喷射冶金的生产工艺与除杂特点

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1、喷射冶金的生产工艺与除杂特点 朱世海 ( 广西工业建筑设计研究院， 广西 南宁 5 3 0 0 2 2 ) 【 摘 要】 综述了喷射冶金的生产工艺及其去除各种杂质的特点。 关键词】 喷射冶金； 生产工艺； 金属； 过程； 除杂 随着工业技术的发展 ， 需要更多超低碳 、 超深冲、 超低 硫、 磷的优质钢材。而传统的冶炼工艺， 难以生产出工业发展 需要的优质钢材。为了适应不断提高的钢材质量要求 ， 2 0世 纪 8 O年代以后，铁水预处理和炉外精炼技术得到了迅速的 发展 ， 将转炉炼钢推进到一个全新的发展时期。其中喷射冶 金作为一项炉外精炼技术 ， 它可以在钢包内进行， 也可以在 炉内进行 ，

2、即适用于电炉也适用于转炉， 还可以适用高炉和 铁水预处理。 喷射冶金是在钢的冶炼过程中， 采用氩气或其它气体为 载体 ， 通过喷粉装置 ， 向钢液或铁水中喷人冶炼所需的特定 粉剂进行精炼的一种冶金方法。喷射冶金亦称喷粉法或称喷 吹。 为了提高钢的品质， 都必须去除一系列的有害物质。喷 射冶金 目前在钢的冶炼 中已经成为净化钢中夹杂物的主要 途径之一， 将粉料喷入钢包、 转炉、 平炉和电弧炉可用于金属 脱磷、 脱硫、 脱氧以及加速成渣。本文从生产实践出发 ， 研究 向电炉和钢包喷粉冶炼除杂特点， 分析喷射冶金改善金属质 量所具有的现实意义。 一、喷射冶金的生产工艺特点 喷射冶金改变传统的以“ 块

3、状” 和“ 批料” 加入冶金物料 的方法为以气体为载体将粉剂连续喷人钢液内。喷入粉剂在 气体动能的作用下， 使粉剂与钢液之间产生强烈搅拌 ， 为冶 炼创造良好的热力学、 动力学条件。冶炼反应主要发生在相 界面， 其速度取决于反应物相的接触总表面积。喷粉增加了 反应物的相接触面， 加速金属在炉内的运动 ， 使冶金反应过 程速度增加、 反应完善。其系统设备由储料仓、 喷粉罐、 输送 管道、 流量检测和控制系统、 喷枪及其操作系统组成。 喷粉冶金就是通过载体使粉剂在罐内流态化 ，呈悬浮 状 ，通过管道喷入钢液内部。其生产工艺具有如下的特点： ( 一) 喷人的粉剂越过渣层， 不与大气接触 ， 直接喷入

4、钢液内， 防止了它们的氧化， 粉剂的利用率高； ( 二) 喷入粉剂在气体 动能的作用下， 使粉剂与钢液之间产生强烈搅拌 ， 极大地扩 大反应物的接触面积， 因而大大改变了钢液内反应的动力学 条件， 加速了物理化学反应的速度， 有利于脱硫、 脱氧和夹杂 物的排除， 提高钢液质量； ( 三) 由于气体搅拌作用， 有利于反 应物的聚集和上浮； ( 四) 容易连续可控地配料和供料 ， 能更 合理地控制钢液内的反应 ， 从而可以改变钢中非金属夹杂物 的组成和形态； ( 五) 喷吹设备简单， 灵活性大 ， 能够提高熔炼 炉的生产能力。 二、 喷射冶金的除杂 喷射冶金可以完成的任务为： 钢液的脱硫 、 脱氧

5、、 脱磷、 去夹杂物、 改变夹杂物形态、 调温、 控制微量元素和合金化 等， 以及铁水脱硫、 脱硅、 脱磷预处理。 ( 一 ) 脱硫 硫是由生铁及燃料带人钢中的杂质。硫在通常情况下是 有害元素。使钢产生热脆性， 降低钢的延展性和韧性， 在锻造 和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利， 降低钢的耐腐蚀 性。 在一般炼钢炉甚至在精炼炉内， 要把含硫量降到0 O 1 以 下是比较困难的， 而喷粉能够明显改进脱硫的效果。 硫和氧是表面活性元素。当金属中含氧为 0 0 1 或以上 时， 氧的吸收比硫高， 在这种条件下金属不可能获得低的含 硫量。生产实践表明， 在采用碱性包衬、 炉渣和脱氧正常情况 时 ，

