矽鐵的知識

矽鐵(ferrosilicon)

鐵和矽組成的鐵合金。煉鋼用作脫氧劑與合金劑。鑄鐵中用作脫氧劑與變性劑。選礦工業用作加重劑，焊條用作塗料，鐵合金工業用作還原劑。矽鐵品種，按照含矽量劃分，如FeSi90(含87％～95％Si)，FeSi75(含72％～80％Si)，FeSi65(含63％～68％)，FeSi45(含40％～47％Si)，．FeSil5(含14％～20％si)等。根據不同用途對雜質Al、Ca、S、P、C、Mn、Cr等另有規定。以矽鐵為基組成的複合合金品種很多，重要的有鎂矽鐵，用作生產球墨鑄鐵的球化劑；鋁矽鐵，用作煉鋼脫氧劑等。

矽鐵簡史
1858年謝潑德(Shepard)在隕石中發現成分為87.28％Fe，11.01％Si的金屬，並建議起名矽鐵。1810年瑞典人貝采利烏斯(J．J．Brezelius)在鍛工爐內用鐵屑、石英石和松木炭冶煉出含2.2％～9.3％Si的5種矽鐵。根據戴維斯(E．J．Davis)和蓋特(A．D．Gate)的報導，美國於1872年在格洛比(Globe)鋼鐵公司的高爐生產6％～16％si的矽鐵。1875年普爾塞爾(A．Pourcel)在泰爾努瓦的高爐內，煉得含10％～18％si的矽鐵。1899年迪夏爾莫(DuCholmol)在美國威爾遜鋁公司的霍爾庫姆羅克廠的電爐冶煉出25％～50％Si的矽鐵，並獲得美國專利。以後由電弧爐取代高爐生產矽鐵，並以生產75％Si與50％Si兩種矽鐵為主。20世紀50年代以前，中國重慶用電爐試生產矽鐵，鞍山在400～1200kVA電爐中生產矽鐵。1952年撫順鋁廠開始用6000kVA電爐生產75％Si的矽鐵。1956年吉林鐵合金廠開始用12500kVA電爐生產45％Si的矽鐵，以後又生產：FeSi75。

矽鐵性質
矽和鐵的二元相圖見圖1。矽和鐵組成Fe3Si、Fe5Si3、FeSi、FeSi2等化合物。75矽鐵(FeSi75)熔化溫度範圍為1300～1330℃，45矽鐵(FeSi45)熔化溫度範圍為1250～1360℃。矽鐵密度隨矽含量增加而減小(見圖2)。利用圖2可以快速測定矽鐵的含矽量。液態矽鐵在緩慢冷卻過程中，密度小的富矽部分上浮，密度大的矽化鐵下沉，使矽鐵的成分產生偏析。為減少矽鐵錠的偏析，必須降低矽鐵澆鑄溫度，控制錠厚度，或分層澆鑄和加快錠的冷卻速度。在矽鐵相圖中可見，當含矽量在53.5％～56.5％之間時，矽鐵中存在ζ相。在冷卻過程中，隨著ζ相向FeSi2轉化，固體矽鐵錠發生顯著的體積變化，使鐵錠內部產生裂縫，造成矽鐵粉化。金相研究證明，矽鐵中的雜質大多以磷化物和砷化物的形態，聚集於晶粒間界。當空氣中的水分滲入鐵錠內的裂縫後與聚集在晶粒間界的磷化物和砷化物反應，生成有毒的PH3和AsH3氣體，使晶粒間界遭到徹底破壞，也是矽鐵粉化的另一因素。工業矽鐵中的氫和氧的含量與它的原始含量有關。凝固後矽鐵中的氫、氧含量與矽含量的關系見圖3。

