴定硅石的质量，有些硅石成分相同，结晶组织也相同，但反应性能却不一样。

工业性试验是综合评定硅石质量的好办法。

二、碳还原二氧化硅热力学及反应机理碳还原二氧化硅的反应式如下：SiO2+2C=Si+2CO反应开始温度为1664℃。

有铁存在时，被还原出来的硅溶解在铁中，硅与铁生成硅化物，同时放出热量。