CN103993131B - 一种在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法，其特征在于，其步骤为：1)为电炉冶炼不锈钢配料，控制C元素占原料总量的质量百分比为1.5～3.0%，Si元素占原料总量的质量百分比为0.6～0.9%；2)通电并进行吹氧操作以熔化配制好的原料，加入造渣料造炉渣；3)在金属熔池初步形成且液态炉渣形成后，分两批加入发泡球令炉渣发泡，两批发泡球加入的时间间隔为3～5min，每批发泡球的加入量为2.5～4kg每吨钢，所述发泡球的有效组分为氧化铁、碳粉和石灰石；在发泡球加入后的炉渣发泡过程保持吹氧操作；4)采用硅粉或硅铁还原炉渣内的Cr₂O₃并停止吹氧；5)冶炼结束。本发明能保护炉衬，提高电弧热效率。

Description

一种在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法

技术领域

本发明涉及一种合金钢冶炼方法，尤其涉及一种合金钢电炉冶炼方法。

背景技术

电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣可以更好地保护电弧，从而进一步促进钢液和炉渣吸收电弧能量，同时也避免电弧能量向炉壁辐射损坏炉衬。在低合金钢冶炼及碳钢冶炼过程中，造泡沫渣技术被广泛应用。然而，在不锈钢冶炼过程中，要造出良好的泡沫渣难度非常大，原因在于不锈钢电炉冶炼过程中吹氧主要会生成氧化铬而非氧化铁，氧化铬的存在不仅会有恶化炉渣流动性的风险，并且氧化铬与钢液中碳反应的速率大大低于氧化铁与钢液中碳的反应速率，这样导致推动炉渣发泡的气体非常少。为了在不锈钢冶炼过程造出良好的泡沫渣，以下三个国内外的专利文献提出了相应的解决方法。

公开号为CN102162020A，公开日为2011年8月24日，名称为“一种电炉冶炼不锈钢用发泡剂及其使用方法”的中国专利文献，提供了一种在不锈钢冶炼过程炉渣形成后加入氧化铁球造泡沫渣的方法，该发泡剂为氧化铁球，氧化铁球的各组分质量百分比为：FeO80～95%；S0.01～0.03%；P0.035～0.045%；Ni2～8%；Cr₂O₃l.8～10%；水分1～2%；相应地，该发明还提供了该发泡剂的使用方法，该方法通过在添加发泡剂、吹氧和喷碳粉步骤相结合，使得在电炉冶炼不锈钢过程中生成的炉渣中铬氧化物含量大大降低。其基本原理是利用加入的氧化铁与钢液中碳反应来推动炉渣发泡，同时氧化铁本身具有改善炉渣流动性的功能。然而，在氧化铁与钢液接触过程中，不仅会生成CO气体，而且氧化铁还会与钢液中的铬发生反应，如果氧化铁球加入时钢液温度过低，则添加氧化铁与钢液中铬反应的能力就越强，导致生成大量氧化铬杂质进入炉渣并给炉渣流动性能的带来恶化风险，与此同时由于铬被氧化铁严重氧化，钢中铬的收得率也会降低。

公开号为US6228137B1，公开日为2001年5月8日，名称为“基于冶炼不锈钢熔化电炉的泡沫渣的制造方法”的美国专利文献，其公开了一种电炉冶炼不锈钢泡沫造渣方法，即在喷吹碳粉的同时喷吹金属氧化物，金属氧化物可与碳直接反应产生CO气体。但是采取这种方法需要控制喷吹的难度很大，且产生的CO气体不易穿越渣层造出良好的泡沫渣。

公开号为WO2008095575A1，公开日为2008年8月14日，名称为“一种在电弧炉中减少高铬含量渣的方法”的国际专利文献，其涉及一种在电炉冶炼高铬含量不锈钢过程针对高含量氧化铬渣造泡沫渣的方法，通过向电炉内加入由铁粉，碳（或碳加硅粉），粘接剂组成的球团，其中铁粉为加重剂以保证球团沉淀到钢渣界面之间，球团在熔化过程中，还原剂碳或硅粉被释放出后与渣中的氧化物反应，既还原了渣中的氧化物，又能释放气体造出良好的泡沫渣。但是使用铁粉作原料的球团成本较高，且加入熔池后所含有的碳会进入钢液，并不能保证其全部都与渣中的氧化物反应生成CO气体来制造泡沫渣。另外，该专利文献所涉及的技术方案在使用过程中需要增加新设备来满足连续加料的需求，这无疑增加了该技术方案实际应用的成本费用和操作复杂性。

