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特鋼中脫Mn工藝開(kāi)發與應用
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| 發布時(shí)間(jiān)：2022-7-14 17:54:37 來(lái)源：中純特鋼 冀東威仔 浏覽次數：3383 |
工業純鐵作(zuò)為(wèi)一種重要的鋼鐵基礎材料，主要用于冶煉各種高(gāo)溫合金、耐熱合金、精密合金、馬氏體(tǐ)時(shí)效鋼等航空(kōng)航天、軍工和(hé)民用合金或鋼材。工業純鐵根據其用途主要分為(wèi)原料純鐵、電(diàn)磁純鐵和(hé)軍工純鐵三大(dà)類。其中原料純鐵是工業純鐵需求占比最高(gāo)的，年需求約為(wèi)15-20萬噸，主要應用于钕鐵硼和(hé)非晶合金。钕鐵硼是由钕、鐵、硼（Nd2Fe14B）形成的四方晶系晶體(tǐ)，在電(diàn)子産品領域應用廣泛。
用于钕鐵硼和(hé)非晶合金生(shēng)産的原料純鐵，要求将C、P、S、N、O、Mn、Al、Si等元素都控制(zhì)在非常低(dī)的範圍內(nèi)，純度為(wèi)99.6%~99.8%，純度越高(gāo)，制(zhì)備越困難，國內(nèi)外學者對純鐵的制(zhì)備方法和(hé)純鐵性能進行了大(dà)量的研究。而采用轉爐-RH-CC的工藝生(shēng)産工業純鐵，Mn含量的控制(zhì)是主要的技術難點，尤其冶煉高(gāo)端非晶材料用工業純鐵，要求Mn≤0.02%，甚至更低(dī)。本研究旨在根據生(shēng)産或實驗數據，分析討(tǎo)論轉爐脫錳率和(hé)渣/鋼間(jiān)錳分配比的影(yǐng)響因素，尋求合理(lǐ)的工藝參數控制(zhì)範圍，以實現低(dī)錳工業純鐵的生(shēng)産技術。
轉爐冶煉工藝對錳含量的影(yǐng)響與研究
錳作(zuò)為(wèi)一種金屬元素隻能通(tōng)過氧化造渣的方式，從鐵水(shuǐ)或鋼水(shuǐ)中分離出來(lái)，脫錳方式的選擇，通(tōng)常受限于現場(chǎng)設備、環境、脫錳所用原料的條件等。
入爐鐵水(shuǐ)對成品錳含量的影(yǐng)響
鐵水(shuǐ)初始錳含量對成品錳含量有(yǒu)較大(dà)影(yǐng)響。為(wèi)保證成品錳含量滿足要求，需要控制(zhì)初始的鐵水(shuǐ)Mn含量。生(shēng)産實踐表明(míng)，采用轉爐雙渣+RH工藝生(shēng)産成品Mn≤0.02%的低(dī)錳工業純鐵，一般需要将初始的鐵水(shuǐ)Mn含量控制(zhì)在0.2%以下；而采用脫磷轉爐+脫碳轉爐雙聯轉爐工藝+RH工藝，可(kě)以使用脫磷轉爐将鐵水(shuǐ)錳含量控制(zhì)在0.1%以下，大(dà)大(dà)降低(dī)了脫碳轉爐的脫錳壓力，因此，初始的鐵水(shuǐ)Mn含量控制(zhì)在 0.30%以下，可(kě)以100%的将成品錳含量控制(zhì)在0.02%以下。
轉爐過程脫錳工藝研究與優化
煉鋼生(shēng)産過程中，鐵水(shuǐ)Mn是制(zhì)約成品Mn的難點，而轉爐是脫Mn的重要工序，雙聯轉爐工藝控制(zhì)、轉爐終點C、終點溫度、終渣堿度等都會(huì)對轉爐脫錳造成影(yǐng)響。
雙聯轉爐工藝即采用脫磷轉爐+脫碳轉爐的雙工藝。如圖2所示，轉爐具有(yǒu)脫錳的能力，雙聯轉爐工藝，可(kě)以在較高(gāo)的Mn含量基礎上(shàng)進一步優化脫錳效果，滿足成品Mn含量的控制(zhì)要求；雙聯轉爐工藝，P的控制(zhì)不滿足要求，脫磷爐脫磷效果波動，可(kě)以從廢鋼、石灰質量、轉爐大(dà)底吹流量、優化供氧制(zhì)度等方面做(zuò)工作(zuò)；脫碳爐脫磷效果較差，後續可(kě)以考慮配加含矽料，增加渣量或者使用化渣劑提高(gāo)脫磷率。因此，高(gāo)端工藝純鐵采用工藝路線為(wèi)DeS→DeP→BOF→LF→RH→CCM。
轉爐終點碳-溫控制(zhì)
錳在鋼水(shuǐ)中，會(huì)發生(shēng)如下反應：[Mn]+(FeO) = (MnO) +[Fe]
式中：[]代表鋼水(shuǐ)中的組元；（）代表爐渣中的組元， 為(wèi)标準狀态時(shí)反應的吉布斯自由能變化，J/mol；T為(wèi)溫度，K。
