CN116411216A - 中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法。该方法在惰性气氛、温度为1550～1650℃下，将含锑钢材熔清；将一定含量的钙硅铝系精炼渣覆于含锑钢液表面进行脱硫处理；再加入一定含量的铝粒进行深脱氧处理；随后加入含量为钙硅铝系精炼渣总质量的10～50wt％的精炼剂电石搅拌后，进行扒渣处理，即得到锑脱除的中低碳钢液。此法使得钢中锑的脱除率达30.6～46.8％，硫含量可控制在极低水平。该方法兼顾脱锑效率与生产成本低廉的同时，还兼容现有炼钢工艺与炼钢精炼操作同步开展运行；且工艺过程更加简单、工序时间短，适于大规模工业应用；克服了现有钢液中脱锑工艺存在生产成本高、铁损大、对设备要求苛刻等技术弊端。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼技术领域，尤其涉及一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法。
背景技术
在钢铁冶金过程中，由于铁矿石、铁合金和废钢等原材料以及部分辅助材料通常含有部分杂质元素，从而导致最后冶炼的钢液中含有大量杂质元素。其中多数杂质元素可以通过常规冶炼手段被去除。但部分残余元素，如锑、锡、铜和砷的氧化势均低于铁元素，在冶炼过程中不易被脱除甚至无法脱除。
近年来，随着市场对于钢材品质的要求不断提高，钢铁企业对于钢铁产品中残余元素的含量也开始愈发重视。这些难以脱除的残余元素往往会对钢材的性能产生不利的影响。锑作为钢中较为常见的残余元素之一，会降低钢材的强度和韧性，使得其高温脆性增加。此外，由于锑在冶炼过程中会随着废钢的回收利用而不断循环累积，若不及时对钢中的锑进行有效限制与脱除，废钢资源将不能被回收有效利用。届时，高质量绿色发展、低碳节能的钢铁行业总目标也无法顺利达成。
目前国内对于残余元素含量控制的办法主要为配料稀释法。该法采用高炉铁水、热压铁块(HBI)、冷/热直接还原铁(DRI)、碳化铁等残余元素含量低的废钢替代品对钢液进行稀释，通过对原料配比上的优化从而有效控制钢液中残余元素锑的含量，但该法并没有从根本上降低钢液中锑的总量。此外，还有蒸气压法、钙反应法等方法，但存在生产成本高、铁损大、对设备要求苛刻、技术操作难度大、难以实现工业化等技术弊端，因此尚不能大规模应用和推广。
公开号为CN115505679A的专利公开了一种去除钢中残余元素锑的炼钢方法，此法是在LF炉进站后迅速使预熔渣加入量≥2t；送电完毕后，喂入纯钙线150～200m；继续进行渣料配比，将精炼渣碱度控制在10～12，CaO/Al2O3＝1.8～2.0，并根据过程样喂入纯钙线，保持钢中[Ca]≥0.0020wt％；LF炉最后一次温度调整时再加入200kg石灰，并喂入200m纯钙线，软吹出站进入VD炉；VD炉破空喂入纯钙线150m，然后保持软吹状态直至上台浇注。钙的沸点低于冶炼温度且在钢液中溶解度较低，而该法却需要精炼全过程保证钢液中的[Ca]≥0.0020wt％，使得该法钙损严重，需要向钢液内多次、大量喂入纯钙线，生产成本高，操作较复杂。
因此，有必要设计一种更加成本低廉、工艺简单的方法来脱除中低碳钢液中的残留元素锑。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，通过在一定的冶炼温度下将进行初步脱硫和深度脱氧处理后的钢液中加入精炼剂电石，即可脱除中低碳钢液中残留元素锑。
为实现上述目的，本发明提供了一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，包括如下步骤：
S1、在以惰性气体作为保护性气氛、预定的冶炼温度条件下，将含锑钢材熔清，得到含锑钢液；
S2、将预定量的钙硅铝系精炼渣覆盖于步骤S1中所述含锑钢液的表面，隔绝气氛、进行初步脱硫处理；然后向所述含锑钢液中加入预定量的铝粒，进行深脱氧处理，进行预定反应时间后，得到预处理的钢液；
