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特钢中脱Mn工艺开发与应用

发布时间:2022-7-14 17:54:37   来源:中纯特钢 冀东威仔    浏览次数:3306

工业纯铁作为一种重要的钢铁基础材料,主要用于冶炼各种高温合金、耐热合金、精密合金、马氏体时效钢等航空航天、军工和民用合金或钢材。工业纯铁根据其用途主要分为原料纯铁、电磁纯铁和军工纯铁三大类。其中原料纯铁是工业纯铁需求占比最高的,年需求约为15-20万吨,主要应用于钕铁硼和非晶合金。钕铁硼是由钕、铁、硼(Nd2Fe14B)形成的四方晶系晶体,在电子产品领域应用广泛。

用于钕铁硼和非晶合金生产的原料纯铁,要求将C、P、S、N、O、Mn、Al、Si等元素都控制在非常低的范围内,纯度为99.6%~99.8%,纯度越高,制备越困难,国内外学者对纯铁的制备方法和纯铁性能进行了大量的研究。而采用转炉-RH-CC的工艺生产工业纯铁,Mn含量的控制是主要的技术难点,尤其冶炼高端非晶材料用工业纯铁,要求Mn≤0.02%,甚至更低。本研究旨在根据生产或实验数据,分析讨论转炉脱锰率和渣/钢间锰分配比的影响因素,寻求合理的工艺参数控制范围,以实现低锰工业纯铁的生产技术。

转炉冶炼工艺对锰含量的影响与研究

锰作为一种金属元素只能通过氧化造渣的方式,从铁水或钢水中分离出来,脱锰方式的选择,通常受限于现场设备、环境、脱锰所用原料的条件等。

入炉铁水对成品锰含量的影响

铁水初始锰含量对成品锰含量有较大影响。为保证成品锰含量满足要求,需要控制初始的铁水Mn含量。生产实践表明,采用转炉双渣+RH工艺生产成品Mn≤0.02%的低锰工业纯铁,一般需要将初始的铁水Mn含量控制在0.2%以下;而采用脱磷转炉+脱碳转炉双联转炉工艺+RH工艺,可以使用脱磷转炉将铁水锰含量控制在0.1%以下,大大降低了脱碳转炉的脱锰压力,因此,初始的铁水Mn含量控制在 0.30%以下,可以100%的将成品锰含量控制在0.02%以下。

转炉过程脱锰工艺研究与优化

炼钢生产过程中,铁水Mn是制约成品Mn的难点,而转炉是脱Mn的重要工序,双联转炉工艺控制、转炉终点C、终点温度、终渣碱度等都会对转炉脱锰造成影响。

双联转炉工艺即采用脱磷转炉+脱碳转炉的双工艺。如图2所示,转炉具有脱锰的能力,双联转炉工艺,可以在较高的Mn含量基础上进一步优化脱锰效果,满足成品Mn含量的控制要求;双联转炉工艺,P的控制不满足要求,脱磷炉脱磷效果波动,可以从废钢、石灰质量、转炉大底吹流量、优化供氧制度等方面做工作;脱碳炉脱磷效果较差,后续可以考虑配加含硅料,增加渣量或者使用化渣剂提高脱磷率。因此,高端工艺纯铁采用工艺路线为DeS→DeP→BOF→LF→RH→CCM。

转炉终点碳-温控制

锰在钢水中,会发生如下反应:[Mn]+(FeO) = (MnO) +[Fe]

式中:[]代表钢水中的组元;()代表炉渣中的组元, 为标准状态时反应的吉布斯自由能变化,J/mol;T为温度,K。

由式得出钢水与炉渣间的锰反应的平衡常数为:

——Mn的反应平衡常数;

——Mn在渣-钢间的分配比;

——渣中Mn含量;

——钢液中Mn含量;

——炉渣中MnO的活度系数;

——炉渣中FeO的活度;

炉渣中MnO的活度;

炉渣中Mn的活度。

根据范特霍夫等温变化,可得:

式中:R——气体常数,R=8.314 J/ (mol·K)

