CN114277215B - 一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法，包括步骤：（1）坩埚底部装入石灰，再装入其容量1/5～1/3的废钢；（2）通电熔清；（3）降低功率，根据钢水中锰的含量与目标成分中锰的含量计算加入脱锰用石灰、氧化铁皮或铁矿石、石英砂的重量，并分3～5批次加入，每批次加入后点渣、检测成分、扒渣；（4）分批次补加坩埚容量1/5～1/3的废钢，熔清后重复步骤（3）造氧化渣，至废钢全部加完并熔清且锰含量达到目标成分要求；（5）造还原渣；（6）合金化；（7）出钢。本发明可以完全解决中频感应炉用Mn含量0.8～1.1%的废钢冶炼Mn含量为0.3～0.6%的低锰钢这一技术难题，降低生产成本。

Description

一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法

技术领域

本发明属于中频感应炉冶炼技术领域，具体涉及一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法。

背景技术

我国是一个钢铁大国，年均钢产量已经超过10亿吨。我国的钢铁产业为国民经济的发展做出了卓越的贡献，当然也对环境造成了严重污染。近年来，随着环保形势的日益严峻，传统的烧结+高炉+转炉等长流程、高污染的冶金模式常受到人们诟病，而感应炉、电渣炉等清洁炼钢模式却不断受到人们的吹捧。现在，许多钢铁企业产能置换、环保搬迁都舍弃了原有的高炉炼铁流程，转而兴建电炉、感应炉等废钢冶炼流程。

我国废钢有个特点就是Mn比较高，这是由于我国的历史原因造成的。我国在1949年成立之后，基础设施薄弱、百废待举，当时的国际形势对我国非常不利，我国需要快速发展并赶超西方发达国家，这就需要以一个较高的速度维持工业化进程和基础设施建设，使得便宜且有较高强度的结构用钢需求量大增，由于Mn比较便宜，并且在钢中能起到很好的强化作用，所以直接成为我国结构用钢的最基本强化元素之一（另一个元素是Si），两种使用量最大的建筑结构用钢中，Q235钢含有1.4%的Mn、Q345钢中的Mn含量为1.7%。经过70多年的快速发展，我国生产了大量的结构用钢，也积累了相当数量的结构用废钢。据估算，我国结构用废钢储量在10～15亿吨之间，而这些废钢中的锰含量在0.8～1.1%之间，这些废钢已然成为电炉、转炉炼钢的理想原料，但作为中频感应炉原料是“不合格”的，因为中频感应炉冶炼的品种包括工模具钢、耐热钢、高速钢、高温合金等，这些合金均对锰含量有严格的限制，废钢中的Mn大多是超出其成分范围的（如耐热钢锰含量一般小于0.6%，高速钢锰含量一般小于0.4%，高温合金的锰含量一般小于0.3%），所以如果在感应炉炼钢中将废钢作为唯一的钢铁料（即冶炼过程中不加纯铁），则需要在炼钢过程脱锰0.2～0.8%。

而目前脱锰技术主要是集中在铁水预处理领域，在中频感应炉炼钢中，尚没有发布。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法，包括以下步骤：

（1）装炉：坩埚底部装入石灰作为底渣，再装入坩埚容量1/5～1/3的干燥废钢，废钢的装入重量为t₁；

（2）通电熔化：接通中频电源，以中等功率给电熔化，熔清后检测钢水中锰的重量含量为[Mn_i%]；

（3）造氧化渣：降低至保温功率，根据钢水中锰的重量含量[Mn_i%]与目标成分中锰的重量含量[Mn_f%]计算加入脱锰用石灰、氧化铁皮或铁矿石、石英砂的重量，并分3～5批次加入，每批次加入后点渣、检测锰含量、扒渣，依次重复该操作直至锰含量降低到目标成分；

此步骤中脱锰用石灰总加入重量=坩埚容量×1.5～3%－氧化铁皮或铁矿石总加入重量－石英砂总加入重量；

氧化铁皮或铁矿石总加入重量=0.99×( [Mn_i%]－[Mn_f%])×t₁；

石英砂总加入重量=0.9×( [Mn_i%]－[Mn_f%])×t₁；

（4）补加废钢：加入坩埚容量0.5-1.5%石灰，升功率，分批次补加废钢，每批次加入废钢的重量为坩埚容量的1/5～1/3，熔清后再造氧化渣，重复步骤（3），直至所有废钢加完并熔清且锰含量达到目标成分要求；

