中频电炉熔炼铸钢过程强化冶金反应

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一.前言

　　中频电炉在铸钢行业中的应用已经极为普遍，特别是在小型砂型铸钢和失蜡熔模精密铸造铸钢中几乎都是采用中频电炉炼钢，由于技术力量的不足，绝大多数企业对中频电炉在熔炼过程中的冶金反应研究较少，以至于形成了一种较为普遍的观点，即中频电炉在钢熔炼过程中只有较弱的冶金反应，难以进行脱磷、脱硫操作，基本上是一种废钢和铁合金的重熔过程。现实生产当中，很多使用中频电炉冶炼铸钢材质的企业，在遇到原材料出现波动时，造成钢液成份中磷或硫超标，解决问题的方法基本上是倾倒出部分钢液，再加低磷硫的废钢重新配料熔化，常常造成较大的损失，因此，强化中频电炉熔炼过程中的冶金反应，掌握脱磷、脱硫的方法，是一项很有价值的工作。

　　二.钢水熔炼过程中脱P、脱S的冶金原理

　　(一)脱P的冶金反应原理

　　磷在钢液中以Fe2P的形式存在，在钢液中溶解度很高，容易与自炉渣扩散到钢液中的(FeO)作用并释放热量，反应式:

　　2[P]+5(FeO)→(P2O5)+5[Fe];△H=-260000J

　　磷的氧化物在钢液中溶解度很低，但易溶于炉渣，并与炉渣中的(FeO)反应生成(3FeO?P2O5)，反应式如下：

　　(P2O5)+3(FeO)→(3FeO?P2O5);△H=-127900J

　　(P2O5)和(3FeO?P2O5)，都是不稳定的氧化物，在冶炼时，温度稍高就会分解，使磷重回钢液，因此，以FeO为主的炉渣脱磷能力很差，为了取得很好的脱P效果，就必须向炉渣中加入强碱性氧化物CaO(石灰)，与(P2O5)结合成稳定的磷酸钙，反应式如下：

　　(P2O5)+4(CaO)→[(CaO)4 ?P2O5]; △H=-689700J

　　脱P过程综合反应式如下：

　　2[P]+ 5(FeO)+ 4(CaO)→[(CaO)4 ?P2O5]+ 5[Fe]; △H=-949700J

　　由以上反应式可知，做好脱P工作，注意以下几个方面：

　　(1)钢液氧化性强，炉渣碱度高是脱P的必要条件;

　　(2)控制钢液温度，由于脱磷是放热反应，因此钢液温度低有利于脱P;

　　(3)流动性良好的炉渣能提高渣中的CaO活性，有利于脱P;

　　(4)加强钢液与渣的搅拌，有利于脱P。

　　(二)脱S的冶金反应原理

　　硫在钢液与炉渣中均以FeS形态存在，钢液中的[FeS]与炉渣中的(FeS)可以通过扩散互相转移，在一定温度下，两者质量分数比是一个常数，脱S过程，就是利用这一原理。在钢液脱氧还原充分的条件下，促使炉渣中的(FeS)与Ca2+ 作用形成CaS,减少渣中的(FeS)，从而导致钢液中的[FeS]往渣中扩散，来达到钢液脱S的目的，反应式如下：

　　(FeS)+(CaO)=(CaS)+ (FeO)

　　因此，做好脱硫工作注意以下方面：

　　(1)钢液脱氧越充分越好，钢液在还原期必须做好脱氧工作，这是脱硫的必要前提条件。

　　(2)增加渣的碱度，以使渣有足够的(CaO)参与反应。一般认为炉渣碱度以2.5～3.5最佳。

　　(3)适当的较高的钢液温度。提高钢液的温度可以降低炉渣的黏度，利于FeS的扩散，提高脱硫效率。

　　(4)加强钢液与渣的搅拌作用。脱硫过程是缓慢的扩散过程，加强搅拌、增强钢液与炉渣的接触面积是提高脱硫效率的最有效的措施。基于此，出钢时的“钢渣混出”是一种最佳有效的重要操作方法。

