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CN1206373C - 用硝酸钙使炼钢渣起泡的方法及硝酸钙的这种应用 - Google Patents

用硝酸钙使炼钢渣起泡的方法及硝酸钙的这种应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使炼钢渣起泡的方法，其中，硝酸钙被单独加入渣中，或者硝酸钙和碳一起被加入渣中。可以通过溜槽或喷枪借助喷射气体如空气、二氧化碳或惰性气体把硝酸钙和碳送入渣中。可以单独喷入固态成分，或者用同一支喷枪喷入，或作为预熔颗粒喷入。对于盛钢桶渣起泡来说，从熔融物上方加入硝酸钙和碳。最好采用4∶1-2∶1的硝酸钙与碳之比。为了使不锈钢渣起泡，最好在通过喷射气体把硝酸钙和碳加入或喷入渣之前加入FeSi、Al或Mg。可以把空气、二氧化碳或惰性气体用作喷射气体。本发明还涉及把碳酸钙用作炼钢渣起泡剂的用途。本发明可以被用于电弧炉和盛钢桶中的渣起泡。

Description

用硝酸钙使炼钢渣起泡的方法及硝酸钙的这种应用
技术领域
本发明涉及使炼钢渣起泡的方法以及把硝酸钙用作炼钢中的渣起泡剂。
背景技术
在炼钢中使用电弧炉、转炉、盛钢桶是炼钢专业的技术人员众所周知的技术，参见T.Abel.Engh；“Principles of Metal Refining”，0xford Science Publications，ISBN 0-19-856337-X，(1992)。
电弧冶炼工艺与其它炼钢工艺的区别在于其把废钢铁用作主要炉料。在冶炼周期初始阶段内，把废钢铁加入炉中并且通过使电流经过炉子的石墨电极来熔化废钢铁。在熔化过程中加入造渣剂，以防止熔融物被氧化。在初始熔化阶段内，在炉料表面上形成了渣，这些渣在整个冶炼过程中始终存在，直到开口放热。渣层成分取决于熔融物中的杂质并且还取决于熔融物的添加材料。在熔化后，钢水被转移到转炉和盛钢桶中。
最近几年，钢厂曾试图获得产生泡沫渣的好方法，因为这样的方法带来了几个工艺优点。泡沫渣将产生更好的绝热性能，这意味着电弧炉的热损失更小。防止耐火砖和电极受到电弧辐射，这意味着使用寿命的延长并且减弱了声音。电弧得到稳定并且可以提高功率输入，这带来了更高的生产率。因此，在文献中记载了不同的渣起泡法和渣起泡剂。
从US4528035中知道了一种使在熔化了炼钢原材料后产生于炼钢电弧炉中的渣起泡的方法，即当在钢水表面上的渣量至少为4英寸厚时，通过加入这样的起泡剂来使渣起泡，即所述起泡剂主要包含氧化钙(CaO)和游离碳(C)颗粒。
US4447265描述了一种用在电弧炉炼钢中的渣起泡合成物和方法。这种合成物约占15wt％-80wt％(重量百分比)地含有碳源，余量基本上由钙氧化物构成，或者，合成物约占15wt％-30wt％地含有碳源，余量基本上由白云石石灰构成。该方法包括在采用电弧炉炼钢的过程中在初次熔化废钢铁后在炉料中加入该发明的炼钢添加成分。
从FR2634787中知道了一种通过靠近金属-渣界面地吹氧并在与碳酸盐物质如石灰石或白云石混合前把碳化材料加入渣中来产生泡沫渣的方法。
从JP08041521中知道了如此在盛钢桶中使渣起泡，即从熔融物上方加入含碳源的氮化钙(CaCN)，由此如此造成渣体积增大，即盛钢桶撇渣更有效。
不锈钢渣很难起泡并且只是最近才研究出在电弧炉中产生泡沫渣的可靠方法。在Masucci，P.，Capodilupo，D.，Brascugli，G.(1993)的“用于在电弧炉中熔融的不锈钢的泡沫渣”(Electric FurnaceProceedings，P289-24)中描述了这样的方法。加入石灰石(碳酸钙)和煤来产生泡沫。它们是由石灰石和冶金煤(碳含量为87％)的混合物构成的，颗粒尺寸为0.5毫米-1毫米并且与淀粉粘结。石墨和石灰石之比为50/50。通过吹送大量氧气并添加石灰石-煤内核获得了渣起泡。
