CN107419063A - 一种用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法。本发明涉及一种钢铁冶金行业中的精炼渣系及其循环利用方法，精炼渣系碱度高，保证了钢液洁净度；精炼渣系中含有2～4％的硫，降低了精炼渣的脱硫能力，可以稳定控制钢液中的硫含量；精炼渣循环利用，可以解决精炼渣处理成本高的问题。本发明的操作过程为：转炉出钢过程中严格控制转炉下渣，加入合金、石灰和部分含硫高碱度精炼渣。然后在钢包精炼过程中调整合金成分，并加入脱氧剂、石灰和高碱度含硫精炼渣进行造渣。精炼结束后，采用喂丝机向钢液内喂入含硫线；接着将钢包运送到连铸机进行浇注。最后将浇余后的钢包精炼渣回收，生产含硫钢时，在转炉出钢或者LF精炼过程中再次加入到钢包重新利用。

Description

一种用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金领域，特别是涉及一种用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法。
背景技术
易切削钢是在钢中加入能够提高易切削性能的元素，使钢的切削抗力减小，以达到降低刀具磨损、改善钢的切削加工性能的目的。相比普通的碳素钢，易切削钢可以用较高的切削速度和较大的切削深度进行切削加工，其加工产品表面光洁度更好，广泛应用于汽车、农机、通用机械等机械工业中。含硫易切削钢是产量最大的易切削钢种，占比在90％以上。钢切削加工过程中，含硫易切削钢中的硫化物夹杂物有利于成为内部应力集中源从而使加工过程易于断屑，并在刀具和加工件间产生润滑作用，降低刀具的磨损，从而提高刀具的寿命。近年来，随着自动化加工工业和汽车工业的快速发展，客户对易切削钢的需求量越来越大，对其洁净度的要求也越来越高。
精炼过程的脱硫反应可以由式(1)来表示：
[S]+(O2-)＝(S2-)+[O] 式(1)
通常用硫容CS来表示精炼渣脱硫能力的大小：
式中，K为式(1)的化学反应平衡常数，为渣中的自由氧活度，为渣中的硫活度系数。
一般情况下，碱度越高，渣中的自由氧活度越大，精炼渣的脱硫能力越强。由于硫元素在常规钢种中一般作为有害元素，因此常规钢种一般采用高碱度精炼渣系冶炼，从而降低钢中的氧和硫。考虑到含硫易切削钢的硫含量高的特点，钢铁冶金工业中一般采用两种思路来冶炼含硫易切削钢。一种思路是采用低碱度渣进行精炼，尽可能削弱精炼渣的脱硫能力，从而保持钢中的硫含量；另一种思路是采用高碱度精炼渣，在精炼结束后采用喂硫线的方式补硫。这两种思路均有各自的特点，前者不需要后续工续补硫，但是由于精炼渣的碱度较低，成品钢的洁净度相对较差，一些元素(如铝元素)基于钢渣反应的烧损也比较严重；后者的优点是钢的洁净度较好，但由于渣的碱度较高，后续在浇注过程硫仍有损失，有时容易导致成分控制不稳定。
随着我国钢铁工业的迅速发展，高品质钢种的产量越来越大，精炼的比例也越来越高，这就导致大量的精炼渣产生。近年来，环境保护的压力不断加剧，精炼废渣的处理也成为钢铁企业的成本负担。不少学者针对精炼渣的回收处理展开了研究，并提出了一些回收工艺。
发明内容
本发明的目的是针对含硫易切削钢现有精炼方法存在的不足，提供一种新的精炼渣和循环利用方法，新的精炼渣及循环利用方法可以同时解决钢液洁净度差、硫含量控制不稳定和精炼渣处理成本高的问题。
本发明的技术手段如下：
所述用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，采用含硫高碱度精炼渣的方式，当钢渣达到平衡时，钢-渣间的硫分配比LS满足式(3)：
式中，和a[O]分别为渣中和钢中的氧活度；和f[S]分别为渣中和钢中的硫活度系数；w(S)和w[S]分别为渣中和钢中的硫质量百分数；K为式(1)的化学反应平衡常数；CS表示精炼渣的硫容。
对于同一种组分的精炼渣，硫容CS是一定的，当钢中的氧活度a[O]一定时，达到化学平衡时LS也是确定的。因此在精炼过程中，若精炼渣中的w(S)没有饱和，那么脱硫反应将持续发生，使钢中的硫向渣中传递。反之，若渣中w(S)已经趋于饱和，那么脱硫反应将接近平衡，钢中的硫就基本趋于稳定。本发明内容主要是依据这个原理进行精炼控制的。
