CN101565792B - 一种冶炼硼钢的方法 - Google Patents
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Abstract
一种冶炼硼钢的方法，以硼铁矿经高炉分离提取B2O3后的含硼铁水为原料，经过预脱硫处理和预脱硅处理获得含硼半钢水；然后将含硼半钢水装入转炉中，加入造渣剂；供氧冶炼15～21min，获得硼钢水；加入硅、锰和碳，出钢温度控制在1560～1610℃，浇注成钢锭，获得硼钢。本发明所研制出的硼钢冶炼新工艺合理、简便，且硼在钢中分布较均匀，钢的性能稳定；为进一步综合开发利用硼铁矿尤其是低品位硼铁矿开辟了新的应用途径。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种冶炼硼钢的方法。
背景技术
钢中微量(0.0005％～0.0035％)的硼，可提高钢的淬透性，在不损害塑性和韧性下，能大幅度提高钢的强度。因此，硼钢在汽车、拖拉机、推土机、矿车、铁路运输、重型机械、船舶、机床、桥梁建筑、电力、石油及矿山等许多工业领域得到了广泛应用。发展硼钢还能大量节省铬、镍、钼、钨等贵重金属资源。
传统冶炼硼钢的方法，是在炼钢后期，通过加入铝充分脱氧，加钛、锆等铁合金充分固定氮，接着再加入硼铁合金化为主要技术特征。这种冶炼方法需要严格控制各步操作工艺，以使硼的收得率、硼在钢中分布的均匀性及钢的性能达到要求。不同于上述传统硼钢冶炼方法，专利200410050358.1报道了以含硼铁水为原料直接冶炼硼钢的方法。含硼铁水是采用高炉分离硼铁矿提取B2O3时得到的一种自然含硼金属产物，硼在其中的分布较均匀。该方法充分利用了我国丰富的硼铁矿资源，冶炼成本低且硼在钢中的分布较均匀；但是，由于含硼铁水中硅和硫含量均很高，分别为2.0％～2.5％和0.06％～0.1％，分别约为一般铁水的4倍和3倍，所以导致炼钢过程中产生的渣量非常大，大大地降低了冶炼经济指标，也导致终点成分不易控制，特别是硼的含量较硼钢标准值发生偏离。另外，这种方法由于进入钢渣中的硼(B2O3)品位低，难以再被经济地利用，这也是其缺欠之一。
发明内容
针对上述的以含硼铁水为原料直接冶炼硼钢存在的技术缺陷，本发明提供了一种改进了的以含硼铁水为原料冶炼硼钢的新方法，目的在于解决以含硼铁水为原料制备硼钢的技术中，产生的渣量大和终点成分不易控制的问题。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、预脱硫处理：
以硼铁矿经高炉分离提取B2O3后的含硼铁水为原料，采用喷粉脱硫的方法；向含硼铁水中喷吹脱硫剂，含硼铁水温度为1350～1450℃，脱硫时间为6～18min；脱硫处理后，含硼铁水中的硫含量降至不大于0.01wt％，获得脱硫含硼铁水。
上述脱硫剂选用活性石灰、电石粉、或者镁粉与活性石灰组成的复合脱硫剂；其中当脱硫剂为复合脱硫剂时，其成分按重量比为活性石灰∶镁粉＝1∶1～1.5，用量为1.5～2kg/t含硼铁水；当脱硫剂为活性石灰时，预先向含硼铁水中加入金属铝，加入量为含硼铁水中总重量的0.1～0.2％，然后喷吹活性石灰，喷吹量为10～13kg/t含硼铁水；当脱硫剂为电石粉时，用量为6～8kg/t含硼铁水。
2、预脱硅处理：
将获得的脱硫含硼铁水通过浸入式喷枪吹氧方法脱硅，或采用固体氧化剂方法脱硅。
