CN107675069B - 采用co2+o2混合气体吹炼实现脱碳保锰冶炼中高锰钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种采用CO₂+O₂混合气体吹炼实现脱碳保锰冶炼中高锰钢的方法，属于钢铁冶金领域。中高锰钢中锰含量高于2％，在以纯O₂为气源的传统转炉或AOD炉的炼钢工艺过程中，由于脱碳反应和锰氧化等元素氧化反应产生的热量使得熔体温度过高，增加了钢中锰的挥发损失；而且，由于氧气的氧化程度很高，吹氧时造成的铁损以及锰的氧化损失较大。采用CO₂代替部分O₂作为冶炼钢水的气体，利用CO₂与钢中碳和锰的反应属于吸热反应这一特点，可以很好的解决由于钢中O₂与碳反应带来的局部升温过高而导致钢中锰的严重挥发这一问题；而且，相比于O₂，CO₂具有较弱的氧化性，可显著的降低锰的氧化损失，从而降低了中高锰钢的生产成本。

Description

采用CO2+O2混合气体吹炼实现脱碳保锰冶炼中高锰钢的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，涉及一种钢的冶炼方法，具体来说是一种采用 CO₂+O₂混合气体吹炼实现脱碳保锰冶炼中高锰钢的方法，可以有效地降低中高锰钢的生产成本。

背景技术

汽车工业已成为发达国家的支柱产业，推动了经济的发展和社会的进步，据统计，车身质量每减少10％，油耗就会降低8％，排放减少4％。

应用轻量化材料可以解决节能、环保问题，但其难以满足汽车零部件的强塑性要求。

因此，现代汽车工业实现节能、减排和提高安全性这一目标的重要手段是应用先进高强钢。

其中，栾晶诱发塑性钢(TWIP)和Q&P钢具有高强度、高塑性、高能量吸收能力及高应变硬化率，可有效提高汽车的轻量化水平并缓解碰撞时的能量冲击，被认为是具有发展潜力的汽车用钢。

TWIP钢中锰含量达到15％-25％，Q&P钢中锰含量达到4％-12％，在以纯 O₂为气源的传统转炉、电炉、AOD或其他氧化初炼脱碳炉的炼钢工艺过程中，由于脱碳反应产生的热量使得熔体温度过高，增加了钢中锰的挥发损失。

而且，由于氧气的氧化程度很高，吹氧时造成的铁损以及锰的氧化损失较大。专利文献CN101191180A公开了一种汽车用高锰钢的的制造方法，涉及高锰钢中锰含量在23.5％-24.4％，碳含量在0.55％-0.64％，但该专利中只提供了一种轧制工艺，并未涉及高锰钢的冶炼方法。

专利文献CN102690938A公开了一种低碳Fe-Mn-Al-Si系TWIP钢中试的生产方法，采用了感应炉和电渣重熔炉双联进行冶炼，这种生产工艺的生产成本过高，不适合于大规模生产。

专利文献CN103468874A公开了一种采用氩氧炉冶炼高锰钢的方法，该钢种中锰含量在20％-30％，碳含量小于等于0.06％，在冶炼后期采用电解锰或金属锰进行锰的合金化，冶炼成本高；而且，氩氧炉中吹氧脱碳的步骤采用的是高氧/氩比的混合气体进行吹炼，钢中锰和硅元素会大量的氧化，直接导致钢中元素的收得率急剧下降。

专利文献CN105087865A公开了一种采用氩氧脱碳炉冶炼高锰钢的方法，吹氧脱碳的步骤采用吹入氧气和氮气混合气体的方法进行冶炼，虽然混合气体中使用氮气替代了氩气，在一定程度上降低了高锰钢的生产成本，但氮气的通入极易与钢中的铝结合生成氮化铝夹杂，降低了钢材的质量，而且氮气的通入并没有缓解高锰钢中锰元素由于熔池温度过高而导致的锰挥发的现象。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种冶炼中高锰钢的方法，在传统转炉和 AOD炉中采用以CO₂代替部分现有通常使用的O₂，即采用CO₂+O₂混合气体进行吹炼的方式实现脱碳保锰冶炼中高锰钢。

