安鋼冶煉低錳鋼脫錳工藝生產(chǎn)實踐

張振申　徐黨委　王中岐　郭永謙

(安陽鋼鐵股份有限公司)

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安鋼冶煉低錳鋼脫錳工藝生產(chǎn)實踐

張振申徐黨委王中岐郭永謙

(安陽鋼鐵股份有限公司)

介紹了低錳鋼冶煉過程脫錳生產(chǎn)實踐，通過對鐵水預(yù)脫錳和轉(zhuǎn)爐冶煉脫錳的理論機理的研究，獲得了解決實際生產(chǎn)問題的途徑和措施。在不增加脫錳設(shè)備的前提下，采用氧化鐵皮對鐵水進行預(yù)脫錳，能夠降低入爐錳含量，減輕了轉(zhuǎn)爐脫錳負擔，脫錳率達到47.83%；另外，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)工藝，將轉(zhuǎn)爐終點溫度控制在1575 ℃～1620 ℃之間，能夠提高轉(zhuǎn)爐脫錳效率，降低轉(zhuǎn)爐終點殘錳含量，達到低錳鋼對錳含量的要求。

脫錳氧化鐵皮殘錳含量生產(chǎn)實踐

0　前言

安鋼以往的鋼材產(chǎn)品中，錳元素長期以來是作為一種有益的合金元素向鋼中添加；但在最新研發(fā)的個別鋼種中，錳元素不再是一種有益的合金元素，而是希望鋼中的錳元素含量越低越好；譬如質(zhì)量等級較高的原料純鐵，其成品對錳含量要求比較苛刻，不大于0.10%。就目前高爐鐵水錳含量情況來說，絕大多數(shù)在0.30%～0.50%之間，如直接入爐，采用正常轉(zhuǎn)爐工藝，則轉(zhuǎn)爐終點殘錳含量相對較高，無法滿足最終產(chǎn)品熔煉成分技術(shù)要求。為盡快研發(fā)低錳鋼系列產(chǎn)品，本文作者對鐵水預(yù)脫錳和轉(zhuǎn)爐冶煉脫錳機理進行研究，在不增加脫錳設(shè)備的前提下，尋找解決問題的手段和措施，獲得合理的生產(chǎn)低錳鋼的工藝路徑。首先采用鐵水預(yù)脫錳的手段，減輕轉(zhuǎn)爐脫錳負擔，將鐵水中錳含量降低到轉(zhuǎn)爐冶煉能夠達到殘錳最低的合理范圍；同時通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉生產(chǎn)工藝，提高轉(zhuǎn)爐脫錳效率，降低轉(zhuǎn)爐終點殘錳含量；從而進行低錳鋼的生產(chǎn)實踐。

1　設(shè)備裝備及原材料情況

低錳鋼冶煉主要在安鋼第二煉軋廠生產(chǎn)，其冶煉生產(chǎn)裝備主要有：鐵水預(yù)處理、150 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、LF精煉爐、RH真空精煉和雙流板坯連鑄機或七機七流方坯連鑄機。鐵水預(yù)處理僅具備脫硫、扒渣功能，沒有脫硅、脫磷及脫錳等鐵水預(yù)處理功能。正常經(jīng)過鐵水預(yù)處理后，入爐鐵水硫含量能夠達到不大于0.001%的水平。

另外，冶煉低錳鋼的轉(zhuǎn)爐原材料主要是高爐鐵水和自產(chǎn)廢鋼，其中鐵水中錳含量大多數(shù)在0.30%～0.50%之間，具體的鐵水化學成分見下表1所示。

表1　鐵水化學成分

2　理論依據(jù)

安鋼在現(xiàn)有鐵水錳含量和轉(zhuǎn)爐操作工藝條件下，無法直接將鐵水入爐吹煉，獲得較低的轉(zhuǎn)爐終點錳含量。筆者首先對錳元素的氧化還原反應(yīng)從理論上進行研究，從而確定一種合理的生產(chǎn)工藝路線和轉(zhuǎn)爐操作工藝，冶煉低錳鋼。

