專利名稱：在不銹鋼生產(chǎn)中直接使用鉻鐵礦礦石的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在生產(chǎn)不銹鋼的過程中熔煉和精煉鉻鐵礦礦石以獲得鉻素組元的三階段工藝。尤其是涉及在一個生產(chǎn)含碳量低于其飽和度的中間鐵-鉻基合金熔池的反應(yīng)器中熔煉和精煉含鉻鐵礦礦石、碳和造渣劑的鐵熔池的工藝。接著將該鉻合金化的鐵熔池脫碳至規(guī)格，和將任何剩余的鉻的氧化物還原以獲得高的鉻回收率。
一種現(xiàn)有技術(shù)的生產(chǎn)不銹鋼的工業(yè)方法是通過在一熔煉爐，如電弧爐中熔煉含鉻的廢鋼和鉻鐵，接著在一精煉反應(yīng)器中攪動此鉻合金化的熔池的同時進(jìn)行脫碳。一般，由于熔池的熱力學(xué)碳活度低，所以約15％(重量)的鉻又被再氧化成渣。脫碳步驟后接著是還原步驟，其中加入準(zhǔn)金屬還原劑，如硅，或鋁，并噴入高純度的氬以將鉻組元從該鉻的氧化物回收到此熔池中。接著加配平的鉻鐵以達(dá)到最終的合金的規(guī)格。
所謂鉻鐵是指一種含20-70％(重量)的鉻和4-8％(重量)的碳，余量基本上是鐵和雜質(zhì)的合金。由于按常規(guī)方法生產(chǎn)時依靠使用電能和高質(zhì)量的鉻鐵礦精礦，所以鉻鐵中的鉻組元是很貴的。將冶金級的鉻鐵礦和焦炭一起在一埋弧電爐中熔煉，然后在模型中鑄造。有效的熔煉要求爐料是適當(dāng)?shù)剡x過尺寸的。
現(xiàn)有的改進(jìn)是用低質(zhì)的，化學(xué)級的鉻鐵礦或精礦熔煉液態(tài)的鉻鐵，它接著被加于另一反應(yīng)器的鐵熔池中以便精煉成不銹鋼。美國專利4,565,574公開了一種在頂-底復(fù)吹轉(zhuǎn)爐中用經(jīng)預(yù)熱和預(yù)還原的含碳鉻鐵礦球團(tuán)生產(chǎn)液體鉻鐵的方法。該球團(tuán)用粉狀的焦炭和化學(xué)級的鉻鐵礦礦石制成。將此球團(tuán)和外加的焦炭及石灰一起加入一回轉(zhuǎn)窯中以便預(yù)熱和部分金屬化。而后將此球團(tuán)加到一個設(shè)有丙烷保護(hù)的底吹風(fēng)咀和經(jīng)其噴入氧氣的頂槍的熱的轉(zhuǎn)爐中。該槍的主要目的是將來自鉻鐵礦還原的CO燃燒成CO2，借此將后燃燒熱輸往保護(hù)此金屬熔池的渣層中。這熱平衡要使得需要高度的后燃燒(＞30％)和相當(dāng)高的傳熱效率(＞85％)來保證可得到充分的熱以便用碳吸熱還原鉻鐵礦而得到鉻和鐵。對于在渣層中的最快還原速率而言，最主要的是必須在渣中保持大約20％(重量)的焦炭。該渣中存有焦炭還將發(fā)泡減為最少。盡管在渣層中有焦炭有助于將鉻自熔池至渣的再氧化減為最小，但遺憾的是，從焦炭將碳溶入熔池，直到達(dá)到碳的飽和極限的結(jié)果是與鉻含量相匹配的。用一種所謂的硬攪拌來消除渣和熔池間的溫差和達(dá)到充分的還原動力學(xué)條件。該攪動的程度要保持得低于被認(rèn)為能導(dǎo)致耐火襯過份浸蝕的程度。
US.4,961,784公開了一種在具有頂-底和側(cè)吹能力的轉(zhuǎn)爐中熔煉原鉻鐵礦礦石的方法。在約1小時后產(chǎn)生含約18％(重量)Cr和6％(重量)C的液態(tài)鉻鐵。在將鐵水加于此轉(zhuǎn)爐后，然后將室溫下的原鉻鐵礦礦石、焦炭和熔劑加入此熔池。使入爐材料的溫度達(dá)到熔池溫度的較大量的顯熱和用碳高吸熱地還原鉻鐵礦的大量的反應(yīng)熱提出了很大的總的熱需求。這種熱主要由來自脫碳的CO在高度的傳熱效率下的高度的后燃燒提供。用于脫碳和保證后燃燒的氧經(jīng)頂槍噴入，而僅CO和/或Ar或N2是經(jīng)底和側(cè)風(fēng)咀噴入的。該槍埋在含大量的，使泡沫穩(wěn)定的炭的泡沫渣中。該槍包括一個槍頭，它被設(shè)計成提供一股氧氣穿透渣層進(jìn)入其下的金屬熔池以便脫碳，另一股氧不穿透渣層以供后燃燒。通過與適量的側(cè)面噴吹氣體結(jié)合，該氧的噴射能以相當(dāng)高的，85％的平均傳熱效率達(dá)到至少30％的后燃燒。
日本專利申請58-117852公開了一種利用有側(cè)吹能力的頂-底復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的方法。將細(xì)的，原鉻鐵礦礦石和焦炭加入金屬液中。但不象US.4,961,784那樣，氧是經(jīng)全部三個口吹的，而頂吹氧是相當(dāng)軟的。熔煉期過后，接著是精煉期，其中僅通過頂槍持續(xù)吹氧，從而導(dǎo)致了含Cr20-32％(重量)的，碳飽和的鐵-鉻合金。
歐洲專利申請330,483指出了一種生產(chǎn)碳飽和的鐵-鉻熔池的方法，該法是先在一具有頂-底復(fù)吹能力的轉(zhuǎn)爐中熔化不銹鋼廢鋼，接著熔煉部分還原的鉻鐵礦球團(tuán)。將廢鋼、焦炭和鐵水加入此轉(zhuǎn)爐。生鐵脫碳產(chǎn)生的熱熔化了廢鋼。加入熔劑以中和由含在廢鋼和生鐵中的硅所產(chǎn)生的SiO2。在約30分的冶煉期過后，將部分還原的鉻鐵礦球團(tuán)和含碳材料加入此轉(zhuǎn)爐中。確保約45分鐘的頂-底吹氧，結(jié)果產(chǎn)生約含15％(重量)Cr和5.5％(重量)C的碳飽和熔池。這避免了使用昂貴的鉻鐵。
US.5,302,184公開了一種直接將含合金的原料、熔劑和含碳材料噴入金屬熔池以產(chǎn)生液體鐵合金，如鉻鐵的方法。鐵水是熔煉介質(zhì)，它被噴入的含氧氣體攪動。此過程可以持續(xù)，其中的目的是根據(jù)欲被還原的金屬氧化物，控制進(jìn)入此系統(tǒng)的氧勢。通過控制這些關(guān)鍵組份的噴入速率則可達(dá)到這種控制。通過添加或噴入含碳材料，將碳含量保持在3-12％(重量)之間。還噴氧，以進(jìn)行很高的，40-60％之間的后燃燒。由于該反應(yīng)室中的高度的后燃燒和攪動，金屬液滴連續(xù)地暴露在熱和氧源中，因而被脫碳。這些液滴又落回熔池中，傳遞大量的所需的熱和提供耗盡了碳的金屬，該金屬通過與噴入熔池的含碳材料的接觸又吸收了碳。
盡管如此，仍需要在生產(chǎn)不銹鋼的過程中提供用直接得自原鉻鐵礦礦石或鉻鐵礦精礦的便宜的金屬Cr組元取代昂貴的鉻鐵。上述的用于熔煉鉻鐵礦礦石的現(xiàn)有技術(shù)中所涉及到的物理-化學(xué)和熱化學(xué)過程有其固有的限制可能僅最適合于一些特殊的需要。一個關(guān)鍵性的限制是產(chǎn)生碳相當(dāng)高的液態(tài)鉻鐵。欲將所產(chǎn)生的，飽和的或接近飽和的高含碳量的鉻鐵直接精煉成不銹鋼，若它是基礎(chǔ)合金，則需要長的脫碳期，或者，若它是加入數(shù)個精煉反應(yīng)器的中間合金，則需要較大的熔煉車間。另一重要的限制是為了熱平衡需要高度的后燃燒。雖然這對于提高該工藝的能量效率會是合乎需要的，但這可能不是最經(jīng)濟(jì)的。高度的后燃燒會導(dǎo)致過度的耐火材料消耗并要依賴過量的含碳材料來保持可以接受的鉻回收率，這又導(dǎo)致了高碳產(chǎn)物。
本發(fā)明的主要目的在于用廉價的，化學(xué)級的原鉻鐵礦礦石或鉻鐵礦精礦生產(chǎn)便宜的金屬Cr組元。
本發(fā)明的另一目的在于在含有鐵水的單一的精煉反應(yīng)器中還原鉻鐵礦礦石。
本發(fā)明的另一目的在于在不銹鋼規(guī)格中所要求的總的金屬鉻組元中的至少20％來源于此鉻鐵礦礦石。
本發(fā)明再一目的在于不銹鋼規(guī)格中所要求的主要的金屬鉻組元基本上來自鉻鐵礦礦石，而較少依賴于昂貴的鉻鐵。
