頂吹攪拌對(duì)不銹鋼渣中鉻回收的影響★

陳景鋒， 馬駿鵬

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)不銹鋼工業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，不銹鋼產(chǎn)量快速增長(zhǎng)。然而，我國(guó)的鉻礦儲(chǔ)量較為貧乏，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的鉻原料大部分依賴(lài)進(jìn)口，對(duì)外依存度超過(guò)80%以上[1]。作為熔化廢鋼的電爐工序，為了提高生產(chǎn)效率，往往在電爐熔化廢鋼時(shí)采取吹氧的助熔方式，以達(dá)到在短時(shí)間內(nèi)完成熔化的目的。但是，吹氧會(huì)導(dǎo)致鋼水中鉻元素的嚴(yán)重氧化，不僅增加了Cr2O3的負(fù)擔(dān)，也增加了電爐冶煉中鉻元素的損失[2]。所以，提高電爐冶煉不銹鋼過(guò)程中鉻元素的回收率，是節(jié)約鉻資源的需要，也是鋼鐵企業(yè)降本增效的需要，已成為冶金工作者在生產(chǎn)實(shí)踐中關(guān)注的重要課題。

對(duì)于還原不銹鋼渣中的Cr2O3，已有很多學(xué)者做過(guò)相關(guān)研究。郭華等人[3]認(rèn)為C含量過(guò)高，會(huì)因生成固體Cr23C2和Cr7C3而阻滯Cr2O3的還原。李志斌[2]認(rèn)為爐渣氧化性、堿度、硅鐵還原劑加入量等顯著影響Cr2O3的還原。以上研究均為實(shí)驗(yàn)室條件，工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用效果還鮮有報(bào)道。

1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

煉鋼過(guò)程的脫氧劑是錳、硅和鋁。由于錳的氧化、還原反應(yīng)的熱力學(xué)性質(zhì)與鉻的很相近，兩者與氧的結(jié)合能力相當(dāng)，故在富鉻渣還原中，錳難以起還原劑的作用，主要是用硅和鋁作還原劑。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)衡量，由于硅和鋁的成本相差很大，并且1 kg75%硅鐵和1 kg鋁還原出的鉻相當(dāng)，因此還原劑選用硅鐵更為經(jīng)濟(jì)。還原反應(yīng)如式（1）所示，可見(jiàn)提高鋼液中Si含量，可促進(jìn)還原反應(yīng)的進(jìn)行。

關(guān)于爐渣堿度的選擇，有文獻(xiàn)[4]指出爐渣堿度升高使渣中w（Cr2O3）降低。爐渣堿度在1.1～1.6之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的爐渣中w（Cr2O3）最低。當(dāng)爐渣堿度大于1.8時(shí)，爐渣黏度顯著增加，阻礙了渣中Cr2O3還原反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致渣中w（Cr2O3）增加。綜合考慮，生產(chǎn)實(shí)踐中爐渣的堿度一般處于1.1～1.3范圍內(nèi)。但在此堿度范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)室條件下得到的渣中w（Cr2O3）為0.7%左右，而實(shí)際生產(chǎn)得到的爐渣中w（Cr2O3）為7%～10%，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)值。同時(shí)，電爐出鋼Si含量較高，達(dá)到0.6%～1.2%。因此，需要進(jìn)一步改善還原反應(yīng)動(dòng)力學(xué)條件，促進(jìn)反應(yīng)向平衡狀態(tài)進(jìn)行，提高渣中Cr2O3的還原程度。本文具體通過(guò)在鋼包中開(kāi)展頂吹攪拌試驗(yàn)，分析討論頂吹攪拌流量、時(shí)間及鋼液初始溫度對(duì)渣中Cr2O3還原程度的影響。

表1 電爐關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)

本文試驗(yàn)均以冶煉304不銹鋼為例，在160 t電爐出鋼到鋼包后進(jìn)行頂吹攪拌，電爐關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1，出鋼成分見(jiàn)表2。頂槍設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表3，對(duì)鋼包內(nèi)不銹鋼鋼渣進(jìn)一步攪拌，攪拌參數(shù)見(jiàn)表4。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

表2 出鋼化學(xué)成分 %

表3 頂槍設(shè)備參數(shù)

表4 試驗(yàn)參數(shù)

2.1 頂吹攪拌時(shí)間

圖1為頂吹攪拌流量200 L/min、鋼液初始溫度1 400℃條件下，不同攪拌時(shí)間的爐渣w（Cr2O3）的檢驗(yàn)結(jié)果，并與頂吹攪拌前爐渣中w（Cr2O3）進(jìn)行對(duì)比。由圖1可看出，在頂吹攪拌前，爐渣中的w（Cr2O3）的平均值為6.5%左右，最大值達(dá)到了9.0%以上。而僅在攪拌5 min之后，爐渣中的w（Cr2O3）平均值即降至1.5%左右，整體處于1.1%至1.9%之間，平均值相對(duì)于進(jìn)行頂吹攪拌前下降了77%。頂吹氮?dú)鈹嚢?0 min后，爐渣中的w（Cr2O3）平均值已下降至0.97%，相對(duì)于頂吹攪拌前下降了85%，整體范圍也縮小至0.8%～1.1%之間，已接近實(shí)驗(yàn)室條件下的w（Cr2O3）0.7%。頂吹氮?dú)鈹嚢?5 min以后，爐渣中的w（Cr2O3）平均值下降至0.75%，相對(duì)于頂吹攪拌前降低了近90%，已完全達(dá)到實(shí)驗(yàn)室條件下的鉻還原狀態(tài)。鑒于生產(chǎn)效率、生產(chǎn)節(jié)奏以及頂吹噴槍壽命的考慮，認(rèn)為頂吹攪拌時(shí)間取10 min即可達(dá)到鉻元素還原的平衡狀態(tài)。

