CN111206181B - 一种含磷、铜合金钢的冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含磷、铜合金钢的冶炼方法，属于合金钢冶炼技术领域，解决了现有技术中冶炼时之间添加金属合金造成成本较高的问题。本发明冶炼方法包括以下步骤：步骤1.转炉冶炼时将将含磷量0.2％以上的铁水作为原料；步骤2.加入废钢和废铜；步骤3.通过控制供氧量、终渣碱度、炉渣T.Fe含量，并在转炉终点时增加底吹搅拌强度，进行脱磷；步骤4.出钢过程中，加入合金调整其他元素含量。本发明大大降低了含磷、铜合金钢的冶炼成本。

Description

一种含磷、铜合金钢的冶炼方法
技术领域
本发明属于合金钢冶炼技术领域，特别涉及一种含磷、铜合金钢的冶炼方法。
背景技术
耐大气腐蚀钢是在普通钢中添加Cu、P、Cr等元素，使其在大气中具有良好的耐腐蚀性能，同时具有良好的成型和焊接性能，已广泛应用于集装箱、铁路车辆、海港建筑行业。
耐大气腐蚀钢通常在转炉和电炉中冶炼，钢水吹炼结束后向钢中加入磷铁、紫铜、低碳铬铁、锰铁等合金，如中国专利(申请号201810044251.8一种耐工业大气腐蚀及其制备方法)。这种方法的缺点是添加的合金价格比较高，钢的生产成本每吨增加了约200元。为了降低此类钢的生产成本，本发明提供了一种低成本生产此类钢种的冶炼方法。
发明内容
鉴于以上分析，本发明旨在提供了一种含磷、铜合金钢的冶炼方法，解决了现有技术中冶炼时之间添加金属合金造成成本较高的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种含磷、铜合金钢的冶炼方法，包括以下步骤：
步骤1.转炉冶炼时将含磷量0.2％以上的铁水作为原料；
步骤2.加入废钢和废铜；
步骤3.通过控制供氧量、终渣碱度、炉渣T.Fe含量，并在转炉终点时增加底吹搅拌强度，进行脱磷；
步骤4.出钢过程中，加入合金调整其他元素含量。
进一步的，步骤3中，在转炉中后期加入锰矿和铬矿，调整锰和铬的含量。
进一步的，步骤1中，铁水的成分按质量百分比计为[C]4.0-4.4％，[Si]0.42-0.65％，[Mn]0.40-0.56％，[P]0.20-0.28％，[S]0.01-0.023％，[Cu]0.008-0.012％，[V]0.008-0.011％，[Cr]0.008-0.01％，其余为Fe和不可避免杂质；铁水温度T为1280-1320℃。
进一步的，步骤2中，废铜加入量为3.0-3.4kg/t，控制转炉终点温度为1640-1660℃。
进一步的，步骤3中，供氧量为45-51Nm3/t，终渣碱度为1.8-2.2，炉渣T.Fe含量为10-12％，底吹强度为0.02-0.25Nm3/(t·min)。
进一步的，步骤3中，转炉中后期加入锰矿37.39-40.72kg/t和铬矿10.0-14.7kg/t。
进一步的，步骤4中，出钢过程中加入硅锰2.12-2.32kg/t，硅铁2.85-3.02kg/t，进行配硅和脱氧操作。
进一步的，步骤3中，转炉顶吹供氧，吹炼初期和吹炼中期的供氧强度为3.2-3.5Nm3/(t·min)，吹炼后期供氧强度为2.8-3.0Nm3/(t·min)；总供氧量为45-51Nm3/t；
吹炼初期为第0-5min，吹炼中期为第6-10min，吹炼后期为第11-14min。
进一步的，步骤3中，底吹搅拌条件为：吹炼初期时，底吹供气强度为0.06-0.07Nm3/(t·min)，吹炼中期时，底吹供气强度为0.03-0.05Nm3/(t.imn)，吹炼后期时，底吹供气强度为0.08-0.15Nm3/(t·min)；
