基于转炉“留渣 双渣”冶炼工艺锰矿直接合金化试验.pdf

年 月 第三期 基于转炉“留渣 双渣”冶炼工艺锰矿直接合金化试验李小环(福建泉州闽光钢铁有限公司 泉州)摘 要:基于转炉“留渣 双渣”少渣冶炼进行转炉炉内南非半碳酸锰矿直接合金化试验对转炉终点温度、终点 含量、炉渣碱度、炉渣 含量和锰矿最佳加入量对锰矿直接合金化收得率的影响进行分析结果表明炉渣二元碱度、炉渣 含量、转炉终点钢水 含量、炉渣渣量对锰矿直接合金化收得率影响显著关键词:留渣双渣锰矿直接合金化 前言钢水合金化是向钢水中加入含有各种元素的合金将其化学成分调整到规定范围内以保证钢材的各种化学、物理性能 一般来说钢水锰合金化是在出钢或者精炼过程中向钢包加入锰铁合金、硅锰合金等合金来实现这种钢水锰合金化工艺的特点是技术成熟、操作和控制较容易、锰的收得率较高而且稳定但是锰铁合金、硅锰合金价格较高导致钢水锰合金化成本高而且熔炼锰铁合金、硅锰合金是一个高耗能、高污染的过程 近些年来转炉内锰矿直接合金化技术越来越受到重视在冶炼过程中通过直接向转炉内加入 矿、矿、矿、混合矿等锰矿任何形式的锰矿在转炉环境内经过热分解后最终都将以的 形式存在利用钢液中的 元素来还原 使锰直接进入钢水中把钢水锰合金化从长流程“锰矿熔炼含锰合金钢水中的锰”变成短流程“锰矿钢水中的锰”其突出优点是环保、节能、流程短和成本低 世纪 年代随着铁水“三脱”预处理和转炉少渣炼钢技术的发展新日铁、住友、神户等钢铁生产企业在生产含锰质量分数小于.的低合金钢时已主要采用转炉内锰矿直接合金化技术锰收得率能稳定在 以上取得了良好的经济效益 国内大量的钢铁企业都对转炉内锰矿直接合金化技术进行了尝试部分钢企的锰收得率低、经济效益差 其关键的限制因素就是铁水“三脱”预处理程度低转炉炉渣量大 鉴于锰矿直接还原具有绿色、节能、流程短、成本低的优点某钢企另辟蹊径通过转炉“留渣 双渣”工艺代替铁水“三脱”预处理初渣扒渣后二次造渣实现少渣冶炼在转炉加入南非半碳酸锰矿进行了转炉炉内锰矿直接合金化工业试验 转炉锰矿直接合金化原理.还原原理转炉炉内锰矿直接合金化技术即锰矿直接还原技术转炉冶炼的过程温度约为 南非半碳酸锰矿会逐渐热分解成 在高温条件下不稳定能被铁水中的还原其反应为:()./()()式()中:为钢水中 的活度为式()的反应平衡常数随温度升高而增大 为 年 月 第三期炉渣中 的活度为环境中 的平衡气压为钢水中 的活度其中 近似于钢水中 的含量近似于钢水中 的含量 受炉渣碱度和炉渣中 的含量影响 根据式()想要提高钢水中的 含量也就是提高 就是要提高 和 也就是需要提高炉渣中 的含量和为钢水中 的含量通过热力学计算反应式()开始反应的温度为 温度越高平衡常数 越大反应越彻底 采用“留渣 双渣”冶炼工艺中第一次留渣造渣冶炼温度在 之间不具备锰矿直接合金化的热力学条件冶炼前期倒炉扒渣后二次造渣冶炼温度在 之间具备锰矿直接合金化的热力学条件而且越早加入锰矿一是可以促进炉渣的熔化二是越早加入钢水中的 含量越高因此锰矿加入时间选择随二次造渣料一起加入转炉内.氧化原理还原进入钢液中的 又与炉渣中的 发生氧化反应:()()./()()式()中:为式()的反应平衡常数随温度升高而降低 为钢水中 的活度 为炉渣中 活度为炉渣中 的活度 平衡常数 随着温度升高而降低通过热力学计算反应式()在温度低于 时均可以发生因此在转炉冶炼环境中氧化反应都是存在的要抑制 的氧化反应()的进行就需要提高炉渣中 和 降低.