D0I:10.13374.issn1001-053x.2011.12.017 第33卷第12期 北京科技大学学报 Vol.33 No.12 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 转炉冶炼新型耐候钢06 CuPNi1Cr2 赵平12,3》殷树春12)刘青12)区 苍大强12》付国庆1,2) 1)北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 2)北京科技大学治金与生态工程学院，北京100083 3)中国镍资源控股有限公司，香港999077 ☒通信作者，E-mail:qliu@usth.edu.cn 摘要为高效利用资源，充分利用低镍铬红土矿中的镍铬元素，研发了一种新型耐候钢06CPN1C2.针对转炉冶炼耐候钢 过程金属液中铬元素氧化的问题，研究并讨论了冶炼温度和一氧化碳分压对脱碳保铬的影响.转炉治炼O6CPN1C2耐候钢 模拟实验表明，顶吹氧气强度为3.0-3.3m3mi1t,终点碳的质量分数为0.02%~0.05%，治炼终点温度控制在1680- 1700℃时，脱碳保铬效果显著. 关键词炼钢：耐候钢：转炉：红土矿：镍：铬：脱碳 分类号T℉729.1 Smelting of a new-type weathering steel 06CuPNil Cr2 by converter ZHA0 Ping.a,NShu-thm-2,LIU Qing☒，CANG Da--qiang》,FU Guo-qing) 1)State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 3)China Nickel Resources Holding Co.Ld.,Hong Kong999077,China Corresponding author,E-mail:qliu@ustb.edu.cn ABSTRACT A new-type weathering steel 06CuPNilCr2 was developed by high-efficiently utilizing nickel and chromium in low nick- el-chromium laterite ores.The influences of bath temperature and the partial pressure of carbon monoxide on decarburization and keep- ing chromium were studied and discussed to solve the problem of chromium oxidation in steelmaking.06CuPNilCr2 smelting experi- ments show that the effects of decarburization and keeping chromium are remarkable when the oxygen top-blowing is 3.0 to 3.3 m min-t,the mass fraction of final carbon is 0.02%to 0.05%and the end-point smelting temperature is 1680 to 1700C. KEY WORDS steelmaking:weathering steel;converters:laterite:nickel:chromium:decarburization 由于全球镍需求增长和硫化镍资源短缺，人们 程中，很难避免铁水中的铬首先被氧化而进入渣中 对红土型镍矿资源开发进行了大量的研究习.印 因此，本研究的任务是研究在炼钢过程中如何采取 度尼西亚是褐铁型红土矿的主要生产基地，产量有 有效的工艺措施保住铁水中的铬，探讨相关治金过 130万t回.采用这种低品位红土型镍矿通过高炉治 程机理，并研发相关工艺，为今后充分利用低品位红 炼得到的铁水中镍和铬的质量分数分别为0.8%~ 土矿中镍铬资源提供参考技术依据. 1.2%和1.0%~5.0%，根据铁水中镍和铬的含量， 1脱碳保铬热力学分析 研发了一种新型高强度耐候钢O6 CuPNi1Cr2.根据 镍和铬的物理化学性质，上述低品位红土矿经高炉 在炼钢过程中铬既能够被氧化也能够被还原， 冶炼得到的铁水在炼钢过程中可以获得镍质量分数 金属液中铬在低温下能大量氧化进入渣中，但在高 为0.8%~1.2%的钢水.然而，由于铬与氧的亲和 温下又能被钢液中碳还原进入钢液中.由Ellingham 力显著强于铁与氧的亲和力，在炼钢吹氧脱碳的过 图可知，治金温度必须高于临界转化温度，才能使钢 收稿日期：201009-30 基金项目：教有部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCETO7-0067):中央高校基本科研业务费专项(FRF-BR-09020B)