　　三.中频电炉冶炼过程中脱磷、脱硫操作要点

　　(一)熔化期的脱磷

　　根据脱磷的冶金反应机理，脱磷的操作应安排在熔化期，并注意注重钢液的氧化、初渣的制备、扒渣和二次造渣四个环节。

　　(1)钢液的氧化

　　为了尽快达到脱磷的目的，以使钢液在熔化的整个过程中都有效参与脱磷的反应，在熔化前加炉料时可将氧化铁皮或铁矿石与废钢一起放入炉中熔化，每吨钢液准备氧化铁皮或铁矿石8～10kg，先期加入废钢总量所需的氧化铁皮或铁矿石量的一半。如果没有氧化铁皮或铁矿石，可以在熔化初期吹氧，以使钢液氧化。

　　(2)初渣的准备

　　废钢开始熔化后，即可进行造初渣。秤取总炉料的0.6～0.8%左右的石灰与萤石(石灰与萤石的比例为10：1)，边熔化边随废钢一起加入，至废钢化至要求总量的70%时，准备扒渣，以便造二次渣更好地脱磷。注意造渣用的石灰必须是干燥的有粒度的。粉状的石灰由于吸潮，严禁使用，因此石灰必须随烘随用。氧化铁皮和萤石必须经烘干使用。

　　(3)扒渣

　　钢液化至要求的60～70%时停止加料并降低功率，维持熔化状态，搅拌渣液，倾炉出渣。

　　(4)二次造渣

　　待渣基本出净后，重新加入废钢，加大功率熔化，并秤取总炉料0.5%的渣料与剩余的氧化铁皮或铁矿石加入炉内。使废钢全部熔清后，倾炉扒渣，取样化验P是否在允许的范围内。一般来说，碳素废钢经以上操作，脱磷效果可以达50%。

　　(二)还原期的脱硫

　　实践证明，钢液脱氧操作的好坏，直接影响到脱硫效果。由于中频电炉的熔炼特性，炉渣直接曝露在空气中，相对于电弧炉在造还原渣时可关闭炉门减少炉内气氛与外界交换的机会，中频电炉造还原渣的外部条件比较差。因此，中频电炉脱硫操作有其特殊性，应做好以下操作：

　　(1)熔化后期出尽氧化渣后，加入适量的石灰和萤石，以能覆盖整个液面即可，防止钢液吸气氧化。待稀薄渣形成后，用硅钙粉预脱氧，然后加入各种合金，调整成份，以使除硫以外的钢液化学成份符合企业内控标准，随后撒Si-Ca粉预脱氧为造还原渣脱硫做好准备。

　　(2)将准备好的占钢液总量1.5%的还原渣(生石灰：三氧化二铝：碳酸钠：萤石=20：5：2：2)分批加入，提升钢液至相对高温，并不断搅拌渣液，维持20～30分钟的时间。其间为了渣液的稳定，需间隔5分钟左右往渣面撒入Si-Ca粉。

　　(3)出钢时，终脱氧在包内进行，一般将铝放入钢包内，按0.3kg/t计算。坚持钢渣同出，如果需要脱去的硫量较多，可以将包内的渣扒除，钢液重新回炉，重复第二步骤的造渣过程。

　　四. 总结

　　中频感应电炉只要掌握好正确的冶炼操作工艺，是完全可以做好钢液的脱磷脱硫工作，达到净化钢液降低成本的目的。

　　加强中频电炉在铸钢熔炼过程中的冶金反应，需要注意以下几个方面的问题：

　　(1)选购合适的炉衬材料，因为熔炼过程中的脱磷脱硫冶金反应对炉衬侵蚀严重，选择合适的炉衬材料非常重要，建议选用中性耐火材料烧结坩埚，中性料耐急冷急热，不易开裂。酸性炉衬是无法开展脱磷脱硫操作的。

　　(2)脱磷操作过程中钢水氧化严重，与O结合比Fe亲和力更强的合金元素会大量烧损，在扒除脱磷渣时会去除掉，因此同材质的合金钢浇冒口建议在脱磷工作完成以后加入。

　　(3)中频电炉熔炼时脱磷操作方便快捷，效果显著;但脱硫操作工人劳动强度大，热辐射强。由于炉渣曝露于空气中，做好钢液的脱氧操作，造好还原渣，是提高中频电炉脱硫效率