本发明涉及炼铁技术，更具体地，涉及一种硅铁冶炼方法。
背景技术：
硅铁是铁和硅的合金，其以硅石、炭和铁料为原料炼制而成，能够广泛应用于低合金结构钢、弹簧钢、轴承钢、耐热钢及电工硅钢中。硅铁的冶炼生产是由电极产生的电弧热以及与一定配比的炉料(硅石、兰炭、铁料)产生的电阻热，熔融炉料。在高温条件下，用还原剂兰炭中的炭夺取硅石二氧化硅中的氧，生成气态的一氧化碳通过料层从炉口逸出而将硅元素还原出来，与熔融的铁元素相遇生成硅铁的热化学反应进行冶炼生产。
目前行业中应用传统冶炼操作，对炉料的各项指标要求较高。尤其对硅石的化学成分和物理性能要求极高。例如公开号为cn104342595a的中国专利申请，其公开了一种硅铁合金的生产工艺。该工艺将硅石、兰炭或焦炭、铁球团矿三种原料以200:(110-120):(42-74)的重量比混匀后送入冶炼炉进行冶炼，出炉浇筑制得硅铁合金。其中，硅石的组成中sio2≥96％。
上述申请中的生产工艺，能够制备得到品质较好的硅铁合金。但是，面对日益匮乏的硅石资源和环境保护政策的实施，优质硅石已经供不应求。而在传统冶炼操作方法中采用品质较差的硅石时，会造成矿热炉坩埚区缩小，热化学反应的梯级受到影响，矿热炉工况恶化的频次增加，硅元素回收率降低，调整矿热炉工况的难度增加，生产指标较使用优质硅石大打折扣，十分不利于正常冶炼生产。
技术实现要素：
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的硅铁冶炼方法，以解决传统硅铁生产工艺中难以使用品质差的硅石进行生产，会造成热停炉频繁、生产指标和效率下降的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种硅铁冶炼方法，其将矿热炉内的反应区域分为中心区域和环形边缘区域，环形边缘区域环绕于中心区域的外侧。用于制备硅铁的原料分别投放至中心区域与环形边缘区域内，并在矿热炉内反应。具体地，制备硅铁的原料主要为硅石、兰炭和铁料。
可以理解的是，矿热炉内的反应区域划分为中心区域和环形边缘区域，并不一定是实质结构的改变，可以只是放料比例的不同而形成的区域不同。原料中的兰炭，也可以是焦炭或其他碳质材料；铁料可以是钢屑或铁球团矿等铁质材料，只要能够满足生产需求即可。
具体地，矿热炉内所有区域的硅石与兰炭的总质量比为2.4:1-3:1，在此基础上，在矿热炉内不同的区域投放的硅石与兰炭的量是不一样的。通过调整不同区域硅石反应的兰炭参与量，达到调整硅石反应效率的目的。同时，还能够使矿热炉运行稳定，避免炉内温度波动而影响生产，减少热停炉次数，提高设备运转效率。
进一步地，投放至中心区域内的硅石与兰炭的质量比为5:1-3:1；投放至环形边缘区域内的硅石与兰炭的质量比为1.5:1-2.5:1。由于中心区域更靠近电极，易于受热升温。同时，使矿热炉的中心区域内硅石与兰炭的质量比保持在较大的范围，即中心区域的硅石的投放量较多，而兰炭的投放量较少。
具体地，由于品质较差的硅石，在相同的温度条件下，其晶相转变过程慢于品质好的硅石。因此，在冶炼生产过程中，对于品质较差的硅石，需要更高的反应温度和更长的反应时间，以使硅石与兰炭反应，还原得到硅。被还原的硅在高温条件下与铁料反应，即形成硅铁。
在本发明中，除特殊指明外，硅石指代品质较差的硅石。
而在矿热炉的中心区域投放大量的硅石和更少量的兰炭时，由于硅石晶相转变缓慢，其有利于提高矿热炉中心区域的电阻，使其在受热状态下，矿热炉中心区域的温度能够进一步的提升，使矿热炉中心区域的温度高于外加电场作用下的温度。矿热炉中心区域温度的提升，使品质较差的硅石能够在较少的兰炭作用下发生还原反应，使sio2还原。
具体地，当硅石的含量明显高于兰炭的含量时，即在中心区域内的高温条件下，熔融硅酸盐中二氧化硅与兰炭的反应可用公式(1)-(3)表示：
