專利名稱：含硫的鎳精礦直接用于制造鎳合金不銹鋼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含鎳的鐵合金或合金鋼制造方法。更具體地講，不銹鋼中至少一些合金Ni單元可通過(guò)向鐵水或熔化鐵中加入含硫的鎳精礦而得到。該方法利用鐵熔池精煉過(guò)程中存在的利用率不足的爐渣，其中在熔池和爐渣在還原條件下充分混合時(shí)爐渣可去除并保持硫。
已知在電弧爐中將含有一或多種含鎳的廢渣或碎屑，鎳鐵或鎳粒的進(jìn)料熔融或熔化即可制成鎳合金不銹鋼。在進(jìn)料熔煉完成之后，將鐵水轉(zhuǎn)入精煉爐中，在其中用氧氣和惰性氣體的混合物攪動(dòng)或沖洗而使熔池脫碳?？蓪⒘硗獾慕饘冁?，鎳鐵或鎳粒加入熔池中以使其符合鎳規(guī)格或要求。
在廢料中所含的Ni單元與鎳鐵中的Ni單元大約同價(jià)并構(gòu)成了制造鎳合金不銹鋼的最為昂貴的材料。由于從一般含少于3wt％(重量百分比)Ni的礦石中釋放鎳的生產(chǎn)成本高，所以鎳鐵或鎳粒中的Ni單元昂貴。鎳礦石一般有兩種類型，即硫化物礦和紅土。在含硫的礦石中，鎳主要以鎳黃鐵礦，可能還伴隨有磁黃鐵礦和黃銅礦的鎳-鐵硫化物形式存在。含硫的礦石一般含有1-3wt％Ni和不同量的Cu和Co?？捎梅鬯?，研磨和泡沫浮選法使有價(jià)值的金屬富集并且除去盡可能多的脈石。之后，可采用選擇性浮選和磁性分離法將精礦或富集礦分成在高溫冶金工藝中進(jìn)一步處理的富含鎳，銅和鐵的組分。用富集礦或精礦進(jìn)行焙燒工藝以除去最多一半的硫并同時(shí)使鐵氧化即可使鎳進(jìn)一步富集。該富集礦在1200℃熔煉成由Ni，F(xiàn)e，Cu和S組成的锍并除去爐渣。可將锍放在轉(zhuǎn)爐中并吹空氣而進(jìn)一步氧化鐵和硫。在將锍冷卻時(shí)，分別按Fe-Cu-Ni-S相圖所示沉淀出明顯區(qū)別開(kāi)的Ni-Fe硫化物和硫化銅晶體。在粉碎和研磨之后，含兩種晶體的硫化物組分經(jīng)泡沫浮選分成硫化銅和Ni-Fe硫化物精礦。Ni-Fe硫化物精礦再經(jīng)過(guò)幾次高能操作階段而得到鎳鐵和鎳粒?？稍诹骰仓袑i-Fe硫化物轉(zhuǎn)化成粒狀Ni-Fe氧化物燒結(jié)礦，再?gòu)闹须娊馍a(chǎn)出鎳陰極。另一方面，Ni-Fe精礦可在氯化工藝中經(jīng)歷轉(zhuǎn)化成Ni和Fe羰基合物，再分解成鎳和鐵粉。
已知可通過(guò)將含鎳的紅土礦直接加入設(shè)爐頂吹氧管和爐底吹攪動(dòng)氣體的風(fēng)口的精煉爐中而制成不銹鋼。這種礦石含最多3％Ni，其中80％以上的礦石重量轉(zhuǎn)化成爐渣。US 5,047,082提出在利用低硫含量的含鎳礦石而不用鎳鐵的吹氧轉(zhuǎn)爐中獲得所需的Ni單元，從而得到不銹鋼。鎳礦石用溶于熔化鐵或鐵水中的碳及爐渣中的木炭還原。US 5,039,480提出在轉(zhuǎn)爐中依次熔煉和還原低硫含量的含鎳礦石和鉻鐵礦，而不用鎳鐵和鉻鐵制造不銹鋼。礦石用溶于鐵水的碳和爐渣中的木炭還原。
由于紅土礦幾乎不含硫，所以制造不銹鋼所需的大部分Ni單元可來(lái)自該礦石。但是，伴隨Ni單元的大量爐渣除了進(jìn)行精煉部分之外還需進(jìn)行獨(dú)立的高能熔煉步驟，因此需要延長(zhǎng)加工處理時(shí)間并可能需要單獨(dú)的反應(yīng)爐。
控制熔池中硫含量是鐵精煉過(guò)程中最早和最廣泛關(guān)心的問(wèn)題之一。自從在早期高爐中熔煉鐵以來(lái)，已知與鐵水接觸的爐渣提供了去除來(lái)自用作燃料的焦炭的一些硫的途徑。最近，已查明在熔煉過(guò)程中除去硫的關(guān)鍵因素包括根據(jù)爐渣中氣態(tài)氧分壓控制爐渣堿度并控制爐渣溫度。
不過(guò)，爐渣中硫的溶解度限度在用鎳成為合金的不銹鋼常規(guī)精煉過(guò)程中通常并不能達(dá)到，因?yàn)樵诰珶挔t中從在電弧爐中熔煉固體進(jìn)料而得到的總硫負(fù)荷低。因此，在精煉爐中爐渣脫硫容量或能力并沒(méi)有完全利用起來(lái)。而且，爐渣重量加大，在熔池中存在殘留還原劑和對(duì)爐渣組成的控制都可能使這種利用率不足的程度提高。此外，長(zhǎng)期以來(lái)都在盼望降低可用于鐵合金或合金鋼如含鎳的合金鋼和奧氏體不銹鋼制造工藝的合金鎳或鎳合金單元成本，同時(shí)又不需要很高的投資。
