一种引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法

一种引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法
【专利摘要】本发明公开了一种引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，属于冶金领域。本发明采用如下步骤：(1)矿热炉连续生产高碳铬铁；(2)引入CO2转炉生产中低碳铬铁；(3)中低碳铬铁成品的生产。通过引入CO2转炉生产中低碳铬铁延长了耐火炉衬的使用寿命，在脱碳同时抑制铬氧化，提高了铬的回收率，提高了转炉煤气的品位，降低了冶炼成本。
【专利说明】一种引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及铁合金冶炼领域，具体涉及一种引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳 铬铁的方法。

【背景技术】
[0002] 目前，冶炼中低碳铬铁的方法主要有三种：冷装法，电炉-摇包法和吹氧法。其 中，冷装法是将铬矿、硅铬合金和石灰加入电炉中使炉料熔化，利用硅铬合金中的硅还原铬 矿中的Cr 2O3，通过脱硅增铬反应生产中低碳铬铁。该方法电耗高，损耗严重。电炉-摇包 法是将矿热炉冶炼出的硅铬合金通过摇包、精炼炉进行脱硅增铬反应生产中低碳铬铁，与 冷装法相比，能耗、矿耗均有大幅度降低。但电炉-摇包法需要硅铬炉、精炼炉和摇包三部 分联合作业，生产设备较多，实际生产中需要多炉联动，协调性较难把握，同时弃渣量大，环 境污染严重。吹氧法也称为"一步法"，是将矿热炉冶炼出来的高碳铬铁液直接兑入转炉进 行吹氧，利用氧气的强氧化性对碳、硅等元素进行氧化，不需要硅铬合金中间产品的生产环 节，一步得到中低碳铬铁产品。该方法的优点是：冶炼周期短，生产节奏紧凑，无硅铬合金中 间产品的生产环节，其反应所需的能量为自身产生的化学热无需额外提供电能；但这种工 艺难以得到推广的原因是：在我国传统转炉方法冶炼中低碳铬铁时，基于温度越高越有利 于脱碳和抑制铬氧化的观念，实际生产过程中采用高温吹炼工艺，比如：生产FeCr55C200 时，温度为1800°C ;生产FeCr55C100时，温度为1900°C ;生产FeCr55C50时，温度甚至高于 2000°C。过高的吹炼温度不仅造成炉衬寿命短，耐火材料消耗大，而铬的回收率也非常低， 只有81 %左右。
[0003] 1970年代，Mannion和Fruehan阐述了采用CO2作为Fe-C熔体脱碳剂的原理，其 实验结果表明大约有1/5的CO 2可以被有效地利用在脱碳反应中。Heise等将CO2引入AOD 精炼（氩氧混吹脱碳）碳钢过程中，结果表明CO2的加入提高了 AOD过程的脱碳效率。申 请人在博士课题研究期间，利用CO2和O2混合气体，对不锈钢熔体（Fe-Cr-C体系）进行脱 碳，取得明显的脱碳保铬效果。由上可知，引入二氧化碳脱碳是可行的。并且，通过纯吹CO 2 和纯吹O2的对比可知，纯吹CO2，碳含量从3%降到1 %左右，Cr几乎没有损失；而纯吹O2碳 含量从3%降到1%，Cr的损失高达1. 5%。因此，CO2具有脱碳同时保铬的作用。
[0004] 瑞典的UHT公司开发了将水蒸气引入AOD冶炼中低碳铬铁的工艺。由于水蒸气高 温下分解吸热，通过控制水蒸汽加入的比例，可以达到控制熔池温度的目的，这与引入二氧 化碳进行冶炼具有异曲同工之妙。


【发明内容】

[0005] 本发明的目的在于提出一种引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，解 决传统转炉冶炼中低碳铬铁Cr损失高的问题。
[0006] -种引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，包括如下步骤：
[0007] (1)矿热炉连续生广商碳络铁：
[0008] (I. 1)矿热炉中的原料配制及加入：原料按照焦炭-硅石-铬矿的顺序进行配入， 随着炉料的下降不断补充新料从而保证料面高度不变；
[0009] (1. 2)熔炼：所述熔炼的温度为1650?1700°C，采用矿热炉的电弧进行加热；
[0010] (1. 3)出铁：出铁间隔时间为1. 5?2. 5h，渣铁同时从铁口放出，每次出铁持续时 间为8?12min ;
