CN110117692B

CN110117692B - 中频炉生产高质量钢的方法

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Publication number: CN110117692B
Application number: CN201910393469.9A
Authority: CN
Inventors: 郭重志; 黄方彪
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2039-05-13
Also published as: CN110117692A

Abstract

一种中频炉生产高质量钢的方法，包括以下步骤：S1：选配金属炉料，其中包含一定比例的中高碳废钢和/或生铁，使金属炉料的配碳量达到符合要求的范围，将选配好的金属炉料分批加入中频炉中熔炼；S2：将含有一部分直接还原铁作为氧化剂的金属炉料分批加入中频炉中进行熔炼；S3：当中频炉中的钢液量及熔池温度达到要求时，对钢液取样分析；S4：重新对中频炉供电或调高供电功率，当熔池温度达到要求时，根据上述取样分析结果，分批加入直接还原铁进行脱碳去气除杂操作；S5：在对钢液取样分析确定碳、磷、硫的含量达到要求的情况下，向中频炉中加入预脱氧剂调整合金成分，当温度达到要求时向中频炉或出钢包中加入终脱氧剂出钢。

Description

中频炉生产高质量钢的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域。更具体地，涉及一种中频炉生产高质量钢的方法。

背景技术

中频炉炼钢是目前世界范围内主要三种炼钢方法之一(平炉已淘汰不计)，属于短流程炼钢工艺，在一定时间内得到发展并实现了炉子大型化。其产能国内报导曾达到1.4亿吨/年，已知国内有炉熔量达到80吨，国外报导有150-200吨。但由于所用原料(或废钢资源)的有限性及钢的质量难以得到保证，特别是钢中的碳、磷、硫等及其它杂质元素不易去除或难以达到一般钢种要求，而且冶炼过程中去气除杂过程的长期忽视或为提高钢质量一般选用高质量废钢或配备氩氧脱碳(AOD)、钢包精炼(LF)等炉外精炼来完善，发展过程中工艺技术混杂，以至于形成了一种较为普遍的观点，即中频炉在钢水熔炼过程中基本上是不氧化行为，难以完成一般冶金反应，产品质量差，备受政策所取缔。但作为一种炼钢方法还未完全淘汰，在前些年的发展中有一定的该设备产能存在，近几年有向东南亚及其他发展中国家转移的事实。这种炼钢方法在欧美等发达国家也存在。

另一方面发展短流程工艺是一种趋势，同时也面临工艺流程的再造，且正在推动DR-EAF即直接还原+电弧炉炼钢构建，直接还原铁(DRI-Direct Reduced Irion)也叫海绵铁，简称DRI，是一种杂质含量少的高质量产品，作为炼钢原料广泛使用，对有利于电炉生产纯净钢，行业已形成共识，但用于短流程之一的中频炉炼钢少见研究和报导，以至能够低成本生产海绵铁的国家和地区其产品也很少涉及中频炉炼钢领域，或说直接还原铁目前还没有有效与中频炉炼钢形成新的工艺流程。

再一方面随着廉价制氢技术的研发和推进，(高炉)使用氢还原的无碳或低碳含量直接还原铁产品必将改变未来炼钢方法的发展方向。

传统的使用中频炉炼钢的生产工艺局限性导致的质量问题备受争议和危机，因此如何发挥设备效能，拓宽原料的使用和保障中频炉炼钢降低杂质含量提高钢质量是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是至少解决上述问题之一，该目的通过以下技术方案实现：

根据本发明的第一方面，提出了一种中频炉生产高质量钢的方法，所述方法包括以下步骤：

S1：根据待生产钢种选配金属炉料，其中包含一定比例的中高碳废钢和/或生铁，使金属炉料的配碳量达到介于待生产钢种含碳量的质量百分比上限至高于该质量百分比上限0.3％之间的范围，将选配好的金属炉料分批加入中频炉中进行熔炼；