对于目前的不锈钢冶炼渣起泡法来说，为了获得适当的泡沫，渣的成分范围不得不很窄。另一个缺点就是，数量不允许的合金元素Cr被氧化成Cr2O3并随渣损失掉，参见M.Gornerup，Doctoral Thesis“Studies of Slag Metallurgy in stainless Steelmaking”，ISBN91-7170-205-9(1997)。
发明内容
本发明的目的是要找到其它有效的起泡剂且尤其是在不锈钢渣中产生泡沫的起泡剂。另一个目的是要避免与以前知道的起泡剂有关的缺陷。
通过权利要求书所限定的方法获得本发明的这些和其它目的。
因此，本发明涉及一种本发明涉及使炼钢渣起泡的方法，其中，硝酸钙被单独加入渣中，或者硝酸钙和碳一起被加入渣中。
此外，可以通过溜槽或喷枪借助喷射气体如空气、氮气、二氧化碳或惰性气体把硝酸钙和碳送入渣中。可以单独喷入固态成分，或者用同一支喷枪喷入，或作为预熔颗粒喷入。对于盛钢桶渣起泡来说，从熔融物上方加入硝酸钙或含碳的硝酸钙。最好采用4∶1-2∶1的硝酸钙与碳之比。为了使不锈钢渣起泡，最好在通过喷射气体把硝酸钙和碳加入或喷入渣之前加入FeSi、Al或Mg，为此，可以把空气、氮气、二氧化碳或惰性气体用作喷射气体。
本发明还涉及把碳酸钙用作炼钢渣起泡剂的用途。本发明可以被用于电弧炉和盛钢桶中的渣起泡。
具体实施方式
我们发现，硝酸钙是有效的炼钢渣起泡剂，尤其是用于不锈钢的炼钢渣起泡剂。
当气体被喷入渣中时，形成了气泡。在泡沫顶面上的气泡破裂消失。在稳定状态下，作为分隔气泡的薄膜而被向上带走的液体通过按上开裂过程而释放出的液体的向下流动而得到补偿。如果气体流动停止，则薄膜随着枯竭而变薄。随后，当达到临界膜厚度时，气泡破裂。
低合金钢渣起泡
对于低合金钢冶炼渣来说，目前通过两条主要路线来产生泡沫，这两条路线都需要碳和氧气反应生成一氧化碳：
a)钢中喷入的氧气与结束于渣中的氧化铁反应，在以下步骤中，通过喷入碳减少了氧化铁并且形成一氧化碳气体。溶解于钢中的碳也可有助于形成气体。
b)碳(喷入渣中或溶于钢中)和喷入氧气直径反应而生成一氧化碳。
确定无疑的是，除一氧化碳外的其它气体可以产生泡沫。因此，硝酸钙和碳一起在炼钢温度下如此反应：
由于氧气分压力高并且由于存在铁和氧化钙，所以，产生了Fe2O3-CaO。
在电弧中把硝酸钙用作产生泡沫渣的起泡剂将完成以下三重任务，即加入石灰石以提高渣的碱性(以便除去P、S)，输入气态成分N2、H2O以便促进起泡并输入氧气以便与喷入碳反应，产生也促进起泡的一氧化碳。混有碳的硝酸钙可以通过溜槽被加入或通过气体或空气并经过喷枪被喷入渣中。可以含有或不含各种结晶水成分Ca(NO3)2(H2O)x(x＝0-3)地使用硝酸钙。也可以有各种其它的少量元素如铵等。
硝酸钙尤其是在这样的情况下是有意义的，即钢中的氮当在奥氏体不锈钢中时是有益的，它改善了耐疤痕性能和强度。在一些非合金钢/低合金钢中，氮将提高强度和淬透性。
不锈钢渣的起泡
通常，不锈钢含有12％-30％的Cr和其它元素，Ni、Mo是其中最重要的元素。在含Cr的情况下必须降低碳含量决定了不锈钢冶炼的特殊性。
目前，最常见的不锈钢冶炼生产路线是在电弧炉中熔融低合金或不锈钢废料和铁合金。在转炉中进行脱碳、通过还原从表面渣中重新获得Cr、除硫并调节钢成分。
对于不锈钢来说，直到最近才有人研究出了在电弧炉中产生适当的泡沫渣的可靠方法。其原因看起来是由渣中的Cr2O3造成的某些微妙作用。Cr2O3在电弧炉渣中具有低溶解性并且其中一部分作为固态第二相保留下来。这种铬氧化物与碳很缓慢地反应并生成一氧化碳并重新获得Cr。
