CN113430334A - 一种提高200系不锈钢废钢比的gor冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法，其结合热量平衡和质量平衡，建立了公式1：T1+T2 ΔW‑T3 M1‑T4≥T5和公式2：M1+M2‑M3≤M4，并根据公式1和公式2测算200系不锈钢废钢的最大添加量；与此同时，根据200系不锈钢废钢对不锈钢钢水脱碳行为的影响，通过公式3：M1+M2‑M3≤M4和公式4：ɑ[C]^3 ɑ(Cr2O3)/ɑ[Cr]^2=PCO^3/K提供合理的吹氧制度（即GOR炉的底枪吹氧的氧气吹入量和一氧化碳分压PCO），从而实现有效提高200系不锈钢废钢比至≥6%的同时，保证GOR的高冶炼效率和低成本。

Description

一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法
技术领域
本发明属于不锈钢冶炼领域，具体涉及一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法。
背景技术
200系不锈钢作为节镍经济型不锈钢，被广泛运用在家用装饰、厨具、家电等领域。随着我国200系不锈钢废钢的逐渐增加，提高不锈钢生产过程中200系不锈钢废钢的使用率有利于降低冶炼成本，这也符合国家所提倡的低碳、绿色、低排放的发展方向。
然而，目前200系不锈钢GOR冶炼过程中冷料（包括高碳铬铁4~10%、石灰4~9%、硅锰合金4~6%、200系废钢2~4%）的添加总量大（一般会达到17%以上）；同时冶炼工艺也未综合考虑热量平衡，当进一步提高废钢的添加量易出现冶炼过程热量不足的情况，导致吹氧冶炼过程中金属容易被氧化，使得还原硅的消耗（还原硅指还原金属所使用的硅铁消耗）偏高，增加总硅铁消耗（硅铁消耗＞20kg/t），增加冶炼成本。与此同时，200系不锈钢废钢中通常含有8~12%的锰元素，大量添加200系不锈钢废钢会增加钢液的锰含量，而较高的锰含量又会降低碳元素的活度，抑制脱碳反应的进行；当钢水中锰含量较高、碳含量较低时仍采用较大的氧气流量，会导致钢液中铬、锰等金属元素大量被氧化，这会降低合金收得率（＜95%）和GOR冶炼效率。
发明内容
本发明旨在提供一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法，能够解决现有的200系不锈钢冶炼工艺难以有效增加200系不锈钢废钢使用量的技术问题，同时能够将铬、锰等金属的氧化和还原硅的消耗控制在较低水平，提高冶炼效率。
一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法，包括如下步骤：（1）将200系不锈钢初炼钢水倒入GOR炉中，顶枪、底枪均按照现有的吹氧氧气流量进行吹氧脱碳，并在吹氧脱碳期间加入高碳铬铁和石灰，脱碳至钢液成分满足：碳含量为0.4～0.7%；之后顶枪停吹，向GOR炉中加入200系废钢，使得钢液成分满足：碳含量为0.4～0.7%，锰含量0.5～3%；之后，调整底枪的氧气流量、吹氧时间为特定的底枪吹氧氧气流量和吹氧时间继续进行底枪吹氧，直至钢液中碳含量满足成品要求；
其中所述高碳铬铁和石灰按照现有的200系不锈钢生产工艺中高碳铬铁、石灰的常规加入量来添加；
其中所述的200系不锈钢废钢的加入量根据以下方法来确定：
先将200系不锈钢初炼钢水倒入GOR炉中并获取入炉钢水的成分、重量和初始温度，再根据以下公式1的热量平衡公式和公式2的质量平衡公式来计算200系不锈钢废钢的最大加入量：
