转炉铬矿直接合金化的热力学及实验研究

摘要

现代工业和科学技术的发展对钢铁材料的使用性能和经济性能提出了越来越高的要求，多品种、高性能和低成本生产已成为衡量钢铁企业竞争力的重要指标。转炉铬矿直接合金化技术直接使用铬矿代替铬铁，具有成本低、热效率高、环境友好等特点。目前，基于强氧化性、生产节奏快的转炉铬矿直接合金化只有零星报道且铬矿还原热力学理论体系尚未得到完善。本文基于转炉冶炼 GCr15钢为研究对象，从铬在渣中赋存价态计算、铬矿熔融还原热力学计算、铬矿最佳还原剂配比以及铬矿粉压块组成四个方面进行研究，对转炉铬矿直接合金化工艺制定工艺详细参数和促进其早日工业化具有重要参考意义和应用价值。
　　为了确定铬在渣中主要存在价态及其变化规律，建立了转炉铬矿熔融还原CaO-SiO2-MgO-Al2O3-FeOt-CrOx赋存价态计算模型并进行了相关验证。计算结果表明：氧势是影响铬在渣中价态的主要因素。在转炉脱碳末期，当log(PO2/atm)位于-9.56~-8.79范围内时，铬在渣中主要以+2价和+3价共存。在研究范围内，铬的平均价态x随氧势、氧化亚铁、炉渣碱度和初始三氧化二铬的增加而增大，随反应温度和氧化镁含量的增加而减小，而渣中氧化铝含量的变化对铬价态影响非常有限。
　　以冶金热力学数据为基础，绘制了标准状态下固体和钢液中的C、Si、Al作为还原剂还原铬矿以及铬氧化物的热力学状态图。热力学状态图分析表明：固体和钢液中的C、Si、Al在高温下都能还原铬矿及其相关氧化物，使用固体碳还原铬铁矿和镁铬铁矿的开始还原温度比[C]还原分别低322℃和52℃。通过相关模型，计算了转炉实际条件下冶炼GCr15钢时钢渣组分活度，结果表明：渣中(CrO)和(Cr2O3)都能被钢水中剩余[C]还原，且(CrO)更易于被钢液中的碳还原；在相同热力学条件下，[Al]的还原能力最强。
　　在不同炉渣氧化性和加入先后顺序条件下，通过正交实验设计，研究了90％C+20%Si，90%C+20%Al，90%Si+20%Al和90%C+10%Si10%Al四种复合还原剂的综合还原性能。实验结果表明：在不同炉渣氧化性、不同还原剂加入顺序下，90%C+10%Si10%Al的综合性价比最高。
　　将廉价的铬矿粉压块处理，实验研究了压块块样外配组成对压块块样熔化情况以及铬收得率的影响。结果表明：将铬矿粉与化学试剂进行压块，可以使压块内部形成数个低熔点区域。降低压块外配碱度、增加压块中CaF2含量将会加快压块熔化，但MgO/SiO2变化对压块熔化影响不大。而增加压块中的碱度、MgO/SiO2，有利于提高还原末期钢中的铬含量，而压块中CaF2含量对铬收得率影响较小。
　　使用廉价的铬矿粉进行初步成本估算，铬矿直接合金化冶炼 GCr15钢吨钢可节约成本19.88元~30.82元，具有良好的经济效益。

目录

1 文献综述

1.1 铬元素简介

1.2 铬矿特点及分布

1.3 冶炼合金钢直接合金化国内外研究现状

1.4 铬矿直接合金化的发展及研究现状

1.5 课题研究意义及内容

2 铬在渣中的赋存价态计算

2.1 转炉脱碳末期炉渣成分设计

2.2 铬在渣中的赋存价态计算模型

2.3 小结

3 转炉铬矿直接合金化热力学分析

3.1 转炉铬矿直接合金化还原剂的选择

3.2 标准状态下铬矿还原的热力学

3.3 标准状态下铁水中铬氧化物还原的热力学

3.4 转炉实际条件下的热力学分析

3.5 小结

4 铬矿直接合金化还原剂配比的实验研究

4.1 实验准备及步骤

4.2 实验结果及讨论

4.3 小结

5 含碳铬矿粉压块自还原的实验研究

5.1 铬矿粉压块自还原简介

5.2 实验方法与方案

5.3 实验结果与分析

5.4 小结

6 铬矿直接合金化成本估算

6.1 传统合金化成本计算

6.2 直接合金化成本估算

6.3 小结

7 结 论

致谢

参考文献