CN115305306B - 火法提纯制备4n级高纯铁超低硫且超低氮控制方法 - Google Patents

火法提纯制备4n级高纯铁超低硫且超低氮控制方法 Download PDF

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Abstract

火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法，所述4N级高纯铁指铁元素wt％含量为99.97～99.99，所述超低硫指硫元素wt％含量为S≤0.0005，所述超低氮指氮元素wt％含量为N≤0.0015，并且该超低硫指标和超低氮指标为对高炉输出的高纯生铁铁水完成脱硫防氮操作的指标，通过铁水预处理脱硫工艺，例如KR法铁水预处理脱硫的基础上组合基于顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉的氧化提纯和基于真空精炼炉的真空脱硫脱氮，有利于在火法提纯制备4N级高纯铁中实现S≤0.0005％且N≤0.0015％的超低硫且超低氮指标控制，从而更好地促进超低硫且超低氮铁液的工业化生产。

Description

火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法
技术领域
本发明涉及高纯铁脱硫防增氮技术，特别是一种火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法，所述4N级高纯铁指铁元素wt％含量为99.97～99.99，所述超低硫指硫元素wt％含量为S≤0.0005，所述超低氮指氮元素wt％含量为N≤0.0015，并且该超低硫指标和超低氮指标为对高炉输出的高纯生铁铁水完成脱硫防氮操作的指标，通过铁水预处理脱硫工艺，例如KR法铁水预处理脱硫的基础上组合基于顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉的氧化提纯和基于真空精炼炉的真空脱硫脱氮，有利于在火法提纯制备4N级高纯铁中实现S≤0.0005％且N≤0.0015％的超低硫且超低氮指标控制，从而更好地促进超低硫且超低氮铁液的工业化生产。
背景技术
硫在钢中是以FeS形式存在。液态Fe与FeS可以无限互溶，但FeS在固态铁的溶解度很小，仅为0.015％～0.020％。当钢中硫含量超过0.020％时，钢水在冷却凝固时，Fe-FeS会以低熔点的共晶体呈网状分布于晶界处，此时当钢加工受压会造成晶界的破裂，这就是钢的“热脆”性。此外，硫明显地降低钢的焊接性能，引起高温龟裂，并在金属焊缝中产生许多气孔和疏松，从而降低焊缝的强度。随着人们对钢材性能要求的日益提高，对钢中硫含量的要求也越来越苛刻，一些抗HIC或SSCC管线钢等特殊要求的钢种(HIC，Hydrogen InducedCracking，氢致开裂；SSCC，Sulfide Stress Corrosion Cracking，硫化物应力腐蚀开裂)，控制钢中硫达到【S】≤5×10-6的极低含量。对于电磁纯铁和硅钢来说，随着钢中S含量的增加磁滞损失增加，严重影响材料的电磁性能。
纯铁是一种含碳量极低的铁，纯铁根据用途不同分为电工纯铁、原料纯铁和工业纯铁等，电工纯铁、原料纯铁中的硫元素一般要求控制在【S】≤5×10-6，且越低越好。在大多数钢中，氮除耐热及不锈钢外，是被视为一种有害元素。钢中氮化铁的析出会导致钢的时效性和蓝脆，降低钢的韧性和塑性；氮还能与钢中的钛、铝等元素形成带棱角的脆性夹杂物，不利于钢的冷变形加工；钢中的氮还能降低钢的焊接性能、电导率和导磁率等；钢中的含氮量偏高会使铸坯开裂。在纯铁的生产中氮也是必须控制的元素，而且越低越好。
目前，生产低硫低氮工业纯铁一般采用的方法是：高炉铁水采用铁水预处理脱硫，铁水【S】≤0.002％时，扒净渣兑入转炉；转炉冶炼采用全铁法冶炼，全程氩气复吹；转炉冶炼完成后采用不脱氧出钢；出钢后到LF炉进行深脱硫处理。脱硫后可使纯铁中硫降至【S】≤10×10-6以下，如继续降低到【S】≤5×10-6是很难做到的。在LF炉进行深脱硫的过程中，由于电极能把空气中的氮电离，以及搅拌渣改质中也会发生增氮，纯铁液虽然进行了深脱硫，但增氮量较大，一般在30×10-6左右，最大增氮量可高达40×10-6。