[0011] (1. 4)堵眼：出铁后采用镁砂粉和耐火粘土制成的球泥堵眼；
[0012] 所述出铁的产品为高碳铬铁，其成分按照重量百分比为：Cr :60. 2?72. 0%，Si : 0· 9 ?3. 5%，C :6. 0 ?9. 5%，P :0· 04 ?0· 06%，S :0· 04 ?0· 06%，余量为铁和不可避免 的杂质；
[0013] (2)引入CO2转炉生产中低碳铬铁：
[0014] (2. 1)原料准备：选用步骤（1)得到的高碳铬铁、造渣料和硅铬合金作为原料；
[0015] (2.2)冶炼：将步骤（1)得到的液态高碳铬铁经过称量兑入转炉，液体温度为 1460?1600°C，转炉采用顶底复合吹炼的方式，底吹二氧化碳和氧气混合气，顶吹氧气；吹 炼开始2?6min后加入造渣料，吹炼时间为30?90min ;
[0016] (2. 3)出铁：出铁时，向铁水包中加入硅铬合金，加入量以使得终渣中Cr2O3含量在 27%以下，碱度在0. 3?0. 6之间；该步骤所述出铁的产品为中低碳铬铁；
[0017] (2. 4)制粒或浇铸步骤（2. 3)所得的液态中低碳铬铁；
[0018] 所述中低碳铬铁成分按照重量百分比为：Cr :63. 0?75. 9%，Si :2. 5?3. 0%，C: I. 0?2. 9%，P :0. 04?0. 06%，S :0. 03?0. 05%，余量为铁和不可避免的杂质；
[0019] (3)中低碳铬铁成品的生产：
[0020] 采用步骤（2. 3)所得的液态中低碳铬铁作为原料，采用现有铁水粒化法生产得到 中低碳铬铁成品；或采用步骤（2.3)所得的液态中低碳铬铁作为原料，采用现有模铸法生 产得到中低碳铬铁成品。
[0021] 作为优选，步骤（2)中所述造渣料为铬矿、石灰和镁砂的混合物，其配入量为：铬 矿：60?100kg/t，石灰40?70kg/t，镁砂0?12kg/t，所述t为每吨高碳铬铁液。
[0022] 作为优选，所述步骤（1)和（2)中的铬矿中Cr2O3为45.2?53. 5wt%，Σ FeO 为 14. 1 ?22. 6wt %，SiO2 为 3. 6 ?4. 8wt %，Al2O3 为 10. 9 ?14. 8wt %，MgO 为 9. 8 ? 12. 9wt%，CaO 为 0· 11 ?0· 28wt%，P〈0. 07wt%，并且 Cr2O3/ Σ FeO 为 2. 0 ?3. 8,这是因 为当Cr2O3/ Σ FeO > 2. 0时，才能够保证铬矿有较高的品位，能够冶炼出铬含量较高的铬铁 产品，但当Cr2O3/ Σ Fe0>3. 8后，由于渣中Cr2O3含量升高，会使炉渣黏度增大，熔点升高，给 供氧和CO气泡的逸出造成困难，不利于脱碳反应的进行；所述铬矿的粒度为10?70mm。
[0023] 作为优选，步骤（1)中的焦炭中固定碳含量彡84wt%，灰分〈15wt%, S〈0. 6wt%, 粒度为3?20mm ;所述娃石中，SiO2 > 97wt %，Al2O3 < I. Owt %，粒度为20?80mm。
[0024] 作为优选，步骤（2)中石灰中CaO彡85wt%，P彡0· 02wt%，粒度为10?50mm ; 缓砂中 MgO > 96wt %, SiO2O. 5 ?Iwt %, CaOl ?I. 4wt %。娃络合金中 Si > 40wt %， Cr 彡 30wt%，CO. 02 ?0· 04wt%，PO. 02 ?0· 04wt%，S 彡 0· Olwt%，粒度为 3 ?18mm。
[0025] 作为优选，步骤（2)中的转炉采用侧吹、顶吹、底吹来替换顶底复合吹炼，二氧化 碳和氧气从同一侧吹入。
[0026] 作为优选，步骤（2)中顶吹氧气的氧枪距离炉料液面为400?600_。
[0027] 所述铁水粒化法是借助于粒化装置将铁水冷凝成氧化物含量极低、化学性质均 匀、致密的金属颗粒；所述模铸法是将铁液注入具有一定形状的模型中，为防止粘锭模，浇 铸时先静置一段时间，待溶体温度降低后浇上一层渣再铸锭。
[0028] 本发明喷吹气体采用的是二氧化碳和氧气的混合气体，混气的压力要与吹氧法喷 吹氧气的压力相当。高压混气流从喷孔流出后经过高温炉气以很高的速度冲击金属熔池。 由于高速混气流与金属熔池间的摩擦作用，混气流的动量传给金属液，引起金属熔池的循 环运动，起到搅拌作用，并且在熔池中心（即混气流和熔池冲击处）形成一凹坑状的混气流 作用区。在作用区内，气液相混，形成乳化液，这大大增加了反应物的接触面积，氧气和二氧 化碳会与C、Si、Cr、Fe等元素迅速发生反应。在高温下，C、Si大部分被氧化，Cr、Fe部分 被氧化。