第 33 卷 第 12 期 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 No． 12 Dec． 2011 转炉冶炼新型耐候钢 06CuPNi1Cr2 赵 平1，2，3) 殷树春1，2) 刘 青1，2) 苍大强1，2) 付国庆1，2) 1) 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 2) 北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083 3) 中国镍资源控股有限公司，香港 999077 通信作者，E-mail: qliu@ ustb． edu． cn 摘 要 为高效利用资源，充分利用低镍铬红土矿中的镍铬元素，研发了一种新型耐候钢 06CuPNi1Cr2． 针对转炉冶炼耐候钢 过程金属液中铬元素氧化的问题，研究并讨论了冶炼温度和一氧化碳分压对脱碳保铬的影响． 转炉冶炼 06CuPNi1Cr2 耐候钢 模拟实验表明，顶吹氧气强度为 3. 0 ～ 3. 3 m3 ·min － 1 ·t － 1 ，终点碳的质量分数为 0. 02% ～ 0. 05% ，冶炼终点温度控制在 1 680 ～ 1 700 ℃时，脱碳保铬效果显著． 关键词 炼钢; 耐候钢; 转炉; 红土矿; 镍; 铬; 脱碳 分类号 TF729. 1 Smelting of a new-type weathering steel 06CuPNi1Cr2 by converter ZHAO Ping1，2，3) ，YIN Shu-chun1，2) ，LIU Qing1，2) ，CANG Da-qiang1，2) ，FU Guo-qing1，2) 1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 3) China Nickel Resources Holding Co． Ltd． ，Hong Kong 999077，China Corresponding author，E-mail: qliu@ ustb． edu． cn ABSTRACT A new-type weathering steel 06CuPNi1Cr2 was developed by high-efficiently utilizing nickel and chromium in low nickel-chromium laterite ores． The influences of bath temperature and the partial pressure of carbon monoxide on decarburization and keeping chromium were studied and discussed to solve the problem of chromium oxidation in steelmaking． 06CuPNi1Cr2 smelting experiments show that the effects of decarburization and keeping chromium are remarkable when the oxygen top-blowing is 3. 0 to 3. 3 m3 · min － 1 ·t － 1 ，the mass fraction of final carbon is 0. 02% to 0. 05% and the end-point smelting temperature is 1 680 to 1 700 ℃ ． KEY WORDS steelmaking; weathering steel; converters; laterite; nickel; chromium; decarburization 收稿日期: 2010--09--30 基金项目: 教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目( NCET07--0067) ; 中央高校基本科研业务费专项( FRF--BR--09--020B) 由于全球镍需求增长和硫化镍资源短缺，人们 对红土型镍矿资源开发进行了大量的研究［1--3］． 印 度尼西亚是褐铁型红土矿的主要生产基地，产量有 130 万 t ［4］． 采用这种低品位红土型镍矿通过高炉冶 炼得到的铁水中镍和铬的质量分数分别为 0. 8% ～ 1. 2% 和 1. 0% ～ 5. 0% ，根据铁水中镍和铬的含量， 研发了一种新型高强度耐候钢 06CuPNi1Cr2． 根据 镍和铬的物理化学性质，上述低品位红土矿经高炉 冶炼得到的铁水在炼钢过程中可以获得镍质量分数 为 0. 8% ～ 1. 2% 的钢水． 然而，由于铬与氧的亲和 力显著强于铁与氧的亲和力，在炼钢吹氧脱碳的过 程中，很难避免铁水中的铬首先被氧化而进入渣中． 因此，本研究的任务是研究在炼钢过程中如何采取 有效的工艺措施保住铁水中的铬，探讨相关冶金过 程机理，并研发相关工艺，为今后充分利用低品位红 土矿中镍铬资源提供参考技术依据． 1 脱碳保铬热力学分析 在炼钢过程中铬既能够被氧化也能够被还原， 金属液中铬在低温下能大量氧化进入渣中，但在高 温下又能被钢液中碳还原进入钢液中． 由 Ellingham 图可知，冶金温度必须高于临界转化温度，才能使钢 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.12.017