吹炼初期为顶吹供氧的第0-5min，吹炼中期为第6-10min，吹炼后期为第11-14min。
进一步的，含磷、铜合金钢的目标成分按质量百分比计为[C]0.18-0.21％，[Si]0.3-0.8％，[Mn]1.30-1.60％，[P]0.060-0.15％，[S]≤0.03％，[Cu]0.20-0.60％，[V]0.03-0.06％，[Cr]0.2-0.3％，其余为Fe和不可避免杂质。
与现有技术相比，本发明至少能实现以下技术效果之一：
1)本发明合金钢的冶炼方法，采用含磷量较高(0.2％以上)的低成本铁水作为原料、通过加入锰矿、铬矿来调整合金钢中锰、铬含量，来实现低成本耐蚀钢的冶炼。含磷量较高的原料价格较低，废铜为废弃的铜线等，加入废铜而不是紫铜线也会降低冶炼成本，锰矿、铬矿相较于硅锰、硅铁、低碳铬铁合金成本也大幅度降低，加入废钢提高了产量。炼钢过程的高温条件下，钢水中的碳含量易于还原锰、铬、铜、磷的氧化物，被还原的金属进入钢水中，实现了氧化物的还原。相比与现有技术中通过加入金属合金来调整钢中各种元素含量的方法，本发明大大降低了冶炼成本。
2)本发明通过供氧量、终渣碱度、底吹强度的综合控制，进行脱磷，调整合金钢中磷的含量。碱度越高，脱磷率越高，但本发明用于耐蚀钢的冶炼时，钢中P含量不能太低，所以控制终渣碱度为1.8-2.2；顶吹氧气在顶吹初、中期与顶吹后期强度不同，顶吹后期强度减小，吹氧量少，使铁水中磷氧化的少，防止P氧化后进入炉渣中，控制留在钢水中的磷含量；转炉终点增大底吹强度，使得钢水中铁与C混合均匀，减少钢水过氧化，此时钢水中氧化铁含量低，不利脱磷，可保持钢中磷含量。
3)转炉冶炼中，从加料开始即进行底吹，不同时期的底吹强度不同。吹炼初期底吹强度大，搅拌快，有利于原料的熔化，使原料能快速混合均匀；吹炼中期强度减小，搅拌减慢，有利于钢水中的碳氧反应，提高还原效果；转炉终点增大底吹强度，可使钢水混合均匀，钢水中铁与C混合均匀，减少钢水过氧化，降低氧化铁的生成量，抑制铁进入炉渣，增加产量，同时可保持钢中磷含量。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为锰、铜、铬、磷氧化物被碳还原的吉布斯自由能图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对一种含磷、铜合金钢的冶炼方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。
一种含磷、铜合金钢的冶炼方法，转炉冶炼时通过加入低成本的原料来实现低成本耐蚀钢的冶炼，包括以下步骤：
步骤1.转炉冶炼时将含磷量较高(0.2％以上)的低成本原料冶炼成铁水；一般含磷量较高的原料成本都会较低，本发明采用磷含量在0.2-0.5％之间的原料。
步骤2.加入废钢和废铜；
步骤3.通过控制供氧量、终渣碱度、炉渣T.Fe含量，并在转炉终点时增加底吹搅拌强度，搅拌熔池，进行脱磷；
步骤4.出钢过程中，加入合金调整其他元素含量。
当含磷、铜合金钢成分中含锰和铬时，在步骤3中，冶炼过程中，在转炉中后期，即吹炼10-12min时，加入锰矿和铬矿，调整锰和铬的含量。
以冶炼耐工业大气腐蚀钢为例，含磷、铜合金钢的目标成分按质量百分比计为[C]0.18-0.21％，[Si]0.3-0.8％，[Mn]1.30-1.60％，[P]0.060-0.15％，[S]≤0.03％，[Cu]0.20-0.60％，[V]0.03-0.06％，[Cr]0.2-0.3％，其余为Fe和不可避免杂质。