一种用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，在生产过程中，在转炉出钢或LF精炼过程中将精炼渣加入钢包，冶炼结束后，回收含硫精炼渣，再次冶炼时重新使用；
所述精炼渣系碱度高，同时含有一定含量的硫。
所述精炼渣成分按照质量百分比为CaO 45～55％，SiO2 5～10％，Al2O3 28～40％，MgO 5～9％，S 2～4％；
所述的重新使用是在出钢过程或者LF精炼过程中将回收的精炼渣加入钢包充当高碱度含硫精炼渣使用。
包括以下工艺步骤：
S1：转炉出钢脱氧合金化；
S2：钢包精炼；
S3：喂硫线；
S4：上机浇注；
S5：精炼渣回收利用；
所述步骤S1中的转炉出钢脱氧合金化是指在出钢过程中加入合金、石灰和部分含硫高碱度精炼渣，严格控制转炉下渣；所述步骤S2钢包精炼是指包括LF精炼、RH精炼和VD精炼在内的精炼方法，精炼过程中控制底吹氩气流量，调整合金成分，并加入渣料和造渣剂进行造渣；所述步骤S3喂硫线是指采用喂丝机以50～150m/min的速度向钢液内喂入含硫线，使其达到成分控制要求，喂线结束后，底吹氩气弱搅拌；所述步骤S4上机浇注是指将钢包运送到连铸机进行浇注；所述步骤S5精炼渣回收利用是指将浇余后的钢包精炼渣回收，生产含硫钢时，在转炉出钢或者LF精炼过程中再次加入到钢包重新利用。
所述的步骤S1加入的合金主要有铝、锰和硅等成分要求的合金，其加入量按钢种具体成分确定；石灰加入量为1～3kg/t；含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 45～55％，SiO2 5～10％，Al2O3 28～40％，MgO 5～9％，S 2～4％，加入量为3～5kg/t。
所述的步骤S2中加入的合金为铝、锰和硅等成分要求的合金，其加入量按钢种具体成分确定；加入的石灰量为1～3kg/t；加入的含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO45～55％，SiO2 5～10％，Al2O3 28～40％，MgO 5～9％，S 2～4％，加入量为3～5kg/t；脱氧剂为铝粒(铝片)或碳化硅，其加入量为0.3～1kg/t。底吹氩气流量控制在200～600NL/min(因钢包大小而异)。精炼终渣成分按质量百分比为CaO 45～55％，SiO2 4～8％，Al2O3 30～42％，MgO 5～8％，S 2～5％。
所述的步骤S3中加入的含硫线为含硫铁包芯线或硫磺包芯线，加入量依据钢种成分要求进行控制；底吹氩气流量控制在50～100NL/min，吹氩时间5～15min。
所述的步骤S4中的连铸机为方坯连铸机，拉坯速度0.5～1.9m/min。
所述的步骤S5中的钢包精炼渣是在热态情况下送到转炉出钢位或者LF精炼位，并在下一炉次充当含硫高碱度精炼渣使用。
本发明中，LF为钢包精炼炉；VD为真空脱气精炼炉；RH为真空循环脱气精炼炉。本方法适用于含硫易切削钢。
与现用技术相比，本发明的特点及其有益效果是：
(1)含硫精炼渣与普通精炼渣物理性质差异较小。采用本发明成分范围内的精炼渣与普通精炼渣的流动性相似(参考如图1所示的测量黏度)，因此不会对精炼过程产生不利的影响。
(2)钢液洁净度高。由于采用了高碱度精炼渣，能够有效地保证钢液的洁净度。冶炼过程的元素烧损也较少，合金的收得率高。
(3)硫含量控制稳定。由于采用了含硫渣系，精炼渣的脱硫能力得到了极大的限制。采用喂线工艺后，精炼渣对钢中硫含量的影响也会小很多，因此可以有效保证硫含量稳定控制。
(4)可以实现余热回收。钢包精炼渣在浇注结束后仍含有大量余热，将其重新送到转炉出钢位或者LF精炼工位加入钢包利用，可以实现热量的回收，有效降低能源消耗。
(5)可以实现资源回收利用。常规工艺精炼渣脱硫后的精炼渣硫含量升高，在使用结束后就被废弃。实际上，这可以在本发明充分利用。随着使用次数的增加，精炼渣的脱硫效果越来越弱，对后续硫含量的稳定控制十分有益。
(6)节约生产成本，富有经济效益。由于采用了含硫高碱度精炼渣和精炼渣的回收循环利用，可以有效节约因能源消耗和原料废弃带来的成本。此外，由于采用高碱度精炼渣，含硫钢的质量也会相应提升，这对钢铁企业来讲也意味着巨大的经济效益。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1为本发明含硫精炼渣(S：2.81％，3.64％)与普通精炼渣(S：1.01％)的黏度对比图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。