（5）造还原渣：扒除氧化渣，加入渣料造还原渣进行扩散脱氧；

（6）合金化：按照成分要求加入其它合金，熔清；

（7）出钢：调整好成分和温度后带电出钢；

所述高锰废钢中Mn的含量为0.8～1.1wt%，低锰钢中Mn的含量为0.3～0.6wt%。

所述步骤（1），石灰的加入重量为坩埚容量的1.5～3%。

所述步骤（5），提升钢液温度至1600～1640℃后，再加入渣料造还原渣。

所述步骤（5），扩散脱氧的时间为20～60min。

采用上述技术方案的理论依据如下：

（1）锰的脱除

废钢熔化后，在加入氧化铁皮/铁矿石和石英砂后形成氧化渣，在此氛围下，锰的氧化方式以间接氧化为主，即在渣钢界面处发生如下反应：

[Mn]+（FeO）＝（MnO）+[Fe]

∆G=-123.35+0.056T

上述反应在温度低时吉布斯自由能负值越大，所以，在温度较低的熔化期脱锰是较理想的阶段，反应产物以MnO形式进入渣中，并立即与渣中的SiO₂结合形成硅酸锰，MnO▪SiO₂熔点为1291℃，密度为3.72g/cm³，易溶于渣中。具体反应如下：

（MnO）+（SiO₂）＝（MnO▪SiO₂）

由于渣中有过量的自由SiO₂，故上述反应能不断向右进行，直至渣中无过量自由的SiO₂为止，所以控制氧化铁皮和石英砂加入量就可控制钢中锰的脱除量。

（2）造还原渣脱氧

[Mn]脱除至目标成分后，钢水处于过氧化状态，需要造还原渣扩散脱氧，甚至沉淀脱氧。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明采用氧化铁皮（铁矿石）、石英进行扩散脱锰，使钢中锰转变为MnO，而MnO与SiO₂能形成液态低密度的硅酸锰（MnO▪SiO₂），复合氧化物溶入渣中，从而达到了脱锰的效果，脱除锰后，再造还原渣，可以冶炼锰含量较低的钢种。本发明不仅可以完全解决中频感应炉冶炼高Mn废钢这一技术难题，大大降低生产成本，还可以对感应炉如何高效利用废钢提供了新的思路。

具体实施方式

本发明一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法，适用于利用Mn含量为0.8～1.1wt%的高锰废钢冶炼Mn含量为0.3～0.6wt%的低锰钢。具体采用下述设计构思和工艺：

冶炼前，先将待炼废钢中的水、冰、雪、油剂及其它杂物剔除，切割成适合炉料的尺寸，并在120℃～150℃烘烤干燥4～6h。

（1）装炉：坩埚底部装入其容量1.5～3wt%、粒径4～6cm的石灰作为底渣，以尽早形成渣层，再在上面装入坩埚容量1/5～1/3的干燥废钢，装入时下紧上松，废钢的装入重量为t₁。

（2）通电熔化：接通中频电源，以中等功率给电熔化，熔清后检测钢水中锰的重量含量为[Mn_i%]。

（3）造氧化渣：降低至保温功率，根据钢水中锰的重量含量[Mn_i%]与目标成分中锰的重量含量[Mn_f%]计算加入脱锰用石灰、氧化铁皮或铁矿石、石英砂的重量，并分3～5批次加入，每批次加入后点渣、检测锰含量、扒渣，依次重复操作直至待锰降低到目标成分；

此步骤中，脱锰用石灰总加入重量=坩埚容量×1.5～3%－氧化铁皮或铁矿石总加入重量－石英砂总加入重量；

氧化铁皮或铁矿石总加入重量=0.99×( [Mn_i%]－[Mn_f%])×t₁；

石英砂总加入重量=0.9×([Mn_i%]－[Mn_f%])×t₁。

（4）补加废钢：加入炉容量0.5-1.5%石灰，升功率，分批次补加废钢，每批次加入废钢的重量为坩埚容量的1/5～1/3，熔清后再造氧化渣，重复步骤（3），直至所有废钢加完并熔清且锰含量达到目标成分要求。

