轉(zhuǎn)爐吹氧法生產(chǎn)中碳鉻鐵試驗(yàn)研究

馬 川

（西安建筑科技大學(xué)， 陜西 西安 710032）

中低碳鉻鐵的生產(chǎn)工藝主要是電硅熱法，該方法在生產(chǎn)碳素鉻鐵的基礎(chǔ)上，需另配電爐冶煉硅鉻合金，工藝流程長(zhǎng)，耗電量大，輔助設(shè)備多，人員多等等[1]。

國(guó)內(nèi)外鐵合金廠工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐已證明，與傳統(tǒng)的電硅熱法相比，以碳素鉻鐵水為原料用氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉成中碳鉻鐵的工藝是比較經(jīng)濟(jì)的，可顯著節(jié)電，提高效率，增加效益。本文著重對(duì)于吹氧法生產(chǎn)中碳鉻鐵的原理和酒鋼試驗(yàn)過程進(jìn)行說明，并提出一些建議。

1 試驗(yàn)情況

2017年9月15日，低碳優(yōu)質(zhì)鐵合金研究開發(fā)項(xiàng)目組借助技術(shù)中心煉軋中試工廠的轉(zhuǎn)爐+中頻爐一體爐開展了首次吹氧法生產(chǎn)中碳鉻鐵的試驗(yàn)。

9：15開始裝完料升溫，裝料有鉻鐵塊80 kg。11：50熔清，測(cè)溫1 698℃，于11：53降槍至極限位開吹，氧壓調(diào)至0.6 MPa，流量8.5 m3/h，無底吹氬氣。為保證脫碳保鉻，此次溫控較高，過程溫度在1 698～1 799℃之間變化，過程溫度平均在1 750℃，在爐子能成熟的前提下盡量滿足脫碳保鉻的條件。過程始終維持低功率送電攪拌，功率30～40 kW。過程在12：07與 12：45提槍2次，2次測(cè)溫分別為1 736℃和1 722℃。13：05停吹測(cè)溫1 799℃。過程氧耗11 m3。過程輔料選擇石灰、螢石、不銹鋼除塵灰、加熱爐氧化鐵皮。過程分8次加入石灰共計(jì)10 kg；分5次加入螢石共計(jì)0.7 kg；分7次加入不銹鋼除塵灰共計(jì)3.5 kg；分6次加入氧化鐵皮6 kg；還原期一次性加入石灰2 kg，1次加入還原劑硅鐵共計(jì)3.2 kg還原渣中Cr2O3。試驗(yàn)過程化渣不好時(shí)加入固體氧化劑，噴濺時(shí)加入石灰壓渣。

1.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集見表1。

表1 金屬和爐渣信息

1.2 試驗(yàn)分析

1.2.1 理論耗氧與實(shí)際供氧的對(duì)比分析

此次裝入 80 kg，理論氧耗 10×80/89≈9（m3）。實(shí)際的氧耗為11 m3，比理論耗氧高出2 m3。

1.2.2 鉻元素的收得率情況分析

試驗(yàn)收集產(chǎn)品量約62 kg，結(jié)合成分計(jì)算鉻量為62×54.7%=33.91 kg，而裝爐鉻量為80×58.92%=47.14 kg，鉻的收得率 33.91/47.14=72%，損失率28%。低于文獻(xiàn)介紹的能取得效益的臨界值（即80%的收得率）。

1.2.3 爐渣成分變化分析

1.2.3.1 爐渣堿度

從爐渣堿度來看，過程堿度1.8，終渣堿度0.79此次考慮到不銹鋼除塵灰既能調(diào)節(jié)堿度，又能提供氧化劑，根據(jù)文獻(xiàn)還有護(hù)爐的作用（提高過程渣的Cr2O3含量可以護(hù)爐），因此引入一部分高堿度的不銹鋼除塵灰來提供氧元素和協(xié)助造渣。在保證護(hù)爐和Cr還原的前提下，增加了爐渣的氧化鐵含量，在發(fā)揮氧化脫碳作用的同時(shí)，起到化渣的作用。

1.2.3.2 爐渣Cr2O3含量

爐渣中Cr2O3隨著吹煉過程的延長(zhǎng)而增加，還原前達(dá)到了71%的水平。

1.2.3.3 爐渣MgO含量

還原前爐渣中的MgO含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）比前次的5%降低，達(dá)到了2.17%，這與使用不銹鋼除塵灰后爐渣Cr2O3含量的提高和適當(dāng)高的堿度有關(guān)。還原后爐渣的w（MgO）又升高至4.06%，主要是還原后渣中SiO2的（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增加，酸性的爐渣對(duì)爐襯侵蝕所致。