S2：当中频炉中的钢液达到炉容量的45-55％时，后续加料将含有10-30％直接还原铁作为氧化剂的金属炉料分批加入中频炉中进行熔炼；

S3：当中频炉中的钢液达到炉容量的70-80％，熔池平静并且熔池温度达到1540℃以上时，停止供电或调低供电功率，对钢液取样分析；

S4：重新对中频炉供电或调高供电功率，当熔池温度达到1580-1620℃时，根据上述取样分析结果，分批加入作为氧化剂的直接还原铁进行脱碳去气除杂操作；

S5：在通过对脱碳去气除杂操作后的钢液取样分析确定碳、磷、硫的含量达到要求的情况下，向中频炉中加入预脱氧剂调整合金成分，当温度达到要求时向中频炉或出钢包中加入终脱氧剂出钢。

根据本发明的优选的实施例，在步骤S3中，在停止供电或调低供电功率后，进行除渣操作。

根据本发明的进一步优选的实施例，在步骤S4中，根据直接还原铁的加入量和碳氧反应沸腾速度状况调节供电功率，使氧化过程温度保持在1560-1620℃之间。

根据本发明的进一步优选的实施例，在步骤S4中，根据脱碳量和炉渣情况进行多次除渣操作。

根据本发明的进一步优选的实施例，在步骤S1中选配的金属炉料中还包含铁水。

根据本发明的进一步优选的实施例，在步骤S5中对脱碳去气除杂操作后的钢液取样分析确定磷和/或硫的含量未达到要求的情况下，重复向钢液中加入直接还原铁进行氧化除杂的操作。

根据本发明的进一步优选的实施例，在步骤S5中对脱碳去气除杂操作后的钢液取样分析确定碳含量未达到要求的情况下，则向钢液中加入高碳废钢和/或生铁调整碳含量。

根据本发明的进一步优选的实施例，在步骤S4中，按照脱碳速度0.015-0.03％/min来控制直接还原铁的加入速度。

根据本发明的进一步优选的实施例，在步骤S5中，加入1-2kg/t钢的硅铝球作为预脱氧剂。

根据本发明的进一步优选的实施例，在步骤S5中，加入0.5-1kg/t钢的钢硅铝钡钙或硅钙块作为终脱氧剂。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的中频炉生产高质量钢的方法可以从根本上解决中频炉冶炼过程中使用废钢的局限性或钢铁料来源供应问题。即通过使用一定比例的中高碳废钢和/或生铁等，使其在熔炼过程中向钢液提供碳含量，并且选用低碳含量的直接还原铁，利用其所固有的一定氧含量或未经充分还原所残留FeO含量作为氧化剂，并利用其产品所保留的脉石成分(SiO₂,Al₂O₃,CaO和MgO)及制程中添加的CaO等，来完成一系列的冶炼过程，物尽全用，节约资源。脉石成分(SiO₂,Al₂O₃,CaO和MgO)是天然造渣成分，与常规炼钢比较，本发明在冶炼过程中无需选用造渣材料，能够节约资源，减少成本。即在中频炉从另外一方面解决造渣、脱碳、去磷、降硫和去气除杂过程，使钢液碳可控，磷、硫和气体氮、氢杂质含量低，全面解决中频炉钢的质量问题。

由于海绵铁是一种颗粒状有一定密度的固体，加入钢液能充分接触反应面积，使其本身含有有益于去磷、降硫的成分CaO、FeO能充分发挥作用，再又由于本身的杂质含量少，有一定的纯进铁率，在脱碳的同时达到去磷降硫去气除杂目的，使钢液具有良好的洁净度。选用直接还原铁或海绵铁，可为上游直接还原(DR)生产制备过程中减少还原能源介质或碳的配入量，节约资源与成本；另—方面充分利用了废钢铁中的碳资源，直接或间接减少了能源消耗及二氧化碳排放量。

本发明的中频炉生产高质量钢的方法可与直接还原(DR)工艺对接，形成新的短流程模式，即直接还原铁(DRI-Direct Reduced Iron)-中频炉(IF-intermediate frequencyfurnace)，简称DR-IF工艺，可以完善短流程炼钢发展。可展望未来廉价制氢技术的发展使氢还原直接还原铁技术的应用与普及之时，流程对接模式更大，使节能环保金属冶炼领域更宽。

本方法在冶炼过程中完成的脱碳过程，即碳与氧化剂直接还原铁中的FeO氧化还原反应的纯进铁率所增加钢水的质量分数，基本上能使钢液中磷、硫含量能达到一般优质钢种要求，不需要采取专门的脱磷、脱硫原料与工艺。能够实现中频炉生产优质碳素结构钢、合金结构钢、工(模)具钢、不锈钢和优质铸件及工业纯铁提供高质量钢液。