利用CO₂与钢中碳的反应属于吸热反应这一特点，可以很好的解决由于钢中 O₂与碳反应带来的局部升温过高而导致钢中锰的严重挥发这一问题；而且，相比于O₂，CO₂具有较弱的氧化性，可显著的降低锰的氧化损失，有效的解决现有技术中冶炼中高锰钢生产成本过高的技术问题。

本发明提供了一种采用CO₂+O₂混合气体吹炼实现脱碳保锰冶炼中高锰钢的方法，包括将中高锰铁水置于顶吹或顶底复吹转炉或AOD炉中，然后通过顶枪或/和侧枪吹入CO₂+O₂进行脱碳处理。

进一步的，在转炉的装料步骤中，所述原料中高锰铁水的碳含量在3-5.5％之间，锰含量大于等于2％。兑入中高锰铁水的温度在1300℃-1450℃。

进一步的，吹炼过程中控制加入渣料量，渣料加入量一般控制为25-45kg/吨钢，渣料中可加入锰矿石或富锰矿，以利于抑制吹炼过程钢中锰的损失。

进一步的，吹炼前期可采用纯氧气进行吹炼，或采用低CO₂比例CO₂+O₂混合气体进行吹炼，快速提高钢水温度达到1500℃；钢水温度达到1500℃后，采用高CO₂比例CO₂+O₂混合气体进行吹炼，抑制温度快速升高、锰的氧化和挥发。

进一步的，在CO₂和O₂混合气体吹炼过程中需尽可能保持熔池温度高于锰强烈氧化温度T1，温度T1与熔体中Mn、C含量以及CO分压的关系式为：

T1—锰强烈氧化温度，℃；

ω_C—熔池中C的实时含量，％；

ω_Mn—熔池中Mn的实时含量，％；

在吹炼过程中熔池中Mn和C的实时浓度一直在变化，此处T1的计算需采用熔池中Mn和 C的实时含量。

进一步的，吹炼过程中还需控制熔池温度低于锰强烈发挥温度T2和出钢要求温度。T2与熔体中Mn含量的关系式为：

T2＝-0.05555ω_Mn ³+2.35ω_Mn ²-36.96ω_Mn+1775

T2—锰强烈发挥温度，℃；

ω_Mn—熔池中Mn的实时含量，wt％；

进一步的，在O₂和CO₂混合气体吹炼的步骤中，混合气体中CO₂所占体积比例小于等于50％，混合气供气强度为0.5-3Nm³/min·t。

进一步的，钢中碳接近目标控制范围时，调整CO₂+O₂混合气体中CO₂比例，使钢液温度快速接近目标温度。

进一步的，钢水碳和温度达到设定值后，停止吹炼并出钢。

本发明的有益效果是：本发明采用的CO₂+O₂混合气体吹炼的方式实现脱碳保锰冶炼中高锰钢的方法与现有技术相比，具有以下优点：(1)在传统转炉和 AOD炉冶炼中高锰钢的过程中采用CO₂代替部分O₂，降低了O₂的消耗，大大的节省了气体原料的成本；(2)将CO₂代替部分O₂作为冶炼钢水的气体，利用CO₂与钢中碳的反应属于吸热反应这一特点，可以很好的解决由于钢中 O₂与碳反应带来的局部升温过高而导致钢中锰的严重挥发这一问题；而且，相比于O₂，CO₂具有较弱的氧化性，可显著的降低锰的氧化损失，提高冶炼过程中锰的收得率，从而降低了中高锰钢的生产成本；(3)钢铁工业是CO₂的排放大户，实现CO₂气体在冶金领域的应用将为我国现代钢铁企业实现循环经济、节能环保提供强有力的支撑，同时对于我国实现温室气体减排目标，促进社会、经济、环境可持续发展等方面都具有非常重要的现实意义。

附图说明

图1为案例一中采用Factsage软件模拟130吨实际转炉过程的物料平衡曲线，

图2为案例一中采用Factsage软件模拟130吨实际转炉过程的锰挥发曲线，

图3为案例二和三试验中采用的实验装置图，

图4为案例二中高锰钢熔体中锰和碳元素的变化曲线，

图5为案例三中高锰钢熔体中锰和碳元素的变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清晰，下面将结合具体附图和实施例进行详细阐述说明，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。