LF炉脱硫过程是一个还原过程(LF，Ladle Furnace，钢包精炼炉)，首先要造还原渣，通过电弧加热和电离渣料，对其进行改质(从氧化性改变为还原性)，借助精炼包底吹氩的搅拌加快改质进程。这个过程中增N最大的环节是空气被电弧电离，空气中的氮气电离成氮离子或氮原子，被铁液吸附增N；顶渣改质搅拌时，铁液液面裸露与空气接触直接吸N；顶渣改质用和渣料或脱氧剂中的氮会进入铁液造成增N。如能杜绝空气与电弧接触，杜绝空气与铁液液面接触，采用低N的渣料和脱氧剂，就可以在LF炉脱S过程中不增N，实现超低S超低N纯铁的生产制备。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法，所述4N级高纯铁指铁元素wt％含量为99.97～99.99，所述超低硫指硫元素wt％含量为S≤0.0005，所述超低氮指氮元素wt％含量为N≤0.0015，并且该超低硫指标和超低氮指标为对高炉输出的高纯生铁铁水完成脱硫防氮操作的指标，通过铁水预处理脱硫工艺，例如KR法铁水预处理脱硫的基础上组合基于顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉的氧化提纯和基于真空精炼炉的真空脱硫脱氮，有利于在火法提纯制备4N级高纯铁中实现S≤0.0005％且N≤0.0015％的超低硫且超低氮指标控制，从而更好地促进超低硫且超低氮铁液的工业化生产。
本发明的技术解决方案如下：
火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A，对从高炉输出的高炉铁水进行铁水预处理脱硫，得到第一阶段脱硫铁液；步骤B，将所述第一阶段脱硫铁液兑入到顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉中进行氧化提纯，得到第二阶段提纯铁液；步骤C，将所述第二阶段提纯铁液注入钢包内，将所述钢包放入真空精炼炉，利用所述真空精炼炉中的真空环境去除所述钢包内铁液中的氮并避免增氮或吸氮，利用所述真空精炼炉中的真空碳脱氧而导致的顶渣氧化性降低来促进脱硫，得到第三阶段提纯铁液，所述第三阶段提纯铁液达到以wt％含量计S≤0.0005且N≤0.0015的超低硫且超低氮指标。
所述4N级高纯铁指铁元素wt％含量为99.97～99.99。
所述步骤C中的真空精炼炉为真空等离子精炼炉或者真空感应精炼炉或者VAD真空电弧精炼炉。
所述VAD真空电弧精炼炉包括带有抽真空接口的真空室，所述真空室的顶部设置有延伸到所述钢包顶渣层中的电极，所述钢包的底部设置有底吹氩接口。
在所述VAD真空电弧精炼炉的脱硫过程中，对其脱氧、加渣料、升温和搅拌均在真空下进行，以避免电极对空气电离而导致的铁液中增氮和/或吸氮。
所述渣料包括分批加入到所述钢包内的萤石和预熔脱硫渣，随所述渣料加入铝粒脱氧剂对顶渣脱氧，铝粒加入量使顶渣中氧化铁(FeO)的wt％含量控制在≯0.5％，底吹氩流量50～100Nm3/h，Nm3为标立方米，h为小时。
所述步骤A中的铁水预处理脱硫采用KR法。
所述步骤A中的第一阶段脱硫铁液中以wt％含量计S≤0.0020。
所述步骤B中的顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉包括设置于炉体底部的底吹枪，设置于炉体侧部的侧吹枪，设置于炉体顶部的顶吹氧枪和复枪，所述复枪用于测温、取样、定碳、和/或定氧，所述步骤B中的氧化提纯采用全铁法冶炼，在出铁液注入钢包的过程中，采用滑板挡渣和不脱氧，出铁液前90秒对钢包进行底吹氩操作，将钢包内的空气驱赶出去，以防吸氮增氮。
所述步骤B中的顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉为防止提纯过程中增氮，吹炼过程中采用铁液中自由氧量控制在500～650ppm的强氧化性提纯冶炼，所述底吹枪全程采用氩气做搅拌气体。
本发明技术效果如下：本发明火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法，采用真空精炼炉(例如VAD精炼炉，VAD，vacuum arc degassing，真空电弧脱气)替代LF炉对铁液深脱硫，能够使得铁液精炼工序深脱硫过程中不增氮，还能实现真空脱氧顶渣快速改质深度极致除硫，满足纯铁对超低硫超低氮的要求。