转炉冶炼时通过加入低成本的原料来实现低成本耐蚀钢的冶炼。具体方法是采用含磷量较高的铁水，步骤1中，铁水的成分按质量百分比计为[C]4.0-4.4％，[Si]0.42-0.65％，[Mn]0.40-0.56％，[P]0.20-0.28％，[S]0.01-0.023％，[Cu]0.008-0.012％，[V]0.008-0.011％，[Cr]0.008-0.01％，其余为Fe和不可避免杂质；铁水温度T为1280-1320℃。
步骤2中，加入的废钢量为铁水质量的5-20％，加入废钢可提高产量，但加入过多会造成无法熔化等问题。废铜(含铜98％以上)与废钢同时加入。废铜为废弃的铜线等，加入废铜而不是紫铜线也会降低冶炼成本，废铜加入量为3.0-3.4kg/t，控制要点是转炉终点温度在1640-1660℃，保持终点炉渣和钢水较低的氧化性。
步骤3中，冶炼过程中通过控制供氧量为45-51Nm3/t，终渣碱度为1.8-2.2，炉渣T.Fe含量为10-12％，转炉终点时底吹搅拌，底吹强度为0.02-0.25Nm3/(t·min)的方法，保证钢水的脱磷率在40-50％，终点钢水磷含量在0.1％左右。
碱度越高，脱磷率越高，但本发明用于耐蚀钢的冶炼时，钢中P含量不能太低，所以控制终渣碱度为1.8-2.2。渣料加入制度为：开吹氧时加入石灰10kg/t，镁球10-20kg/t，吹炼6min内，加入剩余的10-20kg/t石灰，镁球0-10kg/t。
优选的，转炉顶吹供氧，吹炼初期和吹炼中期的供氧强度为3.2-3.5Nm3/(t·min)，吹炼后期供氧强度为2.8-3.0Nm3/(t·min)；总供氧量为45-51Nm3/t。转炉顶吹供氧是为了降低钢水中的C含量，剩余的C再对锰矿、铬矿等进行还原。顶吹氧气在顶吹初、中期与顶吹后期强度不同，顶吹后期强度减小，吹氧量少，使铁水中磷氧化的少，防止P氧化后进入炉渣中，控制留在钢水中的磷含量。
吹炼初期为第0-5min，吹炼中期为第6-10min，吹炼后期为第11-14min。
优选的，底吹搅拌条件为：吹炼初期时，底吹供气强度为0.06-0.07Nm3/(t·min)，吹炼中期时，底吹供气强度为0.03-0.05Nm3/(t.imn)，吹炼后期时，底吹供气强度为0.08-0.10Nm3/(t·min)。底吹气体为N2或Ar，或者N2与Ar互切，前十分钟为N2，之后切换为Ar。
吹炼初期底吹强度大，搅拌快，有利于原料的融化，使原料能快速混合均匀；吹炼中期强度减小，搅拌减慢，有利于钢水中的碳氧反应，提高还原效果；转炉终点增大底吹强度，使得钢水中铁与C混合均匀，减少钢水过氧化，此时钢水中氧化铁含量低，不利脱磷，可保持钢中磷含量。
且转炉终点增大底吹强度，可使钢水混合均匀，钢水中铁与C混合均匀，减少钢水过氧化，降低氧化铁的生成量，抑制铁进入炉渣，增加产量。
本发明含磷、铜合金钢中锰含量和铬含量的控制，是在转炉中后期加入锰矿37.39-40.72kg/t和铬矿10.0-14.7kg/t。锰矿化学成分按质量百分比计为TMn＝40.0-44.8％，SiO2＝14-17％，TFe＝10.2-12.6％，P＝0.10-0.13％，S＝0.012-0.020％，其余为杂质。铬矿化学成分按质量百分比计为TCr＝30.2-32.85％，SiO2＝8.29-9.85％，TFe＝13-16.1％，MgO＝12-16％，Al2O3＝10.8-12.81％，其余为杂质。控制要点是转炉终点[C]0.08-0.12％，炉渣碱度为1.8-2.2，炉渣T.Fe10-12％，T 1640-1660℃。保证锰的收得率在70％以上，铬还原率在60％以上。得到的锰含量1.20-1.30％，铬含量为0.2-0.3％之间。
步骤4中，熔炼钢水冶炼后，出钢过程中加入硅锰2.12-2.32kg/t(硅锰中锰含量为65-70％，硅含量为20-25％，其余为铁和杂质元素)，硅铁2.85-3.02kg/t(硅铁中硅含量为75-80％，其余为铁和杂质元素)，进行配硅和脱氧操作。配硅的同时对锰含量进行调整补充。