sio2+c＝sio↑+co(1)
2sio2+sic＝3sio↑+co⑵
sio2+si＝2sio↑⑶
即当兰炭含量较少时，二氧化硅与兰炭反应，会生产大量呈气态的sio中间产物。呈气态的sio在中间区域与环形边缘区域流动。
在环形边缘区域，硅石与兰炭的质量比相对较高，在富炭的条件下，呈气态的sio与兰炭反应生成sic。其反应过程可用下式表示：
sio+2c＝sic+co⑷
在高温条件下，中间区域与环形边缘区域内的物质各自反应后，产生呈气态的中间产物或其他熔融状态的中间产物，在中间区域与环形边缘区域之间相互流动，以促进各自区域更进一步的反应。
具体地，中心区域的兰炭量过少，硅石在还原过程中，缺少必须的还原剂，不利于硅石的反应顺利进行；中心区域的兰炭过多，会增加兰炭的耗量，增加成本。而环形边缘区域的兰炭量过少，改变了硅石的富炭环境，硅石的还原反应需在更高的温度下进行，会增加能耗；环形边缘区域的兰炭量过多，同样会增加成本。
因此，将矿热炉的反应区域分为中间区域和环形边缘区域，并在中间区域投放物质的质量比值较大的硅石和兰炭。品质较差的硅石由于晶相转变慢，其在兰炭含量过少的高温环境中，能够使该区域的电阻增大。在外加电场的作用下，中心区域的温度升高，能够促进中心区域的硅石在较少的兰炭的作用下，即能够开始发生还原反应。因此，能够有效的降低矿热炉的耗能。
而在环形边缘区域投放质量比值相对较小的硅石和兰炭，使环形边缘区域内的硅石能够在富炭的作用条件下，快速的发生还原反应。因此，矿热炉内硅石与兰炭的总质量比稳定的情况下，不同区域的兰炭含量不一样，能够提高硅石的反应速率，降低生产过程中所需的能耗。
此外，由于只是在矿热炉内部的反应区域内调整不同区域内加入的硅石和兰炭的比例，并不会改变矿热炉的结构，也不需要改变硅铁冶炼的各工艺参数。因此，其适用性强，工艺生产改造方便。同时，在硅铁冶炼过程中，所用的是硅石可以是品质较差的硅石，还能够进一步降低成本。
在另一个具体的实施例中，所述中心区域添加的硅石与兰炭的质量比为4.3:1-3.7:1；所述环形边缘区域添加的硅石与兰炭的质量比为1.7:1-2.3:1；优选地，所述中心区域添加的硅石与兰炭的质量比为4:1；所述环形边缘区域添加的硅石与兰炭的质量比为2:1。
在另一个具体的实施例中，所述硅石中二氧化硅的质量百分含量为92-94％。虽然采用品质较差的硅石，但与品质较好的硅石的反应温度相似，能够大幅的降低成本。同时，通过分区，还能够降低能耗，提高产品质量。
在另一个具体的实施例中，所述中心区域与所述边缘区域的面积比为2.5:1-1:1；优选为1.5:1。具体地，根据硅石的品质，以及矿热炉的生产效率等因素，矿热炉内中心区域与环形边缘区域的面积大小可以适当的进行调整。同时，中心区域的面积大于环形边缘区域的面积，有利于矿热炉内实际反应温度的提升，利于硅石反应的顺利进行。
在另一个具体的实施例中，所述中心区域的面积为冶炼区域的面积的50-75％；所述环形边缘区域的面积为冶炼区域的面积的25-50％。
在另一个具体的实施例中，所述中心区域内添加的硅石与所述环形边缘区域内添加的硅石的质量比为1.2:1-0.9:1。具体地，中心区域与环形边缘区域内添加的硅石的比例不同，则其各自区域内添加的兰炭的量也不相同。通过调整两个区域的硅石的质量比在合适的范围，有利于促进两个区域内硅石的还原反应，并使两个区域内的中间产物能够相互促进，以利于硅石的还原反应，得到硅。
在另一个具体的实施例中，所述矿热炉内添加的硅石、兰炭与铁料，其中，所述硅石的质量百分比为60-65％；所述兰炭的质量百分比为22-27％；所述铁料的质量百分比为12-17％。具体地，矿热炉内添加的原料中，硅石、兰炭与铁料，其各自的质量百分比保持在合适的范围，能够使硅石还原得到的硅与铁料充分的反应，得到硅铁。同时，也避免兰炭的过量使用，而耗费能量。
