CN103911479A - 90t顶底复吹转炉中铬矿直接还原合金化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种90t顶底复吹转炉中铬矿直接还原合金化的方法。该方法在转炉冶炼时实行如下制度：1）废钢装入方法；2）渣料加入及吹氧方法：采用单炉双渣两步法冶炼工艺；3）底吹方法；4）点吹方法；5）其他：其他方法按常规钢种的相关工艺方法进行；最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为0.45～1.05%，脱磷率为88～92%。本发明将加入铬矿产生的熔池温降与减少废钢加入相匹配，通过单炉双渣两步法冶炼工艺，既保证了脱磷效果，又在单炉中实现了少渣冶炼的直接还原合金化条件，使铬的收得率较高；因此，处理工艺简单，操作方便，成本低廉。

Description

90t顶底复吹转炉中铬矿直接还原合金化的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种90t顶底复吹转炉中铬矿直接还原合金化的方法。

背景技术

铬是耐热钢和不锈钢等材料中最重要的合金元素之一，该元素能显著提高钢材的强度、硬度和耐磨性，以及抗氧化性和耐腐蚀性。在目前条件下，为提高钢中的铬含量，多是在冶炼或精炼过程中加入铬系合金或金属铬进行铬合金化操作。但是，制造铬系合金是一个高耗能、高污染的过程。生产每吨铬铁需消耗电能约3000～5000KW·h，而且在制造过程中还要消耗大量焦炭，排出粉尘和CO₂等对环境有害的物质。采用铬矿熔融还原直接合金化的方法是解决以上问题的一个较好方向，该方法利用铬矿石与铁水中的还原剂（C、Si、Mn等）反应，直接将铬还原而进入铁水或钢水成为合金元素，从而省去制造铬铁合金的生产环节，有利于提高资源利用效率、减少能源消耗和环境压力。

日本在铬矿直接还原方面做了较多的研究和试验工作。20世纪80年代，住友金属进行了转炉中处理5吨铬矿的试验，通过从炉顶直接加入铬矿石，经过120min冶炼，生产出含铬为20～40的不锈钢母液（德田诚，铁与钢，1985，71：144），在此基础上，还开发了利用脱磷铁水冶炼不锈钢母液的方法；日本学者片山裕之也报道了利用回转窑和转炉联合熔融还原铬矿的方法，最后所得粗钢成分中铬含量达到53%；川崎制铁（川崎制铁技报，1996，4）还试验过底部喷粉的方法；日本中央研究所则设计过专用的顶喷氧枪。国内对于铬矿直接还原合金化的研究，目前还停留在理论分析和试验研究阶段，章奉山教授在论文《转炉少渣吹炼铬矿直接还原合金化基础研究》（钢铁，2001，v36（5））中，分析了相关影响因素，得出有利于提高铬矿还原速度的条件为较高碱度、较高温度、熔池强搅拌等，刘岩等则提出了外加还原剂、炉渣高碱度和低氧化性等有利于铬矿直接还原的条件（刘岩，姜茂发，许力贤，刘承军，王德永。铬矿熔融还原不锈钢直接合金化的热力学分析。钢铁研究学报，2006年第11期）。

总结起来，国内外目前对转炉中铬矿直接还原合金化的研究和试验工作有以下几个特点：

1）基本以生产不锈钢母液为目的，仍需进一步冶炼或精炼才能得到合格钢液；

2）从炉顶加入铬矿时，需要压块或预还原的铬矿石，并配加碳粉等还原剂；从顶部或底部喷入铬矿时，除了要预先将矿石磨粉，还需要专门的顶部喷枪或底部喷粉装置，设备要求极为精细，维护难度和成本很高；

3）转炉中大量加入铬矿后，渣系以CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂为主，并含有少量Cr₂O₃，该渣系粘度较大、熔点较高，给转炉冶炼过程控制、终点成分控制都带来极大困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种90t顶底复吹转炉中铬矿直接还原合金化的方法，该方法可以有效保证转炉的脱磷效率，提高铬的收得率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案中转炉冶炼的工艺如下：

1）废钢装入方法：先向转炉内装入废钢，后兑入铁水，所述铁水中的硅含量按重量百分比为0.1～0.5%，磷含量按重量百分比为0.08～0.15%，废钢加入量m的计算公式为：m=[a-(1280-T)*b/10-c*d]*w_铁水/1000，其中a为100～150；T为铁水兑入转炉前的摄氏温度值；b为5.5～6；c为1.6～2；d=1000w_铬矿/w_{铁 水}；m的单位与w_铁水的单位相同；

