CN102965467B - 一种电弧炉脱磷冶炼工艺 - Google Patents

Abstract

一种电弧炉低成本高效脱磷冶炼工艺，属于电弧炉冶炼领域，本发明通过在电弧炉装料阶段进行合理的配料工艺，将传统电弧炉冶炼工艺中辅料加入时间提前至配料阶段，通过合理布置电弧炉内冷态原辅料分布结构，解决冷态原辅料熔化过程中脱磷氧位、碱度、温度理论需求矛盾问题，实现电弧炉冶炼脱磷过程贯穿于熔化起始至终了的全过程，从而达到高效脱磷的目的。优点在于，解决电弧炉传统冶炼工艺脱磷难的问题；可实现冷料熔清时即基本达到脱磷要求，脱磷率能达到75%~90%，倒渣后回磷率小于5%，终点磷可达到0.01%以下。

Description

一种电弧炉脱磷冶炼工艺

技术领域

本发明属于电弧炉冶炼技术领域，特别涉及一种电弧炉脱磷冶炼工艺，低成本高效。

背景技术

磷元素是绝大部分钢中的有害元素，由于容易在晶界偏析，造成钢材“冷脆”，显著降低钢材的低温冲击韧性、焊接性能与冷弯性能等，因此成为钢中主要去除元素之一。磷元素的去除方法主要有还原脱磷、铁水预脱磷及冶炼过程脱磷。由于工序成本及原料技术条件的限制，使得磷元素仍主要依靠冶炼过程去除。

目前关于转炉冶炼的高效去磷工艺研究已经成熟。对于电弧炉传统冶炼工艺，由于炉膛内脱磷热力学及动力学条件较差，成为制约其高效脱磷的瓶颈。由于电弧炉冶炼工艺脱磷难的问题，国内外电弧炉炼钢厂普遍采用配加脱磷铁水或低磷合金工艺，造成工序冶炼成本大幅上升。受市场因素驱动，各钢厂均遵循低成本冶炼模式，电弧炉精料冶炼原则受到极大冲击，电弧炉冶炼工艺面临各种低成本炉料结构挑战，尤其以低价高硅高磷原料为主。

相关电弧炉脱磷工艺专利报道，往往是在熔炼前中期加入价格高昂的特制脱磷剂，以期通过提高渣中磷容量强化其脱磷效果。

现有技术一种电弧炉深脱磷工艺及其深脱磷剂，授权公告号：CN101892352B。其特征在于，在加完废钢后至废钢完全熔化前分次加入石灰和深脱磷剂，强化脱磷效果。其深脱磷剂为石灰（25%～40%）、氧化铁粉（60%～75%）按照重量百分比组成，经破碎混匀后，在1200℃～1550℃高温下预熔，冷却后加工成3～50mm颗粒。该工艺虽然考虑在熔炼中后期加入特制的高氧化铁物质进行脱磷，但对于供氧及搅拌均较弱的电弧炉冶炼工艺，在面临高硅高磷熔池时无法实现高效冶炼，而且特制的脱磷剂会造成冶炼成本大幅上升。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电弧炉脱磷冶炼工艺，结合电弧炉供氧能力，根据冶炼炉料中各元素氧化量，计算固体氧化剂、石灰等辅料需求，然后合理配置原辅料料层结构，固化电弧炉在该冶炼模式下相关参数，最终达到其低成本高效脱磷的目的。

本发明通过在电弧炉装料阶段进行合理的配料工艺，将传统电弧炉冶炼工艺中辅料加入时间提前至配料阶段，通过合理布置电弧炉内冷态原辅料分布结构，解决冷态原辅料熔化过程中脱磷氧位、碱度、温度理论需求矛盾问题，实现电弧炉冶炼脱磷过程贯穿于熔化起始至终了的全过程，从而达到高效脱磷的目的。

钢中磷的分配比取决于脱磷剂的性质、氧位和温度三要素，而脱磷剂主要由固定剂、熔剂和氧化剂组成。电弧炉内动力学条件较弱、氧势低，因此炉内元素化学反应将主要以间接氧化反应进行，根据钢液各元素氧化顺序可知，在1400～1550℃范围内，各元素间接氧化强弱顺序理论上为：Si→C→Cr→Mn→Fe→P。由于电弧炉炉型及结构设计限制，炉内钢-渣搅拌较弱，各元素（C、Si、Mn、P等）在钢-渣界面传质速度将成为影响其反应效率的限制性环节。

冶炼过程要实现高效脱磷必须同时具备两个条件：营造磷元素被氧化的良好热力学及动力学氛围。要实现电弧炉冶炼过程低成本高效脱磷，必须将有效脱磷阶段延长并提前，同时要克服炉内活泼元素对脱磷的影响及炉内搅拌的问题。