因此，相关企业希望能在不增加新设备的前提下，获得一种在电炉冶炼不锈钢过程中可长时间造出良好泡沫渣的方法以保护电炉炉衬并提高电弧热效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法，其通过控制加入电炉中原料的硅和碳含量，并在金属熔池初步形成和液态炉渣形成后分两批加入有效成分为氧化铁、碳粉和石灰石的发泡球，结合吹氧操作工艺以造出良好的泡沫渣，从而起到保护炉衬和提高电弧热效率的作用，降低电炉用电能耗、缩短不锈钢冶炼时间，进而延长冶炼电炉的有效使用寿命。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法，其包括下列步骤：

（1）为电炉冶炼不锈钢配料，控制C元素占原料总量的质量百分比为1.5～3.0%，Si元素占原料总量的质量百分比为0.6～0.9%；

（2）通电并进行吹氧操作以熔化配制好的原料，加入造渣料造炉渣；

（3）在金属熔池初步形成且液态炉渣形成后，分两批加入发泡球令炉渣发泡，两批发泡球加入的时间间隔为3～5min，每批发泡球的加入量为2.5～4kg/每吨钢，所述发泡球的有效组分为氧化铁、碳粉和石灰石；在发泡球加入后的炉渣发泡过程保持吹氧操作；

（4）采用硅粉或硅铁还原炉渣内的Cr₂O₃并停止吹氧；

（5）冶炼结束。

就上述步骤（1）而言，在电炉冶炼不锈钢过程中钢液的碳含量对造泡沫渣的影响较大，主要体现在三个方面：第一，钢液碳含量影响着吹氧过程所造成的铬的氧化量，从而影响到炉渣中Cr₂O₃的含量；第二，钢液中的碳存在与炉渣中Cr₂O₃发生化学反应的可能性，而化学反应生成的CO气体可以推动炉渣发泡；第三，钢中碳含量还影响着固体料熔清前钢液的温度。通过热力学计算表明，只有碳含量高于1.5%时，在固体料未熔清前才存在钢中碳与炉渣Cr₂O₃反应的可能性，此反应释放的CO气体将很好地推动炉渣发泡，并且当碳含量高于1.5%时，才能确保吹氧过程中不造成钢中铬的过度氧化。由于原料配碳含量过高会导致冶炼过程反应过分强烈而形成大沸腾，同时还会导致后续AOD工艺的脱碳任务过重，因此，本发明所述的方法要求原料中的碳含量小于3.0%。另外，控制原料中一定硅含量可以确保铬在吹氧过程中不被氧化，但是原料中过多的硅含量会带来泡沫渣量太大的问题，所以将硅元素的质量百分比含量控制在0.6～0.9%的范围。

步骤（2）中的通电并进行吹氧操作以熔化原料采用了现有的常规工艺，故本发明不再对具体的工艺参数进行介绍。

就上述步骤（3）而言，本发明所述的在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法是在不新添设备的情况下，采用从料仓直接分两批加入发泡球令炉渣发泡。如果采用一次性加入发泡球的方法，容易导致炉渣发泡时间较短；如果采用两批以上次数加入发泡球，则要在冶炼步骤（4）中再加入发泡球，而发泡球中含有一定量的氧化铁，其则容易导致最终炉渣的氧化性过大，从而对回收渣内的铬产生影响。因此，本发明的技术方案采用的是分两批加入发泡球。对于每批发泡球的加入量，如果加入量过大，容易导致炉渣过氧化严重及钢渣之间反应过于强烈，如果加入量过小，容易导致炉渣发泡效果达不到预期，因而将每批发泡球的加入量设定为2.5～4kg/每吨钢。所添加入发泡球的有效组分为氧化铁、碳粉以及石灰石。其中，该发泡球主要是依靠氧化铁与碳粉的反应生成CO或CO₂气体来推动炉渣发泡；氧化铁溶解到炉渣中可以降低炉渣的粘度，从而起到改善炉渣发泡性能的作用；石灰石通过其分解气体来发泡炉渣，由于石灰石分解速度较为缓慢，其可以起到长时间维持炉渣发泡效果的作用。为了确保炼钢的生产效率和效能，从整个冶炼节奏控制方面考虑，将两批发泡球加入的时间间隔控制为3～5min。此外，发泡球加入后的炉渣发泡过程仍然保持吹氧操作，原因在于吹氧过程不仅能产生一定量的气体促进炉渣发泡，而且还能通过吹氧操作搅拌熔池来加快钢渣反应速度，钢渣反应所生成的CO气体又进一步地推动炉渣发泡的能力。

