硅铁又称矽铁，是以焦炭、钢屑和石英(或硅石)为原料，在矿热炉中高温冶炼制成的铁硅合金。我国是世界上**大的铁合金生产国，而硅铁作为其中**重要、产量**大的铁合金品种，消耗了大量的电能和冶金原料。随着能源紧缺，环保压力日益加大，迫切需要开发新的硅铁冶炼方法来降低能耗、减少污染、提升品质。另一方面，作为硅和铁组成的铁合金，硅铁兼具硅的强脱氧性和铁的磁性、导热导电性，在很多领域都有应用。然而，目前我国90%以上的硅铁都用在炼钢与铸铁上，这严重限制了其价值。

1硅铁的冶炼进展

1.1 硅铁冶炼原理

硅铁冶炼的原理是焦炭在高温(1700～1900℃)下还原二氧化硅生成硅，再与铁结合得到硅铁，其总反应方程式是

从反应方程式(1)可知，这是一个放热产气反应，可以通过提高炉内反应温度、增加炉料透气性来加快反应速率。由反应方程式(2)可知，铁的存在可以使焦炭还原二氧化硅的反应顺行，并且铁含量越高反应越容易进行。

1.2 硅铁冶炼新技术

1.2.1新冶炼矿热炉

(1)改进炉体结构。目前，硅铁冶炼的矿热炉的炉体正朝大型化、封闭式和旋转炉壳方向发展3。新型矿热炉较传统矿热炉具有以下优势：炉子容量大，热效率高;炉灶能松动移向炉心，可防止料面结壳;炉气逸出均匀，减少刺火等不正常现象出现;炉气和烟尘全部可回收，环境污染小;炉气热量可回收利用，电效率高。

(2)优化控制系统。学者们将计算机技术用于硅铁冶炼过程中的电力参数、电极插入深度、配料上料等控制，发现不但可以降低能耗，减少人工成本，提高生产效率，还可提高配料的准确度，改善硅铁品质。

1.2.2新冶炼原料

(1)利用低品位原料和废渣来冶炼硅铁。利用低品位原料和废渣来冶炼硅铁不仅可以解决高品质原料不足的问题，还可以处理工业废渣，保护环境。马栓等⁶用铁硅石代替部分钢屑冶炼硅铁，发现虽然焦炭用量会稍微增加，但可降低硅石和钢屑的需求量，整体成本和产品质量与传统工艺相当，在钢屑匮乏的地方该工艺技术具有推广应用价值。**维东等”采用氧化铁皮、硅石和冶金焦炭粒在还原条件下生产硅铁合金，发现可使硅铁生产成本降低55元/t。Ray等8将低品位赤铁矿一碧玉矿还原焙烧，然后通过磁选工艺富集铁，再用非磁性的尾矿代替硅质原料来冶炼硅铁。试验表明，原矿(铁含量47%左右)中的磁性铁回收率**高可达72%,并且剩余的非磁性组分可以冶炼得到硅含量20%左右的硅铁合金。Farzana等9利用胶木(废塑料)代替还原剂焦炭在1550  ℃下还原汽车废玻璃和氧化铁来制备硅铁，既处理了固体废物又制得了硅含量为14%～20%的硅铁合金。此外，粉煤灰、铜渣等低品位原料和废渣也可冶炼硅铁合金，并有很好的效果。

(2)工业废料中提取硅铁。在电石的生产中，由于生产原料中含有Fe₂O₃、SiO₂等杂质，在电炉的高温条件下，部分Fe₂O₃和SiO₂会被焦炭还原生成硅铁,这些硅铁**终会进入到电石渣中。根据相关文献可知，电石渣中的硅铁含量随生产工艺的不同波动范围在1%～5%,这些硅铁一方面会对后续的电石渣利用产生影响，另一方面具有较高的经济价值，因此很有必要进行回收利用。冯静安对电石渣进行筛分，然后利用磁选回收+80目中的硅铁，再根据密度差异使用水力旋流器对小粒径电石渣中的硅铁进行回收，经验证，该方法可以有效回收电石渣中硅铁。