浸入式喷枪吹氧脱硅步骤为：向脱硫含硼铁水吹氧并加入熔剂，吹氧时间为12～18min，吹氧强度为0.8～2L/min·kg；脱硅率不低于90％，获得含硼半钢水；其中熔剂由活性石灰、氧化铁皮和萤石(CaF2)组成，氧化铁皮占熔剂总重量的20～40％，萤石占熔剂总重量的2～4％，其余为活性石灰；熔剂用量为15～20kg/t脱硫含硼铁水。
固体氧化剂脱硅步骤为：向脱硫含硼铁水加入固体氧化剂，加入量为160～190kg/t脱硫含硼铁水，搅拌使固体氧化剂与脱硫含硼铁水混合均匀，搅拌时间为20～22min，搅拌速度为120～160r/min，间歇扒去脱硅渣，获得含硼半钢水，脱硅率不低于90％。其中固体氧化剂由铁氧化物和活性石灰组成，固体氧化剂中的氧元素重量含量为22～26％。
上述的铁氧化物为含有Fe2O3和Fe3O4的氧化铁物质，包括氧化铁皮、烧结矿和/或铁精矿粉。
获得的含硼半钢水的成分按重量百分比为含C 3.0～3.4％、Si 0.15～0.6％、B 0.02～0.07％、Mn 0.07～0.09％、P 0.04～0.07％、S≤0.01％，余量为Fe，是适合转炉冶炼硼钢的原料。
3、冶炼硼钢水：
将获得的含硼半钢水装入转炉中，加入造渣剂，然后在供氧强度为2～3m3/min·t条件下，冶炼15～21min，获得硼钢水。
所述的造渣剂由石灰、氧化铁皮和萤石(CaF2)组成，造渣剂中石灰和氧化铁皮的重量比为石灰∶氧化铁皮＝3～5∶1，萤石占造渣剂总重量的0～3％；含硼半钢水中石灰的加入量按下式计算：
式中，w(Si)：含硼半钢水中Si的重量％含量；
w(CaO)有效：石灰有效CaO重量％含量；
w(CaO)有效＝w(CaO)石灰-R×w(SiO2)石灰； (2)
w(CaO)石灰：石灰中CaO重量％含量；
w(SiO2)石灰：石灰中SiO2重量％含量；
R：炉渣碱度，R＝w(CaO)/w(SiO2)； (3)
其范围控制在2.5～3.0；其中w(CaO)为炉渣中CaO重量含量，w(SiO2)为炉渣中SiO2重量含量。
获得的硼钢水成分按重量百分比为C 0.1～0.2％，Si 0.02～0.05％，B 0.001～0.006％，Mn0.04～0.06％，P≤0.02％，S≤0.01％，余量为Fe。
4、制备硼钢：
将获得的硼钢水脱氧，根据硼钢设定成分的要求加入硅、锰和碳，出钢温度控制在1560～1610℃，浇注成钢锭，获得普通硼钢；或者在加入硅、锰和碳后，再加入Cr-Fe、V-Fe、Ti-Fe、Mo-Fe、W-Fe、Nb-Fe等铁合金，浇注成钢锭，获得低硼合金钢材料。
上述的脱氧步骤采用常规脱氧方法：采用氧活度计测量硼钢水的氧活度，根据氧活度加入铝或锰铁合金进行脱氧。
本方法获得的初步钢水中，硼及杂质(硫和磷)的含量均满足国标GB/T3077-1999中硼钢的要求。通过加铝脱氧，并根据硼钢中锰、硅、碳含量要求计算加入锰铁合金、硅锰合金和碳，调整合金中锰含量，达到控制钢中成分，以满足普通硼钢的化学成分要求。
本发明以含硼铁水为原料，通过预脱硫处理后再进行脱硅处理，得到含硼半钢水，然后于转炉中吹炼成硼钢水，经脱氧及成分调整后获得硼钢产品，无需外加硼铁合金。经综合力学性能测试，硼钢产品的抗拉强度，屈服强度，延伸率，断面收缩率以及冲击吸收功等测试结果完全满足国标要求。