橫坐標合金中含Si／％

縱坐合金密度/g.cm-3

圖2矽鐵密度與含矽量的關系

矽鐵用途
矽和氧之間的化學親和力很大，因而矽鐵在煉鋼工業中用作脫氧劑(沉澱脫氧和擴散脫氧)。除沸騰鋼和半鎮靜鋼外，鋼中矽的含量應不小於0.10％。矽在鋼中不形成碳化物，而是呈固溶體存在於鐵素體和奧氏體中。矽提高鋼中固溶體的強度和冷加工變形硬化率的作用極強，但降低鋼的韌性和塑性；對鋼淬透性的影響中等，但可提高鋼的回火穩定性和抗氧化性，故矽鐵在煉鋼工業中用作合金劑。矽還具有比電阻較大、導熱性較差和導磁性較強等特性。鋼中含有一定量的矽，能提高鋼的導磁率，降低磁滯損耗，減少渦流損失。電工用鋼含2％～3％Si，但要求鈦、硼含量低。鑄鐵中添加矽可阻止碳化物的形成，促進石墨的析出和球化，矽鎂鐵是普遍使用的球化劑。含鋇、鋯、鍶、鉍、錳、稀土等的矽鐵，在鑄鐵生產中用作孕育劑。高矽矽鐵是鐵合金工業中生產低碳鐵合金的還原劑。含矽約15％的矽鐵粉(粒度<0.2mm)，在重介質選礦中用作增重劑。

矽鐵生產工藝
矽鐵的生產設備是埋弧還原電爐。矽鐵的含矽量通過鐵原料的配加量來控制。生產高純矽鐵除選用純淨的矽石和還原劑外，還要進行爐外精煉以降低合金中的鋁、鈣、碳等雜質。矽鐵生產工藝流程見圖4。矽鐵含Si≤65％可以用封閉電爐冶煉。Si≥70％的矽鐵用敞口電爐或半封閉電爐冶煉。

原材料
冶煉矽鐵的原料有矽石、碳質還原劑和鐵原料。

矽石
要求SiO2>97％，Al2O3<1.0％，CaO<0.5％，P2O5<0.03％。矽石在加熱過程中不爆裂，軟化溫度高。冶煉入爐前要經過水洗去除附著的泥土與雜物。

碳質還原劑
要求碳質還原劑固定碳高，灰分和揮發物低，比電阻高，孔隙度大，化學反應活性好，高溫熱穩定性好，有一定的機械強度。常用的碳質還原劑有冶金焦、氣煤焦、石油焦、煙煤、幹餾煤等。用煙煤作部分還原劑，可改善冶煉操作和減少爐況波動。通過多種還原劑的綜合搭配，可以提高爐子操作電阻、輸入電功率和電效率。(見電碳熱法)

鐵原料
常用的鐵原料有兩種：(1)鋼屑。為普通碳素鋼屑，曲卷長度不超過100mm，含鐵量應>95％，不能混有合金鋼屑、有色金屬屑和生鐵屑。(2)鐵礦石。冶煉75％Si矽鐵用鐵礦石含Fe≥60％、CaO≤1.0％、SiO2≤10％、P≤0.1％、S≤0.01％，最好用鐵精礦球團礦，也可用軋鋼氧化鐵皮；冶煉Si≤50％的矽鐵也可以用矽酸鐵礦。

