硅钙合金冶炼的可行性研究报告一、 硅钙合金的用途和成分由硅和钙形成的合金一般称为硅钙合金。硅钙合金在炼钢工业上作脱氧剂和脱硫剂。硅钙合金中的硅和钙对氧的亲和力很大，钙对硫的亲和力也很大，脱氧、脱硫产物（SiO 2、 CaO、CaS）很容易上浮排除，改善钢的性能，提高钢的塑性和冲击韧性。因此，硅钙合金是一种很理想的复合脱氧剂。目前硅钙合金可以代替铝终脱氧，广泛地用于优质钢的生产中。硅钙合金还是一种有效的增温剂。把硅钙合金粉粒加于钢锭头部作为发热剂和保温剂，可以提高钢的质量和成材率。在铸铁生产中硅钙合金用作脱氧脱硫剂和孕育剂，硅钙合金比硅铁更有效地改善铸铁的性能，硅钙合金在铸铁中能起脱氧、脱硫和增硅的效果，而且又是一种有效的孕育剂，促进球状石墨的形成。硅与钙能形成一系列硅化物：Ca 2Si、CaSi 和 CaSi2 等，其中以 CaSi 为最稳定。工业用硅钙合金的熔化温度比较低，一般只有 9801200，因而在正常的出炉过程中，合金的过热度很大，合金的流动性也很好，表 11 列出了我国硅钙合金的牌号。表 11 硅钙合金的牌号和化学成分（%）化学成分，%Ca Si Al S C P牌号不小于 不大于Ca31Si60 31 5565 2.4 0.06 0.8 0.04Ca28Si60 28 5565 2.4 0.06 0.8 0.04Ca24Si60 24 5565 2.5 0.04 0.8 0.04二、 市场预测由于硅钙合金是一种理想的复合脱氧脱硫剂，可大大地提高钢材的质量，因此硅钙合金在钢铁工业和铸造行业将得到更广泛的应用。特别是东部沿海地区将需要大量的硅钙合金，炼制出更优质的名牌产品。这些合金主要靠西部矿产资源和电力资源的地区供应。目前生产硅钙合金的家主要有北京、山西、汉中、上海、宁夏等厂家，而且多半用 1000KVA 以下的小电炉采用混合加料法生产。作钢液的脱氧剂时，由于铝的价格高且它的利用率低，用硅钙合金可以代替铝终脱氧，目前我国硅钙合金产量近 1 万吨，而年需要量 6 万吨，可见供小于求，所以生产硅钙合金市场是很广阔的。只要采用二步法生产硅钙合金的一极品率高时，便可成为内销和出口创汇的优良产品。三、 硅钙合金的理化原理（一） 、CaO 作为冶炼硅钙合金钙质元素的来源硅钙合金是通过石灰（CaO）和硅石中的 SiO2 碳质还原剂还原而制成的，其反应式如下：CaO+C=Ca+CO-525.092JSiO2+2C=Si+2CO-650.612JCa +S i= CaSi总反应式为 CaO+SiO2+3C=CaSi+3CO这个反应在 1600时就可发生。有关资料显示，当钙和硅的氧化物比例为 35%55% CaO 和 45%65%的SiO2 时，就可形成简单的可熔性渣（熔点为 14501550） 。形成的这种熔渣温度低于电炉反应区所需的还原温度，因而钙和硅的还原反应是很难进行的。为此，可以多配入些还原剂，促使生成碳化物熔入炉渣，提高炉渣熔点，保证获得反应所需的高温，一般配碳量为理论还原剂量的 1.21.3 倍。