提高不銹鋼電爐冶煉中鉻元素收得率的試驗研究★

馬駿鵬， 陳景鋒

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西 太原 030003）

21世紀以來，我國不銹鋼工業進入高速發展時期，不銹鋼產量快速增長。然而，我國的鉻礦儲量較為貧乏，國內鋼鐵企業的鉻原料大部分依賴于進口，對外依存度超過80%以上[1]。目前，不銹鋼冶煉多采用電爐—AOD工藝進行冶煉，電爐的作用是為AOD工序提供初煉預溶液，即將含有Cr、Ni的廢鋼、生鐵或其他物料熔化后提供給AOD爐進一步脫C冶煉。作為熔化不銹鋼廢鋼的電爐工序，為了提高生產效率并節約電能，往往在電極熔化廢鋼的同時吹入氧氣，達到升溫助熔的目的。但是，吹氧過程不可避免地使得鋼中鉻元素嚴重氧化，使得電爐出鋼后鉻元素的收得率顯著降低[2]，增加不銹鋼的生產成本。所以，提高電爐冶煉不銹鋼過程中鉻元素的收得率，是節約鉻資源的需要，也是鋼鐵企業降本增效的主要途徑，已成為冶金工作者在生產實踐中關注的重要課題。

1 電爐中鉻損失的因素與控制方法

不銹鋼中的鉻元素在冶煉過程中與鋼水中的溶解氧、氣氛中的氧氣和鋼渣中的氧化物會發生氧化反應。當電爐中爐料開始熔化時，鉻元素的氧化隨之開始，尤其在吹氧助熔過程中氧化反應更加強烈，這是電爐中鋼水鉻損失最主要的途徑，且一直持續到出鋼。不銹鋼的配料通常有廢鋼（碳鋼、合金鋼和不銹鋼） 和鐵合金（Fe-Cr、Fe-Cr、Fe-Mn和 Ni等）組成。同時，原料中也不可避免地存在不同數量和類型的氧化物，特別是修磨產生的金屬屑末。這些氧化物在熔化后均會與鋼水中的Cr發生反應。爐料熔化過程中，還原劑會加入到電爐中回收以氧化鉻形式存在于渣中的Cr，還原劑熔池由Fe-Si、Al和造渣劑比如石灰等組成。爐料完全熔化后，把鋼水倒入AOD中。在電爐出鋼的過程中，鋼水吸氧，還會有0.27%～0.33%的鉻損失[3-6]。

因此，如果要減少Cr的損失，主要應關注如何減少鉻的氧化與如何做好鉻的氧化物還原工作。關于爐料，雖然知道應減少氧化物原料的加入量，但由于廢鋼市場價格的影響，爐料設計最終是由成本決定的，故無法避免金屬屑末等氧化物的使用。關于吹氧溫度，高溫吹氧有利于脫碳保鉻，但由于電爐吹氧主要是為了利用鋼水氧化放熱而助熔，所以需在鋼水局部熔化即開始吹氧，鋼水中鉻的氧化無法避免。綜上所述，電爐中的鉻損失只能通過鋼水、鋼渣的成分以及鋼渣堿度的調整來控制。

2 試驗方法與設備

本文試驗均以電爐冶煉304不銹鋼預熔液為例，研究上一年度實際生產的100余爐鋼水中Si含量和鋼渣堿度對鋼水出鋼后鉻收得率的影響，從而可優化參數，指導生產實踐。電爐關鍵設備參數見下頁表1，出鋼化學成分見下頁表2。

3 試驗結果與討論

3.1 Si含量對鋼水鉻回收率的影響

在煉鋼過程中，脫氧劑通常使用錳、硅和鋁。由于錳的氧化、還原反應的熱力學性質與鉻很相近，二者與氧結合的能力相當，所以在富鉻鋼渣中，錳難以起到還原劑的作用，主要是用硅和鋁作為還原劑。從經濟上考慮，由于硅和鋁的成本相差很大，且1 kg的75%硅鐵和1 kg鋁還原出的鉻相當，因此還原劑選用硅鐵更為經濟。還原反應如式1所示，可見提高鋼液中的Si含量，可以促進還原反應的進行。

表1 電爐關鍵設備參數

表2 出鋼化學成分 %

在上一年度實際生產的100余爐中選取鋼渣堿度在1.3～1.4范圍內的數據，共22爐，以鋼水Si含量為橫坐標，以鋼水Cr收得率為縱坐標，繪于圖1，圖中直線為22爐數據以最小二乘法擬合得到。由圖1可見，隨著鋼水中Si含量的提高，Cr的收得率有逐漸升高的趨勢。當鋼水中w（Si）＜2.1%時，數據中出現了很多Cr收得率低于90%的情況，而當鋼水中w（Si）＞2.1%時，鋼水Cr收得率基本均在95%以上，得到了很好的還原效果。