本發(fā)明即涉及制造合鎳的鐵合金或不銹鋼的方法，其中通過(guò)向熔融金屬中加入含硫的鎳精礦而獲得至少一些鐵或鋼中所需的Ni合金或合金Ni單元。該方法利用了鐵熔池精煉過(guò)程中存在的大部分爐渣重量，其中在熔池于還原條件下充分混合時(shí)爐渣可去除和保持另外的或多余的硫。
本發(fā)明的主要目的是在含鎳的合金鋼或稱為鎳合金鋼或不銹鋼制造過(guò)程中直接用含硫的鎳精礦提供廉價(jià)的Ni單元。
本發(fā)明另一目的是在鎳合金鋼或不銹鋼制造過(guò)程中通過(guò)直接加入含硫的鎳精礦而利用爐渣脫硫容量或能力的未利用部分。
本發(fā)明包括在設(shè)有爐底風(fēng)口的精煉爐中制造含鎳的鐵合金，鎳合金剛或不銹鋼的方法。該方法進(jìn)一步包括在精煉爐中提供用爐渣覆蓋的鐵基或以鐵為基礎(chǔ)的熔池，其中該熔池又包括含硫的鎳精礦和還原劑，經(jīng)爐底風(fēng)口吹入惰性氣體以充分沖洗或攪動(dòng)熔池而使精礦密切或充分混合并且繼續(xù)攪動(dòng)熔池直到從熔池轉(zhuǎn)入最終爐渣的硫量達(dá)到最大和接近動(dòng)態(tài)平衡而使熔池變成為含鎳的合金為止。
本發(fā)明另一特征是最終爐渣重量與熔池重量之比至少0.1。
本發(fā)明另一特征是上述爐渣的堿度至少1.0。
本發(fā)明另一特征是上述最終爐渣含有至少12wt％MgO。
本發(fā)明另一特征是上述方法包括經(jīng)風(fēng)口吹入氧氣以在用惰性氣體攪動(dòng)之前從鐵熔池中去除過(guò)量碳的還原步驟。
本發(fā)明另一特征是上述熔池在還原步驟中進(jìn)行攪動(dòng)時(shí)達(dá)到至少1550℃溫度。
本發(fā)明另一特征是上述鐵熔池用鉻合金化。
本發(fā)明另一特征是上述還原劑為鋁，硅，鈦，鈣，鎂和鋯中的一或多種；在含鎳的合金熔池中還原劑濃度至少0.01wt％。
本發(fā)明另一特征是將上述精礦和還原劑加入電弧爐內(nèi)的鐵熔池中。
本發(fā)明另一特征包括將進(jìn)料或原料加入電弧爐，該進(jìn)料包括鐵廢料或碎屑，精礦和一或多種選自CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2的成渣劑，將該進(jìn)料熔融或熔化成鐵熔池并將該鐵熔池轉(zhuǎn)入爐中的另外的或附加步驟。
本發(fā)明另一特征是上述含鎳的熔池為含≤2.0wt％Al，≤2.0wt％Si，≤0.03wt％S，≤26wt％Cr和≤20wt％Ni的不銹鋼。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是提出在鎳合金不銹鋼制造過(guò)程中提供廉價(jià)合金Ni單元的方法。
從以下詳細(xì)說(shuō)明中可清楚地看出本發(fā)明上述及其他目的，特征和優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明涉及到利用廉價(jià)鎳源制造含鎳的鐵合金，鎳合金鋼或鎳合金不銹鋼。該鎳源為含硫的鎳精礦，可為鎳鐵和鎳粒制造過(guò)程中濕法冶金或高能熔煉工藝或含硫的鎳礦原料選礦工藝的中間產(chǎn)物。所得精礦的鎳合量取決于所用礦石種類和工藝過(guò)程。來(lái)自熔煉锍的Ni-Fe硫化物沉淀而得到的精礦成分分析結(jié)果為16-28wt％Ni，35-40wt％Fe，30wt％S，＜1wt％Cu和1wt％Co。而造礦工藝所得的精礦成分分析結(jié)果為9wt％Ni，40wt％Fe，30wt％S，1wt％Cu，余量為SiO2，Al2O3，CaO和MgO。本發(fā)明優(yōu)選含硫的精礦可用鎳黃鐵礦制成，該礦以(Fe，Ni)9S8作為其中主要的Ni物質(zhì)。若精礦用于制造不銹鋼，則該精礦還可包括合金Cr單元源。而合適的鉻源包括未還原的鉻鐵礦精礦和部分還原的鉻鐵礦精礦。