2 硅铁的应用进展

2.1冶金中的应用

2.1.1作为脱氧剂和合金剂使用

硅铁已被广泛应用于钢铁冶炼中，其作为炼钢脱氧剂和合金剂具有以下优势：一是硅和氧之间有较大的亲和力，可以有效去除钢水中的氧，提升产品质量;二是在脱氧时二氧化硅的生成会放出热量，对提高钢水的温度有一定的作用;三是硅元素的加入可以显著地改善钢材的强度、弹性、硬度和导磁性。**甲贵利用硅铁来进行脱氧试验，发现硅铁作为脱氧剂具有成本低、脱氧能力强、脱氧产物(二氧化硅)易去除等优点。顾毅15将硅铁合金作为铁铜40粉末生产中的脱氧剂，发现适宜的硅铁加入量(0~1.5%)可以显著地降低成品中氧含量，改善钢材的硬度和抗弯强度。

2.1.2作为孕育剂和球化剂使用

硅铁合金是铸铁生产中的常见孕育剂和球化剂，可以改善铸铁内部的组织、细化石墨球、减少晶间偏析、消除过冷白口倾向、增强机械性能等。李树江等[16对比了含钡硅铁及含钡稀土混合硅铁做孕育剂处理的铸铁与不加孕育剂处理的铸铁之间差别，发现硅铁孕育剂的加入可以改善铸铁的多项性能：①有效去除铸铁中的过冷石墨与碳化物，改善铸铁的内部组织结构;②降低铸铁的激冷白口倾向，加入量在0.3%时可消除白口;③加入0.3%～0.5%的孕育剂可以减少铸铁不同断面之间的硬度差，改善断面的敏感性;④加入0.1%的孕育剂可以增加65  MPa的抗拉强度和22 HB的硬度，并能大幅度提高产品的品质。

2.1.3作为还原剂使用

硅铁作为一种优良的还原剂，在冶金中可以提高金属氧化物的还原反应速率，促进金属颗粒的聚集长大，减短冶金周期，目前已广泛应用于镁、锂、锶等的还原制备。尤晶等  采用皮江法从白云石中冶炼镁，发现用硅铁作为还原剂炼镁的机理是：CaO和MgO在硅颗粒表面发生反应，首先生成一层含硅酸钙-氧化镁的颗粒层覆盖在硅颗粒上，接着内部的硅颗粒向外扩散，外部的CaO和MgO向内扩散，在颗粒表面和内部发生反应，**终生成致密的硅酸钙颗粒和镁。同时，还发现硅铁中有一定量的硅以FeSi₂形式存在，很难参与氧化镁的还原反应，会造成硅的损失，降低氧化镁还原率。Aviezer等使用湿法冶金工艺回收海水中的镁，试验首先利用离子交换法从海水中提取镁离子，再将氧化钙和硅铁加入到镁离子溶液中，使镁离子沉淀在硅铁颗粒上，经过洗涤烘干后得到的硅铁-氢氧化钙-氢氧化镁球团可作为原料直接冶炼得到镁。虽然这种方法冶炼镁的成本会提高0.75美元/kg,但在缺乏白云石的沿海地区还是可行的。

2.2选矿中的应用

硅铁由于具有固体密度高、颗粒呈球形、介质粘度低、在高浓度悬浮液中沉降速度快等特点，可以作为重介质选矿领域中的悬浮相。Waanders等[19以细硅铁粉为重介质悬浮相提取砾石中的冲击钻石，再通过磁力分离器回收硅铁，进行循环利用。结果发现，硅铁作为悬浮相在前期的分离效果很好，但随着循环次数的增多，会存在如下问题：①磨损和腐蚀会造成大量的硅铁的损失;②某些重矿物(如磁铁矿和钛铁矿)粘附在硅铁颗粒上无法分离会导致硅铁质量增加，进而造成有价值的矿物损失。

针对硅铁作为选矿悬浮相而存在的磨损、腐蚀、氧化等问题，Ku等20以硅烷偶联剂作为改性剂，环氧树脂为包衣剂，对硅铁进行包覆处理。经过试验，发现环氧树脂包覆的硅铁粉在实际应用中具有许多优点：①可以通过包覆的层数多少来控制包覆硅铁粉末的粒径分布;②高球形包覆硅铁粉末制备的悬浮体系的流变性能好，有利于加快重介质选矿速度;③高球形结构的硅铁可以显著降低管道和设备的磨损;④悬浮体系的粒径特性不会发生很大变化，在选矿过程中很稳定。