3.2 鋼渣堿度對鋼水鉻回收率的影響

關于電爐中鋼渣堿度的選擇，有文獻[7]認為電爐鋼渣堿度升高會使渣中氧化鉻含量降低，即對鉻的回收有利。當電爐鋼渣堿度在1.1～1.6之間時，對應的鋼渣中氧化鉻含量最低。當電爐鋼渣的堿度大于1.8時，鋼渣黏度顯著增加，阻礙了鋼渣中氧化鉻的還原反應，導致鉻的收得率回落。從本廠上一年度實際生產的100余爐中選取鋼水Si的質量分數在1.9%～2.1%范圍內的數據，共25爐，以鋼渣堿度為橫坐標，以鋼水Cr收得率為縱坐標，繪于圖2，圖中直線為25爐數據以最小二乘法擬合得到。由圖2可見，在本廠實際生產過程中，在堿度高于1.4后，Cr收得率出現明顯增加，普遍達到95%以上，已達到較為滿意的還原效果。

圖1 鋼水中Si含量對Cr收得率的影響

圖2 鋼渣堿度對Cr收得率的影響

3.3 生產實踐

前兩節分別考慮了電爐鋼水中Si含量和電爐鋼渣堿度對于鉻收得率的影響，得到的較優參數為鋼水w（Si）＞2.1%，鋼渣堿度高于1.4。但在實際生產中，鋼水中Si含量和鋼渣的堿度并不能一味地提高。這是由于隨著鋼渣堿度的升高，鋼渣黏度增加，液渣界面減少，鉻的還原反應條件被限制，表現為隨著鋼渣堿度的繼續升高，鉻的還原反應趨于某一極限值。而對于鋼水中的Si含量，也不能一味地提高。鋼渣的堿度是 w（CaO）和 w（SiO2）的比值，當 Si含量升高時，為保證合適的鋼渣堿度，CaO的加入量也相應增加，這便導致了電爐中渣量的增加，以及冶煉輔料、電耗成本的增加。基于此，本年度生產實踐選用了電爐鋼水w（Si）范圍2.1%～2.3%，電爐鋼渣堿度范圍1.4～1.6的生產工藝。生產工藝改進前、后的Cr收得率統計數據如圖3所示。由圖3中可見，生產工藝改進后，Cr收得率平均值由之前的94.1%上升至95.4%。

圖3 工藝參數改進前后Cr收得率對比

4 結論

本文分析了電爐中鉻損失的因素和控制方法，研究了鋼水中Si含量和鋼渣堿度對鉻收得率的影響規律，結論如下：

1）隨著鋼水中Si含量的提高，電爐中Cr收得率隨之升高。當鋼水中w（Si）＞2.1%時，鋼水Cr收得率基本均在95%以上，得到了很好的還原效果。

2）隨著電爐鋼渣堿度的升高，電爐中Cr收得率隨之升高。當鋼渣堿度大于1.4時，Cr收得率普遍達到95%以上。

3）將電爐鋼水Si的質量分數控制在2.1%～2.3%，電爐鋼渣堿度控制在1.4～1.6范圍內時，Cr收得率平均值由改進前的94.1%上升至95.4%。

[1]劉根泉.2008-2009年中國鉻系鐵合金生產經營分析[J].冶金管理，2009（10）：14-18.

[2]李志斌.還原不銹鋼渣中Cr2O3的實驗研究[C]//2008特鋼年會論文集.北京：中國金屬學會特鋼分會、特鋼冶煉學術委員會，2008.

[3]張懷宇.電爐冶煉不銹鋼期間鉻的控制[J].大連特殊鋼，2000（3）：26-31.

[4]祝方義.電爐熱裝脫磷鐵水冶煉不銹鋼工藝實踐[C]//第十五屆全國煉鋼學術論文集.北京：中國金屬學會特鋼學會，2008.

[5]閆春泉，蔣東兵.不銹鋼冶煉提高鉻收得率的研究[J].電站系統工程，2011，27（2）：68.

[6]莫濤，杜佳，李濤.電弧爐冶煉不銹鋼G-X4CrNi13的工藝實踐[J].鑄造技術，2011，32（9）：1334-1336.

[7]劉之彭，毛佳君，李秋菊，等.不銹鋼渣中氧化鉻還原的實驗研究[J].上海金屬，2009，31（6）：19-22.