碳化钙替代硅铝钙钡作终脱氧剂的工业实践

碳化钙替代硅铝钙钡作终脱氧剂的工业实践

0新型硅铝钙复合脱氧剂的研制南昌长力钢铁有限公司路桥厂（以下简称路桥厂）的螺纹钢产量占很大比例。20mas、20masv和20masb是以20mas为钢号的螺纹钢。硅铝钙用于脱氧。硅铝钙钡是一种多元复合脱氧剂,使用多年,脱氧效果比较稳定,但是近年随着合金价格的猛涨,脱氧成本逐渐增加。为此,长力转炉厂进行了应用碳化钙替代硅铝钙钡作终脱氧剂的工业性试验。试验结果标明,单一使用碳化钙作转炉炼钢终脱氧剂在工艺上是完全可行的,替代硅铝钙钡脱氧吨钢可降低成本2元,具有良好的工艺效果和经济效益。1脱氧能力1.1单质脱氧剂的物理和化学性质常用脱氧剂及碱土金属的物理性质见表1:1.2脱氧元素主要脱氧元素的脱氧产物及△G计算如下:12si脱氧[Si]+2[O]=(SiO2)(s)(1)G=-142000+55.00T23氧气2[Al]+3[O]=(Al2O3)(s)(2)G=-291360+94.2T3ca脱离氧气[Ca]+[O]=(CaO)(s)(3)G=-120295+15.45T4复合脱氧剂脱氧机理[Ba]+[O]=(BaO)(s)(4)G=-143690+36T脱氧元素单独作用时,脱氧产物熔点较高,在炼钢温度下一般呈固态颗粒存在。使用复合脱氧剂时,在反应区内同时存在几种脱氧产物,彼此相互接近,易于聚结并上浮。因此使用复合脱氧剂会导致脱氧常数降低,钢中氧含量也随之降低。1.3脱氧反应及脱氧能力的变化钙和钡虽然有很强的脱氧能力,但由于受钢中溶解度的限制,钙、钡单质脱氧剂不适合作洁净钢的预脱氧剂。由于钙、钡的原子量较大,生成的脱氧产物半径较大,与其它脱氧产物的碰撞长大形成复合脱氧产物的几率较高,夹杂物上浮速度快。硅铝钙钡脱氧剂中的铝含量最低,对脱氧影响有限。转炉炼钢出钢时加入脱氧剂,立即发生脱氧反应,生成一次脱氧产物。由于脱氧反应是放热反应,随着温度下降,平衡发生移动,使脱氧反应重新进行,生成二次脱氧产物。当钢液凝固时,在钢液和晶体两相区可以继续进行脱氧反应,生成三次脱氧产物。使用的脱氧剂的脱氧能力越强,加入的数量越多,则二次、三次脱氧产物形成的越少。硅脱氧平衡常数与温度的关系为:lg([%Si][%O]2)=−31038T+12.0lg([%Si][%Ο]2)=-31038Τ+12.0由上式可以看出:随温度降低,硅脱氧能力增强,但会产生较多的二次和三次脱氧产物。根据表2化学成份,假设硅铝钙钡复合脱氧剂中脱氧元素全部与氧反应时,每公斤硅铝钙钡可以脱氧0.79kg。硅含量为56.47%,其脱氧量占全部脱氧量的81.72%,因此硅铝钙钡复合脱氧剂可以看作是以硅为主的脱氧剂。1.4碳化钙脱氧剂的种类碳化钙的主要化学成份为CaC2,在高温下可以分解为C和Ca,脱氧方程可以看作:[C]+[O]→CO(5)[Ca]+[O]→(CaO)(s)(6)碳在碳化钙脱氧中的作用占了2/3,而Ca在转炉钢中溶解度极低,生成的脱氧产物为CaO,与钢中残存的SiO2能生成低熔点的夹杂物而迅速上浮。因此,碳化钙可以看作以碳为主的脱氧剂。碳脱氧平衡常数为:[%C][%O]=0.0025碳脱氧的产物是CO气体,极易从钢液中排出,而且碳脱氧能力随着温度的升高变化不大,脱氧产物也不会污染钢水。