进一步地，在上述步骤（3）中，第一批发泡球加入后进行喷碳，喷碳时间为2～5min。

由于一般的电炉冶炼从第一批发泡球加入到还原开始的时间约为10～15min。在第一批发泡球加入后，仍需要从电炉门进行喷碳2～5min。由于喷碳粉本身也可以造泡沫渣，只是这样的炉渣主要集中在炉门侧发泡，而发泡球加入后炉渣发泡区域在远离炉门侧的位置，喷碳操作与加入发泡球操作并不冲突，通过喷碳+加入发泡球的操作，可以在整个渣面造泡沫渣，更好地保护电弧和炉衬以提高电弧的热效率。

进一步地，本发明所述的在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法，在第二批发泡球加入后5～10min进行上述步骤（4）。在第二批发泡球加入后，需要给发泡球与炉渣充分反应的时间，令炉渣发泡最终能形成理想的泡沫渣。

进一步地，在上述步骤（3）中，发泡球中氧化铁的质量百分含量为60～70%，碳粉的质量百分含量为6～10%，石灰石的质量百分含量为3～7%。

在本发明的发泡球中的氧化铁的质量百分含量控制在60～70%，主要是从发泡球密度以及用于改善炉渣流动性能来考虑的。当氧化铁含量过低时，则将导致发泡球密度过低，当氧化铁含量过高时，则会压缩发泡球中其他组分的含量。将碳粉的质量百分含量控制在6～10%，则是主要考虑到发泡球制作过程还涉及到发泡球强度。如果碳粉含量大于10%，由于碳粉与粘接剂不浸润，则会导致所制作的发泡球强度不够，从高位料仓加入时易发生摔碎的可能性；如果碳粉含量小于6%，则可能在使用中产生所产生的气体量不够，影响到炉渣发泡效果。同时，要求将发泡球中石灰石含量控制在3～7%的范围之间的原因在于：石灰石组分随着发泡球加入后分解速度较为缓慢，且石灰石组分会影响到炉渣的流动性，故石灰石在发泡球中的含量不能高于7%，否则炉渣流动性将大幅度地受到影响，但是若其含量低于3%，则炉渣发泡效果极不明显。

进一步地，在上述步骤（3）中，控制发泡球的最大直径为5～10cm，最小直径大于3cm。本发明的技术方案对发泡球尺寸的提出要求是为了方便发泡球的制作及在电炉冶炼不锈钢过程中顺利地直接从料仓中进行添加。

进一步地，在上述步骤（3）中，发泡球的密度为2.8～3.2g/cm³。对发泡球的密度提出要求，原因是如果发泡球密度过小，则会浮在渣面上不易下沉，其产生的气体也很难推动炉渣发泡；如果发泡球密度过大，则容易全面与钢水进行接触，导致发泡球分解熔化太快，使其在瞬间产生过大的气体量，从而不仅导致熔池内大沸腾而影响冶炼过程，还大大地降低炉渣发泡的持续时间。所以需要将发泡球的密度控制为：2.8g/cm³～3.2g/cm³。

进一步地，在本发明所述的在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法中，控制吹氧操作所消耗的氧气为7～9Nm³/每吨钢。

在本发明的技术方案中，氧气消耗量过大，容易造成炉渣内含有过多的Cr₂O₃，而导致炉渣粘稠度较高，这会影响到炉渣的发泡性能。在本发明的碳含量要求前提下，当氧气消耗控制小于等于9Nm³/t时，可以保证其炉渣中的Cr₂O₃含量小于12%，不过当氧气消耗控制过低时，即小于7Nm³/t时，也会降低吹氧操作对炉渣的搅拌作用从而影响到炉渣发泡效果，甚至吹氧造作所形成的化学能供应也会减少，影响到电耗使用，最终导致电耗过大。

