龙钢转炉用硅锰和碳化硅脱氧合金化试验

龙钢转炉用硅锰和碳化硅脱氧合金化试验马荣张丹力尚春娥郭清海马国鹏余景禄摘要对氧气顶吹转炉钢水采用硅锰合金和碳化硅替代硅铁和锰铁进行脱氧合金化,可以提高合金收得率,降低炼钢成本。关键词硅锰碳化硅脱氧合金化ExperimentofDeoxidizationandAlloyingProcesswithSiMnandSiCMaRongZhangDanliShangChun＇eGuoQinghai(LongmenIronandSteelFactory)MaGuopengYuJinglu(Xi＇anArchitectureUniversityofScience&Technology)AbstractSiMnandSiCareusedtodeoxidizeandalloysubstitutingFeMnandFeSiinBOF,whichcanincreaserecoveryrateofalloysandreducecost.KeywordsSiMnSiCdeoxidizeandalloy1前言随着炼钢技术的不断进步,作为新型复合脱氧剂的碳化硅已引起广大炼钢工作者的重视,并通过理论和试验来验证其可行性,尤其对转炉低拉碳,再在出钢时增碳的脱氧工艺,更具有重要意义。由于我厂炼钢投产时间短,操作经验少,冶炼终点钢水命中率低,钢渣氧化性强,为防止连铸水口堵塞,限制了铝的用量,因此合金单耗较高,易影响炼钢的生产成本。为降低炼钢成本,提高市场竞争能力,我厂与西安建筑科技大学合作,于1997年9月在转炉上进行了用SiMn+SiC代替FeMn+FeSi的脱氧合金化试验。2试验条件2.1试验原料合金原料的主要化学成分及价格见表1。试验在我厂15t氧气顶吹转炉上进行,试验钢种为Q235和20MnSi。表1合金原料化学成分及价格合金成分/%单价CSiMnSPSiC元.t-1FeMn6.400.9264.620.0150.4064000FeSi0.1975.560.250.00170.0165000SiMn1.518.366.60.1734700SiC4.0257.632300注:合金单价为龙钢供应科提供的合金到厂价2.2配料方案确定合金配料方案时,运用线性规划中的单纯形法,以吨钢合金成本为目标函数,对炼钢合金原料进行冶金单元优化,通过编程上机,求出合金配料优化方案见表2。表2配料优化方案钢种合金成本/元.t-1SiMn/kg.t-1SiC/kg.t-1Q23547.7488.4433.46720MnSi132.0523.8528.6743试验方法为不影响正常的全连铸生产,试验时采用了用SiC逐步取代FeSi的工艺,试验分两个阶段进行。第一阶段试验内容:用SiMn代替全部FeMn和部分FeSi;合金加入量Q235:SiMn8kg/t,FeSi2kg/t;20MnSi:SiMn22.5kg/t,SiC4kg/t,FeSi3kg/t;加入方式:先向包底加入FeSi,再加SiMn,然后烘烤,最后在出钢时加入SiC。第二阶段试验内容:用SiMn和SiC代替全部FeMn和FeSi;合金加入量Q235:SiMn8kg/t,SiC4kg/t;20MnSi:SiMn22kg/t,SiC6kg/t,FeSi1.5kg/t;加入方式:先向包底加入SiC,再加SiMn和FeSi,然后烘烤。4试验结果4.1合金元素收得率通过试验,分别求出各合金原料的平均单耗和各合金元素的平均收得率,其结果见表3。表3试验结果统计表钢种工艺炉数合金原料平均单耗/kg.t-1钢合金元素平均收得率/%FeMnFeSiSiMnSiCC粉ηMnηSiηCQ235原工艺139.304.120.9776.4063.1464.96优化工艺1132.158.280.9884.6768.1364.83优化工艺2118.623.910.6680.1063.5263.6720MnSi原工艺1923.2711.11.1587.1269.7967.40优化工艺192.8122.314.421.0588.1669.7363.77优化工艺261.4222.035.970.8587.9269.2462.21从上表可以看出,优化工艺中的ηMn普遍高于原工艺,ηSi在新旧工艺中基本相当,优化工艺中ηC略低于原工艺。4.2钢的质量对20MnSi,在相同的冶炼条件下,对原工艺和新工艺选择典型炉次,各取一块钢包试样,分析钢中气体(O、N)含量,又用NEOPHPT—21型金相显微镜对其进行金相检验,并按GB10561—89JR评级图对钢中夹杂物进行评级并拍照,其分析和检验结果见表4。表4钢中气体含量分析结果钢种工艺炉号［O］%［N］%20MnSi原工艺优化工艺116255162560.0120.0110.00340.00275分析讨论由上述试验结果可知,试验炉次全部合格,其结果与用线性规划理论推导出的结果基本一致。5.1关于合金收得率由表3可知,新旧工艺相比,ηMn提高了0.70%～8.27%,ηSi基本接近,ηC有所下降。