水鋼35 t轉(zhuǎn)爐用碳化硅脫氧合金化試驗(yàn)

龍 雨,胡友紅,謝 祥,楊昌濤,高長益

(首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司,貴州六盤水 553028)

水鋼35 t轉(zhuǎn)爐用碳化硅脫氧合金化試驗(yàn)

龍 雨,胡友紅,謝 祥,楊昌濤,高長益

(首鋼水城鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司,貴州六盤水 553028)

在35 t轉(zhuǎn)爐煉鋼脫氧合金化過程中采用碳化硅代替部分硅鐵及增碳劑對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧合金化,從熱力學(xué)角度分析了碳化硅在脫氧合金化過程中的反應(yīng)機(jī)理。探討了用碳化硅作脫氧劑對(duì)碳和硅的收得率、鋼種命中率、方坯質(zhì)量和鋼筋的力學(xué)性能的影響,設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案,確定了碳化硅在煉鋼脫氧合金化過程中的使用可行性。

轉(zhuǎn)爐煉鋼;脫氧合金化;碳化硅;降成本

1 引言

長期以來,水鋼煉鋼廠一直沿用復(fù)合脫氧劑、硅鐵、硅錳鐵等作為轉(zhuǎn)爐脫氧合金化的主要材料。而傳統(tǒng)硅錳合金、硅鐵、增碳劑資源日益緊張,市場價(jià)格一路攀升,增加了煉鋼成本,因此,引進(jìn)和使用新型的廉價(jià)脫氧材料尤其重要[1]。早在六十年代,國外已經(jīng)開始把金剛砂下腳料應(yīng)用于煉鋼中,而國內(nèi)鋼廠用得比較少。碳化硅顆粒作為煉鋼用脫氧劑,脫氧速度快,進(jìn)一步降低能耗,同時(shí)由于碳化硅的分解,使鋼液增[C]和增[Si],可以替代部分增碳劑和硅鐵對(duì)鋼進(jìn)行脫氧合金化,經(jīng)濟(jì)效益明顯[2]。

2 碳化硅脫氧的機(jī)理

2.1 碳化硅的理化性質(zhì)

碳化硅是一種人工合成的化合物,是以石英、焦炭為主要原料,在電阻爐中經(jīng)高溫冶煉合成的一種人造合金材料,其分子式為SiC,分子量為40.07,密度為3.20 g/cm3,升華溫度為2700℃,質(zhì)量百分組成為70%的硅和30%的碳,生產(chǎn)碳化硅的化學(xué)反應(yīng)式為:SiO2+3C=SiC+2CO↑。在碳化硅生產(chǎn)過程中,隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,爐料的高溫范圍不斷擴(kuò)大,生成碳化硅的量逐漸增大。生成的碳化硅品位高低與冶煉時(shí)間、冶煉溫度、原材料選擇及反應(yīng)材料距爐芯體的距離有關(guān)。

關(guān)于碳化硅的合金化程度,一般而言,若品位過低,則未反應(yīng)的石油焦、石英砂之類殘留物較多,一方面影響煉鋼脫氧合金化時(shí)合金元素的收得率,另一方面對(duì)鋼液的純凈度不利,因此SiC的含量至少應(yīng)在50%以上。關(guān)于使用碳化硅合金的經(jīng)濟(jì)性,根據(jù)目前碳化硅市場價(jià)格情況,理論計(jì)算了降成本效果,對(duì)于普通鋼,選用含SiC 50%的碳化硅合金(以下簡稱50#碳化硅),則經(jīng)濟(jì)性較好。

2.2 碳化硅在鋼液中反應(yīng)的熱力學(xué)

碳化硅的分解溫度至少在2300℃以上,而轉(zhuǎn)爐煉鋼出鋼溫度一般為1600～1700℃,碳化硅作為脫氧合金化材料,是否能溶解于鋼液中,會(huì)不會(huì)以夾雜物的形式殘存于鋼中,影響鋼的質(zhì)量。因此,下面就研究碳化硅在鋼液中的溶解機(jī)理。根據(jù)文獻(xiàn)[3]介紹,碳化硅、硅鐵、增碳劑的脫氧反應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)自由能△G°與溫度T的關(guān)系如下:

(2)硅鐵脫氧反應(yīng)

(3)增碳劑脫氧反應(yīng)

可得出各種脫氧劑脫氧反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由能與溫度的關(guān)系見圖1。