实施例1
一种含硫易切削钢种为35CrMn5，其化学成分按质量百分比为C：0.35～0.40％，Si：0.20～0.35％，Mn：0.85～1.11％，P：0.02％，S：0.015～0.030％，Cr：1.00～1.30％，Ni：0.20～0.30％，Al：0.02～0.05％。
冶炼工艺依次为：120t转炉→120t LF精炼→喂硫线→大方坯连铸。
具体的冶炼方法包括以下工艺步骤：
(1)转炉出钢脱氧合金化。在出钢过程中加入合金、石灰和部分含硫高碱度精炼渣；加入的合金主要有铝、锰和硅等成分要求的合金，其加入量按钢种35CrMn5化学成分要求确定；石灰加入量为2kg/t；含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 55％，SiO2 5％，Al2O3 28％，MgO 10％，S 2％，加入量为3kg/t；出钢过程中严格控制转炉下渣。
(2)精炼过程采用LF精炼。LF精炼过程中，采用底吹氩气对钢液进行搅拌，底吹氩气流量控制在400～600NL/min；LF精炼过程造白渣，向渣中加入铝粒脱氧，加入量为0.5kg/t；石灰加入量为1kg/t；含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 55％，SiO2 5％，Al2O328％，MgO 10％，S 2％，加入量为5kg/t；同时根据LF精炼温度要求，下降电极，通电加热至目标温度；加入铝、锰和硅等合金微调钢液化学成分，加入量根据LF出站化学成分要求确定；精炼终渣成分按质量百分比为CaO 55％，SiO2 4％，Al2O3 30％，MgO 8％，S 3％。
(3)喂硫线。采用喂丝机以150m/min的速度向钢液内喂入含硫铁包芯线，加入量依据钢种35CrMn5中硫的成分要求进行控制，使其达到成分要求，喂线时，底吹氩气流量控制在100NL/min；喂线结束后，底吹氩气进行弱搅拌，底吹氩气流量为100NL/min，吹氩时间15min。
(4)上机浇注。将钢包运送到方坯连铸机进行浇注，铸坯断面尺寸为400×500mm，拉坯速度0.5m/min。
(5)精炼渣回收利用。浇注完成后，将热态的浇余后的钢包精炼渣倒入专用渣罐中，然后运送至转炉出钢位，在出钢过程中加入钢包中，充当含硫高碱度精炼渣循环使用。
本发明涉及的所述钢铁冶金行业中的精炼渣系及其循环利用方法，含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 45～55％，SiO2 5～10％，Al2O3 28～40％，MgO 5～9％，S 2～4％。精炼渣系碱度高，保证了钢液洁净度；精炼渣系中含有2～4％的硫，降低了精炼渣的脱硫能力，可以稳定控制钢液中的硫含量；精炼渣循环利用，可以解决精炼渣处理成本高的问题。
具体实施方式2
一种含硫易切削钢种为F45MnVS，其化学成分按质量百分比为C：0.42～0.45％，Si：0.32～0.40％，Mn：1.00～1.30％，P：≤0.035％，S：0.035～0.045％，V：0.06～0.09％，Al：0.01～0.03％。
冶炼工艺依次为：80t转炉→80t LF精炼→80t RH精炼→喂硫线→大方坯连铸。
具体的冶炼方法包括以下工艺步骤：
(1)转炉出钢脱氧合金化。在出钢过程中加入合金、石灰和部分含硫高碱度精炼渣；加入的合金主要有铝、锰和硅等成分要求的合金，其加入量按钢种F45MnVS化学成分要求确定；石灰加入量为1kg/t；含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 45％，SiO2 6％，Al2O3 40％，MgO 6％，S 3％，加入量为5kg/t；出钢过程中严格控制转炉下渣。