用這些精礦得到的合金Ni單元可在精煉爐中得以回收。這類精煉爐的例子包括頂和底吹精煉爐(TBRR)，氬-氧脫碳爐(AOD)或真空氧氣脫碳爐(VOD)。不管是何種類型的精煉爐，其中均裝設(shè)有至少一個(gè)或多個(gè)風(fēng)口，孔塞，同心管等，以下稱為風(fēng)口，可用其在精煉不銹鋼的過(guò)程中將還原劑加入熔池中以從爐渣中回收Cr單元時(shí)的還原期間將惰性氣體送入爐內(nèi)所含有的鐵熔池中。惰性氣體用來(lái)充分沖洗或攪動(dòng)鐵熔池以使含硫的鎳精礦和溶于熔池中的任何還原劑或成渣劑充分或密切混合。持續(xù)沖洗或攪動(dòng)直到從鐵熔池轉(zhuǎn)入爐渣的硫量達(dá)到最大并且在熔池和爐渣之間接近硫平衡或準(zhǔn)平衡為止。所謂“準(zhǔn)平衡”，是指鐵水或熔化鐵-爐渣界面移動(dòng)足以在爐渣和鐵熔池之間建立起動(dòng)態(tài)平衡，從而使鐵和爐渣之間達(dá)到極為接近的化學(xué)和熱力學(xué)平衡條件。
正如以下所詳細(xì)說(shuō)明的那樣，在制造含鎳的鐵合金或鎳合金鋼的過(guò)程中所用熔煉和/或精煉實(shí)踐方面僅需中等程度或溫和的變化即可保證來(lái)自精礦的Ni最大量地代替通常由含鎳的廢料和鎳鐵所提供的產(chǎn)品等級(jí)所需的Ni。本發(fā)明方法利用了鐵熔池熔煉和精煉過(guò)程中存在的爐渣利用率不足的情況，其中在熔池和爐渣得到充分沖洗或攪動(dòng)時(shí)爐渣可去除并保持硫。本發(fā)明方法還利用這種潛在的脫硫容量或能力作為降低生產(chǎn)Ni合金不銹鋼的合金Ni單元價(jià)格或成本的手段。在常規(guī)精煉不銹鋼的過(guò)程中通常并不能達(dá)到爐渣中硫溶解度限度，因?yàn)榫珶挔t中從電弧爐熔煉廢料而得到的總硫負(fù)荷或含量小，因此精煉爐中爐渣脫硫能力或容量利用率不足。而且，加大爐渣重量，殘留的熔池鋁含量和控制爐渣組成又可提高這種利用率不足的程度。
平衡爐渣/金屬硫分配比和平衡爐渣硫溶解度確定了進(jìn)行良好混合的精煉爐中對(duì)于給定的金屬硫規(guī)格或含量標(biāo)準(zhǔn)和給定的爐渣重量而言該體系的最大硫負(fù)荷或含量。通過(guò)控制爐渣組成，鐵熔池中的最終金屬鋁含量，爐渣/金屬氧氣潛在量和溫度，對(duì)于給定爐渣重量而言爐渣的脫硫能力或容量可達(dá)到最大。這進(jìn)而又可使體系中的總硫負(fù)荷達(dá)到最大。因此，知曉了平衡爐渣/金屬硫分配比和爐渣硫溶解度，則對(duì)于給定硫含量而言可加入鐵熔池中的含硫的鎳精礦最大量即可計(jì)算出來(lái)。
可按下式定義用爐渣氧化物的光學(xué)堿度估算爐渣硫容量，即CslogCs＝[(22690－54640∧)/T]∧＋43.6∧－25.2，其中爐渣光學(xué)堿度∧可用每一氧化物光學(xué)堿度∧i(i＝氧化物A，B……)的摩爾平均值計(jì)算而得到∧＝XA∧A＋XBAB……，式中 在不銹鋼爐渣中最常見(jiàn)的氧化物為CaO，SiO2，Al2O3和MgO。按上式計(jì)算的這些氧化物的光學(xué)堿度如下∧Cao＝1.0， ＝0.48； ＝0.61和∧MgO＝0.78。
這些公式可為硫和碳?xì)怏w/金屬平衡和表示金屬組成效果的標(biāo)準(zhǔn)熱力學(xué)方程式結(jié)合起來(lái)計(jì)算精煉爐中硫在爐渣和鋼之間的平衡分配比。而平衡爐渣/金屬硫分配比定義如下LS=(%S)%S,]]>其中(％S)是爐渣中wt％硫，而％S是鐵熔池中wt％硫。該比值可用爐渣/金屬硫平衡計(jì)算LS=CSfSKSPO21/2,]]>其中Ks是該平衡的平衡常數(shù)1/2S2(g)＝S ΔG°＝-32，280＋5.6T；fs是溶于鐵熔池中的硫活性系數(shù)，可按下式計(jì)算(分別是不確定稀釋，1wt％對(duì)照和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))logfs＝-0.0280％S＋0.11％C＋0.063％Si－0.011％Cr＋0％Ni-0.026％Mn－0.0084％Cu＋0.01％N＋0.0027％Mo＋0.13％B；Cs是爐渣硫容量；而Po2是氧分壓(atm)。
