AOD 炉铬原矿还原直接合金化冶炼不锈钢

AOD 炉铬原矿还原直接合金化冶炼不锈钢

王太平 1     陈明勇 2     郑礼明 1

1. 广西柳钢中金不锈钢有限公司炼钢厂  广西玉林  537000

2.广西柳州钢铁集团有限公司技术中心   广西柳州   545000

摘要：本文通过 AOD 炉采用铬原矿代替高碳铬铁试验铬原矿还原直接合金化冶炼不锈钢工艺可行性， 结果表明铬原矿中铬元素收得率为 80.5%，该工艺具有操作简单可行,不影响钢材质量，每用 1t 铬原矿可 节资金 780 元， 吨钢生产成本可降低 13.46 元以上，替代后吨钢降成本经济效益显著。

关键词：AOD 炉；不锈钢；铬原矿；直接合金化

Smelting stainless steelbyreduction anddirect

alloyingofchromiumoreinAODfurnace

Wang Taiping1  Chen Mingyong2Zheng Liming1

（1. metallurgical engineer, Steel Works, Zhongjin Stainless SteelCo.,Ltd.,liugang, Guangxi, Yulin 537000；2.Metallurgical Assistant Engineer, Technology Center,GuangxiLiuzhou Iron and Steel Group Co. ,Ltd.,Guangxi,Liuzhou545000）

Abstract: the feasibility of smelting stainless steel by reduction and direct alloying ofchromite in AOD furnace with chromite instead of high carbon chromite was studied. The results showthatthe recovery rateofchromiumelementinchromiteis80.5%,the processhasthe advantages of simple operation, no influence on steel quality, 780 yuan of capital canbe saved for every 1T of chromium oreused,andtheproductioncostcanbereducedbymorethan 13.46yuan perton ofsteel.

Keywords: AOD furnace, stainless steel, chromeore,directalloying

1、前言

中金公司炼钢厂60tAOD 炉具备 200系列、300 系列、400 系列不锈钢生产能力，目 前主要生产品种为200系不锈钢，采用 AOD 直接冶炼工艺流程，不使用电弧炉化钢，以高 炉镍铁水为原料，往炉内加镍铁块、高碳铬铁直接熔融化钢、氧化脱碳、还原精炼，铬系合金成本约占据炼钢工序合金成本60%以上，2022-2023年，受市场影响200系不锈钢销售价 格最高降幅高达约1600元/吨，寻找高性价比物料进行替代降低不锈钢铬系铁合金成本势在 必行。为此，我厂开展了采用铬原矿初级原料替代部分高碳铬铁合金，在AOD炉还原直接合 金化冶炼200系不锈钢可行性试验，进一步降低铁合金成本。

2、铬原矿直接合金化理论及工艺

2.1 铬原矿的物理化学性质

铬原矿的主要矿物为铬铁矿(Mg、Fe)O·Cr2O3;、铬尖晶石FeO·( Cr、AL)2O3，在炼钢 温度下铬原矿分解为 Cr2O3，本次试验使用的铬原矿是南非铬原矿，粒度为 0mm~50mm，具体 成份见表1。

铬原矿化学成份表                         表1

从以上各反应的 △Gθ随温度的变化可见，生成铬的碳化物的反应的 △Gθ都小于生成金属铬 反应的△Gθ,尤其生成 Cr3C2的△Gθ最小。故随温度的升高,铬氧化物的还原产物按该顺序 转变:Cr3C2→Cr7C3→Cr23C6→Cr。

对纯 Cr203的还原来说,在CO的分压为101325Pa 时，用碳热还原法将其还原成金属 铬时的开始还原温度为1240℃,但生成Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6 时的开始还原温度分别降 到 165、1121 和1166°C。即固体碳还原 Cr203 生成铬的碳化物时的开始还原温度要低于 直接生成金属铬的温度，所以增加还原时的配碳量能提高铬原矿的还原率。

2.3 Fe0·Cr 203和Mg0·Cr203碳热还原的热力学分析

对于铁铬尖晶石型的铬铁矿，其主要成分是Fe0·Cr203，故其碳热还原反应是按下式 进行:

Fe0·Cr203+4CO =2Cr+Fe +4CO

△Gθ=951540-653.61T     （J/mol-1）

在CO的分压为101325Pa 时,该反应的开始还原温度为1183℃,与纯Cr203 的碳热还原 相比较,其开始还原温度降低,这是由于氧化铁存在的缘故，即铁铬尖晶石中的FeO比 Cr203优先还原，而且先还原出来的铁对Cr203的还原有促进作用。

