工业纯铁炼钢工艺控制实践

工业纯铁炼钢工艺控制实践

李宽

河钢唐钢市场部 河北 唐山 063000

摘要：纯铁具有良好的导电性能和韧性，可用于通信及电子行业，是通信线、缆专用材料的换代产品。

关键词：工业纯铁；炼钢；控制

工业纯铁是钢的一种，化学成分以铁为主，含量99.6～99.8%，含碳量小于0.04%，其他成分越少越好。其具有良好的电磁及力学性能，广泛应用于国防、科研、工业生产、人们生活中。

一、工业纯铁研究现状

工业纯铁是一种含碳量低的合金，含碳量在0.04％以下，主要成分是铁，含量在99.6～99.8％，纯铁具有矫顽力低、电磁性能良好、韧性大、导热性能良好的优良性能。目前工业纯铁作为原料，广泛用于钢铁材料、合金材料、磁性材料和非晶材料的生产；作为材料，广泛用于电子电工领域，如继电器、传感器等产品。

工业纯铁由电弧炉、氧气转炉、电弧炉加炉外真空脱碳、氧气转炉加炉外真空脱碳等方法生产。不同工艺生产的工业纯铁各具特点,现在各大钢厂主要采用氧气转炉加炉外真空脱碳的方法来进行生产。氧气转炉与炉外精炼双联法生产的高品质纯铁，纯铁含碳量为0.005％，磷、硫、氧、氮、非金属夹杂物含量低，是目前品质最好的纯铁。

二、转炉脱磷

炼钢中的脱磷反应在渣-钢界面和氧气顶吹转炉的乳浊液中，是被渣中FeO氧化，其反应为：

2[P]+5(FeO)=(P2O5)+5[Fe]

生成的P2O5密度小，几乎不溶于钢液，所以一旦生成即上浮转入渣相。冶炼初期渣中较多的碱性氧化物是FeO，因此进入炉渣的P2O5仅和FeO结合成磷酸铁盐。

其反应：

(P2O5)+3(FeO)=(3FeO·P2O5)

由于渣中(P2O5)、(3FeO·P2O5)不稳定，它们在炼钢中随着熔池温度的不断升高而逐渐分解，使磷又回到钢液中。为使脱磷过程较彻底，防止已被氧化的磷大量返回钢液，目前大多工厂做法是向熔池加入一定量石灰，增加渣中强碱性氧化物CaO含量，使P2O5和CaO生成较稳定的磷酸钙，从而提高炉渣的脱磷能力。生产中，随着石灰融化，炉渣碱度会逐渐升高，渣中游离的CaO逐渐增加，此时将发生置换反应：

(3FeO·P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

碱性氧化渣脱磷总反应为：

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

此外，影响炉渣脱磷因素为：①炉渣成分。脱磷反应的影响主要反应在渣中的FeO含量和炉渣碱度上，渣中的FeO是脱磷的首要条件。②温度。脱磷反应是强放热反应，升温会使其平衡常数数值减小，去除效率下降。从热力学条件来看，降低温度有利于去P反应进行，但应考虑温度对石灰融化的影响，避免过低温度炉渣粘度上升，阻碍石灰成渣速度和渣中各组元扩散速度，影响可能超过Kp值得降低，温度过高时，Kp值的下降起主导作用，会使炉渣的去P效率下降，钢中的磷含量回升；③炉渣粘度。炉渣粘度越低，渣中反应物FeO向渣-钢界面的扩散转移速度越快，渣中反应产物P2O5离开界面溶入炉渣的速度也就越快。因此，在脱P要求的高碱度条件下，应及时加入稀渣剂改善炉渣流动性，以促进脱P反应的顺利进行；④渣量。随着脱磷反应的进行，渣中P2O5含量不断升高，炉渣脱P能力逐渐下降。所以炉内渣量决定着钢液的脱磷程度。⑤碱度。为了更好地达到高效脱磷效果，冶炼前期炉渣碱度控制在2以下，避免生成C2S，确保前期早化渣。转炉终渣碱度控制在3.5以下，提高石灰利用率，可以适当增加渣量提高脱磷率。

此外，出钢过程下渣也是影响成品磷含量的一个重要因素。要防止钢水回磷，先要挡好渣，减少出钢过程的下渣量，目前应用比较普遍的滑板挡渣技术能够很好地解决出钢下渣问题，可以保证出钢后的磷含量能够稳定的控制在0.005%以下。

三、脱锰技术研究

高端工业纯铁对Mn的要求一般都要≤0.03%，有的甚至要求Mn含量≤0.02%，如果按照正常转炉吹氧冶炼，终点锰含量较高，无法保证最终产品锰含量的要求。

铁水在转炉吹炼过程，氧化氛围条件下，锰元素在钢渣界面上发生氧化反应，反应式如下：

[Mn]+(FeO) = (MnO) +[Fe]                          (1)

由式（1）得出反应的平衡常数为：

     lgK=6440/T -2.95            (2)

锰的分配比：

                      (3)

由式（3）可见，降低温度，能够提高炉渣的氧化能力及降低γMnO，可促进溶液中的锰氧化。在转炉冶炼过程中，铁水中[Mn]与[Fe]的氧化性相近，在熔炼后期温度很高时，K将减少，锰的氧化趋于平衡，同时由于碳的强烈氧化，熔渣的FeO量降低，这时容易发生锰的还原。

适当提高转炉终点氧活度和炉渣量，增大锰的分配比LMn；适当降低转炉终点温度；同时减少转炉出钢下渣量，防止渣中的氧化锰与强脱氧剂发生还原反应回锰。同时铁水锰含量要控制在0.25%以下，有利于将成品锰含量控制在0.03%以下。

四、RH真空去除夹杂

RH系统设备是一种用于生产优质钢的钢水二次精炼工艺装备，对高端纯铁而言，碳含量一般要求≤50ppm，此时RH的主要作用就是脱碳和去气，利用转炉出钢后钢水中的自由【O】和【C】来进行反应，去除钢水中的【C】，RH不再进行吹氧，转炉出钢后氧位控制在500-600×10-6左右、C控制在0.04%左右，这样能够再去除碳的同时，脱氧用的铝的量也不大，产生Al2O3夹杂物的数量较少。脱碳完成后需要进行镇静脱氧，并通过循环+弱吹两种方式降低钢中 T[O]含量至 15ppm内。

五、结语

通过对脱磷、脱锰及夹杂物控制的分析研究，结合生产实践，建立了生产高纯度工业纯铁的冶炼工艺，成品铸坯中P和Mn的质量分数能够控制在0.005%、0.03%以下。

参考文献：

[1]齐江华.超纯净工业纯铁生产工艺研宄[D].武汉：汉科技大学，2016.

[2]张振申，徐党委，王中岐，等．安钢冶炼低锰钢脱锰工艺生产实践[2]．河南冶金，2016，24（2）：43-44．

[3]杨俊峰,江腾飞,郝丽霞.迁钢工业纯铁SYTB生产过程脱磷、脱锰实践[J].炼钢.2019,35（3）:13-16.