由式得(de)出鋼水(shuǐ)與爐渣間(jiān)的錳反應的平衡常數為(wèi)：
——Mn的反應平衡常數；
——Mn在渣-鋼間(jiān)的分配比；
——渣中Mn含量；
——鋼液中Mn含量；
——爐渣中MnO的活度系數；
——爐渣中FeO的活度；
爐渣中MnO的活度；
爐渣中Mn的活度。
根據範特霍夫等溫變化，可(kě)得(de)：
式中：R——氣體(tǐ)常數，R=8.314 J/ (mol·K)
由以上(shàng)反應式可(kě)知，鋼水(shuǐ)中錳氧化與溫度、爐渣的氧化性和(hé)爐渣中 有(yǒu)關，需要熔池有(yǒu)較低(dī)的溫度，爐渣有(yǒu)較高(gāo)的氧化性，及時(shí)排除爐渣中的氧化錳。因此，在轉爐吹煉前期，熔池中溫度較低(dī)，冶煉開(kāi)始後，矽、錳、磷元素迅速氧化，充分利用前期熔池溫度低(dī)的特點，加大(dà)轉爐底吹攪拌強度，采用低(dī)槍位操作(zuò)改善爐內(nèi)的動力學條件，快速反應起渣，實現最大(dà)程度的脫磷、去錳；随着熔池溫度的升高(gāo)，爐渣氧化性降低(dī)，脫錳效率逐漸降低(dī)，此時(shí)需要通(tōng)過調整氧槍槍位和(hé)燒結礦的加入量，來(lái)控制(zhì)熔池升溫速度；吹煉末期，嚴格控制(zhì)終點溫度，防止鋼水(shuǐ)增磷、錳。
為(wèi)轉爐終點溫度對轉爐脫錳率的影(yǐng)響研究，随着轉爐終點溫度升高(gāo)，轉爐脫錳率顯著降低(dī)。因此，在冶煉低(dī)錳工業純鐵的生(shēng)産過程中，應盡可(kě)能降低(dī)轉爐出鋼溫度，達到降低(dī)轉爐終點錳和(hé)産品錳含量的目的。但(dàn)溫度過低(dī)将影(yǐng)響精煉工序升溫周期過長，不利于生(shēng)産的連續性。因此，生(shēng)産過程一般控制(zhì)合理(lǐ)的出鋼溫度為(wèi)1620-1640℃左右。
生(shēng)産過程中，轉爐出鋼溫度控制(zhì)為(wèi)1620~1640℃，研究轉爐終點氧活度對轉爐脫錳率的影(yǐng)響。研究結果表明(míng)，随着轉爐終點氧活度升高(gāo)，轉爐脫錳率随之升高(gāo)。因此，生(shēng)産低(dī)錳工業純鐵，應當适當提高(gāo)轉爐終點氧活度，按着大(dà)于700ppm進行控制(zhì)，以增大(dà)錳的分配比LMn。
同時(shí)在轉爐出鋼的過程中，采用前擋擋渣塞，後擋滑闆擋渣+擋渣标的滑闆擋渣工藝，配合下渣檢測系統和(hé)鋼包強攪模式，嚴格控制(zhì)轉爐下渣量，防止鋼水(shuǐ)“回錳”現象發生(shēng)。
轉爐終渣控制(zhì)
錳氧化的動力學研究表明(míng)鋼水(shuǐ)與爐渣的接觸面積越大(dà)時(shí)，錳的氧化速度越快。為(wèi)了加快錳的氧化，必須使爐渣具有(yǒu)良好的流動性和(hé)發泡性。爐渣堿度過高(gāo)時(shí)，會(huì)降低(dī)爐渣中二氧化矽在氣泡表面的吸附，降低(dī)爐渣的發泡性能，所以脫錳還(hái)需要有(yǒu)較低(dī)的爐渣堿度。但(dàn)是脫磷需要較高(gāo)的爐渣堿度，因此對合适的爐渣堿度進行統計分析。
為(wèi)消除轉爐終點溫度和(hé)終點氧活度對錳分配比的影(yǐng)響，統計轉爐終點溫度1620~1640℃、終點氧活度700±50ppm的爐次，分析轉爐終渣R對錳分配比的影(yǐng)響
當轉爐終渣爐渣堿度R（%CaO/%SiO2）小(xiǎo)于5，随着爐渣堿度的升高(gāo)，轉爐脫錳率增大(dà)，分析是因為(wèi)渣量增加的原因。但(dàn)爐渣堿度R超過5，随着爐渣堿度升高(gāo)，轉爐的脫錳率顯著降低(dī)，分析一方面原因是，因為(wèi)爐渣堿度過高(gāo)，爐渣的流動性降低(dī)，影(yǐng)響MnO向渣中傳遞；另一方面原因與SUITO 和(hé)INOUE類似，堿度升高(gāo)，氧化錳的活度系數γMnO升高(gāo)，導緻錳的分配比LMn（=(%MnO)/[%Mn]）減小(xiǎo)。因此，轉爐終渣的堿度R控制(zhì)在4-5比較合适。
3 精煉工藝脫錳研究與優化
