中国钢铁行业发展到今天，面临着产能过剩和环境污染的双重压力，国内外市场竞争日趋激烈，不断降低生产成本已成为企业发展的必由之路。低硅冶炼对高炉强化冶炼、节能降耗有重要作用，同时也为转炉炼钢的少渣冶炼提供了条件，可为企业创造巨大的经济效益。
根据原燃料情况，自2020年1月中旬开始，在高炉上采取一系列技术手段，进行低硅冶炼试验，逐步降低铁水w（Si），取得了丰硕成果。目前，铁水w（Si）稳定在0.23%左右，w（S）稳定在0.021%左右，铁水物理热为1470℃，成功冶炼出低硅高温铁水，达到国内领先水平。本文对高炉低硅冶炼理论进行分析，并对现场低硅冶炼实践进行介绍，旨在为广大钢铁企业的低硅冶炼探索提供借鉴。
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降硅基本理论
降硅基本理论：在炉腰或炉腹上部SiO2开始还原，到风口水平面时，铁水中还原出的w（Si）达到最高，随后在风口区和渣铁界面处[Si]又被氧化一部分，才形成终铁含硅量。低硅冶炼主要从降低SiO2还原和提高铁水中[Si]的再氧化两个方向着手。硅的还原是逐级进行的，第一步是焦炭灰分中的SiO2或渣中的SiO2还原产生SiO蒸气，第二步是SiO蒸气在上升过程中被铁滴吸收，并被[C]还原。硅还原的化学反应方程式如下所示：
SiO2+C=SiO（g）+CO（1）
SiO（g）+[C]=[Si]+CO（2）
SiO2+C+[C]=[Si]+2CO（3）
硅的还原是可逆吸热反应，从热力学上考虑，降低SiO2的活度、增大[Si]的活度系数或CO分压、降低温度都会使铁水w（Si）下降；从动力学上考虑，降低温度和SiO的气相分压、减少反应接触面积及时间可以降低还原反应速度。
铁水中[Si]的再氧化过程是在铁滴穿过渣层时的渣铁界面上发生的。此反应是放热反应，可以提高铁水物理热，为冶炼出低硅高温铁水提供了方向。
铁水中[Si]再氧化的化学方程式如下所示。
[Si]+2FeO=SiO2+2[Fe] （4）
[Si]+2MnO=SiO2+2[Mn] （5）
[Si]+2CaO+2S=SiO2+2CaS（6）
[Si]的再氧化过程主要在铁滴穿过渣层时发生，占总氧化量的95%。（Si）的再氧化与温度、[Si]在铁水中的扩散条件、渣中w（FeO）、w（MnO）、渣碱度、渣黏度等有关，在动力学上则受到接触时间、接触面积的影响。
理论上降低铁水w（Si）有三个途径：控制硅源、降低滴落带高度、增加高炉渣的氧化性。
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低硅冶炼实践
经过多年的探索实践，高炉在低硅冶炼方面已取得了可喜的成绩。取三个具有代表性的时间段分析其低硅冶炼过程。2020年1月到6月，铁水w（Si）在0.35%的高硅阶段；2020年8月到12月，铁水w（Si）降至0.23%；2021年1月到3月，由于硫负荷变化，同时进行控制铁水w（Si）、w（S）的试验。依次用1号、2号和3号代表这三个时间阶段。
2.1 试验原料
高炉的基本炉料结构为80%烧结矿+15%球团矿+5%块矿，熟料比在95%以上，含铁原料全部混匀处理，以减少原料化学成分波动，焦炭强度较好M25＞91%、M10＜7%，反应性为36.6%，反应后强度为44.61%，为高炉顺行提供了良好的原料条件。
烧结矿化学成分如下页表1所示。烧结矿二元碱度R=1.83不变，转鼓指数在73%以上。由表1可以看出，随低硅冶炼进程的发展，烧结w（TFe）由51.26%逐步提高至52.87%，w（Al2O3）由3.63%逐步降低到2.87%。3号阶段比另外两个阶段中的w（SiO2）和w（MgO）显著降低，但w（S）由0.03%增加到0.07%。烧结矿中w（TFe）提高，w（SiO2）降低，有利于降低烧结返粉。强化槽下筛分和管理，使烧结入炉粒度组成中＜5mm的粉末在6%以下。
球团矿化学成分如表2所示。由表2可以看出，3号阶段球团矿w（S）由0.06%显著增加到0.12%。
焦炭和煤粉的化学成分如表3所示。由表3可以看出，随低硅冶炼进程的发展，焦炭灰分12.68% 逐步降低到11.97%，3号阶段焦炭w（S）由0.80%增加到0.86%；而煤粉成分基本稳定。
2.2 高炉操作参数优化
由于高炉实行高冶炼强度和重负荷，经不住炉况的剧烈波动，一旦顺行遭到破坏，炉缸热量支出过大，就会造成严重炉凉，发生号外生铁等重大事故，因此，低硅冶炼生铁的基本前提是高炉的长期稳定顺行。在操作制度上，运用上下部调剂手段，鼓风动能要能够吹透中心，以保持炉缸工作均匀活跃。控制气流合理分布，保证渣铁温度充足。此外，在顺行前提下，要适当抑制边缘气流，疏通中心气流。