1/2 SiO2+3/2C=1/2SiC+CO G =67035-43.86TCaO+3C=CaC2 +CO G =111315-56.8T但这些碳化物又容易在炉低的低温区结晶出来，造成炉底上涨，为了避免这种情况，要稳插电极以使坩埚区获得高温并定期地补加硅石来破坏碳化物，反映如下：CaC2+SiO2=CaSi+2CO2SiC+3SiO2+6C+2CaO=16CaSi+3Si+8CO（二） 、CaC 2 作为冶炼硅钙合金钙质元素的来源以电石、硅石、碳质还原剂为原料，在电炉内生成硅钙合金的主要反应如下：CaC2(l)+2SiO(g)=2CO(g)+CaSi2(l) CaC2(l)+SiO2(l)=2CO(g)+CaSi2(l) 式为气液反应，其反应的完善程度取决于熔体中 CaC2 的活度和气相中SiO 的分压力，当坩埚内部有游离碳存在时 CaC2 才能具有较高的活度； 式为液液反应，反应进行程度取决于 CaC2 和 SiO2 在各自熔体中的活度。游离的 SiO2 只存在于料层和坩埚顶部。在坩埚内部，SiO 2 存在于硅酸盐中，对式的反应是不利的。四、 二步法生产硅钙合金的方法CaO+3C=CaC2+COCaC2+2SiO2+2C=CaSi+Si+CO二步法冶炼硅钙合金是先在一座电炉内生产电石，然后再以硅石、碳质还原剂为原料，在第二座电炉内生成硅钙合金。我公司可直接进货电石，然后再以硅石、碳质还原剂为原料，在电炉内生成硅钙合金。二步法冶炼硅钙合金的操作方法基本和硅铁相似。硅钙合金冶炼操作时，要进行焖烧，精心维护炉况，增加料面的透气性。电极深而稳地插入炉料中，防止塌料刺火，减少钙的挥发和热能的损失。由于 CaC2 渣熔点高，流动性差，在炉内与 SiO2 反应的动力学条件不好，因此，坩埚的正确形成与炉底的高温条件是必须的。合金浇注：由于氧化物还原不充分，原料中含有一定数量的杂质，碳化物破坏不完全，因而在硅钙合金生产中往往产生一些炉渣与硅钙合金的密度比较接近，渣与合金较难分离。为防止渣与合金混杂，在出炉时采用特殊的能绕水平轴前后倾动的长口形中间包。一般镇静 35 分钟后，待密度稍重的渣沉入下面，再缓慢倾倒中间包进行浇注，要求“慢倒，快回” 。当发现合金表面发白发亮时，立即停止浇注，以避免合金夹渣。五、 生产硅钙合金的原材料条件二步法冶炼硅钙合金使用的主要原料有硅石、电石、焦碳、木炭。1、硅石：硅石是冶炼硅钙合金硅质元素的来源，其化学成分和粒度要求如下表：化学成分，%SiO2 Al2O3 CaO P2O5粒度mm98 0.5 0.3 0.02 20802、电石：电石是冶炼硅钙合金钙质元素的来源，其化学成分和粒度要求如下表：化学成分，%CaC2 CaO Al2O3 SiO2 MgO Fe2O3粒度mm75 5000 284、木炭：木炭是冶炼硅钙合金的重要还原剂，要求如下：化学成分，%固定碳 灰分 挥发份 水分 比电阻粒度mm75 6.0 - 6.0 2160 2150六、 生产硅钙合金的工艺流程硅石电石 焦碳 配料 矿热炉冶炼 出铁 渣铁分离 合金木炭浇铸 取样分析 精整 包装 入库七、 二步法生产硅钙合金的配料计算假设所冶炼合金的成分如下：30%Ca 和 60%的 Si ；假设电石中 CaC2 的含量为 80%；硅石中 SiO2 的含量为 98%；主要考虑钙和硅在冶炼中的损失以及为了形成高熔点渣而配入理论碳量多30%的固定碳，则取以下过剩系数：电石2.0 倍；硅石1.5 倍；固定碳1.3 倍。设焦碳中固定碳含量为 86%，木炭中固定碳含量为 76%；配料中焦碳：木炭=2：1。、生产 100Kg 合金需要的电石量为：（设为 a）Ca CaC 240 5630%*100 a*80%/2.0a=(30%*100*56*2.0)/40*80%=105kg;、生产 100Kg 合金需要的硅石量为： （设为 b）Si SiO 228 6060%*100 b*98%/1.5b=(100*60%*60*1.5)/28*98%=197kg;、计算所需固定碳的量： （设为 c）SiO2 C60 12197*98% c/1.3C=(197*98%*12*1.3)/60=50.2kg;、计算所需的焦碳量和木炭量： （分别设为 x，y）x=2y 0.86x+0.76y=50.2 解方程组得 y=20kg, x=40kg.