CN102146493A - 一种电磁感应炉喷吹co2脱碳的洁净钢冶炼方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法，在应用电磁感应炉冶炼洁净钢时，当钢液中碳含量＜1.0％时，采用喷吹CO₂气体进行脱碳，通过炉气分析***控制脱碳量。本发明的优点及效果在于，采用吹CO₂的方法进行脱碳，减轻钢水过氧化现象，提高钢水质量，减少脱氧合金的使用量。对减少CO₂排放、减缓温室效应有重要的社会效益，而且对降低钢中氧含量、减少合金用量、提高钢液质量有着极其重要的现实意义。

Description

一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法

技术领域

本发明涉及洁净钢的冶炼工艺，涉及电磁感应炉冶炼过程对钢液碳含量、氧含量及温度的控制，采用吹CO₂生产洁净钢的方法。

背景技术

在洁净钢生产过程中为实现低碳出钢的目标，往往会以钢液过氧化为代价。这样不仅会导致脱氧合金用量增加，而且脱氧夹杂去除困难，间接导致钢材质量下降。

已查得的文献材料均未对应用电磁感应炉冶炼洁净钢时的钢中氧含量做出控制，为实现低碳出钢经常需要多吹O₂，因此往往会导致钢液过氧化，致使后期脱氧合金用量增加，夹杂物去除难度增大。

在现有技术中，一种COMI(CO₂ and O₂ Mixed Injection)的实验方法，通过采用冶金反应的热力学分析、热平衡计算及热态实验，研究了CO₂与O₂混合喷吹炼钢工艺，对喷吹过程中金属熔体内的脱碳过程，铁液、炉渣及炉气成分及温度的变化进行了测试及分析，并得出CO₂与O₂混合喷吹炼钢工艺的可行性结论。理论认为，在真空电感应炉炼钢过程中，由于电能热量的补充，使得能满足炼钢过程的热量要求，喷入CO₂与O₂混合气体可以脱除钢中的碳。在COMI技术中还提到利用CO₂减少炼钢烟尘产生的探索性实验，实验结果表明，随着混合喷吹CO₂比例的提高，烟尘的产生量逐步减少，铁损呈明显的下降趋势。这种理论为钢冶炼过程的脱碳和CO₂利用提出了一种新的方法，但如何实现利用CO₂与O₂混合气体控制钢中氧含量未及说明。

申请号为200510011478.5喷吹CO₂的电炉炼钢工艺，就是基于这种理论而提出的，它的技术方案是在炼钢过程以O₂和CO₂或CO₂-O₂混合气体为气源，气体喷入量为50-50000Nm³/h，压力为0.4-1.6MPa。该工艺减少冶炼过程铁和其他金属元素的烧损，降低了生产成本，减少了氧气的消耗。但主要缺点是不仅对操作控制及基础级设施均提出更高要求，而且也未对钢中氧含量做出控制，从而无法为脱氧合金的使用提供指导。尤其是全程喷吹CO₂+O₂的混合气体，因CO₂与碳和铁均是吸热反应，由此引起的温降需要额外供电升温，与其加入CO₂的所带来的效果与外加电源的成本相比，不得而知，因此该专利申请的实用性从某种角度来讲还待考证。

实验证明，当熔池中碳含量＞1.0％时，CO₂的脱碳能力与O₂相比效率很低，所以，从气体利用率、节能及生产效率等角度考虑，当熔池中碳含量＞1.0％时采用CO₂的方法是不可行的。因此电磁感应炉中只有钢液碳含量＜1.0％时，喷吹CO₂或混合气体才有意义。

另一种申请号为200610165219.2的转炉炼钢溅渣护炉中使用CO₂的方法，属于钢铁冶金领域。对于30-300吨转炉，在转炉内加入焦炭粉或煤粉和添加剂，其配碳量为10-1200kg，利用喷枪顶吹CO₂溅渣2-6min，气体喷入量为1000-100000Nm³/h，工作压力为0.4-1.6MPa。CO₂超音速射流与高温熔渣中的碳发生化学反应生成CO和CO₂混合烟气，进行回收并分离的CO₂，再次作为溅渣护炉用气源，实现废气在转炉炼钢车间的循环利用。本发明的特点是，采用CO₂取代N₂气进行溅渣护炉操作时，可以进行煤气回收和实现CO₂循环利用，使溅渣护炉和转炉煤气回收技木达到耦合与优化，降低CO₂排放。

还有一种申请号为200810104127.2的涉及炼钢烟尘的治理方法。该发明用少量CO₂气体掺混到氧气射流中，当混合气体射流喷射到熔池时，降低了熔池“火点区”温度，当火点区温度降低到2750℃以下时，铁的蒸发将受到控制，炼钢冶炼过程中烟尘排放将减少。混合气体中，CO₂的含量控制在1％～9％，氧气的含量控制在99％～91％。采用该发明实现铁的蒸发量减少约30％～70％，烟尘造成的铁损减少5～10kg/t。

