固态炼钢新工艺研究的提出与进展

固态炼钢新工艺研究的提出与进展

张浩雨史亚楠单红超冯昊天

河钢集团承钢公司棒材事业部河北省承德市067002

摘要：目前我国许多城市和地区都在不同季节出现持续的雾霾天气，雾霾污染的天数创下历史新高，环境的污染问题已日益凸显。钢铁行业在生产中的环境保护压力和节能减排目标也日益的严峻，固态炼钢新工艺的提出，在一定程度上环节了这种现状。该工艺通过借助于取向硅钢退火处理脱碳的机制，以CO2或水蒸气为脱氧剂，对薄带进行高温气固反应脱碳(即固态炼钢)。本文介绍了目前固态炼钢新工艺研究的成果，供相关人员参考。

关键词：固态炼钢；Fe-C合金；气-固反应；脱碳

1有关固态炼钢新工艺的提出

现代钢铁冶金流程的代表是高炉-转炉-连铸，生产中的过程反复的还原-氧化-还原(脱氧)。高炉所产的高碳铁液通过铁液的预处理-转炉的炼钢(氧化)-炉外的精炼(氧化与还原)-连铸-轧制然后形成钢材。

在双辊连铸板带取得突破性的研究进展基础上，目前能够进行0.5-3.0mm的铸铁板带生产，通过高炉或熔融还原生产的铁液，在铁液的预处理后，能够直接进行双辊连铸设备生产薄板。另外，最近几年高温固态脱碳技术日趋完善，借助于其脱碳的机制，铸铁薄板在高温的条件下通入脱碳气氛，以气-固反应的形式将碳脱除到一起的含量目标。因此提出了固态炼钢的新工艺，解决现有的工艺流程中一些工序的节点问题。此项工艺的应用多被应用与薄板的工业生产中，由于铁液中氧的含量和固态钢中氧的溶解度偏低，脱碳的过程中高强度吹氧与铁合金脱碳的环节可以有效避免，大大降低了钢中夹杂物和气体的生成。

2固态脱碳的成果

固态炼钢气-固反应脱碳技术的发展背景源自于最近几年电工钢固态脱碳的实验研究，由于取向硅钢通常要经过脱碳退火处理，以控制碳的含量和组织结构。然而，温度、气氛条件以及保温的时间对钢的脱碳过程有着一定的影响。

赵伟伟等研究了脱碳的温度和脱碳的时间对取向硅钢脱碳的影响效果，其中温度在800~860℃的控制范围内，保温适当的时间，钢中碳含量随退火温度的升高而出现降低。

長崎久弥等在不同CO-CO2-H2-H2O气氛条件下对白口铁脱碳生产白心可锻铸铁进行了实验研究，实验结果表明H2+4%H2O气氛的脱碳速率高于CO-CO2气氛。

张晨等人研究了取向硅钢脱碳退火的影响，在合理气氛和温度条件下，适当延长保温时间，脱碳效果可以得到改善。

综合温度、气氛条件和保温时间对固态脱碳行为的影响，可以得出结论：结合实际研究对象，尽可能地提高温度，选择合理的气氛条件(主要控制好pH2O/pH2比)，适当的延长保温的时间能够起到比较好的脱碳效果。

但最近固态脱碳的研究中，钢材碳含量不可以超于固态炼钢新工艺研究对象(高碳钢或铸铁)的碳含量，并且要尽可能的低，所以针对高碳域钢材和铸铁，温度、气氛和保温时间等条件的实践影响还要进一步加强。

3固态炼钢新工艺的研究进展

固态炼钢新工艺以固态Fe-C合金脱碳试验作为基础研究，Ji-OoPark等对铸态铁碳合金薄带脱碳进行了探索性研究，以初始碳质量分数为4.2%、厚度为1mm的铁碳合金薄带为研究对象，在气体流量为400mL/min、pH2O/pH2为0.85的Ar-H2-H2O混合气氛条件下，以高温气-固反应形式开展脱碳试验研究。结论表明，（1）提高温度有利于提高脱碳效果，在气体流量为400mL/min、pH2O/pH2为0.85的Ar-H2-H2O混合气氛条件下，初始碳质量分数为4.2%的1mm铁碳薄带在1413K温度下脱碳30min可以将碳脱至0.12%，达到低碳钢所需水平。（2）在本试验条件下，脱碳前薄带室温组织主要由石墨、珠光体、铁素体组成。随着脱碳反应的进行，室温下试样横截面组织分为3层，由内到外依次为铁素体区、珠光体区、团絮状石墨＋珠光体＋铁素体区。脱碳较为彻底时，室温下试样横截面组织为铁素体区和珠光体区两层结构。（3）初始碳质量分数为4.2%的1mm铁碳合金薄带在该试验条件下脱碳，整个脱碳反应可以近似看做一级反应且活化能为157.9kJ/mol；初步判断脱碳初期脱碳反应限制性环节为表面化学反应，而后转变为碳在薄带内部的扩散。

