V2O5直接合金化的工藝研究

王翠娜,田曉霞,賀瑞飛,張景宜,石成剛,張大江

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,河南安陽455004)

V2O5直接合金化的工藝研究

王翠娜,田曉霞,賀瑞飛,張景宜,石成剛,張大江

(安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,河南安陽455004)

根據(jù)V2O5直接合金化的理論基礎(chǔ),研究了在出鋼過程中加入V2O5進(jìn)行直接合金化的工藝,同時(shí)研究了在LF精煉爐中加入氮化硅錳來增氮的工藝。研究結(jié)果表明,用V2O5進(jìn)行直接合金化,釩的平均收得率約為95%,用氮化硅錳增氮,氮的吸收率約為62%,用V2O5和氮化硅錳來替代釩氮合金生產(chǎn),含釩和氮的鋼種噸鋼可節(jié)約成本7元。

V2O5;氮化硅錳;釩氮合金;直接合金化

1 引言

隨著合金化鋼種的發(fā)展,鐵合金的需求量越來越多。傳統(tǒng)的冶煉含釩合金鋼工藝需要先將釩氧化物冶煉成釩鐵合金,然后將釩鐵再加入電爐或轉(zhuǎn)爐鋼包中進(jìn)行合金化。冶煉釩鐵合金需要消耗很大的能量,并且冶煉過程的中間產(chǎn)物會嚴(yán)重污染環(huán)境,所以研究開發(fā)不用鐵合金或者少用鐵合金,而用釩的氧化物直接合金化冶煉含釩合金鋼的生產(chǎn)工藝具有重要意義[1],直接合金化在煉鋼過程的應(yīng)用隨之提上日程。與傳統(tǒng)合金化方法相比,該工藝直接將合金元素的氧化物加入鋼包內(nèi),利用鋼包及LF精煉爐內(nèi)的還原氣氛還原合金元素氧化物,達(dá)到合金化的目的,可省去含釩合金煉制過程中的釩氧化物浸出提純,以及熔融還原的設(shè)備和能源消耗,可以在一定程度上降低合金化成本,為公司帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

本文研究了在出鋼過程中加入V2O5進(jìn)行直接合金化的工藝,同時(shí)研究了在精煉爐中加入增氮?jiǎng)┑桢i來增氮的工藝,期望能用V2O5和氮化硅錳替代部分釩氮合金為公司帶來更大效益。

2 V2O5直接合金化理論基礎(chǔ)

根據(jù)文獻(xiàn)熱力學(xué)數(shù)據(jù)[2],可推導(dǎo)出C、SiC、Si及Al等還原V2O5的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能[3](kJ/mol),如式(1)-(4)所示?？梢? C、SiC、Si及Al在煉鋼溫度下均能將V2O5還原成金屬釩。

從以上各還原反應(yīng)的自由能可知,反應(yīng)(1)式為吸熱反應(yīng),反應(yīng)(2)～(4)式為放熱反應(yīng),其中鋁熱反應(yīng)放出熱量最大,硅熱反應(yīng)次之。通過金屬熱還原,有利于物料熔化并激發(fā)反應(yīng)進(jìn)行,且有利于渣和金屬分離,有利于促進(jìn)被還原出的金屬釩進(jìn)入鋼液中。因而,在直接合金化過程中,應(yīng)盡量選用金屬熱還原法?？紤]到鋁成本較大,故本次試驗(yàn)擬采用硅熱還原法。

3 V2O5直接合金化試驗(yàn)

3.1 工藝路線

安鋼V2O5直接合金化工藝研究在第二煉軋廠進(jìn)行,生產(chǎn)的工藝路線為:高爐鐵水—混鐵爐—150t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐—?dú)逭尽?/p>

150t LF精煉爐—方坯連鑄機(jī)。

3.2 試驗(yàn)方案

(1)試驗(yàn)?zāi)康?試驗(yàn)鋼種為MG335,鋼液中釩含量要求為0.025%～0.030%。初次試驗(yàn),是為了在不影響生產(chǎn)節(jié)奏與產(chǎn)品質(zhì)量的條件下,摸清V2O5直接合金化工藝中V2O5的還原率;通過在LF精煉爐中加入氮化硅錳來增氮的工藝,摸清氮的吸收率,并與釩氮合金中氮的吸收率做對比。

(2)試驗(yàn)方法:V2O5合金在轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)加入鋼包中(V2O5合金成分見表1),同時(shí)加入還原劑硅鐵;氮化硅錳合金在LF精煉爐鋼水充分脫氧后加入(氮化硅錳合金成分見表2)。取沒有進(jìn)行試驗(yàn)的爐次成分平均值與試驗(yàn)爐次平均成分進(jìn)行對比,試驗(yàn)爐次的具體加料情況見表3。

表1 V2O5合金成分(%)

表2 氮化硅錳合金成分(%)

表3 轉(zhuǎn)爐裝料和出鋼加料(kg)

