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特鋼中脫Mn工藝開發(fā)與應(yīng)用

發(fā)布時間:2022/7/14 17:54:37   來源:中純特鋼 冀東威仔    瀏覽次數(shù):3591

工業(yè)純鐵作為一種重要的鋼鐵基礎(chǔ)材料,主要用于冶煉各種高溫合金、耐熱合金、精密合金、馬氏體時效鋼等航空航天、軍工和民用合金或鋼材。工業(yè)純鐵根據(jù)其用途主要分為原料純鐵、電磁純鐵和軍工純鐵三大類。其中原料純鐵是工業(yè)純鐵需求占比最高的,年需求約為15-20萬噸,主要應(yīng)用于釹鐵硼和非晶合金。釹鐵硼是由釹、鐵、硼(Nd2Fe14B)形成的四方晶系晶體,在電子產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

用于釹鐵硼和非晶合金生產(chǎn)的原料純鐵,要求將C、P、S、N、O、Mn、Al、Si等元素都控制在非常低的范圍內(nèi),純度為99.6%~99.8%,純度越高,制備越困難,國內(nèi)外學(xué)者對純鐵的制備方法和純鐵性能進(jìn)行了大量的研究。而采用轉(zhuǎn)爐-RH-CC的工藝生產(chǎn)工業(yè)純鐵,Mn含量的控制是主要的技術(shù)難點,尤其冶煉高端非晶材料用工業(yè)純鐵,要求Mn≤0.02%,甚至更低。本研究旨在根據(jù)生產(chǎn)或?qū)嶒灁?shù)據(jù),分析討論轉(zhuǎn)爐脫錳率和渣/鋼間錳分配比的影響因素,尋求合理的工藝參數(shù)控制范圍,以實現(xiàn)低錳工業(yè)純鐵的生產(chǎn)技術(shù)。

轉(zhuǎn)爐冶煉工藝對錳含量的影響與研究

錳作為一種金屬元素只能通過氧化造渣的方式,從鐵水或鋼水中分離出來,脫錳方式的選擇,通常受限于現(xiàn)場設(shè)備、環(huán)境、脫錳所用原料的條件等。

入爐鐵水對成品錳含量的影響

鐵水初始錳含量對成品錳含量有較大影響。為保證成品錳含量滿足要求,需要控制初始的鐵水Mn含量。生產(chǎn)實踐表明,采用轉(zhuǎn)爐雙渣+RH工藝生產(chǎn)成品Mn≤0.02%的低錳工業(yè)純鐵,一般需要將初始的鐵水Mn含量控制在0.2%以下;而采用脫磷轉(zhuǎn)爐+脫碳轉(zhuǎn)爐雙聯(lián)轉(zhuǎn)爐工藝+RH工藝,可以使用脫磷轉(zhuǎn)爐將鐵水錳含量控制在0.1%以下,大大降低了脫碳轉(zhuǎn)爐的脫錳壓力,因此,初始的鐵水Mn含量控制在 0.30%以下,可以100%的將成品錳含量控制在0.02%以下。

轉(zhuǎn)爐過程脫錳工藝研究與優(yōu)化

煉鋼生產(chǎn)過程中,鐵水Mn是制約成品Mn的難點,而轉(zhuǎn)爐是脫Mn的重要工序,雙聯(lián)轉(zhuǎn)爐工藝控制、轉(zhuǎn)爐終點C、終點溫度、終渣堿度等都會對轉(zhuǎn)爐脫錳造成影響。

雙聯(lián)轉(zhuǎn)爐工藝即采用脫磷轉(zhuǎn)爐+脫碳轉(zhuǎn)爐的雙工藝。如圖2所示,轉(zhuǎn)爐具有脫錳的能力,雙聯(lián)轉(zhuǎn)爐工藝,可以在較高的Mn含量基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化脫錳效果,滿足成品Mn含量的控制要求;雙聯(lián)轉(zhuǎn)爐工藝,P的控制不滿足要求,脫磷爐脫磷效果波動,可以從廢鋼、石灰質(zhì)量、轉(zhuǎn)爐大底吹流量、優(yōu)化供氧制度等方面做工作;脫碳爐脫磷效果較差,后續(xù)可以考慮配加含硅料,增加渣量或者使用化渣劑提高脫磷率。因此,高端工藝純鐵采用工藝路線為DeS→DeP→BOF→LF→RH→CCM。

轉(zhuǎn)爐終點碳-溫控制

錳在鋼水中,會發(fā)生如下反應(yīng):[Mn]+(FeO) = (MnO) +[Fe]

式中:[]代表鋼水中的組元;()代表爐渣中的組元, 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時反應(yīng)的吉布斯自由能變化,J/mol;T為溫度,K。

由式得出鋼水與爐渣間的錳反應(yīng)的平衡常數(shù)為:

——Mn的反應(yīng)平衡常數(shù);

——Mn在渣-鋼間的分配比;

——渣中Mn含量;

——鋼液中Mn含量;

——爐渣中MnO的活度系數(shù);