本发明直接利用了来源丰富的硼铁矿，经高炉分离提取B2O3后的自然含硼铁水作为原料，通过现代的双脱(预脱硫、预脱硅)钢铁生产工艺流程冶炼硼钢，降低了硼钢的冶炼成本，同时由于进行了双脱预处理，制备钢水时终点控制过程中硼成分更易于控制。本发明所研制出的硼钢冶炼新工艺合理、简便，且硼在钢中分布较均匀，钢的性能稳定；同时，通过预脱硅步骤，也能富集大部分铁水中的硼进入脱硅渣中，而脱硅渣能够成为进一步提取硼(B2O3)或用于冶炼Fe-Si-B合金的原料。所以，本发明为进一步综合开发利用硼铁矿尤其是低品位硼铁矿开辟了新的应用途径。该项目属于国家高技术研究发展计划(863)课题研究成果，课题名称为“含硼耐磨合金钢的开发与制备技术”(2006AA03Z529)。
具体实施方式
本发明实施例中采用的烧结矿、铁精矿粉、石灰、活性石灰、萤石、镁粉和电石粉为普通工业用产品。
本发明实施例中采用的氧化铁皮为含有Fe2O3和Fe3O4的废弃氧化铁皮。
本发明实施例中采用的原料为硼铁矿经高炉分离提取B2O3后的含硼铁水，其化学成分按重量百分比为：B 0.1～0.5％，Si 2.0％～2.5％，C 3.2％～3.8％，Mn≤0.12％，P≤0.06％，S≤0.10％。
本发明实施例中采用的搅拌装置为电动机械搅拌，搅拌速度为120～160r/min。
本发明实施例中采用的喷吹载气为氮气或氩气。
实施例1
将含硼铁水置于中频感应炉中，温度为1450℃，预先加入金属铝，加入量为含硼铁水重量的0.1％；通过喷粉装置向含硼铁水中喷吹脱硫剂活性石灰粉，喷吹量为10kg/t含硼铁水，脱硫时间为15min，喷粉后含硼铁水中的硫的重量含量不大于0.01wt％，获得脱硫含硼铁水。
清除脱硫渣，向脱硫含硼铁水中加入固体氧化剂，加入量为185kg/t脱硫含硼铁水，搅拌使固体氧化剂与脱硫含硼铁水混合均匀，搅拌时间为22min，间歇扒去脱硅渣，获得含硼半钢水，其成分按重量百分比为C 3.38％，Si 0.42％，B 0.062％，Mn 0.08％，P 0.06％，S 0.01％，余量为Fe。固体氧化剂由氧化铁皮和活性石灰组成，其氧含量为22wt％。
将获得的含硼半钢水装入转炉中，温度为1300℃，加入造渣剂，在吹氧强度2.5m3/min·t条件下冶炼18min，获得硼钢水。
其中造渣剂由石灰和氧化铁皮组成，石灰和氧化铁皮的重量比为石灰∶氧化铁皮＝4∶1，石灰中的CaO重量含量为90％，SiO2重量含量为5％，炉渣碱度R＝2.5，根据公式(2)计算得石灰中有效CaO重量含量为77.5％，根据公式(1)计算得石灰的加入量为29kg/t含硼半钢水。
获得的硼钢水加入金属铝脱氧，脱氧后按硼钢设定成分要求加入碳粉、硅铁合金、锰铁合金，出钢温度控制在1580℃，浇注成锭。获得的硼钢成分按重量百分比为含C 0.36％，Si0.45％，B 0.0033％，Mn 1.80％，P 0.020％，S 0.010％，余量为Fe。
获得的硼钢产品进行力学性能测试，抗拉强度为1100MPa，屈服强度900MPa，延伸率13.76％，断面收缩率62.07％和冲击吸收功68.2J。满足国标GB/T3077-1999中硼钢性能要求。
实施例2
将含硼铁水置于中频感应炉中，温度为1400℃，通过喷粉装置向含硼铁水中喷吹电石粉脱硫剂，喷吹量为6kg/t含硼铁水，脱硫时间为12min，获得脱硫含硼铁水。
清除脱硫渣，采用浸入式喷枪吹氧脱硅，吹氧时加入熔剂，吹氧的时间为18min，吹氧强度为0.8L/min·kg，获得含硼半钢水，成分按重量百分比为含C 3.32％，Si 0.31％，B 0.038％，Mn 0.082％，P 0.065％，S 0.008％，余量为Fe。采用的熔剂由活性石灰、氧化铁皮和萤石组成，氧化铁皮占熔剂总重量的28％，萤石占熔剂总重量的4％，其余为活性石灰；熔剂的用量为16kg/t脱硫含硼铁水。
