CO2用于吹氧法生產(chǎn)中低碳鉻鐵的研究★

栗聖凱，侯向東

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

1 研究意義

本文的研究意義在于：一方面，通過文獻(xiàn)[1]的論述可知，CO2-O2混合吹煉脫碳工藝與Ar-O2混吹脫碳工藝相比，不僅更加地經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而且在初期適當(dāng)噴吹CO2后脫碳效果更加明顯?，F(xiàn)如今，CO2-O2混合吹煉脫碳生產(chǎn)低碳鉻鐵合金的工藝已經(jīng)得到了有效的驗(yàn)證。不過，在分析牌號FeCr55C10.0的高碳鉻鐵原料的相關(guān)研究還不多見，具體采用何種計(jì)算方式，配比CO2的計(jì)量還需要進(jìn)一步探討。另一方面，本課題的研究有利于在確保生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上，將Cr的回收率置于較高水平，有利于顯著降低相關(guān)還原劑和能量的消耗，更有利于降低相關(guān)行業(yè)投資成本。

2 三種常見的冶煉中低碳鉻鐵工藝

2.1 電硅熱法冶煉中低碳鉻鐵工藝

在該工藝中，首先借助電能加熱提供反映溫度；其次，借助石灰提供的堿性環(huán)境，使硅鉻合金中的硅與氧鉻化合物發(fā)生還原反映，將還原為；最后，采用脫硅增鉻工藝將反應(yīng)爐中的原料冶煉為中低碳鉻鐵。具體的反映原理如下公式組所示：

2.2 CLU轉(zhuǎn)爐精煉技術(shù)冶煉中低碳鉻鐵工藝

與普通的氫氧混吹脫碳工藝相比（見圖1），該工藝采用水蒸氣代替部分氫氣和氮?dú)?，也就是說，采用的是一定比例的水蒸氣、氫氣、氮?dú)夂脱鯕鈱?shí)現(xiàn)混吹脫碳冶煉中低鉻鐵工藝。一方面，水蒸氣可以起到一定的制冷作用，提高反應(yīng)爐壽命；另一方面，由水蒸氣分解出來的H2和O2混合氣體，與以往工藝相比，可以起到一定的稀釋作用。

圖1 CLU轉(zhuǎn)爐精煉技術(shù)冶煉中低碳鉻鐵工藝流程

2.3 吹氧法冶煉中低碳鉻鐵工藝

吹氧法與其他方法不同的是不需要中間物理和化學(xué)過程，直接一步就能生產(chǎn)出中低碳鉻鐵產(chǎn)品，因此有時(shí)也被稱為“一步法”。其基本生產(chǎn)流程是將氧氣加高壓，直接吹入轉(zhuǎn)爐，與液態(tài)高碳鉻鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。在不同的爐溫條件下，生成渣、鉻鐵產(chǎn)品等。在開始爐溫低于1700℃，礦石中的Ca、A1、Si、Cr等雜質(zhì)優(yōu)先發(fā)生氧化反應(yīng)，在氧化反應(yīng)的過程中，釋放的熱量將爐溫進(jìn)一步推高。

當(dāng)溫度上升至1700℃左右時(shí)，礦石中的碳元素發(fā)生氧化反應(yīng)。與此同時(shí)，和與碳元素發(fā)生間接氧化。在上述過程中，實(shí)現(xiàn)吹氧法冶煉中低碳鉻鐵工藝。

2.4 三種常見的冶煉中低碳鉻鐵工藝比較（見下頁表1）

表1 三種常見的冶煉中低碳鉻鐵工藝比較

3 CO2用于吹氧法生產(chǎn)中低碳鉻鐵的工藝原理

3.1 熱力學(xué)分析

轉(zhuǎn)爐中的熱力學(xué)分析依據(jù)主要是從鉻鐵熔體脫碳的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)中得來的。在常溫狀態(tài)CO2表現(xiàn)為弱氧化性；但是，在轉(zhuǎn)爐的高溫環(huán)境下，也表現(xiàn)為較強(qiáng)的氧化性，可以同礦石中的C、Si、Fe和Cr實(shí)現(xiàn)劇烈的氧化反應(yīng)。冶煉過程中，CO2與Fe、C元素的氧化反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。CO2與Cr、Si的氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)。O2與上述四元素發(fā)生的反應(yīng)均為放熱反應(yīng)。需要特別指出的是依據(jù)文獻(xiàn)[2]提供的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)可知，CO2與Cr、Si的氧化反應(yīng)所釋放的熱量與O2與之發(fā)生的氧化釋放的熱量相比少的多，不在一個(gè)數(shù)量級。鑒于此，CO2-O2混吹的方式，有利于借助混吹混合比例來調(diào)節(jié)熔池溫度，有利于控制爐溫并提高爐襯的壽命。