具体实施方式

下面将详细地描述本公开的示例性实施方式。这里的具体实施方式在于详细地说明本发明，而不应理解为对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和实质范围的情况下，可以做出各种变形和修改，这些都应包含在本发明的保护范围之内。

本发明提出一种中频炉生产高质量钢的方法，该方法包括以下步骤：

S1：根据待生产钢种选配金属炉料，其中包含一定比例的中高碳废钢和/或生铁，使金属炉料的配碳量达到介于待生产钢种含碳量的质量百分比上限至高于该质量百分比上限0.3％之间的范围，将选配好的金属炉料分批加入中频炉中进行熔炼。

本发明的方法所使用的中频炉大小不限，例如可以使用公称容量5-80吨的中频炉；炉衬材料可以使用酸性、中性或碱性。金属炉料除了用于中频炉熔炼的常规废钢之外，还选配一定比例的在常规中频炉工艺熔炼一般低碳钢种不选用的中高碳废钢和/或生铁，例如：机械生铁、报废汽车发动机、弹簧钢板、减振器、刹车轮毂、刹车片、各种齿轮轴、轴承套、废轮胎加工后的帘线钢丝、挖机履带、转动轮、废电机外壳、铸铁铸钢件等，即可以使用符合炼钢安全与尺寸大小要求的任意废钢铁(包括磁选渣钢)，并且可以包含铁水。选配好的金属炉料的配碳量大于待生产钢种含碳量的质量百分比上限至高于该质量百分比上限0.3％之间的范围。上述选配好的金属炉料可以通过加料小车加入到中频炉中，中频炉最大功率供电，一边熔化一边加料。

根据本发明一实施例，使用变压器容量为7000KVA的酸性材质10T中频炉冶炼含碳量为0.18-0.22％，硫、磷含量分别小于0.040％的建筑用钢，则选配好的金属炉料的配碳量应为0.22-0.52％。

S2：当中频炉中的钢液达到炉容量的45-55％时，优选地，当钢液达到炉容量的50％左右时，后续加料将含有10-30％(100-300kg/t钢)直接还原铁(DRI)或海绵铁作为氧化剂的金属炉料分批加入中频炉中进行熔炼。

直接还原铁可以用电磁吸盘吸入加料小车或者通过存储直接还原铁料仓通过计量放入加料小车，并连同废钢铁料(该废钢铁料与S1中加入的金属炉料相同)一起加入中频炉中，其目的是提前氧化掉部分影响钢液脱碳除磷的硅、锰元素等。优选地，本发明的作为氧化剂使用的直接还原铁选用气基还原的低碳直接还原铁，并具有一定的氧含量或未经充分还原的FeO含量。另外，由于直接还原铁中含有少量CaO、MgO、FeO和氧化生成物MnO等碱性物质，对于使用酸性耐材作为炉衬的中频炉使用直接还原铁的量应低于使用中性材料和碱性材料作为炉衬的中频炉为宜。