将获得的含硼半钢水装入转炉中，温度为1400℃，加入造渣剂，在供氧强度为3.0m3/min·t条件下冶炼15min；获得硼钢水。
造渣剂由石灰、氧化铁皮和萤石组成，石灰和氧化铁皮的重量比为石灰∶氧化铁皮＝5∶1，萤石占造渣剂总重量的3％；石灰中的CaO重量含量为90％，SiO2重量含量为5％，炉渣碱度R＝3.0，根据公式(1)计算得石灰的加入量为26.5kg/t硼钢水。
获得的硼钢水加入金属铝脱氧，脱氧后按硼钢成分要求加入碳粉、硅铁合金、锰铁合金，出钢温度控制在1610℃，浇注成锭。成分按重量百分比为含C 0.39％，Si 0.47％，B 0.0026％，Mn 1.74％，P 0.017％，S 0.0080％，余量为Fe。
获得的硼钢产品进行力学性能测试，抗拉强度为1150MPa，屈服强度920MPa，延伸率12.22％，断面收缩率57.09％和冲击吸收功61.6J。满足国标GB/T3077-1999中硼钢性能要求。
实施例3
将含硼铁水置于中频感应炉中，温度为1350℃，通过喷粉装置向含硼铁水中喷吹复合脱硫剂，喷吹量为2kg/t含硼铁水，脱硫时间为8min，复合脱硫剂中镁粉和活性石灰粉的重量比为镁粉∶活性石灰粉＝1∶1，获得脱硫含硼铁水。
清除脱硫渣，采用浸入式喷枪吹氧脱硅，吹氧时加入熔剂，吹氧时间为15min，吹氧强度为1.5L/min·kg，获得含硼半钢水，成分按重量百分比为含C 3.26％，Si 0.17％，B 0.021％，Mn 0.078％，P 0.062％，S 0.008％，余量为Fe。采用的熔剂由活性石灰、氧化铁皮和萤石组成，氧化铁皮占熔剂总重量的40％，萤石占熔剂总重量的2％，其余为活性石灰；熔剂的用量为20kg/t脱硫含硼铁水。
冶炼硼钢水的方法同实施例1；制备硼钢的方法同实施例1，获得的硼钢成分按重量百分比为含C0.47％，Si 0.35％，B 0.0021％，Mn 1.86％，P 0.021％，S 0.008％，余量为Fe。
获得的硼钢产品进行力学性能测试，抗拉强度为1040MPa，屈服强度890MPa，延伸率14.82％，断面收缩率63.36％和冲击吸收功78.8J。满足国标GB/T3077-1999中硼钢性能要求。
实施例4
冶炼硼钢的方法同实施例1，不同点在于：(1)脱硫步骤中，金属铝的加入量为含硼铁水总重量的0.2％；活性石灰粉的喷吹量为13kg/t含硼铁水，含硼铁水的温度为1450℃，脱硫时间为18min。
(2)脱硅步骤中，固体氧化剂的加入量为160kg/t脱硫含硼铁水，脱硅时间为20min；采用的固体氧化剂由氧化铁皮、烧结矿、铁精矿粉和活性石灰组成，并且氧含量为25wt％。获得的含硼半钢水的成分按重量百分比为：C 3.1％，Si 0.53％，B 0.065％，Mn 0.08％，P0.064％，S 0.008％，余量为Fe。
(3)冶炼硼钢水步骤中，含硼半钢水的温度为1300℃，吹氧强度为2m3/min·t，冶炼18min；所用的造渣剂由石灰、氧化铁皮和萤石组成，其中石灰和氧化铁皮的重量比为石灰∶氧化铁皮＝3∶1，萤石占造渣剂总重量的2％；炉渣碱度R＝2.5，石灰的加入量为37.8kg/t含硼半钢水。
(4)制备硼钢步骤中，出钢温度为1560℃。
获得的硼钢产品进行力学性能测试满足国标硼钢成分及性能要求。
实施例5