(2)精炼过程采用LF精炼和RH精炼。LF精炼过程中，采用底吹氩气对钢液进行搅拌，底吹氩气流量控制在200～400NL/min；LF精炼过程造白渣，向渣中加入铝片脱氧，加入量为0.3kg/t；石灰加入量为3kg/t；含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 45％，SiO26％，Al2O3 40％，MgO 6％，S 3％，加入量为3kg/t；同时根据LF精炼温度要求，下降电极，通电加热至目标温度；加入铝、锰和硅等合金微调钢液化学成分，加入量根据LF出站成分要求确定；精炼终渣成分按质量百分比为CaO 45％，SiO2 4％，Al2O3 42％，MgO 5％，S 4％。RH精炼过程中，真空度控制为≤133Pa，保持纯循环处理20min，RH处理完成后，底吹氩气进行弱搅拌，底吹氩气流量控制为50NL/min，底吹氩气时间为5min。
(3)喂硫线。采用喂丝机以100m/min的速度向钢液内喂入硫磺包芯线，加入量依据钢种F45MnVS中硫的成分要求进行控制，使其达到成分要求；喂线时，底吹氩气流量控制为100NL/min；喂线结束后，底吹氩气进行弱搅拌，底吹氩气流量为60NL/min，吹氩时间10min。
(4)上机浇注。将钢包运送到方坯连铸机进行浇注，铸坯断面尺寸为380×490mm，拉坯速度0.5m/min。
(5)精炼渣回收利用。浇注完成后，将热态的浇余后的钢包精炼渣倒入专用渣罐中，然后运送至LF精炼位，在LF精炼过程中加入钢包中，充当含硫高碱度精炼渣循环使用。
具体实施方式3
一种含硫易切削钢种为50MnVS，其化学成分按质量百分比为C：0.46～0.52％，Mn：0.60～1.00％，P：≤0.035％，S：0.045～0.065％，V：0.08～0.12％。
冶炼工艺依次为：60t转炉→60t LF精炼→60t VD精炼→喂硫线→小方坯连铸。
具体的冶炼方法包括以下工艺步骤：
(1)转炉出钢脱氧合金化。在出钢过程中加入合金、石灰和部分含硫高碱度精炼渣；加入的合金主要有铝、锰和硅等成分要求的合金，其加入量按钢种50MnVS化学成分要求确定；石灰加入量为3kg/t；含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 50％，SiO2 10％，Al2O3 31％，MgO 5％，S 4％，加入量为4kg/t；出钢过程中严格控制转炉下渣。
(2)精炼过程采用LF精炼和VD精炼。LF精炼过程中，采用底吹氩气对钢液进行搅拌，底吹氩气流量控制在200～300NL/min；精炼过程造白渣，向渣中加入碳化硅脱氧，加入量为1kg/t；石灰加入量为1kg/t；含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 50％，SiO210％，Al2O3 31％，MgO 5％，S 4％，加入量为3kg/t；同时根据LF精炼温度要求，下降电极，通电加热至目标温度；加入铝、锰和硅等合金微调钢液化学成分，加入量根据LF出站成分要求确定；精炼终渣成分按质量百分比为CaO 49％，SiO2 8％，Al2O3 33％，MgO 5％，S 5％。VD精炼过程中，真空度控制为≤67Pa，在此真空度下保持时间为20min，VD精炼处理完成后，底吹氩气进行弱搅拌，底吹氩气流量控制为50NL/min，底吹氩气时间为10min。
(3)喂硫线。采用喂丝机以50m/min的速度向钢液内喂入含硫铁包芯线，加入量依据钢种50MnVS中硫的成分要求进行控制，使其达到成分要求，喂线时，底吹氩气流量控制在100NL/min；喂线结束后，底吹氩气进行弱搅拌，底吹氩气流量为50NL/min，吹氩时间5min。
(4)上机浇注。将钢包运送到方坯连铸机进行浇注，铸坯断面尺寸为160×160mm，拉坯速度1.9m/min。
(5)精炼渣回收利用。浇注完成后，将热态的浇余后的钢包精炼渣倒入专用渣罐中，然后运送至转炉出钢位，在出钢过程中加入钢包中，充当含硫高碱度精炼渣循环使用。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，含硫精炼渣与普通精炼渣物理性质差异较小：采用本发明成分范围内的精炼渣与普通精炼渣的流动性相似(参考如图1所示的测量黏度)，因此不会对精炼过程产生不利的影响。钢液洁净度高：由于采用了高碱度精炼渣，能够有效地保证钢液的洁净度。冶炼过程的元素烧损也较少，合金的收得率高。硫含量控制稳定：由于采用了含硫渣系，精炼渣的脱硫能力得到了极大的限制。采用喂线工艺后，精炼渣对钢中硫含量的影响也会小很多，因此可以有效保证硫含量稳定控制。可以实现余热回收：钢包精炼渣在浇注结束后仍含有大量余热，将其重新送到转炉出钢位或者LF精炼位加入钢包利用，可以实现热量的回收，有效降低能源消耗。