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      電弧爐冶煉終點碳的控制

      來源 : 濰坊峻林冶金 作者 : admin 發表時間 : 2018-10-05 瀏覽 : 59

      1 前言
        現代電弧爐冶煉鋼流程EAF-LF/VD-CC的技術核心是縮短電弧爐的冶煉周期,使之與連鑄節奏相適應?,F代電弧爐冶煉技術都是圍繞解決這個問題而發展起來的[1]。為縮短冶煉周期,現代電弧爐廣泛采用碳氧槍、二次燃燒、底風口和氧燃燒嘴技術,供氧強度大大提高,通??蛇_噸鋼用氧30 m3左右,有的甚至超過40 m3[2],接近轉爐用氧量。與之相應的是配碳量提高,例如冶煉低碳鋼時,可通過配加生鐵或鐵水將碳配至1.8%。爐料熔清后,在氧化條件下偏心底出鋼,操作與轉爐冶煉類似。為了保證熔池不過氧化劑不同鋼種合適的出鋼碳含量,與轉爐操作類似電弧爐終點碳的控制就顯得極為重要。


      2 電弧爐冶煉過程中熔池[C]—[O]關系
      2.1  電弧爐冶煉過程熔池[C]—[O]的選擇氧化
        熔池的碳含量終點控制本質上是一個選擇氧化問題,需要解決:①能夠用碳含量來控制熔池中鐵的過氧化;②如何通過控制熔池的過氧化來降低鐵損,避免噴濺的發生,保證工藝的順行。選擇氧化是冶金熱力學研究的哦重點之一,主要包括連個方面,一是在溫度上,何種物質優先氧化;二是在一定溫度條件下,氧化反應的平衡濃度問題,即在平衡濃度以上,何種物質優先氧化。實踐中廣泛應用的計算不銹鋼冶煉過程中C—Cr 的選擇氧化和轉爐冶煉過程中Si—C的選擇氧化都是其實際應用。但是,Fe—C的選擇氧化有其特殊性,因為鐵是溶劑元素,在冶煉的后期占熔池重量的98%以上,而碳是溶質元素,在熔煉后期不會超過1%,因此,首先應該從碳的氧化機理上加以探討。

        在吹氧熔煉過程中碳的氧化以間接氧化的方式為主,這是因為:首先,氧流集中于作用區域附近而不是高度分散于熔池,其次氧流的沖擊能夠形成局部高溫區,是Si、Mn、S等的反應活性降低,有利于碳的氧化;另外從反應動力學的角度來看,碳向氧氣泡表面傳質的速率比氧化反應的速率要慢,而熔池中大量存在的鐵元素。碳的氧化過程可簡要表達如下。
       ?。?/span>1)氧氣同鋼液面接觸反應
                {O2}
      2Oa
              Oa
      [Fe](FeO)s
        式中:Oa——鋼液面吸附的氧
               (FeO)s——
      鋼液表面的氧化鐵
       ?。?/span>2)氧化亞鐵部分溶于鐵液,部分進入爐渣
          (FeO)s
      [O][Fe]
       ?。?/span>3)進入鋼液的溶解氧與鋼液中的碳發生反應產生CO氣泡溢出
             [O]
      [C]{CO}
        綜上所述,鋼液中碳的氧化可用下述化學反應方程式表示[3,4]
              FeO
      [Fe][O]
      Go1121 00052.38T J/mol     1
             [O]
      [C]{CO}
       
      Go2=-22 00038.34TJ/mol    2
      由兩式疊加可得到鋼液中碳氧化的反應方程式:
          FeO
      [O][Fe]{CO}
       
      Go399 00090.72 TJ/mol       3
       lg
      ()=-+4.736    4
      式中ac——以碳的質量百分數表示濃度時,以Fe—C系無限稀溶液為基準的活度;
          aFeO——
      爐渣中FeO的活度。
         ac
      [C]fc             5
           fc
      C的活度系數。
        由于氧在鋼液和爐渣之間存在平衡分配比Lo[O]/aFeO);在爐渣成分和溫度一定的情況下,分配比Lo一定,則式(4)可改寫為:
      lg[O]
      =-+4.736lg[C]lgfclgLo                6
      [O]
      [C]是鋼液中的氧含量和碳含量;式(6)說明鋼液中的C—Fe之間的選擇氧化與鋼液中的氧含量、碳含量以及鋼液溫度、渣爐的成分有關。這就說明可以根據熔池中的碳含量與熔池中溶解氧含量的平衡來控制鐵損。