本發(fā)明又一目的在于以與常規(guī)的處理不銹鋼大致相同的或略為增加的熔化、熔煉和還原總時間用鉻鐵礦礦石提供不銹鋼規(guī)格中所要求的金屬鉻組元。
本發(fā)明還一目的在于將該鉻鐵礦的熔煉和還原工藝與現(xiàn)有的用于供應(yīng)鐵水的熔煉爐用最少的投資構(gòu)成一體。
本發(fā)明的又一目的在于通過要求最少的投資和多少增加的生產(chǎn)時間使該鉻鐵礦熔煉和還原工藝適合于小規(guī)模的特性或小型熔煉車間。
本發(fā)明涉及在為制造不銹鋼而生產(chǎn)高鉻合金熔池的過程中將金屬氧化物還原以得到金屬鉻組元的工藝。本發(fā)明包括在具有攪動鐵熔池裝置的反應(yīng)器中提供鐵/渣熔池混合物。該鐵熔池包含溶解的碳、與氧結(jié)合的鉻、金屬鐵及伴隨的渣組分。經(jīng)此攪動裝置噴吹含氧氣體以進(jìn)行脫碳及劇烈地攪動鐵熔池、渣及與氧結(jié)合的金屬以形成鉻合金熔池。攪動氣體的氧含量隨著合金熔池的含碳量趨近其最終的碳規(guī)格而下降。而后將準(zhǔn)金屬還原劑加入此反應(yīng)器及經(jīng)此攪動裝置噴吹非氧化性氣體以便清洗此合金熔池直到保持動態(tài)平衡和鉻回收率達(dá)到最大為止。
本發(fā)明的另一特點在于該反應(yīng)器包括頂吹氧氣的裝置，一部分氧氣在此鐵熔池上方排出，以進(jìn)行CO和H2的后燃燒，而將其余的氧氣噴入此鐵熔池以進(jìn)行脫碳和產(chǎn)生CO。
本發(fā)明另一特點在于通過此噴吹裝置和攪動裝置的總氣體量至少為0.5NM3/分/MT。
本發(fā)明再一特點在于流入此反應(yīng)器的總氣體量的30-60％是經(jīng)過此攪動裝置的。
本發(fā)明的又一特點在于CO和H2的后燃燒程度小于50％。
本發(fā)明還一特點在于上述攪動氣體進(jìn)行后燃燒時開始的氧與非氧化性氣體的摩爾比為4/1，而接近脫碳終止時，此比率降到1/3。
本發(fā)明另一特點在于在吹氧前該鐵熔池的溫度至少為1500℃。
本發(fā)明再一特點在于開始時的鐵熔池含至少0.5％(重量)而最多為飽和的碳。
本發(fā)明的又一特點在于該鉻合金熔池含0.5-1.5％(重量)C而在后燃燒終止時至少含2％(重量)Cr。
本發(fā)明還一特點在于在后燃燒結(jié)束時總的鉻回收率為至少70％。
本發(fā)明另一特點在于上述的與氧結(jié)合的金屬來自由原鉻鐵礦礦石、鉻鐵礦精礦、部分金屬化的鉻鐵礦礦石及鉻的氧化物粉塵組成的物組。
本發(fā)明的另一特點在于將上述的與氧結(jié)合的金屬至少預(yù)熱到1000℃。
本發(fā)明的另一特點包括將固體的碳質(zhì)還原劑和造渣劑加到起始的鐵熔池中。
本發(fā)明的另一特點在于該碳質(zhì)還原劑包括其量超過使該與氧結(jié)合的金屬預(yù)金屬化所需的固體碳。
本發(fā)明的另一特點在于在后燃燒過程中的渣量，除Cr2O3或FeO外，不超過400kg/MT。
本發(fā)明的另一特點在于向此起始鐵熔池加準(zhǔn)金屬還原劑。
本發(fā)明的另一特點在于該鉻-碳合金熔池中的總金屬鉻組元的至少20％是由鉻鐵礦礦石轉(zhuǎn)化而來的。
本發(fā)明的另一特點在于該起始的鐵熔池是用選自碳素鋼廢鋼、不銹鋼廢鋼及鋼廠廢物構(gòu)成的物組中的固體鋼鐵材料在電弧爐中熔成的。
本發(fā)明的優(yōu)點包括一種用便宜的化學(xué)級鉻鐵礦礦石和精礦生產(chǎn)不銹鋼的經(jīng)濟(jì)的工藝，它能在同一精煉反應(yīng)器中熔煉和精煉此鋼，并能在該鐵熔池的脫碳過程中將鉻的再氧化減至最小。另外的優(yōu)點是能用不銹鋼廢鋼和作為金屬Cr組元的第二來源的昂貴的鉻鐵合金生產(chǎn)不銹鋼。又一個優(yōu)點包括用最少的投資將此工藝與現(xiàn)有的小規(guī)模的電弧爐，尤其是微型的熔煉車間構(gòu)成一體。
在考慮到詳細(xì)敘述和附圖的基礎(chǔ)上，本發(fā)明的以上的和其它的目的，優(yōu)點和特點將更清楚。


圖1示意性地說明用于本發(fā)明的反應(yīng)器的一個實施方案。
圖2示意性地說明圖1的反應(yīng)器的噴槍的下部，它包括一個用于將氧排放在鐵熔池上方以便進(jìn)行后燃燒的一個氣體通道和用于將氧噴入此鐵熔池以便脫碳的另一個氣體通道。
圖3說明沿圖2中的3-3線截取的用于將氧排放在此反應(yīng)器中的氣體通道的截面圖。
圖4示意性地說明常規(guī)熔煉和精煉不銹鋼時的熔池中的Cr％(重量)。
圖5示意性地說明在按本發(fā)明生產(chǎn)不銹鋼時的熔煉和精煉過程中的熔池中的Cr％(重量)。
本發(fā)明的目的在于在用廉價的含與氧結(jié)合的鉻的金屬或鉻的氧化物如原鉻鐵礦礦石、由其制成的精礦、部分金屬化的鉻鐵礦礦石和含氧化鉻的鋼廠廢料為原料生產(chǎn)不銹鋼時取得所需的最大量的金屬鉻組元。為此，在生產(chǎn)AISI級的不銹鋼如409時，多達(dá)90％的金屬鉻組元可取自鉻鐵礦礦石，而當(dāng)生產(chǎn)AISI級的304和439不銹鋼時，50％的金屬鉻組元取自該礦石。不銹鋼規(guī)格中所需鉻組元的一些部分得自含鉻爐料，如不銹鋼廢鋼是可以理解的。用少量鉻鐵合金作最終配平添加劑來調(diào)整熔池規(guī)格以達(dá)到所需的最終合金的規(guī)格也是可以理解的。
本發(fā)明涉及一種直接從與氧結(jié)合的鉻金屬生產(chǎn)不銹鋼的三階段工藝。在于一鐵熔池中被加熱后，此與氧結(jié)合的鉻金屬在攪動良好的鐵/渣熔池中被至少部分地熔煉至低-中的碳含量和中等的鉻回收率。然后使此鉻合金化的熔池脫碳至最終熔池規(guī)格。由于在熔煉過程中還留有部分的與氧結(jié)合的鉻金屬，所以本發(fā)明工藝的一個重要優(yōu)點是，在脫碳過程中此熔池中的鉻的再氧化被減為最少。此后，此鉻合金化的熔池用準(zhǔn)金屬還原劑還原，從而通過從鉻的氧化物中回收金屬鉻組元而于低碳含量下得到高的鉻回收率。這種熔煉、脫碳和還原發(fā)生在同一精煉反應(yīng)器中。整個工藝過程可在一個設(shè)有熔煉爐，如電弧爐和精煉反應(yīng)器的熔煉車間里進(jìn)行，該反應(yīng)器最好是用頂吹氧的裝置，如氬-氧脫碳裝置或真空-氧脫碳裝置改造過的，借此減少投資費用。
本發(fā)明的優(yōu)點在于提供一種用較便宜的鉻鐵礦礦石和精礦部分地取代相當(dāng)昂貴的鉻鐵和不銹鋼廢鋼在精煉反應(yīng)器中生產(chǎn)不銹鋼的經(jīng)濟(jì)的工藝。尤其是將部分還原的，經(jīng)預(yù)熱的鉻鐵礦在鐵熔池中被熔煉，它又在同一反應(yīng)器中被直接精煉成不銹鋼。本發(fā)明的工藝比如是在現(xiàn)有的不銹鋼熔煉車間經(jīng)濟(jì)地實施的，所述車間具有反應(yīng)器，最好是改裝的設(shè)有頂吹裝置，如噴槍的氬-氧脫碳裝置(AOD)、真空-氧脫碳裝置(VOD)或Crusot-Loire-Uddeholm(CLU)轉(zhuǎn)爐的，或者裝有一種通用的頂-底復(fù)吹-精煉反應(yīng)器(TBRR)。
本發(fā)明的基礎(chǔ)是利用AOD、VOD、CLU或TBRR的混合能力，以促進(jìn)鉻鐵礦礦石，一種通常難于還原的金屬氧化物的快速還原。碳是熔煉前期中的主要還原劑。Si、Al、Ti、Mg或Ca準(zhǔn)金屬中的任一種都可以是熔煉前期中的共同的還原劑，和還原終期的僅有的還原劑。Si、Al或其混合物是優(yōu)選的準(zhǔn)金屬還原劑。