在另一个具体的实施例中，所述硅石的质量百分比为64％；所述兰炭的质量百分比为24％；所述铁料的质量百分比为12％。
在另一个具体的实施例中，所述矿热炉内的反应温度为1400-1900℃，优选为1600-1800℃。矿热炉内分为中间区域和环形边缘区域，并在各自区域内投放的硅石与兰炭的质量不一样，使得矿热炉内的反应温度不需要升到更高，使得品质较差的硅石的反应温度与品质好的硅石的反应温度类似，而不需要再额外耗费能量。
采用本发明的方法，能够有效的减少热停炉次数，硅元素的回收效率由之前的85％左右提升至93％以上。并且，单炉的日均产量由之前的35.78吨，提升至38.5吨。电耗也由之前的8303度/吨，降低至8180度/吨。而fesi75产品合格率在由51.42％提升至60％以上。
本发明的有益效果主要如下：将矿热炉分为中心区域和围绕该中心区域的环形边缘区域，在矿热炉内硅石与兰炭总的质量比稳定的情况下，在中心区域投放的硅石与兰炭的质量比值较大，而环形边缘区域投放的硅石与兰炭的质量比值较小，使中心区域因硅石晶相转变慢而使电阻升高，从而在不需要额外耗能的条件下提高中心区域的反应温度，使品质较差的硅石在兰炭含量较少的条件下，即能够顺利的发生还原反应；同时，环形边缘区域则可在富炭的条件下而顺利发生还原反应还原硅，进而反应得到硅铁。能够有效的降低能耗和成本，提高反应效率和产品质量。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
将矿热炉的反应区域分为中心区域和环形边缘区域，中心区域的面积占总反应区域的60％，环形边缘区域的面积占总反应区域的40％。
在矿热炉内添加原料，原料为sio2含量为92％的硅石、兰炭和铁料。
中心区域内添加的硅石的质量占原料总质量的32％，中心区域内添加的兰炭的质量占原料总质量的8％，中心区域内添加的铁料的质量占原料总质量的6.5％；环形边缘区域内添加的硅石的质量占原料总质量的32％，环形边缘区域内添加的兰炭的质量占原料总质量的15％，环形边缘区域内添加的铁料的质量占原料总质量的6.5％。
矿热炉内的反应温度为1700℃。在该条件下反应，硅铁生产的指标可达到：电耗为8200度/吨，单炉日均产量为37.50吨/日，fesi75产品合格率为58％。
实施例2
采用与实施例1相同的方法，其不同之处仅在于：中心区域的面积占总反应区域的70％，环形边缘区域的面积占总反应区域的30％。
在该条件下反应，硅铁生产的指标可达到：电耗为8220度/吨，单炉日均产量为36.50吨/日，fesi75产品合格率为50％。
实施例3
采用与实施例1相同的方法，其不同之处仅在于：中心区域内添加的兰炭的质量占原料总质量的6.5％；环形边缘区域内添加的兰炭的质量占原料总质量的16.5％。
在该条件下反应，硅铁生产的指标可达到：电耗为8180度/吨，单炉日均产量为38.50吨/日，fesi75产品合格率为62％。
实施例4
采用与实施例1相同的方法，其不同之处仅在于：中心区域内添加的硅石的质量占原料总质量的35％，中心区域内添加的兰炭的质量占原料总质量的8.5％，中心区域内添加的铁料的质量占原料总质量的6.5％；环形边缘区域内添加的硅石的质量占原料总质量的30％，环形边缘区域内添加的兰炭的质量占原料总质量的13.5％，环形边缘区域内添加的铁料的质量占原料总质量的6.5％。
在该条件下反应，硅铁生产的指标可达到：电耗为8300度/吨，单炉日均产量为36.00吨/日，fesi75产品合格率为51％。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。