專利名稱：一種利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煉鋼技術(shù)，特別涉及一種在鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐吹煉或二次精煉過程中利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法。

背景技術(shù)：
CaO作為煉鋼熔劑最常用的組分之一，在煉鋼的脫硫和脫磷過程中發(fā)揮重要的作用。但是單質(zhì)CaO的熔點(diǎn)高達(dá)2570℃，在煉鋼溫度下呈固態(tài)，無法單獨(dú)使用。因此常添加Al2O3或SiO2等兩性或酸性氧化物，與堿性氧化物CaO形成低熔點(diǎn)的復(fù)合化合物來增進(jìn)CaO與鋼液的接觸，以提高脫硫和脫磷的效率。例如日本專利JP3827010介紹了LF爐渣的成分為CaO(50-70％)-Al2O3(10-20％)-SiO2(3-10％)-MgO(5-10％)，由CaO-Al2O3-SiO2相圖可知，這種成分渣的熔點(diǎn)小于1500℃，可以形成低熔點(diǎn)的復(fù)合化合物2CaO·Al2O3·SiO2。這樣改善了渣的流動性，促進(jìn)了LF中的脫硫反應(yīng)，并強(qiáng)化了對于夾雜物的吸附去除作用。但是，添加酸性氧化物SiO2，在降低渣熔點(diǎn)的同時，也減小了CaO的活度，降低了CaO的反應(yīng)性。
為了能夠降低含CaO溶劑的熔點(diǎn)又不降低CaO的反應(yīng)性，常用的辦法是添加CaF2。日本專利JP636606介紹了含CaO溶劑造渣促進(jìn)劑的配方是錳礦石和CaF2。中國專利01120108.8介紹了一種鋼桶精煉爐深脫硫渣，其成分為BaO(1O-35％)-CaO(25-50％)-SiO2(8-10％)-MgO(0.1-8％)-Al2O3(5-20％)，在該渣中添加CaF2(5-15％)可以降低熔點(diǎn)。
雖然添加CaF2可以有效地降低煉鋼溶劑的熔點(diǎn)，可是使用后廢渣中包含的F元素會揮發(fā)于空氣中或溶于土壤里，造成環(huán)境污染，所以CaF2的使用正受到越來越嚴(yán)格的限制。
另外，在含CaO的溶劑中，還可以添加NaO2或Na2CO3來改善溶劑的流動性和提高其堿性。日本專利JP0711-20提出了在鋼水中添加46.2kg/tonCaO、FeO、CaF2溶劑的同時，添加13.8kg/tonNa2O。由于改善了渣的流動性，并提高了渣的堿度，鋼水脫磷的效果得到了改善。中國專利號98100567.5公開了一種脫硫渣改質(zhì)劑，其成分為Na2CO3(35-50％)-SiO2(35-50％)-CaF2(8-15％)。該改質(zhì)劑在脫硫渣中CaO含量達(dá)42.3-71.9％的情況下，能與脫硫渣共熔形成熔點(diǎn)低、流動性好的脫硫渣，提高了脫硫效果?？墒荖aO2或Na2CO3具有很強(qiáng)的堿性，對耐火材料的腐蝕作用很強(qiáng)，因而這種方法在工業(yè)上應(yīng)用有其局限性。
為了促進(jìn)含CaO溶劑的造渣，改善渣的流動性，提高其脫硫脫磷的效果，除了上述添加溶劑的方法之外，還可以采用提高渣層溫度的方法。日本專利JP3319244介紹了一種促進(jìn)鋼水升溫和脫硫的方法。鋼水脫硫劑由CaO和Al2O3組成，CaO/Al2O3的比值為0.8-2.5。在鋼水中加入Al，并向鋼水中噴吹氧化性氣體，利用鋼水中Al的氧化反應(yīng)放出的熱量，升高鋼水的溫度。
但是這種方法的缺點(diǎn)是伴隨著鋼水中Al的氧化反應(yīng)，在鋼液中產(chǎn)生了大量的Al2O3夾雜，影響鋼液的清潔度；向鋼水中噴吹氧化性氣體，提高了鋼水的氧位，不利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行；此外利用鋼水中Al的氧化反應(yīng)，必須先提高鋼水整體的溫度，然后才能提高渣層的溫度，Al的利用率和提高渣層溫度的熱效率不高。
利用LF爐可以局部地提高渣層的溫度。在LF爐電極起弧的作用下，在渣層附近形成了局部高溫區(qū)，這樣可以添加熔點(diǎn)和堿度較高的有利于脫硫的溶劑(如含CaO的溶劑)造渣。這是LF爐具有良好脫硫效果的重要原因之一。但是，LF爐需要龐大的設(shè)備投資，消耗大量的電力和電極材料，同時C電極的溶損還會導(dǎo)致鋼水的增碳，這樣既提高了鋼水精煉的成本，又使超低碳鋼種的生產(chǎn)受到了限制。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法，該方法可以對渣層進(jìn)行高效地加熱，促進(jìn)造渣，改善渣的流動性?？梢哉{(diào)節(jié)渣的氧位，以適應(yīng)脫硫和脫磷對于渣氧位的不同要求。同時成本低廉，不污染環(huán)境，不對耐火材料造成額外的侵蝕。