LF精煉爐的主要任務是防止回錳、脫氧、脫硫、對鋼液進行合金化及真空(kōng)脫氣。鋼包進精煉爐後，先入LF進來(lái)進行升溫。溫度升高(gāo)後，進行卡渣兌包處理(lǐ)，杜絕LF精煉爐的回錳。為(wèi)保證Mn含量的脫出，采用雙精煉法進行工業純鐵的冶煉。LF進行鋼包渣增氧操作(zuò)，控制(zhì)鋼包渣氧化性，RH進行進一步的深脫錳工藝。
RH精煉渣TFe含量控制(zhì)
分析實際生(shēng)産爐次Mn元素在渣-鋼間(jiān)的平衡分配比與渣中TFe含量對應關系随着RH鋼包渣中TFe含量的升高(gāo)，錳的分配比LMn随之增加。這是因為(wèi)：随着渣中TFe含量的增加，渣的氧化性增加，MnO的活度系數增加，為(wèi)渣中提供了更多(duō)的氧離子，使鋼液中的Mn被氧化生(shēng)成MnO進入渣中[4]。另外一方面，渣中TFe含量的增加提高(gāo)了反應物 (O) 的濃度，促進了鋼渣界面Mn氧化反應進行。因此，為(wèi)了降低(dī)鋼水(shuǐ)中的錳含量，渣中的TFe含量适當提高(gāo)。綜合考慮爐渣對鋼水(shuǐ)純淨度的影(yǐng)響，實際生(shēng)産中，爐渣TFe含量含量按着18%~20%進行控制(zhì)。
精煉渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制(zhì)
随着RH鋼包渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)的升高(gāo)，渣鋼間(jiān)錳的分配比随之降低(dī)。筆者分析認為(wèi)，當爐渣的氧化性偏低(dī)時(shí)，爐渣鈣鋁比升高(gāo)導緻爐渣的熔點升高(gāo)，影(yǐng)響爐渣向鋼液中傳遞氧以及鋼液中的生(shēng)成MnO向渣中傳遞。
精煉渣堿度控制(zhì)
為(wèi)排除RH鋼包渣鈣鋁比和(hé)渣中TFe含量對錳分配比的影(yǐng)響，隻統計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(yǐng)響
在堿度8.5~10.5時(shí)，随着RH鋼包渣堿度的增加，渣與鋼水(shuǐ)間(jiān)Mn的分配比有(yǒu)降低(dī)的趨勢，這與Ryo INOUE[5]和(hé)Sung-Mo JUNG[6]等人(rén)的研究相一緻。分析認為(wèi)MnO是一個(gè)弱堿性氧化物，随着堿度升高(gāo)，MnO的活度增加，有(yǒu)利于鋼液中錳的回升，使得(de)錳的分配比下降，脫錳率下降。
生(shēng)産實踐與結果
生(shēng)産低(dī)錳工業純鐵，實際鐵水(shuǐ)含量按0.20%以下進行控制(zhì)，轉爐終點溫度按着1620~1630℃進行控制(zhì)，轉爐終點氧活度按着700~900ppm，轉爐終渣堿度按4-5，鋼包渣和(hé)成品成分的控制(zhì)情況如下。
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序号
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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
|
|
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
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RH鋼包頂渣TFe含量控制(zhì)在18~20%，鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制(zhì)在1.5~2.0，可(kě)以确保渣鋼間(jiān)較高(gāo)錳的分配比，成品錳含量可(kě)以控制(zhì)在0.020%以下。
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序号
|
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
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0.006
|
0.002
|
|
3
|
0.0015
|
0.015
|
0.003
|
0.002