2）渣料加入及吹氧方法：采用单炉双渣两步法冶炼工艺，首先进行第一步吹炼，即第一次造渣过程，吹炼开始前按20～25kg/t铁水的比例向炉内加入活性石灰及6～8kg/t铁水的比例加入轻烧白云石，即刻开始于1.7米高枪位（正常开吹枪位为1.5米）吹氧，提高炉渣氧化性，以利于脱磷，吹氧开始60～90s后，再加入第二批活性石灰10～15kg/t铁水，降低枪位至1.6米，继续吹氧至330～360s时，停止吹炼，提起氧枪，倒炉，倒出炉中渣料重量的55～70%，第一步吹炼完成；然后摇正炉体开始第二步吹炼，即第二次造渣过程，再次下枪开始吹氧，枪位首先定在1.65米，一次性加入铬矿20～35kg/t铁水，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量≥45%，MgO和FeO的含量分别为10～15%和12～20%，粒径为10～15mm的比例≥90%；同时加入活性石灰5～10kg/t铁水、萤石1～3kg/t铁水，吹氧30～60s后，将氧枪枪位下降至1.6米，在总吹氧时间至700～720s时，再加入活性石灰5～10kg/t铁水，并加入0～2kg/t铁水的萤石强化化渣，吹氧结束前180s，不再加入任何渣料；总吹氧时间为900～930s；吹氧完成后将氧枪提出转炉，最后调整终点温度和成分，将终点钢液的碳含量控制在0.05～0.08%的水平，终点温度控制为1640～1680℃，按正常程序出钢；

3）底吹方法：采用动态底吹法，第一次倒炉倒渣前，底吹强度维持在0.06Nm³/min·t的水平，第一次倒炉倒渣并摇正炉体，开始第二步吹炼，采用强化型底吹模式，底吹强度保持在0.08～0.1Nm³/min·t，后搅拌时间≥1分钟，以提高铬矿熔化及反应的速度；

4）点吹方法：常规吹炼结束后点吹氧气的枪位1.45米，不超过两次，避免钢液过分氧化；

5）其他：其他按常规钢种的相关工艺方法进行；最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为0.45～1.05%，脱磷率为88～92%。

进一步地，所述渣料加入及吹氧方法中，加入铬矿的量为25～30kg/t铁水，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量为45～50%，MgO和FeO的含量分别为12～15%和15～20%，粒径为10～15mm的比例≥90%。

本发明将加入铬矿产生的熔池温降与减少废钢加入相匹配，可保证全程热量基本平衡。倒炉倒渣前，炉内熔池温度较低，炉渣氧化性强，脱磷效果较好，将含磷氧化物较高的炉渣倒掉55～70%，并在下一步吹炼中继续造高碱度炉渣，可保持脱磷效果的稳定性。由于铬矿中含有10～15%的MgO，可有效保护炉衬，在第二步冶炼过程中不需再加入白云石，可节省部分炉料。两次造渣均用于脱磷，总体脱磷率为88～92%。由于只在第二步冶炼即第二次造渣时加入铬矿，在单炉中实现了少渣冶炼的直接还原合金化条件，在同等渣钢分配比的情况下，铬的收得率较高，合适的过程供氧即温度控制，使铬矿还原的动力学条件稳定，同时，冶炼终点钢水碳含量处于0.05～0.08%的较高范围，加上全程底吹作用，钢水氧化性处于稳定的较低范围，利于铬矿被铁水中碳、硅等还原的反应持续向右进行，即提供了较好的热力学条件，因此，无须对铬矿预处理压块或预还原，并且铁水中的碳含量足以还原铬矿中的氧化物，因此无须配加碳粉，同时，渣系以CaO-MgO-FeO-SiO₂为主，含有少量的MgO、Al₂O₃和极少量的Cr₂O₃，对转炉过程控制和终点成分控制的影响非常小；铬矿中伴生的FeO在转炉中反应可部分还原进入钢液，提高铁原料的收得率。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明以武钢某厂90t顶底复吹转炉中铬矿直接还原合金化为例，该转炉通常情况下铁水装入量为80t左右，废钢比为10～15%，以活性石灰为主要造渣料，活性石灰消耗量为40～60kg/t铁水。在铁水进行预处理脱硫的条件下，以该型90t顶底复吹转炉冶炼过程中直接将铬矿还原制备含铬合金钢的方案中实行如下工艺方法：