T1+T2ΔW-T3M1-T4≥T5 公式1；
式中：T1-入炉钢水的初始温度，℃；T2-假设钢水中各元素被氧化时所对应的单位质量氧化物升温，℃/t；ΔW-假设钢水中各元素被氧化时所对应的氧化物质量增加量，t；T3-单位质量冷料的添加所带来的温降，℃/t；M1-冷料（即200系不锈钢废钢、高碳铬铁和石灰）加入总量，t；T4-冶炼过程温降，℃；T5-加还原硅之前的钢水温度，℃；
M1+M2-M3≤M4 公式2；
式中：M1-冷料（包括200系不锈钢废钢、高碳铬铁和石灰）加入总量，t；M2-入炉钢水的重量，t；M3-冶炼过程中的脱碳、脱硅质量，t；M4-GOR炉的可装入量，t；
取同时满足公式1和公式2的冷料加入总量M1的最大加入量作为所述的冷料加入总量的最大加入量，所述的冷料加入总量的最大加入量减去除200系不锈钢废钢之外的其它冷料的总量，即得到200系不锈钢废钢的最大加入量；
其中所述特定的底枪吹氧氧气流量和吹氧时间根据以下方法来确定：
V1=V2/η 公式3；
式中：V1，吹入氧气总量，m3；V2，钢液脱碳所需的理论耗氧量，m3；η，GOR炉的脱碳氧气利用率，%。
ɑ[C]^3ɑ(Cr2O3)/ɑ[Cr]^2=PCO^3/K 公式4；
式中：ɑ[C]，钢液中碳的活度；ɑ(Cr2O3)，氧化铬的活度；ɑ[Cr]，铬的活度；PCO，一氧化碳分压；K，脱碳平衡常数；
由公式3可获得GOR炉的底枪吹氧的氧气吹入总量V1，由公式4可获得GOR炉的底枪吹氧的一氧化碳分压PCO；
根据GOR炉的底枪总流量（GOR炉的底枪总流量由GOR炉型特征决定）与公式4中一氧化碳分压PCO计算得到所述特定的底枪吹氧氧气流量；同时，根据公式3中吹入氧气总量V1及所述特定的底枪吹氧氧气流量进一步计算得到所述特定的底枪吹氧吹氧时间；
（2）吹氧结束，向GOR炉中加入还原硅，挡渣出钢。
本发明根据生产实践经验，并结合热量平衡和质量平衡，建立了公式1和公式2，并根据公式1和公式2测算200系不锈钢废钢的最大添加量；与此同时，根据200系不锈钢废钢对不锈钢钢水脱碳行为的影响，通过公式3和公式4提供合理的吹氧制度（即GOR炉的底枪吹氧的氧气吹入量和一氧化碳分压PCO），从而实现有效提高200系不锈钢废钢比至≥6%的同时，保证GOR的高冶炼效率和低成本。
在具体实施过程中，所述现有的顶枪吹氧氧气流量为0.8-1.6Nm3/(min·t)，所述现有的底枪吹氧氧气流量为0.6-0.90Nm3/(min·t)。
在具体实施过程中，所述高碳铬铁的重量占钢液质量百分比为4~10%，石灰的重量占钢液质量百分比为4~9%。
其中所述步骤（2）中的还原硅的添加量根据以下方法确定：
M5=M6+M7+M8 公式5；
式中：M5，还原硅的添加量，t；M6，吹氧结束后炉渣中氧化铬的总质量，t；M7，吹氧结束后炉渣中氧化锰的总质量，t；M8，吹氧结束后炉渣中氧化亚铁的总质量，t。
优选的，所述还原硅采用高硅硅锰或硅锰合金中的一种或两种组合。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进一步详细说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
采用经高炉-LD得到的200系不锈钢初炼钢水，生产钢种为09Cr15Mn10Ni2CuN，其GOR冶炼方法的具体步骤如下：