本發(fā)明的技術(shù)方案是， 一種利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法，在鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐吹煉和二次精煉過程中，選用氧化鐵粉和鋁粉作為發(fā)熱劑，與溶劑一道投入鐵水或鋼水中造渣，該溶劑含CaO，鋁粉使用量是溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量的1.0-6.6％，氧化鐵粉使用量是溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量的3.0-78％。
進(jìn)一步，含CaO的溶劑與發(fā)熱劑中氧化鐵粉和鋁粉均勻混合，然后投入鐵水或鋼水中造渣。
又，根據(jù)脫硫、脫磷或僅僅促進(jìn)造渣和改善熔渣流動性的要求，調(diào)節(jié)氧化鐵粉和鋁粉的質(zhì)量配比，調(diào)節(jié)發(fā)熱劑中氧化鐵粉和鋁粉的質(zhì)量配比為3比1，可以促進(jìn)造渣和改善熔渣流動性；如質(zhì)量配比大于3比1，可以促進(jìn)脫磷反應(yīng)；質(zhì)量配比小于3比1，則可以促進(jìn)脫硫反應(yīng)。
為了促進(jìn)含CaO溶劑的造渣，改善渣的流動性，最有效的加熱手段是在溶劑的內(nèi)部產(chǎn)生熱源直接對溶劑進(jìn)行加熱，局部地提高渣層的溫度。為了提高溶劑的脫硫脫磷效果，還要求可以調(diào)節(jié)終渣的氧位，以適應(yīng)脫硫脫磷對于氧位的不同要求。
為此，本發(fā)明選用氧化鐵粉和鋁粉作為發(fā)熱劑。利用氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)釋放的熱量，促進(jìn)含CaO溶劑的造渣，改善渣的流動性。這是因?yàn)?，所添加的原料Fe2O3和Al，都是煉鋼過程中常用的熔渣成分或鋼水成分，氧化鐵的鋁熱還原的產(chǎn)物為Al2O3和Fe。被還原的Fe進(jìn)入鋼水或鐵水。產(chǎn)物Al2O3不明顯降低渣的堿度，對于脫硫脫磷反應(yīng)不產(chǎn)生不利的影響。同時這些原料價格低廉，原料和反應(yīng)產(chǎn)物不會造成環(huán)境污染，或?qū)δ突鸩牧袭a(chǎn)生額外的侵蝕。
本發(fā)明將含CaO的溶劑與發(fā)熱劑氧化鐵粉和鋁粉均勻混合，利用氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)釋放的熱量，實(shí)現(xiàn)從含CaO溶劑的內(nèi)部產(chǎn)生熱源直接進(jìn)行加熱的目的。這樣可以在對熔池整體溫度不產(chǎn)生明顯影響的同時，局部地提高渣層的溫度，大大地提高了加熱溶劑的熱效率。氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)可表示為 Fe2O3+2Al＝2Fe+Al2O3-856.1kJ/mol 該反應(yīng)伴隨著每摩爾856.1kJ的發(fā)熱量。所使用的氧化鐵粉可以是純Fe2O3粉，或者是煉鋼過程中的廢棄物，如含氧化鐵的轉(zhuǎn)爐渣；所使用的鋁粉可以是純鋁粉，或者是鋁熔煉過程中產(chǎn)生的價格低廉的鋁浮渣(一般含金屬鋁30-40％，其余為Al2O3)。
本發(fā)明確立了最大限度地提高鋁利用率的工藝條件。在這種工藝條件下，可以使氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量剛好等于溶劑中各種成分的升溫和溶化所需的熱量，由此最小限度地添加鋁粉，以提高鋁的利用率。雖然根據(jù)渣系的不同，鋁粉的最小添加量會發(fā)生少許變化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本發(fā)明所確定的鋁粉最小添加量約為溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量的1％。所以鋁粉使用量的合適范圍是溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量的1.0-6.6％，鋁粉在鋁熱還原反應(yīng)中作為還原劑發(fā)揮作用。如果鋁粉的使用量小于1.0％，氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量小于溶劑和發(fā)熱劑中各種成分的升溫和溶化所需的熱量，溶劑不能完全熔化。如果使用量大于6.6％，過量地添加鋁粉，會導(dǎo)致鋁利用率的降低，成本上升。