（5）造还原渣：扒除氧化渣，提升钢液温度至1600～1640℃，根据所炼目标成分加入石灰、硅钙粉、硅铁粉、铝粉、碳化钙等渣料造还原渣进行扩散脱氧，扩散脱氧时间根据炉容（即坩埚容量）大小维持20～60min；扩散脱氧后，加入钢芯铝、硅钙、硅铁等进行沉淀脱氧，具体加入种类由目标钢种成分确定；

冶炼低碳低硅（C:0.01～0.05%，Si:0.05～0.15%）的高温合金、精密合金时，加入铝石灰、铝粉作为造渣剂，铝石灰加入量为钢水重量的0.4～0.6wt%，铝粉加入量为钢水重量的0.3～0.4wt%；对于冶炼碳含量较高（C:0.6～1.2%）的工具钢时，加入钢水重量0.1～0.2wt%碳粉、0.2～0.4wt%的碳化钙作为造渣剂；如果冶炼硅含量较高（Si:0.4～1.0%）的镍铬不锈钢、硅钢时，则加入钢水重量0.2～0.4wt%硅钙粉和0.3～0.5wt%硅铁粉作为造渣剂；造还原渣脱氧后，后续的冶炼与传统冶炼方式相同；

扩散脱氧时间与炉容大小的关系为：炉容≤500kg时，扩散脱氧时间为20～40min；1t≤炉容≤5t时，扩散脱氧时间为30～50min，炉容≥6t时，扩散脱氧时间为40～60min；

[Mn]脱除至目标成分后，钢水处于过氧化状态，因此需要造还原渣扩散脱氧，甚至沉淀脱氧。

（6）合金化：按照成分要求加入其它合金，加入顺序是先加不易氧化、后加易氧化的合金，熔清。

（7）出钢：调整好成分和温度后带电出钢。

实施例1

本实施例采用额定容量500kg中频感应炉冶炼高速钢M2，其化学成分及目标含量见表1。

使用的废钢中锰含量0.8wt%，其他原料有硅铁（Si含量55wt%）、碳粉（C含量90wt%）、中碳铬铁（Cr含量70wt%，C含量1wt%）、钨铁（W含量70wt%）、钼铁（Mo含量65wt%）、钒铁（V含量50wt%，Si含量2wt%）。冶炼步骤如下：

（1）坩埚底部装入粒径4～6cm的石灰7.5kg，再加入150kg的干燥废钢；

（2）给电熔化，熔清后检测钢水中锰的重量含量为0.78%；

（3）熔清后调至保温功率，根据钢水中锰的重量含量0.78%与目标成分中锰的重量含量0.3%计算加入脱锰用石灰、氧化铁皮、石英砂的重量；

氧化铁皮总加入重量=0.99×([Mn_i%]－[Mn_f%])×150=0.99×(0.78%－0.3%) ×150=0.71kg；

石英砂总加入重量=0.9×([Mn_i%]－[Mn_f%])×150=0.9×(0.78%－0.3%) ×150=0.65kg；

此步骤中，脱锰用石灰总加入重量=坩埚容量×1.5～3%－氧化铁皮总加入重量－石英砂总加入重量=500×3%－0.71－0.65=13.64kg；

分2批次加入上述重量的氧化铁皮、石英砂、石灰，每次加完渣后点渣15min，待锰的重量含量降低到0.3%后再扒渣。

（4）加入7.5kg石灰，升功率，再加入150kg废钢，熔清后重复步骤（3）继续脱锰，待Mn含量降为0.3%后加入剩余的80kg废钢，熔清后继续重复步骤（3）脱锰至0.3%。

（5）升温至1600℃，扒氧化渣，加入5kg石灰、1kg碳粉、2kg碳化钙、0.5kg硅铁粉造还原渣进行扩散脱氧，维持20min。

（6）依批次加入42.8kg钨铁、38.5kg钼铁、20kg钒铁、28.6kg铬铁、2kg硅铁，确保前一批合金完全熔化后再加入下一批合金。

（7）进行成分微调，合格后调整温度至1550℃，带电快速出钢。

冶炼完毕对上述M2钢锭成分进行检测，检测结果见表1。

高速钢M2属于高附加值的钢种，也是Mn含量较低的钢种，以往的冶炼多采用纯铁作为钢铁原料，成本高，而且纯铁熔化时易发粘，容易结壳和架桥，熔化期需严格做好防氧化措施，相比而言，采用废钢冶炼不仅成本低，且熔化期需要氧化性气氛，所以完全不需要考虑防氧化措施，使操作变得大为简便。