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 釩的收得率

在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中加入V2O5和硅鐵合金,實(shí)驗(yàn)過程的釩含量變化見表4。從表4可以得出如下結(jié)論:釩含量從氬站到進(jìn)LF后取第一個(gè)樣基本無變化,說明V2O5在前期還原反應(yīng)進(jìn)行得比較快;釩含量從進(jìn)LF到出LF略有增加,說明出鋼過程釩的還原沒有充分進(jìn)行,LF精煉過程中繼續(xù)進(jìn)行釩氧化物的還原。因此,在計(jì)算直接合金化釩的收得率時(shí),應(yīng)該以中包樣中的釩含量計(jì)算收得率。

表4 試驗(yàn)過程釩含量

根據(jù)轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)加入的V2O5的量及中包樣中釩的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以計(jì)算出V2O5直接合金化冶煉含釩鋼時(shí)釩的收得率,根據(jù)本澆次其他爐次的統(tǒng)計(jì),殘余釩含量為0.001%～0.004%。計(jì)算方法如式(5)所示:式中各符號表示含義如下:

η:釩的收得率,%;[V]含量:鋼液中釩含量;[V]殘余:鋼液中的殘余釩含量,為0.001 0%～0.004 0%;m鋼水量:鋼水的總重量,參考表4,kg;m釩合金:V2O5合金的加入量,kg;a%:V2O5合金中純V2O5的含量,參考表1;b%:V2O5中折合含釩量,參考表1。

根據(jù)式(5)計(jì)算V2O5中釩的還原率,其中試驗(yàn)1、2在氬站的還原率分別為91.07%、91.13%,平均值為91.10%,說明V2O5在出鋼過程中基本完成了還原,還原率為91.10%;最終收得率分別為95.21%、94.93%,平均值為95.07%,說明V2O5直接合金化冶煉含釩鋼時(shí)V的收得率為95.07%。

4.2 氮的吸收率情況與鋼水潔凈度

在考慮氮的吸收率時(shí),選取正常生產(chǎn)時(shí)不控氮鋼種的平均氮含量作為計(jì)算氮的吸收率的依據(jù),選取其他用釩氮控氮的鋼中氮含量作為對比爐,對比爐次平均加入釩氮合金100kg/爐,試驗(yàn)爐次LF精煉加入增氮?jiǎng)┑桢i50kg/爐,鋼液過程氮含量與全氧含量(T[O])如表5所示。

表5 鋼中氣體含量變化(%)

考慮到精煉過程本身容易增氮,精煉增N的主要因素有以下幾點(diǎn)[4]:(1)從轉(zhuǎn)爐過來的鋼液進(jìn)入精煉爐,在加熱工序進(jìn)行送電加熱,氮的溶解度隨著溫度增加而增加,因此在加熱工序不可避免使得氮在鋼液中溶解增大;(2)在送電過程增N,加熱起弧時(shí),電弧在高溫下將分解空氣中的N2,形成氮離子,氮離子在電流的作用下直接進(jìn)入鋼水中,在前期送電過程中爐渣埋弧不好容易增N;(3)喂線過程中的增N,鈣氣化形成的鈣氣泡將鋼液面吹開,造成裸露的鋼水與空氣接觸從而吸N,鈣是活潑的金屬,容易和空氣中的氮氧發(fā)生化合反應(yīng)形成化合物,所以喂鈣線時(shí)也會使鋼液增N;(4)軟攪拌強(qiáng)度不合理使鋼水裸露在空氣中,空氣的氮與鋼液反應(yīng)生成氮化物容易吸氮。所以在計(jì)算氮的吸收率時(shí),用進(jìn)出LF鋼液中的氮含量之差來表示增氮?jiǎng)┑脑龅匡@然是不合理的,用對比爐或試驗(yàn)爐中中包氮含量與不控氮鋼種中包氮含量之差來計(jì)算增氮?jiǎng)┑脑龅渴呛侠淼摹?/p>

試驗(yàn)爐次加入50kg氮化硅錳,增氮量分別為0.006 8%、0.004 8%,氮的吸收率分別為72.66%、52.08%,平均值為61.87%;對比爐次平均加入100kg釩氮,增氮量為0.006 6%,氮的吸收率為65.59%,說明其吸收率基本相當(dāng)。

從鑄坯T[O]含量來看,試驗(yàn)1鑄坯T [O]為0.003 8%,試驗(yàn)2鑄坯T[O]為0.005 0%,平均值為0.004 4%,與正常爐次的T [O]含量0.004 9%差別不大,說明用V2O5直接合金化對鑄坯氧含量基本無影響,完全可以滿足該鋼種對氧含量的要求。