本发明实施例一采用了热力学软件Factsage模拟实际转炉过程的物料平衡曲线对本发明的技术方案做进一步说明。实施例二和实施例三采用的是硅钼棒电阻炉加热高锰铁水，引入CO₂+O₂混合气体喷吹实现脱碳保锰冶炼高锰钢的实验方法。

实例一：

在实施例一中，计算时模拟的是130吨实际顶吹转炉冶炼高锰钢过程的物料平衡曲线。采用的原料分别为高锰铁水以及CO₂+O₂的混合气体。

其中，高炉铁水和高碳锰铁的具体化学成分见表1，计算所采用高锰铁水温度为1402℃，高锰铁水用量为130吨；采用了3种不同CO₂体积比例的混合气体，即0％CO₂+100％O₂、25％CO₂+75％O₂、50％CO₂+50％O₂，混合气体流量为293.3Nm³/min。

表1模拟计算中原料主要化学成分(质量分数，％)

图1为实施例一中采用Factsage软件模拟实际转炉冶炼高锰TWIP钢的物料中碳和锰元素的平衡曲线，在图中可以看出，吹炼前期，钢液中的锰含量有所升高，这是因为随着脱碳反应的进行，钢中碳含量下降导致钢液质量下降所致。整体来看，尽管采用CO₂+O₂的混合气体吹炼，钢液中的脱碳速率较纯 O₂吹炼略有下降，但随着混合气体中CO₂比例的增加，钢中锰元素的含量损失降低。这说明了，采用CO₂+O₂混合气体喷吹的方法实现脱碳保锰冶炼中高锰钢是可行的。

另外，图2为实施例一中采用采用Factsage软件模拟实际转炉过程的锰挥发的平衡曲线。在图中可以明显看出，混合气体中CO₂的通入，显著的降低了钢中锰的挥发，从而达到了在脱碳的同时最大程度的保留高锰铁水中锰元素的目的。

实例二：

在实施例二和实施例三中，所用的原料为高锰铁块和混合气体，高锰铁块的具体化学成分见表2，硅钼棒电阻炉具体工艺参数见表3。

表2电阻炉试验中高锰铁块主要化学成分(质量分数，％)

表3硅钼棒电阻炉工艺参数

在试验阶段，首先将约600g高锰铁块置于炉膛中的坩埚内部，盖上耐火材料炉盖，开始升温。待炉膛温度升高至1550℃时，通过炉盖上的Al₂O₃管吹入不同体积比例CO₂和O₂的混合气体，混合气体的流量为500ml/min，吹炼时间为60min。需要说明的是，Al₂O₃管通入高锰钢熔体底部，使混合气体与熔体中的元素充分反应。吹炼过程中熔池温度一直保持在1550℃，一直低于钢水中锰强烈挥发温度；同时熔池温度也一直高于钢水中锰的强烈氧化温度。

为了验证CO₂的通入对实现脱碳保锰冶炼中高锰钢的影响效果，本实例设计了两组试验。其中，一组为纯O₂吹炼，气体流量为500ml/min；在另一组试验中通入体积比例为25％的CO₂和75％的O₂，气体总流量为500ml/min。

图4为试验过程中，高锰钢熔体中锰和碳元素的变化曲线。在图中可以看出，在0～60min的冶炼时间内，两组试验中脱碳量分别为1.19％和1.43％。对比来看，采用25％CO₂+75％O₂的混合气体吹炼，脱碳量增加了0.24％。同时，两组试验中锰损耗量分别为14.18％和11.95％，采用25％CO₂+75％O₂的混合气体吹炼，锰损耗量降低了2.23％。这说明了CO₂+O₂混合气体吹炼不但提高了高锰钢熔体的脱碳效率，而且降低了锰的损耗，有利于冶炼过程中脱碳保锰的实现。

实例三：

为了进一步说明CO₂的通入对实现脱碳保锰冶炼中高锰钢的影响，本实例设计了两组试验。其中，一组为纯O₂吹炼，气体流量为500ml/min；在另一组试验中通入体积比例为50％CO₂+50％O₂混合气体，气体流量为500ml/min。气体实验条件和实例二类似，吹炼过程中熔池温度一直保持在1550℃，一直低于钢水中锰强烈挥发的温度；同时熔池温度也一直高于钢水中锰的强烈氧化温度。

