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    特鋼中脫Mn工藝開發與應用

    發布時間:2022-7-14 17:54:37   來源:中純特鋼 冀東威仔    瀏覽次數:3069

    工業純鐵作為一種重要的鋼鐵基礎材料,主要用于冶煉各種高溫合金、耐熱合金、精密合金、馬氏體時效鋼等航空航天、軍工和民用合金或鋼材。工業純鐵根據其用途主要分為原料純鐵、電磁純鐵和軍工純鐵三大類。其中原料純鐵是工業純鐵需求占比最高的,年需求約為15-20萬噸,主要應用于釹鐵硼和非晶合金。釹鐵硼是由釹、鐵、硼(Nd2Fe14B)形成的四方晶系晶體,在電子產品領域應用廣泛。

    用于釹鐵硼和非晶合金生產的原料純鐵,要求將C、P、S、N、O、Mn、Al、Si等元素都控制在非常低的范圍內,純度為99.6%~99.8%,純度越高,制備越困難,國內外學者對純鐵的制備方法和純鐵性能進行了大量的研究。而采用轉爐-RH-CC的工藝生產工業純鐵,Mn含量的控制是主要的技術難點,尤其冶煉高端非晶材料用工業純鐵,要求Mn≤0.02%,甚至更低。本研究旨在根據生產或實驗數據,分析討論轉爐脫錳率和渣/鋼間錳分配比的影響因素,尋求合理的工藝參數控制范圍,以實現低錳工業純鐵的生產技術。

    轉爐冶煉工藝對錳含量的影響與研究

    錳作為一種金屬元素只能通過氧化造渣的方式,從鐵水或鋼水中分離出來,脫錳方式的選擇,通常受限于現場設備、環境、脫錳所用原料的條件等。

    入爐鐵水對成品錳含量的影響

    鐵水初始錳含量對成品錳含量有較大影響。為保證成品錳含量滿足要求,需要控制初始的鐵水Mn含量。生產實踐表明,采用轉爐雙渣+RH工藝生產成品Mn≤0.02%的低錳工業純鐵,一般需要將初始的鐵水Mn含量控制在0.2%以下;而采用脫磷轉爐+脫碳轉爐雙聯轉爐工藝+RH工藝,可以使用脫磷轉爐將鐵水錳含量控制在0.1%以下,大大降低了脫碳轉爐的脫錳壓力,因此,初始的鐵水Mn含量控制在 0.30%以下,可以100%的將成品錳含量控制在0.02%以下。

    轉爐過程脫錳工藝研究與優化

    煉鋼生產過程中,鐵水Mn是制約成品Mn的難點,而轉爐是脫Mn的重要工序,雙聯轉爐工藝控制、轉爐終點C、終點溫度、終渣堿度等都會對轉爐脫錳造成影響。

    雙聯轉爐工藝即采用脫磷轉爐+脫碳轉爐的雙工藝。如圖2所示,轉爐具有脫錳的能力,雙聯轉爐工藝,可以在較高的Mn含量基礎上進一步優化脫錳效果,滿足成品Mn含量的控制要求;雙聯轉爐工藝,P的控制不滿足要求,脫磷爐脫磷效果波動,可以從廢鋼、石灰質量、轉爐大底吹流量、優化供氧制度等方面做工作;脫碳爐脫磷效果較差,后續可以考慮配加含硅料,增加渣量或者使用化渣劑提高脫磷率。因此,高端工藝純鐵采用工藝路線為DeS→DeP→BOF→LF→RH→CCM。

    轉爐終點碳-溫控制

    錳在鋼水中,會發生如下反應:[Mn]+(FeO) = (MnO) +[Fe]

    式中:[]代表鋼水中的組元;()代表爐渣中的組元, 為標準狀態時反應的吉布斯自由能變化,J/mol;T為溫度,K。

    由式得出鋼水與爐渣間的錳反應的平衡常數為:

    ——Mn的反應平衡常數;

    ——Mn在渣-鋼間的分配比;

    ——渣中Mn含量;

    ——鋼液中Mn含量;

    ——爐渣中MnO的活度系數;

    ——爐渣中FeO的活度;

    爐渣中MnO的活度;

    爐渣中Mn的活度。

    根據范特霍夫等溫變化,可得:

    式中:R——氣體常數,R=8.314 J/ (mol·K)