本發(fā)明通過調(diào)節(jié)發(fā)熱劑中氧化鐵粉和鋁粉的添加量，可以控制終渣的氧位，以適應(yīng)脫硫或者是脫磷對于氧位的不同需求。根據(jù)鋁熱還原反應(yīng)方程式可以知道，溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量3％的Fe2O3粉約可以與溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量1％鋁粉的完全反應(yīng)。所以，調(diào)節(jié)發(fā)熱劑中氧化鐵粉和鋁粉的質(zhì)量配比為3比1，可以促進(jìn)造渣和改善熔渣流動性；該質(zhì)量配比大于3比1，讓氧化鐵鋁熱還原反應(yīng)完成之后，渣中的氧化鐵富余，提高熔渣的氧位，可以促進(jìn)脫磷反應(yīng)；該質(zhì)量配比小于3比1，渣中的Al富余，降低熔渣的氧位，可以促進(jìn)脫硫反應(yīng)。
因此本發(fā)明具有適應(yīng)不同冶煉需求的靈活性，根據(jù)不同的工藝目的，F(xiàn)e2O3使用量的合適范圍是3.0-78％，F(xiàn)e2O3粉在鋁熱還原反應(yīng)中作為氧源的提供劑發(fā)揮作用。如果Fe2O3使用量不足3.0％，該使用量小于與最小鋁添加量1％鋁粉反應(yīng)所需的Fe2O3粉量，鋁熱還原反應(yīng)不能完全進(jìn)行，所產(chǎn)生的熱量不能滿足溶劑中各種成分的升溫和溶化的需要，溶劑不能完全熔化。如果Fe2O3的使用量大于78％，將導(dǎo)致溶渣具有過高的氧位，難以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用。
本發(fā)明利用氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)可以促進(jìn)造渣，改善渣的流動性。通過發(fā)熱劑配比的變化，又可以調(diào)節(jié)終渣的氧位，以促進(jìn)脫硫或者是脫磷反應(yīng)的進(jìn)行。利用本發(fā)明的方法，結(jié)合工業(yè)需求進(jìn)行渣系設(shè)計，可以應(yīng)用于鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐吹煉和二次精煉過程中。
本發(fā)明的有益效果 本發(fā)明可以在渣層內(nèi)部產(chǎn)生熱源直接加熱渣層，在對熔池整體溫度不產(chǎn)生明顯影響的同時，局部地提高渣層的溫度，具有很高的Al利用率和提高渣層溫度的熱效率。還可以通過發(fā)熱劑配比的變化調(diào)節(jié)渣的氧位，以適應(yīng)脫硫和脫磷對于渣氧位的不同要求。同時，本發(fā)明方法成本低廉，不污染環(huán)境、不對耐火材料造成額外的侵蝕，可以提高煉鋼反應(yīng)的效率。



圖1為本發(fā)明實(shí)施例1試料的掃描電鏡照片和EDS分析結(jié)果。
圖2為本發(fā)明對比例1試料的掃描電鏡照片和EDS分析結(jié)果。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2試料的掃描電鏡照片和EDS分析結(jié)果。
圖4為本發(fā)明對比例2試料的掃描電鏡照片和EDS分析結(jié)果。
圖5a、圖5b為本發(fā)明實(shí)施例2和對比例2的DSC測定結(jié)果。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例3的DSC測定結(jié)果。

具體實(shí)施例方式 試驗(yàn)原料的純度和平均粒徑如表1所示。以一定的比例混合這些原料之后，利用冷等靜壓裝置在150MPa的壓力下保持1h，制作成試料壓丸。壓丸的直徑為3mm，長為2mm。
表1試驗(yàn)原料的純度和粒徑 實(shí)施例是利用高溫顯微鏡進(jìn)行的。在高溫顯微鏡系統(tǒng)中，利用微型加熱爐加熱試樣，最高加熱溫度為1500℃。其中光學(xué)顯微鏡配有數(shù)碼攝像機(jī)和監(jiān)視計算機(jī)，用來對試樣的熔化過程進(jìn)行原位觀察和拍攝。在微型加熱爐中使用Pt坩堝，其內(nèi)徑為6.0mm，高為2.0mm。在坩堝的底部使用熱電偶測量溫度。
將試料壓丸放在Pt坩堝內(nèi)，在加熱之前，使用擴(kuò)散泵將微型加熱爐內(nèi)抽真空，然后充填A(yù)r氣，試樣在Ar氣惰性氣氛中加熱。在試驗(yàn)過程中，為了保持惰性氣氛，Ar氣流量為3.3×10-6m3/s。試樣以50K/min的速率升溫至1073K，然后以10K/min的速率升溫至1623K。針對不同的試料，在1273K，1373K，1473K，1523K，1573K分別保溫10min，以考察試料的熔化狀態(tài)。
