水钢35 t转炉用碳化硅脱氧合金化试验

龙 雨,胡友红,谢 祥,杨昌涛,高长益

(首钢水城钢铁(集团)有限责任公司,贵州六盘水 553028)

水钢35 t转炉用碳化硅脱氧合金化试验

龙 雨,胡友红,谢 祥,杨昌涛,高长益

(首钢水城钢铁(集团)有限责任公司,贵州六盘水 553028)

在35 t转炉炼钢脱氧合金化过程中采用碳化硅代替部分硅铁及增碳剂对钢水进行脱氧合金化,从热力学角度分析了碳化硅在脱氧合金化过程中的反应机理。探讨了用碳化硅作脱氧剂对碳和硅的收得率、钢种命中率、方坯质量和钢筋的力学性能的影响,设计了试验方案,确定了碳化硅在炼钢脱氧合金化过程中的使用可行性。

转炉炼钢;脱氧合金化;碳化硅;降成本

1 引言

长期以来,水钢炼钢厂一直沿用复合脱氧剂、硅铁、硅锰铁等作为转炉脱氧合金化的主要材料。而传统硅锰合金、硅铁、增碳剂资源日益紧张,市场价格一路攀升,增加了炼钢成本,因此,引进和使用新型的廉价脱氧材料尤其重要[1]。早在六十年代,国外已经开始把金刚砂下脚料应用于炼钢中,而国内钢厂用得比较少。碳化硅颗粒作为炼钢用脱氧剂,脱氧速度快,进一步降低能耗,同时由于碳化硅的分解,使钢液增[C]和增[Si],可以替代部分增碳剂和硅铁对钢进行脱氧合金化,经济效益明显[2]。

2 碳化硅脱氧的机理

2.1 碳化硅的理化性质

碳化硅是一种人工合成的化合物,是以石英、焦炭为主要原料,在电阻炉中经高温冶炼合成的一种人造合金材料,其分子式为SiC,分子量为40.07,密度为3.20 g/cm3,升华温度为2700℃,质量百分组成为70%的硅和30%的碳,生产碳化硅的化学反应式为:SiO2+3C=SiC+2CO↑。在碳化硅生产过程中,随着化学反应的进行,炉料的高温范围不断扩大,生成碳化硅的量逐渐增大。生成的碳化硅品位高低与冶炼时间、冶炼温度、原材料选择及反应材料距炉芯体的距离有关。

关于碳化硅的合金化程度,一般而言,若品位过低,则未反应的石油焦、石英砂之类残留物较多,一方面影响炼钢脱氧合金化时合金元素的收得率,另一方面对钢液的纯净度不利,因此SiC的含量至少应在50%以上。关于使用碳化硅合金的经济性,根据目前碳化硅市场价格情况,理论计算了降成本效果,对于普通钢,选用含SiC 50%的碳化硅合金(以下简称50#碳化硅),则经济性较好。

2.2 碳化硅在钢液中反应的热力学

碳化硅的分解温度至少在2300℃以上,而转炉炼钢出钢温度一般为1600～1700℃,碳化硅作为脱氧合金化材料,是否能溶解于钢液中,会不会以夹杂物的形式残存于钢中,影响钢的质量。因此,下面就研究碳化硅在钢液中的溶解机理。根据文献[3]介绍,碳化硅、硅铁、增碳剂的脱氧反应和标准自由能△G°与温度T的关系如下:

(2)硅铁脱氧反应

(3)增碳剂脱氧反应

可得出各种脱氧剂脱氧反应的标准自由能与温度的关系见图1。

图1 △G°-T关系图

从图1可见,碳化硅与氧的反应在生成各种产物时,与增碳剂、硅铁一样,自由能均为负值,因此在出钢过程中具备碳化硅与氧反应的热力学条件,同时,反应产生的CO气体和出钢全过程底吹氩(氮)保证了反应的动力学条件,达到碳化硅在钢液中完全溶解的条件。

3 试验条件和方法

3.1 试验条件

(1)50#碳化硅各元素含量见表1所示。

(2)水钢35 t转炉冶炼的终点钢水的碳含量和温度见表2。

表1 碳化硅合金成分

表2 终点钢水的碳含量和温度

3.2 试验方法

碳化硅加入量75 kg/炉,在出钢过程中见钢水后加入,脱氧合金化顺序为:SiC—Si Mn Fe—SiFe—终脱氧剂。

4 试验结果

4.1 各元素收得率

在试验期间,每炉钢加入碳化硅75 kg,统计了50炉钢的硅和碳的收得率,与未采用碳化硅脱氧(即完全采用硅铁和增碳剂脱氧)的50炉钢的硅和碳的收得率进行比较。图1是碳化硅合金与硅铁合金的Si收得率比较,由统计可知,碳化硅合金的Si收得率为90.29%～95.17%,平均93.18%,而未使用碳化硅合金时,硅铁合金的Si收得率只有67.28%～71.37%,平均69.46%。可见,碳化硅合金的Si收得率比硅铁合金的Si收得率高23.72%。图2是碳化硅合金与增碳剂的C收得率比较,由统计可知,碳化硅合金的C收得率为84.13%～89.51%,平均86.67%,而未使用碳化硅合金时,增碳剂的C收得率只有55.18%～59.31%,平均57.15%。可见,碳化硅合金的C收得率比增碳剂的C收得率高29.52%。由于碳化硅密度为3.20 g/cm3,比钢水密度小,因此,在出钢过程中的前期加入,有利于Si、C元素的溶解和稳定。在使用碳化硅过程中,HRB335、HRB400钢种的命中率稳定在97%以上。