在用碳熔煉鉻鐵礦礦石時通常遇到的熱缺額最好以下列步驟的組合予以彌補(bǔ)鉻鐵礦爐料的預(yù)熱、熔煉產(chǎn)物氣體，如CO的后燃燒，和/或添加準(zhǔn)金屬還原劑。當(dāng)在最終還原過程中準(zhǔn)金屬還原劑Si和Al是該還原劑時，由此放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱基本上都供給了熱平衡，而且這也是唯一所需的熱源。在部分熔煉前期，當(dāng)將充裕的氧噴入時，此準(zhǔn)金屬與氧的燃燒所產(chǎn)生的熱和鉻鐵礦的放熱還原對后燃燒，或爐料的預(yù)熱或鉻鐵礦的部分預(yù)金屬化中之一或其組合進(jìn)行了補(bǔ)充。但，由于作為還原單位重量的鉻鐵礦的還原劑的準(zhǔn)金屬例如Si和Al比C貴，所以會付出經(jīng)濟(jì)上的代價。此外，它們的使用，特別是在熔煉前期，按預(yù)金屬化程度，會大大增加渣量，這終究要限制產(chǎn)生每噸合金的鉻鐵礦加入重量。按本發(fā)明，主要的還原劑是碳和按照熱平衡在第一期中可能加入的準(zhǔn)金屬。但這些準(zhǔn)金屬必須用于熔煉的終期，以改善在不吹氧時的鉻回收率。在終還原期，盡管不吹氧使此準(zhǔn)金屬燃燒，但以準(zhǔn)金屬進(jìn)行的鉻鐵礦的放熱還原一般足以彌補(bǔ)熱需求，即惰性攪動氣體的熱損失和顯熱。
本發(fā)明的工藝包括在一個精煉反應(yīng)器10，如圖1中示意性圖解的TBRR中順序發(fā)生的三個明確的階段。該反應(yīng)器包括耐火爐襯12，頂端即爐喉14，下端即底16，吹氧裝置，如經(jīng)反應(yīng)器10的喉部14延伸的頂槍即吹氧管18，它以其下部20伸到恰好在該熔池上方的一點，用于攪動含有溶解碳的鐵/渣熔池混合物的裝置22，如裝在該反應(yīng)器的底16或其附近的，經(jīng)耐火爐襯延伸的風(fēng)咀或多孔塞。根據(jù)渣量，該鐵熔池可被薄渣層覆蓋。
現(xiàn)更詳細(xì)地描述本發(fā)明的工藝。將與氧結(jié)合的鉻金屬，如經(jīng)預(yù)熱的，預(yù)金屬化的鉻鐵礦礦石與碳質(zhì)還原劑和造渣劑一起經(jīng)爐喉14加入反應(yīng)器中。而后將槍18的下部20降到此反應(yīng)器中，但不降入此鐵/渣熔池混合物24中，以便將氧氣噴入該反應(yīng)器。該氧氣最好是基本上純的氧。若此反應(yīng)器不包括槍18，則必需將準(zhǔn)金屬還原劑如Si與碳質(zhì)還原劑和造渣劑一起加，以便根據(jù)鉻礦石的氧化和還原提供所需的熱。圖2圖示了槍18，它最好包括一對有共同氧供應(yīng)(未示)的通道，以便可使流過該通道之一并被噴入熔池24的氧氣速率與同時流過另一通道的用于使CO后燃燒成CO2的氧氣流速無關(guān)。將來自鉻鐵礦的還原的CO后燃燒成CO2對于將熱輸入該渣層和鐵/渣熔池，以保證使鉻鐵礦被C還原成Cr和Fe的吸熱還原得到足夠的熱是必要的。流經(jīng)中心通道34的氧氣30是一股致密的集中的，可穿透渣層26和熔池24，用于使此鐵水脫C的射流。流經(jīng)另一通道32的氧氣28被分散在鐵/渣熔池24整個上方，以便將CO后燃燒成CO2，從而向此鐵水供應(yīng)輔助的熱。攪拌裝置22適于噴射含氧氣體和非氧化性氣體。該攪動氣體中的含氧氣體部分可包括空氣，富氧空氣，純氧，水，水蒸汽或其組合以及Ar，N2或其混合物。攪拌裝置22可包括一個或多個同心管，而含氧氣體經(jīng)內(nèi)管流過，甲烷氣體經(jīng)外管流過。甲烷氣的作用是冷卻此風(fēng)咀。當(dāng)持續(xù)爐底噴射氣體時，由于入爐原料的碎裂和熔化，形成渣、鐵水和鉻鐵礦顆粒的渦流混合。在經(jīng)預(yù)還原的鉻鐵礦，造渣劑和殘留的碳都因與熱的鐵/渣熔池接觸而溶解的同時，未還原的爐料中的鉻鐵礦將以小的，分散在該渣/金屬混合物中的固體顆粒存在。
圖3圖解了用于將氧噴入熔池的中心通道34，它就是金屬管35。用于將氧排放在熔池上方的外通道32包括4個均勻隔開的園的噴咀33，它們以相對于槍18的中心軸大約45°的角β(圖2)向外輻射。噴咀33止于槍18的下部20中的減薄的錐形過渡部分21。槍18還包括一對同心導(dǎo)管36和38，它們用于使冷卻劑通過此槍。為獲得良好的后燃燒，應(yīng)將通過噴咀33的氧氣30和通過管35的氧氣28的相互作用減為最小。為此，從噴咀33通過的氧氣28應(yīng)向下偏斜，但以至少約30°的角β偏離該垂直槍的中心軸。另一方面，為減低朝向反應(yīng)器內(nèi)壁的氧的速度，β角不應(yīng)超過約60°。經(jīng)噴咀33的氧氣30的流速最好與流經(jīng)管35的氧氣28的流速不相關(guān)地被控制。4個以上的噴咀33或一個管35可根據(jù)氧流量的要求或反應(yīng)器的尺寸被采用是可以理解的。
入爐材料的熔化和溶解，碳使鉻鐵礦的部分熔煉及因脫碳和后燃燒產(chǎn)生熱都是階段1中的關(guān)鍵過程。根據(jù)鉻鐵礦的預(yù)金屬化程度，熔煉持續(xù)進(jìn)行到Cr回收率至少為70％，可能高達(dá)85％或更高，而熔池溫度自其開始溫度一直基本保持不變。熔池的開始溫度的范圍可為約1500℃-約1750℃，更好是1600-1650℃。由于關(guān)系到TBRR中過份的耐火材料損耗的成本，所以此溫度最好低于1750℃。
本發(fā)明的與氧結(jié)合的鉻金屬可以是原鉻鐵礦礦石，用鉻鐵礦礦石制得的精礦及含鉻的氧化物的鋼廠廢料。所謂鉻鐵礦礦石或鉻鐵礦精礦指的是含25-55％(重量)之間的Cr2O3，余量為FeO、MgO、SiO2、Al2O3和CaO的金屬氧化物。Cr/Fe的重量比在0.9-3.5之間為好，更好在1.5-2.0之間。若該鉻鐵礦未部份金屬化，則其平均粒度最好應(yīng)在50目以下，以便縮短冶煉時間。粒度小于100目的精礦最好應(yīng)是噴入，以免過份的細(xì)粉損失。若欲使鉻鐵礦預(yù)金屬化，則在將礦石作成團(tuán)塊之前應(yīng)將其破碎到-200目的粒度。所謂的含鉻的氧化物的鋼廠廢料指的是爐塵、酸洗渣、軋制鐵皮等。
若使用塊狀的原鉻鐵礦礦石或粗的精礦，則此鉻鐵礦可與固體碳質(zhì)還原和造渣劑混合，然后以散料狀加入此反應(yīng)器中?？晒┻x擇的是，鉻鐵礦礦石可粉碎，作成團(tuán)塊，如燒結(jié)塊或球或被直接噴入此渣/鐵熔池中。若作成團(tuán)塊，則最好是將固體碳質(zhì)還原劑及造渣劑與粉碎的鉻鐵礦?；旌?，再結(jié)合成燒結(jié)塊或球團(tuán)。室溫(25℃)下的未金屬化的燒結(jié)塊或球團(tuán)可在，比如回轉(zhuǎn)膛式爐或回轉(zhuǎn)窯，或類似的能用固態(tài)碳使鉻鐵礦固態(tài)還原，以便用伴隨的碳質(zhì)還原劑使鉻鐵礦顆粒預(yù)金屬化的爐子中預(yù)熱和部分金屬化。若預(yù)金屬化，該燒結(jié)塊或球團(tuán)最好在從還原爐中取出后在仍熱時，在送至TBRR后最高為約1200℃的溫度下立即裝入該反應(yīng)器中。由于會損壞此還原爐中的耐火材料，所以在該還原爐中的出料溫度不應(yīng)超過約1400℃。最好是，將鉻金屬化至少10％，鐵金屬化至少50％，溫度至少1000℃的預(yù)金屬化的，預(yù)熱過的鉻鐵礦-碳-造渣劑的混合物加于此反應(yīng)器中。