S3：当中频炉中的钢液达到炉容量的70-80％，熔池平静并且熔池温度达到1540℃以上时，停止供电或调低供电功率，对钢液取样分析。

按照上述控制钢液在中频炉中的量可以保证后续氧化沸腾有一定的自由反应空间。优选地，停止供电或调低供电功率后，进行除渣处理，例如倾炉倒出炉渣。

S4：重新对中频炉供电或调高供电功率，当熔池温度达到1580-1620℃时，根据上述取样分析结果，分批加入作为氧化剂的直接还原铁进行脱碳去气除杂操作。

通过上述取样分析或者结合取样时的碳火花评估得到的钢液中的碳含量以及硫、磷等主要杂质的含量，可以初步确定需要后续加入的作为氧化剂的直接还原铁的计量，例如根据氧化要求计算加入量。直接还原铁的加入量可以按照每吨钢每脱0.01％的碳使用3-6公斤的直接还原铁，例如在上述实施例中即按照每吨钢每脱0.01％的碳使用6公斤纯颗粒状的直接还原铁，并且所使用的直接还原铁的颗粒度越小，用量可以越少。直接还原铁加入速度参照脱碳速度控制在0.03％/min之内，优选地控制在0.015-0.03％/min，进一步优选地控制在0.02％/min。优选地，根据直接还原铁的加入量与碳氧反应沸腾速度状况调节供电功率，确保氧化平衡温度保持在1560-1620℃之间。优选地，该过程中可以根据脱碳量和炉渣情况反复进行多次除渣，除渣前根据炉渣泡沫状况或流动性可以向渣面加入少量氧化铁皮，以增加氧化亚铁稀释炉渣，炉渣的来源主要是直接还原铁中的脉石成分及其他氧化物。如果钢水量不足，可以向炉中加入含碳量与待生产钢种的含碳量相近的废钢来补充。

优选地，当碳、磷、硫含量达到要求后向中频炉中加入1～2kg/t钢的硅铝球作为预脱氧剂进行预脱氧，并且可以使用硅锰合金调整硅、锰含量，如果硅不足则用75硅铁进行调整。当温度达到要求时向中频炉中或出钢包中加入0.5～1.0kg/t钢的终脱氧剂出钢，终脱氧剂可用硅钙块、硅钡钙铝等。

如果对脱碳去气除杂操作后的钢液取样分析确定磷和/或硫的含量未达到要求，则重复步骤S4中的向钢液中加入直接还原铁进行氧化去除磷和/或硫的操作以及倾炉倒渣操作。除硫和除磷可以单独进行，也可以同时进行。如果单独除磷，则氧化温度可以控制在接近1560℃；如果单独除硫，则氧化温度可以控制在接近1620℃。除磷和/或硫的操作与以脱碳为目的的操作相比直接还原铁的加入速度可以适当放缓，即保持钢液匀速沸腾即可。当磷和硫的含量符合要求，停止加入直接还原铁并除渣。

如果对脱碳去气除杂操作后的钢液取样分析确定碳含量未达到要求，则向钢液中加入高碳废钢和/或生铁调整碳含量，例如机械生铁；如有必要也可以使用增碳剂调整碳含量。如果钢液不足需要增加钢液，则可以选用与待生产的钢种的碳含量相近的废钢料，如内部返回料如钢筋切头等。氧化末期加废钢料应在停电或低功率供电状态下进行，确认无大沸腾后逐渐调节供电功率。

对上述除磷/除硫的冶金反应原理进一步说明如下：

通常理论认为磷在钢水中以Fe₂P的化学形式存在，能溶于钢液，易与钢及渣中的(FeO)作用释放热量AH，化学反应式：

2[P]+5(FeO)一(P₂O₅)+5[FeO]；AH＝-260000J

磷的氧化物在钢液中溶解度低，易溶于钢渣，并与钢渣中的(FeO)反应生成(3FeO·P₂O₅),化学反应式：

(P₂O₅)+3(FeO)一(3FeO·P₂O₅)；AH＝-127900J

反应生产物(P₂O₅)和(3FeO·P₂O₅)都是不稳定的氧化物，如果没有持续的反应进行，温度稍高，经过长时间会发生分解，使磷又重回钢液，因此为稳定氧化产物应由碱性氧化物CaO与(P₂O₅)结合成稳定的磷酸钙化学反应式：

(P₂O₅)+4(CaO)一[(CaO)4·P₂O₅]AH＝-689700J

脱磷过程总反应式如下：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)一[CaO)4·P₂O₅]+5[Fe]

优选地，上述中的FeO和CaO均来自持续加入炉中且能与钢水充分接触熔化的颗粒氧化剂直接还原铁，在氧化沸腾的作用下有一定的热力学、动力学优势以及介面接触面积优势，能充分保障上述化学反应顺利进行，达到脱磷目的。

降硫效果部分与上述原理类似，钢中的硫可在氧化气氛下能脱去一部分，化学反应原理：

[S]+[O₂]→SO₂(少量进行)

另一原理是硫在钢液与炉渣中均以FeS形态存在，在一定温度下可以互相扩散转移，两者质量分数是一个常数，有学者对气化脱硫问题作了详细的研究，含硫的气体有S₂、SO₂、COS、CS₂，氧化性气氛中是SO₂，还原性气氛中是COS、CS₂。在氧化熔炼中，钢液中的硫直接被氧化成SO₂而去掉是很难的，因为在炼钢条件下，硫对氧的亲和力比碳对氧的亲和力小得多，只有进入渣中的硫在铁离子的参与下，才可能被氧化成气体而脱除，反应式如下：

