碳化鈣替代硅鋁鈣鋇作終脫氧劑的工業(yè)實踐

碳化鈣替代硅鋁鈣鋇作終脫氧劑的工業(yè)實踐

0新型硅鋁鈣復合脫氧劑的研制南昌長力鋼鐵有限公司路橋廠（以下簡稱路橋廠）的螺紋鋼產量占很大比例。20mas、20masv和20masb是以20mas為鋼號的螺紋鋼。硅鋁鈣用于脫氧。硅鋁鈣鋇是一種多元復合脫氧劑,使用多年,脫氧效果比較穩(wěn)定,但是近年隨著合金價格的猛漲,脫氧成本逐漸增加。為此,長力轉爐廠進行了應用碳化鈣替代硅鋁鈣鋇作終脫氧劑的工業(yè)性試驗。試驗結果標明,單一使用碳化鈣作轉爐煉鋼終脫氧劑在工藝上是完全可行的,替代硅鋁鈣鋇脫氧噸鋼可降低成本2元,具有良好的工藝效果和經濟效益。1脫氧能力1.1單質脫氧劑的物理和化學性質常用脫氧劑及堿土金屬的物理性質見表1:1.2脫氧元素主要脫氧元素的脫氧產物及△G計算如下:12si脫氧[Si]+2[O]=(SiO2)(s)(1)G=-142000+55.00T23氧氣2[Al]+3[O]=(Al2O3)(s)(2)G=-291360+94.2T3ca脫離氧氣[Ca]+[O]=(CaO)(s)(3)G=-120295+15.45T4復合脫氧劑脫氧機理[Ba]+[O]=(BaO)(s)(4)G=-143690+36T脫氧元素單獨作用時,脫氧產物熔點較高,在煉鋼溫度下一般呈固態(tài)顆粒存在。使用復合脫氧劑時,在反應區(qū)內同時存在幾種脫氧產物,彼此相互接近,易于聚結并上浮。因此使用復合脫氧劑會導致脫氧常數(shù)降低,鋼中氧含量也隨之降低。1.3脫氧反應及脫氧能力的變化鈣和鋇雖然有很強的脫氧能力,但由于受鋼中溶解度的限制,鈣、鋇單質脫氧劑不適合作潔凈鋼的預脫氧劑。由于鈣、鋇的原子量較大,生成的脫氧產物半徑較大,與其它脫氧產物的碰撞長大形成復合脫氧產物的幾率較高,夾雜物上浮速度快。硅鋁鈣鋇脫氧劑中的鋁含量最低,對脫氧影響有限。轉爐煉鋼出鋼時加入脫氧劑,立即發(fā)生脫氧反應,生成一次脫氧產物。由于脫氧反應是放熱反應,隨著溫度下降,平衡發(fā)生移動,使脫氧反應重新進行,生成二次脫氧產物。當鋼液凝固時,在鋼液和晶體兩相區(qū)可以繼續(xù)進行脫氧反應,生成三次脫氧產物。使用的脫氧劑的脫氧能力越強,加入的數(shù)量越多,則二次、三次脫氧產物形成的越少。硅脫氧平衡常數(shù)與溫度的關系為:lg([%Si][%O]2)=?31038T+12.0lg([%Si][%Ο]2)=-31038Τ+12.0由上式可以看出:隨溫度降低,硅脫氧能力增強,但會產生較多的二次和三次脫氧產物。根據(jù)表2化學成份,假設硅鋁鈣鋇復合脫氧劑中脫氧元素全部與氧反應時,每公斤硅鋁鈣鋇可以脫氧0.79kg。硅含量為56.47%,其脫氧量占全部脫氧量的81.72%,因此硅鋁鈣鋇復合脫氧劑可以看作是以硅為主的脫氧劑。1.4碳化鈣脫氧劑的種類碳化鈣的主要化學成份為CaC2,在高溫下可以分解為C和Ca,脫氧方程可以看作:[C]+[O]→CO(5)[Ca]+[O]→(CaO)(s)(6)碳在碳化鈣脫氧中的作用占了2/3,而Ca在轉爐鋼中溶解度極低,生成的脫氧產物為CaO,與鋼中殘存的SiO2能生成低熔點的夾雜物而迅速上浮。因此,碳化鈣可以看作以碳為主的脫氧劑。碳脫氧平衡常數(shù)為:[%C][%O]=0.0025碳脫氧的產物是CO氣體,極易從鋼液中排出,而且碳脫氧能力隨著溫度的升高變化不大,脫氧產物也不會污染鋼水。