对于镁铬尖晶石型的铬铁矿,其主要成分是Mg0·Gr203,它被固体碳还原的反应式为：

Mgo·Gr203+3C=2Gr+Mg0+3C0

△Gθ=792140-502.36T     （J/mol-1）

在CO的分压为 101325Pa 时,用碳还原镁铬尖晶石的开始反应温度最高,为1304C。而 铁铬尖晶石和纯Cr203的开始还原温度分别为1183 和1240C,它们的还原开始温度均显著高 于 FeO的开始还原温度722℃。难还原的铬原矿主要是以Mg0·(Cr203,Al203) 形式存在, 是因为MgO·Cr203的开始还原温度较高且还原过程中形成的Mgo·Al203 阻碍了铬原矿的 还原从上述对纯Cr203铁铬尖晶石、镁铬尖晶石被溶解于金属中的碳和固体碳还原的热力学 分析可以看出,铬原矿石在AOD炉中是完全可以被还原的。

3、试验方案

3.1 冶炼用还原剂:焦炭、硅铁。

3.2试验工艺流程：化钢期(加铬原矿、造渣材料、还原剂)→扒渣、取样→氧化期→还 原期→扒渣、取样、调成份→精炼期→出钢→连铸。

3.3 铬原矿的加入量

铬原矿与焦炭按100:15进行配料，每炉加入铬原矿2-2.5吨。

3.4 加入时间机和操作过程要求

3.4.1铬原矿在化钢期加第一斗料和高碳铬铁同步加入，焦炭与最后一斗高碳铬铁同步 加入；焦炭加入后停用顶枪。

3.4.2化钢渣碱度要求1.2-1.5，萤石加入量以化渣为准。

3.4.3化钢期终点控制要求：温度：≥1470℃、碳含量：≥3.2%、硅含量≥0.10%，硅 碳球加入量：200-500kg/炉，倒渣前吹氮搅拌时间：2min。

3.5 试验安排在新浇次生产，取兑镍铁水入炉吹氧提升温度≥1500℃, 加入铬原矿后吹 氧熔化还原后取得渣样和钢样和加入高碳铬铁加入熔清后化钢终点渣样及钢样；生产铸坯分类堆放，做好标识，取低倍样。

4、试验效果分析

4.1试验概况

此次铬原矿还原直接合金化试验从2023年5月中旬开始，到2023年5月底结束，共试 验77炉。产量为4528.6吨,铬原矿使用量为161吨，铬的回收率平均达80.5%，冶炼时间 137min,钢坯材的低倍结果正常。

4.2 渣样分析

兑镍铁水入炉吹氧提升温度≥1500℃,加入铬原矿后吹氧熔化还原后取得渣样和加入高 碳铬铁加入熔清后化钢终点渣样进行对比，从渣样成份来看，加铬原矿后和化钢终点渣样中 MNO、Cr2O3含量偏差不大，加入铬原矿后渣中Cr2O3已经充分还原，具体情况见表3。

加铬原矿后还原后渣样和化钢终渣样              表3

4.3铬原矿加入量及回收率

铬的收得率关乎铬原矿试验的成功与否，此次试验，兑纯铁水平均吹样升温至1581℃,  平均加入2062KG铬原矿后倒炉测温平均温降79度，约温降40℃/t，与试验方案制定初期 理论测算铬原矿加入量基本对应，从整个试验过程来看，如果铬原矿加入量超过2.5吨/炉， 出现热量不足，化钢期的温度长期处于低温区域造成铬元素的烧损加剧，从而造成加入的铬原矿还原效果变差，在目前设备及入炉铁水条件下，以成本最优原则，铬原矿每炉加入量 2.0-2.5吨/炉最为理想，平均收得率80.5%。

4.4 铸坯低倍样情况

本次铬原矿试验炉铸坯次底倍情况

                  图1

本次铬原矿试验炉次双流铸坯内部情况良好，偏析程度可控，无明显中心裂纹，达

到预期效果。

5、经济效益分析

采用铬原矿还原直接合金化冶炼不锈钢，在不影响钢质量的前提下，降低了生产成本。 此次试验成本计算得知，每用1t铬原矿可节资金780元，吨钢生产成本可降低13.46元 以上。

6、结语

根据铁水物理和化学热量情况，平均每炉可以加2.0-2.5吨铬原矿铬原矿还原直接合金 化冶炼不锈钢，在不影响钢材质量的前提下，其处理操作简单，冶炼时间不延长，成份也容易控制，工艺稳定可行，铬回收率平均在80.5%左右，每吨铬原矿替代高碳铬铁可节成本 780.7元，吨钢降本13.46元，铬原矿直接合金化作为一种现代化冶炼工艺，不仅是对传统 工艺的优化和改进，而且在成本方面也是相当可观。

参考文献：

［1］刘岩，姜茂发，许力贤，等，铬原矿熔融还原不锈钢直接合金化的热力学分机[J]，钢铁研究学报,2006,18（11）15.

［2］梁英教，车荫昌，无机物热力学数据手册[M]，沈阳，东北大学出版社,1993.