經(jīng)過上述方法加熱后的試料，在冷態(tài)利用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察，以判斷其熔化狀態(tài)。在試料的各個部位，利用能譜儀(EDS)進(jìn)行分析，可以進(jìn)一步確認(rèn)熔化狀態(tài)和組分的均勻性。對于試料的準(zhǔn)確熔化溫度利用示差熱分析儀(DSC)進(jìn)行測定。
實(shí)施例1 實(shí)施例1和對比例1的試料成分如表2所示。
表2實(shí)施例1和其對比例的試料成分(mass％) 單位質(zhì)量百分比 在實(shí)施例1中，F(xiàn)e2O3和Al按照摩爾比1∶2的加入量添加。鋁熱還原反應(yīng)之后，除Fe之外，其它的成分與對比例1的成分基本相同。這種終渣不含氧化鐵，屬于較低氧位的渣。從CaO-Al2O3-SiO2三元相圖可以知道，其熔點(diǎn)較低，為1573K。
利用微型加熱爐對實(shí)施例1的試料進(jìn)行加熱，在1473K保溫10min，冷卻后試料的掃描電鏡照片和EDS分析結(jié)果如圖1、表3所示。從掃描電鏡照片可見，試料已經(jīng)熔化。EDS分析結(jié)果表明試料的各部位成分基本均勻，形成了均一的渣相。
表3EDS分析結(jié)果at％ 利用微型加熱爐將對比例1的試料也進(jìn)行加熱，在1573K保溫10min，冷卻后試料的掃描電鏡照片和EDS分析結(jié)果如圖2、表4所示。從掃描電鏡照片可見，試料沒有完全熔化，EDS分析結(jié)果表明試料的各部位成分不均勻。在點(diǎn)C和點(diǎn)D的位置，顯示了原料中單質(zhì)化合物的成分。在點(diǎn)E的位置，CaO和Al2O3發(fā)生了互溶，但是SiO2未能熔化。
表4EDS分析結(jié)果at％ 對比圖1和圖2可以知道，在氧化鐵鋁熱還原反應(yīng)的作用下，實(shí)施例1中試料的熔化得到了促進(jìn)，在較低的溫度下發(fā)生了造渣反應(yīng)。
實(shí)施例2 實(shí)施例2和對比例2的試料成分如表5所示。
表5實(shí)施例2和其對比例的試料成分(mass％) 單位質(zhì)量百分比 在實(shí)施例2中，F(xiàn)e2O3過量加入。鋁熱還原反應(yīng)之后，除Fe之外，其它成分與對比例2的成分基本相同。這種終渣含較高的氧化鐵，屬于較高氧位的渣。從CaO-Al2O3-FeO三元相圖可以知道，其熔點(diǎn)較低，為1523K。
利用微型加熱爐將實(shí)施例2的試料進(jìn)行加熱，在1523K保溫10min，冷卻后試料的掃描電鏡照片和EDS分析結(jié)果如圖3、表6所示。從掃描電鏡照片可見，試料已完全熔化，EDS分析結(jié)果表明試料已經(jīng)形成了均一的渣相。
表6EDS分析結(jié)果at％ 利用微型加熱爐將對比例2的試料也進(jìn)行加熱，在1523K保溫10min，冷卻后試料的掃描電鏡照片和EDS分析結(jié)果如圖4、表7所示。從掃描電鏡照片可見，試料沒有完全熔化，EDS分析結(jié)果表明CaO和Fe2O3雖然發(fā)生了互溶，但是Al2O3未能熔化。
表7EDS分析結(jié)果at％ 實(shí)施例2和對比例2的DSC測量結(jié)果如圖5a、圖5b所示，實(shí)施例在1500K只出現(xiàn)了一個強(qiáng)烈放熱峰，表明隨著氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)的進(jìn)行，試料完全熔化。但是在對比例2中，在1480K和1610K分別出現(xiàn)兩個吸熱峰，對比圖4的結(jié)果可知，它們對應(yīng)著CaO和Fe2O3的兩組分互溶反應(yīng)和CaO-Fe2O3-Al2O3的三組分互溶反應(yīng)，最終的熔化溫度為1610K。
由上述結(jié)果可以知道，在氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)的作用下，實(shí)施例2中試料的熔化得到了促進(jìn)，造渣反應(yīng)可以在更低的溫度下進(jìn)行。
實(shí)施例3 實(shí)施例3的試料成分如表8所示。