S3、在预定的冶炼温度下，向钢液中加入预定量的精炼剂电石后搅拌至预定时间，完成脱锑处理；
S4、完成脱锑后，对钢液表面的渣层进行扒渣处理，即得到锑脱除的中低碳钢液。
进一步地，步骤S1中所述含锑钢液中元素成分及含量为：C：0.02～0.25wt％、Si：0.10～0.30wt％、Mn：1.5～2.0wt％、P：0.002～0.010wt％、S：0.002～0.006wt％、Sb：0.01～0.15wt％、O：0.01～0.03wt％。
进一步地，步骤S2中所述钙硅铝系精炼渣的化学成分及重量百分比为：CaO：20～60wt％、SiO2：4～18wt％、Al2O3：16～60wt％；其中碱度CaO/SiO2的范围为3～12、CaO/Al2O3的范围为1～2.25；经过初步脱硫处理后的含锑钢液中硫含量控制在0.002～0.005wt％。
进一步地，步骤S2中所述预定量的铝粒为所述含锑钢液总质量的0.01～0.1wt％，进行深脱氧后所述预处理的钢液中总氧含量控制在5～60ppm；步骤S2中所述铝粒纯度大于等于99wt％。
进一步地，步骤S2中所述预定量的钙硅铝系精炼渣为所述含锑钢液质量的1～10wt％。
进一步地，步骤S3中所述精炼剂电石的质量占所述钙硅铝系精炼渣总质量的10～50wt％；所述精炼剂电石纯度为大于等于99.7wt％的分析纯。
进一步地，步骤S1和步骤S3中所述预定的冶炼温度为1550～1650℃。
进一步地，步骤S2中所述预定反应时间为5～30min；步骤S3中所述搅拌的预定时间为5～20min。
进一步地，步骤S3中所述搅拌的方式包括吹气搅拌、机械搅拌或电磁搅拌。
进一步地，步骤S1中所述惰性气体包括氩气或氮气。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，在钙硅铝精炼渣系的基础上配入了电石进行脱锑。借助一定的冶炼温度，将电石分解成钙和碳，提高钢液中的钙含量；而钙硅铝渣系在化渣后隔绝气体，为反应界面提供较低的氧分压，此外为后续钢液中脱锑产物的去除提供了良好的吸附环境。最终在进行脱锑时，还实现了优异的脱硫效果(脱硫率可达66～97％)，同时为其他可被钙脱除固定的残余元素(如锡等)提供了良好的脱除环境，功能性较强。
2、本发明提供的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，钢中残留元素锑的脱除率可达30.6～46.8％，硫含量可控制在极低水平。该方法在兼顾脱锑效率与生产成本低廉的同时，还可兼容现有炼钢工艺与炼钢精炼操作同步开展运行。此外，该工艺过程变得更加简单可控、工序时间短，适于大规模工业应用；克服了现有的各种钢液中脱除锑的工艺方法普遍存在生产成本高、铁损大、对设备要求苛刻、技术操作难度大、实现工业化困难等技术弊端。
附图说明
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。
另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
本发明提供的一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，包括以下步骤：
S1、在以惰性气体作为保护性气氛、冶炼温度为1550～1650℃的条件下，将含锑钢材熔清，得到含锑钢液；
S2、将预定量的钙硅铝系精炼渣覆盖于步骤S1中所述含锑钢液的表面，隔绝气氛、进行初步脱硫处理；然后向所述含锑钢液中加入预定量的铝粒，进行深脱氧处理，进行5～30min的反应时间后，得到预处理的钢液；所述预定量的钙硅铝系精炼渣为所述含锑钢液质量的1～10wt％；所述铝粒纯度大于等于99wt％，所述预定量的铝粒为所述含锑钢液总质量的0.01～0.1wt％，进行深脱氧后所述预处理的钢液中总氧含量控制在5～60ppm；
