轉爐吹氧法生產中碳鉻鐵試驗研究

馬 川

（西安建筑科技大學， 陜西 西安 710032）

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

國內外鐵合金廠工業生產的實踐已證明，與傳統的電硅熱法相比，以碳素鉻鐵水為原料用氧氣轉爐吹煉成中碳鉻鐵的工藝是比較經濟的，可顯著節電，提高效率，增加效益。本文著重對于吹氧法生產中碳鉻鐵的原理和酒鋼試驗過程進行說明，并提出一些建議。

1 試驗情況

2017年9月15日，低碳優質鐵合金研究開發項目組借助技術中心煉軋中試工廠的轉爐+中頻爐一體爐開展了首次吹氧法生產中碳鉻鐵的試驗。

9：15開始裝完料升溫，裝料有鉻鐵塊80 kg。11：50熔清，測溫1 698℃，于11：53降槍至極限位開吹，氧壓調至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次測溫分別為1 736℃和1 722℃。13：05停吹測溫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10 kg；分5次加入螢石共計0.7 kg；分7次加入不銹鋼除塵灰共計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3.2 kg還原渣中Cr2O3。試驗過程化渣不好時加入固體氧化劑，噴濺時加入石灰壓渣。

1.1 試驗數據采集

試驗數據采集見表1。

表1 金屬和爐渣信息

1.2 試驗分析

1.2.1 理論耗氧與實際供氧的對比分析

此次裝入 80 kg，理論氧耗 10×80/89≈9（m3）。實際的氧耗為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

試驗收集產品量約62 kg，結合成分計算鉻量為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節堿度，又能提供氧化劑，根據文獻還有護爐的作用（提高過程渣的Cr2O3含量可以護爐），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助造渣。在保證護爐和Cr還原的前提下，增加了爐渣的氧化鐵含量，在發揮氧化脫碳作用的同時，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而增加，還原前達到了71%的水平。

1.2.3.3 爐渣MgO含量

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

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降低。

1.2.4.2 成品硅含量分析

成品硅含量比前次試驗顯著降低，含量（質量分數）降低至1.27%。同時，比高碳鉻鐵的硅含量（質量分數）2.64%顯著降低，未出現硅鐵加入偏多造成成品增硅超標的現象。

1.2.5 爐襯壽命

中試廠轉爐做一般熔煉試驗時，壽命可達到3～4爐，但做中碳鉻鐵試驗最多能達到2爐。此次試驗后觀察熱的爐襯，減薄程度較上次減輕，應能再使用2爐以上。但爐襯冷卻5 h后觀察，有微細裂紋。

1.2.6 澆注和取樣

因條件所限，現場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 結論與建議

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

2）引進固體高堿度氧化劑（不銹鋼除塵灰）在中等堿度下實施黏渣掛爐護爐技術；借鑒礦熱爐內的鐵、鉻氧化物在下層精煉脫碳的原理引進氧化鐵物料改善供氧（改善氧的擴散）。以上措施既改善傳質又維護爐襯。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、調節堿度、實現粘黏護爐還有提供Cr元素的作用。

4）吹氧法生產中碳鉻鐵，爐襯的侵蝕是一個很大的問題，決定了爐子的壽命和冶煉成本。適當增加爐渣堿度并適當增加黏度，實施黏渣掛爐工藝，爐渣堿度過大過黏會不利于固體氧化物與熔池內碳化物的反應，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爐。使用固體氧化劑精煉脫碳，改善動力學條件，促進了脫碳保鉻，發揮了維護爐襯的作用。有條件時一定要縮短爐與爐之間的時間，使爐子保持熱態運行，減少溫度波動大造成的爐襯開裂和剝落。選擇質量好的耐火材料砌筑轉爐以及盛鐵桶等一應設施。同時采取大爐殼、厚爐襯的建設方針，注意保證爐容比不小于0.8；通過減少輔助時間，或引進諸如感應加熱的形式提高鐵水溫度，盡可能采用鐵包內（或中頻爐內）加硅還原爐渣的工藝，減少酸性渣對轉爐的不利影響；實施高品鉻礦造渣和黏渣掛爐工藝，尋找企業內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域學習借鑒，主要是底吹的維護和壽命延長、CO2的冶金應用和護爐工藝。

5）工藝設備選型。從行業研究和應用效果來看，轉爐引入CO2對高碳鉻鐵脫碳得到中碳鉻鐵是可行的[4]。若生產中碳鉻鐵，CO2吹煉工藝無論從設備、工藝還是冶煉效果來看都是最好的，CO2收集與分離技術雖尚未普及，但在不久的將來必定能實現；CLU轉爐雖然吹煉中碳鉻鐵也有不錯的表現，但設備安全性和復雜度較高，且在產品質量方面有局限性；負壓吹煉既能吹煉中碳鉻鐵，又能吹煉低、微碳產品，產品范圍大，雖然有些技術瓶頸待解決，但不失為一種適應性更強的工藝。因此后續建議先按照真空罩式負壓吹煉轉爐模式進行設備設計與建設，設計成即可頂吹氧氣、又可底吹各類氣體。一旦CO2的收集技術獲得突破，CO2易得時，再與真空吹煉技術結合起來，精煉效果可以達到最佳，對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。澆注設施的改變：因中、低碳鉻鐵的C、Si含量低，強度較高，利用現在的深模澆注將難以破碎，因此需要準備專門的淺盤模具，建議不采用水浸泡冷卻工藝。

7）產品品級率的控制。原則上應結合自身條件和成本上的經濟性，控制各品級的比例。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、擴撒動力學條件的創造（加強攪拌或及時從體系中排除反應產物）就顯得尤為重要，因此，引進CLU工藝、CO2吹煉護負壓吹煉技術是勢在必行的。

8）產品分類管理的加強。因不同品級率的售價不同（中低碳鉻鐵因C、Si含量而分檔論價），為提高效益，后續中低碳鉻鐵與碳素鉻鐵如在一個廠房內生產，需要做好兩種合金澆注區和成品區的分區。另外，必須對中低碳鉻鐵每爐從多個錠模中取樣，取平均數決定該爐次產品的C、Si含量分檔，分區暫存并做好標識。儲運在將產品移庫時也需按標識做好分類倒運，到集中庫時也需做好按品種、按C檔分區儲存。

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

[2]畢傳泰.氧氣轉爐吹煉鉻鐵生產技術的發展與前景[J].鐵合金，1989（2）：17-19.

[3]田長蔭.轉爐吹氧冶煉中碳鉻鐵[J].上海冶金，1979（1）：28.

[4]王海娟.CO2在轉爐冶煉中低碳鉻鐵過程中的探索性應用[J].工程科學學報，2016，38（S1）：146-154.

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