本发明的原理是基于炼钢脱磷热力学、动力学需求与电弧炉冶炼过程中供氧流量低、熔池搅拌能力差的矛盾特点，将传统电弧炉冶炼工艺辅料加入时间提前至配料阶段，通过合理布置电弧炉内冷态原辅料分布结构，解决冷态原辅料熔化过程中脱磷氧位、碱度、温度理论需求矛盾问题，实现电弧炉冶炼脱磷过程贯穿于熔化起始至终了的全过程，从而达到高效脱磷的目的。布料结构采用原料-辅料交叉多层次布置，以冶炼高硅高磷镍铁母合金为例，电弧炉炉膛内原辅料自底部到顶部的多层次布料结构分布情况依次为：第一层为冷态金属料，中间层为以镍铁，石灰，铁皮球为介质单元的数层复合层结构，顶层为少量轻薄废钢，如图1、图2所示。

冷态辅料量将根据原料中各元素（C、Si、Mn、P、S、Cr等）含量变化适时地进行计算，实行按需配入原则。冷态布料中辅料必备品为固体氧化剂（如氧化铁皮）、石灰，根据需要可合理搭配其他辅料，如轻烧白云石、生石灰、白镁球等，在冶炼中后期视炉内情况，通过料仓补加适量石灰、萤石等调渣料。

固体氧化剂（如氧化铁皮）需求量将根据固体氧化剂中含氧比例及冷态金属原料中硅、铬等活泼元素按预定比例氧化所需氧量进行计算。

石灰需求量将根据期望碱度值与冷态原料中硅含量、石灰有效活度等参数共同决定。

本发明冶炼炉料主成分适用范围为，C：0%～10%，Si：0%～8%，Mn：0～5%，P：0.01%～0.50%，Cr：0%～8%，Ni：0%～40%，S：0%～0.2%，余量为Fe。工艺步骤及控制的技术参数如下：

1、固体氧化剂计算：假定电弧炉合金装入量为X（30～300t），根据配比原料中C、Si、Mn、Cr等平均初始含量及出钢成分，计算整炉原料的氧耗需求，结合炉门枪供氧量折算固体氧化剂需求量记为Y，同时结合冶炼过程碱度设定值R（1.0～3.0），换算出石灰需求量记为Z。

Y固体氧化剂=[(32a/12+32b/24+16c/54.9+48d/104+16e/56)×1000X-f]/g；

参数说明：

X：合金装入量，t；

Y：固体氧化剂量，kg；

a：碳元素氧化量，%；

b：硅元素氧化量，%；

c：锰元素氧化量，%；

d：铬元素氧化量，%；

e：铁元素氧化量，%；

f：有效供氧量，kg；

g：固体氧化剂中氧元素含量，%。

2、配料结构：冶炼前在料篮逐层布料，以原料-辅料交叉多层次布置，料层为2～10层。原料中各物质占比为：渣钢0～20%，不锈废钢0%～30%，铬铁0%～10%，余量为镍铁。辅料中各物质配入量为固体氧化剂50～400kg/t钢，石灰20～120kg/t钢、轻烧白云石0～20kg/t钢、生石灰0～10kg/t钢、白镁球0～10kg/t钢。

3、熔化阶段：按照传统冶炼工艺吹氧、供电，待炉内原料完全熔化前2～3min，取钢样检测Si、P等元素。视炉内渣面流动性情况，可加萤石0.5～4kg/t钢，然后倾炉放渣，将炉内渣放掉50%～80%。

4、调温出钢阶段：视炉内情况，若熔池中磷元素达到0.01%以下，可根据钢种要求选择直接升温出钢或加入石灰0～5kg/t金属，将熔池中磷元素脱至更低水平。

该工艺方法，可实现冷料熔清时即基本达到脱磷要求，脱磷率能达到75%～90%，倒渣后回磷率小于5%，终点磷可达到0.01%以下。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）可有效克服电弧炉因搅拌弱、熔池氧位低导致脱磷效率低的问题。本发明对原料适应性较强，可实现电弧炉原料结构灵活多样化，对调整原料结构成本具有较大的参考价值。

2）相比电弧炉配脱磷铁水工艺，本发明可简化工艺流程，增强工序匹配能力，降低工序成本。

3）较电弧炉传统冶炼脱磷工艺，本发明可有效缩短电弧炉冶炼周期，提高脱磷率。

附图说明

图1为一种（类型1）原辅料结构布料示意图。

图2为一种（类型2）原辅料结构布料示意图。

具体实施方式

实施例1：

以内有5支炉壁氧枪的100吨超高功率电弧炉为例：

（1）、将60吨镍铁、15吨废钢、15吨氧化铁皮球、7吨石灰在料篮中分别按照层次顺序先后装入：①10吨镍铁，②5吨氧化铁皮球，2吨石灰，③20吨镍铁，④5吨氧化铁皮球，3吨石灰，⑤30吨镍铁，⑥5吨氧化铁皮球，2吨石灰，⑦15吨废钢。

