用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法

摘要

本发明涉及用气体处理熔融铁类合金的方法领域，具体为一种用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法。一种用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法，包括a.熔化：其特征是：还包括如下步骤：b.吹氧：从钢包底部向不锈钢母液吹入搅拌气，搅拌气选用氮气或氩气；c.后搅拌：从钢包顶部通过气体喷枪向不锈钢母液吹入搅拌气，同时继续从钢包底部向不锈钢母液吹入搅拌气；d.脱渣：脱硅结束后，扒除炉渣。本发明脱硅工艺简单，脱硅率高，铬损低，能源消耗少。

说明书

技术领域

本发明涉及用气体处理熔融铁类合金的方法领域，具体为一种用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法。

背景技术

不锈钢通常指在大气和酸、碱、盐等腐蚀性介质中呈现钝态而具有耐蚀不生锈的高铬合金钢，含铬量一般在12%～30%。随着社会经济的不断发展，不锈钢的使用日益广泛，相应的也产生了大量不锈钢废钢。利用不锈钢废钢经熔化后再进行精炼处理以生产不锈钢是一种短流程生产工艺路线，在精炼处理某些不锈钢钢种时需在VOD（即真空吹氧脱碳）炉内进行脱碳脱氮等处理，由于不锈钢废钢的品质参差不齐，有些不锈钢废钢中含较高的Si元素（含量可达0.5%～1.0%），而VOD炉运行时母液的Si含量一般要求低于0.5%最高也不得超过0.5%，这样就必须先对母液实施脱硅处理。目前的生产流程，高硅母液需进入AOD（即氩氧脱碳）炉进行处理至合格后再进入VOD炉精炼。由于AOD炉装置复杂，供气强度大，如仅用于脱硅处理则系统运行成本高，同时脱硅处理能耗高，铬损大，并且母液需通过钢包在熔化炉和AOD炉之间倒运从而造成热量损失，因此这种方法的综合成本较高。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，提供一种系统结构简单、操作方便、降低能耗、综合成本低的不锈钢冶炼方法，本发明公开了一种用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法。

本发明通过如下技术方案达到发明目的：

一种用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法，包括a. 熔化：将不锈钢废钢作为原料在熔化炉内熔化成不锈钢母液，将不锈钢母液倒入钢包，不锈钢母液的温度控制在1580℃～1610℃；其特征是：还包括如下步骤：

b. 吹氧：熔化结束后，在常压状态下，从钢包底部向不锈钢母液吹入搅拌气以搅动不锈钢母液，搅拌气选用氮气或氩气，从钢包顶部通过气体喷枪向不锈钢母液吹入氧气，吹氧量根据脱硅量确定，从钢包上部向不锈钢母液投入固体氧化剂和造渣剂；

c. 后搅拌：吹氧结束后，从钢包顶部通过气体喷枪向不锈钢母液吹入搅拌气，同时继续从钢包底部向不锈钢母液吹入搅拌气，以加强搅拌不锈钢母液从而促进脱硅和还原铬元素；

d. 脱渣：后搅拌5min～10min后，停止后搅拌完成脱硅，随后扒除炉渣（即脱硅渣），转入下一道真空吹氧脱碳（即VOD）工序处理。

所述的用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法，其特征是：第b步吹氧时，从钢包顶部吹入氧气的供氧强度为：每吨不锈钢母液0.19N·m³/min～0.6N·m³/min，枪位（枪位指气体喷枪的喷气口距离不锈钢母液液面的高度）0.8m～1.3m；

固体氧化剂选用块状铁矿石或块状氧化铁，加入量为每吨不锈钢母液不大于15kg；

造渣剂选用块状石灰和萤石，石灰的加入量为炉渣碱度不小于2.0，萤石的加入量为每吨不锈钢母液4kg～6kg。

所述的用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法，其特征是：第c步后搅拌时，从钢包顶部吹入搅拌气的供气强度为：每吨不锈钢母液0.12N·m³/min～0.36N·m³/min。

所述的用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法，其特征是：第b步吹氧和第c步后搅拌时，从钢包底部吹入搅拌气的供气强度为：每吨不锈钢母液0.05N·L/min～0.14N·L/min。

本发明使用时，根据热力学原理，在常压下硅和氧的亲和力很强，向钢水中加入含氧物质（如氧气或固体氧化剂），硅被氧化生成SiO₂进入炉渣从而被固化脱除。不锈钢钢水脱硅就是利用了硅和氧亲和力强的这一特点，其中固体氧化剂选用氧化铁、铁矿石等铁氧化物，当钢水中加入氧化剂时，发生如下脱硅反应