由于渗碳体的存在增加了铸铁薄板热轧的困难，LeeWH等人对初始碳含量为1.2%-1.9%Fe-C合金固态脱碳进行了研究。并且提出了高炉-电弧炉-连铸-固态脱碳又一新的固态炼钢工艺，对于碳含量降低氧含量升高是否影响新工艺的开发，LeeWH分析了1500℃下碳含量为1.9%Fe-C熔体氧含量5×10-5，低于当前中间包钢液的氧含量10×10-5-15×10-5，对固态炼钢新工艺开展连铸和脱碳不产生影响。此项新固态炼钢工艺的实现更加便捷，首先碳的含量＜2.1%的固态Fe-C合金不包含渗碳体，所以能够改善薄带的力学性能；其次，在初始碳含量的降低的基础上，减少了脱碳的时间，降低了脱碳炉的长度。但是在脱碳的温度选择上，由于降低薄带的初始碳含量还能够相应的提高一些。结合Fe-C合金相图，在在1100℃时碳含量为1.2%-1.9%的Fe-C合金就进入了奥氏体区，由于碳含量的降低，液相出现的温度会升高，所以可以提高脱碳的温度来提升界面化学反应的速率，增大铁碳合金方面的扩散系数，达到加快脱碳速率的效果。

McDonaldC等人对固态炼钢的新工艺技术以及其经济的可行性展开了分析，就经济性方面，Ji-OoPark等人所研究的碳含量高的铸铁薄带固态脱碳的试验，大大减少了薄板生产中的成本，另外CO2的排放也减低了很多。但从技术的层面研究，碳含量高的铸铁薄带脱碳至0.5%以下，极其长的连续脱碳炉是必备的，为当前的工业实际生产产生了很多大困扰。LeeWH等人对初始碳含量为1.2%-1.9%的Fe-C合金固态脱碳的研究，提出的高炉-电弧炉-连铸-固态脱碳新的固态炼钢工艺，与传统炼钢工业相比并没有经济和技术的优势。

4固态炼钢新工艺的研究前景

尽管目前我国已有很多关于取向硅钢脱碳退火和高碳锰铁颗粒、粒化生铁气－固脱碳反应的实验研究，但在高碳域和超低碳域的铁碳合金气固脱碳方面的研究还很少。对气－固反应脱碳热力学与动力学规律仍有待进一步研究，气－固反应脱碳这一固态炼钢新方法转为现实工艺并实现工业化生产还有很长的路要走。

就当前的有关固态炼钢新工艺方面的研究进展而言，有两个重要的突出问题，首先，如果初始碳含量较高，铸铁薄带的脱碳速率需要进一步提高，由于脱碳的时间较长也会给未来的工业应用产生一定不便，这在接下来的实验中可以通过增加温度来提升脱碳的速率。其次，初始的碳含量偏低的Fe-C合金(不含渗碳体)脱碳，此项新固态炼钢工艺的经济技术可行性需要得到优化，可以试着采用改变工艺的途径，尝试运用熔融还原铁液-连铸-固态脱碳的工艺路线。

结语：综上所述，现代化的钢铁工业对有效高效资源能源以及环境保护提出了越来越高的要求，需要开发和生产高效的、节能的冶金，提出固态炼钢新工艺可以成功简化生产的流程，对资源和能源的利用有积极的推动作用。。该工艺的可行性已经得到了一定程度上的证实，但进一步的研究需要探索关于影响脱碳热力学和动力学的主要因素，为气-固反应脱碳“固态炼钢”新工艺转化为更加现实可行的创新工艺提供应用的基础支撑。

参考文献：

[1]李智峥.CO_2应用于炼钢的基础理论研究[D].北京科技大学,2017.

[2]程荣,艾立群,李亚强,洪璐阔,李强.薄带厚度对Fe-C合金气-固脱碳反应的影响[J].钢铁研究学报,2017,29(07):556-561.