1）废钢装入方法：先向转炉内装入废钢，后兑入铁水，所述铁水中的硅含量按重量百分比为0.1～0.5%，磷含量按重量百分比为0.08～0.15%，废钢加入量m的计算公式为：m=[a-(1280-T)*b/10-c*d]*w_铁水/1000，其中a为100～150；T为铁水兑入转炉前的摄氏温度值，单位为℃；b为5.5～6；c为1.6～2；d=1000w_铬矿/w_铁水；m的单位与w_铁水的单位相同；即规定铁水兑入转炉前温度为1280℃时加入的废钢量为100～150kg/t铁水，在此基础上，入炉前铁水温度每降低或者升高10℃，废钢加入量则相应降低或者增加5.5～6kg/t铁水；而每加入铬矿1kg/t铁水，则相应的减少废钢加入量为1.6～2kg/t铁水。

2）渣料加入及吹氧方法：采用单炉双渣两步法冶炼工艺，首先进行第一步吹炼，即第一次造渣过程，吹炼开始前按20～25kg/t铁水的比例向炉内加入活性石灰及6～8kg/t铁水的比例加入轻烧白云石，即刻开始于1.7米高枪位（正常开吹枪位为1.5米）吹氧，提高炉渣氧化性，以利于脱磷，吹氧开始60～90s后，再加入第二批活性石灰10～15kg/t铁水，降低枪位至1.6米，继续吹氧至330～360s时，停止吹炼，提起氧枪，倒炉，倒出炉中渣料重量的55～70%，第一步吹炼完成；然后摇正炉体开始第二步吹炼，即第二次造渣过程，再次下枪开始吹氧，枪位首先定在1.65米，一次性加入铬矿20～35kg/t铁水，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量为45～50%，MgO和FeO的含量分别为10～15%和12～20%，粒径为10～15mm的比例≥90%；同时加入活性石灰5～10kg/t铁水、萤石1～3kg/t铁水，吹氧30～60s（即第二次造渣开始的吹氧）后，将氧枪枪位下降至1.6米，总吹氧时间至700～720s（包括第一次造渣的吹氧时间）时，再加入活性石灰5～10kg/t铁水，并加入0～2kg/t铁水的萤石强化化渣，吹氧结束前180s，不再加入任何渣料，总吹氧时间为900～930s（包括第一次造渣的吹氧时间），吹氧完成后将氧枪提出转炉，最后调整终点温度和成分，终点钢液碳含量控制在0.05～0.08%的水平，终点温度控制在1640～1680℃，按正常程序出钢。

3）底吹方法：采用动态底吹法，第一次倒炉倒渣前，底吹强度维持在0.06Nm³/min·t的水平，第一次倒炉倒渣并摇正炉体，开始第二步吹炼，采用强化型底吹模式，底吹强度保持在0.08～0.1Nm³/min·t，后搅拌时间≥1分钟，以提高铬矿熔化及反应的速度。

4）点吹方法：常规吹炼结束后点吹氧气的枪位1.45米，不超过两次，避免钢水过分氧化。

5）其他：其他按常规钢种的相关工艺方法进行。最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为0.45～1.05%，脱磷率为88～92%。

实施例1

本实施例中，各工艺方法的具体数值为：

废钢装入方法中，兑入的铁水按重量百分比硅含量为0.1%，磷含量为0.1%，温度为1260℃，铁水装入量为80t，废钢加入量按[100-(1280-1260)*6/10-2*1600/80]*80/1000=3.84吨，即3840kg。

渣料加入及吹氧方法中，第一次造渣过程，吹炼开始前向炉内加入活性石灰1600kg和轻烧白云石480kg，开始以1.7米枪位吹氧，吹氧开始60s后，再加入第二批活性石灰800kg，同时降低枪位至1.6米，继续吹氧至360s时，停止吹炼，提起氧枪，倒出炉中渣料重量的55%；第二次造渣过程，一次性加入铬矿1600kg，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量为45%，MgO和FeO的含量分别10%和15%，粒径为10～15mm的比例≥90%；同时加入活性石灰400kg、萤石80kg，再次吹氧60s后，将氧枪枪位下降至1.6米，吹氧总时间至720s，再加入活性石灰400kg，此后不再加入任何渣料，总吹氧时间900s结束，吹氧完成后，快速分析钢中碳含量，碳含量为0.05%，终点温度为1640℃，不再进行吹氧操作，按正常程序出钢。

底吹强度保持在0.1Nm³/min·t，后搅拌时间为2分钟。

最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为0.45%，收得率为50%，冶炼结束检测的钢液中磷重量百分比为0.012%，转炉冶炼脱磷率88%。