1.5脱氧反应及碳含量不同温度下碳、硅含量对平衡氧的影响如图1所示:由图1可以看出,随着元素C、Si含量升高,平衡氧均降低;随着温度升高,Si脱氧能力逐步减弱。转炉出钢温度一般在1680℃左右,此时碳的脱氧能力比硅强,碳优先与氧发生反应,生成CO;随着温度降低,Si的脱氧能力逐步显现出来,生成二次脱氧产物。在连铸浇注温度一般为1520℃～1540℃左右,此时Si继续进行脱氧反应,生成产物以SiO2等三次脱氧产物。长力转炉冶炼螺纹钢终点的碳含量一般为0.05%～0.10%,此时钢中的氧含量一般为400～900×10-6。而冶炼20MnSi钢时,碳含量目标值为0.22左右,此时的平衡氧通过计算为120×10-6,两者差为280～780×10-6,这部分氧都可以被碳去除。2提高碳脱氧能力。在合金化过程中,对土壤进行二次脱氧,确保碳中氧含量。在资根据转炉终点情况,以碳化钙作为单一预脱氧剂,在少增碳的情况下,尽可能把碳脱氧能力发挥到最大为原则,在合金化过程中,硅锰等合金可以作进行二次脱氧,保证钢中氧含量达标。脱氧剂与合金加入顺序为:石墨增碳剂→碳化硅→碳化钙脱氧剂→硅锰→硅铁。3试验结果及分析3.1碳化钙脱氧试验结果分析在2008年2月20日,进行了碳化钙替代硅铝钙钡试验,在跟踪的6炉钢中,碳化钙脱氧剂试验结果见表3;取当日使用硅铝钙钡脱氧工艺的6炉数据对比分析,其情况见表4:由表3可以看出,使用碳化钙作为预脱氧剂,合金Mn元素收得率稳定,收得率为89.28%～93.08%;对比表3和表4得出,碳化钙可增碳0.01～0.02%。使用碳化钙脱氧后,合金收得率与使用硅铝钡钙脱氧剂时相当。硅铝钙钡脱氧有增Si的作用,根据长力转炉实践,在螺纹钢生产中,需控制钢中Si成分以便控制螺纹钢机械性能强屈比,而碳化钙试验工艺有利于控制Si成分,所以对比分析未考虑硅元素的影响。取螺纹钢样做氧含量分析,使用碳化钙作预脱氧剂时,螺纹钢样氧含量波动在为38.1～41.4×10-6,达到长力转炉不超过60×10-6的要求。自2008年3月起,转炉厂推广在生产螺纹钢时采用碳化钙做脱氧剂工艺。表5为3、4、5月份生产的以20MnSi、20MnSiNb为钢号的螺纹钢机械性能的统计情况:由表5可看出,完全能够满足螺纹钢生产要求。3.2影响成本的因素根据表3和表4与长力转炉模拟成本计算,“硅锰+碳化硅+石墨”模拟成本:碳化钙试验工艺为120.86元/t,原硅铝钙钡脱氧工艺为120.82元/t,碳化钙试验工艺增加0.04元/t,所以影响成本的主要因素是试验工艺和原硅铝钙钡工艺所应用的脱氧剂本身的价格和加入量。以生产螺纹钢的2008年3月份的碳化钙脱氧工艺和2008年元月份原硅铝钙钡脱氧工艺比较,脱氧剂成本见表6:从表6计算出,碳化钙脱氧工艺较原硅铝钙钡脱氧工艺节约2.04元/t,剔除“硅锰+碳化硅+石墨”增加的成本0.04元/t,实际碳化钙脱氧工艺较原硅铝钙钡脱氧工艺节约2元/t,以长力转炉年产150万t螺纹钢计算,可产生300万元年经济效益。3.3运输、仓储问题1)碳化钙储存比较困难,遇水就会分解为乙炔和氢氧化钙,甚至会造成火灾事故。因此在雨季,碳化钙运输、仓储问题必须特别谨慎对待;2)碳化钙脱氧产物为CO,可加快搅拌,促进合金熔化;3)硅铝钙钡脱氧产物主要是SiO2,会造成钢包顶渣碱度下降,发生回磷、炉渣结块等倾向。碳化钙脱氧产物为CaO,弥补了钢包顶