图5为试验过程中，高锰钢熔体中锰和碳元素的变化曲线。在图中可以看出，在0～60min的冶炼时间内，两组试验中脱碳量分别为1.19％和1.63％。对比来看，采用50％CO₂+50％O₂混合气体后，脱碳量增加了0.44％；同时，两组试验中锰损耗量分别为14.18％和8.54％，采用50％CO₂+50％O₂混合气体后，锰损耗量降低了5.64％。这进一步说明了CO₂的通入不但提高了高锰钢熔体的脱碳效率，而且降低了锰的损耗，有利于冶炼过程中脱碳保锰的实现。

Claims (3)

1.一种采用CO₂+O₂混合气体冶炼中高锰钢的方法，其特征在于，采用CO₂+O₂混合气体进行吹炼以实现脱碳保锰，其中，混合气体中CO₂所占体积比例小于等于50％，混合气供气强度为0.5-3Nm³/min·t；

冶炼过程中吹炼前期采用纯氧气进行吹炼，或采用低CO₂比例CO₂+O₂混合气体进行吹炼，CO₂含量占混合气体总量的10％以下，快速提高钢水温度达到1500℃；钢水温度达到1500℃后，采用高CO₂比例CO₂+O₂混合气体进行吹炼，CO₂含量占混合气体总量的10-50％，抑制熔池温度快速升高、锰的氧化和挥发；熔池温度的控制通过调整O₂和CO₂的比例实现，控制熔池温度高于锰强烈氧化温度T1但低于锰强烈挥发温度T2和出钢要求温度；

所述锰强烈氧化温度T1与熔体中Mn和C含量的关系式为：

T1—锰强烈氧化温度，℃；

ω_C—熔池中C的实时含量，wt％；

ω_Mn—熔池中Mn的实时含量，wt％；

所述锰强烈挥发温度T2与熔体中Mn含量的关系式为：

T2＝-0.05555ω_Mn ³+2.35ω_Mn ²-36.96ω_Mn+1775

T2—锰强烈挥发温度，℃；

ω_Mn—熔池中Mn的实时含量，wt％。

2.根据权利要求1所述一种采用CO₂+O₂混合气体冶炼中高锰钢的方法，其特征在于：具体方法步骤为：

步骤1：将中高锰铁水经过称量兑入置于顶吹、顶底复吹转炉或氩氧脱碳炉(AOD)中，兑入温度为1300～1450℃；

步骤2：在顶吹、顶底复吹转炉中，通过顶部氧枪吹入CO₂+O₂混合气体进行脱碳处理；在AOD炉中，通过顶部氧枪和/或侧壁风枪吹入CO₂+O₂混合气体进行脱碳处理；

步骤3：尽量控制渣量实现少渣冶炼，渣料加入量控制为25-45kg/吨钢，渣料中加入锰矿石或富锰矿，以利于抑制吹炼过程钢中锰的损失；

步骤4：吹炼前期采用纯氧气进行吹炼，或采用低CO₂比例CO₂+O₂混合气体进行吹炼，快速提高钢水温度达到1500℃；钢水温度达到1500℃后，采用高CO₂比例CO₂+O₂混合气体进行吹炼，抑制熔池温度快速升高、锰的氧化和挥发；熔池温度的控制通过调整O₂和CO₂的比例实现，尽量控制熔池温度高于锰强烈氧化温度T1但低于锰强烈挥发温度T2和出钢要求温度；

步骤5：钢中碳接近目标控制范围时，调整CO₂+O₂混合气体中的比例，使钢液温度快速接近目标温度；如果温度远低于目标温度，则显著降低混合气体中CO₂含量；

步骤6：钢水碳和温度达到设定值后，停止吹炼并出钢。

3.根据权利要求2所述一种采用CO₂+O₂混合气体冶炼中高锰钢的方法，其特征在于，所述原料中的中高锰铁水的碳含量在3-5.5％之间，锰含量大于等于2％。