S3、在冶炼温度为1550～1650℃的条件下，向钢液中加入预定量的精炼剂电石后搅拌5～20min，完成脱锑处理；所述精炼剂电石纯度为大于等于99.7wt％的分析纯；所述精炼剂电石的质量占所述钙硅铝系精炼渣总质量的10～50wt％；
S4、完成脱锑后，对钢液表面的渣层进行扒渣处理，即得到锑脱除的中低碳钢液。
优选地，在本实施例中，步骤S1中所述含锑钢液中元素成分及含量为：C：0.02～0.25wt％、Si：0.10～0.30wt％、Mn：1.5～2.0wt％、P：0.002～0.010wt％、S：0.002～0.006wt％、Sb：0.01～0.15wt％、O：0.01～0.03wt％。
优选地，在本实施例中，步骤S2中所述钙硅铝系精炼渣的化学成分及重量百分比为：CaO：20～60wt％、SiO2：4～18wt％、Al2O3：16～60wt％；其中碱度CaO/SiO2的范围为3～12、CaO/Al2O3的范围为1～2.25；经过初步脱硫处理后的含锑钢液中硫含量控制在0.002～0.005wt％。
优选地，在本实施例中，步骤S3中所述搅拌的方式包括吹气搅拌、机械搅拌或电磁搅拌。
优选地，在本实施例中，步骤S1中所述惰性气体包括氩气或氮气。
下面结合实施例对本发明提供的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法进行具体说明。
实施例1
本实施例1采用的含锑钢液中各元素成分及含量为：C：0.02～0.15wt％、Si：0.10～0.30wt％、Mn：1.5～2.0wt％、P：0.002～0.010wt％、S：0.002～0.006wt％、Sb：0.01～0.15wt％、O：0.01～0.03wt％。
本实施例提供了一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，具体包括如下步骤：
S1、在氩气作为保护性气氛、冶炼温度控制在1550℃的条件下，将含锑钢材熔清，得到含锑钢液；
S2、将质量为含锑钢液总质量的5wt％的钙硅铝系精炼渣覆盖于步骤S1中所述含锑钢液的表面，隔绝气氛、进行初步脱硫处理；然后向所述含锑钢液中加入质量为含锑钢液总质量的0.04wt％的铝粒，进行深脱氧处理，反应10min后，得到预处理的钢液；所述钙硅铝系精炼渣化学成分及重量百分比为：CaO：50wt％、SiO2：10wt％、Al2O3：40wt％；所述铝粒纯度大于99wt％，进行深脱氧后所述预处理的钢液中总氧含量控制在5～60ppm；
S3、在冶炼温度为1550℃的条件下，向钢液中加入质量为所述钙硅铝系精炼渣总质量的25wt％的精炼剂电石后搅拌10min，完成脱锑处理；所述精炼剂电石纯度为大于99.7wt％的分析纯；
S4、完成脱锑后，对钢液表面的渣层进行扒渣处理，防止钢液回锑，即得到锑脱除的中低碳钢液。
本实施例1所制备的钢样经检测其脱锑率能达到45.8％，碳含量从0.057wt％增至0.2wt％，硫含量从0.0026wt％降至0.0006wt％。
实施例2～6
实施例2～6分别提供了一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，与实施例1相比，实施例2的区别仅在于步骤S1和步骤S3中控制的冶炼温度不同，实施例2中控制的冶炼温度为1650℃。与实施例1相比，实施例3的区别仅在于步骤S2中添加的钙硅铝系精炼渣含量不同，实施例3中添加的钙硅铝系精炼渣含量为含锑钢液总质量的3wt％。与实施例1相比，实施例4的区别仅在于步骤S2中添加的铝粒含量不同，实施例4中添加的铝粒含量为为含锑钢液总质量的0.1wt％。与实施例1相比，实施例5的区别仅在于步骤S3中添加的精炼剂电石含量不同，实施例5中添加的精炼剂电石含量为精炼渣总质量的40wt％。与实施例1相比，实施例6的区别仅在于步骤S3搅拌时间不同，实施例6中搅拌时间为15min。具体成分如表1所示。其他实验步骤与实施例1均一致，在此不在赘述。