所謂碳質(zhì)還原劑是指占優(yōu)勢的固體的，含碳的材料。這種碳質(zhì)還原劑可以超過預(yù)金屬化所需的量與此預(yù)金屬化的鉻鐵礦一起，或如在鉻鐵礦未金屬化的場合下，可分別加于此反應(yīng)器中的鐵熔池中。若鐵水在此反應(yīng)器上游端的熔煉爐，如電弧爐(EAF)中被提供，則可將此碳質(zhì)還原劑部分或全部地加在此EAF中。適宜的含碳材料包括焦炭、焦炭粉、石油焦、木炭、石墨、紙-中揮發(fā)性煙煤和無煙煤。根據(jù)用于產(chǎn)生鐵熔池的固態(tài)鐵質(zhì)原料，開始的鐵熔池可含有用于在第一階段冶煉鉻鐵礦的充足的溶解的碳，及無需向此反應(yīng)器的該熔池中添加碳質(zhì)還原劑是可以理解的。
適用于本發(fā)明的造渣劑包括CaO、MgO、Al2O3、SiO2和CaF2?？蓪⒁环N或多種造渣劑加于該精煉反應(yīng)器的鐵熔池中，在熔化或熔煉爐的上游加入，或在鉻鐵礦的球團(tuán)化過程之前加入。造渣劑的使用最好要保持適宜的渣堿度和適宜的MgO/Al2O3渣比，這取決于鉻鐵礦的來源及作為還原劑的Si或Al的用量。
該鐵水熔池可用高爐或任何的能從固體含鐵原料包括鐵的氧化物提供鐵水的其它鐵冶煉裝置形成?？晒┻x擇的是，該鐵熔池可在該精煉反應(yīng)器中或更好是在此反應(yīng)器前的熔煉爐中，如EAF中通過熔煉固體含鐵廢料等形成。用于形成鐵熔池的適宜的固體含鐵廢料包括碳素廢鋼、不銹鋼廢鋼、鐵的碳化物、直接還原鐵(DRI)或熱壓塊鐵(HBI)。在通過于EAF中熔化廢鋼而產(chǎn)生鐵熔池的場合下，可將部分或全部碳質(zhì)還原劑和造渣劑溶解或熔化在鐵熔池中，而在將鐵水送往反應(yīng)器之前它仍在EAF中。根據(jù)所用的爐子和含鐵原料的類型，初始的鐵熔池可含0-15％(重量)Cr和0.5％(重量)至最多為飽和的C。
現(xiàn)將詳細(xì)地敘述本發(fā)明的全部的三個階段。階段1在本發(fā)明工藝的階段1期間，在精煉反應(yīng)器中提供溫度至少1500℃的鐵熔池。將鉻鐵礦礦石粉碎再與過量的固體碳和造渣劑混合。將此混合物造球，再如US流水號08/470311(1995.06.06申請，題為“用氧化焰加熱的在轉(zhuǎn)底爐中還原金屬氧化物的方法(Method of ReducingMetal Oxide In A Rotary Hearth Furnace Heated ByOxidizing Flame)”，該文件經(jīng)參考結(jié)合于本文中)中所述，在一轉(zhuǎn)底爐中部分金屬化。在被預(yù)還原至少10％Cr和50％Fe金屬化后，以至少1000℃，更好是1200℃的高溫將此球團(tuán)經(jīng)反應(yīng)器的喉部加入。氧氣經(jīng)該槍吹入而含氧氣體經(jīng)攪動裝置吹入，其總流量在0.5-4NM3/分/MT之間，較好是至少2NM3/分/MT，更好是3NM3/分/MT。經(jīng)攪動裝置流入反應(yīng)容器的總的氣體的百分比在30-60％之間。經(jīng)攪動裝置噴入的氣體包括非氧化性氣體，其中O2/非氧化性氣體之比在2-4之間。若此反應(yīng)器為CLU轉(zhuǎn)爐，因為在與溶于鐵熔池中的C反應(yīng)時由H2O形成的H2降低了CO的分壓并可克分子對克分子地取代Ar，所以含氧氣體可以包括水蒸汽。若第一階段的此反應(yīng)器是VOD，則其非常類似AOD那樣地運行，其中，氧經(jīng)頂槍和經(jīng)底部風(fēng)口伴著惰性氣體吹入。可用的非氧化性氣體包括惰性氣體，如Ar或N2，而Ar是更合適的。氧經(jīng)此槍通過起著兩種作用為脫碳供氧和為自熔池放出的CO和H2的二次即后燃燒程度供氧。兩個燃燒反應(yīng)都向鐵熔池供熱，而后燃燒產(chǎn)生的熱比消耗每單位氧脫碳產(chǎn)生的熱多2倍以上。后燃燒程度(PCD)以離開此反應(yīng)器的氣體確定為100×(％CO2＋％H2O)/(％CO＋％CO2＋％H2＋H2O)。在階段1中，當(dāng)后燃燒被用作熱源時，PCD小于50％，較好是在20-30％之間。欲輸往鐵熔池的氧氣總量按純氧計，是以熱和質(zhì)量平衡為基礎(chǔ)計算的。該槍的噴頭被設(shè)計成同時將一部分氧氣以一個寬的，專門進(jìn)行后燃燒的射流導(dǎo)向熔池上方，而其余部分的氧氣則以一個緊密的專門用于熔池脫碳的射流被導(dǎo)入熔池中。通過調(diào)整噴咀的，主要影響此寬射流的角度和其動量的形狀，以及調(diào)整噴咀在熔池以上的高度來取得所期望廢氣的PCD。重要的是，不將該槍的噴咀置于此鐵/渣混合物中或穿過它，從而保證經(jīng)此槍吹過的氧氣部分在鐵熔池上方燃燒。
以給定的PCD的后燃燒所產(chǎn)生的熱的部分，即實際上被熔池吸收或傳于其中的熱，除去損失于爐襯和放出的氣體外，指的是其傳熱效率(HTE)。本發(fā)明的一個重要特點是不將槍埋入熔池，從而保證在熔池上方發(fā)生后燃燒。如果將槍埋入的話，只有很少的熱被吸收或被傳遞至熔池。結(jié)果本發(fā)明的HTE大概是50％或更低?，F(xiàn)與在埋槍時所達(dá)到的HTE相反，達(dá)到80-90％的量級。埋槍需要充裕的固態(tài)碳，以防止Cr和Fe自此鉻合金熔池大量再氧化到渣中，并防止渣發(fā)泡。持續(xù)階段1，即伴隨著底吹含氧氣體使氧氣經(jīng)此槍通過直至熔池的碳含量降到不超過1.5％(重量)，較好是小于1.0％(重量)，更好是小于0.7％(重量)而最好是降到0.5％(重量)為止。此時，全部鉻的Cr回收率應(yīng)至少為約70％，而此鉻合金熔池應(yīng)至少含2％(重量)的Cr，而且其溫度不大于1750℃。更好是Cr回收率至少應(yīng)為約70％(重量)，而此鉻合金熔池應(yīng)含至少5％(重量)Cr，而最好是Cr回收率應(yīng)至少為約85％(重量)，而鉻合金熔池應(yīng)至少含8％(重量)Cr。
本發(fā)明的另一重要特點是控制渣堿度和MgO/Al2O3的比值。渣堿度以(％CaO＋％MgO)/％SiO2的重量比確定。渣堿度應(yīng)至少為1.0，較好為至少1.5，更好為至少2.0而最好為至少2.5。較高的渣堿度已知是降低渣中的Cr的平衡濃度的，因此提高了Cr回收率。但渣堿度不應(yīng)超過約3.0，這是因為在高的CaO和MgO的濃度下，由于提高了液相溫度使渣變得過粘。存在于渣中的Al2O3最好應(yīng)在15-25％(重量)范圍內(nèi)。同樣，MgO應(yīng)在10-20％(重量)之間，而MgO/Al2O3應(yīng)在0.3-0.8％之間。
本發(fā)明的另一重要特點在于控制比渣量，kg渣/MT金屬。若此渣量變得過高，則渣的有效混合就變得非常困難。該渣量，除去在階段1和2中積累于其中的鉻的氧化物外，不應(yīng)超過400kg/MT金屬，較好是不應(yīng)超過350，而更好是不應(yīng)超過300。通常，在經(jīng)底吹風(fēng)咀噴吹氣體的強(qiáng)烈混合作用期間，該渣進(jìn)入熔池。當(dāng)渣量增加到遠(yuǎn)超過300kg/MT金屬時，大部分的渣聚成渣層，其中，渣層中缺乏混合就抑制了反應(yīng)的動力學(xué)和后燃燒熱的傳遞。結(jié)果，此渣量對于給定的鉻鐵礦的化學(xué)性質(zhì)而言可限制了鉻鐵礦礦石的加入量。階段2在本發(fā)明的工藝的第二階段期間，將此熔池脫碳至，或接近于正在生產(chǎn)的不銹鋼等級所要求的C的規(guī)格。這一階段的開始的標(biāo)志是中斷氧氣經(jīng)該槍通過和開始減少經(jīng)攪動裝置的含氧氣體的噴入。在AOD中的脫碳過程要求包括非氧化性氣體如惰性氣體，如Ar和含氧氣體，其中O2/Ar的比率有次序地降低。即，相對于氧流量的惰性氣體流量增加。在AOD中的這種過程最好以約4/1的O2/Ar比開始，這將在15-30分鐘的期間分段地或連續(xù)地降到1/1。對此鉻合金熔池取樣，然后繼續(xù)脫碳攪動，若需要，再以1/3的O2/Ar之比再繼續(xù)大約10分鐘。在補(bǔ)償攪動氣體的熱損失和顯熱之后，若需要抵銷脫碳所產(chǎn)生的熱，可將碳廢鋼或不銹鋼廢鋼作為冷卻劑加入，從而保持大致恒定的熔池溫度，最好保持在1600-1650℃的范圍內(nèi)。若反應(yīng)器是VOD，通過大量降低壓力使攪動裝置運行。溶解的氧變得過飽和并與殘留的碳反應(yīng)而形成CO，借此使熔池脫碳。這樣熔池就由強(qiáng)烈放出的CO所攪動。