·1454· 北京科技大学学报 第33卷 水中碳氧化而铬不氧化，也就是可以达到脱碳保铬 2300 的目的.治炼过程中影响脱碳保铬的因素很多，其 2200 [Cr=1.2%[Ni=1.0% 中温度和一氧化碳分压的影响最大， 2100 -。-Pom-0.8x10Pa.gn-0.5 铬的氧化物比较复杂，在炼钢过程中最稳定的 赵200 -◇-pm=l.0x10h.a2n,-05 墨1900 --Pan-0.8x104,n=l.0 是C20,·吹炼过程中铁水中碳与铬的反应方程式 ◆Pem-1.0x10Pa.aA-10 1800 及其平衡常数关系式如下B所示： 1764℃ - 1700 3[C]+C203=3C0+2[Cr] 1615T (1) 1600 K=2(peop⊙) 1500 ,lgK=-38840/T+24.95(2) 主全多 acacn0 1400L 0 0.020.040.060.080.100.12 将式(2)化简得 IC% K=2p@p)'_民pmp9) 图1脱碳保铬临界转化温度 (3) acacnos f尼W2ac0 Fig.I Critical transition temperature of decarburization and keeping 则有 chromium IgK =2lgfcr +21gWc +31g(pco/pe)- 新型高强度耐候钢O6 CuPNi1Cr2终点碳[C]要 3lgfc -3lgWe lga cnos (4) 求在0.04%~0.08%，为确保真空精炼时碳含量在 式中：K为反应平衡常数；T为熔池温度，℃；a:为组 目标范围内，所以转炉热态模拟实验出钢[C]要小 元i的活度Pco为熔池中一氧化碳的分压，Paf为 于0.05%：然而，碳含量越低则需要的脱碳保铬转 元素i的活度系数：W,为组元i的质量分数. 化温度就越高，因此吹炼终点[C]要大于0.02%为 实验原料中硅、锰、磷和硫的含量较低，只考虑 宜.由图1可知，当[C]为0.02%~0.05%时，相对 碳、铬和镍元素对式(4)的影响.在1873K时，碳、 应的临界脱碳保铬转化温度理论计算值为1615~ 铬和镍之间的相互作用系数e(e为元素j对i的相 1764℃，即当[C]=0.05%时，脱碳保铬需要的最 互作用系数)B-分别为e6=0.14,e8=-0.024,e心 低临界转化温度是1615℃，当[C]=0.02%时，脱 =0.012,e8=-0.0003,e6=-0.12,e=0.0002. 碳保铬需要的最低临界转化温度是1764℃.当碳 由元素相互作用系数可得gf和lgf。为 含量不变时，pco-1.0×10Pa,ac,0,=0.5曲线上 lgf=e&W。+eWe+eeWN= 的临界转化温度点相对于其他三条曲线是最大的， -0.024Wc+0.14Wc+0.012W (5) 即满足该曲线的临界转化温度均满足其他三条曲线 Ig fcr =ec War ec Wc eci WNi 的转化温度：当碳含量和熔池温度均满足图中三角 -0.0003Wc-0.12Wc+0.0002W (6) 形区域，且温度在碳含量对应的临界转化温度之上 将式(2)、式(5)和式(6)带入式(4)，整理可以 时，就可以达到实验要求的脱碳保铬的目的.考虑 得到温度与含铬铁水成分以及一氧化碳分压之间的 新型耐候钢实际生产中各因素的综合影响，转炉热 平衡关系式： 态模拟实验出钢理想温度应控制在1680~1700℃. -38840/T+24.95=0.0714Wc-0.66Wc- 在转炉治炼过程中，除上述影响因素外，熔池中 0.0356 WNi +31g (Pco/pe)+2lgWcr- 碳和铬的含量本身对脱碳保铬也有影响.由式(7) 31gWc -lgacrao3 (7) 可知，当TPco和ac,0,固定不变时，熔池中碳含量越 转炉治炼新型耐候钢的热态模拟实验中，含铬 高，铬含量就较高：反之，也成立 铁水中[Cr]=1.2%和N]=1.0%,一氧化碳分压 转炉实际生产中主要通过控制温度和一氧化碳 取0.8×10°~1.0×10Pa,ac,0,取值范围为0.5~ 分压这两个方面共同达到脱碳保铬的目的.由文献 1.0.将上述相关数据带入式(7)，计算结果如图1 8]可知，不锈钢SHU409治炼时，通过抽真空降低 所示.在冶炼过程中，当镍含量、铬含量、一氧化碳 一氧化碳分压，可以将[C]脱至0.02%而无铬的氧 分压和ac0,一定时，随着金属液中碳含量的减少脱 化.但是，在转炉热态模拟实验中，出钢温度控制在 碳保铬需要的临界转化温度升高；当镍含量、铬含 1680~1700℃比较容易，通过增大底吹气体强度来 量、温度和ac20一定时，随着终点碳含量降低，一氧 降低一氧化碳分压却是有限的，一氧化碳分压为 化碳分压也在降低，即终点碳含量越低则需要的一 0.8×105~1.0×10Pa对转炉热态模拟实验脱碳 氧化碳分压就越低 保铬影响较小