表8實(shí)施例3的試料成分(mass％) 單位質(zhì)量百分比 在實(shí)施例3中，F(xiàn)e2O3過量地加入。鋁熱還原反應(yīng)之后，除Fe之外，其它的成分與對比例2的成分相同。所以終渣具有較高的氧位，其熔點(diǎn)為1523K。此外，為了最大限度地提高鋁的利用率，選用了最少的鋁添加量，使氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量剛好等于溶劑中各種成分的升溫和溶化所需的熱量。該添加量為1.0mass％。
實(shí)施例3的DSC測量結(jié)果如圖6所示，在1480K出現(xiàn)一個很弱的吸熱峰，對應(yīng)于CaO和Fe2O3的兩組分互溶反應(yīng)。在1500K出現(xiàn)了一個很弱的放熱峰，表明隨著氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)的進(jìn)行，試料已完全熔化。由于Al的添加量很少，氧化鐵的鋁熱還原反應(yīng)放出的熱量基本抵消各種成分溶化所需的熱量，所以放熱峰的高度很低。
本發(fā)明促進(jìn)造渣，改善渣的流動性；同時調(diào)節(jié)渣的氧位，以適應(yīng)脫硫和脫磷對于渣氧位的不同要求；同時成本低廉，不污染環(huán)境，不對耐火材料造成額外的侵蝕。本發(fā)明用于鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐吹煉、二次精煉過程中，快速熔化含CaO的溶劑形成不同氧位的熔渣，促進(jìn)脫硫或者脫磷反應(yīng)的進(jìn)行，提高煉鋼反應(yīng)的效率。由于提高含CaO溶劑的利用效率是各個煉鋼廠普遍存在的問題，因此本發(fā)明可以在各鋼鐵公司推廣使用。
權(quán)利要求
1.一種利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法，在鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐吹煉和二次精煉過程中，選用氧化鐵粉和鋁粉作為發(fā)熱劑，與溶劑一道投入鐵水或鋼水中造渣；該溶劑含CaO，鋁粉使用量是溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量的1.0-6.6％，氧化鐵粉使用量是溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量的3.0-78％。
2.如權(quán)利要求1所述的利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法，其特征是，含CaO的溶劑與發(fā)熱劑中氧化鐵粉和鋁粉均勻混合，然后投入鐵水或鋼水中造渣。
3.如權(quán)利要求1或2所述的利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法，其特征是，調(diào)節(jié)發(fā)熱劑中氧化鐵粉和鋁粉的質(zhì)量配比為3比1。
4.如權(quán)利要求1或2所述的利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法，其特征是，調(diào)節(jié)發(fā)熱劑中氧化鐵粉和鋁粉的質(zhì)量配比大于3比1。
5.如權(quán)利要求1或2所述的利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法，其特征是，調(diào)節(jié)發(fā)熱劑中氧化鐵粉和鋁粉的質(zhì)量配比小于3比1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用鋁熱還原反應(yīng)對煉鋼渣改質(zhì)的方法，在鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐吹煉和二次精煉過程中，選用氧化鐵粉和鋁粉作為發(fā)熱劑，與溶劑一道投入鐵水或鋼水中造渣，該溶劑含CaO，鋁粉使用量是溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量的1.0-6.6％，氧化鐵粉使用量是溶劑和發(fā)熱劑總質(zhì)量的3.0-78％。本發(fā)明的方法可以對渣層進(jìn)行高效地加熱，促進(jìn)造渣，改善渣的流動性?？梢哉{(diào)節(jié)渣的氧位，以適應(yīng)脫硫和脫磷對于渣氧位的不同要求。同時成本低廉，不污染環(huán)境，不對耐火材料造成額外的侵蝕。
文檔編號C21C7/076GK101736134SQ20081020353
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月27日
發(fā)明者楊健 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司