（1）将200系不锈钢初炼钢水倒入GOR炉中，并检测GOR入炉钢水的重量为80.8t，入炉初始温度为1434℃，钢水各元素的质量分数为：
[C]：3.246%、[Si]：0.18%、[Mn]：0.51%、[P]：0.052%、[S]：0.048%、[Cr]：12.52%、[Ni]：1.45%、[Cu]：0.03%、[N]：0.013%，其余为Fe和其他元素；
并根据以下公式1的热量平衡公式和公式2的质量平衡公式来计算200系不锈钢废钢的最大加入量：
T1+T2ΔW-T3M1-T4≥T5 公式1；
式中：T1-入炉钢水的初始温度，℃；T2-假设钢水中各元素被氧化时所对应的单位质量氧化物升温，℃/t；ΔW-假设钢水中各元素被氧化时所对应的氧化物质量增加量，t；T3-单位质量冷料的添加所带来的温降，℃/t；M1-冷料（包括200系不锈钢废钢、高碳铬铁和石灰等）加入总量，t；T4-冶炼过程温降，℃；T5-加还原硅之前的钢水温度，℃；
M1+M2-M3≤M4 公式2；
式中：M1-冷料（包括200系不锈钢废钢、高碳铬铁和石灰）加入总量，t；M2-入炉钢水的重量，t；M3-冶炼过程中的脱碳、脱硅质量，t；M4-GOR炉的可装入量，t；
取同时满足公式1和公式2的冷料加入总量M1的最大加入量作为所述的冷料加入总量的最大加入量，所述的冷料加入总量M1的最大加入量减去除200系不锈钢废钢之外的其他冷料的总量，即得到200系不锈钢废钢的最大加入量；
表1
Figure 550396DEST_PATH_IMAGE001
接着，GOR炉的顶枪、底枪按照现有的吹氧氧气流量进行吹氧脱碳，顶底复吹16min，在顶底复吹期间加入高碳铬铁和石灰；当钢水中的碳含量达到0.53%时，顶枪停吹，向GOR炉中加入上述计算得到的最大加入量的200系不锈钢废钢，使得钢液成分满足：碳含量为0.51～0.55%，锰含量1.6%；并根据公式3和公式4，调整底枪吹氧的氧气流量为0.45Nm3/(min·t)，继续吹氧至钢液中碳含量满足成品要求；
所述底枪吹氧的氧气流量根据以下方法来确定：
V1=V2/η 公式3；
式中：V1-吹入氧气总量，m3；V2-200系不锈钢废钢脱碳所对应的理论耗氧量，m3；η-GOR炉的脱碳氧气利用率，%。
ɑ[C]^3ɑ(Cr2O3)/ɑ[Cr]^2=PCO^3/K 公式4；
式中：ɑ[C]-钢液中碳的活度；ɑ(Cr2O3)-氧化铬的活度；ɑ[Cr]-铬的活度；PCO-一氧化碳分压；K-脱碳平衡常数；
其中ɑ[C]，钢液中碳的活度；ɑ(Cr2O3)，氧化铬的活度；ɑ[Cr]，铬的活度；各组元活度均可通过热力学定律和公式计算得到，属于本领域的公知技术，在此不做赘述；
由公式3可获得GOR炉的底枪吹氧的氧气吹入量V1，由公式4可获得GOR炉的底枪吹氧的一氧化碳分压PCO；
表2
Figure 264274DEST_PATH_IMAGE002
（2）吹氧结束，加入高硅硅锰4.4t，钢水温度为1592℃，GOR挡渣出钢，得到97.8t钢水，出钢钢水成分为：
[C]：0.071%、[Si]：0.34%、[Mn]：9.36%、[P]：0.036%、[S]：0.002%、[Cr]：14.6%、[Ni]：1.28%、[Cu]：1.35%、[N]：0.162%，其余为Fe和其他元素。
M4-GOR炉的可装入量和η- GOR炉的脱碳氧气利用率均由GOR炉的特征决定。
实施例1中200系不锈钢废钢比为11.9%，金属收得率为96.7%，每吨钢硅铁消耗为16.8kg/t。
实施例2