爐渣/金屬體系一般并不與氬氣的Po2平衡。相反的是，該P(yáng)o2有可能受氧化物，即CO和Al2O3之一控制。假設(shè)保持溶解的碳-氧平衡，則CO(g)＝C＋1/2O2(g)ΔG°＝32,100＋10.85T； 其中1ogfc＝0.14％C-0.024％Cr＋0.08％Si＋0.046％S＋0.012％Ni-0.012％Mn＋0.11％N＋0.016％Cu－0.0083％Mo＋0.24％B；％C是鐵熔池中wt％C，以及Pco是精煉爐中CO分壓(假設(shè)總壓為1atm)，可按下式用氧的O2/Ar之比計(jì)算得到pCO=11+12(O2/Ar)]]>。若設(shè)定的Po2受溶解的Al水平或含量控制，則
(3)2AL＋3/2O2(g)＝Al2O3(s)ΔG°＝-435,960－3.75TlogT＋92.22TlogfAL＝+0.045％Al－0.091％C－0.24％B＋0.0056％Si＋0.04％Cr－0.017％Ni，其中 對(duì)于給定的鋼中硫規(guī)格和爐渣重量，平衡爐渣/金屬硫分配比和平衡爐渣硫溶解度就確定了爐渣/金屬體系中平衡，即最大可允許的總硫負(fù)荷。盡管爐渣/金屬硫分配比可用上述方程式計(jì)算，但爐渣硫溶解度可直接測(cè)定。給定了含硫的鎳精礦的硫含量和鐵熔池的初始硫含量，就可用可允許的總硫負(fù)荷確定可來(lái)自精礦并且仍可滿足或符合最終鋼中硫含量規(guī)格的最大Ni單元量。這可由下列硫的物質(zhì)平衡式表示(基準(zhǔn)1公噸合金)。
出硫總量＝進(jìn)硫總量爐渣硫＋鋼中硫＝精礦硫＋初始熔池硫SLAG WT×(％S)＋1000×％Sspec＝X＋1000×％SInt.Bafh，其中 和(％S)≤(％S)max，其中(％S)max是爐渣中硫溶解度。
變量X代表精礦加料的硫負(fù)荷，單位為KgS/公噸鋼，其中假設(shè)爐氣氛中沒(méi)有硫損失。對(duì)于爐渣堿/酸之比大于2.0和至少0.02wt％溶解的熔池鋁，可計(jì)算得到大于200的Ls值。
在某些情況下，可能需要在電弧爐(EAF)中利用爐渣脫硫能力并且熔化或熔煉進(jìn)料以在精煉爐上游提供鐵熔池。在EAF中加入并熔化精礦時(shí)，也應(yīng)在EAF中維持上述爐渣組成要求。與精煉爐相比，在EAF內(nèi)更難于達(dá)到爐渣和鐵熔池之間的硫平衡條件，因?yàn)樵贓AF中出現(xiàn)的Po2要比AOD中高幾個(gè)數(shù)量級(jí)并且混合條件相當(dāng)差。將爐渣硫容量或能力與爐渣光學(xué)堿度關(guān)聯(lián)起來(lái)，以此為基礎(chǔ)計(jì)算平衡爐渣/金屬硫分配Ls僅在10-15之間。因此，低的Ls值和精煉爐中差的混合條件限制了能夠加入EAF中的含硫的鎳精礦量，使其低于理論上的最大量。不過(guò)，由EAF爐渣去除任何量硫都會(huì)使與精煉爐串聯(lián)的EAF中可允許的最大總硫負(fù)荷增大，因?yàn)樵诰珶掃^(guò)程中要形成新?tīng)t渣，在這種情況下與僅限于精煉爐的情形相比，就能夠加入額外的或多加入精礦。與AOD精煉爐一樣，需要EAF包括爐底風(fēng)口以便于增強(qiáng)爐渣/金屬接觸，從而將硫轉(zhuǎn)入爐渣。精礦也應(yīng)在電極附近加入EAF中，在電極附近區(qū)域可達(dá)到爐內(nèi)最高溫度，如1600-1800℃。這也會(huì)有利于將硫轉(zhuǎn)入爐渣中，因?yàn)樵诟邷叵赂子诮咏瘜W(xué)平衡。
本發(fā)明重要的特征是控制爐渣組成，即堿度。爐渣堿度定義為(％CaO＋％MgO)/(％SiO2)之重量比。該爐渣堿度應(yīng)至少達(dá)到1.0，優(yōu)選至少1.5，更優(yōu)選至少2.0。爐渣堿度通過(guò)Cs而對(duì)Ls有很大的影響。低于1.0的爐渣堿度不利于使?fàn)t渣達(dá)到任何明顯的硫吸收率。爐渣堿度應(yīng)不超過(guò)3.5，因?yàn)闋t渣在高CaO和MgO濃度下會(huì)由于高液相線溫度而變得太粘或粘度太高。