则配料比如下：硅石：200kg；电石：105kg；焦碳：40kg；木炭：20kg。故吨铁的消耗约为：硅石：2.0 吨；电石：1.05 吨；焦碳：0.4 吨；木炭：0.2 吨。八、 1800KVA 电炉冶炼硅钙合金电炉参数的选择和计算（一） 、硅铁炉改炼硅钙时参数的变化由于冶炼硅钙合金比冶炼硅铁难度大，主要是碳化物在炉底低温区结晶出来，造成炉底上涨，在高温时可使碳化物被破坏，可控制炉底上涨。（1） 、二次电压的选择由于炉料操作电阻近似符合欧姆定律，则R=KU2/I R操作电阻，m;U2二次电压，V；I 电极相电流，KA；K电阻系数。由式知，操作电阻与二次电压成正比，与电极电源成反比。有资料显示冶炼硅钙合金时操作电阻比冶炼硅铁时低，因此，为了保持电弧电流可采用降低二次电压的方式来实现。（2） 、电极电流密度问题冶炼 75%硅铁温度在 1800反应几乎进行的很完全，而破坏沉积的碳化物所需的温度高于 2200，显见冶炼硅钙合金的电极电流密度比冶炼 75%硅铁大，这样才有利于提高炉温。实际上，在设计硅铁炉时一般取电极电流密度为6.06.5A/cm 2,而设计硅钙炉时取电极电流密度为 6.57.8A/cm 2。即硅钙电炉的电流密度大于硅铁电炉的电流密度。若二者冶炼时电极电流相同必然硅钙炉电极直径要缩小。（3） 、极心圆直径问题有文献指出，75%硅铁改炼硅钙时：D 硅钙=（0.950.98）D 硅铁；D 硅钙硅钙炉极心圆直径；D 硅铁硅铁炉极心圆直径；即在冶炼硅钙合金与 75%硅铁在电流相同的情况下，其极心圆直径需缩小。（4） 、炉膛深度问题为了适应硅钙冶炼炉底不断上涨，尽可能延长冶炼周期，在电极行程允许的条件下，可适当加深。（5） 、炉膛内径问题由于硅钙极心圆比硅铁炉较小，则炉膛内经也应相应减小。（二） 、1800KVA 电炉参数选择以下计算的参数参考铁合金冶炼 （冶金工业出版社）中的简易计算法。由于硅钙合金与硅铁有八、 （一）中所述的规律，则 K、 的取值在硅铁的范围中取定。品种 K 硅铁 6.26.9 6.06.4 2.42.5 6.06.2 2.42.7、工作电压U2 =KP =6.218001/2=79.0780（V） ； 1/3 S、工作电流I2=PS10/（3 1/2 U2 ）=180010/（3 1/2 80 ）=12990（A） ；、电极直径D 电极=（4I2）/（3.14） 1/2 =508510mm;、极心圆直径D 极=D 电极=1275 mm;、炉膛直径D 膛=D 电极=6.0510=3060 mm;炉膛深度D 膛=D 电极=2.7510=13771400 mm。九、 硅钙合金单位成本的核算（一） 、原材料（2938.5 元）1、硅石 2.0 吨 50 元/吨 100 元2、电石 1.05 吨 1650 元/吨 1732.5 元3、焦碳 0.4 吨 420 元/吨 168 元4、木炭 0.2 吨 1050 元/吨 210 元5、电极糊 0.48 吨 1100 元/吨 528 元6、其它材料 200 元（二） 、动力电耗综合电耗 12100KWH 0.265 元/KWH 3206.5 元（三） 、设备折旧、大修理 300 元（四） 、工资福利