的还原与氧化反应平衡根据反应式()()可知想要提高锰矿直接还原的收得率需要促进锰的还原反应()抑制锰的氧化反应()需要提高炉渣 和钢水中 降低炉渣 因为 受到 含量和炉渣碱度的影响所以需要炉渣高碱度、高 含量和低 含量、钢水终点高 含量 最终的锰矿直接合金化的收得率取决于还原反应()和氧化反应()的平衡结果 试验方案大量文献表明转炉加锰矿直接合金化关键限制因素就是转炉炉渣量太大加入锰矿后炉渣中的 含量提高较少导致 被还原比例低直接合金化收得率低无经济效益 转炉“留渣 双渣”冶炼工艺即上一炉出完钢后进行溅渣护炉操作将上炉终渣留在转炉内在吹炼前期结束后将炉渣倒出然后重新进行造渣冶炼第二次造渣时实现少渣冶炼的工艺“留渣 双渣”冶炼工艺主要优点是利用上炉终渣来实现下一炉冶炼前期快速化渣前期完成脱硅、脱磷并把前期低碱度、高磷的炉渣倒出代替铁水“三脱”预处理二次造渣冶炼时主要任务只有脱碳和升温可以实现炉渣的高碱度和低 含量因此转炉“留渣 双渣”冶炼工艺具有转炉炉内锰矿直接合金化的先天条件为了探明转炉采用“留渣 双渣”少渣冶炼工艺过程加锰矿直接合金化工艺的可行性和经济效益在炼钢厂 顶底复吹转炉加入南非半碳酸锰矿进行直接合金化工业试验设备的主要技术参数见表 表 转炉的主要技术参数公称容量/平均出钢量/炉容比/供氧压力/供氧流量/氧枪喷孔/个马赫数.生产工艺流程:混铁炉/倒罐站 顶底复吹转炉吹氩站四机四流连铸造渣原料有石灰、轻烧白云石、炼钢污泥压球、白云石、南非半碳酸锰矿脱氧合金化采用碳粉、硅铁合金、硅锰合金和钒氮合金南非半碳酸锰矿的主要化学成分见表 表 南非半碳酸锰矿的主要化学成分.年 月 第三期基于转炉“留渣 双渣”冶炼工艺锰矿直接合金化试验 试验基于转炉“留渣 双渣”少渣冶炼工艺在二次造渣冶炼过程中加入南非半碳酸锰矿进行锰矿直接合金化本次试验主要目的是探明转炉炉内锰矿直接合金化的影响因素和锰矿最佳加入量试验方案见表 表 试验方案序号试验方案二次造渣时随造渣料一起加入南非半碳酸锰矿(/钢)二次造渣时随造渣料一起加入南非半碳酸锰矿(./钢)二次造渣时随造渣料一起加入南非半碳酸锰矿(/钢)二次造渣时随造渣料一起加入南非半碳酸锰矿(./钢)非试验“留渣 双渣”少渣冶炼 试验结果及分析 选择高炉铁水化学成分及温度稳定的时候进行锰矿直接还原试验每个方案试验 炉次对操作异常炉次予以剔除试验结果见表 锰收得率计算公式如下锰收得率 (试验钢水终点 含量 非试验钢水终点 含量)出钢量 /(锰矿 含量 锰矿加入量).锰矿加入量对锰收得率的影响锰矿加入量与锰矿直接合金化收得率关系见图 图 锰矿加入量和锰收得率的关系表 锰矿直接还原试验数据方案终点温度/终点 含量/终点 含量/碱度渣量/炉渣 含量/炉渣 含量/锰收得率/./从图 中可知转炉加入锰矿直接合金化最佳加入量是/炉即/钢 锰矿加入量从/炉时提高到/炉时锰收得率由.提高到.锰矿加入量提高到/炉时收得率反而下降由此可见锰矿并非加入量越大越好 锰矿加入转炉内进行直接合金化当加入量过大时一方面锰矿吸热导致转炉温度降低从转炉终点温度与锰收得率的分析可以知道转炉终点温度低于 时锰的收得率更低而且不符合出钢的温度要求需要补吹另一方面锰矿含有约的 加入量增加导致炉渣碱度降低而炉渣碱度降低会降低炉渣中 的活度同样不利于 的还原反应.