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采用中频炉还原高Cr、Ni等离子切割渣氧化物的研究试验

李丽荣

（太钢集团临汾钢铁有限公司检修分公司，山西 临汾 041000）

摘 要：通过采用中频炉冶炼不锈半钢试验，即对水下切割、空气中切割不锈钢所产生的等离子切割渣氧化物的还原处理，实现质量分数为 20%以下的氧化物的还原反应，生成不锈半钢，达到再生利用 Cr、Ni、Mo 等贵重金属的目的。该试验主要通过对炉衬材料的选择，对高温冶金反应温度、反应强弱与不锈半钢含碳量的关系的分析，不锈半钢成分的分析证实了采用等离子切割渣冶炼不锈半钢的可行性。

关 键 词：中频炉；等离子切割渣；不锈半钢；还原氧气物；炉衬

含有高 Cr、Ni 的奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和含有高 Cr 的马氏体不锈钢的切割下料、板型材定尺加工，多数采用等离子切割加工工艺来完成。水下切割、空气中切割所产生的渣子含有大量 Cr、Ni、Mo等合金元素。如何回收利用切割渣，使贵重元素得到循环利用，对环境保护至关重要。

中频炉一般适用于金属熔化，也就是通过精料及配合元素的合金化生产各种铸件及钢锭，很少在炉内做氧化还原和造渣处理，即使是做氧化还原反应，也只能是有限的冶金反应。而对于等离子切割渣，其氧化物含量在 20%（质量分数）以下。为了达到再生利用 Cr、Ni、Mo的目的，我们通过中频炉冶炼试验，实现对 20%以下氧化物的还原处理。

1 冶炼机理分析

1.1 原料化学分析（见表1）

由表 1 可知：水中切割等离子渣能保持材料原有金属成分，但生产中所占比例不足 30%。空气中切割等离子渣氧化物含量比较高，约为47%（质量分数），而该渣在生产中约占 70%。如何完成NiO和Cr2O3的还原是实现再生利用的关键。

1.2 冶金反应分析

针对炉渣成分，高温所发生的冶金反应主要是对NiO、FeO、Cr2O3的还原反应，按照热力学 ΔG°曲线可知，能够将 Ni、Fe、Cr氧化物还原的元素有C、Si、Al、Ca 等，而最为经济的元素为 C，其次为炼钢常用脱氧剂 Al 和硅铝铁合金，其反应式如下：

反应式（1）~（3）为电弧炉冶炼不锈钢最常采用的一种“去碳保铬”冶炼工艺，该工艺是否适合中频炉冶炼，与炉衬材料、冶炼过程反应强度有关；反应式（4）~（9） 是中频炉和炼钢转炉常用的脱氧反应过程，是否适合氧化物含量比较高的炉料生产，与冶炼工艺和炉衬材料有关。

2 试验方案

2.1 试验条件

试验是在 2 台 0.5 t 中频炉中进行，炉料如表 1所示，炉衬材料分别为中性、弱碱性、碱性三种，其中弱碱性炉衬由中性和碱性炉衬配制而成。炉衬材料如下页表 2 所示。

冶炼过程所选用的还原剂分别为电极石墨和硅铝铁（FeAl35Si25），以电极石墨为主要还原剂，硅铝铁为辅助还原剂。

2.2 试验方法

2.2.1 加料方法

按照中频炉冶炼方式，炉底先加入 30%的水下切割渣和还原剂电极石墨，然后按照熔化状态逐层加入等离子切割渣。在加料过程中需不断往金属液内加入新炉料，待熔化完成后硅铝铁脱氧出炉。如果在熔化过程中沸腾剧烈，可加入硅铝铁进行还原处理。

2.2.2 电极石墨加入量的测算

依据冶金反应式（1）~（3）和原料（见上页表 1）中氧化物的含量测算知，每 100 kg（水及空气中切割）等离子切割渣应加入还原剂碳质量为：（1+5%）（NiO%×[C]/(NiO)+Fe3O4%×[C]/(FeO)+Cr2O3%×4[C]/(Cr3O4)）=（1+5%）（1.2×12/74.7+12.4×12/71.8+20.44×48/220）=7.19（kg），其中5%为等离子切割渣损耗量。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

试验按三种炉衬分别进行，测定不锈半钢化学成分，观察炉子还原能力，检查炉衬变化情况，其结果如表 3 所示。

3.2 试验结果分析

3.2.1 炉衬的寿命分析及选择

由表 3 可以看出，中性炉衬寿命为 4 炉，碱性炉衬寿命为 7 炉，弱碱性炉衬寿命为 26 炉，但各自服役情况不同。中性炉衬受 Cr3O4碱性渣浸蚀，很快导致炉衬破损。弱碱性炉衬的润湿角（Cr3O4碱性渣与炉衬夹角） 比中性炉衬大，这表明该种炉衬与 Cr3O4碱性渣的亲合力较大，炉渣能黏附到炉壁上，使炉径变小，当发生喷溅时，易在炉口挂渣；解决方法是加FeAl35Si25还原 Cr，降低渣的碱度，使附着在炉壁上的Cr3O4脱落。对于碱性炉衬，即使使用 FeAl35Si25还原Cr，也由于炉渣黏度极大，很难从炉壁上脱落，就算脱落上浮，也黏在炉口不易清理，使炉口变小无法开炉。因此采用弱碱性炉衬再生等离子切割渣比较好。

3.2.2 反应性分析

由表 3 不难看出，高温冶金反应强弱与不锈半钢含碳量有很大关系，当含碳量高时，金属液中碳还原 Cr形成 CO的能力增强，分解压力加大，使液体形成喷溅反应，一旦发生喷溅，应及时加硅铝铁处理，以减轻喷溅，造渣完成后及时出炉。表3还显示，碳含量越高，反应温度越低，当碳含量过低时（如 0.04%～0.08%），在中频炉熔化温度下无反应表示，这说明提前加入炉底的C与切割渣中的 NiO和 FeO反应，已使 C含量变小，这时半钢中的Ni含量比较高，而Cr含量比较低。反应性试验结果表明：原料中存在部分氧化物，采用中频炉冶炼能够完成还原反应，且这种反应是可控和可选择的。

3.2.3半钢成分分析

由表 3 可看出：半钢 Ni、Cr 含量都比较高，特别是w(Ni)多数达到 7.7%～9%，有的接近原料成分；w(Cr)也在 10%～15%之间，回收率较高；做为贵金属Mo元素w(Mo)更是稳定在 0.5%～0.6%之间，这说明该工艺对贵金属的回收是有效的。

4 经济效益分析

4.1 商品价值分析

等离子切割渣市场售价2000 元 /t，使用中频炉冶炼后的回收率达 88%。不锈半钢内部价约 2.65 万元 /t，产品直接利润达 1.9 万元 /t。

4.2 社会效益分析

采用中频炉冶炼还原处理等离子切割渣，首先完成了资源的重复利用，其次采用中频炉还原处理较电弧炉冶炼可减轻环境污染。