3.2 工藝原理

CO2用于吹氧法生產(chǎn)中低碳鉻鐵的工藝原理在于采用CO2作為部分稀釋氣體的替代者，將CO2-O2加壓，按照一定比例對高溫轉(zhuǎn)爐進(jìn)行高壓混合吹煉。按吹煉方式不同可以分為側(cè)吹、底吹、頂吹和頂?shù)讖?fù)合吹煉四種。以頂吹為例，在吹煉的過程中，高壓氧氣和二氧化碳?xì)饬鲿?huì)以很高的速度沖擊熔池，形成凹坑狀的氣流作用區(qū)。

4 CO2在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的最大入量計(jì)算

CO2的含量計(jì)算也是一項(xiàng)重要內(nèi)容。如果含量過高，導(dǎo)致爐溫溫度難以保持穩(wěn)定，引發(fā)安全生產(chǎn)隱患；如果溫度過低，對爐溫的影響微乎其微，不僅原有的爐襯侵蝕問題不能得到改善，而且脫碳保鉻的目的也難以達(dá)到。依據(jù)文獻(xiàn)[3]的相關(guān)研究成果可知，在轉(zhuǎn)爐CO2與O2混合煉鋼過程中CO2的最大加入量應(yīng)不超過13%。但是針對牌號FeCr55C10.0的高碳鉻鐵原料的相關(guān)研究還沒有見到。本文依據(jù)熱力學(xué)的基本原理和相關(guān)工具實(shí)現(xiàn)計(jì)算原理的探討。牌號FeCr55C10.0的高碳鉻鐵原料脫碳保鉻的總反應(yīng)為如下公式。

較佳CO2配比的計(jì)算原則是：加入CO2后，既能實(shí)現(xiàn)體系的物料平衡與能量平衡，同時(shí)體系的溫度又能夠等于或者高于氧化轉(zhuǎn)化溫度，只有這樣才能最大限度地減少爐襯的高溫侵蝕，同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫碳保鉻。

依據(jù)文獻(xiàn)[4]的相關(guān)研究成果可知，常壓下轉(zhuǎn)爐法適合冶煉含碳2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的中碳鉻鐵產(chǎn)品，其冶煉終點(diǎn)溫度約為1750℃。在原料相同的情況下，最終產(chǎn)品含碳量越低，體系達(dá)到平衡時(shí)的溫度越高，可以引入CO2的比例越小，即在冶煉碳含量較低的產(chǎn)品時(shí)，不宜大量采用CO2。

依據(jù)FeCr55C10.0的化學(xué)成分（見表2），分別計(jì)算在當(dāng)前計(jì)算條件下，以CO2代替部分O2進(jìn)行鉻鐵冶煉比較適合冶煉碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2.0%以上的產(chǎn)品，不適合冶煉碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1.0%的鉻鐵產(chǎn)品。

表2 Fe Cr55C10.0的化學(xué)成分

5 結(jié)語

在吹氧法冶煉中低碳鉻鐵的過程中，主要面臨的問題包括：溫度過高、耐火內(nèi)襯壽命短、鉻回收率低等等。采用引入CO2用于吹氧法生產(chǎn)中低碳鉻鐵的工藝創(chuàng)新已經(jīng)成為了一個(gè)新的研究熱點(diǎn)方向。中低碳鉻鐵作為一種必不可少的添加劑多見于煉鋼工業(yè)生產(chǎn)之中。其重要性一方面體現(xiàn)在不銹鋼、鉻鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等鋼材的生產(chǎn)環(huán)節(jié)；另一方面，體現(xiàn)在生產(chǎn)高品質(zhì)潔凈鋼的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。