Si+O₂=SiO₂  ?G<0——(1)，

Si+2FeO=SiO₂+2Fe(l)  ?G<0——(2)，

2Si+Fe₃O₄(s)=2SiO₂+3Fe(l)  ?G<0——(3)，

3Si+2Fe₂O₃(s)=3SiO₂+4Fe(l)  ?G<0——(4)，

上述(1)～(4)式中，l和s分别表明反应物或生成物的物理状态，l为液态，s为固态；?G是反应的自由焓，?G<0则自由焓减少反应可自发的按正向进行。

不锈钢钢水中含有C、Si、Cr等元素，加入氧化剂后会产生竞争性氧化，根据氧势图，常压下，Si和O的亲和力很强，Si会被优先氧化，但由于不锈钢钢水中Cr含量高（大于12%），远高于Si的含量（一般<1%），这样加入氧化剂后一部分Cr会先于Si被氧化，如：

4Cr+3O₂=2Cr₂O₃——(5)，

由于Si和O的亲和能力大于Cr，同时发生Si还原Cr的反应：

3Si+2Cr₂O₃=3SiO₂+4Cr——(6)，

而由于Si的传质不及时一部分铬氧化物未被还原进入炉渣中。

本发明使用时，不锈钢钢水的脱硅在钢包内进行，由于熔池深，不锈钢钢水的液面距钢包包口的有效净空约为1.2m～1.6m，反应空间有限，因此顶吹氧气射流仅可搅动熔池上部的不锈钢钢水，下部不锈钢钢水的硅无法快速传质到上部，影响脱硅效率，并且上部的不锈钢钢水易由于被过度氧化而造成铬元素的大量烧损，因此本发明采用在钢包底部同时吹入氮气或氩气，以搅拌熔池，促进不锈钢钢水在钢包内的上下循环运动，加速传质。

固体氧化剂和造渣剂投入钢包内，在氧气的搅拌作用下，在熔池上部形成渣钢混合区，各种脱硅反应及铬还原反应主要在渣钢混合区内进行，在底吹与顶吹的相互作用下熔池搅拌加强，促进渣钢混合区内各种反应的顺利进行。

根据目标脱硅量设定吹氧量，吹氧结束后，由于铬的竞争氧化及硅传质不充分，钢水中仍有一部分硅未脱除，炉渣中仍含有一定量的氧化铬，因此顶吹气体从氧气切换成氮气或氩气继续通过钢包顶部的气体喷枪吹入钢包内搅拌熔池，与底吹结合促进炉渣和不锈钢钢水充分接触，使不锈钢钢水中的硅将炉渣中的铬最大限度地还原，从而达到脱硅保铬的效果。

含铬氧化物的炉渣比较粘稠，会阻碍渣钢的充分接触，因此本发明在炉渣中加入萤石以稀化炉渣，改善炉渣的流动性，使渣钢界面充分接触，促进反应进行。

(1)～(4)的脱硅反应都为放热反应，对熔池有升温作用，而固体氧化剂在熔化时吸收热量，对熔池有降温作用，因此只要氧气和固体氧化剂的比例适当，就能合理的控制熔池温度，满足后道VOD工序对温度的要求。

本发明提供了一种不锈钢钢水在钢包内实施脱硅的工艺，能够在常压下在钢包内将不锈钢钢水中的硅脱除，有效降低不锈钢钢水中的硅含量，满足后道VOD工序对硅含量的要求，系统构成简单，能耗低，综合成本低。

本发明的有益效果是：脱硅工艺简单，脱硅率高，铬损低，能源消耗少，可充分利用各种品质的不锈钢废钢，降低不锈钢生产的综合成本，符合循环经济和低碳经济的发展要求。

附图说明

图1是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

一种用于不锈钢脱硅冶炼的顶底复合吹炼方法，包括a. 熔化、b. 吹氧、c. 后搅拌和d. 脱渣，如图1所示，按如下步骤依次进行：

a. 熔化：将不锈钢废钢作为原料在熔化炉内熔化成不锈钢母液，将不锈钢母液倒入钢包，不锈钢母液的温度控制在1580℃～1610℃。

b. 吹氧：熔化结束后，在常压状态下，从钢包底部向不锈钢母液吹入搅拌气以搅动不锈钢母液，搅拌气选用氮气或氩气，从钢包顶部通过气体喷枪向不锈钢母液吹入氧气，吹氧量根据脱硅量确定，从钢包上部向不锈钢母液投入固体氧化剂和造渣剂；

从钢包顶部吹入氧气的供氧强度为：每吨不锈钢母液0.19N·m³/min～0.6N·m³/min，枪位（枪位指气体喷枪的喷气口距离不锈钢母液液面的高度）0.8m～1.3m；从钢包底部吹入搅拌气的供气强度为：每吨不锈钢母液0.05N·L/min～0.14N·L/min；