    由以上反應式可知,鋼水中錳氧化與溫度、爐渣的氧化性和爐渣中 有關,需要熔池有較低的溫度,爐渣有較高的氧化性,及時排除爐渣中的氧化錳。因此,在轉爐吹煉前期,熔池中溫度較低,冶煉開始后,硅、錳、磷元素迅速氧化,充分利用前期熔池溫度低的特點,加大轉爐底吹攪拌強度,采用低槍位操作改善爐內的動力學條件,快速反應起渣,實現最大程度的脫磷、去錳;隨著熔池溫度的升高,爐渣氧化性降低,脫錳效率逐漸降低,此時需要通過調整氧槍槍位和燒結礦的加入量,來控制熔池升溫速度;吹煉末期,嚴格控制終點溫度,防止鋼水增磷、錳。

    為轉爐終點溫度對轉爐脫錳率的影響研究,隨著轉爐終點溫度升高,轉爐脫錳率顯著降低。因此,在冶煉低錳工業純鐵的生產過程中,應盡可能降低轉爐出鋼溫度,達到降低轉爐終點錳和產品錳含量的目的。但溫度過低將影響精煉工序升溫周期過長,不利于生產的連續性。因此,生產過程一般控制合理的出鋼溫度為1620-1640℃左右。

    生產過程中,轉爐出鋼溫度控制為1620~1640℃,研究轉爐終點氧活度對轉爐脫錳率的影響。研究結果表明,隨著轉爐終點氧活度升高,轉爐脫錳率隨之升高。因此,生產低錳工業純鐵,應當適當提高轉爐終點氧活度,按著大于700ppm進行控制,以增大錳的分配比LMn。

    同時在轉爐出鋼的過程中,采用前擋擋渣塞,后擋滑板擋渣+擋渣標的滑板擋渣工藝,配合下渣檢測系統和鋼包強攪模式,嚴格控制轉爐下渣量,防止鋼水“回錳”現象發生。

    轉爐終渣控制

    錳氧化的動力學研究表明鋼水與爐渣的接觸面積越大時,錳的氧化速度越快。為了加快錳的氧化,必須使爐渣具有良好的流動性和發泡性。爐渣堿度過高時,會降低爐渣中二氧化硅在氣泡表面的吸附,降低爐渣的發泡性能,所以脫錳還需要有較低的爐渣堿度。但是脫磷需要較高的爐渣堿度,因此對合適的爐渣堿度進行統計分析。

    為消除轉爐終點溫度和終點氧活度對錳分配比的影響,統計轉爐終點溫度1620~1640℃、終點氧活度700±50ppm的爐次,分析轉爐終渣R對錳分配比的影響

    當轉爐終渣爐渣堿度R(%CaO/%SiO2)小于5,隨著爐渣堿度的升高,轉爐脫錳率增大,分析是因為渣量增加的原因。但爐渣堿度R超過5,隨著爐渣堿度升高,轉爐的脫錳率顯著降低,分析一方面原因是,因為爐渣堿度過高,爐渣的流動性降低,影響MnO向渣中傳遞;另一方面原因與SUITO 和INOUE類似,堿度升高,氧化錳的活度系數γMnO升高,導致錳的分配比LMn(=(%MnO)/[%Mn])減小。因此,轉爐終渣的堿度R控制在4-5比較合適。

    3 精煉工藝脫錳研究與優化

    LF精煉爐的主要任務是防止回錳、脫氧、脫硫、對鋼液進行合金化及真空脫氣。鋼包進精煉爐后,先入LF進來進行升溫。溫度升高后,進行卡渣兌包處理,杜絕LF精煉爐的回錳。為保證Mn含量的脫出,采用雙精煉法進行工業純鐵的冶煉。LF進行鋼包渣增氧操作,控制鋼包渣氧化性,RH進行進一步的深脫錳工藝。

    RH精煉渣TFe含量控制

    分析實際生產爐次Mn元素在渣-鋼間的平衡分配比與渣中TFe含量對應關系隨著RH鋼包渣中TFe含量的升高,錳的分配比LMn隨之增加。這是因為:隨著渣中TFe含量的增加,渣的氧化性增加,MnO的活度系數增加,為渣中提供了更多的氧離子,使鋼液中的Mn被氧化生成MnO進入渣中[4]。另外一方面,渣中TFe含量的增加提高了反應物 (O) 的濃度,促進了鋼渣界面Mn氧化反應進行。因此,為了降低鋼水中的錳含量,渣中的TFe含量適當提高。綜合考慮爐渣對鋼水純凈度的影響,實際生產中,爐渣TFe含量含量按著18%~20%進行控制。