进一步地，在本发明所述的在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法中，控制炉渣碱度为1.3～1.7。将最终炉渣的碱度控制在1.3-1.7的范围，原因在于：炉渣碱度过高，使炉渣发泡性能变差；炉渣碱度过低，不利于对炉渣中Cr₂O₃中铬的回收。

更近一步地，在本发明所述的在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法中，控制炉渣中MgO的质量百分含量为8～14%。考虑到对炉衬的保护且要满足炉渣具有很好的发泡性能，炉渣中MgO含量若低于8%，则炉渣侵蚀炉衬的能力增加，炉渣中MgO含量若高于14%，则炉渣容易变粘稠，不利于炉渣发泡，因此将炉渣中MgO的质量百分含量要求控制在8～14%范围之间。

由于本发明的技术方案对电炉冶炼不锈钢整个过程不产生任何负面影响，同时炉渣发泡效果良好，还加快了钢渣间还原炉渣中Fe₂O₃和Cr₂O₃的反应速率；即使加入的发泡球中含有的氧化体组分会一定程度上提高炉渣的氧化性，但是最终炉渣中Cr₂O₃的含量仍可保持在2～6%的水平，并且氧化铁的含量小于1%，这表明了发泡球中所包含的铁元素基本被回收。

相较于现有技术而言，本专利所述的在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法不要求加入铁粉或氧化铁球，不含有会恶化炉渣性能及污染钢液的除尘灰等返回资源，其通过发泡球内含有的碳粉和氧化铁的反应生成气体来促进炉渣发泡，炉渣发泡高度平均可达10cm以上，发泡时间大于15min，其所具备的优点如下：

1）可直接从料仓加入，无需额外增加新设备；

2）发泡球制作简单，节约发泡球成本费用；

3）保护炉衬和提高电弧的热效率；

4）降低电炉电耗，缩短冶炼时间，提高炉龄寿命；

5）在大规模生产应用中操作简单，对冶炼生产无负面影响。

具体实施方式

下面将根据具体实施例和说明书对本发明的技术方案做进一步说明，但是该说明并不构成对于本发明所述技术方案的不当限定。

实施例1-6

实施例1、2采用的是全废钢模式冶炼304不锈钢母液，实施例3、4采用的是全废钢模式冶炼430不锈钢母液，而实施例5、6采用的是废钢+铁水模式冶炼430不锈钢母液。

按下述步骤将本发明所述的技术方案应用在上述实施例的炼钢过程中：

（1）为电炉冶炼不锈钢配制124吨的原料，控制C元素占原料总量的质量百分比为1.5～3.0%，Si元素占原料总量的质量百分比为0.6～0.9%，原料中还包括所需一定含量的Cr，Ni及P等合金元素，具体配料参数见表1；

（2）将所配制的原料分两批次加入到电炉中，原料加入后，开始通电，通电平均有功功率45～50MW，第一批加入料通电6～8min后开始吹氧操作，吹氧流量2000～2500Nm³/h，第二批加入料通电1～3min后开始吹氧操作，吹氧流量2000～2500Nm³/h，第一批加入料通电5min后加入石灰2.0～2.7吨，白云石1～1.2吨，第二批加入料通电1min加入石灰1.6～2.5吨，白云石0.8～0.9吨，步骤（2）中的具体工艺参数见表2；

（3）在最后一批造渣料（石灰+白云石）加入后的1～3min，当金属熔池基本形成且液态炉渣形成后，分两批加入发泡球令炉渣发泡，发泡球最大直径为5～10cm，最小直径＞3cm，发泡球的有效组分为氧化铁、碳粉和石灰石，其中，氧化铁的质量百分含量为60～70%，碳粉的质量百分含量为6～10%，石灰石的质量百分含量为3～7%，余量为粘接剂组分和其他不可避免的杂质，发泡球密度为2.8～3.2g/cm³，第一批加入发泡球300～400kg，在第一批发泡球加入完的3～4min后，第二批加入同样的发泡球300～400kg，以保证每批发泡球的加入量满足2.5～4kg/每吨钢的要求，在第一批发泡球加入完的1min后，在电炉炉门处喷吹碳粉，喷碳粉流量50kg/min，喷碳时间2～5min并保持吹氧操作，步骤（3）中的具体工艺参数见表3；