固体氧化剂选用块状铁矿石或块状氧化铁，加入量为每吨不锈钢母液不大于15kg；

造渣剂选用块状石灰和萤石，石灰的加入量为炉渣碱度不小于2.0，萤石的加入量为每吨不锈钢母液4kg～6kg。

c. 后搅拌：吹氧结束后，从钢包顶部通过气体喷枪向不锈钢母液吹入搅拌气，同时继续从钢包底部向不锈钢母液吹入搅拌气，以加强搅拌不锈钢母液从而促进脱硅和还原铬元素；

从钢包顶部吹入搅拌气的供气强度为：每吨不锈钢母液0.12N·m³/min～0.36N·m³/min；从钢包底部吹入搅拌气的供气强度为：每吨不锈钢母液0.05N·L/min～0.14N·L/min。

d. 脱渣：后搅拌5min～10min后，停止后搅拌完成脱硅，随后扒除炉渣（即脱硅渣），转入下一道真空吹氧脱碳（即VOD）工序处理。

本实施例使用时，根据热力学原理，在常压下硅和氧的亲和力很强，向钢水中加入含氧物质（如氧气或固体氧化剂），硅被氧化生成SiO₂进入炉渣从而被固化脱除。不锈钢钢水脱硅就是利用了硅和氧亲和力强的这一特点，其中固体氧化剂选用氧化铁、铁矿石等铁氧化物，当钢水中加入氧化剂时，发生如下脱硅反应

Si+O₂=SiO₂  ?G<0——(1)，

Si+2FeO=SiO₂+2Fe(l)  ?G<0——(2)，

2Si+Fe₃O₄(s)=2SiO₂+3Fe(l)  ?G<0——(3)，

3Si+2Fe₂O₃(s)=3SiO₂+4Fe(l)  ?G<0——(4)，

上述(1)～(4)式中，l和s分别表明反应物或生成物的物理状态，l为液态，s为固态；?G是反应的自由焓，?G<0则自由焓减少反应可自发的按正向进行。

不锈钢钢水中含有C、Si、Cr等元素，加入氧化剂后会产生竞争性氧化，根据氧势图，常压下，Si和O的亲和力很强，Si会被优先氧化，但由于不锈钢钢水中Cr含量高（大于12%），远高于Si的含量（一般<1%），这样加入氧化剂后一部分Cr会先于Si被氧化，如：

4Cr+3O₂=2Cr₂O₃——(5)，

由于Si和O的亲和能力大于Cr，同时发生Si还原Cr的反应：

3Si+2Cr₂O₃=3SiO₂+4Cr——(6)，

而由于Si的传质不及时一部分铬氧化物未被还原进入炉渣中。

本实施例使用时，不锈钢钢水的脱硅在钢包内进行，由于熔池深，不锈钢钢水的液面距钢包包口的有效净空约为1.2m～1.6m，反应空间有限，因此顶吹氧气射流仅可搅动熔池上部的不锈钢钢水，下部不锈钢钢水的硅无法快速传质到上部，影响脱硅效率，并且上部的不锈钢钢水易由于被过度氧化而造成铬元素的大量烧损，因此本实施例采用在钢包底部同时吹入氮气或氩气，以搅拌熔池，促进不锈钢钢水在钢包内的上下循环运动，加速传质。

固体氧化剂和造渣剂投入钢包内，在氧气的搅拌作用下，在熔池上部形成渣钢混合区，各种脱硅反应及铬还原反应主要在渣钢混合区内进行，在底吹与顶吹的相互作用下熔池搅拌加强，促进渣钢混合区内各种反应的顺利进行。

根据目标脱硅量设定吹氧量，吹氧结束后，由于铬的竞争氧化及硅传质不充分，钢水中仍有一部分硅未脱除，炉渣中仍含有一定量的氧化铬，因此顶吹气体从氧气切换成氮气或氩气继续通过钢包顶部的气体喷枪吹入钢包内搅拌熔池，与底吹结合促进炉渣和不锈钢钢水充分接触，使不锈钢钢水中的硅将炉渣中的铬最大限度地还原，从而达到脱硅保铬的效果。

含铬氧化物的炉渣比较粘稠，会阻碍渣钢的充分接触，因此本实施例在炉渣中加入萤石以稀化炉渣，改善炉渣的流动性，使渣钢界面充分接触，促进反应进行。

(1)～(4)的脱硅反应都为放热反应，对熔池有升温作用，而固体氧化剂在熔化时吸收热量，对熔池有降温作用，因此只要氧气和固体氧化剂的比例适当，就能合理的控制熔池温度，满足后道VOD工序对温度的要求。