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硅钙合金的生产工艺

更新时间:2021-12-31

硅钙合金是硅和钙组成的二元合金,属铁合金范畴。它的主成分为硅和钙,还含有不同数量的铁、铝、碳、硫和磷等杂质。钢铁工业用作钙添加剂、脱氧剂、脱硫剂和非金属夹杂物的变性剂。铸铁工业用作孕育剂和变性剂。


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生产工艺


一般认为冶炼硅钙合金的化学反应表达式为

CaO+SiO2+3C→CaSi+3CO↑

但在高温下石灰与硅石首先形成熔点较低的硅酸钙系炉渣,使碳还原反应难以进行。钙的沸点较低,易挥发产生钙蒸气。而且SiO2被还原成SiO(气),所以从炉内排出的气体为CO、Ca(气)与SiO(气)。钙和硅在炉气中的损失各约10%。SiO(气)与Ca(气)穿过料层时与碳发生反应,大部分转化为CaC2与SiC,所以碳质还原剂的反应活性对冶炼硅钙合金很重要。氧化钙与硅石同碳在高温下生成CaC2和SiC,是生产硅钙合金的中间产物。***终有一部分留在炉渣中,因此硅钙合金生产是有渣法冶炼。实质上工业生产硅钙合金的方法,都是以CaC2为过渡产物来实现的。硅钙合金的密度比炉渣稍小,冶炼过程硅钙合金基本上集中在熔池上部,这是冶炼硅钙合金的特点。出炉时要采取特殊措施,使之与炉渣分开。根据以上分析,用电碳热(还原)法冶炼硅钙合金的工艺有3种,即混合加料法、分层加料法与电石法。电硅热(还原)法也是生产硅钙合金的方法之一。


混合加料法

也称一步法。将硅石、石灰、碳质还原剂(包括焦炭、木炭、烟煤、木块)按计算比例混合均匀后,加入电炉内。综合反应为CaO+SiO2+3C==CaSi+3CO↑

由于CaO与SiO2易生成低熔点硅酸钙炉渣,熔池温度低,使上述还原反应难以进行。故须增加碳的配加量(比计算值高10%~30%),使生成CaC2与SiC溶于炉渣中,以提高炉渣的熔点和黏度,使冶炼熔池达到反应所需要的温度。但SiC与CaC2的生成,使炉底上涨和炉墙结瘤,可以加硅石破坏碳化物,并得到合金。其反应式为

CaC2+SiO2==CaSi+2CO↑

2SiC+SiO2==3Si+2CO↑

以上反应须在高温下(约2000℃以上)进行。温度越高,碳化物越容易破坏,炉内残存的碳化物越少,有利于合金的生成。故设法提高炉内反应区的温度,是冶炼硅钙合金的中心问题。每次出炉通电后,先往炉内加少量的硅石和碳质还原剂的混合料,破坏炉底残留的碳化物,以抑制炉底上涨。此法操作简单,但渣量大,钙、硅回收率低。混合法生产硅钙合金的炉渣组成大致为:SiC 22%~28%,CaC210%~20%,SiO212%~20%,CaO30%~45%,Al2O32%~3%,FeO约0.5%,MgO约0.3%。每吨硅钙合金产渣1.0~1.5t。硅钙合金含Ca≥24%~28%,Si约60%。生产1t硅钙合金(24%Ca为基准)消耗硅石约2300kg,石灰约1200kg,焦炭约1100kg,木炭约180kg,烟煤约500kg,木块约70kg,电极糊约200kg。电能约14500kWh。钙回收率35%~43%,硅回收率59%~62%。


分层加料法

实质上是分步冶炼法。第1步为提高炉温阶段。在上炉出炉后,放电极。通电后捣炉,将硬块取出,整理料面,扎眼透气。炉子在满负荷下运行。利用电弧直接加热炉底,破坏积存的高熔点碳化物,以控制炉底上涨速度,延长炉子冶炼周期。第2步为冶炼电石阶段。当炉内温度提高后,将这一炉所需的石灰及焦炭或无烟煤混合均匀后,全部加到电极周围。CaO与C在高温下的主要化学反应为

CaO+3C==CaC2+CO↑

当熔渣中的CaC2含量超过31%时,即每公斤熔渣中的乙炔发生量超过60~70L,即可开始下一步冶炼。第3步是用硅石与CaC2反应生成CaSi阶段。加入硅石、焦炭和木炭的混合料,其中SiO2与电石产生的化学反应为

CaC2+SiO2==CaSi+2CO↑

该工艺的成败取决于在炉内能否形成“冶炼坩埚”,使炉内反应在这个坩埚内进行。正常冶炼的400kVA硅钙合金电炉炉体的解剖结果如图2所示。这种“冶炼坩埚”结构形成后,冶炼得以正常进行,炉子冶炼周期可达1年以上。操作时要求加料均匀,增加料面透气性,电极深而稳地插入炉料中,防止塌料刺火,以减小钙的挥发和保持反应区处于高温状态。此法生产的硅钙合金含Ca27%~32%,Si56%~60%,炉渣成分为SiC约14%,CaC27%~9%,SiO214%~17%,CaO40%~50%,Al2O32%~3%,FeO约1%,MgO约1%。1t硅钙产渣0.5~0.7t,生产1t硅钙合金(28%Ca为基准),消耗石灰约670kg,硅石约1500kg,焦炭约650kg,木炭约32kg,电极糊约400kg,电能消耗约12500kWh。钙回收率55%~75%,硅回收率75%~90%。


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