（4）在第二批发泡球加入完的5～10min后，开始喷入硅粉还原炉渣内的Cr₂O₃，硅粉总喷入量200～400kg，喷吹时间2～4min，开始喷吹硅粉时停止吹氧操作，改为吹氮操作并搅拌熔池，喷吹氮气流量为1500Nm³/h，步骤（4）中的具体工艺参数见表4；

（5）当钢水温度至1600℃以上时，停止供电和吹氮操作，冶炼结束并出钢，出钢量为120吨，出钢温度如表4所示。

在上述步骤中涉及吹氧操作时，控制其消耗的氧气为7～9Nm³/每吨钢，冶炼结束后的炉渣碱度为1.3～1.7且炉渣中的MgO的质量百分含量为8～14%，具体参数如表5所示。

需要说明的是，上述实施例中的吨钢值均表示出钢量，例如7～9Nm³/每吨钢是指，对应一吨的出钢量氧气消耗为7～9Nm³。

表1实施例1-3的具体配料物质和化学元素的质量百分配比

表2显示了实施例1-6中步骤（2）的具体工艺参数。

表2

表3显示了实施例1-6中步骤（3）的具体工艺参数。

表3

表4显示了实施例1-6中步骤（4）和（5）的具体工艺参数。

表4

表5显示了冶炼结束后的造渣参数及整个冶炼过程耗电耗氧用量参数。

表5

由表5可知，实施例1-6的用于发泡操作的用电消耗量为350～460kWh/(t钢)，从开始通电到结束通电的冶炼时间为45～80min，而实施例1-6的常规操作中的用电消耗量为360～480kWh/t钢，通电开始到通电结束的冶炼时间为48～82min，表明在使用本发明的技术方案后，电耗使用量有所降低，同时缩短了不锈钢的冶炼时间。

整个冶炼过程炉渣发泡平均高度为11～13cm，发泡持续时间为15～17min，氧气消耗量为7.5～9Nm³/（t钢），最终炉渣碱度，即CaO/SiO₂的比例为1.4～1.7，炉渣中的MgO的质量百分含量10～13%，而炉渣中的Cr₂O₃含量仅为3～5.2%，在电炉壁内有明显的挂渣，其可以进一步保护炉衬，同时炉渣沸腾产生喷溅炉渣可挂在炉壁上也起到保护炉衬的作用，实现提高电炉使用寿命的目的。

此外，在步骤（4）中，停止吹氧操作后，继续喷吹氮气或氩气并搅拌熔池的主要是为了通过搅拌来改善钢渣反应动力学条件。由于步骤（4）为还原阶段，钢液的温度已经升高，在此阶段还会发生钢渣发生反应而生成气体来推动炉渣发泡，因此，停止搅拌会导致钢渣反应动力学条件变差，从而大幅度地影响后续炉渣发泡。

需要说明的是，在电炉冶炼不锈钢过程中造渣料（石灰+白云石）的加入量是以对应批次炉渣碱度控制要求和炉渣中MgO含量要求来确定的，同时，加入量的确定过程还要经过必要的物料平衡计算。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (7)

1.一种在电炉冶炼不锈钢过程中造泡沫渣的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)为电炉冶炼不锈钢配料，控制C元素占原料总量的质量百分比为1.5～3.0％，Si元素占原料总量的质量百分比为0.6～0.9％；

(2)通电并进行吹氧操作以熔化配制好的原料，加入造渣料造炉渣；

(3)在金属熔池初步形成且液态炉渣形成后，分两批加入发泡球令炉渣发泡，两批发泡球加入的时间间隔为3～5min，每批发泡球的加入量为2.5～4kg每吨钢，所述发泡球的有效组分为氧化铁、碳粉和石灰石，其中发泡球中氧化铁的质量百分含量为60～70％，碳粉的质量百分含量为6～10％，石灰石的质量百分含量为3～7％，所述发泡球的密度为2.8～3.2g/cm³；在发泡球加入后的炉渣发泡过程保持吹氧操作；

(4)采用硅粉或硅铁还原炉渣内的Cr₂O₃并停止吹氧；

(5)冶炼结束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，第一批发泡球加入后进行喷碳，喷碳时间为2～5min。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在第二批发泡球加入后5～10min进行所述步骤(4)。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，控制发泡球的最大直径为5～10cm，最小直径大于3cm。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制吹氧操作所消耗的氧气为7～9Nm³/每吨钢。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制炉渣碱度为1.3～1.7。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，控制炉渣中MgO的质量百分含量为8～14％。