冶炼硼钢的方法同实施例2，不同点在于：(1)脱硫步骤中，电石粉的喷吹量为8kg/t含硼铁水。(2)脱硅步骤中，吹氧时间为12min，吹氧强度为2L/min·kg，获得含硼半钢水。采用的熔剂由活性石灰、氧化铁皮和萤石组成，氧化铁皮占熔剂总重量的20％，萤石占熔剂总重量的2％，其余为活性石灰；熔剂的用量为20kg/t脱硫含硼铁水。
获得的硼钢产品进行力学性能测试满足国标硼钢成分及性能要求。
实施例6
冶炼硼钢的方法同实施例3，不同点在于：(1)脱硫步骤中，复合脱硫剂的喷吹量为1.5kg/t含硼铁水，复合脱硫剂中镁粉和活性石灰粉的重量比为活性石灰粉∶镁粉＝1∶1.5，脱硫时间为6min。
获得的硼钢产品进行力学性能测试满足国标硼钢成分及性能要求。
Claims (2)
1.一种冶炼硼钢的方法，以硼铁矿经高炉分离提取B2O3后的含硼铁水为原料，经过预处理后制备成硼钢，其特征在于按以下步骤进行：
(1)预脱硫处理：向含硼铁水中喷吹脱硫剂，含硼铁水温度为1350～1450℃，脱硫时间为6～18min，获得脱硫含硼铁水；
(2)预脱硅处理：将脱硫含硼铁水通过浸入式喷枪吹氧脱硅，或采用固体氧化剂脱硅；其中浸入式喷枪吹氧是向脱硫含硼铁水吹氧并加入熔剂，熔剂用量为15～20kg/t脱硫含硼铁水，吹氧时间为12～18min，吹氧强度为0.8～2L/min·kg，获得含硼半钢水；所述的熔剂由活性石灰、氧化铁皮和萤石组成，氧化铁皮占熔剂总重量的20～40％，萤石占熔剂总重量的2～4％，其余为活性石灰；固体氧化剂脱硅是向脱硫含硼铁水加入固体氧化剂，加入量为160～190kg/t脱硫含硼铁水，搅拌使固体氧化剂与脱硫含硼铁水混合均匀，搅拌时间为20～22min，搅拌速度为120～160r/min，扒去脱硅渣，获得含硼半钢水；所述的固体氧化剂由铁氧化物和活性石灰组成，固体氧化剂中的氧元素重量含量为22～26％；所述的铁氧化物为含有Fe2O3和Fe3O4的氧化铁物质，选自氧化铁皮、烧结矿和/或铁精矿粉；
(3)将含硼半钢水装入转炉中，加入造渣剂；然后在供氧强度为2～3m3/min·t条件下，冶炼15～21min，获得硼钢水；所述的造渣剂由石灰、氧化铁皮和萤石组成，造渣剂中石灰和氧化铁皮的重量比为石灰∶氧化铁皮＝3～5∶1，萤石占造渣剂总重量的0～3％；含硼半钢水中石灰的加入量按下式计算：
含硼半钢水
式中，w(Si)：含硼半钢水中Si的重量％含量；
w(CaO)有效：石灰有效CaO重量％含量；
w(CaO)有效＝w(CaO)石灰-R×w(SiO2)石灰；
w(CaO)石灰：石灰中CaO重量％含量；
w(SiO2)石灰：石灰中SiO2重量％含量；
R：炉渣碱度，R＝w(CaO)/w(SiO2)，其范围控制在2.5～3.0；
(4)将获得的硼钢水脱氧，根据硼钢成分的要求加入硅、锰和碳，出钢温度控制在1560～1610℃，浇注成钢锭，获得硼钢。
2.根据权利要求1所述的一种冶炼硼钢的方法，其特征在于所述脱硫剂选用活性石灰、电石粉、或者镁粉与活性石灰组成的复合脱硫剂；当脱硫剂为复合脱硫剂时，脱硫剂的成分按重量比为活性石灰∶镁粉＝1∶1～1.5，用量为1.5～2kg/t含硼铁水；当脱硫剂为活性石灰时， 预先向含硼铁水中加入金属铝，加入量为含硼铁水总重量的0.1～0.2％，然后喷吹活性石灰，喷吹量为10～13kg/t含硼铁水；当脱硫剂为电石粉时，用量为6～8kg/t含硼铁水。
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