CO2用于吹氧法生產中低碳鉻鐵的研究★

栗聖凱，侯向東

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

1 研究意義

本文的研究意義在于：一方面，通過文獻[1]的論述可知，CO2-O2混合吹煉脫碳工藝與Ar-O2混吹脫碳工藝相比，不僅更加地經濟實惠，而且在初期適當噴吹CO2后脫碳效果更加明顯。現如今，CO2-O2混合吹煉脫碳生產低碳鉻鐵合金的工藝已經得到了有效的驗證。不過，在分析牌號FeCr55C10.0的高碳鉻鐵原料的相關研究還不多見，具體采用何種計算方式，配比CO2的計量還需要進一步探討。另一方面，本課題的研究有利于在確保生產效率的基礎上，將Cr的回收率置于較高水平，有利于顯著降低相關還原劑和能量的消耗，更有利于降低相關行業投資成本。

2 三種常見的冶煉中低碳鉻鐵工藝

2.1 電硅熱法冶煉中低碳鉻鐵工藝

在該工藝中，首先借助電能加熱提供反映溫度；其次，借助石灰提供的堿性環境，使硅鉻合金中的硅與氧鉻化合物發生還原反映，將還原為；最后，采用脫硅增鉻工藝將反應爐中的原料冶煉為中低碳鉻鐵。具體的反映原理如下公式組所示：

2.2 CLU轉爐精煉技術冶煉中低碳鉻鐵工藝

與普通的氫氧混吹脫碳工藝相比（見圖1），該工藝采用水蒸氣代替部分氫氣和氮氣，也就是說，采用的是一定比例的水蒸氣、氫氣、氮氣和氧氣實現混吹脫碳冶煉中低鉻鐵工藝。一方面，水蒸氣可以起到一定的制冷作用，提高反應爐壽命；另一方面，由水蒸氣分解出來的H2和O2混合氣體，與以往工藝相比，可以起到一定的稀釋作用。

圖1 CLU轉爐精煉技術冶煉中低碳鉻鐵工藝流程

2.3 吹氧法冶煉中低碳鉻鐵工藝

吹氧法與其他方法不同的是不需要中間物理和化學過程，直接一步就能生產出中低碳鉻鐵產品，因此有時也被稱為“一步法”。其基本生產流程是將氧氣加高壓，直接吹入轉爐，與液態高碳鉻鐵產生化學反應。在不同的爐溫條件下，生成渣、鉻鐵產品等。在開始爐溫低于1700℃，礦石中的Ca、A1、Si、Cr等雜質優先發生氧化反應，在氧化反應的過程中，釋放的熱量將爐溫進一步推高。

當溫度上升至1700℃左右時，礦石中的碳元素發生氧化反應。與此同時，和與碳元素發生間接氧化。在上述過程中，實現吹氧法冶煉中低碳鉻鐵工藝。

2.4 三種常見的冶煉中低碳鉻鐵工藝比較（見下頁表1）

表1 三種常見的冶煉中低碳鉻鐵工藝比較

3 CO2用于吹氧法生產中低碳鉻鐵的工藝原理

3.1 熱力學分析

轉爐中的熱力學分析依據主要是從鉻鐵熔體脫碳的相關熱力學數據中得來的。在常溫狀態CO2表現為弱氧化性；但是，在轉爐的高溫環境下，也表現為較強的氧化性，可以同礦石中的C、Si、Fe和Cr實現劇烈的氧化反應。冶煉過程中，CO2與Fe、C元素的氧化反應是吸熱反應。CO2與Cr、Si的氧化反應是放熱反應。O2與上述四元素發生的反應均為放熱反應。需要特別指出的是依據文獻[2]提供的相關熱力學數據可知，CO2與Cr、Si的氧化反應所釋放的熱量與O2與之發生的氧化釋放的熱量相比少的多，不在一個數量級。鑒于此，CO2-O2混吹的方式，有利于借助混吹混合比例來調節熔池溫度，有利于控制爐溫并提高爐襯的壽命。

3.2 工藝原理

CO2用于吹氧法生產中低碳鉻鐵的工藝原理在于采用CO2作為部分稀釋氣體的替代者，將CO2-O2加壓，按照一定比例對高溫轉爐進行高壓混合吹煉。按吹煉方式不同可以分為側吹、底吹、頂吹和頂底復合吹煉四種。以頂吹為例，在吹煉的過程中，高壓氧氣和二氧化碳氣流會以很高的速度沖擊熔池，形成凹坑狀的氣流作用區。

4 CO2在轉爐冶煉過程中的最大入量計算

CO2的含量計算也是一項重要內容。如果含量過高，導致爐溫溫度難以保持穩定，引發安全生產隱患；如果溫度過低，對爐溫的影響微乎其微，不僅原有的爐襯侵蝕問題不能得到改善，而且脫碳保鉻的目的也難以達到。依據文獻[3]的相關研究成果可知，在轉爐CO2與O2混合煉鋼過程中CO2的最大加入量應不超過13%。但是針對牌號FeCr55C10.0的高碳鉻鐵原料的相關研究還沒有見到。本文依據熱力學的基本原理和相關工具實現計算原理的探討。牌號FeCr55C10.0的高碳鉻鐵原料脫碳保鉻的總反應為如下公式。

較佳CO2配比的計算原則是：加入CO2后，既能實現體系的物料平衡與能量平衡，同時體系的溫度又能夠等于或者高于氧化轉化溫度，只有這樣才能最大限度地減少爐襯的高溫侵蝕，同時實現脫碳保鉻。

依據文獻[4]的相關研究成果可知，常壓下轉爐法適合冶煉含碳2%（質量分數）的中碳鉻鐵產品，其冶煉終點溫度約為1750℃。在原料相同的情況下，最終產品含碳量越低，體系達到平衡時的溫度越高，可以引入CO2的比例越小，即在冶煉碳含量較低的產品時，不宜大量采用CO2。

依據FeCr55C10.0的化學成分（見表2），分別計算在當前計算條件下，以CO2代替部分O2進行鉻鐵冶煉比較適合冶煉碳質量分數在2.0%以上的產品，不適合冶煉碳質量分數低于1.0%的鉻鐵產品。

表2 Fe Cr55C10.0的化學成分

5 結語

在吹氧法冶煉中低碳鉻鐵的過程中，主要面臨的問題包括：溫度過高、耐火內襯壽命短、鉻回收率低等等。采用引入CO2用于吹氧法生產中低碳鉻鐵的工藝創新已經成為了一個新的研究熱點方向。中低碳鉻鐵作為一種必不可少的添加劑多見于煉鋼工業生產之中。其重要性一方面體現在不銹鋼、鉻鋼、合金結構鋼等鋼材的生產環節；另一方面，體現在生產高品質潔凈鋼的生產環節。