本發(fā)明另一重要的方面包括加入成渣劑如CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2中的一或多種。可能需要使用成渣劑將爐渣堿度調(diào)為優(yōu)選的和符合要求的比值。為此需要的成渣劑是CaO。使用MgO作為成渣劑也是很符合要求的。為使?fàn)t渣與在精煉爐的耐火襯中的MgO相匹配，優(yōu)選至少12wt％的MgO。而且，優(yōu)選的是爐渣中的MgO應(yīng)不超過(guò)20wt％，因?yàn)橛筛進(jìn)gO水平或含量造成的高液相線溫度會(huì)使?fàn)t渣變粘并且難于與金屬熔池混合向爐渣中加入最多10wt％螢石(CaF2)也是符合要求的，因?yàn)檫@可提高爐渣的流動(dòng)性，有利于石灰和硫的溶解。在爐渣中存在Al2O3時(shí)，其量?jī)?yōu)選應(yīng)不超過(guò)約20-25wt％，因?yàn)锳l2O3會(huì)不利地影響Cs。使最終爐渣含有至少15wt％Al2O3以提高爐渣硫動(dòng)性也是符合要求的。
本發(fā)明另一重要特征是控制最終爐渣重量除以精煉爐中所含鐵熔池重量，即(kg爐渣)/(kg熔池)之比。該爐渣重量比應(yīng)優(yōu)選至少0.10，更優(yōu)選至少0.15。需要達(dá)到至少0.10才能從爐渣中除去大量硫。另一方面，該爐渣重量比應(yīng)不超過(guò)0.30，因?yàn)槿舫^(guò)0.30，則熔池的有效混合應(yīng)很難于進(jìn)行。在生成大量爐渣并且超過(guò)重量比上限的那些情況下，應(yīng)利用雙爐渣實(shí)踐法使?fàn)t渣能夠去除的總硫量達(dá)到最大，同時(shí)使熔池獲得適當(dāng)?shù)幕旌喜⑶易罱咏瘜W(xué)平衡條件。
在使用本發(fā)明的過(guò)程中也可控制其他組成或組合物。在還原期間按本發(fā)明用來(lái)流經(jīng)爐底風(fēng)口以沖洗或攪動(dòng)鐵熔池的惰性氣體包括氬氣，氮?dú)夂鸵谎趸?。在氬氣純度水平可控制到至?9.997vol.％時(shí)尤其優(yōu)選氬氣。要達(dá)到這一極端純度的原因是因?yàn)殡S氬氣引入低至0.0005vol.％的氧氣代表了Po2比精煉爐內(nèi)由鐵熔池中溶解的鋁和碳平衡，即Al/Al2O3或C/CO而出現(xiàn)的情形要高。
本發(fā)明中提供合金Ni單元而生產(chǎn)出含≤0.11wt％C，≤2.0wt％Al，≤2.0wt％Si，≤9wt％Mn，≤0.03wt％S，≤26wt％Cr和≤20wt％Ni的奧氏體鋼亦是符合要求的。該方法尤其可按要求生產(chǎn)出奧氏體AISI304，12SR和18SR不銹鋼。在引入高純度惰性混合氣體的還原期間精煉不銹鋼時(shí)鋁和硅是溶于鐵熔池中的極常見(jiàn)還原劑。在精煉期間，一些有價(jià)值的Cr單元會(huì)被氧化而進(jìn)入爐渣中損失掉。熔池還原劑將爐渣中的氧化鉻還原并提高進(jìn)入熔池的金屬Cr產(chǎn)量。對(duì)于AISI301-306級(jí)別的鋼，最終熔池鋁含量應(yīng)不超過(guò)0.02wt％，因?yàn)樘噤X會(huì)對(duì)鋼的可焊性帶來(lái)有害的影響。但是，對(duì)于不需要焊接的其他級(jí)別的不銹鋼如12SR和18SR而言，最終熔池鋁含量可高達(dá)約2wt％。鎳是重要的合金金屬，在不銹鋼中有利于形成奧氏體。這類鋼含有至少2wt％Ni，優(yōu)選至少4wt％Ni。表I給出了AISI301-06級(jí)別的鋼的化學(xué)規(guī)格或組成(wt％)表I
在將EAF和AOD串聯(lián)用于制造常規(guī)鋼的操作過(guò)程中，需要的大部分Ni和Cr單元含于最初熔于EAF中以提供后續(xù)在AOD中進(jìn)行精煉所需的鐵熔池的廢料或碎屑之中。對(duì)于含6wt％鎳的Cr-Ni合金不銹鋼而言，最多約5wt％的Ni可來(lái)自在EAF進(jìn)料中熔融或熔化的含鎳廢料，金屬Ni?；蚪饘冁囧F體。鎳中其余的1wt％左右則來(lái)自AOD中用作切邊或邊角料的Ni?；蝈F體。一般來(lái)說(shuō)，在2-3小時(shí)的期間內(nèi)將固體廢料和煅燒石灰加入EAF中并使其熔化或熔融。EAF進(jìn)料還會(huì)包括Cr單元源。合適的Cr源包括含鉻的廢料和鉻鐵。石灰在鐵熔池中的溶液構(gòu)成堿性爐渣。在EAF中熔煉鐵熔池而制成Cr-Ni不銹鋼之后進(jìn)行的常規(guī)熔池和爐渣wt％分析結(jié)果如下熔池 1.2％C；0.2％Si；16.5％Cr；6.5％Ni；0.5％S，0.75％Mn爐渣 31.2％CaO；33.0％SiO2；5.8％Al2O3；8.3％MgO，5.7％Cr2O3以這種分析計(jì)算的爐渣堿度之比為1.2。