6、喷吹钙镁的脱硫率可达 7 5 一 - 8 7 ， 喷吹 C a O和 C a F 1 时 可达 4 0 一 8 0 。 用氩气流喷石灰粉时硫在金属一粒子界面被脱去。脱硫 过程包括硫向界面的扩散、 硫经界面的传输和反应产物向粒 子内部的扩散 ， 最后一个阶段是最慢的， 但它决定了脱硫过 程的速度和完善程度。 在喷石灰粉 时 ， 当粒子尺寸在 1 - 2 ra m 的范 围时 ， 获得 最 大的脱硫程度， 在 l O T电炉可以获得 0 0 0 5 的含硫量； 当粒 子尺寸较小时，喷粉的大部分未经作用就被氩气泡带走， 当 粒子尺寸大于2 m m时， 反应的总表面积及脱硫程度均减少。 生产实践证明，

7、 用复合脱硫剂脱硫具有效率高、 成本低 等优点。有人曾进行过用萤石粉喷人铁水中的脱硫试验， 喷 吹量达 1 9 k g t 之多， 而脱硫率仅为3 。 但在 C a O中掺入 C a R 粉后， C a O的脱硫速度显著增加， 而且最终硫含量也降低了。 c a 的加入大大提高了 C a O的脱硫速度和脱硫效率。另外， C a F 2 可以降低熔渣的熔点 ， 使操作条件容易控制。石灰价格 低廉， 来源广泛， 很容易成为人f J 的首选脱硫剂。虽然从热力 学上分析， C a O不如 C a F !- 、 a 2 C O 脱硫能力强， 但这并不是石 灰的弱点， 根据动力学分析， 工业上的脱硫处理 ，

8、 更重要的是 动力学条件， 而脱硫剂的脱硫速度取决于硫在铁水中的扩散 4 7 速度以及粉粒在铁水中的停留时间。因此 ， 如何改善动力学 条件， 是炉外脱硫能否取得收效的关键。除了采取增大反应 面积、 加强搅拌、 提高物质的移动速度外 ， 还应设法破坏和防 止 2 C a O S i O 2 层的生成。 ( 二 ) 脱磷 在一般情况下， 磷是钢中有害元素， 增加钢的冷脆性 ， 使 焊接性能变坏 ， 降低塑性， 使冷弯性能变坏。因此通常要求钢 中含磷量小于0 0 4 5 ， 优质钢要求更低些。磷由生铁带人钢 中， 在一般情况下， 钢中的磷能全部溶于铁素体中。 用于铁水预脱磷采用的脱磷剂主要由氧化剂

9、、 造渣剂和 助熔剂组成， 目前工业上应用的脱磷剂主要有苏打系脱磷剂 和石灰系脱磷剂两类， 它们必须附加以氧化剂( 气体氧和固体 氧化剂) 和助熔剂。含碳熔池脱磷用粉料组成为石灰、 铁矿和 萤石。铁矿是磷氧化所需的， 喷吹首选气体的氧使铁氧化， 然 后形成的氧化铁氧化磷。如果粉料组成中没有铁矿， 那么只 有当渣中形成大量氧化铁后脱磷才开始， 这减慢了脱磷过程， 大大增加铁损。 粉料组成中铁矿的数量取决于金属吹氧结束时的含碳 量， 含碳量为 0 1 0 一 0 3 0 时， 粉料中铁矿组成为 2 0 ； 如果 吹氧结束时含碳量为 0 5 0 一 0 6 0 ，则矿石数量增至 4 0 一5 0 。

10、萤石是为 了更快形成液渣。 金属吹氧强化了碳的氧化， 可是， 升温快而加入块状渣料 时成渣慢 ， 这就不允许将钢中碳含量吹得很低。喷人粉料熔 剂加速了成渣过程， 粉粒尺寸可达 1 m m， 粉料用氧气载流， 通 过涂有耐火材料的喷管喷人钢液 ， 喷管经窥视孔插入炉内， 浸 入金属深度为2 0 0 3 0 0 m m。金属熔化后喷射立即开始， 粉料 喷完后紧接着继续进行单独吹氧。 在喷粉时渣滴形成， 它们浮出金属并在表面形成炉渣 ， 从 窥视孔流出进入渣包。一般在单独吹氧前不放渣。吹氧结束 时， 金属温度虽然升至 1 6 0 0 1 6 5 0 ， 但是不发生由炉渣向金 属的回磷。 脱磷过程是一

11、种非均质过程 ， 由三个阶段组成： 第一阶段 是磷从金属内部传递至金属一渣滴界面 ，第二阶段是在金 属一渣滴界面磷被氧化 ， 第三阶段是最慢的一个阶段 ， 因此 ， 为使脱磷更完全， 渣相应具有最小的粘度。 研究指出， 在 C a O和 F e O的渣中， 如果 C a F 约含 7 则 渣有最小的牯度。这个数字近似地相当于粉料组成中萤石含 有 1 0 。 计算表明， 对 1 0 T电弧炉金属脱掉的磷 ， 有 6 5 的磷进 入喷入气粉流的瞬间所形成的渣滴中而被脱去， 3 5 的磷是 在金属表面被渣滴及表面的渣所脱去。脱磷速度随气泵压力 及喷管插人深度增加而增大。在容量为 1 0 2 0 T的