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 水中碳氧化而铬不氧化，也就是可以达到脱碳保铬 的目的． 冶炼过程中影响脱碳保铬的因素很多，其 中温度和一氧化碳分压的影响最大． 铬的氧化物比较复杂，在炼钢过程中最稳定的 是 Cr2O3 ． 吹炼过程中铁水中碳与铬的反应方程式 及其平衡常数关系式如下［5--6］所示: 3［C］+ Cr2O3 = 3CO + 2［Cr］ ( 1) K = a2 Cr( pCO /p) 3 a3 C aCr2O3 ，lgK = － 38 840 /T + 24. 95 ( 2) 将式( 2) 化简得 K = a2 Cr( pCO /p) 3 a3 C aCr2O3 = f 2 CrW2 Cr( pCO /p) 3 f 3 C W3 C aCr2O3 ( 3) 则有 lgK = 2lgfCr + 2lgWCr + 3lg( pCO /p) － 3lgfC － 3lgWC － lgaCr2O3 ( 4) 式中: K 为反应平衡常数; T 为熔池温度，℃ ; ai 为组 元 i 的活度; pCO为熔池中一氧化碳的分压，Pa; fi 为 元素 i 的活度系数; Wi为组元 i 的质量分数． 实验原料中硅、锰、磷和硫的含量较低，只考虑 碳、铬和镍元素对式( 4) 的影响． 在 1 873 K 时，碳、 铬和镍之间的相互作用系数 e j i ( e j i 为元素 j 对 i 的相 互作用系数) ［5--7］分别为 e C C = 0. 14，e Cr C = － 0. 024，e Ni C = 0. 012，e Cr Cr = － 0. 000 3，e C Cr = － 0. 12，e Ni Cr = 0. 000 2． 由元素相互作用系数可得 lg fC 和 lg fCr为 lg fC = e Cr C WCr + e C CWC + e Ni C WNi = － 0. 024WCr + 0. 14WC + 0. 012WNi ( 5) lg fCr = e Cr CrWCr + e C CrWC + e Ni CrWNi = － 0. 000 3WCr － 0. 12WC + 0. 000 2WNi ( 6) 将式( 2) 、式( 5) 和式( 6) 带入式( 4) ，整理可以 得到温度与含铬铁水成分以及一氧化碳分压之间的 平衡关系式: － 38 840 /T + 24. 95 = 0. 071 4WCr － 0. 66WC － 0. 035 6WNi + 3lg ( pCO /p) + 2lgWCr － 3lgWC － lgaCr2O3 ( 7) 转炉冶炼新型耐候钢的热态模拟实验中，含铬 铁水中 ［Cr］= 1. 2% 和［Ni］= 1. 0% ，一氧化碳分压 取 0. 8 × 105 ～ 1. 0 × 105 Pa，aCr2O3取值范围为 0. 5 ～ 1. 0． 将上述相关数据带入式( 7) ，计算结果如图 1 所示． 在冶炼过程中，当镍含量、铬含量、一氧化碳 分压和 aCr2O3一定时，随着金属液中碳含量的减少脱 碳保铬需要的临界转化温度升高; 当镍含量、铬含 量、温度和 aCr2O3一定时，随着终点碳含量降低，一氧 化碳分压也在降低，即终点碳含量越低则需要的一 氧化碳分压就越低． 图 1 脱碳保铬临界转化温度 Fig． 1 Critical transition temperature of decarburization and keeping chromium 新型高强度耐候钢 06CuPNi1Cr2 终点碳［C］要 求在 0. 04% ～ 0. 08% ，为确保真空精炼时碳含量在 目标范围内，所以转炉热态模拟实验出钢［C］要小 于 0. 05% ; 然而，碳含量越低则需要的脱碳保铬转 化温度就越高，因此吹炼终点［C］要大于 0. 02% 为 宜． 由图 1 可知，当［C］为 0. 02% ～ 0. 05% 时，相对 应的临界脱碳保铬转化温度理论计算值为 1 615 ～ 1 764 ℃，即当［C］= 0. 05% 时，脱碳保铬需要的最 低临界转化温度是 1 615 ℃，当［C］= 0. 02% 时，脱 碳保铬需要的最低临界转化温度是 1 764 ℃ ． 当碳 含量不变时，pCO = 1. 0 × 105 Pa，aCr2O3 = 0. 5 曲线上 的临界转化温度点相对于其他三条曲线是最大的， 即满足该曲线的临界转化温度均满足其他三条曲线 的转化温度; 当碳含量和熔池温度均满足图中三角 形区域，且温度在碳含量对应的临界转化温度之上 时，就可以达到实验要求的脱碳保铬的目的． 考虑 新型耐候钢实际生产中各因素的综合影响，转炉热 态模拟实验出钢理想温度应控制在 1680 ～ 1700 ℃ ． 在转炉冶炼过程中，除上述影响因素外，熔池中 碳和铬的含量本身对脱碳保铬也有影响． 由式( 7) 可知，当 T、pCO和 aCr2O3固定不变时，熔池中碳含量越 高，铬含量就较高; 反之，也成立． 转炉实际生产中主要通过控制温度和一氧化碳 分压这两个方面共同达到脱碳保铬的目的． 由文献 ［8］可知，不锈钢 SHU409 冶炼时，通过抽真空降低 一氧化碳分压，可以将［C］脱至 0. 02% 而无铬的氧 化． 但是，在转炉热态模拟实验中，出钢温度控制在 1 680 ～ 1 700 ℃比较容易，通过增大底吹气体强度来 降低一氧化碳分压却是有限的，一氧化碳分压为 0. 8 × 105 ～ 1. 0 × 105 Pa 对转炉热态模拟实验脱碳 保铬影响较小． ·1454·