圖1 △G°-T關(guān)系圖

從圖1可見,碳化硅與氧的反應(yīng)在生成各種產(chǎn)物時(shí),與增碳劑、硅鐵一樣,自由能均為負(fù)值,因此在出鋼過程中具備碳化硅與氧反應(yīng)的熱力學(xué)條件,同時(shí),反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體和出鋼全過程底吹氬(氮)保證了反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件,達(dá)到碳化硅在鋼液中完全溶解的條件。

3 試驗(yàn)條件和方法

3.1 試驗(yàn)條件

(1)50#碳化硅各元素含量見表1所示。

(2)水鋼35 t轉(zhuǎn)爐冶煉的終點(diǎn)鋼水的碳含量和溫度見表2。

表1 碳化硅合金成分

表2 終點(diǎn)鋼水的碳含量和溫度

3.2 試驗(yàn)方法

碳化硅加入量75 kg/爐,在出鋼過程中見鋼水后加入,脫氧合金化順序?yàn)?SiC—Si Mn Fe—SiFe—終脫氧劑。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 各元素收得率

在試驗(yàn)期間,每爐鋼加入碳化硅75 kg,統(tǒng)計(jì)了50爐鋼的硅和碳的收得率,與未采用碳化硅脫氧(即完全采用硅鐵和增碳劑脫氧)的50爐鋼的硅和碳的收得率進(jìn)行比較。圖1是碳化硅合金與硅鐵合金的Si收得率比較,由統(tǒng)計(jì)可知,碳化硅合金的Si收得率為90.29%～95.17%,平均93.18%,而未使用碳化硅合金時(shí),硅鐵合金的Si收得率只有67.28%～71.37%,平均69.46%?？梢?碳化硅合金的Si收得率比硅鐵合金的Si收得率高23.72%。圖2是碳化硅合金與增碳劑的C收得率比較,由統(tǒng)計(jì)可知,碳化硅合金的C收得率為84.13%～89.51%,平均86.67%,而未使用碳化硅合金時(shí),增碳劑的C收得率只有55.18%～59.31%,平均57.15%?？梢?碳化硅合金的C收得率比增碳劑的C收得率高29.52%。由于碳化硅密度為3.20 g/cm3,比鋼水密度小,因此,在出鋼過程中的前期加入,有利于Si、C元素的溶解和穩(wěn)定。在使用碳化硅過程中,HRB335、HRB400鋼種的命中率穩(wěn)定在97%以上。

4.2 鑄坯質(zhì)量和鋼材力學(xué)性能

(1)鑄坯低倍組織對(duì)比

根據(jù)YB/T 4002—2013《連鑄鋼方坯低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》標(biāo)準(zhǔn),對(duì)HRB335、HRB400鋼的150 mm×150 mm連鑄方坯的酸浸低倍試樣進(jìn)行檢查評(píng)級(jí),每個(gè)鋼種分別檢查50爐未使用碳化硅和50爐使用碳化硅的鑄坯低倍試樣,皮下氣泡級(jí)別對(duì)比見表3。從表3可見,對(duì)于HRB335鋼,未使用碳化硅的鑄坯低倍皮下氣泡級(jí)別為0～0.20級(jí),平均0.10級(jí),使用碳化硅的鑄坯低倍皮下氣泡級(jí)別為0～0.15級(jí),平均0.08級(jí);對(duì)于HRB400鋼,無論是否使用碳化硅,其鑄坯低倍都沒有皮下氣泡。對(duì)于所有鋼種,未使用碳化硅與使用碳化硅的鑄坯低倍試樣,都沒有表面裂紋、中間裂紋、中心裂紋等缺陷。