本发明的特点如下：①高纯铁的纯度99.97-99.99％(4N)。通过火法冶炼提纯去除其它杂质元素，4N高纯铁成分达到(但不限于)如下要求：C≤0.0005％，Si≤0.001％，Mn≤0.0015％，P≤0.0005％，S≤0.0005％，Ti≤0.0001％，Al≤0.002％，Cr≤0.0005％，Cu≤0.001％，Ni≤0.0020％，O≤0.002％，除铁外其他元素含量不大于0.030％，铁含量为99.97％～99.99％。②铁水预处理脱硫是最有效的脱硫方式，可以把铁水中的硫含量控制在20×10-6以下，但在后续铁水提纯冶炼过程中，由于原材料和钢铁料的影响会使铁水中硫有一定量的增加，所以控制入炉原材料中硫含量，以及采用全铁法冶炼，对控制铁水中的硫含量增加是必要的。③本发明不采用LF炉对铁液进行深脱硫。由于铁水预处理脱硫的铁水在提纯冶炼过程中其硫含量有一定的增加，另一方面为了达到深脱硫的目的，一般在精炼工序提纯时采用LF炉进行深脱硫。采用LF炉深脱硫过程中，需要对精炼包进行长时间的升温，进行化渣和铁液升温，会导致空气中的氮气电离进入到铁液中，导致增氮现象。④采用VAD精炼炉替代LF炉对铁液深脱硫，解决了铁液精炼工序深脱硫过程中不增氮，还能实现真空脱氧顶渣快速改质深度极致除硫，满足纯铁对超低硫的要求。⑤采用本方法对铁液除硫提纯后，可达到铁液中的硫可控制在【S】≤5×10-6以下，最低可达到≤3×10-6。
本发明方法验证结果如下：
本发明的铁水预处理脱硫+顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉氧化提纯+VAD精炼，铁液中S为0.0005％，N为0.0013％。
对比工艺中原脱硫控氮方法(LF精炼炉)铁液中S为0.0010％，N为0.0038％。
两者比较，本发明的脱硫控氮效果极为显著，达到了超低硫且超低氮的控制目标。
附图说明
图1是实施本发明火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法中的VAD真空电弧精炼炉示意图(VAD，vacuum arc degassing，真空电弧脱气)。
图2是实施本发明火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法中的顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉示意图。
附图标记列示如下：1-真空室；2-抽真空接口；3-电极；4-钢包(或称之为精炼包)；5-底吹氩接口；6-顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉；7-底吹枪；8-侧吹枪；9-顶吹氧枪；10-复枪(用于测温、取样、定碳、定氧等)。
具体实施方式
下面结合实施例和附图(图1-图2)对本发明进行说明。
图1是实施本发明火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法中的VAD真空电弧精炼炉示意图，图2是实施本发明火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法中的顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉示意图。参考图1至图2所示，火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法，包括以下步骤：步骤A，对从高炉输出的高炉铁水进行铁水预处理脱硫，得到第一阶段脱硫铁液；步骤B，将所述第一阶段脱硫铁液兑入到顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉6中进行氧化提纯，得到第二阶段提纯铁液；步骤C，将所述第二阶段提纯铁液注入钢包4内，将所述钢包4放入真空精炼炉，利用所述真空精炼炉中的真空环境去除所述钢包4内铁液中的氮并避免增氮或吸氮，利用所述真空精炼炉中的真空碳脱氧和顶渣改质，使顶渣氧化性降低来促进脱硫，得到第三阶段提纯铁液，所述第三阶段提纯铁液达到以wt％含量计S≤0.0005且N≤0.0015的超低硫且超低氮指标。所述4N级高纯铁指铁元素wt％含量为99.97～99.99。