鐵熔池從EAF中取出，將爐渣廢除并將熔池轉(zhuǎn)入精煉爐如AOD中。在將鐵熔池轉(zhuǎn)入精煉爐之后，經(jīng)風(fēng)口通入含氧的氣體而實(shí)現(xiàn)脫碳。在脫碳之后，將硅鐵和鋁粒加入熔池中以提高用高純氬氣沖洗或攪動(dòng)期間Cr產(chǎn)率。之后可將任何合金切邊或邊角料如鎳鐵，Ni?；蜚t鐵加入熔池中以達(dá)到合金規(guī)格。
在將鐵熔池從EAF轉(zhuǎn)入AOD或TBRR之后，可將鉻鐵加入熔池，其中亦用精煉爐進(jìn)行熔煉以將鉻鐵還原而回收Cr單元。含硫的鎳精礦可與鉻鐵一起加入。在這種情況下，爐渣重量可相當(dāng)大，可達(dá)到0.3kg爐渣/kg鐵熔池。在熔煉之后進(jìn)行脫碳而達(dá)到含碳規(guī)格，之后熔池再用惰性氣體沖洗或攪動(dòng)，其中可將硅鐵和/或鋁加入鐵熔池中以從爐渣中回收Cr，從而提高Cr產(chǎn)率并最大限度地脫硫。
實(shí)施例以下實(shí)施例說(shuō)明按本發(fā)明將EAF和AOD串聯(lián)用于制造AISI等級(jí)中301-06不銹鋼，其中考慮三種方案I.106kg爐渣/公噸不銹鋼情況下的單一爐渣方案，II.210g爐渣/公噸不銹鋼情況下的單一爐渣方案，和III.兩種爐渣方案，其中每種爐渣量為106kg/公噸不銹鋼。
第I種情況下?tīng)t渣重量(kg)與熔池重量(kg)之比為0.11，而第II種情況下?tīng)t渣重量(kg)與熔池重量之比為0.21。在固體進(jìn)料在EAF中于至少1550℃下熔融后，將鐵熔池轉(zhuǎn)入AOD精煉爐中。優(yōu)選的是，熔池在EAF中加熱到至少1600℃并保持在1600-1650℃。該溫度應(yīng)不超過(guò)1700℃，因?yàn)楦叩臏囟葧?huì)不利于EAF中耐火襯里保持完整性。通常，過(guò)量的碳含溶于鐵熔池中。隨氬氣注入氧氣即開(kāi)始脫碳，具體說(shuō)來(lái)是在4/1的O2/Ar之比下開(kāi)始，再在約30分鐘內(nèi)逐步降到1/1之比。從AOD中取樣，然后繼續(xù)吹入脫碳?xì)饬?，歷時(shí)10分鐘，而O2/Ar之比為1/3。脫碳完成之后，用惰性氣體進(jìn)行沖洗或攪動(dòng)，其中采用純度至少99.998％的工業(yè)級(jí)氬氣。在氬氣攪動(dòng)或沖洗開(kāi)始時(shí)，將硅鐵和鋁粒加入熔池以提高Cr產(chǎn)量。在氬氣沖洗或攪動(dòng)結(jié)束時(shí)可進(jìn)行合金鎳邊角料加料操作。
在氬氣沖掃或攪動(dòng)期間不存在氧氣標(biāo)志著爐渣/金屬硫分配處于其最高水平的期間。這主要是由于AOD氣氛中降低了氧分壓所致。加入熔池的鋁也降低氧分壓，其中達(dá)到溶于熔池的鋁和溶于爐渣的氧化鋁之間的平衡。在這一還原階段，爐渣可具有表II所列組成(wt％)。
表II
對(duì)于基本操作進(jìn)行物質(zhì)平衡計(jì)算，其中爐渣堿度，即(％CaO＋MgO)/％SiO2＝1.9和爐渣中aim％Al為0.0035％，并且對(duì)于更高達(dá)3.5的爐渣堿度與更高達(dá)0.02％的最終％Al的組合方案進(jìn)行計(jì)算。而且，所有計(jì)算都是在4wt％的爐渣硫溶解度水平(％S)max下進(jìn)行的。在計(jì)算過(guò)程中該限制可能并不是有效的，這要根據(jù)爐渣/金屬硫分配比Ls以及待制造的合金硫規(guī)格而定。對(duì)于所有計(jì)算而言，AISI301-06等級(jí)鋼的硫規(guī)格為0.02％S。假設(shè)含硫的鎳精礦具有28％Ni，35％Fe，30％S，0.15％Cu和0.5％Co。基于對(duì)在爐渣堿度為1.9和最終熔池Al為0.0035wt％的情況下在AOD中精煉AISI304不銹鋼的操作數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Ls為130。對(duì)熔池進(jìn)行充分沖掃或攪動(dòng)，可期望Ls上升而達(dá)到1100，其中將爐渣堿度提高到3.5且將熔池Al提高到0.02wt％。硫平衡計(jì)算結(jié)果列在表III中。