1.2.4 成品成分分析

1.2.4.1 成品碳含量分析

成品碳含量比前次試驗(yàn)降低。

1.2.4.2 成品硅含量分析

成品硅含量比前次試驗(yàn)顯著降低，含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）降低至1.27%。同時(shí)，比高碳鉻鐵的硅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）2.64%顯著降低，未出現(xiàn)硅鐵加入偏多造成成品增硅超標(biāo)的現(xiàn)象。

1.2.5 爐襯壽命

中試廠轉(zhuǎn)爐做一般熔煉試驗(yàn)時(shí)，壽命可達(dá)到3～4爐，但做中碳鉻鐵試驗(yàn)最多能達(dá)到2爐。此次試驗(yàn)后觀察熱的爐襯，減薄程度較上次減輕，應(yīng)能再使用2爐以上。但爐襯冷卻5 h后觀察，有微細(xì)裂紋。

1.2.6 澆注和取樣

因條件所限，現(xiàn)場(chǎng)沒有帶耐火襯的容器，于是采用鋼錠模出鐵。出鐵前事先在鋼錠模的內(nèi)壁涂刷鈣基隔離劑，并在模底部鋪墊鉻鐵粉，基本能滿足澆注要求。

2 結(jié)論與建議

1）此次試驗(yàn)w（C）降低至1.8%左右，達(dá)到了中碳鉻鐵的范圍，與w（C）為1.5%的目標(biāo)值接近。適當(dāng)加大堿度、適當(dāng)引進(jìn)固體氧化物造渣劑等措施取得了一定成效。

2）引進(jìn)固體高堿度氧化劑（不銹鋼除塵灰）在中等堿度下實(shí)施黏渣掛爐護(hù)爐技術(shù)；借鑒礦熱爐內(nèi)的鐵、鉻氧化物在下層精煉脫碳的原理引進(jìn)氧化鐵物料改善供氧（改善氧的擴(kuò)散）。以上措施既改善傳質(zhì)又維護(hù)爐襯。此次果斷提高過程溫度至1 720℃以上，脫碳效率提高明顯，爐襯沒有劣化。

3）不銹鋼除塵灰不僅能提供氧元素、調(diào)節(jié)堿度、實(shí)現(xiàn)粘黏護(hù)爐還有提供Cr元素的作用。

4）吹氧法生產(chǎn)中碳鉻鐵，爐襯的侵蝕是一個(gè)很大的問題，決定了爐子的壽命和冶煉成本。適當(dāng)增加爐渣堿度并適當(dāng)增加黏度，實(shí)施黏渣掛爐工藝，爐渣堿度過大過黏會(huì)不利于固體氧化物與熔池內(nèi)碳化物的反應(yīng)，或顯著縮小爐膛，因此大堿度爐渣比較適用于容量較大的轉(zhuǎn)爐。使用固體氧化劑精煉脫碳，改善動(dòng)力學(xué)條件，促進(jìn)了脫碳保鉻，發(fā)揮了維護(hù)爐襯的作用。有條件時(shí)一定要縮短爐與爐之間的時(shí)間，使?fàn)t子保持熱態(tài)運(yùn)行，減少溫度波動(dòng)大造成的爐襯開裂和剝落。選擇質(zhì)量好的耐火材料砌筑轉(zhuǎn)爐以及盛鐵桶等一應(yīng)設(shè)施。同時(shí)采取大爐殼、厚爐襯的建設(shè)方針，注意保證爐容比不小于0.8；通過減少輔助時(shí)間，或引進(jìn)諸如感應(yīng)加熱的形式提高鐵水溫度，盡可能采用鐵包內(nèi)（或中頻爐內(nèi)）加硅還原爐渣的工藝，減少酸性渣對(duì)轉(zhuǎn)爐的不利影響；實(shí)施高品鉻礦造渣和黏渣掛爐工藝，尋找企業(yè)內(nèi)鉻礦的替代料和渣料的更合理配比以及合適渣料的探索，考慮精煉轉(zhuǎn)爐除塵灰、不銹鋼除塵灰等用作造渣材料；冶煉工藝方面多向煉鋼領(lǐng)域?qū)W習(xí)借鑒，主要是底吹的維護(hù)和壽命延長(zhǎng)、CO2的冶金應(yīng)用和護(hù)爐工藝。