出钢过程或吹氩站过程中，对含量较低的元素成分进行调整，元素含量较目标含量低可进行补充增加，但若元素含量超出目标含量则很难减少。
出钢过程和吹氩站过程，钢包底部吹入氩气进行搅拌，目的是搅拌钢水，使钢水成分均匀。出钢过程中控制钢包底吹强度为0.003-0.006Nm3/(t·min)，吹氩站过程控制钢包底吹强度为0.006-0.008Nm3/(t·min)。出钢过程和吹氩站过程中底部吹入氩气是为了使在此过程中加入的合金加速融化并与钢水搅拌均匀。底部吹入氩气的强度相对于转炉冶炼时的底吹强度明显减小，是因为若强度太大，容易将空气中的N2卷入钢水中，对钢产生不良影响。
通过加入低成本原料，冶炼含磷和含铜钢合金成本由234.6元/t降低到101.7-113.2元/t，节省成本121.4-132.9元/t，如表1所示。由表可知，采用本发明的方法，大大降低了生产含铜、含磷钢的成本。
表1生产耐蚀钢筋炉后加料工艺和本发明成本比较
Figure GDA0002991298550000081
本发明的基本原理是在炼钢过程的高温条件下(1640-1660℃)，钢水中的碳含量很容易于还原炉渣中锰、铬、铜、磷的氧化物，被还原的金属进入钢水中，实现了氧化物的还原。发生的反应如下：
C(S)+MnO(S)＝Mn(S)+CO(g) ΔG0＝270960-159.52T (1)
C(S)+CuO(S)＝Cu(s)+CO(g) ΔG0＝37860-171.12T (2)
C(S)+1/3Cr2O3(S)＝CO(g)+2/3Cr(s) ΔG0＝249747-165.08T (3)
C(S)+1/5P2O5(s)＝CO(g)+1/5P2(g) ΔG0＝201200-186.9T (4)
C(S)+1/5(3CaO·P2O5(S))＝CO(g)+1/5P2(g)ΔG0＝663960-298.16T (5)具体的吉布斯自由能变化如图1所示。由图可知，氧化铜很容易被碳还原，温度大于1240℃时氧化铬被碳还原，温度大于1426℃时氧化锰被碳还原。
本发明低成本冶炼方法也适合于其他含磷、铜的钢种，如国标GB/T4171-2008中的耐候结构钢等。
以冶炼耐工业大气腐蚀钢为例，其熔炼钢水的目标成分为：[C]0.18-0.21％，[Si]0.3-0.8％，[Mn]1.30-1.60％，[P]0.060-0.15％，[S]≤0.03％，[Cu]0.20-0.60％，[V]0.03-0.06％，[Cr]0.2-0.3％，其余为Fe和不可避免杂质。
实施例1，炼钢过程中采用含磷量较高的铁水，铁水重量为38.0t，铁水成分为[C]4.2％，[Si]0.48％，[Mn]0.40-0.56％，[P]0.20-0.28％，[S]0.01-0.023％，[Cu]0.008-0.012％，[V]0.008-0.011％，[Cr]0.008-0.01％，其余为Fe和不可避免杂，T1300-1320℃。加入废钢量为7t，其中包括废铜，废铜加入量为130kg。
吹炼过程中，加入1000kg石灰、镁球500kg，锰矿1640kg，铬矿525kg。共吹炼14.0min，耗氧量为2025m3。吹炼终点，钢水温度为1640-1660℃，碳含量为0.10％，磷含量为0.098％，炉渣碱度为2.0，T.Fe含量为12％。转炉终点(11-14.0min)后吹强搅拌，底吹供气强度为0.13Nm3/(t·min)。
吹炼结束，出钢过程中加入硅锰91kg，硅铁124kg，进行配硅和脱氧操作。出钢过程和吹氩站过程，钢包底部吹入氩气进行搅拌。出钢过程中控制钢包底吹强度为0.005Nm3/(t·min)，吹氩站过程控制钢包底吹强度为0.007Nm3/(t·min)。出钢过程和吹氩站过程，采用合金对其他成分进行调整补充。