表III
表III表明了在精煉期間之前用28％Ni-30％S精礦加入AOD中根據(jù)目標(biāo)(aim)溶解％Al和爐渣操作情況而達(dá)到的Cr-Ni合金鋼鎳單元的潛在范圍或界限。在工藝條件不作任何變化的情況下，估計(jì)可達(dá)到約2.3kgNi/公噸不銹鋼(第I種方案-A)。盡管將爐渣堿度和目標(biāo)％Al提高到等級(jí)規(guī)格可大幅度增大Ls，但對(duì)于0.02％S的最終硫規(guī)格而使Ls增大到僅僅200時(shí)，爐渣硫溶解度就受到限制。第II種和第III種方案表明了以kg爐渣/kg熔池增加爐渣重量的優(yōu)點(diǎn)，其中考慮到一種爐渣操作，在這種情況下重量加倍，或者是兩種爐渣操作，其中總爐渣重量在兩種情況下都相同。在Ls超過(guò)200時(shí)，爐渣硫溶解度受到限制，但更大的爐渣重量可達(dá)到更高的硫負(fù)荷并因此可加入更多的含硫的Ni精礦。
在將EAF中爐渣堿度從1.9升到3.5并將其中的爐渣重量加到150kg爐渣/公噸不銹鋼時(shí)，則表II中所列的潛在Ni單元理論上可增加約2.5kg/公噸不銹鋼。但是，這要求通過(guò)爐底混合而進(jìn)行EAF中的混合操作，這有助于接近金屬和爐渣相之間達(dá)到硫的化學(xué)平衡。
鎳和鐵的硫化物從含硫的鎳精礦中溶解會(huì)中等程度放熱，其中釋放的熱有利于滿足精礦帶入冷量的顯熱要求。但是，加入少于50kg精礦/公噸不銹鋼，會(huì)對(duì)熱平衡有溫和的沖擊。
應(yīng)當(dāng)看到，在本發(fā)明構(gòu)思和范圍內(nèi)，還可對(duì)本發(fā)明做出各種修改。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)由權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.在設(shè)有爐底風(fēng)口的精煉爐中制造含鎳的鐵合金或鎳合金鋼的方法，其中包括在精煉爐中提供用爐渣覆蓋的基于鐵的熔池，該熔池中包括含硫的Ni精礦和還原劑，經(jīng)爐底風(fēng)口通入惰性氣體以充分?jǐn)噭?dòng)熔池而使精礦充分混合，以及繼續(xù)攪動(dòng)熔池直到從熔池轉(zhuǎn)入最終爐渣的硫量達(dá)到最大并且接近動(dòng)態(tài)平衡而使熔池變成含鎳的合金為止。
2.權(quán)利要求1的方法，其中爐渣重量與熔池重量比至少為0.10。
3.權(quán)利要求1的方法，其中爐渣重量與熔池重量比不大于0.30。
4.權(quán)利要求1的方法，其中還包括在加入還原劑和用惰性氣體攪動(dòng)之前經(jīng)爐底風(fēng)口通入氧氣以從熔池中去除過(guò)量碳的附加步驟。
5.權(quán)利要求1的方法，其中初始爐渣堿度至少1.0。
6.權(quán)利要求1的方法，其中初始爐渣堿度不大于3.5。
7.權(quán)利要求1的方法，其中最終爐渣含有15-25wt％Al2O3。
8.權(quán)利要求1的方法，其中最終爐渣含有15-20wt％MgO。
9.權(quán)利要求1的方法，其中最終爐渣含有不多于10wt％CaF2。
10.權(quán)利要求1的方法，其中熔池包括一或多種選自CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2的成渣劑。
11.權(quán)利要求1的方法，其中將精礦加入EAF內(nèi)的熔池中。