以上几种方法都集中在如何降低氧气消耗、减少烟尘量及CO₂回收利用的研究上，除溅渣护炉采用CO₂取代N₂气进行操作外，其余冶炼全程均采用混合气体，而且随着冶炼的进行混合气体的比例需要不断进行调整，这对操作控制及基础级设备都提出了更高的要求，另外，这些专利申请都没有针对生产洁净钢时利用吹CO₂进行脱碳的阐述。

发明内容

本发明提出一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法，在应用电磁感应炉冶炼洁净钢时喷吹纯CO₂气体，实现低碳出钢目标的同时又降低钢中氧含量，从而减少合金用量及降低钢水中夹杂物种类和数量，提高钢水质量。

本发明的目的是这样实现的，在应用电磁感应炉冶炼洁净钢时，当钢液中碳含量＜1.0％时，采用喷吹CO₂气体进行脱碳，通过炉气分析***控制脱碳量。

具体方法包括数据采集、原料控制、操作控制、工艺过程，

a数据采集：实验过程的炉气数据由炉气流量检测计和炉气成分分析***完成，利用炉气流量计对炉气流量进行在线检测，同时炉气成分分析***对取得的炉气样气进行分析，并把所检测到的信息通过数据通讯***传输至主控室的计算机，由数学模型进行分析计算；

b原料控制：选用生铁与中、低碳钢进行原料配比，生铁与中、低碳钢的比例控制在0-1/3；

c操作控制：熔化后测得碳含量已＜1.0％，直接喷吹CO₂气体；

d工艺过程：

1)喷吹CO₂的强度为1.0-8.0Nm³/(min·t)，气体压力为0.5-1.0MPa；

2)枪位控制在100-250mm；

3)全程底吹Ar，Ar流量为0.1-0.3Nm³/(min·t)；

4)温度控制为1500-1700℃；

5)当碳含量满足目标要求时，停吹提枪。

本发明为保持由于废钢熔化后为减少炉体热损失，维持供电功率100-300kwh/t；

本发明如果熔化后测得钢液中碳含量＞1.0％，则喷吹O₂，直至钢液中碳含量＜1.0％，喷吹O₂的强度为1.0-8.0Nm³/(min·t)，气体压力为0.5-1.0Mpa；

本发明采用炉气分析***进行在线检测炉气信息，按下列数学模型进行分析计算脱碳速率

$v_C=\frac{1}{2}\×0.1\×Q_{\mathrm{gas}}\×x_{\mathrm{co}}\×\frac{12}{22.4}\×\frac{1}{W_m}---\left(1\right)$

式中W_m——钢水质量，t吨

Q_gas——炉气流量，Nm³/s

x_co——炉气中CO的摩尔分数，％

脱碳速率与熔池碳含量存在如下关系，

对脱碳速率v_C进行积分，即可得到连续脱碳量的总和(∑C_de，kg)：

${\mathrm{\ΣC}}_{\mathrm{de}}={\∫}_0^t\left({10W}_m{v}_C\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

再结合入炉时的含碳量就可以计算出熔池中动态的w[C]，％：

w[C]＝0.1×(∑C_ori-∑C_de)/W_m            (3)

式中∑C_ori—熔池中初始碳量，kg。

在具体的实际操作中，根据具体洁净钢品种碳含量的要求，主控室的计算机作出控制指令。

本发明的优点及效果在于，采用吹CO₂的方法进行脱碳，减轻钢水过氧化现象，提高钢水质量，减少脱氧合金的使用量。对减少CO₂排放、减缓温室效应有重要的社会效益，而且对降低钢中氧含量、减少合金用量、提高钢液质量有着极其重要的现实意义。

附图说明

附图1为本发明实施例1碳、氧含量的变化图；

附图2为本发明实施例2碳、氧含量的变化图；

附图3为本发明实施例3碳、氧含量的变化图。

具体实施方式

通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法，在500kg多功能电磁感应炉上进行。在原料中配比为废钢248kg，生铁50kg，熔化钢水量298kg；渣量20kg，开吹前加入。原料的初始条件见表1及表2。

表1金属料成分/％

表2炉渣成分/％

将配好炉料熔化至1600℃以上，采用三种CO₂气体流量方案进行实验，每5min改变吹炼气体流量，并进行测温取样，全程底吹Ar流量0.1-0.3Nm³/(min·t)，当实施方案2时温度低于1500℃，采取升温措施，具体方案见表3。