表1：本实施例高速钢M2化学成分及含量（wt%）

实施例2

本实施例采用额定容量1t中频感应炉冶炼耐热钢1Cr11Ni2W2MoV，其化学成分及目标含量见表2。

使用的废钢中锰含量1.1wt%，其他原料有电解镍（Ni含量99.9wt%）、碳粉（C含量90wt%）、硅铁及硅铁粉（Si含量75wt%）、微碳铬铁（Cr含量70wt%，C含量0.03wt%）、钨铁（W含量70wt%）、钼铁（Mo含量65wt%）、钒铁（V含量50wt%）。冶炼步骤如下：

（1）坩埚底部装入粒径4～6cm的石灰30kg，再加入300kg的干燥废钢；

（2）给电熔化，熔清后检测钢水中锰的重量含量为1.08 %；

（3）熔清后调至保温功率，根据钢水中锰的重量含量1.08 %与目标成分中锰的重量含量0.5 %计算加入脱锰用石灰、铁矿石、石英砂的重量；

铁矿石总加入重量=0.99×([Mn_i%]－[Mn_f%])×300=0.99×(1.08%－0.5%) ×300=1.72kg；

石英砂总加入重量=0.9×([Mn_i%]－[Mn_f%])×300=0.9×(1.08%－0.5%) ×300=1.57kg；

此步骤中，脱锰用石灰总加入重量=坩埚容量×1.5～3%－铁矿石总加入重量－石英砂总加入重量=1000×2%－1.72－1.57=16.71kg；

分3批次加入上述重量的铁矿石、石英砂、石灰，每次加完渣后点渣20min，待锰的重量含量降低到0.5%后再扒渣。

（4）加入15kg石灰，升功率，再加入300kg废钢，熔清后重复步骤（3）继续脱锰，待Mn含量降为0.5%后加入剩余的210kg废钢，熔清后继续重复步骤（3）脱锰至0.5%。

（5）升温至1580℃，扒氧化渣，加入15kg石灰、3kg硅钙粉、2kg硅铁粉造还原渣进行扩散脱氧，维持40min，再加入5kg硅铁进行沉淀脱氧。

（6）依批次加入16kg镍板、25kg钨铁、6.4kg钼铁、4.8kg钒铁、157kg铬铁，确保前一批合金完全熔化后再加入下一批合金。

（7）进行成分微调，合格后调整温度至1560℃，带电快速出钢。

冶炼完毕对上述耐热钢1Cr11Ni2W2MoV钢锭成分进行检测，检测结果见表2。

1Cr11Ni2W2MoV属于耐热钢，合金总含量在15%左右，与高速钢M2一样，采用纯铁冶炼会发粘且成本较高，而采用废钢冶炼则完全可以避免这些问题，本例设计钢中合理锰含量为0.5%，废钢锰含量为1.1%，废钢总装入量810kg，只需加入4.64kg铁矿石、4.24kg石英砂即可达到脱锰要求。

表2：本实施例耐热钢1Cr11Ni2W2MoV化学成分及含量（wt%）

实施例3

本实施例采用额定容量5t中频感应炉冶炼GH2130，其化学成分及目标含量见表3。

使用的废钢中锰含量1.0wt%，其他原料有电解镍（Ni含量99.9wt%）、硅铁粉（Si含量75wt%）、微碳铬铁（Cr含量70wt%，C含量0.03wt%）、钨铁（W含量70wt%）、钼铁（Mo含量65wt%）、铝粉及铝粒（99wt%）、海绵钛（99wt%）。冶炼步骤如下：