第12期 赵平等：转炉冶炼新型耐候钢06 CuPNin1Cr2 ·1455· 12.5min;耗氧量为40m3t,与理论计算值相符； 2 新型耐候钢转炉热态模拟实验 石灰消耗量29kgt1,比理论计算值20kgt1要大. 在脱碳保铬热力学分析的基础上，进行了五炉 实验过程中水冷炉壁的挂渣造成炉渣利用率较低 200kg转炉冶炼新型耐候钢06 CuPNi1Cr2的热态模 因此，吹炼过程中应适当提高枪位，使渣中保持适量 拟实验，研究温度对治炼过程中脱碳保铬的影响. 氧化铁，促进石灰熔化0是必要的. 图2是转炉热态模拟吹氧实验示意图 吹炼结束后，选用Si-Fe和Mn-Fe粉作还原 剂，生成物SO,能改善铬渣的流动性，从而使渣中 铬还原彻底田.实验终点得到的钢水成分及温度 如表2所示.由于本研究热态实验操作人员根据经 验控制吹炼终点，在吹氧时间略有不同和氧枪枪位 操作导致温度波动较大的情况下，出钢钢水成分特 别是碳和铬的含量波动较大. 表2出钢钢水成分及温度 02 Table 2 Composition and temperature of molten steel at tapping moment 钢水成分（质量分数）/% 炉号 ·T/℃ 1一炉体：2一感应线圈：3一烟气罩：4一氧枪：5一手动针型阀：6- C Si Mn P Ni Cr Cu 供气气瓶：7一转子流量计及压力表：8一狭缝式透气砖 10.0080.0450.0400.0200.0231.150.0810.0471750 图2转炉热态模拟吹氧实验示意图 20.0480.0620.0300.0210.0231.430.1200.0381657 Fig.2 Schematic diagram of converter oxygen-blowing test 30.0420.0850.1200.0200.0B11.120.4200.0221685 2.1实验条件 40.0160.0510.0320.0100.0201.010.0350.0241610 以物料平衡和热平衡为基础，以N]=1.0% 50.0230.0460.0280.0150.0250.990.2470.0371688 为基准，通过计算获得转炉热态模拟实验需要的各 数据.实验中顶吹氧枪采用单孔直筒型氧枪，氧气 2.3实验讨论 出口射流为亚音速射流，强度控制在3.0~3.3m3· 转炉治炼新型耐候钢热态模拟实验顶吹氧气强 mim1t-:炉底安装环缝式透气砖，根据炉子容量 度不变，通过氧枪调节炉温☒，枪位采用高一低一 确定底枪支数回，实验采用两支底枪：底吹气体为 高的操作模式，治炼时枪位高度控制在75~120 氮气，起始底吹强度为0.02mmin1t1,后期强 mm.入炉铁水成分和温度要控制在合理范围并且 度增大到0.05m3·min1t.实验原料为镍资源公 保持稳定圆，实验治炼起始温度控制在1410~ 司提供的130kg含低镍铬半钢方坯和70kg铁块的 1440℃.图3是实验钢治炼过程中温度和碳含量与 混合料，其成分见表1.其中半钢方坯生产流程为： 吹氧时间之间的关系.由图3可知，铁水起始温度 低品位红土矿→高炉治炼→高炉铁水→50t电炉治 为1420℃，随着温度的升高，碳含量降低，钢液每升 炼→半钢（不锈钢基料）→150mm×150mm方坯. 高100℃所需的吹氧时间随之增加.实验中的碳含 在转炉模拟实验过程中，中频感应炉内的半钢 量变化曲线和实际生产中碳含量变化曲线趋势是一 和铁块在底吹氮气的条件下通电熔化，当熔池温度 致的，吹炼终点[C]均小于0.05%.从碳含量变化 不小于1400℃时降枪吹氧，同时加入造渣料的1/2~ 曲线的斜率可以看出，在第3~9分钟的脱碳速率明 2/3,控制治炼枪位并根据治炼情况分批加入剩余造 显大于第0~3分钟和第9~12分钟的脱碳速率，表 渣料.最后，根据经验判断吹炼终点，提枪停吹。 明冶炼中期碳剧烈氧化，反应速率达到最大值 转炉治炼过程中，增大底吹强度可以降低一氧 表1实验原料成分（质量分数） Table 1 Composition of test materials 化碳分压，但底吹强度并不是越大越好，而且环 原料 Si Mn P S Ni Cr Cu 缝式透气砖易堵塞，所以在实验过程中对脱碳保铬 半钢方坯1.870.090.050.0260.0151.332.270.03 影响最大的因素是温度.图4显示了温度与铬含量 铁块4.160.680.100.0460.0400.290.88- 随吹氧时间变化的关系.从铬曲线斜率变化可知， 治炼起始温度较低，钢液中铬迅速氧化，随着钢液温 2.2实验结果 度升高，铬的氧化速率在逐渐较小.从表3中各炉 转炉热态模拟实验平均每炉钢的冶炼时间为 次铬的氧化速率可以看出，铬的氧化速率在第0~3
