以技术创新推动低碳铁合金发展
	——低碳经济环境下发展铁合金炉外吹炼工艺的探讨

2010-10-25

　　传统的铁合金生产工艺大多为高炉法、电炉法、铝热法和水冶法等。无论采用上述哪种工艺生产锰系、铬系、硅系、镍系铁合金，均需消耗大量的电能和焦炭。目前，我国电力行业80%以上的电量由火力发电完成，这就需要消耗大量的煤炭。从低碳经济角度出发，多消耗电能就意味着多排放二氧化碳。为更好地实现节能减排目标，铁合金生产也必须走低碳发展之路。

　　传统的中低碳铬铁生产方法，其主要步骤为先生产碳含量大于8%的高碳铬铁合金，再以其为原料生产硅铬合金，最后以硅铬合金为原料生产低碳铬铁合金，由此可获得碳含量达到2%-0.25%的中低碳铬铁合金。不过，这一生产工艺存在工序长、耗电多等缺点。因此，探讨以氧代电采用炉外氢氧吹炼中低碳铬铁合金的生产方法十分必要。

　　AOD炉结构原理

　　以氧代电采用炉外氢氧吹炼中低碳铬铁合金主要使用AOD炉，该型炉由炉体、倾动系统、顶枪、底枪、供气系统、电控系统、排烟系统、冷却系统等组成，如图1。

　　炉体为冶炼反应的空间，顶枪为单孔和多孔拉瓦尔结构，可供单一气体，也可供混合气体。在AOD吹炼生产时，底枪安装在炉衬耐火砖的孔中，固定于炉体侧壁之上，并通过软管与供气管道连接，用于将所需的气体吹入钢水中。AOD底枪由两个特殊设计的同心管组成，并带有必要的连接法兰和密封件。除氧气外，氮气和氢气通过中心管吹入，风枪罩环用于吹入氮气、氢气冷却。

　　吹炼入炉原料条件

　　在中低碳铬铁生产过程中，上一道工序生产的高碳铬铁合金液体经扒渣后兑入AOD炉内，经吹氧降碳得到中低碳精炼合金产品。

　　生产工艺流程及原理

　　中低碳铬铁合金炉外吹炼采用的设备为顶底复合吹炼AOD炉。顶枪以供氧为主，底枪供氧和惰性混合气体。在实际冶炼过程中，上道工序生产的符合标准的高碳铬铁合金液体，经过扒渣后兑入倾斜的AOD炉内，此时底枪保持一定的供气压力，防止堵枪，完成热兑后摇直炉体，下顶枪、顶枪、底枪送氧快速吹炼脱碳。在反应开始后，向炉中加入适量的白灰和铬矿进行造渣，并将炉渣碱度控制在1.5-1.7，使其保持活跃状态，同时将反应温度控制在1700℃-1800℃，保证合理的反应速度。当碳脱至临界点时，顶枪停止供氧气，转为供氮气，底枪转为复合气体继续吹炼。当碳降至所要求的数值时，加入适量的硅铁对渣中的三氧化二铬进行还原，待硅铁融化反应后，摇转炉体，将终炼后的合金和炉渣倒出完成冶炼。其冶炼反应机理是：在高温液态条件下，顶、底枪吹入炉内合金液体中的氧与碳、硅、铝、铬和铁等发生氧化反应，释放热量，形成液态和固态氧化物，同时炉渣内的金属氧化物又与合金液体内的碳、碳的氧化物发生还原反应，吸收热量。

　　上述反应过程较为复杂，既存在放热反应又存在吸热反应，只有将反应温度控制在合理水平，才能实现快速脱碳，保证反应稳定进行。

　　保证主元素回收率的措施

　　在上述反应过程中，根据各元素的反应活性，在反应初期的2-3分钟内，O2的主要反应是氧化Si和Al，然后氧化Cr、Fe和C。在常压条件下，Cr和C比较容易被氧化，这不利于反应进行，特别是在高碳铬铁Cr含量大于60%、C含量在7.5%-9.5%的条件下，对于冶炼中低碳铬铁更为不利。但在真空条件下，气相中的CO分压降低，增强了碳氧反应能力，而对铬的氧化反应影响较小，这使得降碳更为容易，而铬基本不被氧化，实现脱碳保铬。