2.3制氢中的应用

硅铁作为一种化学储氢材料，具有便于运输、理论制氢率高等优点，已受到广泛的关注。硅铁制氢的原理是硅与氢氧化钠水溶液在加热条件下反应生成硅酸钠和氢气，反应方程式为

2NaOH+Si+H₂O→Na₂SiO₃+2H₂↑   (3)

从反应方程式(3)可以看出硅理论上可以制取自身质量14%的氢气。

Brack等研究硅铁的化学储氢性能，发现硅铁与氢氧化钠水溶液反应制氢存在着一些问题。**，整个反应的活化能较高(90.5kJ/mol),在低温下反应速率慢;第二，氢气制取量仅为硅铁质量的4.75%,远远低于理论值。为了弄清制氢率低下的原因，Brack等对硅铁制氢进行了进一步研究，发现硅铁中有50%左右的硅是以铁硅化合物形式存在的。这部分铁硅化合物不参与制氢反应，降低了制氢量，但它们的存在可以控制制氢速度，使制氢反应稳定、长期地进行。另外通过优化试验条件，在348  K温度下，FeSi75与浓度为40%的NaOH溶液反应10min,可以得到了462.5  mL/g的制氢量和83mL/min的**大制氢速率，具有很好的效果。

2.4焊接材料中的应用

(1)焊条涂层。Qin等研究了硅铁做涂料对ENICRFE-7镍基合金焊条处理的效果。发现硅铁可以在高温下还原碳氧化物，间接促进渗碳，并且温度越高渗碳效果越好。随着渗碳量的增加，焊条中的碳含量会逐渐降低，进而可以有效地阻止焊条延性浸渍开裂(DDC),保证焊接效果。

(2)焊丝药芯。张志兵等研究了焊丝药芯成分中FeSi45和FeS的添加量对焊缝金属润湿铺展性的影响，发现当药芯中添加11.21%的FeSi45和0.2%的FeS时，可以得到余高低、熔宽大、润湿角小的高品质焊缝。为了弄清焊缝的铺展机理，他们使用高速摄像技术观察了焊接过程中熔滴的变化情况，发现在小电流焊接条件下，Si、S元素的引入可以显著降低熔滴的表面张力，使得熔滴以大滴的形式过渡，延长了电弧加热时间，提高了熔滴的热焓，从而形成润湿铺展良好的焊缝。

2.5锂电池电极中的应用

硅的理论比容量高达4200  mAh/g,是目前**有应用前景的锂离子电池电极材料。然而纯硅存在着价格高和循环中体积变化大(>300%)等问题，限制了其应用。为了解决这些问题，Jin等[2以硅铁代替纯硅来做电极材料，在球磨的基础上，利用硝酸银和氢氟酸蚀刻液去除硅铁中的铝、铁等杂质，得到高纯度的多孔硅铁粉，再将硅铁粉在超声下与氧化石墨烯(GO)溶液混合，过滤后在石英管中制得具有双层碳结构的rGO/Si复合材料(制备流程见图1)。对这种复合电极材料进行电化学性能测试，发现其在2A/g的电流密度下，经过100次循环后仍能提供1287mAh/g的稳定容量。

He等使用价格便宜的低品位硅铁代替硅来做锂电池的电极材料，其具体步骤为将硅铁和聚丙烯腈(PAN)在350  r/min转速的球磨机中球磨12h,制得亚微米级的硅铁-PAN混合物，再在管式炉内氩气氛围碳化3h得到FSC阳极材料。试验结果显示，这种FSC电极材料在500  mA/g下，100个周期内具有86%容量保持率的长周期性能，在10 A/g的高电流密度下具有450  mAh/g的优良率性能。通过形态特征分析(见图2)可知，这主要归功于FSC电极材料中的非晶态碳和非活性FeSix,它们的存在可以作为缓冲层和导电剂，有效地防止电极体积变化所造成的粉化。

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