由以上反应式可知,钢水中锰氧化与温度、炉渣的氧化性和炉渣中 有关,需要熔池有较低的温度,炉渣有较高的氧化性,及时排除炉渣中的氧化锰。因此,在转炉吹炼前期,熔池中温度较低,冶炼开始后,硅、锰、磷元素迅速氧化,充分利用前期熔池温度低的特点,加大转炉底吹搅拌强度,采用低枪位操作改善炉内的动力学条件,快速反应起渣,实现最大程度的脱磷、去锰;随着熔池温度的升高,炉渣氧化性降低,脱锰效率逐渐降低,此时需要通过调整氧枪枪位和烧结矿的加入量,来控制熔池升温速度;吹炼末期,严格控制终点温度,防止钢水增磷、锰。

为转炉终点温度对转炉脱锰率的影响研究,随着转炉终点温度升高,转炉脱锰率显著降低。因此,在冶炼低锰工业纯铁的生产过程中,应尽可能降低转炉出钢温度,达到降低转炉终点锰和产品锰含量的目的。但温度过低将影响精炼工序升温周期过长,不利于生产的连续性。因此,生产过程一般控制合理的出钢温度为1620-1640℃左右。

生产过程中,转炉出钢温度控制为1620~1640℃,研究转炉终点氧活度对转炉脱锰率的影响。研究结果表明,随着转炉终点氧活度升高,转炉脱锰率随之升高。因此,生产低锰工业纯铁,应当适当提高转炉终点氧活度,按着大于700ppm进行控制,以增大锰的分配比LMn。

同时在转炉出钢的过程中,采用前挡挡渣塞,后挡滑板挡渣+挡渣标的滑板挡渣工艺,配合下渣检测系统和钢包强搅模式,严格控制转炉下渣量,防止钢水“回锰”现象发生。

转炉终渣控制

锰氧化的动力学研究表明钢水与炉渣的接触面积越大时,锰的氧化速度越快。为了加快锰的氧化,必须使炉渣具有良好的流动性和发泡性。炉渣碱度过高时,会降低炉渣中二氧化硅在气泡表面的吸附,降低炉渣的发泡性能,所以脱锰还需要有较低的炉渣碱度。但是脱磷需要较高的炉渣碱度,因此对合适的炉渣碱度进行统计分析。

为消除转炉终点温度和终点氧活度对锰分配比的影响,统计转炉终点温度1620~1640℃、终点氧活度700±50ppm的炉次,分析转炉终渣R对锰分配比的影响

当转炉终渣炉渣碱度R(%CaO/%SiO2)小于5,随着炉渣碱度的升高,转炉脱锰率增大,分析是因为渣量增加的原因。但炉渣碱度R超过5,随着炉渣碱度升高,转炉的脱锰率显著降低,分析一方面原因是,因为炉渣碱度过高,炉渣的流动性降低,影响MnO向渣中传递;另一方面原因与SUITO 和INOUE类似,碱度升高,氧化锰的活度系数γMnO升高,导致锰的分配比LMn(=(%MnO)/[%Mn])减小。因此,转炉终渣的碱度R控制在4-5比较合适。

3 精炼工艺脱锰研究与优化

LF精炼炉的主要任务是防止回锰、脱氧、脱硫、对钢液进行合金化及真空脱气。钢包进精炼炉后,先入LF进来进行升温。温度升高后,进行卡渣兑包处理,杜绝LF精炼炉的回锰。为保证Mn含量的脱出,采用双精炼法进行工业纯铁的冶炼。LF进行钢包渣增氧操作,控制钢包渣氧化性,RH进行进一步的深脱锰工艺。

RH精炼渣TFe含量控制

分析实际生产炉次Mn元素在渣-钢间的平衡分配比与渣中TFe含量对应关系随着RH钢包渣中TFe含量的升高,锰的分配比LMn随之增加。这是因为:随着渣中TFe含量的增加,渣的氧化性增加,MnO的活度系数增加,为渣中提供了更多的氧离子,使钢液中的Mn被氧化生成MnO进入渣中[4]。另外一方面,渣中TFe含量的增加提高了反应物 (O) 的浓度,促进了钢渣界面Mn氧化反应进行。因此,为了降低钢水中的锰含量,渣中的TFe含量适当提高。综合考虑炉渣对钢水纯净度的影响,实际生产中,炉渣TFe含量含量按着18%~20%进行控制。