实施例2

本实施例中，各工艺方法的具体数值为：

废钢装入方法中，兑入的铁水硅含量按重量百分比为0.5%，磷含量为0.15%，温度为1280℃，铁水装入量为78t，废钢加入量按[150-(1280-1280)*5.5/10-1.6*2730/78]*78/1000计算为7332kg。

渣料加入及吹氧方法中，第一次造渣过程，吹炼开始前向炉内加入活性石灰1950kg和轻烧白云石624kg，开始以1.7米枪位吹氧，吹氧开始90s后，再加入第二批活性石灰1170kg，同时降低枪位至1.6米，继续吹氧至360s时，停止吹炼，提起氧枪，倒出炉中渣料重量的70%；第二次造渣过程，一次性加入铬矿2730kg，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量为50%，MgO和FeO的含量分别15%和20%，粒径为10～15mm的比例≥90%；同时加入活性石灰780kg、萤石234kg，再次吹氧40s后，将氧枪枪位下降至1.6米，吹氧总时间至700s，再加入活性石灰780kg，同时加入156kg萤石用于化渣，总吹氧时间930s结束，吹氧完成后，快速分析钢中碳含量，碳含量为0.08%，终点温度为1680℃，不再进行吹氧操作，按正常程序出钢。

底吹强度保持在0.08Nm³/min·t，后搅拌时间为1分钟。

最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为1.05%，收得率为60%，冶炼结束后检测钢液中磷重量百分比为0.012%，转炉冶炼脱磷率92%。

实施例3

本实施例中，各工艺方法的具体数值为：

废钢装入方法中，兑入的铁水硅含量按重量百分比为0.3%，磷含量为0.08%，温度为1300℃，铁水装入量为82t，废钢加入量按[125-(1280-1300)*5.8/10-1.8*2460/82]*82/1000计算为6773.2kg。

渣料加入及吹氧方法中，第一次造渣过程，吹炼开始前向炉内加入活性石灰1800kg和轻烧白云石570kg，开始以1.7米枪位吹氧，吹氧开始80s后，再加入第二批活性石灰985kg，同时降低枪位至1.6米，继续吹氧至345s时，停止吹炼，提起氧枪，倒出炉中渣料重量的60%；第二次造渣过程，一次性加入铬矿2460kg，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量为48%，MgO和FeO的含量分别12%和18%，粒径为10～15mm的比例≥90%；同时加入活性石灰650kg、萤石160kg，再次吹氧30s后，将氧枪枪位下降至1.6米，吹氧总时间至710s，再加入活性石灰550kg，同时加入80kg萤石用于化渣，总吹氧时间910s结束，吹氧完成后，快速分析钢中碳含量，碳含量为0.085%，进行补吹氧操作，补吹枪位为1.45米，时间20秒，终点温度为1660℃，碳含量为0.065%，按正常程序出钢。

底吹强度保持在0.09Nm³/min·t，后搅拌时间为1.5分钟。

最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为0.082%，收得率为57%，冶炼结束后检测钢液中磷重量百分比为0.008%，转炉冶炼脱磷率90%。

实施例4

本实施例中，各工艺方法的具体数值为：

废钢装入方法中，兑入的铁水硅含量按重量百分比为0.15%，磷含量为0.12%，温度为1320℃，铁水装入量为83t，废钢加入量按[110-(1280-1320)*5.6/10-1.9*2075/83]*83/1000计算为7046.7kg。

渣料加入及吹氧方法中，第一次造渣过程，吹炼开始前向炉内加入活性石灰1700kg和轻烧白云石580kg，开始以1.7米枪位吹氧，吹氧开始65s后，再加入第二批活性石灰920kg，同时降低枪位至1.6米，继续吹氧至345s时，停止吹炼，提起氧枪，倒出炉中渣料重量的56%；第二次造渣过程，一次性加入铬矿2075kg，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量为46%，MgO和FeO的含量分别11%和16%，粒径为10～15mm的比例≥90%；同时加入活性石灰510kg、萤石100kg，再次吹氧40s后，将氧枪枪位下降至1.6米，吹氧总时间至705s，再加入活性石灰500kg，总吹氧时间915s结束，吹氧完成后，快速分析钢中碳含量，碳含量为0.055%，测得终点温度为1655℃，不再进行补吹氧操作，按正常程序出钢。

底吹强度保持在0.085Nm³/min·t，后搅拌时间为1.6分钟。

最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为0.061%，收得率为53%，冶炼结束后检测钢液中磷重量百分比为0.013%，转炉冶炼脱磷率89%。