（2）、待料篮中原料装入电弧炉后，通电冶炼，炉壁枪全开。待出现熔池后炉门枪吹氧，供氧强度控制在1.5Nm³/min.t钢，待炉内渣面基本无固体合金后，取钢样检测成分，视炉内渣液面流动性，加入200kg萤石。

（3）、倾斜炉体，将炉内渣液放掉60～70%。根据钢样检测结果，磷元素合格后直接降电极通电，将钢水升温至1650℃出钢。

表1元素对照表

工序	[C]	[Si]	[P]	[Cr]
					初始配料成分	2.26%	2.82%	0.065%	1.56%
熔清后取样	1.05%	0.09%	0.008%	0.32%
					元素氧化率	53.40%	96.80%	87.70%	79.50%

实施例2：

以内有3支炉壁氧枪的60吨超高功率电弧炉为例：

（1）、将35吨镍铁、3吨不锈废钢、8吨氧化铁皮球、4吨石灰在料篮中分别按照层次顺序先后装入：①2吨氧化铁皮球，1吨石灰，②15吨镍铁，③4吨氧化铁皮球，2吨石灰，④20吨镍铁，⑤2吨氧化铁皮球，1吨石灰，⑥3吨废钢。

（2）、待料篮中原料装入电弧炉后，通电冶炼，炉壁枪全开。待出现熔池后炉门枪吹氧，供氧强度为1.2Nm³/min.t钢，炉门枪供氧量达到约1000Nm³停止吹氧。待炉内固体合金完全熔化2～3min前，用专业取样器取钢水样检测成分，视炉内渣液面流动性，若渣层流动性较差，通过高位料仓加入100kg～200kg萤石。

（3）、倾斜炉体，将炉内渣液放掉50%～60%。根据钢样检测结果，磷元素降至0.012%，通过料仓加入1000kg石灰，200kg白镁球，吹氧、通电，待渣料完全溶化约10min后取钢样检测，磷元素降至0.005%。然后调整熔池温度至1630℃出钢。

表2元素对照表

工序	[C]	[Si]	[P]	[Cr]
					初始配料成分	3.21%	3.32%	0.063%	6.23%
熔清后取样	1.23%	0.15%	0.012%	1.58%
					出钢前成分	0.45%	0.05%	0.005%	0.75%
元素氧化率	86.00%	98.50%	92.10%	74.60%

最后说明的是，以上实施例仅以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行参数范围内的修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种电弧炉脱磷冶炼工艺，冶炼炉料主成分适用范围为，C：0%～10%，Si：0%～8%，Mn：0～5%，P：0.01%～0.50%，Cr：0%～8%，Ni：0%～40%，S：0%～0.2%，余量为Fe；其特征在于，工艺步骤及控制的技术参数为：

（1）固体氧化剂计算：电弧炉合金装入量为X:30～300t，根据配比原料中C、Si、Mn、Cr平均初始含量及出钢成分，计算整炉原料的氧耗需求，结合炉门枪供氧量折算固体氧化剂需求量记为Y，同时结合冶炼过程碱度设定值R:1.0～3.0，换算出石灰需求量记为Z。

Y固体氧化剂=[(32a/12+32b/24+16c/54.9+48d/104+16e/56)×1000X-f]/g；

其中：

X：合金装入量，t；

Y：固体氧化剂量，kg；

a：碳元素氧化量，%；

b：硅元素氧化量，%；

c：锰元素氧化量，%；

d：铬元素氧化量，%；

e：铁元素氧化量，%；

f：有效供氧量，kg；

g：固体氧化剂中氧元素含量，%。

（2）配料结构：冶炼前在料篮逐层布料，以原料-辅料交叉多层次布置，电弧炉炉膛内原辅料自底部到顶部的多层次布料结构分布情况依次为：第一层为冷态金属料，中间层为以镍铁，石灰，铁皮球为介质单元的数层复合层结构，顶层为少量轻薄废钢；料层为2～10层；原料中各物质占比为：渣钢0～20%，不锈废钢0%～30%，铬铁0%～10%，余量为镍铁；

辅料中各物质配入量为固体氧化剂50～400kg/t钢，石灰20～120kg/t钢、轻烧白云石0～20kg/t钢、生石灰0～10kg/t钢、白镁球0～10kg/t钢；

（3）熔化阶段：按照传统冶炼工艺吹氧、供电，待炉内原料完全熔化前2～3min，取钢样检测Si、P元素；视炉内渣面流动性情况，加萤石0.5～4kg/t钢，然后倾炉放渣，将炉内渣放掉50%～80%；

（4）调温出钢阶段：视炉内情况，当熔池中磷元素达到0.01%以下，可根据钢种要求选择直接升温出钢或加入石灰0～5kg/t，将熔池中磷元素脱至更低水平。

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