|
0.003
|
0.01
|
0.0018
|
|
4
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0.0017
|
0.020
|
0.002
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0.003
|
0.003
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0.003
|
0.0018
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|
5
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0.0015
|
0.013
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0.003
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0.001
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0.002
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0.003
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0.0013
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6
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0.0015
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0.016
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0.003
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0.002
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0.002
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0.003
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0.0012
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通(tōng)過對脫錳原理(lǐ)的分析，以及以實際大(dà)生(shēng)産數據為(wèi)基礎研究Mn 元素在鋼包渣與鋼液間(jiān)的分配規律得(de)出如下結論：
1）采用轉爐+RH工藝生(shēng)産成品Mn≤0.02%的低(dī)錳工業純鐵，一般需要将初始的鐵水(shuǐ)Mn含量控制(zhì)在0.2%以下。
2）适當降低(dī)轉爐終點溫度、提高(gāo)轉爐終點氧活度，可(kě)以提高(gāo)轉爐脫錳率，轉爐終點溫度按着1620-1630℃進行控制(zhì)，轉爐終點氧活度按着700-900ppm，終點爐渣堿度控制(zhì)在4-5。
3）RH結束鋼包渣中的TFe含量對Mn 的分配比有(yǒu)顯著影(yǐng)響，随着渣中TFe含量的增加，渣鋼間(jiān)錳的分配比不斷增加。為(wèi)了降低(dī)鋼液中的錳含量，冶煉低(dī)錳工業純鐵應适當提高(gāo)鋼包渣TFe含量。
4）随着RH爐渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)的升高(gāo)，錳的分配比随之降低(dī)。鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制(zhì)在1.5-2.0較為(wèi)合适。
5）通(tōng)過以上(shàng)措施，可(kě)以實現錳含量≤0.020%的低(dī)錳鋼冶煉。
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