表3冶炼方案

实验结果见表4。当喷吹CO₂流量提高到7.0Nm³/(min·t)时，脱碳速率明显上升，当碳含量由初始的w[C]＝0.75％降到w[C]＝0.64％时，钢中氧活度非但没有升高，反而由初始的a_O＝105×10^-6降到a_O＝77×10^-6，实现了低氧脱碳的目标。

表4专利实施例结果

实施例2：在500kg多功能电磁感应炉上进行。在原料中配比为废钢220kg，生铁70kg，熔化钢水量290kg；渣量20kg，开吹前加入。原料的初始条件与实施例1相同。

将配好炉料熔化至1600℃以上，全程底吹Ar流量0.1-0.3Nm³/(min·t)，当温度低于1500℃时采取升温措施，并进行测温取样，当测得碳含量0.35％时，停吹提枪。具体方案及结果见表5。可见在实现脱碳量为0.20％时，钢液中氧活度并未上升。

表5专利实施例结果

实施例3：在500kg多功能电磁感应炉上进行。在原料中配比为废钢236kg，生铁50kg，熔化钢水量286kg；渣量20kg，开吹前加入。原料的初始条件与实施例1相同。

将配好炉料熔化至1600℃以上，全程底吹Ar流量0.1-0.3Nm³/(min·t)，当温度低于1500℃时采取升温措施，并进行测温取样，当测得碳含量0.17％时，停吹提枪。

具体方案及结果见表6。在喷吹CO₂实现脱碳的同时，钢液中氧活度基本没有上升。

表6专利实施例结果

上述实施例采用吹O₂脱碳时，同等条件下现有技术其a_O在(856×10^-6)以上，实验证明，采用CO₂进行脱碳不但达到脱碳的目的，同时还降低了钢液中的氧活度。在实际生产中，钢液中每降低100×10^-6的活度氧，就会节约脱氧合金硅锰合金0.150kg/t、铝锰合金0.060kg/t。可见，喷吹CO₂进行脱碳，不仅仅对减少CO₂排放、减缓温室效应有重要的社会效益，而且对降低钢中氧含量、减少合金用量、提高钢液质量有着极其重要的现实意义。

Claims (5)

1.一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法，其特征在于，在应用电磁感应炉冶炼洁净钢时，当钢液中碳含量＜1.0％时，采用喷吹CO₂气体进行脱碳，通过炉气分析***控制脱碳量。

2.根据权利要求1所述的一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法，其特征在于，具体方法包括数据采集、原料控制、操作控制、工艺过程，

a数据采集：实验过程的炉气数据由炉气流量检测计和炉气成分分析***完成，利用炉气流量计对炉气流量进行在线检测，同时炉气成分分析***对取得的炉气样气进行分析，并把所检测到的信息通过数据通讯***传输至主控室的计算机，由数学模型进行分析计算；

b原料控制：选用生铁与中、低碳钢进行原料配比，生铁与中、低碳钢的比例控制在0-1/3；

c操作控制：熔化后测得碳含量＜1.0％，则直接喷吹CO₂气体；

d工艺过程：

1)喷吹CO2的强度为1.0-8.0Nm³/(min·t)，气体压力为0.5-1.0MPa；

2)枪位控制在100-250mm；

3)全程底吹Ar，Ar流量为0.1-0.3Nm³/(min·t)；

4)温度控制为1500-1700℃；

5)当碳含量满足目标要求时，停吹提枪。

3.根据权利要求1或2所述的一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法，其特征在于，电磁感应炉的供电功率100-300kwh/t。

4.根据权利要求1所述的一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法，其特征在于，当废钢熔化后测得钢液中碳含量＞1.0％时，则喷吹O₂，直至钢液中碳含量＜1.0％，喷吹O₂的强度为1.0-8.0Nm³/(min·t)，气体压力为0.5-1.0Mpa。

5.根据权利要求1所述的一种电磁感应炉喷吹CO₂脱碳的洁净钢冶炼方法，其特征在于，采用炉气分析***进行在线检测炉气信息，并按下式计算脱碳速率

$v_C=\frac{1}{2}\×0.1\×Q_{\mathrm{gas}}\×x_{\mathrm{co}}\×\frac{12}{22.4}\×\frac{1}{W_m}---\left(1\right)$

式中W_m——钢水质量，t

Q_gas——炉气流量，Nm³/s

x_co——炉气中CO的摩尔分数，％

脱碳速率与熔池碳含量存在如下关系，

对脱碳速率v_C进行积分，即可得到连续脱碳量的总和(∑C_de，kg)：

$\mathrm{\Σ}{C}_{\mathrm{de}}={\∫}_0^t\left(10W_m{v}_C\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

再结合入炉时的含碳量就可以计算出熔池中动态的w[C]，％：

w[C]＝0.1×(∑C_ori-∑C_de)/W_m        (3)

式中∑C_ori—熔池中初始碳量，kg。

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