提高不銹鋼電爐冶煉中鉻元素收得率的試驗(yàn)研究★

馬駿鵬， 陳景鋒

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

21世紀(jì)以來，我國不銹鋼工業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，不銹鋼產(chǎn)量快速增長。然而，我國的鉻礦儲量較為貧乏，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的鉻原料大部分依賴于進(jìn)口，對外依存度超過80%以上[1]。目前，不銹鋼冶煉多采用電爐—AOD工藝進(jìn)行冶煉，電爐的作用是為AOD工序提供初煉預(yù)溶液，即將含有Cr、Ni的廢鋼、生鐵或其他物料熔化后提供給AOD爐進(jìn)一步脫C冶煉。作為熔化不銹鋼廢鋼的電爐工序，為了提高生產(chǎn)效率并節(jié)約電能，往往在電極熔化廢鋼的同時(shí)吹入氧氣，達(dá)到升溫助熔的目的。但是，吹氧過程不可避免地使得鋼中鉻元素嚴(yán)重氧化，使得電爐出鋼后鉻元素的收得率顯著降低[2]，增加不銹鋼的生產(chǎn)成本。所以，提高電爐冶煉不銹鋼過程中鉻元素的收得率，是節(jié)約鉻資源的需要，也是鋼鐵企業(yè)降本增效的主要途徑，已成為冶金工作者在生產(chǎn)實(shí)踐中關(guān)注的重要課題。

1 電爐中鉻損失的因素與控制方法

不銹鋼中的鉻元素在冶煉過程中與鋼水中的溶解氧、氣氛中的氧氣和鋼渣中的氧化物會發(fā)生氧化反應(yīng)。當(dāng)電爐中爐料開始熔化時(shí)，鉻元素的氧化隨之開始，尤其在吹氧助熔過程中氧化反應(yīng)更加強(qiáng)烈，這是電爐中鋼水鉻損失最主要的途徑，且一直持續(xù)到出鋼。不銹鋼的配料通常有廢鋼（碳鋼、合金鋼和不銹鋼） 和鐵合金（Fe-Cr、Fe-Cr、Fe-Mn和 Ni等）組成。同時(shí)，原料中也不可避免地存在不同數(shù)量和類型的氧化物，特別是修磨產(chǎn)生的金屬屑末。這些氧化物在熔化后均會與鋼水中的Cr發(fā)生反應(yīng)。爐料熔化過程中，還原劑會加入到電爐中回收以氧化鉻形式存在于渣中的Cr，還原劑熔池由Fe-Si、Al和造渣劑比如石灰等組成。爐料完全熔化后，把鋼水倒入AOD中。在電爐出鋼的過程中，鋼水吸氧，還會有0.27%～0.33%的鉻損失[3-6]。

因此，如果要減少Cr的損失，主要應(yīng)關(guān)注如何減少鉻的氧化與如何做好鉻的氧化物還原工作。關(guān)于爐料，雖然知道應(yīng)減少氧化物原料的加入量，但由于廢鋼市場價(jià)格的影響，爐料設(shè)計(jì)最終是由成本決定的，故無法避免金屬屑末等氧化物的使用。關(guān)于吹氧溫度，高溫吹氧有利于脫碳保鉻，但由于電爐吹氧主要是為了利用鋼水氧化放熱而助熔，所以需在鋼水局部熔化即開始吹氧，鋼水中鉻的氧化無法避免。綜上所述，電爐中的鉻損失只能通過鋼水、鋼渣的成分以及鋼渣堿度的調(diào)整來控制。

2 試驗(yàn)方法與設(shè)備

本文試驗(yàn)均以電爐冶煉304不銹鋼預(yù)熔液為例，研究上一年度實(shí)際生產(chǎn)的100余爐鋼水中Si含量和鋼渣堿度對鋼水出鋼后鉻收得率的影響，從而可優(yōu)化參數(shù)，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。電爐關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)見下頁表1，出鋼化學(xué)成分見下頁表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 Si含量對鋼水鉻回收率的影響

在煉鋼過程中，脫氧劑通常使用錳、硅和鋁。由于錳的氧化、還原反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)與鉻很相近，二者與氧結(jié)合的能力相當(dāng)，所以在富鉻鋼渣中，錳難以起到還原劑的作用，主要是用硅和鋁作為還原劑。從經(jīng)濟(jì)上考慮，由于硅和鋁的成本相差很大，且1 kg的75%硅鐵和1 kg鋁還原出的鉻相當(dāng)，因此還原劑選用硅鐵更為經(jīng)濟(jì)。還原反應(yīng)如式1所示，可見提高鋼液中的Si含量，可以促進(jìn)還原反應(yīng)的進(jìn)行。

表1 電爐關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)

表2 出鋼化學(xué)成分 %

在上一年度實(shí)際生產(chǎn)的100余爐中選取鋼渣堿度在1.3～1.4范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，共22爐，以鋼水Si含量為橫坐標(biāo)，以鋼水Cr收得率為縱坐標(biāo)，繪于圖1，圖中直線為22爐數(shù)據(jù)以最小二乘法擬合得到。由圖1可見，隨著鋼水中Si含量的提高，Cr的收得率有逐漸升高的趨勢。當(dāng)鋼水中w（Si）＜2.1%時(shí)，數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了很多Cr收得率低于90%的情況，而當(dāng)鋼水中w（Si）＞2.1%時(shí)，鋼水Cr收得率基本均在95%以上，得到了很好的還原效果。

