提高不锈钢电炉冶炼中铬元素收得率的试验研究★

2018-05-24马骏鹏陈景锋

山西冶金 2018年2期

马骏鹏，陈景锋

（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西太原 030003）

21世纪以来，我国不锈钢工业进入高速发展时期，不锈钢产量快速增长。然而，我国的铬矿储量较为贫乏，国内钢铁企业的铬原料大部分依赖于进口，对外依存度超过80%以上[1]。目前，不锈钢冶炼多采用电炉—AOD工艺进行冶炼，电炉的作用是为AOD工序提供初炼预溶液，即将含有Cr、Ni的废钢、生铁或其他物料熔化后提供给AOD炉进一步脱C冶炼。作为熔化不锈钢废钢的电炉工序，为了提高生产效率并节约电能，往往在电极熔化废钢的同时吹入氧气，达到升温助熔的目的。但是，吹氧过程不可避免地使得钢中铬元素严重氧化，使得电炉出钢后铬元素的收得率显著降低[2]，增加不锈钢的生产成本。所以，提高电炉冶炼不锈钢过程中铬元素的收得率，是节约铬资源的需要，也是钢铁企业降本增效的主要途径，已成为冶金工作者在生产实践中关注的重要课题。

1 电炉中铬损失的因素与控制方法

不锈钢中的铬元素在冶炼过程中与钢水中的溶解氧、气氛中的氧气和钢渣中的氧化物会发生氧化反应。当电炉中炉料开始熔化时，铬元素的氧化随之开始，尤其在吹氧助熔过程中氧化反应更加强烈，这是电炉中钢水铬损失最主要的途径，且一直持续到出钢。不锈钢的配料通常有废钢（碳钢、合金钢和不锈钢）和铁合金（Fe-Cr、Fe-Cr、Fe-Mn和 Ni等）组成。同时，原料中也不可避免地存在不同数量和类型的氧化物，特别是修磨产生的金属屑末。这些氧化物在熔化后均会与钢水中的Cr发生反应。炉料熔化过程中，还原剂会加入到电炉中回收以氧化铬形式存在于渣中的Cr，还原剂熔池由Fe-Si、Al和造渣剂比如石灰等组成。炉料完全熔化后，把钢水倒入AOD中。在电炉出钢的过程中，钢水吸氧，还会有0.27%～0.33%的铬损失[3-6]。

因此，如果要减少Cr的损失，主要应关注如何减少铬的氧化与如何做好铬的氧化物还原工作。关于炉料，虽然知道应减少氧化物原料的加入量，但由于废钢市场价格的影响，炉料设计最终是由成本决定的，故无法避免金属屑末等氧化物的使用。关于吹氧温度，高温吹氧有利于脱碳保铬，但由于电炉吹氧主要是为了利用钢水氧化放热而助熔，所以需在钢水局部熔化即开始吹氧，钢水中铬的氧化无法避免。综上所述，电炉中的铬损失只能通过钢水、钢渣的成分以及钢渣碱度的调整来控制。

2 试验方法与设备

本文试验均以电炉冶炼304不锈钢预熔液为例，研究上一年度实际生产的100余炉钢水中Si含量和钢渣碱度对钢水出钢后铬收得率的影响，从而可优化参数，指导生产实践。电炉关键设备参数见下页表1，出钢化学成分见下页表2。

3 试验结果与讨论

3.1 Si含量对钢水铬回收率的影响

在炼钢过程中，脱氧剂通常使用锰、硅和铝。由于锰的氧化、还原反应的热力学性质与铬很相近，二者与氧结合的能力相当，所以在富铬钢渣中，锰难以起到还原剂的作用，主要是用硅和铝作为还原剂。从经济上考虑，由于硅和铝的成本相差很大，且1 kg的75%硅铁和1 kg铝还原出的铬相当，因此还原剂选用硅铁更为经济。还原反应如式1所示，可见提高钢液中的Si含量，可以促进还原反应的进行。

表1 电炉关键设备参数

表2 出钢化学成分 %

在上一年度实际生产的100余炉中选取钢渣碱度在1.3～1.4范围内的数据，共22炉，以钢水Si含量为横坐标，以钢水Cr收得率为纵坐标，绘于图1，图中直线为22炉数据以最小二乘法拟合得到。由图1可见，随着钢水中Si含量的提高，Cr的收得率有逐渐升高的趋势。当钢水中w（Si）＜2.1%时，数据中出现了很多Cr收得率低于90%的情况，而当钢水中w（Si）＞2.1%时，钢水Cr收得率基本均在95%以上，得到了很好的还原效果。

3.2 钢渣碱度对钢水铬回收率的影响

关于电炉中钢渣碱度的选择，有文献[7]认为电炉钢渣碱度升高会使渣中氧化铬含量降低，即对铬的回收有利。当电炉钢渣碱度在1.1～1.6之间时，对应的钢渣中氧化铬含量最低。当电炉钢渣的碱度大于1.8时，钢渣黏度显著增加，阻碍了钢渣中氧化铬的还原反应，导致铬的收得率回落。从本厂上一年度实际生产的100余炉中选取钢水Si的质量分数在1.9%～2.1%范围内的数据，共25炉，以钢渣碱度为横坐标，以钢水Cr收得率为纵坐标，绘于图2，图中直线为25炉数据以最小二乘法拟合得到。由图2可见，在本厂实际生产过程中，在碱度高于1.4后，Cr收得率出现明显增加，普遍达到95%以上，已达到较为满意的还原效果。

图1 钢水中Si含量对Cr收得率的影响

图2 钢渣碱度对Cr收得率的影响

3.3 生产实践

前两节分别考虑了电炉钢水中Si含量和电炉钢渣碱度对于铬收得率的影响，得到的较优参数为钢水w（Si）＞2.1%，钢渣碱度高于1.4。但在实际生产中，钢水中Si含量和钢渣的碱度并不能一味地提高。这是由于随着钢渣碱度的升高，钢渣黏度增加，液渣界面减少，铬的还原反应条件被限制，表现为随着钢渣碱度的继续升高，铬的还原反应趋于某一极限值。而对于钢水中的Si含量，也不能一味地提高。钢渣的碱度是 w（CaO）和 w（SiO2）的比值，当 Si含量升高时，为保证合适的钢渣碱度，CaO的加入量也相应增加，这便导致了电炉中渣量的增加，以及冶炼辅料、电耗成本的增加。基于此，本年度生产实践选用了电炉钢水w（Si）范围2.1%～2.3%，电炉钢渣碱度范围1.4～1.6的生产工艺。生产工艺改进前、后的Cr收得率统计数据如图3所示。由图3中可见，生产工艺改进后，Cr收得率平均值由之前的94.1%上升至95.4%。