由于在泡沫渣中不需要Cr2O3，所以建议，与金属相有关地尽可能少的造成不锈钢渣中的一氧化碳起泡。首先，应该加入FeSi、Al或Mg以防止铬氧化并减少渣中的Cr2O3含量，随后，应该小心地把硝酸钙和碳喷入渣中。单独地或用相同的喷枪喷入固态成分，或者作为预熔颗粒地喷入。
通过以下例子来描述本发明。
可在市场上买到的工业级硝酸钙(如Norsk Hydro ASA的Nitcal®)具有接近Ca(NO3)2(NH4NO3)0.2(H2O)2并成直接约为2毫米-4毫米的颗粒状。硝酸钙与碳的混合比应该为4∶1-2∶1。
各种工艺都是可行的：
1)单独添加硝酸钙或通过将搅动渣的气体(惰性气体、空气或二氧化碳)喷入，硝酸钙将主要分解成氧化钙渣和氧气、氮气、水蒸汽：
，即5.5摩尔气体
1公斤硝酸钙(约5摩尔)可以产生约27.5摩尔气体＝0.616Nm3
2)通过二氧化碳喷入硝酸钙和碳，这将产生氧化钙渣和氮气、一氧化碳和水蒸汽：
，即10摩尔气体1公斤硝酸钙+0.48公斤碳+0.22公斤二氧化碳→50摩尔气体＝1.16Nm3
3)通过空气喷入硝酸钙和碳将产生氮气、水蒸汽和一氧化碳气体： ，即15摩尔气体1公斤硝酸钙+0.3公斤碳+0.72公斤空气→约75摩尔气体＝1.7Nm3
4)通过氮气或惰性气体喷入硝酸钙和碳将产生氧化钙渣和氮气、水蒸汽和一氧化碳气体：
，即8摩尔气体作为喷入气体，需要约0.05公斤(0.04Nm3)氮气/每公斤硝酸钙
例子
已经进行了示范实验。约1.5公斤的不锈钢型AISI 302在坩埚中通过气体火焰被熔化。在熔化后，约0.3公斤的硝酸钙Nitcal®被浇到熔融物顶面上。熔融物和坩埚的高温造成硝酸钙熔化、分解并放气反应，放出的气体鼓泡冲出熔融的硝酸钙并产生泡沫。在加入硝酸钙后，分解周期约有2分钟，并且硝酸钙体积增大了约2到3倍地被转换成泡沫状物质。
已经在EAF中进行了工业规模的Nitcal®实验，其目的是要观察Nitcal®的起泡潜力和性能。在近300公斤的Nitcal®/次熔炼(3.5公斤Nitcal/吨钢)借助空气被喷入熔融物中的同时，还单独喷入了碳。尽管Nitcal®含有结晶水成分，但没有出现剧烈反应。实验表明，Nitcal®容易操作并容易通过简单标准的喷射装置被喷入EAF的熔融物中。观察放出气体和与碳的反应。借助空气的喷入将产生氧化环境，这将提高渣中的Cr2O3含量。如此和碳一起喷入Nitcal®，即Nitcal®中的氧与碳反应而生成一氧化碳，这没有提高EAF的NOx的水平。在EAF中的实验结果表明，应该通过氮气并和足量的碳(1公斤Nitcal®需要0.3公斤碳)一起喷入Nitcal®，以便获得还原环境和铬更少地损失于渣中。
可以通过添加不同数量的硝酸钙来获得所需要的总泡沫高度。与目前的做法相比，必须添加约10公斤的硝酸钙/吨钢，以便获得与目前做法的典型气体放出量一致的气体放出量。

Claims (10)

1、一种使炼钢渣起泡的方法，其中，硝酸钙被单独加入渣中，或者硝酸钙和碳一起被加入渣中。
2、如权利要求1所述的方法，其中，硝酸钙单独地或混有碳的硝酸钙通过喷射气体被喷入渣中。
3、如权利要求2所述的方法，其中，所述喷射气体选自空气、氮气、二氧化碳和惰性气体。
4、如权利要求2或3所述的方法，其中，这些固态成分是被单独喷入的。
5、如权利要求2或3所述的方法，其中，这些固态成分是用同一支喷枪喷入的。
6、如权利要求2或3所述的方法，其中，这些固态成分是作为预熔颗粒被喷入的。
7、如权利要求1所述的方法，其中，所述硝酸钙单独地或者混有碳的硝酸钙从熔融物的上方被加入。
8、如权利要求1所述的方法，其中，所述硝酸钙和所述碳之间的比例为4∶1-2∶1。
9、如权利要求1所述的方法，其中，钢是不锈钢，在通过喷射气体把硝酸钙和碳加入或喷入渣之前，加入FeSi、Al或Mg。
10、一种把硝酸钙用作炼钢渣的起泡剂的用途。
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