錳作為一種金屬元素，只能通過氧化造渣的方式，從鐵水或鋼水中分離出來；其氧化—還原反應(yīng)的關(guān)鍵是向冶金體系提供氧以及氧向反應(yīng)區(qū)的傳遞，實現(xiàn)鐵水中雜質(zhì)元素的直接或間接的氧化。其中直接氧化是用氧化性氣體，如O2、空氣、CO2或H2O等與鐵水直接接觸，以氧化鐵水中雜質(zhì)元素的一種方法；而間接氧化是氧靠爐渣中的氧化物不斷向鐵水中傳遞來實現(xiàn)的。鐵水脫錳方式的選擇，通常受限于現(xiàn)場設(shè)備、環(huán)境、脫錳所用原料的條件等。安鋼鐵水預(yù)處理僅具有脫硫功能，不能實現(xiàn)向鐵水中通入氧化性氣體，直接氧化錳元素；另外該種方式也存在一定的安全隱患；因此選擇間接的鐵水脫錳具有很大的可行性。從冶金工藝中常見的幾種氧化物氧勢圖(如圖1所示)來看[1]，生產(chǎn)現(xiàn)場具有常見的脫錳原材料-氧化鐵皮，而且該脫錳劑不需要二次加工，可以直接向鐵水中加入，與鐵水中錳元素反應(yīng)，很容易實現(xiàn)和操作。

圖1　幾種金屬的氧勢圖

此外，鐵水在轉(zhuǎn)爐吹煉過程，氧化氛圍條件下，錳元素將在鋼渣界面上發(fā)生氧化反應(yīng)，其反應(yīng)式如下[2]：

[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]

(1)

由式(1)可得出反應(yīng)的平衡常數(shù)為：

lgK=6440/T-2.95

(2)

錳的分配比：

(3)

由式(3)可見，降低溫度，能夠提高熔渣的氧化能力及降低γMnO可促進熔液中錳氧化。而在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，鐵水中[Mn]與[Fe]的氧化性相近，在熔煉初期很容易被大量氧化，但在熔煉后期，溫度很高時，K將減小，錳的氧化趨于平衡，同時由于碳的強烈氧化，熔渣的FeO量降低，這時容易發(fā)生錳的還原。為獲得較低的錳含量，達到產(chǎn)品要求，在轉(zhuǎn)爐冶煉后期一定要防止回錳現(xiàn)象的發(fā)生。

3　脫錳措施及工藝路線

3.1脫錳措施

針對影響轉(zhuǎn)爐終點殘錳含量的因素，為澆注鋼水中的錳含量盡可能的低，應(yīng)采取以下幾點措施：1)保證入爐鐵水錳含量降低到合適的含量；2)控制轉(zhuǎn)爐冶煉終點氧活度和熔渣量，增大錳的分配比LMn；3)控制轉(zhuǎn)爐終點溫度，防止冶煉后期回錳；同時減少出鋼下渣量，防止渣中的氧化錳與強脫氧劑發(fā)生還原反應(yīng)回錳。

3.2生產(chǎn)流程及工藝

根據(jù)原材料的實際成分和理論分析，低錳鋼的冶煉生產(chǎn)工藝流程為：折鐵位鐵水脫錳→鐵水預(yù)處理站脫硫→150 t轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉→LF精煉→RH真空精煉→常規(guī)雙流板坯連鑄機→板坯庫板坯下線檢查。

具體脫錳冶煉工藝包括以下幾個步驟：

1)先向鐵水罐中折入一定量的鐵水，再向罐中加入脫錳劑，再向罐中折入剩余的鐵水。

待反應(yīng)完之后，進脫硫站扒渣，脫硫等。最終保證入爐鐵水Si：0.10%～0.50%，Mn≤0.30%，[S]≤0.001%；將脫硫之后的渣扒干凈，并保證亮面大于98%。