这是由于使用了SiMn复合合金后,极大地改善了脱氧的热力学条件,同时使脱氧产物的形核、长大和排除都具有比较有利的动力学条件。使SiMn中Mn和Si的收得率均有不同程度的提高。这一点与复合合金剂对钢中［O］的影响也是一致的(见图1)。图1复合合金剂对钢中［O］的影响另外,硅锰合金中硅元素比锰元素的还原性强,会优先氧化,从而降低了钢中氧位,改善了锰元素的合金化条件,提高了ηMn。加之由于使用了SiC粉,因其与氧的亲和力大于硅铁与氧的亲和力(见图2),其脱氧反应剧烈,导致消耗于脱氧的SiMn相对减少,也相应提高了SiMn合金中Mn和Si的收得率。图2脱氧反应标准自由能变化与温度关系图SiC(s)+3(FeO)=SiO2(s)+｛CO｝+3Fe(l)ΔG01=-260999-52.8777TKJ/mol(1)SiC(s)+3〔O〕=SiO2(s)+｛O｝ΔG02=-607354+91.58TKJ/mol(2)Si(s)+2(FeO)=SiO2(s)+2Fe(l)ΔG03=-486802.8+113.03TKJ/mol(3)Si(s)+2〔O〕=SiO2(s)ΔG04=-717706+209.3TKJ/mol(4)C(s)+(FeO)=Fe(l)+｛CO｝ΔG05=120885.6-132.84TKJ/mol(5)C(s)+〔O〕=｛CO｝ΔG06=5434-84.68TKJ/mol(6)另一方面,SiC的密度只有3.2g/cm3,且试验时用的碳化硅中SiC含量偏低,又多呈粉状,加入钢包后,部分飘浮在钢液面上,由于烧损(即消耗于氧化性渣和气氛中)和机械损失(即损失于钢液面的渣中)以及用于脱氧的SiC量增加,导致SiC中Si和C的收得率偏低。而SiMn和SiC综合脱氧合金化的结果使得ηSi基本不变。众所周知,在钢水终点C相同时,氧在钢中的溶解度是随温度的升高而增大的。试验期间,由于SiMn合金加入钢包前未经烘烤,而原工艺用的FeSi和FeMn均已烘烤,冶炼20MnSi时加入的合金量多,要求转炉出钢温度比原工艺高。因而增大了合金元素的烧损量。一定程度上影响了优化工艺合金元素收得率的提高幅度。5.2关于钢质量表4对钢中气体含量的分析结果表明,优化工艺钢中气体O、N含量均比原工艺低,这与SiMn+SiC的脱氧能力强于FeSi+FeMn,以及SiC脱氧时产生CO气泡对钢液有搅拌作用相一致。从钢中夹杂物金相照片(略)可以看出,新旧工艺的钢中夹杂物均为点、球状颗粒,呈弥散型分布,都是脆性夹杂。夹杂物级别分别为B1+D2e和B1+D1e,均达到国家对20MnSi钢中夹杂物级别的要求。从表1可知,SiMn合金中的P含量比FeMn中的低,那么,它带进钢中的［P］相应也低。尤其在冶炼20MnSi等低合金时，会因减少了［P］出格的废品量,从而提高了钢水合格率。5.3存在问题在试验Q235时有几炉出完钢后,钢液面突然上涨,继而翻腾,发出耀眼的白光,约持续1min左右后才消失。经过讨论,认为主要由于这几炉出钢时下渣量偏大,飘浮在钢液面的碳化硅与渣中氧化物发生剧烈反应所致。如何避免这种现象的发生,有待研究解决。6经济效益分析根据表3统计结果中的元素平均收得率,按钢种规格成分中限计算出合金加入量(考虑0.05%余锰),得到新旧工艺的理论脱氧合金化成本与试验实际成本列于表5。表5优化工艺经济效益分析钢种工艺理论成本元.t-1钢实际成本元.t-1钢经济效益元.t-1钢Q235原工艺58.6457.80优化工艺148.6449.678.13优化工艺248.6049.518.2920MnSi原工艺153.75148.58优化工艺1134.86129.0719.51优化工艺2132.91124.3724.21从表中可以看出,冶炼Q235时,吨钢成本可降低8元;冶炼20MnSi时,吨钢成本可降低19元。另外,冶炼20MnSi、Q345(16Mn)等低合金钢时,若用FeMn+FeSi脱氧合金化,考虑到高碳锰铁的增碳、增磷量,冶炼终点要求含碳量必须低于0.08%,含磷量低于0.030%,这就势必导致钢铁料消耗增大,终脱氧剂和合金单耗增加,炉衬侵蚀加剧,渣料消耗增加等。而采用SiMn+SiC脱氧合金化工艺,可在较高的终点碳和磷时出钢,因此还具有较大的潜在效益。7结论(1)采用“SiMn+SiC+(FeSi)”代替“FeMn+FeSi”进行脱氧合金化是完全可行的,工业性试验表明该工艺比较成熟。(2)用“SiMn+SiC+(FeSi)”代替“FeSi+FeMn”对转炉钢水进行脱氧合金化,可以提高锰元素的收得率,保持硅元素的收得率基本不变。(3)采用优化工艺后,冶炼Q235时,其脱氧合金化成本可降低8元/t;冶炼20MnSi时,其成本可降低19元/t。按龙钢年产钢15万t,其中普碳钢10万t,低合金钢5万t计算,则每年可获直接经济效益175万元。联系人:马荣,工程师,陕西龙门(715405)龙门钢铁总厂科技处作者单位：马荣张丹力尚春娥郭清海西安建筑科技大学马国鹏余景禄龙门钢铁总厂