    精煉渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制

    隨著RH鋼包渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)的升高,渣鋼間錳的分配比隨之降低。筆者分析認為,當爐渣的氧化性偏低時,爐渣鈣鋁比升高導致爐渣的熔點升高,影響爐渣向鋼液中傳遞氧以及鋼液中的生成MnO向渣中傳遞。

    精煉渣堿度控制

    為排除RH鋼包渣鈣鋁比和渣中TFe含量對錳分配比的影響,只統計RH鋼包渣鈣鋁比1.5~2.0、渣中TFe含量15%~18%的爐次,分析鋼包渣R對錳分配比的影響

    在堿度8.5~10.5時,隨著RH鋼包渣堿度的增加,渣與鋼水間Mn的分配比有降低的趨勢,這與Ryo INOUE[5]和Sung-Mo JUNG[6]等人的研究相一致。分析認為MnO是一個弱堿性氧化物,隨著堿度升高,MnO的活度增加,有利于鋼液中錳的回升,使得錳的分配比下降,脫錳率下降。

    生產實踐與結果

    生產低錳工業純鐵,實際鐵水含量按0.20%以下進行控制,轉爐終點溫度按著1620~1630℃進行控制,轉爐終點氧活度按著700~900ppm,轉爐終渣堿度按4-5,鋼包渣和成品成分的控制情況如下。

    序號

    TFe

    MgO

    CaO

    SiO2

    Al2O3

    CaO/Al2O3

    1

    18.7

    6.14

    39.06

    3.82

    22.12

    1.77

    2

    18.16

    5.94

    39.74

    3.83

    22.5

    1.77

    3

    18.38

    5.85

    39.59

    3.66

    20.62

    1.92

    4

    17.96

    5.81

    40.42

    3.8

    19.38

    2.09

    5

    20.38

    6.6

    38.5

    3.9

    23.3

    1.65

    6

    19.04

    7.24

    38.13

    3.83

    26.36

    1.45



    RH鋼包頂渣TFe含量控制在18~20%,鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制在1.5~2.0,可以確保渣鋼間較高錳的分配比,成品錳含量可以控制在0.020%以下。

    序號

    C

    Mn

    S

    P

    Si

    Alt

    N

    1

    0.0019

    0.020

    0.003

    0.002

    0.003

    0.002

    0.0013

    2

    0.0017

    0.018

    0.002

    0.002

    0.002

    0.006

    0.002

    3

    0.0015

    0.015

    0.003

    0.002

    0.003

    0.01

    0.0018

    4

    0.0017

    0.020

    0.002

    0.003

    0.003

    0.003

    0.0018

    5

    0.0015

    0.013

    0.003

    0.001

    0.002

    0.003

    0.0013

    6

    0.0015

    0.016

    0.003

    0.002

    0.002

    0.003

    0.0012



    通過對脫錳原理的分析,以及以實際大生產數據為基礎研究Mn 元素在鋼包渣與鋼液間的分配規律得出如下結論:

    1)采用轉爐+RH工藝生產成品Mn≤0.02%的低錳工業純鐵,一般需要將初始的鐵水Mn含量控制在0.2%以下。

    2)適當降低轉爐終點溫度、提高轉爐終點氧活度,可以提高轉爐脫錳率,轉爐終點溫度按著1620-1630℃進行控制,轉爐終點氧活度按著700-900ppm,終點爐渣堿度控制在4-5。

    3)RH結束鋼包渣中的TFe含量對Mn 的分配比有顯著影響,隨著渣中TFe含量的增加,渣鋼間錳的分配比不斷增加。為了降低鋼液中的錳含量,冶煉低錳工業純鐵應適當提高鋼包渣TFe含量。

    4)隨著RH爐渣鈣鋁比(CaO/Al2O3)的升高,錳的分配比隨之降低。鈣鋁比(CaO/Al2O3)控制在1.5-2.0較為合適。

    5)通過以上措施,可以實現錳含量≤0.020%的低錳鋼冶煉。
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