转炉终点温度对锰收得率的影响对转炉终点温度和锰矿直接合金化的收得率进行分析关系见图 年 月 第三期图 终点温度和锰收得率的关系从图 可以看出终点温度在 时随着温度升高锰矿直接合金化收得率均略有上升终点温度在大于 时随着温度升高锰矿直接合金化的收得率基本不变 从热力学上来看转炉终点温度提高可以促进 的还原反应、抑制 的氧化反应有利于提高锰的收得率但是在铁水物理热、化学热和装入量基本稳定的情况下转炉终点温度高意味着存在转炉终点 含量低、终渣氧化性强等情况反而不利于提高锰的收得率在 以上时锰矿直接合金化收得率较高且基本不随着温度升高而变化结合转炉出钢温度的要求转炉终点温度控制在 最有利于提高转炉锰矿直接合金化收得率.炉渣二元碱度对锰收得率的影响对炉渣二元碱度和锰收得率进行分析关系见图 二元碱度较低时锰收得率随着炉渣二元碱度增加而提高当炉渣碱度超过.后锰收得率随着炉渣二元碱度增加而降低炉渣二元碱度在控制在.之间可以很好的兼顾石灰消耗和锰矿直接合金化收得率在转炉“留渣 双渣”少渣冶炼工艺中二次造渣加入的石灰和轻烧白云石相对稳定影响二次炉渣二元碱度的主要原因是转炉初渣扒渣残余渣量不稳定炉渣碱度会影响 的活度炉渣碱度低时 和 结合生成 降低了 的活度提高炉渣碱度 会与 竞争 和 结合能力大于 和 结合能力减少了 的生成提高了渣中 的活度有利于促进锰的还原 但是当二元碱度大于.时炉渣中大量的石灰颗粒无法熔化造成炉渣的流动性变差锰还原反应式()的动力学条件恶化锰的收得率明显降低图 炉渣碱度和锰收得率的关系.炉渣量对锰收得率的影响转炉渣量与锰收得率关系见图 锰收得率和炉渣量程线性关系锰收得率随着炉渣量增加而降低锰矿加入量增加转炉渣量也会增加在同等渣量的情况下锰矿加入量越大炉渣中 含量就越高锰收得率越高 同等锰矿加入量的情况下转炉渣量大一方面炉渣中 含量被稀释的含量降低抑制 还原反应()的进行另一方面在转炉“留渣 双渣”少渣冶炼工艺中二次造渣的石灰和轻烧白云石加入量基本固定造成转炉渣量大的主要原因是因为转炉初渣扒渣后残余渣量大转炉初渣的碱度只有.左右转炉初渣量大会导致炉渣碱度较低炉渣碱度降低会降低 活度也不利于锰的还原反应()进行但是转炉初渣扒渣过于干净将增加铁损因此在转炉不加入锰矿时终渣量控制在/钢左右可以兼顾铁损和少渣冶炼图 转炉渣量和锰收得率的关系.炉渣 含量对锰收得率的影响炉渣 含量与锰收得率关系见图 从图 可见:炉渣 含量从.提高到.时各方案锰矿直接合金化收得率缓慢降低当炉渣 含量提高到.以上时各方案锰矿直接合金化 年 月 第三期基于转炉“留渣 双渣”冶炼工艺锰矿直接合金化试验 收得率快速降低 炉渣中 含量较低时 大部分都参与到钢水中的 的氧化很少部分参与到 的氧化随着 含量增加 反应达到平衡后多余的 都参与到 的氧化反应从而加速了 的氧化导致锰矿直接合金化收得率随着炉渣 含量增加而快速降低 在常规转炉冶炼中炉渣 含量直接关系到转炉脱磷的效率一般炉渣 含量都控制在 而在转炉“留渣 双渣”冶炼工艺中二次造渣脱磷的任务比较轻因此可以把炉渣 含量控制小于.从而保证锰矿直接合金化的收得率图 炉渣 含量与锰收得率关系.