本实施例采用高炉-LD-GOR工艺冶炼不锈钢，生产钢种为12Cr14Mn10NiN，其GOR冶炼方法的具体步骤与实施例1的不同之处在于：
（1）GOR入炉钢水的重量为83.7t，入炉钢水初始温度为1433℃，钢水各元素的质量分数为：
[C]：3.011%、[Si]：0.19%、[Mn]：0.48%、[P]：0.06%、[S]：0.061%、[Cr]：10.2%、[Ni]：1.34%、[Cu]：0.04%、[N]：0.029%，其余为Fe和其他元素；
表3
Figure 778432DEST_PATH_IMAGE003
当钢水中的碳含量达到0.48%时，顶枪停吹；加入200系不锈钢废钢后，钢液成分满足：碳含量为0.47～0.49%，锰含量1.1%；调整底枪吹氧的氧气流量为0.42Nm3/(min·t)；
表4
Figure 704800DEST_PATH_IMAGE004
（2）吹氧结束，加入高硅硅锰3.7t、硅锰合金0.6t，钢水温度为1601℃，GOR挡渣出钢，出钢钢水99t，钢水成分为：
[C]：0.102%、[Si]：0.54%、[Mn]：9.71%、[P]：0.038%、[S]：0.004%、[Cr]：13.21%、[Ni]：1.18%、[Cu]：0.28%、[N]：0.131%，其余为Fe和其他元素。
实施例2中200系不锈钢废钢比为7.3%，金属收得率为95.2%，每吨钢硅铁消耗为14.8kg/t。
由实施例1和实施例2的试验结果可知：通过使用本冶炼方法，可以使得200系不锈钢废钢比≥6%，金属收得率≥95%，吨钢硅铁消耗≤17kg/t，降低冶炼不锈钢的综合成本。
对比例1
本对比例采用高炉-LD-GOR工艺冶炼不锈钢，生产钢种为8Cr14Mn10Ni2CuN，其冶炼步骤如下：
（1）GOR入炉钢水重量83.3t入炉钢水温度为1434℃，入炉钢水成分的质量分数为：
[C]：3.45%、[Si]：0.13%、[Mn]：0.53%、[P]：0.052%、[S]：0.039%、[Cr]：11.11%、[Ni]：1.32%、[Cu]：0.02%、[N]：0.015%，其余为Fe和其他元素。
GOR冶炼过程中加入200系不锈钢废钢3.2t，高碳铬铁4.6t，石灰6.2t，总吹氧量3745m3。
（2）还原期，加入高硅硅锰5.7t，钢水温度1777℃，GOR挡渣出钢，出钢钢水量91t，钢水成分为：
[C]：0.086%、[Si]：0.4%、[Mn]：10.73%、[P]：0.036%、[S]：0.003%、[Cr]：13.55%、[Ni]：1.17%、[Cu]：0.82%、[N]：0.138%，其余为Fe和其他元素。
本对比例中200系不锈钢废钢比为3.3%，金属收得率为94.5%，每吨钢硅铁消耗为22.6kg/t。
本发明的所有实施例和对比例中所采用的200系不锈钢废钢的来源是：根据国标采购的200系废钢。所述200系不锈钢废钢的成分组成为：[C]：≤0.2%、[Si]：0.2~0.5%、[Mn]：≥9%、[P]：≤0.06%、[S]：≤0.01%、[Cr]：≥13.5%、[Ni]：≥1.0%、[Cu]：≥0.3%，其余为Fe和其他元素。

Claims (4)

1.一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法，包括如下步骤：