2)轉(zhuǎn)爐造渣采用特級石灰，堿度控制在3.5以上，終點溫度控制1580 ℃～1620 ℃之間；可通過加入低硫返礦和自產(chǎn)錳含量較低的廢鋼調(diào)節(jié)冶煉溫度，提高脫錳效率、降低殘錳含量。為保證終點C、P、Mn、S和溫度符合要求，允許采取雙渣法或二次倒爐補吹法。出鋼不加脫氧合金及合金料，只加入一定量的石灰和鋼包改質(zhì)劑，并采用擋渣棒和滑板配合擋渣，嚴格控制下渣，防止后道工序發(fā)生回錳現(xiàn)象。

4　生產(chǎn)實踐效果及分析

4.1鐵水預(yù)脫錳

在冶煉相同終點C含量([%C]≤0.05)的條件下，鐵水錳含量低于0.30%時，轉(zhuǎn)爐終點殘錳含量明顯較低，大多數(shù)爐次均能滿足低錳鋼的要求；而當鐵水錳含量高于0.30%以上時，轉(zhuǎn)爐終點殘錳含量也較高，絕大多數(shù)爐次轉(zhuǎn)爐終點錳含量不能夠滿足低錳鋼的技術(shù)要求；其鐵水錳含量與轉(zhuǎn)爐終點殘錳含量分布圖，如圖2所示。

圖2鐵水錳與轉(zhuǎn)爐終點殘錳含量分布圖

為降低轉(zhuǎn)爐脫錳負擔，在不增加鐵水預(yù)處理設(shè)備的前提下，滿足成品錳含量的技術(shù)要求，需對鐵水進行脫錳預(yù)處理。從幾種金屬的氧勢圖來看，可以采用常見的氧化鐵皮作為脫錳劑，其組元由FeO、Fe3O4、Fe2O3及其它合金元素的氧化物組成，具體成分見表2。為保證鐵水脫錳效果，需先向鐵罐中折入一定量的鐵水，其次加入脫錳劑，最后向鐵水罐中倒入剩余鐵水進行脫錳。一方面先折入鐵水能夠起到熔劑作用，將氧化鐵皮熔化；另一方面，再向鐵水罐中折鐵可以起到攪拌的效果，增大氧化鐵與鐵水中錳元素的反應(yīng)界面，提高脫錳效率。

表2　脫錳原料氧化鐵皮組元含量 　 / %

從采用該種方法實際生產(chǎn)中，達到了鐵水預(yù)脫錳的目的和效果，見表3。錳含量從0.46%脫到0.24%，脫錳率達到了47.83%。此外，從表3脫錳和脫硫過程成分來看：脫錳過程，氧化鐵皮同時具有預(yù)脫硅、脫磷和脫鈦的能力；在扒除脫錳渣過程中，鐵水中錳元素進一步被氧化。但在隨后的脫硫過程，部分沒有扒凈脫錳渣中的P又被還原至鐵水中。

表3　鐵水脫錳脫硫過程成分 　 /%

4.2轉(zhuǎn)爐脫錳及優(yōu)化

安鋼150 t轉(zhuǎn)爐具有頂?shù)讖?fù)吹和副槍功能，能夠監(jiān)控冶煉過程，控制終點出鋼溫度，測量轉(zhuǎn)爐終點氧活度。冶煉與低錳鋼轉(zhuǎn)爐要求C含量相同的鋼種時，轉(zhuǎn)爐終點溫度通常控制在1580 ℃～1680 ℃之間，終點氧活度含量在600 ppm～1100 ppm之間，其殘錳含量與終點溫度和氧含量的關(guān)系統(tǒng)計分布分別如圖3和圖4所示。