本發(fā)明的另一重要特點是，在第二階段期間沒有大量的鉻被再氧化到渣中去。在由鉻鐵和不銹鋼廢鋼產(chǎn)生的鉻合金熔池的常規(guī)脫碳期間，隨著碳含量的下降，鉻和鐵被氧化成渣，如Cr2O3、FeO·Cr2O3、CrO(1)和EeO(1)。這種再氧化是由于盡管降低了CO的分壓，但在脫碳期間碳的熱力學(xué)活度下降，從而由該熔池中的碳-氧平衡所控制的氧分壓上升的結(jié)果。一般，在此鉻合金熔池中至少10％，而多達(dá)30％的鉻可以這鐘方式再氧化，結(jié)果在這一點上使鉻回收率明顯下降。現(xiàn)有技術(shù)中的一個重要的固有缺點在圖4中作了示意性的說明。即，當(dāng)持續(xù)脫碳時，熔池中的Cr含量可由，比如說約10％(重量)降到低達(dá)標(biāo)號42所示的7％(重量)。
對比之下，按本發(fā)明，熔池中的鉻大量再氧化成渣是被來自階段1的未被還原的鉻鐵礦的存在所阻止的。它的存在保持了渣中FeO·Cr2O3、以及Cr2O3和CrO(1)的較高的熱力學(xué)活度，盡管在脫碳結(jié)束時有較高的氧分壓，卻借此降低了使鉻再氧化的驅(qū)動力。這在圖5即本發(fā)明中以標(biāo)號44示意地說明。這在反應(yīng)器為VOD時的情況下也是確實的，其中CO的分壓因真空而不是因用Ar稀釋而下降的。盡管在VOD中以真空使CO分壓下降，但由于C的熱力學(xué)活度下降，所以Cr2O3的活度趨于上升。當(dāng)在AOD中時，來自階段1的未還原的FeO·Cr2O3的存在趨于保持Cr2O3的高活度，借此將Cr的另外的氧化減至最小。在本發(fā)明階段1中的脫碳末期可能出現(xiàn)有限量的再氧化。類似地，在本發(fā)明階段2的前期可能會出現(xiàn)有限量的以碳進(jìn)行的鉻鐵礦熔煉。結(jié)果，鉻的回收率大致保持得與階段1末時的相同，而且大致與在精煉不銹鋼的常規(guī)實踐中的脫碳末期通常遇到的情況相同。階段3本發(fā)明的工藝中的階段3也是一還原階段，但其中準(zhǔn)金屬Si、Al、Ti、Mg或Ca中的一種或幾種是還原劑，而不是碳。還有，將非氧化性氣體，如Ar，最好是高純Ar經(jīng)攪動裝置噴射，以便靠著溶于鉻合金熔池中的該還原劑與各種鉻和鐵的氧化物的接觸而進(jìn)行激烈的混合。這些氧化物被還原成溶解的金屬，從而根據(jù)鉻-鉻氧化物平衡或準(zhǔn)平衡，一般將鉻回收率提高到95％以上。在達(dá)到平衡的情況下的高堿度渣與該金屬的激烈混合的條件下，完成鉻從渣到金屬的最大轉(zhuǎn)移。所謂準(zhǔn)平衡指的是鐵水-渣的界面運動足以導(dǎo)致該鐵熔池和含鉻的氧化物的渣之間的動態(tài)平衡，從而導(dǎo)致非常接近的鐵和渣之間的化學(xué)和熱平衡。
用這些準(zhǔn)金屬還原劑還原鉻鐵礦是放熱的，從而彌補(bǔ)了攪動氣體的熱損失和顯熱的需求。對熔池的熱調(diào)整可通過添加冷卻劑，如廢鋼或任何所需的，對配平是必要的添加劑來實現(xiàn)。配平添加劑可包括滿足最終Cr規(guī)格的少量不銹鋼廢鋼或鉻鐵。本發(fā)明的小規(guī)模實驗將鐵水加入裝有工業(yè)用多孔塞的，經(jīng)預(yù)熱的1/2噸小型反應(yīng)器中，該塞是用于通過Ar氣的。將鐵在一550kg容量的空氣感應(yīng)爐中熔化，然后經(jīng)一漏斗放到此反應(yīng)器中。鐵水盡可能熱地放出，一般為1700-1750℃，以克服因鐵水量少和爐料的大的顯然需求而產(chǎn)生的相當(dāng)高的熱損失。通過在此小型反應(yīng)器中的D-Cast工作襯和鋁礬土保護(hù)襯，使經(jīng)過反應(yīng)器壁和上部開口的熱損失僅為9℃/分。用于本發(fā)明該小型實驗的反應(yīng)器的能力限于只有底部攪動裝置，因此不選擇自頂槍吹氧脫碳和反燃燒的方案。
將冷的，含碳和造渣劑的部分金屬化的鉻鐵礦球團(tuán)加到此裝有鐵水的反應(yīng)器中。表1列出了球團(tuán)的特征，其中小寫字母“t”和“m”指的是“總的”和“金屬化的”。
表I
<p>完成加料后，對熔池和渣取樣，在實驗期間每2-3分鐘測一次溫。表II給出了本發(fā)明12爐實驗的關(guān)鍵條件和結(jié)果。
表II
實驗I說明了在14分鐘，以至少54％Cr金屬化的預(yù)還原的鉻鐵礦球團(tuán)開始的條件下，用碳作還原劑及不吹氧時，Cr回收率達(dá)到約79％。若以Si和C作還原劑，仍不吹氧，在不到8分鐘的時間里，如實驗II所表明，Cr回收率大為改進(jìn)(達(dá)99％)。實驗III說明，當(dāng)吹氧時(O2/Ar＝1.5)，在存在C和Si兩者的情況下，仍達(dá)到高的Cr回收率(在表II中未示出實驗III，在8分鐘時該實驗中的Cr回收率約90％。)，但時間要超過2倍(19分)。
實驗IV基本上重復(fù)實驗III，但噴射氣體中的O2/Ar比率降低，并降低了熔池％Si。以相等的冶煉時間得到大約相同的Cr回收率的結(jié)果(96％)(在表II中未示的是該實驗中在14分鐘時為95％的Cr回收率)。
實驗V證實了較大渣量的負(fù)效果。對于與實驗III大致相同的熔池％Si和％C及噴入氣體的O2/Ar比而言，雙倍的渣量使Cr回收率從于19分時收于該實驗中的99％降到于22分時收于實驗V的約84％。
實驗VI也重復(fù)實驗IV，但用Al而不是Si作共同還原劑。實驗VII重復(fù)實驗IV，但渣堿度較高，結(jié)果得到適度的Cr回收率。這表明在達(dá)到高Cr回收率(98％)方面，Al象Si一樣有效。
將實驗VIII與實驗III和V對比，結(jié)果表明，提高了的渣量和較高的噴入氣體的O2/Ar比的效果由于降低了Cr回收率使之降到75％。被注意到的是，既不是實驗V，也不是實驗VIII繼之以僅用Ar的清洗。但實驗IX和X繼之以3-5分鐘的Ar清洗，這大大地將Cr回收率分別提高到94％和98％。在實驗IX中，起始熔池Cr含量約為10％，但渣量僅為50kg/MT而O2/Ar比則相當(dāng)?shù)?。在實驗X中，象除IX外的其它實驗一樣，開始時熔池中無Cr，但渣量被提高了6倍至約300kg/MT，而噴入氣體中的O2/Ar比為全部實驗中的最高水平，即恰好在5以下。在此實驗中，不同時地，而是以10分鐘的間隔加球團(tuán)和造渣劑，以便使每一次投料后通過Si和C的燃燒使缺乏熱量的此小形反應(yīng)器重加熱。最后一批從實驗終止算起的約20分鐘時，這包括Ar清洗，加入，結(jié)果清楚地表明，盡管攪拌裝置的起始O2/Ar比很高，而且渣量大，但在繼之以Ar清洗時，達(dá)到高的Cr產(chǎn)率(98％)是可能的，后者相當(dāng)于本發(fā)明的階段3。