对比例1～8
对比例1～8分别提供了一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，与实施例1相比，对比例1～2的区别仅在于步骤S1和步骤S3中控制的冶炼温度不同，对比例1～2中控制的冶炼温度分别为1510℃、1700℃。与实施例1相比，对比例3的区别仅在于步骤S2中添加的钙硅铝系精炼渣含量不同，对比例3中添加的钙硅铝系精炼渣含量为含锑钢液总质量的15wt％。与实施例1相比，对比例4的区别仅在于步骤S2中添加的铝粒含量不同，对比例4中添加的铝粒含量为为含锑钢液总质量的0wt％。与实施例1相比，对比例5～6的区别仅在于步骤S2中添加的精炼剂电石含量不同，对比例5～6中添加的精炼剂电石含量分别为精炼渣总质量的2wt％、60wt％。与实施例1相比，对比例7～8的区别仅在于步骤S3中搅拌时间不同，对比例7～8中搅拌时间分别为3min、30min。具体成分如表1所示。其他实验步骤与实施例1均一致，在此不在赘述。
表1实施例1～6和对比例1～8的工艺参数设置及其性能参数
实施例1～6和对比例1～8的实验结果如表2所示。对比实施例1～2和对比例1～2，发现在1550～1650℃范围内，温度越高，电石分解越快，动力学条件越好，脱锑效果越好。但过高的冶炼温度却会使钢液中的Ca-Sb平衡浓度上升，从而降低钢液中锑的脱除率，此外温度的升高也会使得炼钢能耗比增加，生产成本上升，且会降低设备使用寿命。对比实施例1、实施例3及对比例3，发现适量的钙硅铝系精炼渣对中低碳钢液中残留元素锑的脱除有促进作用，但过多却会抑制锑的脱除，这是因为过量的精炼渣意味着电石的加入量也会相应提升，会导致钢液增碳现象显著，钢液中碳含量的增加不利于元素锑的脱除。对比实施例1、实施例4及对比例4：发现适量的铝粒不仅能脱除钢液中的氧含量，而且对其中锑元素的脱除也有一定的促进作用，但铝含量进一步增加对钢液中锑含量的脱除无明显变化。对比实施例1、实施例5、及对比例5～6，发现精炼剂电石的含量为精炼渣总质量的10～50wt％内时，精炼剂电石的含量越高，对中低碳钢液中残留元素锑的脱除效果越好。但当精炼剂电石的含量增至占精炼渣总质量的60wt％，钢液中锑的脱除率大幅降至19.7％。其原理在于：电石在冶炼温度下会发生分解，生成钙和碳，从而提高钢液中的钙含量以及碳含量。但过多的精炼剂电石会使得钢液快速增碳，提高钢渣界面处的氧分压，从而抑制了电石和石灰的分解，使得精炼渣向钢液内传递钙元素困难，导致元素锑的脱除效果的大幅降低，而且添加过多的精炼剂电石也会增加生产成本。此外，适量的精炼剂电石还会提高钢液中碳的含量，这有益于加强钢的抗拉强度和屈服强度，但碳含量过高则会降低其塑性、冷弯性能和冲击韧性。适量的精炼剂电石与钙硅铝系精炼渣还可以降低钢液中硫的含量，可以有效防止钢的热脆现象以及表面缺陷的发生，提升钢的焊接性以及热加工性。对比实施例6、对比例7～8，发现搅拌时间也对中低碳钢液中残留元素锑的脱除有一定的影响，时间过短，添加到钢液中的添加剂来不及反应，因而会影响钢液中锑元素的脱除效果，而过高的搅拌时间，则会增加生产成本，同时也会使钢液增碳、回锑。
表2实施例1～6和对比例1～8的结果
综上所述，本发明提供了一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法。该方法首先在惰性气体保护气氛、温度在1550～1650℃下，将含锑钢材熔清；再将含量为含锑钢液质量的1～10wt％的钙硅铝系精炼渣覆盖于含锑钢液的表面，进行初步脱硫处理；然后又加入含量为含锑钢液总质量的0.01～0.1wt％的铝粒，进行预定时间的深脱氧处理；随后加入含量为钙硅铝系精炼渣总质量的5～50wt％的精炼剂电石后搅拌5～20min；最后对钢液表面的渣层进行扒渣处理，即可得到锑脱除的中低碳钢液。