转炉炉后得到钢水成分为[C]0.21％，[Si]0.37％，[Mn]1.43％，[P]0.089％，[S]0.023％，[Cu]0.32％，[V]0.04％，[Cr]0.28％，其余为Fe和不可避免杂质，温度为1600℃，满足钢种冶炼成分和温度的要求。
实施例2
炼钢过程中采用含磷量较高的铁水，铁水重量为40.0t，铁水成分为[C]4.1％，[Si]0.43％，[Mn]0.42％，[P]0.21％，[S]0.018％，[Cu]0.01％，[V]0.008％，[Cr]0.01％，其余为Fe和不可避免杂质，T1320℃。加入废钢量为8t，其中包括废铜，废铜加入量为140kg。
吹炼过程中，加入1200kg石灰、镁球520kg，锰矿1800kg，铬矿460kg。共吹炼13.6min，耗氧量为2160m3。吹炼终点，钢水温度为1648℃，碳含量为0.11％，磷含量为0.10％，炉渣碱度为1.9，T.Fe含量为11％。转炉终点(11-14.0min)后吹强搅拌，底吹供气强度为0.15Nm3/(t·min)。
吹炼结束后，出钢过程中加入硅锰100kg，硅铁129kg，进行配硅和脱氧操作。出钢过程和吹氩站过程，钢包底部吹入氩气进行搅拌。出钢过程中控制钢包底吹强度为0.004Nm3/(t·min)，吹氩站过程控制钢包底吹强度为0.008Nm3/(t·min)。出钢过程和吹氩站过程，采用合金对其他成分进行调整补充。
转炉炉后得到钢水成分为[C]0.19％，[Si]0.32％，[Mn]1.38％，[P]0.12％，[S]0.024％，[Cu]0.29％，[V]0.04％，[Cr]0.25％，其余为Fe和不可避免杂质，温度为1610℃，满足钢种冶炼成分和温度的要求。
实施例3
炼钢过程中采用含磷量较高的铁水，铁水重量为37.0t，铁水成分为[C]4.4％，[Si]0.52％，[Mn]0.45％，[P]0.25％，[S]0.019％，[Cu]0.01％，[V]0.011％，[Cr]0.01％，其余为Fe和不可避免杂质，T1310℃。加入废钢量为7t，其中包括废铜，废铜加入量为140kg。
吹炼过程中，加入1350kg石灰、镁球460kg，锰矿1700kg，铬矿660kg。共吹炼13.8min，耗氧量为1987m3。吹炼终点，钢水温度为1650℃，碳含量为0.13％，磷含量为0.093％，炉渣碱度为2.0，T.Fe含量为12％。转炉终点(11-14.0min)后吹强搅拌，底吹供气强度为0.12Nm3/(t·min)。
吹炼结束，出钢过程中加入硅锰103kg，硅铁136kg，进行配硅和脱氧操作。出钢过程和吹氩站过程，钢包底部吹入氩气进行搅拌。出钢过程中控制钢包底吹强度为0.005Nm3/(t·min)，吹氩站过程控制钢包底吹强度为0.008Nm3/(t·min)。出钢过程和吹氩站过程，采用合金对其他成分进行调整补充。
转炉炉后得到钢水成分为[C]0.19％，[Si]0.42％，[Mn]1.35％，[P]0.096％，[S]0.027％，[Cu]0.30％，[V]0.03％，[Cr]0.29％，其余为Fe和不可避免杂质，温度为1610℃，满足钢种冶炼成分和温度的要求。
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。

Claims (9)

1.一种含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.转炉冶炼时将含磷量0.21％-0.5％的铁水作为原料；
步骤2.同时加入废钢和废铜；
