转炉流程铜镍氧化物直接合金化炼钢基础研究

摘要

SPA-H耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，一般是将铜板和镍铁合金（或镍板）放在废钢槽尾部随废钢加入到转炉内进行合金化。利用镍及铜的氧化物进行直接合金化冶炼耐侯钢，可以省去生产铁合金或电解镍过程，降低冶炼成本，节约资源和能源。国内外一些研究者开展了NiO在电弧炉内直接合金化的炼钢实践以及渣中铜、镍氧化物被还原剂还原的相关研究，但在转炉氧化气氛强，冶炼周期短的条件下对铜，镍氧化物的还原还是鲜有报道。本文基于某钢厂转炉现场条件，通过热力学，热化学的计算，对氧化镍或氧化亚铜直接合金化冶炼耐候钢进行了较为系统的理论研究，并进行了相关的动力学实验，讨论了完全利用氧化镍或氧化亚铜代替对应铁合金在转炉中直接合金化的炼钢工艺。
　　 热力学计算表明，铁水中固有的[C]、[Si]、[Fe]等在铁水条件下都能够与Cu2O和NiO发生还原反应。在铁水阶段进行氧化镍或氧化亚铜的直接合金化是完全可行的；在转炉中进行氧化镍或氧化亚铜的直接合金化也是完全可行的，镍或铜的回收率大于99％。在转炉过程和转炉终点，[C]还原Cu2O和NiO的能力都比[Fe]强。
　　 热化学的计算表明：若在转炉中直接合金化，会使钢水温度最大降低6-8K。所以在铁水阶段和在转炉阶段进行氧化镍或氧化亚铜的直接合金化对铁水和钢水的温度的影响不大。
　　 动力学实验研究表明，在1573 K铁水（含碳3％）条件下或在1873K的纯铁液条件下氧化镍或氧化亚铜的还原反应很快，在20分钟左右即可反应完全。纯铁液还原炼钢渣中的NiO或Cu2O的控速环节为NiO或Cu2O的扩散传质。加强熔池搅拌更有利于加快他们的还原。
　　 通过估算，采用NiO直接合金化冶炼耐候钢比利用镍铁合金节约冶炼费用95.1元/t。采用Cu2O直接合金化冶炼耐候钢比利用铜铁合金节约冶炼费用48.91元/t。综合考虑多种因素，得出了氧化镍、氧化亚铜直接合金化的最佳冶炼工艺，即采取先废钢后氧化镍、氧化亚铜，再兑铁水方式。