第 12 期 赵 平等: 转炉冶炼新型耐候钢 06CuPNi1Cr2 2 新型耐候钢转炉热态模拟实验 在脱碳保铬热力学分析的基础上，进行了五炉 200 kg 转炉冶炼新型耐候钢 06CuPNi1Cr2 的热态模 拟实验，研究温度对冶炼过程中脱碳保铬的影响． 图 2 是转炉热态模拟吹氧实验示意图． 1—炉体; 2—感应线圈; 3—烟气罩; 4—氧枪; 5—手动针型阀; 6— 供气气瓶; 7—转子流量计及压力表; 8—狭缝式透气砖 图 2 转炉热态模拟吹氧实验示意图 Fig． 2 Schematic diagram of converter oxygen-blowing test 2. 1 实验条件 以物料平衡和热平衡为基础，以［Ni］= 1. 0% 为基准，通过计算获得转炉热态模拟实验需要的各 数据． 实验中顶吹氧枪采用单孔直筒型氧枪，氧气 出口射流为亚音速射流，强度控制在 3. 0 ～ 3. 3 m3 · min － 1 ·t － 1 ; 炉底安装环缝式透气砖，根据炉子容量 确定底枪支数［9］，实验采用两支底枪; 底吹气体为 氮气，起始底吹强度为 0. 02 m3 ·min － 1 ·t － 1 ，后期强 度增大到 0. 05 m3 ·min － 1 ·t － 1 ． 实验原料为镍资源公 司提供的 130 kg 含低镍铬半钢方坯和 70 kg 铁块的 混合料，其成分见表 1． 其中半钢方坯生产流程为: 低品位红土矿→高炉冶炼→高炉铁水→50 t 电炉冶 炼→半钢( 不锈钢基料) →150 mm × 150 mm 方坯． 在转炉模拟实验过程中，中频感应炉内的半钢 和铁块在底吹氮气的条件下通电熔化，当熔池温度 不小于1400 ℃时降枪吹氧，同时加入造渣料的 1/2 ～ 2 /3，控制冶炼枪位并根据冶炼情况分批加入剩余造 渣料． 最后，根据经验判断吹炼终点，提枪停吹． 表 1 实验原料成分( 质量分数) Table 1 Composition of test materials % 原料 C Si Mn P S Ni Cr Cu 半钢方坯 1. 87 0. 09 0. 05 0. 026 0. 015 1. 33 2. 27 0. 03 铁块 4. 16 0. 68 0. 10 0. 046 0. 040 0. 29 0. 88 — 2. 2 实验结果 转炉热态模拟实验平均每炉钢的冶炼时间为 12. 5 min; 耗氧量为 40 m3 ·t － 1 ，与理论计算值相符; 石灰消耗量29 kg·t － 1 ，比理论计算值20 kg·t － 1 要大． 实验过程中水冷炉壁的挂渣造成炉渣利用率较低． 因此，吹炼过程中应适当提高枪位，使渣中保持适量 氧化铁，促进石灰熔化［10］是必要的． 吹炼结束后，选用 Si--Fe 和 Mn--Fe 粉作还原 剂，生成物 SiO2能改善铬渣的流动性，从而使渣中 铬还原彻底［11］． 实验终点得到的钢水成分及温度 如表 2 所示． 由于本研究热态实验操作人员根据经 验控制吹炼终点，在吹氧时间略有不同和氧枪枪位 操作导致温度波动较大的情况下，出钢钢水成分特 别是碳和铬的含量波动较大． 表 2 出钢钢水成分及温度 Table 2 Composition and temperature of molten steel at tapping moment 炉号 钢水成分( 质量分数) /% C Si Mn P S Ni Cr Cu T/℃ 1 0. 008 0. 045 0. 040 0. 020 0. 023 1. 15 0. 081 0. 047 1750 2 0. 048 0. 062 0. 030 0. 021 0. 023 1. 43 0. 120 0. 038 1657 3 0. 042 0. 085 0. 120 0. 020 0. 031 1. 12 0. 420 0. 022 1685 4 0. 016 0. 051 0. 032 0. 010 0. 020 1. 01 0. 035 0. 024 1610 5 0. 023 0. 046 0. 028 0. 015 0. 025 0. 99 0. 247 0. 037 1688 2. 3 实验讨论 转炉冶炼新型耐候钢热态模拟实验顶吹氧气强 度不变，通过氧枪调节炉温［12］，枪位采用高—低— 高的操作模 式，冶炼时枪位高度控制在 75 ～ 120 mm． 入炉铁水成分和温度要控制在合理范围并且 保持稳定［13］，实验冶炼起始温度控制在 1 410 ～ 1 440 ℃ ． 图 3 是实验钢冶炼过程中温度和碳含量与 吹氧时间之间的关系． 由图 3 可知，铁水起始温度 为 1 420 ℃，随着温度的升高，碳含量降低，钢液每升 高 100℃所需的吹氧时间随之增加． 实验中的碳含 量变化曲线和实际生产中碳含量变化曲线趋势是一 致的，吹炼终点［C］均小于 0. 05% ． 从碳含量变化 曲线的斜率可以看出，在第 3 ～ 9 分钟的脱碳速率明 显大于第 0 ～ 3 分钟和第 9 ～ 12 分钟的脱碳速率，表 明冶炼中期碳剧烈氧化，反应速率达到最大值． 转炉冶炼过程中，增大底吹强度可以降低一氧 化碳分压，但底吹强度并不是越大越好［14］，而且环 缝式透气砖易堵塞，所以在实验过程中对脱碳保铬 影响最大的因素是温度． 图 4 显示了温度与铬含量 随吹氧时间变化的关系． 从铬曲线斜率变化可知， 冶炼起始温度较低，钢液中铬迅速氧化，随着钢液温 度升高，铬的氧化速率在逐渐较小． 从表 3 中各炉 次铬的氧化速率可以看出，铬的氧化速率在第 0 ～ 3 ·1455·