圖1 碳化硅合金與硅鐵合金的Si收得率

圖2 碳化硅合金與增碳劑的C收得率

表3 鑄坯低倍皮下氣泡級(jí)別對(duì)比

(2)螺紋鋼筋力學(xué)性能對(duì)比

根據(jù)取樣檢驗(yàn)結(jié)果,使用碳化硅脫氧工藝生產(chǎn)的HRB335和HRB400鋼筋的質(zhì)量和性能都不低于原工藝生產(chǎn)的鋼筋,并符合GB 1499.2—2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋》國家標(biāo)準(zhǔn),未使用碳化硅的50爐鋼與使用碳化硅的50爐鋼的?25 mm鋼筋的力學(xué)性能對(duì)比見表4。從表4可見,對(duì)于HRB335鋼筋,未使用碳化硅時(shí),屈服強(qiáng)度ReL=380～420 MPa,平均400 MPa,抗拉強(qiáng)度Rm= 515～545 MPa,平均530 MPa,延伸率δ=28.5%～30%,平均29%,使用碳化硅時(shí),屈服強(qiáng)度ReL= 385～430 MPa,平均420 MPa,抗拉強(qiáng)度Rm=515～540 MPa,平均525 MPa,斷后伸長率A=29%～32%,平均30%;對(duì)于HRB400鋼筋,未使用碳化硅時(shí),屈服強(qiáng)度ReL=440～480 MPa,平均460 MPa,抗拉強(qiáng)度Rm=600～645 MPa,平均620 MPa,斷后伸長率A=22.5%～25%,平均24%,使用碳化硅時(shí),屈服強(qiáng)度ReL=445～490 MPa,平均465 MPa,抗拉強(qiáng)度Rm=605～645 MPa,平均620 MPa,斷后伸長率A=22%～25%,平均24%。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

每爐鋼加入碳化硅75 kg,平均節(jié)約硅鐵30 kg/爐,節(jié)約增碳劑25 kg/爐,按硅鐵單價(jià)6000元/t、增碳劑單價(jià)1450元/t、碳化硅單價(jià)2100元/t、試驗(yàn)爐次平均爐產(chǎn)量29.74 t計(jì)算,效益如下:

硅鐵平均比正常情況下少加入30 kg/爐,節(jié)約成本:

(30 kg×6元/kg)/29.74 t=6.05元/t

表4 ?25 mm鋼筋力學(xué)性能對(duì)比

增碳劑比正常情況下平均少加入25 kg/爐,節(jié)約成本:

(25 kg×1.45元/kg)/29.74 t=1.22元/t

碳化硅增加成本為:

(75 kg×2.1元/kg)/29.74 t=5.29元/t

35 t轉(zhuǎn)爐加入75 kg/爐碳化硅時(shí)的效益為:

6.05 +1.22-5.29=1.98元/t。

5 結(jié)語

(1)理論分析和實(shí)際應(yīng)用均證明轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中采用碳化硅合金對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧合金化,技術(shù)上是可行的。

(2)碳化硅合金與硅鐵合金相比,前者的Si收得率為90.29%～95.17%,平均93.18%,后者的Si收得率為67.28%～71.37%,平均69.46%,前者比后者平均高出23.72%。

(3)碳化硅合金與增碳劑相比,前者的C收得率為84.13%～89.51%,平均86.67%,后者的C收得率為55.18%～59.31%,平均57.15%,前者比后者平均高出29.52%。

(4)35 t轉(zhuǎn)爐每爐鋼使用75 kg碳化硅作為脫氧劑,每噸鋼可降低成本1.98元,并能保證鑄坯質(zhì)量及鋼材力學(xué)性能。

[1] 李永剛,趙紅亮,黃道昌,等.轉(zhuǎn)爐應(yīng)用碳化硅合金化的生產(chǎn)實(shí)踐[J].煉鋼,2006,24(6):8-11.

[2] 張朝暉,巨建濤,李小明.轉(zhuǎn)爐碳化硅脫氧試驗(yàn)研究[J].四川冶金,2001(1):13-14.

[3] 耿志軍.碳化硅脫氧的特性及效果分析[J].甘肅冶金, 1995(3):13-18.

Experiment of Deoxidization and Alloying Process with SiC in 35 t Converter Steelmaking in Shuigang

LONG Yu,HU Youhong,XIE Xiang,YANG Changtao,GAO Changyi

(Shougang Shuicheng Iron&Steel(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui 553028,Guizhou,China)

During deoxidization and alloying process in 35 t converter steelmaking,we experimentally used SiC to substitute a part of ferrosilicon and carburant for deoxidization and alloying of liquid steel,analyzed reaction mechanism of SiC during deoxidization and alloying according to thermodynamics,studied effects of SiC on recovery rate of C and Si,hitting rate of steel grades,quality of billet and mechanical properties of steel bar,designed experimental plans,and confirmed feasibility to use SiC for deoxidization and alloying in steelmaking.

converter steelmaking,deoxidization and alloying,SiC,reducing cost

TF704.1

A

1001-5108(2017)02-0011-03

龍雨,高級(jí)工程師,主要從事鋼鐵冶金及鋼鐵企業(yè)管理工作。