黃 飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司 冶鑄分廠 上海 200245

1 課題背景

應(yīng)用不銹鋼返回吹氧法時，爐料采用本鋼種返回料，依據(jù)碳和氧的親和力在一定溫度條件下比鉻和氧的親和力大的理論，當(dāng)鋼液升高到一定溫度后，對鋼液進(jìn)行吹氧，強(qiáng)化冶煉過程，在脫碳、去氣、去夾雜物的同時，又可回收大量合金元素。不銹鋼返回吹氧法的首要任務(wù)是在較高的鉻含量下使鋼液脫碳，不銹鋼脫碳將不可避免地涉及鋼液中碳和鉻的競爭氧化問題，這也是其與普通鋼液脫碳的區(qū)別所在[1]。

上重冶鑄利用GX12CrMoWVNbN10-1-1[2-3](簡稱GX12，主要合金含量規(guī)范見表1)生產(chǎn)超超臨界中高壓汽缸的數(shù)量日益增多，由于GX12中含有大量的鉻，以及鎢、鎳和鉬等金屬元素，加之鑄件在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生30%～40%的返回料，因此必須采用返回吹氧法來消化吸收這些廢料。2015年，上重冶鑄采用返回吹氧法冶煉近1000t GX12，為了不使鋼液中的磷等微量元素超標(biāo)，采用一爐返回吹氧、一爐氧化進(jìn)行拼澆的方法。返回吹氧法的目標(biāo)一般為碳含量在0.09%左右，而配入的碳含量一般為0.15%～0.20%，如何合理地在大噸位電爐上協(xié)調(diào)降碳與保鉻的矛盾，提高鉻的收得率，降低昂貴的微碳鉻鐵消耗，進(jìn)而降低噸鋼成本，在當(dāng)前重機(jī)行業(yè)整體形勢不佳的情況下，顯得尤為重要。由表2可以看到，使用返回吹氧法，鉻的收得率穩(wěn)定在70%以上，基本達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。筆者從熱力學(xué)角度出發(fā)，結(jié)合實際，重點分析溫度及其它因素對GX12返回吹氧法生產(chǎn)的影響，從而提出進(jìn)一步提高鉻收得率可采取的措施。

表1 GX12主要成分含量規(guī)范

表2 上重冶鑄返回吹氧法鉻的收得率情況

2 返回吹氧法的理論基礎(chǔ)

冶金學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，鋼液中鉻含量>9%時，鋼液脫碳的反應(yīng)式如下[4]：

4[C]+(Cr3O4)=3[Cr]+4[CO](g)

(1)

式中[]代表鋼液中組元，()代表爐渣中組元，g代表氣態(tài)。

ΔG°=934706-617.22T

(2)

式中： ΔG°為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時反應(yīng)的吉布斯自由能變化，J/mol；T為熱力學(xué)溫度，K。

由范托夫等溫公式[5]可知，上述反應(yīng)的非標(biāo)狀態(tài)吉布斯自由能函數(shù)為[6-7]：

=934706-617.22T+19.147lg

(3)

由于渣中(Cr3O4)趨于飽和，所以aCr3O4=1，代入數(shù)據(jù)可得[4]：

ΔGr= 934706-617.22T+19.147T[3lgWCr+

4lg(PCO/P°)-4lgWC+0.095WCr-

0.92WC-0.047WNi]

(4)

由式(4)可以看到，為了達(dá)到降碳保鉻的目的，可以采用兩種方法： 一種是降低熔池[CO]的分壓，如常見的氬氧脫碳法、真空吹氧脫碳法[8]；另一種是利用溫度效應(yīng)，通過向熔池中高強(qiáng)度吹氧，進(jìn)而氧化硅、錳、鋁等元素產(chǎn)生化學(xué)熱來快速提高熔煉溫度，如圖1所示。

圖1 氣態(tài)氧氧化元素0.10%所產(chǎn)生的溫升

3 溫度對降碳保鉻的影響

在電爐中，由于冶煉在開放空間下進(jìn)行，因此可以認(rèn)為PCO/P°=1，式(4)簡化為：

ΔGr= 934706-617.22T+19.147T(3lgWCr-4lgWC+

0.095WCr-0.92WC-0.047WNi)

(5)

由式(5)可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，[Ni]的影響因數(shù)為0.047，相對較小。一般在工業(yè)計算時，當(dāng)[Ni]含量<1%時，可以忽略。進(jìn)一步通過研究試驗證明，在一定溫度下，鋼液中鉻和碳的比值呈線性關(guān)系，常用Hilty提出的公式[9]：