3.2 鋼渣堿度對鋼水鉻回收率的影響

關(guān)于電爐中鋼渣堿度的選擇，有文獻(xiàn)[7]認(rèn)為電爐鋼渣堿度升高會使渣中氧化鉻含量降低，即對鉻的回收有利。當(dāng)電爐鋼渣堿度在1.1～1.6之間時(shí)，對應(yīng)的鋼渣中氧化鉻含量最低。當(dāng)電爐鋼渣的堿度大于1.8時(shí)，鋼渣黏度顯著增加，阻礙了鋼渣中氧化鉻的還原反應(yīng)，導(dǎo)致鉻的收得率回落。從本廠上一年度實(shí)際生產(chǎn)的100余爐中選取鋼水Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.9%～2.1%范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，共25爐，以鋼渣堿度為橫坐標(biāo)，以鋼水Cr收得率為縱坐標(biāo)，繪于圖2，圖中直線為25爐數(shù)據(jù)以最小二乘法擬合得到。由圖2可見，在本廠實(shí)際生產(chǎn)過程中，在堿度高于1.4后，Cr收得率出現(xiàn)明顯增加，普遍達(dá)到95%以上，已達(dá)到較為滿意的還原效果。

圖1 鋼水中Si含量對Cr收得率的影響

圖2 鋼渣堿度對Cr收得率的影響

3.3 生產(chǎn)實(shí)踐

前兩節(jié)分別考慮了電爐鋼水中Si含量和電爐鋼渣堿度對于鉻收得率的影響，得到的較優(yōu)參數(shù)為鋼水w（Si）＞2.1%，鋼渣堿度高于1.4。但在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼水中Si含量和鋼渣的堿度并不能一味地提高。這是由于隨著鋼渣堿度的升高，鋼渣黏度增加，液渣界面減少，鉻的還原反應(yīng)條件被限制，表現(xiàn)為隨著鋼渣堿度的繼續(xù)升高，鉻的還原反應(yīng)趨于某一極限值。而對于鋼水中的Si含量，也不能一味地提高。鋼渣的堿度是 w（CaO）和 w（SiO2）的比值，當(dāng) Si含量升高時(shí)，為保證合適的鋼渣堿度，CaO的加入量也相應(yīng)增加，這便導(dǎo)致了電爐中渣量的增加，以及冶煉輔料、電耗成本的增加。基于此，本年度生產(chǎn)實(shí)踐選用了電爐鋼水w（Si）范圍2.1%～2.3%，電爐鋼渣堿度范圍1.4～1.6的生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)工藝改進(jìn)前、后的Cr收得率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖3所示。由圖3中可見，生產(chǎn)工藝改進(jìn)后，Cr收得率平均值由之前的94.1%上升至95.4%。

圖3 工藝參數(shù)改進(jìn)前后Cr收得率對比

4 結(jié)論

本文分析了電爐中鉻損失的因素和控制方法，研究了鋼水中Si含量和鋼渣堿度對鉻收得率的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

1）隨著鋼水中Si含量的提高，電爐中Cr收得率隨之升高。當(dāng)鋼水中w（Si）＞2.1%時(shí)，鋼水Cr收得率基本均在95%以上，得到了很好的還原效果。

2）隨著電爐鋼渣堿度的升高，電爐中Cr收得率隨之升高。當(dāng)鋼渣堿度大于1.4時(shí)，Cr收得率普遍達(dá)到95%以上。

3）將電爐鋼水Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在2.1%～2.3%，電爐鋼渣堿度控制在1.4～1.6范圍內(nèi)時(shí)，Cr收得率平均值由改進(jìn)前的94.1%上升至95.4%。

[1]劉根泉.2008-2009年中國鉻系鐵合金生產(chǎn)經(jīng)營分析[J].冶金管理，2009（10）：14-18.

[2]李志斌.還原不銹鋼渣中Cr2O3的實(shí)驗(yàn)研究[C]//2008特鋼年會論文集.北京：中國金屬學(xué)會特鋼分會、特鋼冶煉學(xué)術(shù)委員會，2008.

[3]張懷宇.電爐冶煉不銹鋼期間鉻的控制[J].大連特殊鋼，2000（3）：26-31.

[4]祝方義.電爐熱裝脫磷鐵水冶煉不銹鋼工藝實(shí)踐[C]//第十五屆全國煉鋼學(xué)術(shù)論文集.北京：中國金屬學(xué)會特鋼學(xué)會，2008.

[5]閆春泉，蔣東兵.不銹鋼冶煉提高鉻收得率的研究[J].電站系統(tǒng)工程，2011，27（2）：68.

[6]莫濤，杜佳，李濤.電弧爐冶煉不銹鋼G-X4CrNi13的工藝實(shí)踐[J].鑄造技術(shù)，2011，32（9）：1334-1336.

[7]劉之彭，毛佳君，李秋菊，等.不銹鋼渣中氧化鉻還原的實(shí)驗(yàn)研究[J].上海金屬，2009，31（6）：19-22.