——爐渣中FeO的活度;

爐渣中MnO的活度;

爐渣中Mn的活度。

根據(jù)范特霍夫等溫變化,可得:

式中:R——氣體常數(shù),R=8.314 J/ (mol·K)

由以上反應(yīng)式可知,鋼水中錳氧化與溫度、爐渣的氧化性和爐渣中 有關(guān),需要熔池有較低的溫度,爐渣有較高的氧化性,及時排除爐渣中的氧化錳。因此,在轉(zhuǎn)爐吹煉前期,熔池中溫度較低,冶煉開始后,硅、錳、磷元素迅速氧化,充分利用前期熔池溫度低的特點,加大轉(zhuǎn)爐底吹攪拌強(qiáng)度,采用低槍位操作改善爐內(nèi)的動力學(xué)條件,快速反應(yīng)起渣,實現(xiàn)最大程度的脫磷、去錳;隨著熔池溫度的升高,爐渣氧化性降低,脫錳效率逐漸降低,此時需要通過調(diào)整氧槍槍位和燒結(jié)礦的加入量,來控制熔池升溫速度;吹煉末期,嚴(yán)格控制終點溫度,防止鋼水增磷、錳。

為轉(zhuǎn)爐終點溫度對轉(zhuǎn)爐脫錳率的影響研究,隨著轉(zhuǎn)爐終點溫度升高,轉(zhuǎn)爐脫錳率顯著降低。因此,在冶煉低錳工業(yè)純鐵的生產(chǎn)過程中,應(yīng)盡可能降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度,達(dá)到降低轉(zhuǎn)爐終點錳和產(chǎn)品錳含量的目的。但溫度過低將影響精煉工序升溫周期過長,不利于生產(chǎn)的連續(xù)性。因此,生產(chǎn)過程一般控制合理的出鋼溫度為1620-1640℃左右。

生產(chǎn)過程中,轉(zhuǎn)爐出鋼溫度控制為1620~1640℃,研究轉(zhuǎn)爐終點氧活度對轉(zhuǎn)爐脫錳率的影響。研究結(jié)果表明,隨著轉(zhuǎn)爐終點氧活度升高,轉(zhuǎn)爐脫錳率隨之升高。因此,生產(chǎn)低錳工業(yè)純鐵,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高轉(zhuǎn)爐終點氧活度,按著大于700ppm進(jìn)行控制,以增大錳的分配比LMn。

同時在轉(zhuǎn)爐出鋼的過程中,采用前擋擋渣塞,后擋滑板擋渣+擋渣標(biāo)的滑板擋渣工藝,配合下渣檢測系統(tǒng)和鋼包強(qiáng)攪模式,嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐下渣量,防止鋼水“回錳”現(xiàn)象發(fā)生。

轉(zhuǎn)爐終渣控制

錳氧化的動力學(xué)研究表明鋼水與爐渣的接觸面積越大時,錳的氧化速度越快。為了加快錳的氧化,必須使?fàn)t渣具有良好的流動性和發(fā)泡性。爐渣堿度過高時,會降低爐渣中二氧化硅在氣泡表面的吸附,降低爐渣的發(fā)泡性能,所以脫錳還需要有較低的爐渣堿度。但是脫磷需要較高的爐渣堿度,因此對合適的爐渣堿度進(jìn)行統(tǒng)計分析。

為消除轉(zhuǎn)爐終點溫度和終點氧活度對錳分配比的影響,統(tǒng)計轉(zhuǎn)爐終點溫度1620~1640℃、終點氧活度700±50ppm的爐次,分析轉(zhuǎn)爐終渣R對錳分配比的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)爐終渣爐渣堿度R(%CaO/%SiO2)小于5,隨著爐渣堿度的升高,轉(zhuǎn)爐脫錳率增大,分析是因為渣量增加的原因。但爐渣堿度R超過5,隨著爐渣堿度升高,轉(zhuǎn)爐的脫錳率顯著降低,分析一方面原因是,因為爐渣堿度過高,爐渣的流動性降低,影響MnO向渣中傳遞;另一方面原因與SUITO 和INOUE類似,堿度升高,氧化錳的活度系數(shù)γMnO升高,導(dǎo)致錳的分配比LMn(=(%MnO)/[%Mn])減小。因此,轉(zhuǎn)爐終渣的堿度R控制在4-5比較合適。

3 精煉工藝脫錳研究與優(yōu)化

LF精煉爐的主要任務(wù)是防止回錳、脫氧、脫硫、對鋼液進(jìn)行合金化及真空脫氣。鋼包進(jìn)精煉爐后,先入LF進(jìn)來進(jìn)行升溫。溫度升高后,進(jìn)行卡渣兌包處理,杜絕LF精煉爐的回錳。為保證Mn含量的脫出,采用雙精煉法進(jìn)行工業(yè)純鐵的冶煉。LF進(jìn)行鋼包渣增氧操作,控制鋼包渣氧化性,RH進(jìn)行進(jìn)一步的深脫錳工藝。