最后，實驗XI和XII表明，若在實驗結(jié)束時存有一些Si(約0.3％(重量))，則以小渣量，在高的O2/Ar比時達(dá)到的Cr回收率在95％以上。但實驗X表明，盡管有很高的最終Si含量，在高的渣量時，需要短的Ar清洗以便達(dá)到高的Cr回收率。在實驗XI和XII期間，將一些Si(約3kg)加入熔池中，以便通過燃燒產(chǎn)生所需的熱，但在該實驗近于結(jié)束時，此硅已被消耗盡了。
本發(fā)明的工業(yè)運行實施例本發(fā)明可以一種如圖1中所示的反應(yīng)器被用來生產(chǎn)各種不銹鋼，其中金屬鉻組元的范圍可直接來自鉻鐵礦礦石。其余的鉻可來自上道工序熔化的不銹鋼廢鋼和可在還原完成后作為配平添加劑加入的少量鉻鐵。直接得自鉻鐵礦的金屬鉻組元的數(shù)量取決于按本發(fā)明所選的工藝條件。
現(xiàn)列出10個實施例以說明本發(fā)明提出的工業(yè)用途。表III列出了本發(fā)明的階段1的工藝條件和結(jié)果，其中關(guān)鍵參數(shù)被改變了。被注意到的是，本發(fā)明的用途不限于所選的參數(shù)的范圍中。比如雖然在表III中對于全部給出的實施例而言，鐵熔池的起始溫度是恒定的，但其可以是個參數(shù)。還有，為簡便起見，將這些實施例限于生產(chǎn)含10％(重量)Cr、0.05％(重量)C和余量是Fe的基礎(chǔ)合金。這種基礎(chǔ)合金很適合AISI 409不銹鋼，而該鋼可容易地用此基礎(chǔ)合金，通過配平添加而制成。本發(fā)明可被用于在熔池中獲得較高的鉻含量，但也伴有更多的渣量，這將限制得到最大的鉻含量。在表III中，于階段1中生產(chǎn)的此合金根據(jù)所選的條件改變鉻含量。于階段1中所生產(chǎn)的合金和欲生產(chǎn)的此基礎(chǔ)合金間的鉻含量差則通過在階段III中加鉻鐵進(jìn)行調(diào)整。
表III在階段1中熔煉鉻鐵礦的實施例基準(zhǔn)得自階段1的1 MT Fe-Cr-C合金
<p>表III(續(xù))
在全部實施例中，為達(dá)到合適的鉻回收率所需的熔煉時間小于或等于脫碳時間。
被注意到的是，當(dāng)改變每個實施例的參數(shù)時表III的熱平衡通過調(diào)整爐料中的碳的重量百分比或調(diào)整金屬液中的起始％(重量)C而被保持，上述兩種碳參數(shù)是決定在該脫碳速度下的脫碳時間及因脫碳而產(chǎn)生的熱的。
表IV給出了全部三階段的簡單的Si和Cr的平衡，從而終于完成了該基礎(chǔ)合金的生產(chǎn)。所示的是Si的消耗和每個階段中得到的熔池％(重量)Cr。取決于預(yù)金屬化程度的階段1的Cr回收率被示于表III中。假定在階段2中沒有附加的于渣中的鉻損失。對于階段3而言，假定所有的實施例的Cr回收率為97％。任何對于制造該基礎(chǔ)合金所需的鉻缺額由階段3中的鉻配平彌補(bǔ)。
節(jié)約生產(chǎn)成本的推算值也示于表IV中，該值是按基準(zhǔn)生產(chǎn)成本，即指的是常規(guī)操作，的百分比算出來的，其中的金屬Cr組元是以$1.43/kgCr計價的。在基準(zhǔn)操作中，來自不銹鋼廢鋼和鉻鐵的Cr組元的定價相同。對于本發(fā)明的實施例而言，鉻鐵礦礦石的價格，包括運費，是按$137.50/MT礦石取的。最后，Si價假定為$0.88/kg。生產(chǎn)成本計算中所需的所有的其它成本均以該基準(zhǔn)操作的假定價格為基礎(chǔ)。
表IV階段1-3的Si和Cr平衡基準(zhǔn)得自階段2的1MT合金
實施例A和B在這兩個使用如圖1所示反應(yīng)器的本發(fā)明的實施例中，展示了將在階段1中的總鉻量的鉻回收率從73％提高到87％的效果。除預(yù)還原的鉻鐵礦爐料的被固定的碳的％之外，全部其它的參數(shù)不變。后燃燒程度和傳熱效率分別設(shè)為25％和50％。此二實施例的鉻鐵礦加料速度相同，它處于導(dǎo)致階段3中的基礎(chǔ)合金的水平上。
因為對于同樣的預(yù)金屬化程度而言，為達(dá)到較高的鉻回收率，為熔煉鉻鐵礦需要更多的碳，所以較高的鉻回收率是與提高碳的需求量是一致的。因為碳還原鉻鐵礦是吸熱的，所以額外的碳必需被脫碳以滿足熱平衡。這導(dǎo)致了多少長一些的脫碳時間。被注意到的是，這兩個實施例的脫碳時間，比如是約1小時，與同時進(jìn)行的冶煉所需的時間，如從小型實驗的結(jié)果所表明的，比如，約20分鐘是過長了。
在階段1中產(chǎn)生的合金的Cr含量隨Cr回收率升高。渣量適度地增加，但在二種情況下卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于400kg渣/MT，而且它不是限制性因素。在階段3中，實施例A比實施例B加入了更多的Si，以便在前一情況下從階段1回收更大量的未還原的鉻鐵礦。盡管如此，生產(chǎn)成本的節(jié)約效果是適度的，它下降了約2％。實施例A和C在此二實施例中，改變鉻鐵礦礦石的預(yù)金屬化程度以反映預(yù)還原的效果。該預(yù)還原步驟可用窯或轉(zhuǎn)底爐進(jìn)行，其中鉻鐵礦礦石與含碳材料混合，并以固態(tài)被部分金屬化，除預(yù)還原鉻鐵礦爐料的被固定的碳的％外，其它所有的參數(shù)不變。當(dāng)為了熔煉需要較少的碳作還原劑時，這隨著提高金屬化程度而減少。結(jié)果脫碳時間大為減少。
在實施例A和C中，在階段1中熔煉的鉻鐵礦的Cr回收率是相同的(70％)。但，由于在實施例C中所加的鉻鐵礦的金屬化程度比實施例A中的高，所以在階段1中全部鉻的凈Cr回收率從73％升高到85％。結(jié)果，在階段1中所產(chǎn)生的合金的Cr含量升高了。還有，在階段3中，為回收來自階段1的少量未還原的鉻鐵礦需要較少的硅。提高了預(yù)金屬化程度及隨之而來的較高的Cr回收率，對于生產(chǎn)成本有很大的影響。實施例C表明生產(chǎn)成本的節(jié)約較多，約21％。實施例C和D將實施例D與C對比，其中脫碳速度從0.12％C/分提高到0.15％C/分。階段1中的最大效果在于此脫碳時間和熱平衡方面，而這是在較短的脫碳時間中的較小的熱損失的結(jié)果。結(jié)果，脫碳從45分減少到33分，而且被鉻鐵礦固定的碳的％適度地從17.5降到16.5％(重量)。
在階段3中，此二實施例消耗了大約同樣量的硅，但生產(chǎn)成本的節(jié)約升到所有情況下的最高點，如22％，這主要是由于減少了耐火材料消耗的結(jié)果。實施例C和E在這兩個實施例中，％PCD作為一個參數(shù)被改變，其余的全部不變。將PCD從25％提高到30％，同時保持HTE為50％不變，則對于熱平衡的碳需求，因而對于脫碳時間有適度的影響。還有，由于在階段3中的硅消耗量對此二實施例而言是大約相同的，生產(chǎn)成本節(jié)約適度提高了約1/2％。實施例C、F和G實施例F是欲與實施例C對比的，在表III中一系列實施例中第一個具有硅作為階段1中的共同還原劑的實施例，其中所有的其它關(guān)鍵參數(shù)是相同的。現(xiàn)在確定用于脫碳熱的碳較少，因而隨之而來的灰份也較少，最大的影響在熱平衡方面。這將脫碳時間由大約45分顯著降低至大約29分，降低35％。令人驚訝的是，盡管往渣中增加了SiO2和CaO，但渣量仍適度減少。但，仍有較少的渣是因較低的脫碳速率的渣。
與實施例C相比，實施例F用了多得多的硅，但這對生產(chǎn)成本的節(jié)約并無不利影響，而表現(xiàn)出的為大致相同的水平。這是由于減少了脫碳時間，彌補(bǔ)了以假定的硅與鉻的相對價格計的較高的硅用量(假定為鉻鐵中Cr價格的約60％，1kg對1kg)。