所述步骤C中的真空精炼炉为真空等离子精炼炉或者真空感应精炼炉或者VAD真空电弧精炼炉。所述VAD真空电弧精炼炉包括带有抽真空接口2的真空室1，所述真空室1的顶部设置有延伸到所述钢包4顶渣层中的电极3，所述钢包4的底部设置有底吹氩接口5。在所述VAD真空电弧精炼炉的脱硫过程中，对其脱氧、加渣料、升温和搅拌均在真空下进行，以避免电极对空气电离而导致的铁液中增氮和/或吸氮。所述渣料包括分批加入到所述钢包内的萤石和预熔脱硫渣，随所述渣料加入铝粒脱氧剂对顶渣脱氧，铝粒加入量使顶渣中氧化铁(FeO)的wt％含量控制在≯0.5％，底吹氩流量50～100Nm3/h，Nm3为标立方米，h为小时。
所述步骤A中的铁水预处理脱硫采用KR法(KR，Kambara Reactor，机械搅拌法脱硫)。所述步骤A中的第一阶段脱硫铁液中以wt％含量计S≤0.0020。所述步骤B中的顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉6包括设置于炉体底部的底吹枪7，设置于炉体侧部的侧吹枪8，设置于炉体顶部的顶吹氧枪9和复枪10，所述复枪10用于测温、取样、定碳、和/或定氧，所述步骤B中的氧化提纯采用全铁法冶炼，在出铁液注入钢包4的过程中，采用滑板挡渣和不脱氧，出铁液前90秒对钢包4进行底吹氩操作，将钢包4内的空气驱赶出去，以防吸氮增氮。所述步骤B中的顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉6为防止提纯过程中增氮，吹炼过程中采用铁液中自由氧量控制在500～650ppm的强氧化性提纯冶炼，所述底吹枪7全程采用氩气做搅拌气体。
铁液超低硫超低氮控制方法：
①铁液深脱硫工艺路线(结合火法提纯制备4N级高纯铁)：高炉铁水～铁水预处理脱硫～顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉(脱硅、锰、磷、碳和升温炉)～VAD(VAD，vacuum arcdegassing，真空电弧脱气)～扒渣～完成超低硫低氮铁液的制备。
②KR铁水预处理脱硫(KR，Kambara Reactor，机械搅拌法脱硫)，当铁水硫含量为【S】≤20×10-6以下时，停止处理扒去脱硫渣，脱硫后的铁水进入冶炼提纯。
③铁水兑入顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉，采用全铁法对铁水进行提纯冶炼。
④铁水在顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉冶炼提纯完成后，采用不脱氧出铁液的方式(以防增氮)，并采用滑板挡渣，将铁液注入精炼包内。
⑤铁液的精炼包吊运到VAD精炼炉，进行真空深脱硫处理：抽真空进行真空碳脱氧，完后再加入一定量的铝进行终脱氧，加入的铝量使铁液中的铝含量在0.02％～0.04％的范围内；向精炼包内分批加入800～1500kg和150～500kg的萤石，加入200～600kg的预熔脱硫渣，同时随渣料加入适量的铝粒对顶渣脱氧，铝粒加入量使顶渣中氧化铁(FeO)的wt％含量控制在≯0.5％；对精炼包进行升温处理，促使顶渣熔化；当顶渣全熔化后，增大底吹氩气搅拌强度，进行深脱硫处理，脱硫时间20～45min，底吹氩流量50～100Nm3/h，可完成对铁液的深度脱硫。可实现铁液硫含量在5×10-6以下。
⑥以上的精炼脱硫过程中，由于全程采用了真空处理，铁液不会有增氮现象，采用此工艺方法脱硫，可控制铁液中的氮含量在15×10-6以下。
对铁液深脱硫不增氮的生产工艺流程是：高炉铁水～KR法铁水预处理脱硫扒渣～顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉氧化提纯～氧化提纯后的铁液注入精炼包内(出铁液过程中采用滑板挡渣和注入过程中不脱氧)～VAD真空精炼深脱硫防增氮～完成铁液的超低硫低氮铁液的生产。
本发明的控制点如下：
①高炉铁水采用KR法进行铁水预处理脱硫扒渣，对铁水进行初脱硫处理；
②铁液经DP-COB提纯炉氧化提纯完成后，在出铁液注入精炼包的过程中，采用滑板挡渣和不脱氧，出铁液前90秒对精炼包进行底吹氩操作，将精炼包内的空气驱赶出去以防吸氮；
③采用VAD真空精炼设备，对铁液进行脱氧、深脱硫、防增氮是本发明的关键脱硫设施。