实施例5

本实施例中，各工艺方法的具体数值为：

废钢装入方法中，兑入的铁水硅含量按重量百分比为0.45%，磷含量为0.11%，温度为1260℃，铁水装入量为81t，废钢加入量按[140-(1280-1260)*5.9/10-1.7*2673/81]*81/1000计算为5840.1kg。

渣料加入及吹氧方法中，第一次造渣过程，吹炼开始前向炉内加入活性石灰1950kg和轻烧白云石610kg，开始以1.7米枪位吹氧，吹氧开始85s后，再加入第二批活性石灰1130kg，同时降低枪位至1.6米，继续吹氧至345s时，停止吹炼，提起氧枪，倒出炉中渣料重量的68%；第二次造渣过程，一次性加入铬矿2673kg，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量为47%，MgO和FeO的含量分别14%和18%，粒径为10～15mm的比例≥90%；同时加入活性石灰750kg、萤石150kg，再次吹氧50s后，将氧枪枪位下降至1.6米，吹氧总时间至715s，再加入活性石灰700kg，并同时加入120kg萤石化渣，总吹氧时间920s结束，吹氧完成后，快速分析钢中碳含量，碳含量为0.077%，测得终点温度为1675℃，不再进行补吹氧操作，按正常程序出钢。

底吹强度保持在0.095Nm³/min·t，后搅拌时间为1.8分钟。

最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为0.09%，收得率为58%，冶炼结束后检测钢液中磷重量百分比为0.01%，转炉冶炼脱磷率91%。

Claims (2)

1.一种90t顶底复吹转炉中铬矿直接还原合金化的方法，其特征在于：该方法转炉冶炼的工艺如下：

1）废钢装入方法：先向转炉内装入废钢，后兑入铁水，所述铁水中的硅含量按重量百分比为0.1～0.5%，磷含量按重量百分比为0.08～0.15%，废钢加入量m的计算公式为：m=[a-(1280-T)*b/10-c*d]*w_铁水/1000，其中a为100～150；T为铁水兑入转炉前的摄氏温度值；b为5.5～6；c为1.6～2；d=1000w_铬矿/w_铁水；m的单位与w_铁水的单位相同；

2）渣料加入及吹氧方法：采用单炉双渣两步法冶炼工艺，首先进行第一步吹炼，即第一次造渣过程，吹炼开始前按20～25kg/t铁水的比例向炉内加入活性石灰及6～8kg/t铁水的比例加入轻烧白云石，即刻开始于1.7米高枪位吹氧，提高炉渣氧化性，以利于脱磷，吹氧开始60～90s后，再加入第二批活性石灰10～15kg/t铁水，降低枪位至1.6米，继续吹氧至330～360s时，停止吹炼，提起氧枪，倒炉，倒出炉中渣料重量的55～70%，第一步吹炼完成；然后摇正炉体开始第二步吹炼，即第二次造渣过程，再次下枪开始吹氧，枪位首先定在1.65米，一次性加入铬矿20～35kg/t铁水，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量≥45%，MgO和FeO的含量分别为10～15%和12～20%，粒径为10～15mm的比例≥90%；同时加入活性石灰5～10kg/t铁水、萤石1～3kg/t铁水，吹氧30～60s后，将氧枪枪位下降至1.6米，在总吹氧时间至700～720s时，再加入活性石灰5～10kg/t铁水，并加入0～2kg/t铁水的萤石强化化渣，吹氧结束前180s，不再加入任何渣料；总吹氧时间为900～930s；吹氧完成后将氧枪提出转炉，最后调整终点温度和成分，将终点钢液的碳含量控制在0.05～0.08%的水平，终点温度控制为1640～1680℃，按正常程序出钢；

3）底吹方法：采用动态底吹法，第一次倒炉倒渣前，底吹强度维持在0.06Nm³/min·t的水平，第一次倒炉倒渣并摇正炉体，开始第二步吹炼，采用强化型底吹模式，底吹强度保持在0.08～0.1Nm³/min·t，后搅拌时间≥1分钟，以提高铬矿熔化及反应的速度；

4）点吹方法：常规吹炼结束后点吹氧气的枪位1.45米，不超过两次，避免钢液过分氧化；

5）其他：其他按常规钢种的相关工艺方法进行；最后得到的低合金钢液中金属铬的含量为0.45～1.05%，脱磷率为88～92%。

2.根据权利要求1所述的90t顶底复吹转炉中铬矿直接还原合金化的方法，其特征在于：所述渣料加入及吹氧方法中，加入铬矿的量为25～30kg/t铁水，所述铬矿中按重量百分比Cr₂O₃含量为45～50%，MgO和FeO的含量分别为12～15%和15～20%，粒径为10～15mm的比例≥90%。