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，當鋼液升高到一定溫度后，對鋼液進行吹氧，強化冶煉過程，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，采用一爐返回吹氧、一爐氧化進行拼澆的方法。返回吹氧法的目標一般為碳含量在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，進而降低噸鋼成本，在當前重機行業(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，基本達到預期的目標。筆者從熱力學角度出發(fā)，結合實際，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

冶金學者研究發(fā)現(xiàn)，鋼液中鉻含量>9%時，鋼液脫碳的反應式如下[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°為標準狀態(tài)時反應的吉布斯自由能變化，J/mol；T為熱力學溫度，K。

由范托夫等溫公式[5]可知，上述反應的非標狀態(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，通過向熔池中高強度吹氧，進而氧化硅、錳、鋁等元素產(chǎn)生化學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行，因此可以認為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[Ni]含量<1%時，可以忽略。進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，進而有以下三個結論： 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。考慮到需要割料等操作，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。二是利用化學熱，通過鋼液中的合金元素與氧反應，放出大量化學熱，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15%以上。由于受到所用耐火材料的限制，最高吹煉溫度應≤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，應選用化學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。選擇硅鐵作為化學熱來源，一是因為硅鐵比較便宜，效果與鋁鐵基本相當；二是因為硅和氧反應時放出的化學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。當形成一定量的熔池后，開始吹氧脫碳，應保證氧氣壓力≥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，碳鉻反應時向鋼液中吹氧，當[C]含量≥0.10%時，脫碳速度表達式為零級反應，即dWC/dt=A,A為常數(shù)，可見脫碳速度與碳含量無關，僅取決于供氧強度。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系如表4所示。

表4 氧氣壓力與脫碳速度的關系

6 冶煉過程中的渣況

如前所述，應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 今后改進的方向

(1) 在冶煉操作時，減少取樣分析次數(shù)，達到目標溫度再進行取樣分析，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，使出鋼溫度達到1750℃左右，減少因平衡溫度低而造成的鉻燒損。

9 結論

應用返回吹氧法冶煉GX12GrMoWVNbN10-1-1，要使鉻收得率達到滿意水平，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，使爐渣保持一定的流動性。

(4) 吹煉終點溫度控制適當，以1750℃為宜，吹煉過程中減少取樣次數(shù)，達到目標碳含量即可出鋼，禁止進行二次返吹，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，技術人員將針對操作中存在的不足，依據(jù)理論繼續(xù)改進工藝，以進一步提高鉻的收得率。

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