步骤3.通过控制供氧量、终渣碱度、炉渣T.Fe含量，并在转炉终点时增加底吹搅拌强度，进行脱磷；
步骤4.出钢过程中，加入合金调整其他元素含量；
所述步骤3中，所述供氧量为45-51Nm3/t，终渣碱度为1.8-2.2，炉渣T.Fe含量为10-12％，底吹强度为0.02-0.25Nm3/(t·min)；
顶吹氧气在吹炼初期、中期与吹炼后期强度不同，吹炼后期顶吹氧气强度减小，吹氧量减小；
吹炼初期底吹强度大，吹炼中期底吹强度减小，吹炼后期底吹强度增大。
2.根据权利要求1所述的含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤3中，在转炉中后期加入锰矿和铬矿，调整锰和铬的含量。
3.根据权利要求1所述的含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤1中，铁水的成分按质量百分比计为[C]4.0-4.4％，[Si]0.42-0.65％，[Mn]0.40-0.56％，[P]0.20-0.28％，[S]0.01-0.023％，[Cu]0.008-0.012％，[V]0.008-0.011％，[Cr]0.008-0.01％，其余为Fe和不可避免杂质；铁水温度T为1280-1320℃。
4.根据权利要求1所述的含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤2中，废铜加入量为3.0-3.4kg/t，控制转炉终点温度为1640-1660℃。
5.根据权利要求2所述的含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤3中，转炉中后期加入锰矿37.39-40.72kg/t和铬矿10.0-14.7kg/t。
6.根据权利要求1所述的含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤4中，出钢过程中加入硅锰2.12-2.32kg/t，硅铁2.85-3.02kg/t，进行配硅和脱氧操作。
7.根据权利要求1所述的含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，步骤3中，转炉顶吹供氧，吹炼初期和吹炼中期的供氧强度为3.2-3.5Nm3/(t·min)，吹炼后期供氧强度为2.8-3.0Nm3/(t·min)；总供氧量为45-51Nm3/t；
吹炼初期为第0-5min，吹炼中期为第6-10min，吹炼后期为第11-14min。
8.根据权利要求7所述的含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，步骤3中，底吹搅拌条件为：吹炼初期时，底吹供气强度为0.06-0.07Nm3/(t·min)，吹炼中期时，底吹供气强度为0.03-0.05Nm3/(t·min)，吹炼后期时，底吹供气强度为0.08-0.15Nm3/(t·min)；
吹炼初期为顶吹供氧的第0-5min，吹炼中期为顶吹供氧的第6-10min，吹炼后期为顶吹供氧的第11-14min。
9.根据权利要求1-8任一项所述的含磷、铜合金钢的冶炼方法，其特征在于，所述含磷、铜合金钢的目标成分按质量百分比计为[C]0.18-0.21％，[Si]0.3-0.8％，[Mn]1.30-1.60％，[P]0.060-0.15％，[S]≤0.03％，[Cu]0.20-0.60％，[V]0.03-0.06％，[Cr]0.2-0.3％，其余为Fe和不可避免杂质。
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