(6)

GX12中[Ni]含量為0.60%～0.80%，適用式(6)。由式(6)可以看出，溫度對返回吹氧法的影響主要有三個方面，進(jìn)而有以下三個結(jié)論： ① 保證一定的開吹溫度，可以保證前期鋼液中的鉻不被氧化；② 在中期保證鋼液的升溫速率；③ 吹氧終點的溫度必須在耐火材料能承受的范圍內(nèi)盡量提高，以提高終點鉻的平衡值。上重冶鑄返回吹氧法就是將式(6)用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)，獲得了較為理想的脫碳保鉻效果。

3.1 開吹溫度的選擇

根據(jù)式(6)可計算在一定開吹溫度、配碳量與配鉻量下的平衡溫度，見表3。一般情況下，在爐料熔化率≥60%時，電爐開始吹氧的溫度為1570℃。若返回吹氧法采取常規(guī)操作，會引起鉻大量燒損?？紤]到需要割料等操作，上重冶鑄采用爐料熔化率≥60%且溫度≥1600℃時開始吹氧[10]，這也是為了保證中期升溫速率，防止因過早吹氧而導(dǎo)致冶煉中期升溫速率不足，造成鉻大量燒損。需要指出的是，在返回吹氧法熔化期，由于料的塊度較大，容易搭料，在爐料熔化率≥40%時，要進(jìn)行壓料操作，防止由于塌料而引起電極斷裂。

表3 不同碳鉻含量下的平衡溫度 ℃

3.2 升溫速率的影響

升溫速率的控制是降碳保鉻的核心，由式(6)可知，隨著鋼液溫度的升高，WCr/WC急劇增大[11-12]。要控制好爐內(nèi)鋼液的升溫速率，如果熔池的升溫速率不足，與脫碳速率不匹配，則必然使鉻燒損，不僅造成浪費，而且惡化脫碳環(huán)境，使脫碳變得困難。要保證一定的升溫速率，可以通過兩種途徑實現(xiàn)。一是利用電能，將電弧的電能轉(zhuǎn)化為熱能，但是由于返回吹氧法的特殊性，鋼液中的鉻含量極高，在吹氧過程中鉻會不可避免地被氧化進(jìn)入爐渣，因此返回吹氧法的爐渣流動性極差，不易形成平時冶煉時的泡沫渣，如果采用電能作為主要熱能來源，不僅電能利用率低，而且爐渣不能充分埋弧而使電弧反射到爐墻上，縮短電爐使用壽命。二是利用化學(xué)熱，通過鋼液中的合金元素與氧反應(yīng)，放出大量化學(xué)熱，使熔池迅速升溫來滿足脫碳所需要的升溫速率。上重冶鑄目前采取在配料時加入一定量硅鐵的方法。

3.3 吹煉終點溫度的影響

根據(jù)式(6)的計算可知，吹氧終點溫度與鋼液中的平衡鉻含量成正比，實際的冶煉結(jié)果也證明了這點。吹煉終點溫度高時，鉻的收得率就高；吹煉終點溫度低時，鉻的收得率就低；前后相差達(dá)15%以上。由于受到所用耐火材料的限制，最高吹煉溫度應(yīng)≤1760℃，所以吹煉終點的溫度一般< 1730℃，這是今后上重冶鑄需要改進(jìn)的方向。

4 熔清時鋼液中硅含量的控制

如前所述，脫碳時熔池需要大量的熱能，用電能作為主要熱能來源并不理想，應(yīng)選用化學(xué)熱作為熱能的主要來源。

由圖1可知，硅和鋁的氧化能產(chǎn)生大量熱，每被氧化0.1%，可使熔池升溫近30K。選擇硅鐵作為化學(xué)熱來源，一是因為硅鐵比較便宜，效果與鋁鐵基本相當(dāng)；二是因為硅和氧反應(yīng)時放出的化學(xué)熱大于鉻和氧氧化時所釋放的熱量，有利于熔池的升溫，而熔池溫度的升高有利于脫碳；三是因為硅與氧的親和力要大于鉻和氧的親和力，能在一定程度上保護(hù)鉻不被氧化，減少鉻燒損。由于開吹溫度在1600℃以上，所以理論上配入0.40%可使熔池迅速升溫至1700℃以上，硅含量過高則會降低爐渣堿度，影響冶煉。在實際工作中，由于熔化期燒損等因素影響，配入0.4%的硅到熔清分析時含量一般只有0.10%～0.15%，不能向熔池提供足夠的化學(xué)熱用于保證熔池的升溫速率。經(jīng)過多次試驗，目前在裝料時配入0.8%的硅，熔清時硅含量穩(wěn)定在0.35%～0.40%，獲得了滿意的效果。