（1）坩埚底部装入粒径4～6cm的石灰100kg，再加入1260kg的干燥废钢；

（2）给电熔化，熔清后检测钢水中锰的重量含量为0.96 %；

（3）熔清后调至保温功率，根据钢水中锰的重量含量0.96 %与目标成分中锰的重量含量0.4 %计算加入脱锰用石灰、氧化铁皮、石英砂的重量；

氧化铁皮总加入重量=0.99×([Mn_i%]－[Mn_f%])×1260=0.99×(0.96%－0.4%) ×1260=6.98kg；

石英砂总加入重量=0.9×([Mn_i%]－[Mn_f%])×1260=0.9×(0.96%－0.4%)×1260=6.35kg；

此步骤中，脱锰用石灰总加入重量=坩埚容量×1.5～3%－氧化铁皮总加入重量－石英砂总加入重量=5000×1.5%－6.98－6.35=61.67kg；

分5批次加入上述重量的氧化铁皮、石英砂、石灰，每次加完渣后点渣30min，待锰的重量含量降低到0.4%后再扒渣。

（4）加入20kg石灰，升温至1640℃，扒氧化渣，加入100kg石灰、30kg铝石灰、20kg铝粉造还原渣进行扩散脱氧，维持40min，再加入5kg钢芯铝进行沉淀脱氧。

（5）加入1t镍板、熔清后加入200kg钨铁、500kg铬铁，熔清。

（6）依批次加入1t镍板、228.5kg钨铁、571kg铬铁，熔清；确保前一批合金完全熔化后再加入下一批合金；向渣中加入10kg硅铁粉调渣，向钢中加入5kg钢芯铝进行终脱氧；检测W、Ni、Cr的含量；根据检测结果补加镍板、钨铁、铬铁（如必须），再加入160kg海绵钛、100kg铝粒。

（7）进行成分微调，合格后调整温度至1580℃，带电快速出钢。

冶炼完毕对上述高温合金GH2130钢锭成分进行检测，检测结果见表3。

GH2130属于铁基时效沉淀硬化高温合金，一般采用中频感应炉冶炼电渣自耗电极，本例采用5t中频炉冶炼，废钢总装入量1260kg，加入6.98kg氧化铁皮、6.35kg石英砂即可将锰由原来的1%降低到0.4%，操作简便，而且提前造还原渣避免了合金熔化氧化。

表3：本实施例高温合金GH2130化学成分及含量（wt%）

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Claims (4)

1.一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)装炉：坩埚底部装入石灰作为底渣，再装入坩埚容量1/5～1/3的干燥废钢，废钢的装入重量为t₁；

(2)通电熔化：接通中频电源，以中等功率给电熔化，熔清后检测钢水中锰的重量含量为[Mn_i％]；

(3)造氧化渣：降低至保温功率，根据钢水中锰的重量含量[Mn_i％]与目标成分中锰的重量含量[Mn_f％]计算加入脱锰用石灰、氧化铁皮或铁矿石、石英砂的重量，并分3～5批次加入，每批次加入后点渣、检测锰含量、扒渣，依次重复该操作直至锰含量降低到目标成分；

此步骤中脱锰用石灰总加入重量＝坩埚容量×1.5～3％－氧化铁皮或铁矿石总加入重量－石英砂总加入重量；

氧化铁皮或铁矿石总加入重量＝0.99×([Mn_i％]－[Mn_f％])×t₁；

石英砂总加入重量＝0.9×([Mn_i％]－[Mn_f％])×t₁；

(4)补加废钢：加入坩埚容量0.5-1.5％石灰，升功率，分批次补加废钢，每批次加入废钢的重量为坩埚容量的1/5～1/3，熔清后再造氧化渣，重复步骤(3)，直至所有废钢加完并熔清且锰含量达到目标成分要求；

(5)造还原渣：扒除氧化渣，加入渣料造还原渣进行扩散脱氧，之后进行沉淀脱氧；

(6)合金化：按照成分要求加入其它合金，熔清；

(7)出钢：调整好成分和温度后带电出钢；

所述高锰废钢中Mn的含量为0.8～1.1wt％，低锰钢中Mn的含量为0.3～0.6wt％。

2.根据权利要求1所述的一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法，其特征在于：所述步骤(1)，石灰的加入重量为坩埚容量的1.5～3％。

3.根据权利要求2所述的一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法，其特征在于：所述步骤(5)，提升钢液温度至1600～1640℃后，再加入渣料造还原渣。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种中频感应炉利用高锰废钢冶炼低锰钢的方法，其特征在于：所述步骤(5)，扩散脱氧的时间为20～60min。