6(Fe)+(Sˉ)+2(Oˉ)＝6(Fe)+SO₂

即气化脱硫的比例随渣中氧化铁增大而增大，为完成氧化任务，要利用直接还原铁中的氧或制程中未充分还原的FeO及脉石成分和其产品制程中添加的CaO。

需要注意的是，不能在低温状态下加入过量直接还原铁。如果由于操作失误导致过量加入，则不能再使炉中钢液升温，只能延长保温时间，增加反应时间，减少喷溅事故。

本发明使用直接还原铁作为氧化剂生产的钢的含碳量可以脱至0.03％以下，硫、磷含量基本能达到0.035％以下；另外，通过采用直接还原铁作为氧化剂进行脱碳沸腾操作，产生的CO气泡有助于去除钢液中的含N元素和H元素的气体，使得氮含量可以达到0.001％以下。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种中频炉生产高质量钢的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S2：当中频炉中的钢液达到炉容量的45-55％时，后续加料将含有10-30％直接还原铁作为氧化剂的金属炉料分批加入中频炉中进行熔炼；所述金属炉料与步骤S1中的金属炉料相同，以提前氧化影响钢液脱碳除磷的硅、锰元素；

S3：当中频炉中的钢液达到炉容量的70-80％，熔池平静并且熔池温度达到1540℃以上时，停止供电或调低供电功率，对钢液取样分析，得到钢液中的碳含量以及杂质硫、磷的含量，用以确定需要后续加入的作为氧化剂的直接还原铁的计量；

S4：重新对中频炉供电或调高供电功率，当熔池温度达到1580-1620℃时，根据上述取样分析结果，分批加入作为氧化剂的直接还原铁进行脱碳、降磷、降硫、去气除杂操作；在该过程中，根据直接还原铁的加入量和碳氧反应沸腾速度状况调节供电功率，使氧化过程温度保持在1560-1620℃之间；

S5：在通过对脱碳去气除杂操作后的钢液取样分析确定碳、磷、硫的含量达到要求的情况下，向中频炉中加入预脱氧剂调整合金成分，当温度达到要求时向中频炉或出钢包中加入终脱氧剂出钢；

在步骤S5中对脱碳去气除杂操作后的钢液取样分析确定磷和/或硫的含量未达到要求的情况下，重复向钢液中加入直接还原铁进行氧化除杂的操作；

在步骤S5中对脱碳去气除杂操作后的钢液取样分析确定碳含量未达到要求的情况下，则向钢液中加入高碳废钢和/或生铁调整碳含量；

其中：在步骤S1之前还包括：通过直接还原工艺获得所述直接还原铁，所述直接还原铁为气基还原的低碳直接还原铁，所述直接还原铁包括：固有的一定氧含量或未经充分还原所残留的FeO含量，用作所述氧化剂；脉石成分，包括SiO₂，Al₂O₃，CaO和MgO；以及制程中添加的CaO。

2.根据权利要求1所述的中频炉生产高质量钢的方法，其特征在于，在步骤S3中，在停止供电或调低供电功率后，进行除渣操作。

3.根据权利要求1所述的中频炉生产高质量钢的方法，其特征在于，在步骤S4中，根据脱碳量和炉渣情况进行多次除渣操作。

4.根据权利要求1所述的中频炉生产高质量钢的方法，其特征在于，在步骤S1中选配的金属炉料中还包含铁水。

5.根据权利要求1所述的中频炉生产高质量钢的方法，其特征在于，在步骤S4中，按照脱碳速度0.015-0.03％/min来控制直接还原铁的加入速度。

6.根据权利要求1所述的中频炉生产高质量钢的方法，其特征在于，在步骤S5中，加入1-2kg/t钢的硅铝球作为预脱氧剂。

7.根据权利要求1所述的中频炉生产高质量钢的方法，其特征在于，在步骤S5中，加入0.5-1kg/t钢的钢硅铝钡钙或硅钙块作为终脱氧剂。