精炼渣钙铝比(CaO/Al2O3)控制

随着RH钢包渣钙铝比(CaO/Al2O3)的升高,渣钢间锰的分配比随之降低。笔者分析认为,当炉渣的氧化性偏低时,炉渣钙铝比升高导致炉渣的熔点升高,影响炉渣向钢液中传递氧以及钢液中的生成MnO向渣中传递。

精炼渣碱度控制

为排除RH钢包渣钙铝比和渣中TFe含量对锰分配比的影响,只统计RH钢包渣钙铝比1.5~2.0、渣中TFe含量15%~18%的炉次,分析钢包渣R对锰分配比的影响

在碱度8.5~10.5时,随着RH钢包渣碱度的增加,渣与钢水间Mn的分配比有降低的趋势,这与Ryo INOUE[5]和Sung-Mo JUNG[6]等人的研究相一致。分析认为MnO是一个弱碱性氧化物,随着碱度升高,MnO的活度增加,有利于钢液中锰的回升,使得锰的分配比下降,脱锰率下降。

生产实践与结果

生产低锰工业纯铁,实际铁水含量按0.20%以下进行控制,转炉终点温度按着1620~1630℃进行控制,转炉终点氧活度按着700~900ppm,转炉终渣碱度按4-5,钢包渣和成品成分的控制情况如下。

序号

TFe

MgO

CaO

SiO2

Al2O3

CaO/Al2O3

1

18.7

6.14

39.06

3.82

22.12

1.77

2

18.16

5.94

39.74

3.83

22.5

1.77

3

18.38

5.85

39.59

3.66

20.62

1.92

4

17.96

5.81

40.42

3.8

19.38

2.09

5

20.38

6.6

38.5

3.9

23.3

1.65

6

19.04

7.24

38.13

3.83

26.36

1.45



RH钢包顶渣TFe含量控制在18~20%,钙铝比(CaO/Al2O3)控制在1.5~2.0,可以确保渣钢间较高锰的分配比,成品锰含量可以控制在0.020%以下。

序号

C

Mn

S

P

Si

Alt

N

1

0.0019

0.020

0.003

0.002

0.003

0.002

0.0013

2

0.0017

0.018

0.002

0.002

0.002

0.006

0.002

3

0.0015

0.015

0.003

0.002

0.003

0.01

0.0018

4

0.0017

0.020

0.002

0.003

0.003

0.003

0.0018

5

0.0015

0.013

0.003

0.001

0.002

0.003

0.0013

6

0.0015

0.016

0.003

0.002

0.002

0.003

0.0012



通过对脱锰原理的分析,以及以实际大生产数据为基础研究Mn 元素在钢包渣与钢液间的分配规律得出如下结论:

1)采用转炉+RH工艺生产成品Mn≤0.02%的低锰工业纯铁,一般需要将初始的铁水Mn含量控制在0.2%以下。

2)适当降低转炉终点温度、提高转炉终点氧活度,可以提高转炉脱锰率,转炉终点温度按着1620-1630℃进行控制,转炉终点氧活度按着700-900ppm,终点炉渣碱度控制在4-5。

3)RH结束钢包渣中的TFe含量对Mn 的分配比有显著影响,随着渣中TFe含量的增加,渣钢间锰的分配比不断增加。为了降低钢液中的锰含量,冶炼低锰工业纯铁应适当提高钢包渣TFe含量。

4)随着RH炉渣钙铝比(CaO/Al2O3)的升高,锰的分配比随之降低。钙铝比(CaO/Al2O3)控制在1.5-2.0较为合适。

5)通过以上措施,可以实现锰含量≤0.020%的低锰钢冶炼。
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