[0029] 本发明所用的高碳铬铁液温度的选择是因为兑入转炉的高碳铬铁液要求温度高， 以减少初期铬的氧化，铁水的含铬量要求高于60%，但也不宜太高，铬含量太高会导致铁液 黏度过大，对脱碳不利。铁水中的含碳量要低一些，以减少吹炼过程中脱碳的负担。铁水中 含硅量不超过2%，吹炼过程中大部分硅氧化形成二氧化硅，二氧化硅造成的高硅酸性炉渣 严重侵蚀镁质炉衬。同时，由于吹炼后铁水中的硫大部分进入合金，为保证中低碳铬铁含硫 合格，要求铁水含硫量小于〇. 06%。
[0030] 在二氧化碳、氧气气源与氧枪之间需有混气装置，旨在使进入转炉熔池的气流成 分均匀，避免造成一边降温而一边升温的现象。二氧化碳、氧气气源与混气装置之间，混气 装置与氧枪之间均需要设置调节阀，能够实时控制气体的流量。
[0031] 本发明的效果在于：
[0032] (1)在转炉生产过程中加入了 CO2进行吹炼，虽然CO2是一种弱的氧化剂，但在高 温下，CO2能和C进行反应生成C0,因此CO 2不同于Ar等搅拌气体，它既能参与搅拌，增大气 体与金属液中C、Si等元素的反应接触面积，又能与碳进行反应，起到脱碳的作用；在熔池 发生的众多反应中，大部分反应是放热反应，这些反应使熔池的温度不断升高，严重损坏炉 衬。而CO 2与C的反应是吸热反应，通过控制CO2和O2比例，可以防止熔池温度过高，延长 耐火炉衬的使用寿命；由于CO 2气泡内其他气体的分压接近于零，对于H2、N2等气体来说相 当于真空,通过搅拌铁液,可使H 2、N2等气体扩散进入CO2气泡内，并随CO2气泡排出，达到 净化铁液的目的。此外，由于一体积CO 2与C反应生成两体积的C0,这会增加对熔池搅拌作 用，增强脱碳效果，同时生成的CO可以增加炉气中CO的比例，增加其热值，可进一步回收利 用；通过纯吹CO 2和纯吹O2的对比可知，纯吹CO2，碳含量从3 %降到1 %左右，Cr几乎没有 损失；而纯吹O2碳含量从3%降到1%，Cr的损失高达1. 5%，即CO2具有脱碳同时抑制铬 氧化的作用；由于喷吹气体中含有CO2，其降温作用可以减少废钢、硅铁等冷却剂的用量，可 以节约成本；CO 2作为冷却剂的副产品是C0,提高了转炉煤气的品位；
[0033] (2)通过合理调整矿热炉连续生产高碳铬铁工艺，使得生产出的高碳铬铁更加符 合CO 2转炉吹炼中低碳铬铁的生产要求，并且使得该流程成本得到降低；
[0034] (3)通过合理调整转炉冶炼的各个工艺参数，使得其更加适合CO2的吹炼生产。

【具体实施方式】
[0035] 引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁，它包括如下步骤：将高碳铬铁液兑入 转炉内，摇正炉体，并用氧枪或透气砖向转炉内通入气源，气源为氧气和二氧化碳的混合气 体，气体在混合器混合均匀后喷吹，二者的比例由铁合金成分及吹炼温度所决定。吹炼开 始时铁水温度较低，硅、铬等元素首先被氧化，形成SiO 2含量较高的自然炉渣，因而吹炼约 4min时要加造渣料用以保护炉衬并为后期还原氧化铬创造条件。随着熔体温度的升高，O 2 和CO2均参与脱碳反应，由于CO2的稀释作用，使CO的分压降低，促进C与02、C与CO 2反应 的进行，使铬铁液中碳的浓度降低。出铁前，向炉内加入硅铬合金，降低渣中Cr2O 3含量和炉 渣碱度，增加渣的流动性。最后，进行终点控制，待判断碳含量合格即停吹出铁。本发明的 主要化学反应如下：
[0036]

【权利要求】
1. 一种引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，其特征在于，包括如下步 骤： (1) 矿热炉连续生产高碳铬铁： (1. 1)矿热炉中的原料配制及加入：原料按照焦炭-硅石-铬矿的顺序进行配入，随着 炉料的下降不断补充新料从而保证料面高度不变； (1. 2)熔炼：所述熔炼的温度为1650?1700°C，采用矿热炉的电弧进行加热； (1. 3)出铁：出铁间隔时间为1. 5?2. 5h，渣铁同时从铁口放出，每次出铁持续时间为 8 ?12min ; (1. 4)堵眼：出铁后采用焦粉和耐火粘土制成的球泥堵眼； 所述出铁的产品为高碳铬铁，其成分按照重量百分比为：Cr :60.2?72.0%，Si : 0· 9 ?3. 5%，C :6· 0 ?9. 5%，P :0· 04 ?