5 吹氧壓力的選擇

在剛開始吹氧時，由于割料工序的需要，氧氣壓力一般不大于0.6MPa，同時可防止因為氧氣壓力過大而造成鋼液四濺引發(fā)生產(chǎn)事故。當(dāng)形成一定量的熔池后，開始吹氧脫碳，應(yīng)保證氧氣壓力≥1.0MPa。目前采用的氧氣壓力為1.0～1.1MPa，這是因為大量試驗證明，碳鉻反應(yīng)時向鋼液中吹氧，當(dāng)[C]含量≥0.10%時，脫碳速度表達(dá)式為零級反應(yīng)，即dWC/dt=A,A為常數(shù)，可見脫碳速度與碳含量無關(guān)，僅取決于供氧強(qiáng)度。選擇1.0MPa壓力已可滿足要求，繼續(xù)增大氧氣壓力，脫碳速度提高不明顯，且工人操作時會因為氧槍后座力過大而難以控制。氧氣壓力與脫碳速度的關(guān)系如表4所示。

表4 氧氣壓力與脫碳速度的關(guān)系

6 冶煉過程中的渣況

如前所述，應(yīng)用返回吹氧法時爐渣的流動性極差，會影響冶煉操作。為了改善爐渣的流動性，在冶煉過程中視渣況邊吹氧邊加入塊度小于50mm的硅鐵，同時加入少量硅鐵粉，效果良好。

7 工藝存在的不足

(1) 由表2可以看到，化清鉻含量的波動很大，偏差達(dá)40%以上，這可能是吹氧時爐料熔化不足，或者配入碳含量偏低，造成初期鋼液中的鉻被大量氧化。

(2) 放鋼溫度偏低，造成鉻的平衡值偏低，如果能改善這一點，鉻的絕對收得率會進(jìn)一步提高。

(3) 取樣次數(shù)偏多，造成停吹頻繁，影響熔池的升溫速率,存在二次返吹現(xiàn)象。

8 今后改進(jìn)的方向

(1) 在冶煉操作時，減少取樣分析次數(shù)，達(dá)到目標(biāo)溫度再進(jìn)行取樣分析，具體溫度可由表3確定，防止因取樣停吹造成升溫速率與脫碳所需要溫度不匹配，造成鉻大量燒損。

(2) 改進(jìn)工藝，規(guī)定爐料熔化率≥80%開始吹氧，提高初始配入碳含量至0.25%，降低吹氧初期碳鉻平衡溫度，提高熔清鉻含量。

(3) 提高耐火材料的性能，并提高吹氧終點溫度，使出鋼溫度達(dá)到1750℃左右，減少因平衡溫度低而造成的鉻燒損。

9 結(jié)論

應(yīng)用返回吹氧法冶煉GX12GrMoWVNbN10-1-1，要使鉻收得率達(dá)到滿意水平，溫度的控制是核心，在實際生產(chǎn)中采取以下措施，以保證溫度符合脫碳的需要。

(1) 在配料時配入0.80%的硅鐵，熔清樣以硅含量0.40%為宜，保證冶煉中期熔池升溫所需要的熱量，滿足脫碳所需要的升溫速率，配碳量為 0.15%～0.20%。

(2) 嚴(yán)格執(zhí)行開吹溫度控制制度，目前工藝條件為溫度≥1600℃且熔料率≥60%才能開始吹氧，如果因客觀條件改變需提前吹氧，則需要適當(dāng)提高碳的配入量。

(3) 在吹氧過程中氧氣壓力≥1.0MPa，并適時加入小塊度硅鐵和硅鐵粉，使?fàn)t渣保持一定的流動性。

(4) 吹煉終點溫度控制適當(dāng)，以1750℃為宜，吹煉過程中減少取樣次數(shù)，達(dá)到目標(biāo)碳含量即可出鋼，禁止進(jìn)行二次返吹，終點碳含量控制在0.09%左右，不可過低。

上重冶鑄通過采取以上措施，使鉻的收得率穩(wěn)定在70%以上，今后，技術(shù)人員將針對操作中存在的不足，依據(jù)理論繼續(xù)改進(jìn)工藝，以進(jìn)一步提高鉻的收得率。

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