·1456· 北京科技大学学报 第33卷 几炉实验中最低的.究其原因是该炉在终点碳的质 1700 一一温度 170325 -o-1C 1650 T685℃ 量分数为0.016%时的温度是1610℃，远低于该碳 2.0 600气： 含量条件下脱碳保铬需要的临界转化温度.同理， 1600 1.5 第二炉的温度1650℃也低于该碳含量下的脱碳保 1550 1.0 铬温度，所以保铬率较低.第五炉实验的终点温度 1500 1500℃ 是1688℃，但保铬率仅为16.36%.主要是因为治 1450 0.5 1420 炼前期和中期钢液升温较慢，铬大量氧化，后期通过 ≥6min 1400 2m映.4min. 0 降低枪位给钢液升温，在碳氧化的同时铬也大量氧 0 4681012 吹炼时间/mim 化.从表3中也可以看出第五炉的铬氧化速率是最 图3温度和[C与吹氧时间的关系 大的.温度低不利于脱碳保铬，但并不是温度越高， Fig.3 Relations of temperature and carbon content to oxygen blowing 脱碳保铬效果就越好.如第一炉实验由于吹氧时间 time 过长，温度也达到1750℃，但碳的质量分数氧化到 双零，铬的质量分数较低，仅为0.081%，这主要是 1700 一o一温度 1.2 因为当碳含量氧化到一定程度，由铬氧化来提高钢 -ICr] 1650 1.1 液温度.因此，在控制熔池温度的同时，应该控制合 1600 1.0 适的碳含量. 1550 09 通过上述脱碳保铬热力学分析和转炉热态实验 1500 0.8 结果可知，转炉热态模拟实验治金过程中温度起着 0.7 1450 决定性作用.为达到脱碳保铬的目的，在实际生产 0.6 1400 中，铁水入炉温度要高，吹炼过程快速造渣，通过降 0.5 2 46 8 10 12 低枪位或增大顶吹氧气强度的方法快速升温钢液， 吹炼时问/min 在达到出钢要求的碳含量时温度要控制在1680~ 图4温度和[C]与吹氧时间的关系 1700℃.碳含量越低，对应的脱碳保铬临界转化温 Fig.4 Relations of temperature and chromium content to oxygen blo- 度就越高，因此只有在碳和温度都控制在合适的范 wing time 围内，脱碳保铬才能达到最好的效果 表3铬的氧化速率及保铬率 Table 3 Oxidation rate and keeping ratio of chromium 3结论 氧化速率/(%·min1) 吹炼终点 炉号 (1)治炼温度和一氧化碳分压是脱碳保铬的两 0~12 min 0~3 min 3~9min 9~12 min 保铬率/% 平均值 个主要影响因素，冶炼温度高于脱碳保铬转化温度， 10.25 并且一氧化碳分压越低越有利于脱碳保铬 2 0.133 0.055 0.003 0.060 14.46 (2)实验过程顶吹氧气强度为3.0~3.3m3· 0.107 0.037 0.007 0.047 37.17 min-lt-l,底吹氮气强度为0.02~0.05m3min-1. 4 0.117 0.040 0.023 0.055 3.76 t1.枪位采用高一低一高的操作模式，冶炼时枪位 5 0.139 0.050 0.081 0.085 16.36 高度控制在75~120mm. (3)转炉热态模拟实验的治炼温度决定脱碳保 分钟内最大，平均为0.12%min1;在第9~12分钟 铬的效果.吹炼起始温度高，治炼过程升温快，终点出 内最小，即低温有利于铬的氧化，高温则限制铬的 钢温度控制在1680~1700℃时脱碳保铬效果显著 氧化. 设定实验终点钢水中铬含量与初始铁水中铬含 参考文献 量的比值为脱碳保铬的保铬率，则吹炼终点保铬率 [Xiao Z M.Status of exploitation of laterite type nickel ore and ap- 的大小反映了实验保铬的效果.五炉实验中的第三 plication of high pressure acid leaching technology in the word. 炉实验终点温度为1685℃，终点碳的质量分数为 China Min Mag,2002,11(1):56 (肖振民.世界红土型镍矿开发和高压酸浸技术应用.中国矿 0.042%时，铬的质量分数为0.42%，保铬效率为 业，2002,11(1)：56) 37.2%,是本实验中保铬率最大的一炉.第四炉终 2]Feng Q M,Shao Y H,Ou L M,et al.Kinetics of nickel leaching 点铬的质量分数为0.035%时，保铬率为3.76%，是 from roasting-dissolving residue of spent catalyst with sulfuric acid