本发明是高炉铁水通过铁水预处理粗脱硫扒渣后，采用顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉对铁液提纯冶炼，再经过精炼工序采用VAD真空精炼炉进行深脱硫不增氮的新方法。为了防止顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉在提纯过程的增氮，采用用强氧化性提纯冶炼，吹炼过程中自由氧量控制在500～650ppm，底吹气体全程采用氩气做搅拌气体。出铁液注入精炼包的过程中，一方面出铁液90秒前向精炼包内吹氩气将包内的空气驱赶干净，另一方面采用不脱氧出铁液，以防吸氮增氮。对铁液在VAD真空精炼炉内深脱硫过程中，对其脱氧、加渣料、升温、搅拌等均在真空下进行，消除了电极对空气电离增氮和吸氮。VAD是真空精炼炉，在真空和底吹氩搅拌过程中，能加强对渣和铁液的进一步碳脱氧，降低了渣和钢的氧化性，促进脱硫。铁液中的氮在真空环境下，也有一定的去除效果。采用VAD真空精炼炉对铁液进行真空脱硫，可实现超低硫低氮铁液的工业化生产，对其它元素的提纯去除有积极的促进作用。本发明可实现【S】≤5×10-6以下，【N】≤15×10-6以下。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。

Claims (1)

1.火法提纯制备4N级高纯铁超低硫且超低氮控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A，对从高炉输出的高炉铁水进行铁水预处理脱硫，得到第一阶段脱硫铁液；步骤B，将所述第一阶段脱硫铁液兑入到顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉中进行氧化提纯，得到第二阶段提纯铁液；步骤C，将所述第二阶段提纯铁液注入钢包内，将所述钢包放入真空精炼炉，利用所述真空精炼炉中的真空环境去除所述钢包内铁液中的氮并避免增氮或吸氮，利用所述真空精炼炉中的真空碳脱氧而导致的顶渣氧化性降低来促进脱硫，得到第三阶段提纯铁液，所述第三阶段提纯铁液达到以wt%含量计S≤0.0005且N≤0.0015的超低硫且超低氮指标；
所述4N级高纯铁指铁元素wt%含量为99.97～99.99；
所述步骤A中的铁水预处理脱硫采用KR法；
所述步骤A中的第一阶段脱硫铁液中以wt%含量计S≤0.0020；
所述步骤B中的顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉包括设置于炉体底部的底吹枪，设置于炉体侧部的侧吹枪，设置于炉体顶部的顶吹氧枪和副枪，所述副枪用于测温、取样、定碳、和/或定氧，所述步骤B中的氧化提纯采用全铁法冶炼，在出铁液注入钢包的过程中，采用滑板挡渣和不脱氧，出铁液前90秒对钢包进行底吹氩操作，将钢包内的空气驱赶出去，以防增氮或吸氮；
所述步骤B中的顶底侧复合吹炼氧化提纯转炉为防止提纯过程中增氮，吹炼过程中将铁液中自由氧量控制在500～650ppm进行提纯冶炼，所述底吹枪全程采用氩气做搅拌气体；
所述步骤C中的真空精炼炉为真空等离子精炼炉或者真空感应精炼炉或者VAD真空电弧精炼炉；
所述VAD真空电弧精炼炉包括带有抽真空接口的真空室，所述真空室的顶部设置有延伸到所述钢包顶渣层中的电极，所述钢包的底部设置有底吹氩接口；
在所述VAD真空电弧精炼炉的脱硫过程中，其脱氧、加渣料、升温和搅拌均在真空下进行，以避免电极对空气电离而导致的铁液中增氮或吸氮；
铁液的精炼包吊运到VAD精炼炉，进行真空深脱硫处理：抽真空进行真空碳脱氧，然后再加入一定量的铝进行终脱氧，加入的铝量使铁液中的铝含量在0.02%～0.04%的范围内；向精炼包内分批加入800～1500kg和150～500kg的萤石，加入200～600kg的预熔脱硫渣，同时随渣料加入适量的铝粒对顶渣脱氧，铝粒加入量使顶渣中氧化铁FeO的wt%含量控制在≯0.5%；对精炼包进行升温处理，促使顶渣熔化；当顶渣全熔化后，增大底吹氩气搅拌强度，进行深脱硫处理，脱硫时间20～45min，底吹氩流量50～100Nm3/h，可完成对铁液的深度脱硫，可实现铁液硫含量在5×10-6以下，Nm3为标准立方米，h为小时。
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