12.權(quán)利要求1的方法，其中還包括下列另外的步驟將固體進(jìn)料加入EAF，該進(jìn)料包括鐵廢料和選自CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2的成渣劑，將該進(jìn)料熔融成鐵熔池，將該熔池轉(zhuǎn)入爐中，將精礦加入精煉爐內(nèi)的熔池中，以及經(jīng)爐底風(fēng)口通入氧氣以在用惰性氣體攪動(dòng)之前從熔池中去除過(guò)量碳。
13.權(quán)利要求1的方法，其中在用惰性氣體攪動(dòng)之前將鉻鐵礦加入熔池中。
14.權(quán)利要求1的方法，其中還包括下列另外的步驟將固體進(jìn)料加入EAF，該進(jìn)料包括鐵廢料，精礦和選自CaO，MgO，Al2O3，SiO2和CaF2的成渣劑，將該進(jìn)料熔融而形成溫度達(dá)到至少1550℃的鐵熔池，以及將該熔池轉(zhuǎn)入精煉爐中。
15.權(quán)利要求1的方法，其中熔池與鉻成為合金，而另外的步驟包括在攪動(dòng)步驟期間加入選自鎳鐵，鎳粒和鎳錐體的另外的鎳源。
16.權(quán)利要求1的方法，其中還原劑選自鋁，硅，鈦，鈣，鎂和鋯。
17.權(quán)利要求1的方法，其中攪動(dòng)期間熔池溫度至少1550℃。
18.權(quán)利要求17的方法，其中熔池溫度1600-1700℃。
19.權(quán)利要求1的方法，其中精礦含鐵，銅和鎳的一或多種硫化物。
20.權(quán)利要求1的方法，其中含鎳的合金熔池含≤0.03wt％S。
21.權(quán)利要求1的方法，其中含鎳的合金熔池含≤26wt％Cr和≥0.05wt％Ni。
22.權(quán)利要求15的方法，其中含鎳的合金熔池含≤2.0wt％Al，≤2.0wt％Si，≤0.03wt％S，≤26wt％Cr和0.05-20wt％Ni。
23.在設(shè)有爐底風(fēng)口的精煉爐中制造鎳合金不銹鋼的方法，其中包括在精煉爐中提供由堿度至少1.5的爐渣覆蓋的鐵熔池，而爐渣重量與熔池重量之比至少0.10，熔池包括含硫的Ni精礦，任選經(jīng)爐底風(fēng)口通入氧氣以從熔池中去除過(guò)量碳，將還原劑加入熔池中，經(jīng)爐底風(fēng)口通入惰性氣體以使熔池和爐渣受到充分?jǐn)噭?dòng)并達(dá)到充分混合，以及用惰性氣體繼續(xù)攪動(dòng)熔池直到從熔池轉(zhuǎn)入最終爐渣的硫量達(dá)到最大并且接近動(dòng)態(tài)平衡而使含≤0.03wt％S的熔池成為含≥0.05wt％鎳的合金為止。
24.在設(shè)有爐底風(fēng)口的精煉爐中制造鎳合金鋼的方法，其中包括在EAF中將固體進(jìn)料熔入鐵水中并達(dá)到至少1550℃的溫度，該進(jìn)料包括鐵廢料，含硫的鎳精礦和成渣劑，而鐵熔池用堿度至少1.5的爐渣覆蓋并且爐渣重量與熔池重量之比至少0.10，將熔池轉(zhuǎn)入精煉爐中，任選經(jīng)爐底風(fēng)口通入氧氣以從熔池中去除過(guò)量碳，將還原劑加入熔池中，以及經(jīng)風(fēng)口通入惰性氣體以充分?jǐn)噭?dòng)熔池直到從熔池轉(zhuǎn)入最終爐渣的硫量達(dá)到最大并且接近動(dòng)態(tài)平衡而使熔池成為含≤2.0wt％Al，≤2.0wt％Si，≤0.03wt％S，≤26wt％Cr和0.05-20wt％Ni的不銹鋼為止。
全文摘要
本發(fā)明提出鎳合金鋼或不銹鋼精煉期間從含硫的鎳精礦獲得Ni單元的方法。將精礦中的硫轉(zhuǎn)入并保持在爐渣中，其中控制爐渣組成和溫度，爐渣與熔池通過(guò)惰性氣體的混合程度和熔池中鋁量。爐渣脫硫程度，爐渣重量和鋼中硫規(guī)定確定了加入熔池的精礦量。爐渣與鐵熔池之重量比為0.10-0.30，熔池溫度保持為1550-1700℃。爐渣堿度控制為1.0-3.5，爐渣中Al
文檔編號(hào)C22C33/00GK1143680SQ96106849
公開(kāi)日1997年2月26日 申請(qǐng)日期1996年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月6日
發(fā)明者D·M·孔德拉特 申請(qǐng)人:阿姆科公司