高炉主要操作参数如图1所示。由图1可以看出，随着低硅冶炼进程的发展，压差基本维持在151kPa不变，即高炉透气性不降低，矿批由24.3t逐步增大到26.3t，富氧率由2.75%逐步提高到3.93%，热风温度由1171℃提高到1200℃以上，炉顶压力由163kPa逐步提高到181kPa。
在高炉顺行前提下，增大矿批有利于提高煤气利用率，发展间接还原，有利于低硅冶炼。提高富氧率或炉顶压力，煤气中CO分压升高，由反应方程式（3）可知，此操作会抑制硅的还原。虽然提高富氧率可使炉缸温度升高，但冶炼炼钢生铁时，前者作用大于后者，故提高富氧率会抑制硅的还原。
提高风温，可以增大间接还原反应区，降低滴落带高度，减少硅还原反应时间，有利于降低铁水w（Si）。此外提高风温还可以降低焦比。冶炼炼钢生铁时的[Si]主要来自于焦炭灰分。焦炭和煤粉灰分中的SiO2活度是炉渣SiO2活度的10~20倍，且与碳有均匀而紧密的接触，更易被还原。焦比、煤比降低，吨铁进入高炉的焦炭、煤粉灰分中w（SiO2）减少，有利于低硅冶炼。
2.3 铁水和炉渣成分
在低硅冶炼过程中，要保证渣铁的物理热、流动性和炉渣的脱硫能力。低硅冶炼要紧紧围绕这两大难题进行，一是保证铁水物理热充足，实现“化学凉，物理热”；二是保证铁水w（S）合格。而铁水物理热及w（S）与造渣制度紧密相关。铁水各项指标和高炉渣成分如图2所示。
由图2可以看出，随着低硅冶炼进程的发展，铁水w（Si）由0.35%降低到0.23%，硅偏差控制在0.23%±0.04%；w（S）维持在0.020%左右；铁水物理热先由1460℃略微降低到1453℃，后又提高到1471℃，铁水物理热充足。为增强炉渣脱硫能力，高炉渣二元碱度由1.10提高到1.28，降低铁水w（S）的同时，提高铁水物理热至1471℃。渣中w（MgO）=5%~10%时，对改善炉渣流动性能、降低生铁含w（S）的效果最好，超过12%后作用减弱；若渣中w（Al2O3）＞15%，会使渣流动性变差。因此，在3号阶段降低渣中w（MgO）和w（Al2O3）分别到10.47%和14.78%，此时镁铝质量比为0.71，处在相对合适的水平，取得了良好冶炼效果。
2.4 高炉出铁制度
低硅冶炼也是强化冶炼的过程。放净渣铁能够稳定风量、风压，保证炉内煤气流分布稳定，防止炉内受憋。因此，高炉需要加强出铁管理，减少出铁间隔，及时排净渣铁。高炉出铁制度如表4所示。
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效益分析
低硅冶炼可以为企业创造巨大的经济效益和社会效益。高炉主要技术经济指标如图3所示。
由图3可知，随着低硅冶炼进程的发展，高炉利用系数由2.58t/（m³·d）逐步提高到2.78t/（m³·d）；焦比降低41kg/t，由397kg/t 逐步下降到356kg/t；煤比降低20kg/t，由177kg/t逐步下降到157kg/t；综合焦比由538kg/t逐步下降到481kg/t。
计算一座高炉低硅冶炼的年增经济效益。应用低硅冶炼技术，高炉年增铁水产量及节约焦炭和煤粉量分别为：ΔWFe=（2918-2710）×365=7.6万t；ΔW焦炭=（397-356）×（2918×365）=4.37t；ΔW煤粉=（177-157）×（2918×365）=2.13万t。
计算一座高炉低硅冶炼的年增社会效益，因焦比、煤比降低，一座高炉年减排CO2量为（4.37×0.85+2.13×0.67）×44/12=18.8万t。
此外，低硅冶炼还可以大大降低SO2、氮氧化物等有害气体的排放。
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结语
低硅冶炼是一项系统工程，涉及原料条件、上下部调剂、高压操作、合理的热制度和造渣制度、炉前出铁制度等许多方面，需要企业经过长时间的探索实践才能实现，绝不是一蹴而就的。经过多年低硅冶炼实践，主要得到以下几点经验：
1）高炉炼铁是讲究冶炼条件的，高熟料比和优良的焦炭质量是低硅冶炼成功的关键；
2）高炉操作上，适度加大矿批、提高富氧率、风温、顶压有利于降低硅的还原；
3）造渣制度上，提高炉渣碱度有利于铁水[Si]的再氧化，提高铁水物理热；
4）要使生铁w（Si）稳定在0.23%左右甚至更低，保证炉缸长期稳定活跃、热量充足尤为重要；
5）低硅冶炼可以创造巨大的经济效益和社会效益，是企业降本增效的有力手段。