1.5脫氧反應及碳含量不同溫度下碳、硅含量對平衡氧的影響如圖1所示:由圖1可以看出,隨著元素C、Si含量升高,平衡氧均降低;隨著溫度升高,Si脫氧能力逐步減弱。轉爐出鋼溫度一般在1680℃左右,此時碳的脫氧能力比硅強,碳優(yōu)先與氧發(fā)生反應,生成CO;隨著溫度降低,Si的脫氧能力逐步顯現(xiàn)出來,生成二次脫氧產物。在連鑄澆注溫度一般為1520℃～1540℃左右,此時Si繼續(xù)進行脫氧反應,生成產物以SiO2等三次脫氧產物。長力轉爐冶煉螺紋鋼終點的碳含量一般為0.05%～0.10%,此時鋼中的氧含量一般為400～900×10-6。而冶煉20MnSi鋼時,碳含量目標值為0.22左右,此時的平衡氧通過計算為120×10-6,兩者差為280～780×10-6,這部分氧都可以被碳去除。2提高碳脫氧能力。在合金化過程中,對土壤進行二次脫氧,確保碳中氧含量。在資根據(jù)轉爐終點情況,以碳化鈣作為單一預脫氧劑,在少增碳的情況下,盡可能把碳脫氧能力發(fā)揮到最大為原則,在合金化過程中,硅錳等合金可以作進行二次脫氧,保證鋼中氧含量達標。脫氧劑與合金加入順序為:石墨增碳劑→碳化硅→碳化鈣脫氧劑→硅錳→硅鐵。3試驗結果及分析3.1碳化鈣脫氧試驗結果分析在2008年2月20日,進行了碳化鈣替代硅鋁鈣鋇試驗,在跟蹤的6爐鋼中,碳化鈣脫氧劑試驗結果見表3;取當日使用硅鋁鈣鋇脫氧工藝的6爐數(shù)據(jù)對比分析,其情況見表4:由表3可以看出,使用碳化鈣作為預脫氧劑,合金Mn元素收得率穩(wěn)定,收得率為89.28%～93.08%;對比表3和表4得出,碳化鈣可增碳0.01～0.02%。使用碳化鈣脫氧后,合金收得率與使用硅鋁鋇鈣脫氧劑時相當。硅鋁鈣鋇脫氧有增Si的作用,根據(jù)長力轉爐實踐,在螺紋鋼生產中,需控制鋼中Si成分以便控制螺紋鋼機械性能強屈比,而碳化鈣試驗工藝有利于控制Si成分,所以對比分析未考慮硅元素的影響。取螺紋鋼樣做氧含量分析,使用碳化鈣作預脫氧劑時,螺紋鋼樣氧含量波動在為38.1～41.4×10-6,達到長力轉爐不超過60×10-6的要求。自2008年3月起,轉爐廠推廣在生產螺紋鋼時采用碳化鈣做脫氧劑工藝。表5為3、4、5月份生產的以20MnSi、20MnSiNb為鋼號的螺紋鋼機械性能的統(tǒng)計情況:由表5可看出,完全能夠滿足螺紋鋼生產要求。3.2影響成本的因素根據(jù)表3和表4與長力轉爐模擬成本計算,“硅錳+碳化硅+石墨”模擬成本:碳化鈣試驗工藝為120.86元/t,原硅鋁鈣鋇脫氧工藝為120.82元/t,碳化鈣試驗工藝增加0.04元/t,所以影響成本的主要因素是試驗工藝和原硅鋁鈣鋇工藝所應用的脫氧劑本身的價格和加入量。以生產螺紋鋼的2008年3月份的碳化鈣脫氧工藝和2008年元月份原硅鋁鈣鋇脫氧工藝比較,脫氧劑成本見表6:從表6計算出,碳化鈣脫氧工藝較原硅鋁鈣鋇脫氧工藝節(jié)約2.04元/t,剔除“硅錳+碳化硅+石墨”增加的成本0.04元/t,實際碳化鈣脫氧工藝較原硅鋁鈣鋇脫氧工藝節(jié)約2元/t,以長力轉爐年產150萬t螺紋鋼計算,可產生300萬元年經濟效益。3.3運輸、倉儲問題1)碳化鈣儲存比較困難,遇水就會分解為乙炔和氫氧化鈣,甚至會造成火災事故。因此在雨季,碳化鈣運輸、倉儲問題必須特別謹慎對待;2)碳化鈣脫氧產物為CO,可加快攪拌,促進合金熔化;3)硅鋁鈣鋇脫氧產物主要是SiO2,會造成鋼包頂渣堿度下降,發(fā)生回磷、爐渣結塊等傾向。碳化鈣脫氧產物為CaO,彌補了鋼包頂