本发明提供的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，钢中残留元素锑的脱除率可达30.6～46.8％，且该渣在进行脱锑时，还可实现优异的脱硫效果(脱硫率可达66～97％)，同时为其他可被钙固定的残余元素(如锡、砷)也提供了良好的脱除环境，功能性较强。此外该方法在兼顾脱锑效率与生产成本低廉的同时，还可兼容现有炼钢工艺，与炼钢精炼操作同步开展运行。此外，工艺过程变得更加简单可控、工序时间短，适于大规模工业应用；克服了现有的各种钢液中脱除锑的工艺方法普遍存在生产成本高、铁损大、对设备要求苛刻、技术操作难度大、实现工业化困难等技术弊端。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在以惰性气体作为保护性气氛、预定的冶炼温度条件下，将含锑钢材熔清，得到含锑钢液；
S2、将预定量的钙硅铝系精炼渣覆盖于步骤S1中所述含锑钢液的表面，隔绝气氛、进行初步脱硫处理；然后向所述含锑钢液中加入预定量的铝粒，进行深脱氧处理，进行预定反应时间后，得到预处理的钢液；
S3、在预定的冶炼温度下，向钢液中加入预定量的精炼剂电石后搅拌至预定时间，完成脱锑处理；
S4、完成脱锑后，对钢液表面的渣层进行扒渣处理，即得到锑脱除的中低碳钢液。
2.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S1中所述含锑钢液中元素成分及含量为：C：0.02～0.25wt％、Si：0.10～0.30wt％、Mn：1.5～2.0wt％、P：0.002～0.010wt％、S：0.002～0.006wt％、Sb：0.01～0.15wt％、O：0.01～0.03wt％。
3.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S2中所述钙硅铝系精炼渣的化学成分及重量百分比为：CaO：20～60wt％、SiO2：4～18wt％、Al2O3：16～60wt％；其中碱度CaO/SiO2的范围为3～12、CaO/Al2O3的范围为1～2.25；经过初步脱硫处理后的含锑钢液中硫含量控制在0.002～0.005wt％。
4.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S2中所述预定量的铝粒为所述含锑钢液总质量的0.01～0.1wt％，进行深脱氧后所述预处理的钢液中总氧含量控制在5～60ppm；步骤S2中所述铝粒纯度大于等于99wt％。
5.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S2中所述预定量的钙硅铝系精炼渣为所述含锑钢液质量的1～10wt％。
6.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S3中所述精炼剂电石的质量占所述钙硅铝系精炼渣总质量的10～50wt％；所述精炼剂电石纯度为大于等于99.7wt％的分析纯。
7.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S1和步骤S3中所述预定的冶炼温度为1550～1650℃。
8.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S2中所述预定反应时间为5～30min；步骤S3中所述搅拌的预定时间为5～20min。
9.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S3中所述搅拌的方式包括吹气搅拌、机械搅拌或电磁搅拌。
10.根据权利要求1所述的中低碳钢液中残留元素锑的脱除方法，其特征在于：步骤S1中所述惰性气体包括氩气或氮气。
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