5）工藝設(shè)備選型。從行業(yè)研究和應(yīng)用效果來看，轉(zhuǎn)爐引入CO2對(duì)高碳鉻鐵脫碳得到中碳鉻鐵是可行的[4]。若生產(chǎn)中碳鉻鐵，CO2吹煉工藝無論從設(shè)備、工藝還是冶煉效果來看都是最好的，CO2收集與分離技術(shù)雖尚未普及，但在不久的將來必定能實(shí)現(xiàn)；CLU轉(zhuǎn)爐雖然吹煉中碳鉻鐵也有不錯(cuò)的表現(xiàn)，但設(shè)備安全性和復(fù)雜度較高，且在產(chǎn)品質(zhì)量方面有局限性；負(fù)壓吹煉既能吹煉中碳鉻鐵，又能吹煉低、微碳產(chǎn)品，產(chǎn)品范圍大，雖然有些技術(shù)瓶頸待解決，但不失為一種適應(yīng)性更強(qiáng)的工藝。因此后續(xù)建議先按照真空罩式負(fù)壓吹煉轉(zhuǎn)爐模式進(jìn)行設(shè)備設(shè)計(jì)與建設(shè)，設(shè)計(jì)成即可頂吹氧氣、又可底吹各類氣體。一旦CO2的收集技術(shù)獲得突破，CO2易得時(shí)，再與真空吹煉技術(shù)結(jié)合起來，精煉效果可以達(dá)到最佳，對(duì)爐襯的侵蝕也能降低到最低，且安全性較高，效果更為理想。

6）與選定工藝匹配的碳素鉻鐵工藝的變化。碳素鉻鐵冶煉工藝需要的變化：較低的鉻含量和較高的碳含量的碳素鉻鐵最適于吹煉中、低碳鉻鐵，這樣有利于提高爐溫，減少鉻的氧化。澆注設(shè)施的改變：因中、低碳鉻鐵的C、Si含量低，強(qiáng)度較高，利用現(xiàn)在的深模澆注將難以破碎，因此需要準(zhǔn)備專門的淺盤模具，建議不采用水浸泡冷卻工藝。

7）產(chǎn)品品級(jí)率的控制。原則上應(yīng)結(jié)合自身?xiàng)l件和成本上的經(jīng)濟(jì)性，控制各品級(jí)的比例。而要在綜合成本盡量低的情況下提高低碳乃至微碳合金的比例，最關(guān)鍵的就是在最低投入下，保證脫碳保鉻的條件。如此一來，入爐溫度控制、擴(kuò)撒動(dòng)力學(xué)條件的創(chuàng)造（加強(qiáng)攪拌或及時(shí)從體系中排除反應(yīng)產(chǎn)物）就顯得尤為重要，因此，引進(jìn)CLU工藝、CO2吹煉護(hù)負(fù)壓吹煉技術(shù)是勢(shì)在必行的。

8）產(chǎn)品分類管理的加強(qiáng)。因不同品級(jí)率的售價(jià)不同（中低碳鉻鐵因C、Si含量而分檔論價(jià)），為提高效益，后續(xù)中低碳鉻鐵與碳素鉻鐵如在一個(gè)廠房?jī)?nèi)生產(chǎn)，需要做好兩種合金澆注區(qū)和成品區(qū)的分區(qū)。另外，必須對(duì)中低碳鉻鐵每爐從多個(gè)錠模中取樣，取平均數(shù)決定該爐次產(chǎn)品的C、Si含量分檔，分區(qū)暫存并做好標(biāo)識(shí)。儲(chǔ)運(yùn)在將產(chǎn)品移庫(kù)時(shí)也需按標(biāo)識(shí)做好分類倒運(yùn)，到集中庫(kù)時(shí)也需做好按品種、按C檔分區(qū)儲(chǔ)存。

[1]胡凌標(biāo).氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐制中碳鉻鐵試驗(yàn)總結(jié)[J].鐵合金，1974（3）：30.

[2]畢傳泰.氧氣轉(zhuǎn)爐吹煉鉻鐵生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與前景[J].鐵合金，1989（2）：17-19.

[3]田長(zhǎng)蔭.轉(zhuǎn)爐吹氧冶煉中碳鉻鐵[J].上海冶金，1979（1）：28.

[4]王海娟.CO2在轉(zhuǎn)爐冶煉中低碳鉻鐵過程中的探索性應(yīng)用[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（S1）：146-154.

[5]胡凌標(biāo).轉(zhuǎn)爐純氧吹煉法鉻鐵C、Si含量的影響因素及控制[J].鐵合金，1985（8）：20-22.