圖3　轉(zhuǎn)爐終點溫度與轉(zhuǎn)爐殘錳含量分布圖

圖4　轉(zhuǎn)爐終點氧活度與殘錳含量分布圖

從圖3可以看出，當轉(zhuǎn)爐終點溫度控制在1620 ℃以上，終點錳含量較高，無法保證最終產(chǎn)品錳含量的要求；只有通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐冶煉工藝和操作方法，控制合適的轉(zhuǎn)爐終點溫度，才有可能降低終點錳含量。從公式(2)可以計算出平衡常數(shù)隨溫度的變化趨勢，如圖5所示。錳元素反應(yīng)平衡常數(shù)K隨溫度的升高呈下降趨勢；進一步從公式(3)可知，錳的分配系數(shù)也隨溫度的升高而降低。因此當降低轉(zhuǎn)爐的終點溫度，能夠有效地控制了轉(zhuǎn)爐出鋼時的殘錳含量，其優(yōu)化后轉(zhuǎn)爐終點溫度與殘錳含量之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖5錳反應(yīng)平衡常數(shù)

圖6　轉(zhuǎn)爐終點溫度與轉(zhuǎn)爐殘錳含量分布圖

從圖6與圖3對比分析可知，轉(zhuǎn)爐終點溫度降低到1620 ℃以下冶煉，與高溫冶煉相比，轉(zhuǎn)爐終點錳含量大約降低了0.03%；這主要是由于轉(zhuǎn)爐終點溫度較高時，冶煉后期會發(fā)生“回錳”現(xiàn)象，從而終點殘錳含量較高；而降低轉(zhuǎn)爐冶煉終點溫度，減少了回錳。

5　結(jié)束語

冶煉過程錳含量為達到低錳鋼技術(shù)要求，進行了鐵水脫錳工藝和轉(zhuǎn)爐冶煉工藝優(yōu)化生產(chǎn)實踐。一方面，通過鐵水折罐過程中加入適量的氧化鐵皮，能夠起到脫錳的作用，脫錳率達到47.83%；這減輕了轉(zhuǎn)爐脫錳的負擔，從而降低轉(zhuǎn)爐殘錳含量。同時，也具有脫硅、脫磷和脫鈦的能力。

另一方面，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝，將出鋼溫度控制在1575 ℃～1620 ℃之間，提高了錳與氧化鐵反應(yīng)的平衡常數(shù)；此外，增加渣量，降低渣中氧化錳含量，提高錳的分配系數(shù)，有利于錳被氧化，降低殘錳含量，并防止轉(zhuǎn)爐冶煉后期發(fā)生回錳現(xiàn)象，能夠保證成品錳含量要求。

[1]張晨.鐵水脫錳劑的選擇[J].鋼鐵研究,2008, 36(3):4-6,39.

[2]黃希祜.鋼鐵冶金原理(修訂版)[M].冶金工業(yè)出版社，1997：194.

PRODUCTION PRACTICE OF DEMANGANIZING PROCESS FOR SMELTING LOW MANGANESE STEEL IN ANYANG STEEL

Zhang ZhenshenXu DangweiWang ZhongqiGuo Yongqian

(Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd)

This article describes the production practice of demanganization process for smelting low manganese steel。 Through the study of the theory of the mechanism of iron and manganese removal pre-smelting manganese removal, the ways and measures are achieved to solve practical production problems. Without increasing the premise demanganization equipment, the oxide scale is used to pre-demanganize for the hot metal。The demanganization rate is 47.83%。That can reduces the furnace manganese content and the converter demanganization burden。In addition, by optimizing the smelting production process, the end temperature of the converter is controlled between 1575 ℃ and 1620 ℃, which can be improved manganese removal efficiency, lower the residual manganese content of the converter, reaching the requirements of the low-manganese steel.

demanganizationoxide scaleresidual Manganese contentproduction practice

聯(lián)系人：張振申，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心；2016—1—19