可以实现资源回收利用：常规工艺精炼渣脱硫后的精炼渣硫含量升高，在使用结束后就被废弃。实际上，这可以在本发明充分利用。随着使用次数的增加，精炼渣的脱硫效果越来越弱，对后续硫含量的稳定控制十分有益。节约生产成本，富有经济效益：由于采用了含硫高碱度精炼渣和精炼渣的回收循环利用，可以有效节约因能源消耗和原料废弃带来的成本。此外，由于采用高碱度精炼渣，含硫钢的质量也会相应提升，这对钢铁企业来讲也意味着巨大的经济效益。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，其特征在于：在生产过程中，在转炉出钢或LF精炼过程中将精炼渣加入钢包，冶炼结束后，回收含硫精炼渣，再次冶炼时重新使用；
所述精炼渣成分按照质量百分比为CaO 45～55％，SiO2 5～10％，Al2O3 28～40％，MgO5～9％，S 2～4％；
所述的重新使用是在出钢过程或者LF精炼过程中将回收的精炼渣加入钢包充当高碱度含硫精炼渣使用。
2.根据权利要求1所述的用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
S1：转炉出钢脱氧合金化；
S2：钢包精炼；
S3：喂硫线；
S4：上机浇注；
S5：精炼渣回收利用；
所述步骤S1中的转炉出钢脱氧合金化是指在出钢过程中加入合金、石灰和部分含硫高碱度精炼渣，严格控制转炉下渣；所述步骤S2钢包精炼是指包括LF精炼、RH精炼和VD精炼在内的精炼方法，精炼过程中控制底吹氩气流量，调整合金成分，并加入渣料和造渣剂进行造渣；所述步骤S3喂硫线是指采用喂丝机以50～150m/min的速度向钢液内喂入含硫线，使其达到成分控制要求，喂线结束后，底吹氩气弱搅拌；所述步骤S4上机浇注是指将钢包运送到连铸机进行浇注；所述步骤S5精炼渣回收利用是指将浇余后的钢包精炼渣回收，生产含硫钢时，在转炉出钢或者LF精炼过程中再次加入到钢包重新利用。
3.根据权利要求2所述的用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，其特征在于：所述的步骤S1加入的合金主要有铝、锰和硅等成分要求的合金，其加入量按钢种具体成分确定；石灰加入量为1～3kg/t；含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 45～55％，SiO2 5～10％，Al2O3 28～40％，MgO 5～9％，S 2～4％，加入量为3～5kg/t。
4.根据权利要求2所述的用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，其特征在于：所述的步骤S2中加入的合金为铝、锰和硅等成分要求的合金，其加入量按钢种具体成分确定；加入的石灰量为1～3kg/t；加入的含硫高碱度精炼渣成分按质量百分比为CaO 45～55％，SiO2 5～10％，Al2O3 28～40％，MgO 5～9％，S 2～4％，加入量为3～5kg/t；脱氧剂为铝粒(铝片)或碳化硅，其加入量为0.3～1kg/t。底吹氩气流量控制在200～600NL/min(因钢包大小而异)。精炼终渣成分按质量百分比为CaO 45～55％，SiO2 4～8％，Al2O3 30～42％，MgO 5～8％，S 2～5％。
5.根据权利要求2所述的用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，其特征在于：所述的步骤S3中加入的含硫线为含硫铁包芯线或硫磺包芯线，加入量依据钢种成分要求进行控制；底吹氩气流量控制在50～100NL/min，吹氩时间5～15min。
6.根据权利要求2所述的用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，其特征在于：所述的步骤S4中的连铸机为方坯连铸机，拉坯速度0.5～1.9m/min。
7.根据权利要求2所述的用于生产含硫易切削钢的精炼渣及循环利用方法，其特征在于：所述的步骤S5中的钢包精炼渣是在热态情况下送到转炉出钢位或者LF精炼位，并在下一炉次充当含硫高碱度精炼渣使用。
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