终点 含量对 收得率的影响钢水终点 含量与锰收得率关系见图 从图 可见锰矿直接合金化收得率和钢水终点 含量成正比随着钢水终点 含量的增加锰矿直接合金化收得率逐步增加 钢水终点 含量对锰收得率的影响:一方面 作为还原剂参与 的还原反应钢水终点 含量增加直接促进 的还原反应的进行另一方面钢水终点 含量高可以降低炉渣的氧化性使炉渣中 含量降低抑制 的氧化反应所以钢水终点 含量增加即可以促进 的还原反应又可以抑制 的氧化反应对锰矿直接合金化收得率影响显著 因此想要提高锰矿直接合金化收得率转炉终点 含量应该尽可能提高转炉终点钢水 含量应当控制在.以上图 终点 含量与锰收得率关系 验证性试验.验证性试验结果根据试验数据分析得到在南非半碳酸锰矿加入量为/炉时炉渣二元碱度.、炉渣 含 量 .、转 炉 终 点 钢 水 含 量.、炉渣量/钢最有利于提高转炉锰矿直接合金化收得率在 年 月份进行了 炉的转炉加入 南非半碳酸锰矿直接合金化验证性试验转炉炉内锰矿合金化收得率.比优化前的收得率.提高了.试验结果见表 表 锰矿直接合金化验证性试验结果锰矿量/终点温度/终点 含量/终点 含量/碱度渣量/炉渣 含量/炉渣 含量/锰收得率/./.经济效益测算南非半碳酸锰矿到厂价格 元/硅锰合金到厂价格 元/南非半碳酸锰矿消耗/炉锰收得率.终点钢水 含量提高.南非半碳酸锰矿成本.元/钢使用硅锰合金提高钢水同等的锰含量需要硅锰合金./钢硅锰合金成本.元/钢转炉炉内加入 南非半碳酸锰矿直接合金化降低成本.元/钢 结语)基于转炉“留渣 双渣”少渣冶炼工艺转炉炉内半碳酸锰矿直接合金化在二次造渣时南非半碳酸锰矿加入量 时锰收得率最高 年 月 第三期)转炉温度对转炉炉内锰矿直接合金化收得率影响较小结合出钢温度的要求转炉终点温度控制在 )炉渣二元碱度、炉渣 含量、转炉终点钢水 含量、炉渣渣量对锰矿直接合金化收得率影响显著炉渣二元碱度.、炉渣 含量.、转炉终点钢水 含量.、炉渣量/钢有利于提高转炉锰矿直接合金化收得率)经过优化基于转炉“留渣 双渣”少渣冶炼工艺转炉炉内半碳酸锰矿直接合金化收得率达到.终点钢水 含量提高.吨钢降低成本.元参考文献吕春风尚德礼孙群等.转炉出钢过程加锰矿直接合金化技术研究.炼钢():.陈均梁新腾杨森祥等.半钢炼钢转炉炉内锰矿直接合金化的方法:.陈均梁新腾杨森祥等.锰矿直接合金化球及其制备方法:.():.孟华栋杨勇姚同路等.复吹转炉“留渣 双渣”脱磷工艺试验.钢铁研究学报():.高运明赵家七幸涛.复吹转炉锰矿直接合金化热力学模型研究.武汉科技大学学报(自然科学版)():.赵中福李小明沈继胜.转炉炼钢加锰矿提高终点锰含量的试验研究.炼钢():.叶玉奎王向红秦福同等.复吹转炉双渣脱磷工艺实践.中国冶金.():杨传信李鹏超卢昭军等.转炉终点钢水残锰质量分数及其影响因素分析.中国冶金:.杨娜.“双渣 留渣”脱磷工艺在生产中的应用与优化.山东冶金.().李荣生冯润明魏国增等.贫锰矿在转炉炼钢工艺中的应用.炼钢():.戴诗凡吴伟张曦东等.转炉终点渣钢间锰平衡状况分析.中国冶金.():.李小环.转炉终点残锰量控制及优化.中国冶金.():.收稿日期:(上接第 页).:.郭祝昆 李香庭 陈昆刚.关于 氧化铝陶瓷双重结构的形成机理.硅酸盐学报():.():.():.():.():./.:.():.():.():.李香庭 郭祝昆.金属钠在 氧化铝陶瓷内的电解沉积现象.硅酸盐学报():.李香庭 曾毅 钱伟君 等.氧化铝中杂质的 研究.电子显微学报():.():.:./:.():.温兆银 林祖纕 陈昆刚.与水的作用.无机材料学报():.收稿日期: