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含钒铁水炼钢应用的实践研究

张景宜

(安阳钢铁集团有限责任公司)

摘 要：通过含钒铁水在转炉炼钢生产过程研究分析，总结出了含钒铁水冶炼变化规律。钒的氧化特征表明，转炉单渣冶炼条件下钒氧化率为98.9%，钒总收得率为7.7%，钢包渣中钒的收得率约为90.4%，可利用钒渣生产含钒钢。含钒铁水减少了HRB400钢筋钒氮合金消耗，降低了生产成本。

关 键 词：含钒铁水；钒渣；冶炼；钢筋

0 前言

钒是现代炼钢生产重要的微合金化元素，在低合金高强钢中起固溶强化、沉淀强化和组织细化的作用，对提高钢的强度和改善韧性有非常明显的效果。钒在以高强钢筋为代表的许多钢种中有着广泛的应用。目前含钒铁水的处理方法多种，有雾化提钒法、氧气顶吹转炉提钒法、空气底吹转炉提钒法、摇包法等。从含钒钢渣中提钒主要有两种方案，一是对含钒钢渣进行火法冶炼，炼出高钒渣，再进一步提钒;二是将含钒钢渣作为原料直接提钒，这一般需要经过湿法冶金的过程[1]。这两种方法具有流程长、污染严重等缺点。因此，研究含钒铁水中钒氧化还原特征、找到合理利用途径对降低企业生产成本非常必要。

1 试验原理

含钒铁水在转炉炼钢生产中不同阶段有不同氧化还原规律，在转炉吹炼过程中钒和硅、锰、磷元素一起氧化入渣，出钢过程含钒转炉渣进入钢包，其中的钒氧化物再被还原出来。从理论上讲，利用这一原理可在钢包中加入钒渣进行直接合金化回收钒。这一过程的主要反应式为：

2/3[V]+{CO}=1/3(V2O3)+[C]

△G=-250170+153.09T   (1)

[V]+3/2{O2}=1/3(V2O3)   (2)

(V2O3)+{O2}=(V2O5)   (3)

当有CaO存在时，Si还原V2O5的反应式为：

2/5(V2O5)+[Si]+(CaO)=4/5[V]+(CaSiO3)

△G=-106700+15.72T   (4)

由式(1)可以计算出碳钒选择性氧化转化温度为1361℃，当高于此温度时碳优先氧化，低于此温度时钒优先氧化，这也是转炉提钒炼钢的关键控制点之一。这从理论上说明，要想提高终点钢水V的活度，必须快速升温到转化温度点以上，但与转炉低温脱磷所需的热力学条件相矛盾，脱磷保钒很难做到统一。在转炉冶炼升温至1600℃时的元素氧化顺序为：Al、Si、V、Mn、Cr、P、Fe[2]，所以吹炼过程和碳氧化结束，钒仍会被大量氧化。因此，在全程吹炼过程中炉内保钒难以实现，钒绝大部分被氧化进入炉渣中形成钒渣，由式(4)可知，钢液中有硅存在的情况下渣中的钒易被还原出来。本项研究主要内容为：钒各阶段氧化还原的比例及影响因素，利用效果及评价分析。

2 试验过程及分析

含钒铁水兑入固定混铁炉，保持转炉铁水钒含量相对稳定，混铁炉铁水兑入转炉前取铁样分析(混铁炉不兑铁时按前次成分)铁水中钒含量，保证试验转炉铁水条件稳定。钒收得率试验采用在非含钒钢种上进行，钒氮合金消耗对比试验和性能情况在HRB400上进行。工艺路线为：混铁炉含钒铁水→转炉→吹氩站→小方坯连铸→轧制。

2.1 钢中钒含量变化分析

2.1.1 转炉终点主要工艺参数和钒含量的关系

在含钒铁水炼钢使用过程中没有倒渣提钒，采用单渣法常规工艺。铁水钒含量、转炉终点温度、转炉终点碳含量与钢水终点钒含量的对应关系如图1、图2、图3所示。

由图1、图2、图3可以看出：①转炉终点钒含量随铁水初始钒含量增加而增加;②转炉终点钒含量随终点温度上升而增加;③转炉终点钒含量与终点碳含量之间的对应关系较为明显：随着终点碳含量的升高，终点钒含量显著升高。这从实践上证明：钢水氧化性越强，终点钒含量越低。