在實施例G中，以提高得比實施例F中更多的Si代替碳作還原劑，其中在階段1中加了16.3kg Si，這相當(dāng)于9.6kg/MT。結(jié)果，被固定的碳％從17.5％(實施例C)降到12.6％(實施例F)再到8.9％(實施例G)。脫碳時間相應(yīng)地從45分(實施例C)降到29分(實施例F)再降到19分(實施例G)。雖然在實施例G中總的硅消耗量與實施例C相比顯著上升，但以Si相對于Cr的假設(shè)價格計，生產(chǎn)成本的節(jié)約實際上保持未變。實施例C、F和H雖然在實施例F和H中，Si和碳一起作共同還原劑，后者取PCD為0，相當(dāng)于沒有來自頂槍的脫碳和后燃燒。不象用頂槍的實施例A-G，實施例H相當(dāng)于沒有用于脫碳和后燃燒的情況。脫碳速度降低了50％，達(dá)到0.06％C/分，這是因為脫碳是僅用底吹風(fēng)咀產(chǎn)生的。為彌補(bǔ)熱平衡方面的，來自后燃燒的熱損失，硅的消耗大量增加，而碳消耗則適度增加。結(jié)果，渣量也大大增加到309kg/MT。脫碳時間急劇增加到超過1小時，增加因熱損而帶來的熱負(fù)荷。這些變更的全部的綜合將生產(chǎn)成本的節(jié)約減少到14％。實施例I和J實施例I和J指的是與前面各實施例相比是明顯不同的工藝構(gòu)成。在實施例I中，鉻鐵礦被部分金屬化，并于冷態(tài)送往TBRR，這可能與在熔煉車間不加預(yù)還原劑的情況相當(dāng)。在實施例J中，將未還原的鉻鐵礦精礦以熱態(tài)加于TBRR中。這是一種用便宜的窯爐將入爐材料僅預(yù)熱但不金屬化的情況。在實施例I和J中，PCD也為0，這是因為未用頂槍，而脫碳速度也很低的緣故，其中脫碳總體上是借助底部風(fēng)咀。硅和碳一起是主要的還原劑，而后者在前面的EAF中被溶于鐵金屬料中。
此二實施例很快達(dá)到了高的渣量，這就限制了總的鉻鐵礦的加入重量。300kg/MT的渣量是作為此二實施例的限度而取的。脫碳時間很短，比如，約20-25分，但可通過減小Si/C還原劑比而延長。假定于該脫碳時間內(nèi)Cr回收率可達(dá)85％，則熔池中的來自該鉻鐵礦的Cr含量，對此二實施例而言，是明顯下降的，如，對實施例I和J而言，分別為1.5％和5.1％。因為在這些實施例中以便宜的鉻鐵礦提供的，每噸10％(重量)Cr的合金中的Cr組元較少，及高的硅消耗，所以生產(chǎn)成本方面的節(jié)省明顯下降。生產(chǎn)成本中的這種節(jié)省在實施例J中幾乎沒有，而對實施例I而言則明顯是負(fù)的。
應(yīng)理解的是可對本發(fā)明作各種變更，而不違背其精神和范圍。因此，本發(fā)明的限制應(yīng)以所附的權(quán)利要求而定。
權(quán)利要求
1.通過在一精煉反應(yīng)器中原地熔煉金屬氧化物生產(chǎn)不銹鋼的方法，它所包括的步驟為在此反應(yīng)器中提供鐵/渣熔池混合物，該鐵熔池含溶解的碳，該反應(yīng)器包括底部攪動此鐵熔池的裝置，將與氧結(jié)合的鉻金屬加于此鐵熔池中，將含氧氣體經(jīng)此攪動裝置噴射，以進(jìn)行脫碳和激烈攪動此鐵溶池、渣和與氧結(jié)合的金屬，借此形成具有降低到其最終規(guī)格的碳的鉻合金熔池，將準(zhǔn)金屬還原劑加于此反應(yīng)器中，及經(jīng)此攪動裝置噴非氧化性氣體以清洗此合金熔池，直至保持動態(tài)平衡和鉻回收率最大時為止。
2.權(quán)利要求1的方法，其中該反應(yīng)器包括頂吹氧裝置及使氧氣經(jīng)此吹氧裝置通入此反應(yīng)器的輔助步驟，部分氧氣被排放在該鐵熔池上方以進(jìn)行CO和H2的后燃燒，而其余的氧氣被噴入此鐵熔池中以進(jìn)行此鐵熔池中的碳的脫碳而成為CO。
3.權(quán)利要求2的方法，其中該氧氣為基本上純的氧。
4.權(quán)利要求1的方法，其中該含氧氣體選自基本上由空氣、富氧空氣、純氧、水、水蒸氣或其混合物構(gòu)成的物組。
5.權(quán)利要求4的方法，其中該含氧氣體還另外包括Ar、N2或其混合物。
6.權(quán)利要求2的方法，其中經(jīng)過此噴吹裝置的氧氣和經(jīng)過此攪動裝置的含氧氣體的總的比流量為至少0.5NM3/分/MT。
7.權(quán)利要求2的方法，其中經(jīng)過此噴吹裝置的氣體和經(jīng)過此攪動裝置的氣體的總的比流量為2-4NM3/分/MT。
8.權(quán)利要求2的方法，其中總氣體流量的30-60％經(jīng)此攪動裝置流入此反應(yīng)器。
9.權(quán)利要求2的方法，其中經(jīng)過此噴吹裝置的氣體是基本上純的氧，而經(jīng)此攪動裝置噴吹的氣體中的氧與非氧化性氣體的摩爾比小于4。
10.權(quán)利要求2的方法，其中CO和H2的后燃燒程度小于50％。
11.權(quán)利要求10的方法，其中CO和H2的后燃燒程度為20-30％。
12.權(quán)利要求2的方法，其中在后燃燒期間的該攪動氣體中的氧與非氧化性氣體的起始摩爾比為4/1。
13.權(quán)利要求權(quán)利要求12的方法，其中該攪動氣體中氧與非氧化性氣體的摩爾比，在接近脫碳結(jié)束時降為1/1。
14.權(quán)利要求13的方法，其中在接近脫碳結(jié)束時，該攪動氣體中氧和非氧化性氣體的摩爾比降到約1/3。
15.權(quán)利要求2的方法，其中吹氧前該熔池的溫度為1500℃-1750℃。
16.權(quán)利要求2的方法，其中該合金熔池含0.5-1.5％(重量)C，至少2.0％(重量)Cr，而全部鉻中的鉻回收率在后燃燒結(jié)束時為至少70％。
17.權(quán)利要求1的方法，其中該與氧結(jié)合的金屬包括至少10％金屬化的鉻的氧化物和至少50％金屬化的鐵的氧化物。
18.權(quán)利要求1的方法，其中該與氧結(jié)合的金屬為含25-55％Cr2O3，余量為FeO、MgO、SiO2、Al2O3和CaO的鉻鐵礦精礦，而且其中Cr和Fe的重量比在0.9-3.5之間。
19.權(quán)利要求1的方法，其中該與氧結(jié)合的金屬被預(yù)熱到至少1000℃。
20.權(quán)利要求1的方法，其中該與氧結(jié)合的金屬中包含碳質(zhì)還原劑、準(zhǔn)金屬還原劑和造渣劑。
21.權(quán)利要求20的方法，其中該準(zhǔn)金屬還原劑是硅。
22.權(quán)利要求1的方法，其中該與氧結(jié)合的金屬含有其量超過使此與氧結(jié)合的金屬預(yù)金屬化所需的固體碳。
23.權(quán)利要求2的方法，其中固體碳質(zhì)還原劑和準(zhǔn)金屬還原劑中的至少一種被加于此初始鐵熔池中。
24.權(quán)利要求1的方法，其中該初始鐵熔池含0-15％(重量)Cr和0.5％(重量)而最多為飽和的碳。
25.權(quán)利要求1的方法，其中在該渣中，堿度被保持在1.0-3.0之間。
26.權(quán)利要求1的方法，其中該渣中的MgO/Al2O3的重量比被保持在0.3-0.8之間。
27.權(quán)利要求1的方法，其中在后燃燒期間，除Cr2O3或FeO外的渣量不超過400kg/MT。
28.權(quán)利要求27的方法，其中該渣量不超過300kg/MT。
29.權(quán)利要求1的方法，它包括將鉻鐵加于此合金熔池中以達(dá)到最終鉻規(guī)格的附加步驟。
30.權(quán)利要求1的方法，其中最終合金熔池中的總鉻的至少20％得自所加原料中的鉻鐵礦。
31.權(quán)利要求1的方法，其中該鐵熔池是由來自碳素鋼廢鋼、不銹鋼廢鋼、直接還原鐵、熱壓塊鐵、鐵的碳化物及鋼廠廢料所組成的物組中的一種或多種固體鋼鐵材料熔化而成的。