（1）将200系不锈钢初炼钢水倒入GOR炉中，顶枪、底枪均按照现有的吹氧氧气流量进行吹氧脱碳，并在吹氧脱碳期间加入高碳铬铁和石灰，脱碳至钢液成分满足：碳含量为0.4～0.7%；之后顶枪停吹，向GOR炉中加入200系废钢，使得钢液成分满足：碳含量为0.4～0.7%，锰含量0.5～3%；之后，调整底枪的氧气流量、吹氧时间为特定的底枪吹氧氧气流量和吹氧时间继续进行底枪吹氧，直至钢液中碳含量满足成品要求；
其中所述高碳铬铁和石灰按照现有的200系不锈钢生产工艺中高碳铬铁、石灰的常规加入量来添加；
其中所述的200系不锈钢废钢的加入量根据以下方法来确定：
先将200系不锈钢初炼钢水倒入GOR炉中并获取入炉钢水的成分、重量和初始温度，再根据以下公式1的热量平衡公式和公式2的质量平衡公式来计算200系不锈钢废钢的最大加入量：
T1+T2ΔW-T3M1-T4≥T5 公式1；
式中：T1-入炉钢水的初始温度，℃；T2-假设钢水中各元素被氧化时所对应的单位质量氧化物升温，℃/t；ΔW-假设钢水中各元素被氧化时所对应的氧化物质量增加量，t；T3-单位质量冷料的添加所带来的温降，℃/t；M1-冷料（即200系不锈钢废钢、高碳铬铁和石灰）加入总量，t；T4-冶炼过程温降，℃；T5-加还原硅之前的钢水温度，℃；
M1+M2-M3≤M4 公式2；
式中：M1-冷料（包括200系不锈钢废钢、高碳铬铁和石灰）加入总量，t；M2-入炉钢水的重量，t；M3-冶炼过程中的脱碳、脱硅质量，t；M4-GOR炉的可装入量，t；
取同时满足公式1和公式2的冷料加入总量M1的最大加入量作为所述的冷料加入总量的最大加入量，所述的冷料加入总量的最大加入量减去除200系不锈钢废钢之外的其它冷料的总量，即得到200系不锈钢废钢的最大加入量；
其中所述特定的底枪吹氧氧气流量和吹氧时间根据以下方法来确定：
V1=V2/η 公式3；
式中：V1，吹入氧气总量，m3；V2，钢液脱碳所需的理论耗氧量，m3；η，GOR炉的脱碳氧气利用率，%；
ɑ[C]^3ɑ(Cr2O3)/ɑ[Cr]^2=PCO^3/K 公式4；
式中：ɑ[C]，钢液中碳的活度；ɑ(Cr2O3)，氧化铬的活度；ɑ[Cr]，铬的活度；PCO，一氧化碳分压；K，脱碳平衡常数；
由公式3可获得GOR炉的底枪吹氧的氧气吹入总量V1，由公式4可获得GOR炉的底枪吹氧的一氧化碳分压PCO；
根据GOR炉的底枪总流量（GOR炉的底枪总流量由GOR炉型特征决定）与公式4中一氧化碳分压PCO计算得到所述特定的底枪吹氧氧气流量；同时，根据公式3中吹入氧气总量V1及所述特定的底枪吹氧氧气流量进一步计算得到所述特定的底枪吹氧吹氧时间；
（2）吹氧结束，向GOR炉中加入还原硅，挡渣出钢。
2.根据权利要求1所述的一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法，其特征在于：所述高碳铬铁的重量占钢液质量百分比为4~10%，石灰的重量占钢液质量百分比为4~9%。
3.根据权利要求1所述的一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法，其特征在于：所述步骤（2）中的还原硅的添加量根据以下方法确定：
M5=M6+M7+M8 公式5；
式中：M5，还原硅的添加量，t；M6，吹氧结束后炉渣中氧化铬的总质量，t；M7，吹氧结束后炉渣中氧化锰的总质量，t；M8，吹氧结束后炉渣中氧化亚铁的总质量，t。
4.根据权利要求1所述的一种提高200系不锈钢废钢比的GOR冶炼方法，其特征在于：所述还原硅采用高硅硅锰或硅锰合金中的一种或两种组合。
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