(λ 06%，S :0· 04 ?(λ 06%，余量为铁和不可避免 的杂质； (2) 引入C02转炉生产中低碳铬铁： (2. 1)原料准备：选用造渣料和硅铬合金以及步骤（1)得到的高碳铬铁作为原料； (2. 2)冶炼：将步骤（1)得到的液态高碳铬铁经过称量兑入转炉，兑入温度为1460? 1600°C，转炉采用顶底复合吹炼的方式，底吹二氧化碳和氧气混合气，顶吹氧气；吹炼开始 2?6min后加入造渣料，吹炼时间为30?90min ; (2. 3)出铁：出铁时，向铁水包中加入硅铬合金，加入量以使得终渣中Cr203含量在27% 以下，碱度在〇. 3?0. 6之间；该步骤所述出铁的产品为中低碳铬铁； (2. 4)制粒或浇铸步骤（2. 3)所得的液态中低碳铬铁； 所述中低碳铬铁成分按照重量百分比为：Cr :63. 0?75.9%，Si :2. 5?3.0%，C: 1. 0?2. 9%，P :0. 04?0. 06%，S :0. 03?0. 05%，余量为铁和不可避免的杂质； (3) 中低碳铬铁成品的生产： 采用步骤（2.3)所得的液态中低碳铬铁作为原料，采用现有铁水粒化法生产得到中低 碳铬铁成品；或采用步骤（2.3)所得的液态中低碳铬铁作为原料，采用现有模铸法生产得 到中低碳铬铁成品。
2. 根据权利要求1所述的引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，其特征在 于，步骤（2)中所述造渣料为铬矿、石灰和镁砂的混合物，其配入量为：铬矿：60?100kg/ t，石灰40?70kg/t，镁砂0?12kg/t，所述t为每吨高碳铬铁液。
3. 根据权利要求1所述的引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，其特征在 于，所述步骤（1)和（2)中的铬矿中〇20 3为45.2?53.5￥七％，[?6〇为14.1?22.6￥七％， Si02 为 3. 6 ?4. 8wt%，Al203 为 10. 9 ?14. 8wt%，MgO 为 9. 8 ?12. 9wt%，CaO 为 0· 11 ? 0· 28wt%，P〈0. 07wt%，并且 Cr203/ Σ FeO 为 2. 0 ?3. 8 ;所述铬矿的粒度为 10 ?70mm。
4. 根据权利要求1所述的引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，其特征在 于，步骤（1)中的焦炭中固定碳含量彡84wt%，灰分〈15wt%，S〈0. 6wt%，粒度为3?20mm ; 所述娃石中，Si02 > 97wt %，A1203 < 1. Owt %，粒度为 20 ?80mm。
5. 根据权利要求1所述的引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，其 特征在于，步骤⑵中石灰中CaO彡85wt %，P彡0· 02wt %，粒度为10?50mm ;镁 砂中 MgO > 96wt %，Si020. 5 ?lwt %, CaOl ?1. 4wt % ;娃络合金中 Si > 40wt %， Cr 彡 30wt%，CO. 02 ?0· 04wt%，Ρ0· 02 ?0· 04wt%，S 彡 0· Olwt%，粒度为 3 ?18mm。
6. 根据权利要求1所述的引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，其特征在 于，步骤（2)中的转炉采用侧吹、顶吹、底吹来替换顶底复合吹炼，二氧化碳和氧气从同一 侧吹入。
7. 根据权利要求1所述的引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，其特征在 于，步骤（2)中顶吹氧气的氧枪距离炉料液面为400?600_。
8. 根据权利要求1所述的引入二氧化碳转炉一步法冶炼中低碳铬铁的方法，其特征在 于，所述铁水粒化法是借助于粒化装置将铁水冷凝成氧化物含量极低、化学性质均匀、致密 的金属颗粒；所述模铸法是将铁液注入具有一定形状的模型中，为防止粘锭模，浇铸时需先 静置一段时间，待溶体温度降低后浇上一层渣再铸锭。
【文档编号】C22B4/06GK104294002SQ201410574974
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】王海娟, 郁鸿超, 韩培伟 申请人:北京科技大学