32.權(quán)利要求31的方法，它包括為用此固態(tài)鋼鐵材料熔成熔池而提供熔爐的輔助步驟。
33.權(quán)利要求1的方法，其中該鐵熔池在一鐵熔煉爐中用固態(tài)鐵或含鐵的氧化物的材料產(chǎn)生。
34.權(quán)利要求1的方法，其中該與氧結(jié)合的金屬來自由原鉻鐵礦礦石、鉻鐵礦精礦、金屬化的鉻鐵礦礦石和含鉻的氧化物的鋼廠廢料構(gòu)成的物組。
35.權(quán)利要求1的方法，其中該反應(yīng)器是AOD，而該攪動氣體中的氧含量隨該合金熔池中的碳含量向其最終碳規(guī)格趨近而減少。
36.權(quán)利要求1的方法，其中該反應(yīng)器是VOD，而該合金熔池中的碳含量通過降低該熔池中的氧分壓而降低。
37.權(quán)利要求2的方法，其后燃燒氧的流量不與脫碳氧流量相關(guān)地被控制。
38.權(quán)利要求2的方法，其中該吹入裝置包括一具有一對氣體通道的槍，該后燃燒氧流過此通道中的一個，而脫碳氧流經(jīng)此通道的另一個。
39.權(quán)利要求37的方法，其中該后燃燒氧通道包括多個噴咀，而該脫碳氧通道包括一個噴咀。
40.通過在一頂-底吹精煉反應(yīng)器中原地熔煉金屬氧化物生產(chǎn)不銹鋼的方法，它包括以下步驟階段1-在該反應(yīng)器中提供含碳鐵/渣熔池混合物，該反應(yīng)器包括頂吹氧裝置和用于底攪動此鐵熔池、加與氧結(jié)合的金屬、含碳材料和造渣劑于此反應(yīng)器中的裝置，氧氣經(jīng)此吹氣裝置通過，該氧氣的一部分排放在該鐵熔池的上方，以進(jìn)行CO和H2的后燃燒，而其余的氧氣被噴入此鐵熔池以進(jìn)行此鐵熔池中的碳的脫碳而成CO，經(jīng)攪動裝置噴含氧氣體，以進(jìn)行在該鐵熔池中的脫碳，和該鐵熔池、渣、和與氧結(jié)合的金屬的激烈混合，借此形成鉻合金熔池。階段2-中斷使氧通過此吹氣裝置，借此中斷后燃燒和脫碳，并將該合金熔池中的碳含量減少到其最終碳規(guī)格，及階段3-將準(zhǔn)金屬還原劑加于此反應(yīng)器中，然后經(jīng)此攪動裝置噴非氧化性氣體以清洗此合金熔池，直至保持動態(tài)平衡和鉻回收率達(dá)到最大時為止。
41.通過在一精煉反應(yīng)器中原地熔煉金屬氧化物生產(chǎn)不銹鋼的方法，它包括的步驟為在該反應(yīng)器中提供含至少0.5％(重量)C和溫度至少為1500℃的鐵/渣熔池混合物，該反應(yīng)器包括頂吹氧裝置和底部攪動此鐵水的裝置，將鉻鐵礦及含碳材料和造渣劑加入此鐵熔池中，經(jīng)此頂吹裝置通過氧氣，將該氧氣的一部分排放在此鐵熔池的上方以進(jìn)行CO和H2的后燃燒，其中該后燃燒程度小于50％，而將其余部分的氧氣噴入此熔池以進(jìn)行此鐵熔池中的脫碳而形成CO，經(jīng)此攪動裝置噴含氧氣體以進(jìn)行此鐵熔池中的脫碳及此鐵熔池、渣和鉻鐵礦的使此熔池脫碳的激烈混合，借此在后燃燒結(jié)束時形成含不大于1.5％(重量)C、至少2％(重量)Cr和不高于1750℃的溫度的鉻合金熔池，中斷使此氧氣經(jīng)此吹氧裝置通過，借此中斷后燃燒及脫碳，然后在合金熔池的碳含量趨近其最終碳規(guī)格時減少此攪動氣體中的氧含量，及將準(zhǔn)金屬還原劑加入此反應(yīng)器并經(jīng)此攪動裝置噴入非氧化性氣體以清洗此合金熔池，直至動態(tài)平衡被保持及鉻回收率為最大時為止。
42.通過在一精煉反應(yīng)器中原地熔煉金屬氧化物生產(chǎn)不銹鋼的方法，它包括的步驟為在此反應(yīng)器中提供含至少0.5％(重量)C而溫度至少為1500℃的鐵/渣熔池混合物，此反應(yīng)器包括頂槍和攪動此鐵水的裝置，將用鉻鐵礦礦石生產(chǎn)的精礦、固體的碳質(zhì)還原劑和造渣劑加入此鐵熔池中，該精礦含至少25％(重量)Cr2O3和至少7％(重量)FeO，此精礦中的鉻的氧化物至少10％被金屬化而此精礦中的鐵的氧化物至少50％被金屬化，經(jīng)此槍使氧氣通過，該槍將部分氧氣排放在此熔池上方以進(jìn)行CO和H2的后燃燒，其中該后燃燒程度小于50％，而且該槍將剩余的氧氣噴入此熔池以進(jìn)行脫碳，經(jīng)此攪動裝置噴含氧氣體以在此鐵熔池中進(jìn)行脫碳和使此熔池脫碳的鐵熔池、渣和鉻鐵礦精礦的激烈混合，借此在后燃燒之后形成含0.5-1.5％(重量)C、至少5％(重量)Cr、溫度不超過1750℃的鉻合金熔池，停止使氧氣經(jīng)此槍通過，借此中斷經(jīng)此槍的后燃燒和脫碳，然后當(dāng)合金熔池的含碳量趨近其最終碳規(guī)格時減少此攪動氣體中的氧含量，將準(zhǔn)金屬還原劑加入此反應(yīng)器中并經(jīng)此攪動裝置噴非氧化性氣體，以清洗此合金熔池，直至動態(tài)平衡被保持為止，其中該合金熔池中的鉻的至少50％來自此鉻鐵礦精礦。
43.通過在精煉反應(yīng)器中原地熔煉金屬氧化物生產(chǎn)不銹鋼的方法，其包括的步驟為在此反應(yīng)器中提供含至少0.5％(重量)C和溫度至少為1500℃的鐵/渣熔池混合物，此反應(yīng)器包括頂槍及底部攪動此鐵熔池的裝置，將與氧結(jié)合的金屬，碳質(zhì)還原劑，固體碳質(zhì)還原劑或準(zhǔn)金屬還原劑中的至少一種及造渣劑加入此鐵熔池中，使氧氣經(jīng)此槍通過，此槍有一對氣體通道，此槍將部分氧氣經(jīng)此通道之一排放在此熔池上方，以進(jìn)行CO和H2的后燃燒，其中此后燃燒程度小于30％，而且此槍將其余部分的氧氣經(jīng)另一通道噴入此熔池以進(jìn)行脫碳，經(jīng)此攪動裝置噴射氣體以進(jìn)行脫碳和鐵熔池、渣及與氧結(jié)合的金屬的激烈混合，借此在后燃燒后形成含0.5-1.5％(重量)C、至少8％(重量)Cr和溫度不高于1750℃的鉻合金熔池，此攪動氣體是氧和非氧化性氣體的混合物，流經(jīng)此槍的氧氣及流經(jīng)此攪動裝置的含氧氣體的總的比流量為2-4NM3/分/MT，中斷使氧氣經(jīng)此槍通過，借此中斷通過此槍的后燃燒及脫碳，然后在此合金熔池中的碳含量趨近其終點碳規(guī)格時減少此攪動氣體中的氧含量，該攪動氣體中的氧與非氧化性氣體的摩爾比，在后燃燒期間不大于4/1，將準(zhǔn)金屬還原劑加入此反應(yīng)器中，及經(jīng)此攪動裝置噴射非氧化性氣體以清洗此合金熔池，直至動態(tài)平衡被保持為止，其中此與氧結(jié)合的金屬的鉻回收率為至少97％，而且此合金熔池中的鉻的至少80％是來自此鉻鐵礦精礦。
全文摘要
不銹鋼生產(chǎn)中原地獲金屬鉻組元的三階段工藝。將原鉻鐵礦石或產(chǎn)自鉻鐵礦礦石的精礦與碳質(zhì)還原劑和造渣劑混合后加入鐵熔池，以在精煉反應(yīng)器中熔煉和精煉。第一階段用碳在此反應(yīng)器中熔煉部分金屬化的鉻鐵礦，即以氧和含氧氣體分別頂?shù)状等胍垣@碳含量遠(yuǎn)低于飽和的鉻合金熔池。第二階段，此合金溶池用含氧氣體底吹攪動脫碳至最終熔池碳規(guī)格。第三階段用準(zhǔn)還原劑如Si或Al及再用非氧化性氣體底部攪動還原此合金熔池以達(dá)到高的鉻回收率。
文檔編號C21C7/06GK1167837SQ9611975
公開日1997年12月17日 申請日期1996年12月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月14日
發(fā)明者D·M·孔德拉特, A·M·斯邁利, R·C·薩斯曼 申請人:阿姆科公司