　　控制反应温度

　　当吹炼脱碳至C＜1.0%时，即应开始注意抑制Cr的氧化。这时，伴随脱碳过程的进行，反应温度开始快速上升，应注意严格控制过高的温度（要求小于等于1800℃），这是因为虽然高温有利于脱碳反应，但同时将造成Cr急剧氧化烧损，见图2。

　　反应温度过高时，碳氧反应剧烈，大量的CO气体会迅速溢出，造成激烈的喷溅，不利于安全生产，还会造成较大的损失。另外，控制反应温度还要防止炉衬耐材受到侵蚀。

　　从图2可见，当温度高于约2100K时，曲线变陡，Cr烧损迅速增加，因此，在吹炼过程中必须合理控制反应温度。

　　降低分压，增加动力学条件

　　为在低碳范围内抑制Cr氧化，通常采用的方法是，增加稀释气体即加大底枪氢氧混合气体中氢气的比例，并加强熔体的搅拌能力。由于底吹风口数的限制，要大量增加稀释气体和增强搅拌能力，存在一定的难度。一般做法是在吹炼最后阶段，顶枪停止吹氧，改吹惰性气体，底枪吹氧氢混合气体，从而对精炼容器中的渣和金属进行充分搅拌，所生成的氧化物或渣卷入铁水中，渣中的Cr2O3被铁水中的碳和碳氧化物还原，有利于抑制Cr氧化烧损，同时抑制铁水温度上升。在低碳范围内Cr氧化与顶吹氮的搅拌能力关系如图3所示。

　　由图3可见，在不采用后期顶吹N2工艺的情况下，随着脱碳反应的进行，第一阶段Cr氧化损失最大（dCr/dC=17-25），采用后期顶吹N2后，Cr氧化损失减小（dCr/dC=15）。第二阶段增加吹入的N2量，即将搅拌能力从310W/t增加到520W/t时，dCr/dC=10。第三阶段枪位降低，进行硬吹，搅拌能力增强到680W/t时，dCr/dC=17-25。由此可见，N2量的增加使得气相中的CO分压相对降低，同时，搅拌能力的增强大大增加了渣铁界面的反应面积，从而有利于脱碳反应的加速进行。上述最后阶段顶枪吹惰性气体，能够抑制低碳范围内Cr的氧化，但在低碳范围（小于等于0.2%）内，若吹炼时间过长，氧的脱碳效率则会降低，Cr的氧化将急剧增加，如图4所示。

　　为适应国防、科技发展的要求，精品钢、特殊钢的科技研发步伐必须加快。铁合金产品要跟上钢铁工业的发展步伐，生产出满足精品钢需求的精品铁合金，冶炼工艺也必须进步升级。AOD冶炼法不仅可以生产中低碳铬铁合金，还可以生产中低碳锰铁合金、高镍铁合金以及超低杂质的低铝、低硅等合金产品和低氮、低氧等低气体合金产品。这些低杂质、低气体铁合金产品是精品钢发展不可缺少的物质条件。

　　现阶段我国铁合金行业发展炉外吹炼技术、以氧代电，符合节能减排要求，只有技术创新才能闯出低碳新型铁合金发展之路。不过，目前AOD法冶炼铁合金生产技术还处在初期试验阶段，工艺还需要进一步优化，目前设备规模较小（3吨-5吨），智能控制、在线检测技术还在研发过程中。在不远的将来，炉外吹炼技术必将向大型化、智能化发展，为钢铁工业提供更多更好的符合低碳经济发展的精品铁合金产品。

作者：曹志强 来源：《中国冶金报》2010年10月21日