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(fù)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(chǎn)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(fù)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(zhuǎn)爐廠進行了應(yīng)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(jié)果標(biāo)明,單一使用碳化鈣作轉(zhuǎn)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(jīng)濟效益。1脫氧能力1.1單質(zhì)脫氧劑的物理和化學(xué)性質(zhì)常用脫氧劑及堿土金屬的物理性質(zhì)見表1:1.2脫氧元素主要脫氧元素的脫氧產(chǎn)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(fù)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(chǎn)物熔點較高,在煉鋼溫度下一般呈固態(tài)顆粒存在。使用復(fù)合脫氧劑時,在反應(yīng)區(qū)內(nèi)同時存在幾種脫氧產(chǎn)物,彼此相互接近,易于聚結(jié)并上浮。因此使用復(fù)合脫氧劑會導(dǎo)致脫氧常數(shù)降低,鋼中氧含量也隨之降低。1.3脫氧反應(yīng)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(zhì)脫氧劑不適合作潔凈鋼的預(yù)脫氧劑。由于鈣、鋇的原子量較大,生成的脫氧產(chǎn)物半徑較大,與其它脫氧產(chǎn)物的碰撞長大形成復(fù)合脫氧產(chǎn)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(zhuǎn)爐煉鋼出鋼時加入脫氧劑,立即發(fā)生脫氧反應(yīng),生成一次脫氧產(chǎn)物。由于脫氧反應(yīng)是放熱反應(yīng),隨著溫度下降,平衡發(fā)生移動,使脫氧反應(yīng)重新進行,生成二次脫氧產(chǎn)物。當(dāng)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(yīng),生成三次脫氧產(chǎn)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(chǎn)物形成的越少。硅脫氧平衡常數(shù)與溫度的關(guān)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(chǎn)生較多的二次和三次脫氧產(chǎn)物。根據(jù)表2化學(xué)成份,假設(shè)硅鋁鈣鋇復(fù)合脫氧劑中脫氧元素全部與氧反應(yīng)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(fù)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(xué)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(zhuǎn)爐鋼中溶解度極低,生成的脫氧產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物也不會污染鋼水。1.5脫氧反應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng),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(chǎn)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(yīng),生成產(chǎn)物以SiO2等三次脫氧產(chǎn)物。長力轉(zhuǎn)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(biāo)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(zhuǎn)爐終點情況,以碳化鈣作為單一預(yù)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(biāo)。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(jié)果及分析3.1碳化鈣脫氧試驗結(jié)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(jié)果見表3;取當(dāng)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(yù)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(dāng)。硅鋁鈣鋇脫氧有增Si的作用,根據(jù)長力轉(zhuǎn)爐實踐,在螺紋鋼生產(chǎn)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(yù)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(zhuǎn)爐不超過60×10-6的要求。自2008年3月起,轉(zhuǎn)爐廠推廣在生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)要求。3.2影響成本的因素根據(jù)表3和表4與長力轉(zhuǎn)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(yīng)用的脫氧劑本身的價格和加入量。以生產(chǎn)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(zhuǎn)爐年產(chǎn)150萬t螺紋鋼計算,可產(chǎn)生300萬元年經(jīng)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?xí)斐苫馂?zāi)事故。因此在雨季,碳化鈣運輸、倉儲問題必須特別謹(jǐn)慎對待;2)碳化鈣脫氧產(chǎn)物為CO,可加快攪拌,促進合金熔化;3)硅鋁鈣鋇脫氧產(chǎn)物主要是SiO2,會造成鋼包頂渣堿度下降,發(fā)生回磷、爐渣結(jié)塊等傾向。碳化鈣脫氧產(chǎn)物為CaO,彌補了鋼包頂