北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 图 3 温度和［C］与吹氧时间的关系 Fig． 3 Relations of temperature and carbon content to oxygen blowing time 图 4 温度和［Cr］与吹氧时间的关系 Fig． 4 Relations of temperature and chromium content to oxygen blowing time 表 3 铬的氧化速率及保铬率 Table 3 Oxidation rate and keeping ratio of chromium 炉号 氧化速率/ ( %·min － 1 ) 0 ～ 3 min 3 ～ 9 min 9 ～ 12 min 0 ～ 12 min 平均值 吹炼终点 保铬率/% 1 — — — — 10. 25 2 0. 133 0. 055 0. 003 0. 060 14. 46 3 0. 107 0. 037 0. 007 0. 047 37. 17 4 0. 117 0. 040 0. 023 0. 055 3. 76 5 0. 139 0. 050 0. 081 0. 085 16. 36 分钟内最大，平均为 0. 12% min － 1 ; 在第 9 ～ 12 分钟 内最小，即低温有利于铬的氧化，高温则限制铬的 氧化． 设定实验终点钢水中铬含量与初始铁水中铬含 量的比值为脱碳保铬的保铬率，则吹炼终点保铬率 的大小反映了实验保铬的效果． 五炉实验中的第三 炉实验终点温度为 1 685 ℃，终点碳的质量分数为 0. 042% 时，铬的质量分数为 0. 42% ，保铬效率为 37. 2% ，是本实验中保铬率最大的一炉． 第四炉终 点铬的质量分数为 0. 035% 时，保铬率为 3. 76% ，是 几炉实验中最低的． 究其原因是该炉在终点碳的质 量分数为 0. 016% 时的温度是 1 610 ℃，远低于该碳 含量条件下脱碳保铬需要的临界转化温度． 同理， 第二炉的温度 1 650 ℃ 也低于该碳含量下的脱碳保 铬温度，所以保铬率较低． 第五炉实验的终点温度 是 1 688 ℃，但保铬率仅为 16. 36% ． 主要是因为冶 炼前期和中期钢液升温较慢，铬大量氧化，后期通过 降低枪位给钢液升温，在碳氧化的同时铬也大量氧 化． 从表 3 中也可以看出第五炉的铬氧化速率是最 大的． 温度低不利于脱碳保铬，但并不是温度越高， 脱碳保铬效果就越好． 如第一炉实验由于吹氧时间 过长，温度也达到 1 750 ℃，但碳的质量分数氧化到 双零，铬的质量分数较低，仅为 0. 081% ，这主要是 因为当碳含量氧化到一定程度，由铬氧化来提高钢 液温度． 因此，在控制熔池温度的同时，应该控制合 适的碳含量． 通过上述脱碳保铬热力学分析和转炉热态实验 结果可知，转炉热态模拟实验冶金过程中温度起着 决定性作用． 为达到脱碳保铬的目的，在实际生产 中，铁水入炉温度要高，吹炼过程快速造渣，通过降 低枪位或增大顶吹氧气强度的方法快速升温钢液， 在达到出钢要求的碳含量时温度要控制在 1 680 ～ 1 700 ℃ ． 碳含量越低，对应的脱碳保铬临界转化温 度就越高，因此只有在碳和温度都控制在合适的范 围内，脱碳保铬才能达到最好的效果． 3 结论 ( 1) 冶炼温度和一氧化碳分压是脱碳保铬的两 个主要影响因素，冶炼温度高于脱碳保铬转化温度， 并且一氧化碳分压越低越有利于脱碳保铬． ( 2) 实验过程顶吹氧气强度为 3. 0 ～ 3. 3 m3 · min － 1 ·t － 1 ，底吹氮气强度为 0. 02 ～ 0. 05 m3 ·min － 1 · t － 1 ． 枪位采用高—低—高的操作模式，冶炼时枪位 高度控制在 75 ～ 120 mm． ( 3) 转炉热态模拟实验的冶炼温度决定脱碳保 铬的效果． 吹炼起始温度高，冶炼过程升温快，终点出 钢温度控制在1680 ～1700 ℃时脱碳保铬效果显著． 参 考 文 献 ［1］ Xiao Z M． Status of exploitation of laterite type nickel ore and application of high pressure acid leaching technology in the word． China Min Mag，2002，11( 1) : 56 ( 肖振民． 世界红土型镍矿开发和高压酸浸技术应用． 中国矿 业，2002，11( 1) : 56) ［2］ Feng Q M，Shao Y H，Ou L M，et al． Kinetics of nickel leaching from roasting-dissolving residue of spent catalyst with sulfuric acid． ·1456·
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