4.2 铸坯质量和钢材力学性能

(1)铸坯低倍组织对比

根据YB/T 4002—2013《连铸钢方坯低倍组织缺陷评级图》标准,对HRB335、HRB400钢的150 mm×150 mm连铸方坯的酸浸低倍试样进行检查评级,每个钢种分别检查50炉未使用碳化硅和50炉使用碳化硅的铸坯低倍试样,皮下气泡级别对比见表3。从表3可见,对于HRB335钢,未使用碳化硅的铸坯低倍皮下气泡级别为0～0.20级,平均0.10级,使用碳化硅的铸坯低倍皮下气泡级别为0～0.15级,平均0.08级;对于HRB400钢,无论是否使用碳化硅,其铸坯低倍都没有皮下气泡。对于所有钢种,未使用碳化硅与使用碳化硅的铸坯低倍试样,都没有表面裂纹、中间裂纹、中心裂纹等缺陷。

图1 碳化硅合金与硅铁合金的Si收得率

图2 碳化硅合金与增碳剂的C收得率

表3 铸坯低倍皮下气泡级别对比

(2)螺纹钢筋力学性能对比

根据取样检验结果,使用碳化硅脱氧工艺生产的HRB335和HRB400钢筋的质量和性能都不低于原工艺生产的钢筋,并符合GB 1499.2—2007《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》国家标准,未使用碳化硅的50炉钢与使用碳化硅的50炉钢的ϕ25 mm钢筋的力学性能对比见表4。从表4可见,对于HRB335钢筋,未使用碳化硅时,屈服强度ReL=380～420 MPa,平均400 MPa,抗拉强度Rm= 515～545 MPa,平均530 MPa,延伸率δ=28.5%～30%,平均29%,使用碳化硅时,屈服强度ReL= 385～430 MPa,平均420 MPa,抗拉强度Rm=515～540 MPa,平均525 MPa,断后伸长率A=29%～32%,平均30%;对于HRB400钢筋,未使用碳化硅时,屈服强度ReL=440～480 MPa,平均460 MPa,抗拉强度Rm=600～645 MPa,平均620 MPa,断后伸长率A=22.5%～25%,平均24%,使用碳化硅时,屈服强度ReL=445～490 MPa,平均465 MPa,抗拉强度Rm=605～645 MPa,平均620 MPa,断后伸长率A=22%～25%,平均24%。

4.3 经济效益分析

每炉钢加入碳化硅75 kg,平均节约硅铁30 kg/炉,节约增碳剂25 kg/炉,按硅铁单价6000元/t、增碳剂单价1450元/t、碳化硅单价2100元/t、试验炉次平均炉产量29.74 t计算,效益如下:

硅铁平均比正常情况下少加入30 kg/炉,节约成本:

(30 kg×6元/kg)/29.74 t=6.05元/t

表4 ϕ25 mm钢筋力学性能对比

增碳剂比正常情况下平均少加入25 kg/炉,节约成本:

(25 kg×1.45元/kg)/29.74 t=1.22元/t

碳化硅增加成本为:

(75 kg×2.1元/kg)/29.74 t=5.29元/t

35 t转炉加入75 kg/炉碳化硅时的效益为:

6.05 +1.22-5.29=1.98元/t。

5 结语

(1)理论分析和实际应用均证明转炉炼钢过程中采用碳化硅合金对钢水进行脱氧合金化,技术上是可行的。

(2)碳化硅合金与硅铁合金相比,前者的Si收得率为90.29%～95.17%,平均93.18%,后者的Si收得率为67.28%～71.37%,平均69.46%,前者比后者平均高出23.72%。

(3)碳化硅合金与增碳剂相比,前者的C收得率为84.13%～89.51%,平均86.67%,后者的C收得率为55.18%～59.31%,平均57.15%,前者比后者平均高出29.52%。

(4)35 t转炉每炉钢使用75 kg碳化硅作为脱氧剂,每吨钢可降低成本1.98元,并能保证铸坯质量及钢材力学性能。

[1] 李永刚,赵红亮,黄道昌,等.转炉应用碳化硅合金化的生产实践[J].炼钢,2006,24(6):8-11.

[2] 张朝晖,巨建涛,李小明.转炉碳化硅脱氧试验研究[J].四川冶金,2001(1):13-14.

[3] 耿志军.碳化硅脱氧的特性及效果分析[J].甘肃冶金, 1995(3):13-18.

Experiment of Deoxidization and Alloying Process with SiC in 35 t Converter Steelmaking in Shuigang

LONG Yu,HU Youhong,XIE Xiang,YANG Changtao,GAO Changyi

(Shougang Shuicheng Iron&Steel(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui 553028,Guizhou,China)

During deoxidization and alloying process in 35 t converter steelmaking,we experimentally used SiC to substitute a part of ferrosilicon and carburant for deoxidization and alloying of liquid steel,analyzed reaction mechanism of SiC during deoxidization and alloying according to thermodynamics,studied effects of SiC on recovery rate of C and Si,hitting rate of steel grades,quality of billet and mechanical properties of steel bar,designed experimental plans,and confirmed feasibility to use SiC for deoxidization and alloying in steelmaking.

converter steelmaking,deoxidization and alloying,SiC,reducing cost

TF704.1

A

1001-5108(2017)02-0011-03

龙雨,高级工程师,主要从事钢铁冶金及钢铁企业管理工作。