冶煉反應冶煉矽鐵時，二氧化矽被碳還原首先生成中間產物一氧化矽和碳化矽：

SiO2+C=SiO+CO↑

SiO2+3C=SiC+2CO↑

一氧化矽在高溫下呈氣體狀態。在料層中慢慢上升，與爐料中的碳相互作用生成矽或碳化矽：

SiO+C=Si+CO↑

SiO+2C=SiC+CO↑

一氧化矽也會發生歧化反應，生成矽和二氧化矽：

2SiO=Si+SiO2

在高溫下，碳化矽與二氧化矽或一氧化矽反應生成矽：

2SiC+SiO2=3Si+2CO↑

或SiC+SiO=2Si+CO↑

生成的碳化矽，在有鐵存在時，可以在較低溫度下與鐵反應生成矽化鐵：

SiC+Fe=FeSi+C

反應產生的矽也溶解於鐵中。

冶煉操作
矽石、碳質還原劑和鐵原料按配料數稱重，混勻後加入爐內。大型電爐以加料管加料為主，爐臺加料機加料為輔。操作程序是：上爐合金排完後下放電極，通電；當電流達到規定值並穩定後，用搗爐機搗爐，破壞上爐在電極周圍殘存的黏結殼，並推向爐子中心，然後加蓋新料。矽鐵冶煉正常的標志是電極位置穩定，深插在爐料之內；電極電流保持在規定值，供電負荷穩定；料面冒火均勻，無死料區，不發生"刺火"；料層松軟，沿電極四周均勻下沉；冶煉坩堝大；出鐵口易開啟；鐵流大，出鐵量穩定和能排出爐渣。隨冶煉進行，當爐底儲存有一定數量的矽鐵時，按規定的冶煉時間出爐。10000kVA以上的電爐冶煉75％Si矽鐵時，每8小時出爐4～5次；冶煉45％Si矽鐵，每8小時出爐5～6次。矽鐵液流入鐵水包。送至鑄錠間，經鎮靜和扒除表面爐渣後，澆入錠模或用鑄錠機鑄錠。為避免矽鐵成分偏析，FeSi75錠厚<100mm，FeSi45錠厚<150mm。要維持正常爐況與好的技術經濟指標，(1)要精確控制SiO2與C的配比。配碳量不足，冶煉過程會產生大量的SiO(氣)；部分矽石熔化成渣，使冶煉坩堝變小，冶煉情況變壞；電極位置不穩，料面變死，"刺火"嚴重；矽回收率下降；電耗增加。反之，若配碳量過剩時，則爐料電阻變小；生成SiC較多，並懸浮於液態合金和渣相中，提高了熔體黏度；冶煉坩堝變小；合金排出困難；同時電極插入爐料較淺，料面"刺火"嚴重。冶煉FeSi75配碳量與矽回收率的關系見圖5。(2)使用比電阻大、反應活性好的還原劑。碳質還原劑反應活性與FeSi75冶煉電耗的關系見圖6。(3)恰當的電爐幾何結構和冶煉供電參數，合理的爐料粒度對冶煉也是重要的。

50 60 70∞90 loo 110 120 130 140 150

橫坐標理論需碳量/%

縱坐標矽的理論收得率/% 縱坐標每段表示20個單位

圖5 配碳量對冶煉FeSi75的影響

橫坐標電耗／MWh·t-1

縱坐標還原劑對SiO反應活性

圖6 還原劑反應活性對FeSi75冶煉電耗的影響

爐外精煉
電工用鋼要求純度較高的矽鐵，其中有些元素如Ti、Mn等需要選用純淨的原料，使產品達到要求。而產品中的Al、Ca、c等則靠爐外精煉來解決。矽鐵爐外精煉方法有熔渣精煉法、氧氣精煉法和氯氣揮發法3類。

熔渣精煉法
在電爐內熔化石英石、石灰石和白雲石得到合成渣。將出爐的矽鐵和熔渣在鋼包中混合，經爐一包反複傾倒數次後，即可得到含Al<0.01％的矽鐵。精煉1t矽鐵消耗電能2000～2500kWh。使用含45％～55％SiO2、25％～30％CaO、10％～13％CaF2、8％～10％FeO的合成渣，用量為矽鐵重的13％～17％。如在搖包中精煉熔態矽鐵，處理時間約18min，精煉結果如下：

Si% Al% C% Ca% Ti%

精煉前 76.48 1.45 0.09 0.35 0.20

精煉後 77.99 0.05 0.04 0.05 0.14

熔渣精煉矽鐵也可在電爐或感應爐內實現

。

氧氣精煉法氧氣從鋼包底部的多孔塞柱吹入熔態矽鐵，並在矽鐵表面加渣料。渣料組成為：SiO255％～60％，CaO25％，Al2O315％～20％，吹氧速度為0.17～0.20m／min。精煉結果為：

Si％ Al％ Ca％ C％

精煉前 75.9 1.79 0.38 0.10

精煉後 76.9 0.09 0.01 0..02

精煉後矽鐵損失為2．1％～2．6％。

氯氣揮發法往矽鐵熔體中吹入氯氣使Al、Ca生成氯化物揮發。此法因汙染環境嚴重已不采用。

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