      2.2  電弧爐煉鋼過程中熔池[C]—[O]的關系
        從30年代開始,很多人通過實驗室測定、熱力學計算、實際生產數據的分析對Fe—C—O系的平衡進行了研究。根據研究CO—CO2混合氣體同鐵液中碳和氧的平衡結果,測得了下列反應的平衡常數及標準自由能變化與溫度的關系式[3]
      [O]
      {CO}{CO2}
      Go4=-166 90091.13T      7
         [C]
      {CO2}2{CO}
      Go5144 700129.5T       8
        根據式(7)與(8)疊加可得到鋼液中碳氧反應的平衡常數及標準自由能變化與溫度的關系式:
           [C]
      [O]{CO}
       △Go6=-22 00038.34T   9
        在Fe—C—O系整個濃度范圍內近視的[C][O]關系實驗式如下: 
      lg[O]
      =--2.0030.16[C]lg[C]lg pco          10
      2.3  溫度對[C][Fe]選擇氧化的影響
        在電弧爐熔煉的初期,熔池溫度較低,氣體氧與鐵液反應生成的FeO在低溫下溶解度不高,大量的FeO沒有溶解在鐵液中,而聚集起來與氧氣進一步反應氧化生成Fe3O4,產生大量的褐煙。在精煉期的溫度條件下,鋼液溫度較高(1 5801 650),而[C][O]{CO}是一個微弱的放熱反應(△Ho=-22 000 J/mol,反應的平衡常數隨溫度的變化不大。而同鐵液平衡的氧化鐵的分解壓非常低(<10-9 MPa,使熔池和氧化性氣氛接觸時表面上迅速形成FeO膜,因此在熔池中鐵的氧化程度主要可由熔池中溶解氧的濃度決定,溫度的影響不大,根據式(10)并認為電弧爐冶煉過程中pco1.01×105 Pa計算,結果如圖1所示。


      3 試驗結果及討論
      3.1  生產條件下[C]—[O]關系曲線
        在珠江鋼廠150 t及大冶特殊鋼股份有限公司四煉鋼廠60 t超高功率電弧爐內進行試驗,以確定生產條件下冶煉過程熔池[C]—[O]關系,結果如圖2所示,其溫度在1 6001 660之間。[C]、[O]關系為[O]0.0032[C]-0.9441。對比圖1與圖2,計算的[C]—[O]關系曲線與實測關系曲線變化規律一致,但實際的氧高于文獻[4]的結果,說明熔池中存在過剩的溶解氧。

       溫度對[C]—[O]關系的影響
      Fig.1  Effect of liquid steel temperature on relation between [C]and [O]

       實測[C]—[O]關系
      Fig.2  Measurement relation between [C]and [O]

      3.2  [C]—[Fe]選擇氧化平衡點
      [Fe]—[O]
      (FeO)     11
        根據式(4),以及反應可以計算出電弧爐冶煉過程中1 600鋼液中C—Fe的選擇氧化平衡點為[C]0.035%,計算時容差的成分見表1,根據旋轉坩堝內氧化鐵與鐵液的平衡試驗,渣中的aFeO0.3,此時熔池中的溶解氧為750×10-6.該計算結果與實際生產測試結果相符。

       熔渣成分/%

      Table1  Chemical composition of slag

      成分

      FeO

      MnO

      CaO

      MgO

      SiO2

      P2O5

      含量

      15

      10

      40

      10

      20

      5

        在實際生產中根據△G1=△GoRTlnK及反應式(11),可知在一定的溫度條件下[Fe]—[O]反應的△G1[C]無關,熔池中如果存在過量的溶解氧,△G1會降低,[C]—[O]選擇氧化的平衡點將右移,如圖3所示。

      3  1 600碳鐵選擇氧化曲線
      Fig.3  Curve for choice oxidation of [C]and [Fe]at 1 600

      3.3  工藝控制
        根據電弧爐冶煉的[C]—[O]關系曲線,可用[C]來控制[O],防止鋼液過氧化;預報氧以指導出鋼過程脫氧。
        冶煉低碳鋼時,對于20MnSi類型的鋼,考慮到避免精煉期過量氧的存在及出鋼后補加合金中的碳含量,可將終點碳控制在0.07%0.10%以上,對于碳要求≤0.06%的一些鋼種,電爐終點碳控制在0.040%0.045%。這樣可減少鐵損,提高金屬收得率,減低脫氧鋁的消耗及LF的電耗,減少渣料消耗及LF電極和耐材消耗,提高鋼液潔凈度。


      4 結論

      1)電爐冶煉過程的實際[C]—[O]關系曲線與理論計算的[C]—[O]關系曲線類似,試驗條件下,[O]0.0032[C]-0.9441;
      21 600鋼液中[C]、[Fe]選擇氧化的平衡點為[C]0.035%;
      3)可通過實測終點[C]—[O]關系曲線,防止鋼液過氧化及知道出鋼過程的脫氧。在冶煉含碳要求≤0.06%的鋼種時,電爐終點碳應控制在0.040%0.045%。

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