RH精煉渣TFe含量控制

分析實際生產(chǎn)爐次Mn元素在渣-鋼間的平衡分配比與渣中TFe含量對應(yīng)關(guān)系隨著RH鋼包渣中TFe含量的升高,錳的分配比LMn隨之增加。這是因為:隨著渣中TFe含量的增加,渣的氧化性增加,MnO的活度系數(shù)增加,為渣中提供了更多的氧離子,使鋼液中的Mn被氧化生成MnO進(jìn)入渣中[4]。另外一方面,渣中TFe含量的增加提高了反應(yīng)物 (O) 的濃度,促進(jìn)了鋼渣界面Mn氧化反應(yīng)進(jìn)行。因此,為了降低鋼水中的錳含量,渣中的TFe含量適當(dāng)提高。綜合考慮爐渣對鋼水純凈度的影響,實際生產(chǎn)中,爐渣TFe含量含量按著18%~20%進(jìn)行控制。

精煉渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制

隨著RH鋼包渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)的升高,渣鋼間錳的分配比隨之降低。筆者分析認(rèn)為,當(dāng)爐渣的氧化性偏低時,爐渣鈣鋁比升高導(dǎo)致爐渣的熔點升高,影響爐渣向鋼液中傳遞氧以及鋼液中的生成MnO向渣中傳遞。

精煉渣堿度控制

為排除RH鋼包渣鈣鋁比和渣中TFe含量對錳分配比的影響,只統(tǒng)計RH鋼包渣鈣鋁比1.5~2.0、渣中TFe含量15%~18%的爐次,分析鋼包渣R對錳分配比的影響

在堿度8.5~10.5時,隨著RH鋼包渣堿度的增加,渣與鋼水間Mn的分配比有降低的趨勢,這與Ryo INOUE[5]和Sung-Mo JUNG[6]等人的研究相一致。分析認(rèn)為MnO是一個弱堿性氧化物,隨著堿度升高,MnO的活度增加,有利于鋼液中錳的回升,使得錳的分配比下降,脫錳率下降。

生產(chǎn)實踐與結(jié)果

生產(chǎn)低錳工業(yè)純鐵,實際鐵水含量按0.20%以下進(jìn)行控制,轉(zhuǎn)爐終點溫度按著1620~1630℃進(jìn)行控制,轉(zhuǎn)爐終點氧活度按著700~900ppm,轉(zhuǎn)爐終渣堿度按4-5,鋼包渣和成品成分的控制情況如下。

序號

TFe

MgO

CaO

SiO2

Al2O3

CaO/Al2O3

1

18.7

6.14

39.06

3.82

22.12

1.77

2

18.16

5.94

39.74

3.83

22.5

1.77

3

18.38

5.85

39.59

3.66

20.62

1.92

4

17.96

5.81

40.42

3.8

19.38

2.09

5

20.38

6.6

38.5

3.9

23.3

1.65

6

19.04

7.24

38.13

3.83

26.36

1.45



RH鋼包頂渣TFe含量控制在18~20%,鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制在1.5~2.0,可以確保渣鋼間較高錳的分配比,成品錳含量可以控制在0.020%以下。

序號

C

Mn

S

P

Si

Alt

N

1

0.0019

0.020

0.003

0.002

0.003

0.002

0.0013

2

0.0017

0.018

0.002

0.002

0.002

0.006

0.002

3

0.0015

0.015

0.003

0.002

0.003

0.01

0.0018

4

0.0017

0.020

0.002

0.003

0.003

0.003

0.0018

5

0.0015

0.013

0.003

0.001

0.002

0.003

0.0013

6

0.0015

0.016

0.003

0.002

0.002

0.003

0.0012



通過對脫錳原理的分析,以及以實際大生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究Mn 元素在鋼包渣與鋼液間的分配規(guī)律得出如下結(jié)論:

1)采用轉(zhuǎn)爐+RH工藝生產(chǎn)成品Mn≤0.02%的低錳工業(yè)純鐵,一般需要將初始的鐵水Mn含量控制在0.2%以下。

2)適當(dāng)降低轉(zhuǎn)爐終點溫度、提高轉(zhuǎn)爐終點氧活度,可以提高轉(zhuǎn)爐脫錳率,轉(zhuǎn)爐終點溫度按著1620-1630℃進(jìn)行控制,轉(zhuǎn)爐終點氧活度按著700-900ppm,終點爐渣堿度控制在4-5。

3)RH結(jié)束鋼包渣中的TFe含量對Mn 的分配比有顯著影響,隨著渣中TFe含量的增加,渣鋼間錳的分配比不斷增加。為了降低鋼液中的錳含量,冶煉低錳工業(yè)純鐵應(yīng)適當(dāng)提高鋼包渣TFe含量。

4)隨著RH爐渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)的升高,錳的分配比隨之降低。鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制在1.5-2.0較為合適。

5)通過以上措施,可以實現(xiàn)錳含量≤0.020%的低錳鋼冶煉。
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