圖1 不同頂吹攪拌時(shí)間下?tīng)t渣中w（Cr2O3）變化

2.2 頂吹攪拌流量

圖2為相同的鋼液初始溫度和攪拌時(shí)間條件下，頂吹攪拌流量由100 L/min增加至500 L/min時(shí)，爐渣中w（Cr2O3）的變化。如圖2可見(jiàn)，隨著頂吹攪拌流量的增加，爐渣中w（Cr2O3）呈逐漸下降的趨勢(shì)。特別是，當(dāng)頂吹攪拌流量由100 L/min增加至300 L/min時(shí)，爐渣中w（Cr2O3）的平均值由1.5%下降至1.2%，相對(duì)下降了20%。而當(dāng)頂吹攪拌流量繼續(xù)下降時(shí)，爐渣中w（Cr2O3）的平均值由1.2%下降至1.1%左右，下降幅度不明顯。這是由于當(dāng)鉻還原反應(yīng)的熱力學(xué)條件一定時(shí)，鋼渣反應(yīng)速率隨著頂吹攪拌流量的增加而增加，但是增幅越來(lái)越小。表現(xiàn)為頂吹攪拌流量達(dá)300 L/min以后，爐渣中w（Cr2O3）的平均值下降幅度減小。另一方面，由于電爐出鋼為鋼渣混出，頂吹攪拌前鋼包內(nèi)自由空間為100～200 mm，鋼包空間有限，當(dāng)攪拌流量大于400 L/min時(shí)，攪拌過(guò)程出現(xiàn)鋼渣濺出鋼包的情況。為了避免這一情況[5-7]，綜合考慮后認(rèn)為生產(chǎn)中頂吹攪拌流量選用300 L/min為宜。

圖2 不同頂吹攪拌流量下?tīng)t渣中w（Cr2O3）變化

2.3 鋼液初始溫度

溫度是影響氧化鉻還原反應(yīng)的重要因素，鋼液初始溫度是指鋼水由電爐進(jìn)入鋼包后的溫度。由于鋼包內(nèi)沒(méi)有加熱裝置，也不吹入氧氣產(chǎn)生化學(xué)熱，所以鋼包內(nèi)鋼水的溫度是由鋼液初始溫度開(kāi)始在鋼包的保溫條件下自然降低的。所以，鋼液溫度影響著鉻的還原反應(yīng)程度[8-10]。圖3展示了在頂吹攪拌流量200L/min、攪拌時(shí)間5min的條件下，爐渣中w（Cr2O3）隨溫度變化的情況。如圖可知，當(dāng)鋼液初始溫度為1 400℃時(shí)，爐渣中w（Cr2O3）的平均值為1.4%左右，隨著鋼液初始溫度的升高，爐渣中w（Cr2O3）逐漸降低。在鋼液初始溫度升至1 475℃以上后，爐渣中w（Cr2O3）隨鋼液初始溫度的變化幅度減小，逐漸趨于穩(wěn)定，這說(shuō)明1 475℃以上鋼液初始溫度帶來(lái)的高溫段時(shí)間已足以使?fàn)t渣中鉻的還原反應(yīng)趨于平衡狀態(tài)?；诖?，在生產(chǎn)實(shí)踐中，可以將1 475℃確定為最低鋼液初始溫度，保證后續(xù)鋼包中鉻的還原反應(yīng)程度趨于平衡。

圖3 不同鋼液初始溫度下?tīng)t渣中w（Cr2O3）變化

2.4 生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)頂吹氮?dú)鈹嚢璧牧髁?、時(shí)間以及鋼液初始溫度3個(gè)參數(shù)對(duì)爐渣中w（Cr2O3）的對(duì)比，分別得出較優(yōu)參數(shù)300L/min、10min和1475℃。將以上參數(shù)組合進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，共生產(chǎn)12爐，得到的爐渣中w（Cr2O3）平均值為0.87%，滿足生產(chǎn)中對(duì)鉻回收的要求。

3 結(jié)論

統(tǒng)計(jì)研究了頂吹氮?dú)鈹嚢璧牧髁?、時(shí)間以及溫度3個(gè)參數(shù)對(duì)爐渣中鉻回收的影響，結(jié)論如下：

1）在鋼包中進(jìn)行頂吹氮?dú)鈹嚢杩纱蠓岣郀t渣中鉻元素的還原程度，具體表現(xiàn)為爐渣中w（Cr2O3）經(jīng)5 min頂吹攪拌即可降低77%；經(jīng)10 min頂吹攪拌可降低85%，已接近實(shí)驗(yàn)室條件下的w（Cr2O3）0.7%。

2）通過(guò)試驗(yàn)得出攪拌流量選用300 L/min和鋼液初始溫度大于1 475℃為宜。

3）在頂吹氮?dú)鈹嚢钑r(shí)間為10 min，流量為300 L/min，鋼液初始溫度為1 475℃的參數(shù)條件下，實(shí)際生產(chǎn)的爐渣中w（Cr2O3）平均值為0.87%，滿足生產(chǎn)中對(duì)鉻回收的要求。

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