從以上分析可知,“V2O5+氮化硅錳增氮?jiǎng)碧娲C氮合金進(jìn)行合金化是可行的。

4.3 對原工藝的影響

(1)對鋼液溫度的影響。V2O5加入鋼液中后,會吸收鋼液熱量而迅速升溫,可能導(dǎo)致鋼液溫度降低,然而此時(shí)直接合金化所用還原劑為硅鐵,硅熱還原會產(chǎn)生大量的熱量,會彌補(bǔ)冷合金對鋼液的溫降。由于V2O5加入量較少,試驗(yàn)爐次并未出現(xiàn)鋼水明顯的溫度異常情況,具體溫度情況見表6。從表6可以看出,未試驗(yàn)爐次轉(zhuǎn)爐出鋼溫度與LF進(jìn)站溫度平均差值約65℃,試驗(yàn)爐次平均差值為67.5 ℃,溫降基本相當(dāng)。

表6 鋼液溫度差值(℃)

(2)鋼中有害元素P、S含量。V2O5本身純度較高,雜質(zhì)含量少,不會對鋼水P、S含量產(chǎn)生不良影響。通過分析試驗(yàn)爐次到達(dá)LF后鋼液中的P、S含量發(fā)現(xiàn)與非試驗(yàn)爐次P、S含量差別不大,說明用V2O5直接合金化,不會增加鋼中有害元素的含量。

(3)冶煉節(jié)奏的變化。在出鋼過程中加入V2O5合金,由前面分析已知出鋼過程V已經(jīng)基本完成了還原,所以基本不會對LF精煉時(shí)間產(chǎn)生影響。

4.4 鋼材性能

試驗(yàn)期間,試驗(yàn)鋼種的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,說明用V2O5和氮化硅錳來替代釩氮合金的工藝是可行的。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

假定鋼液中目標(biāo)釩含量0.030%(不考慮殘余釩),若采用釩氮合金,則根據(jù)試驗(yàn)時(shí)的市場價(jià)格計(jì)算,釩氮合金成本約為56元/噸鋼;若采用V2O5直接合金化配加氮化硅錳增氮來替代釩氮合金,需要配入硅鐵作還原劑,根據(jù)表3計(jì)算,試驗(yàn)爐次比非試驗(yàn)爐次平均每爐鋼多加入硅鐵15kg,釩的收得率按95%計(jì)算,氮的吸收率按60%計(jì)算,則V2O5、氮化硅錳與多加入的硅鐵合金成本共計(jì)約49元/噸鋼。因此,采用V2O5直接合金化工藝代替釩氮合金,噸鋼可節(jié)約成本7元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

6 結(jié)論

(1)利用V2O5在出鋼過程中進(jìn)行釩的直接合金化工藝是可行的,釩的平均收得率為95.07%。采用氮化硅錳增氮?jiǎng)┰龅?氮的吸收率約為61.87%,與釩氮合金中氮的吸收率基本相當(dāng)。

(2)V2O5直接合金化配加氮化硅錳增氮來替代釩氮合金,噸鋼可節(jié)約成本7元,經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(3)V2O5直接合金化工藝對鋼水溫度及精煉節(jié)奏不會產(chǎn)生不良影響,不會增加鋼中有害元素的含量,用該工藝的試驗(yàn)鋼種鋼材性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)V2O5直接合金化省去了專門冶煉釩鐵合金的設(shè)備,降低了能耗,減輕了環(huán)境負(fù)荷,符合高效、低耗、資源綜合利用、生態(tài)平衡和可持續(xù)發(fā)展等觀念的煉鋼新工藝。

[1] 祖榮祥.熱軋高強(qiáng)度鋼的研究及在汽車車輪上的應(yīng)用[J].汽車工藝與材料,1994(12):23 -27.

[2] 梁英教,車蔭昌.無機(jī)化合物熱力學(xué)數(shù)據(jù)手冊[M].沈陽:東北大學(xué)出版社,1993.

[3] 宋生強(qiáng),薛正良,等.60t LD出鋼包中自還原直接合金化冶煉釩鋼SG45的工業(yè)試驗(yàn)[J].特殊鋼,2013,34(6):36-38.

[4] 達(dá)志鵬.降低鋼中氮含量的措施[J].海峽科學(xué),2008,(6):53-56.

The Technology Research on Direct Alloying of V2O5

WANG Cui-na,TIAN Xiao-xia,HE Rui-fei,
ZHANG Jing-yi,SHI Cheng-gang,ZHANG Da-jiang (Angang Iron&Steel Group Co.,Ltd.,Angang 455004,Henan,China)

According to the theoretical basis of V2O5direct alloying,studied the process of adding V2O5in the ladle during converter tapping in the direct alloying process,the process of putting manganese silicon nitride into LF refining furnace were also studied.The results showed that: during the process of V2O5direct alloying,the average yield of vanadium is about 95%,with manganese silicon nitride increasing nitrogen,the average yield of nitrogen is about 62%,during the process of producting the steel of which containing vanadium and nitrogen,the process of which we used V2O5and manganese nitride instead of vanadium nitride alloy can save costs 7 yuan per ton.

V2O5;manganese silicon nitride;vanadium nitride alloy;direct alloying

TF704.2

A

1001-5108(2015)06-0026-05

王翠娜,工程師,碩士,主要從事煉鋼工藝等方面的研究。