12、电炉， 磷在 5 7 分钟内从 0 0 3 5 降至 0 0 0 5 ，粉料消耗 占金属重量的 3 。 在电炉钢生产中使用合金废料 ， 氧化铬增加了渣的粘度， 减慢石灰在渣中的溶解 ， 因此含铬金属的去磷操作更困难， 而 且确实观察到因铬的氧化而使其困难程度增加。 含在石灰和萤石的粉料可使含铬金属脱磷， 研究指出， 氧 化铬增加这种渣的粘度。如果粉料中萤石为 4 0 左右 ， 则粘 48 度的增量很小。 由于金属一渣滴界面形成氧化铬， 使含铬金属的脱磷程 度减少约4 0 。氧化铬阻塞界面， 阻碍磷向渣滴的传递， 在粉 料中添加铁矿使铬的氧化增加， 使脱磷更糟。 在容量为 1 0 T的电炉，喷粉

13、料和氧气前后的磷含量为 0 0 1 6 一 0 0 2 3 及 0 0 0 7 一 0 0 0 9 ，氧化期末铬减少 1 5 至 0 7 ， 如果在熔化末铬含量为 5 4 0 一 5 6 5 ， 则氧化期末铬 为 4 0 0 ， 此时， 磷从 0 0 2 0 减至 0 0 1 0 ， 粉料消耗占金属重 量 3 左右 。 ( 三 ) 脱碳 钢中含碳量增加 ， 屈服点和抗拉强度升高， 但塑性和冲击 韧性降低， 当含碳量超过 0 2 3 时， 钢的焊接性能变坏， 因此 用于焊接的低合金结构钢 ， 含碳量一般不超过 0 2 0 。 在喷粉脱磷的同时伴随着铁矿、 氧化铁或气态氧的脱碳。 喷粉降低了喷管下

14、金属的温度减缓 了脱碳过程， 降碳速度取 决于粉料在氧流中浓度以及粉料组成中铁矿的数量。 如需获得碳范围为0 0 1 5 一 0 0 2 0 的低炭钢，通常需使 渣中含 6 5 F E O及金属温度为 1 7 0 0 左右， 这导致耐火炉衬 寿命降低、 铁损增加。 当在 1 0 T电炉中进行熔炼时， 在金属预先吹氧使碳不超 过 0 1 0 后再开始喷粉， 金属温度不低于 1 5 8 0 ， 然后， 将铁 矿和萤石比为 9 ： 1 的粉料在4 _ 7分钟内喷入金属，粉料耗量 为金属重量 的 4 ， 金属喷粉后含碳为 0 0 0 7 一 0 0 1 4 ， 而成 品含碳 0 0 1 3 一 0 0

15、 2 0 。 ( 四 ) 脱 氧 固态钢中存在的氧将引起晶格歪曲， 使钢的力学、 磁学和 其他性能发生变化， 因此， 要把钢中的氧降低到最低限度。 氧是一种较活泼的元素， 它与氢不同， 通常不是以气体形 式被去除，它是依靠特殊的脱氧反应形成氧化物而被去除。 脱氧过程包括脱氧剂和溶解在金属中的氧向反应区的扩散、 脱氧剂和溶解氧的反应、 脱氧产物的长大、 上浮被渣吸收。脱 氧过程的限制环节是脱氧产物一非金属夹杂从金属中的去 除。 在实际条件下， 夹杂物是通过金属的运动而去除的。 如果 金属吹氩， 由于氩气是一种惰性气体， 吹人钢液内的氩气既不 参与化学反应， 也不在其内溶解， 氩气内的氢、 氮、

16、氧等含量很 少 ， 钢中溶解的气体不断地向氩气泡内扩散； 由于氩气上浮过 程中受热膨胀 ， 因此钢中的气体不断地进入氩气泡， 最后随氩 气泡逸出钢液而被去除。此外 ， 氩气泡上浮过程中推动钢液 上下运动， 搅拌钢液， 钢液的搅拌还促进了夹杂物的上浮排 除， 同时又加速了脱气过程的进行。 如果渣粉喷射时使用氩气流， 则脱氧的程度更高， 这是因 为非金属夹杂被气泡携带同时上浮， 条件更好。 非金属夹杂被渣粒吸收的速度取决于渣的粘度。温度为 1 5 5 0 1 6 0 0 ， 石灰和 A 1 1 O 渣粒的粘度比石灰和萤石渣粒粘 度高 4 5 倍 。 ( 五) 包内喷射的除杂 试验用氩气载流向 1 8 T容量的钢包喷入石灰和萤石之 比为 3 ： 1