2.1.2 铁水到连铸各工序点钒含量变化

在HRB400钢中，实际硅含量约为0.40%，出钢下渣后可按式(4)被还原为钒。转炉铁水到钢水熔炼成分各阶段钒含量变化见表1。

由表1可以看出，在钒平均7.7%的利用率中，转炉终点到氩前，钢中[%V]平均增加了0.007%，即出钢过程利用率占总利用率的50.0%，吹氩过程占总利用率的21.4%，氩后占总利用率的14.3%。说明单渣工艺条件下，被利用部分71.4%是在出钢和吹氩过程被还原，少量在浇注过程中被还原。

由表1还可以得出：按平均值计算，铁水中的钒98.9%被氧化进入渣中，铁水中钒的利用率平均为7.7%。根据本次大量生产数据统计结果：单渣法中钒利用率最大为14.0%、最小为3.7%，平均为7.7%。说明转炉采用单渣法铁水中钒利用率是较低的，因转炉钒渣出钢下渣量不可控，还原钒的稳定性差，如果利用转炉下渣增钒，只能按最小利用率计算，否则钢筋性能难以保证。

2.2 渣中钒的变化分析

转炉终渣在根据转炉终渣和氩后渣样分析可以得到渣中钒收得率的数据。钢渣中钒含量变化见表2。

由表2可以看出，按钢包渣质量守恒计算，钢中钒平均收得率约83.36%。其中21-20736炉次为52.54%，氩后V2O5含量为2.62%，其原因是渣层较厚(约400mm)，出钢和吹氩过程钒渣中钒未充分反应。但本炉增钒为0.023%，是比较高的一炉，钒的收得率虽减少了，钢中增钒量增加了。如剔除该影响，按钢包渣中五氧化二钒的变化计算，钒的平均收得率为90.40%。转炉出钢下渣量少时钒的利用率高，下渣多时，在有限的出钢和吹氩搅拌条件下，还原不充分，这从另一方面证明：在LF精炼炉中造还原渣条件下利用钒渣代替钒氮合金是可行的，国内钢厂的实践也证明了这一点。2012年，承钢已经在多个系统分别成功实现了应用铁水及钒渣直接合金化生产HRB400钢，该工艺生产HRB400钢筋的比例在70%以上[3]。

结合表1、表2可以得出：钢、渣中钒的变化充分证明钢水中的钒是由钒渣还原而来，采用钒渣还原增钒切实可行，在无LF精炼设备的前提下，关键要把握好加入量和加入时机，加入量太多或加入太晚可能反应不充分，造成钒的利用率降低。如进一步提高钒的利用率，需在精炼炉中采用高品位钒渣。

3 钒氮合金成本变化

在HRB400钢筋生产中使用含钒铁水和普通铁水冶炼，同品位钒氮合金实际单耗及钢水中钒含量对比见表3。

同期对比，在使用含钒铁水情况下，因钢渣中的钒进入钢液，在同品位钒氮合金加入量略有减少的情况下钢中实际钒平均增加0.003%，钒氮合金单耗降低0.12kg/t钢，按钒氮合金含税价格12万元/t计算，约降低钒氮合金成本14.4元/t钢。

4 钢材性能

试验期间，HRB400钢筋各项性能指标均符合GB1499.2-2007标准要求，采用部分钒渣代替钒氮合金未对钢筋性能产生影响，具体性能数据见表4。

5 结论

通过以上试验及结果，可以得出如下结论：

1)要想提高终点钢水V的活度，必须快速升温到转化温度点以上，但与转炉低温脱磷所需的热力学条件相矛盾，脱磷保钒很难做到统一。吹炼过程结束，钒会被大量氧化，在全程吹炼过程中炉内保钒难以实现，钒绝大部分被氧化进入炉渣中形成钒渣，在钢液中有硅存在的情况下，钒易被硅还原。

2)单渣法冶炼，铁水中的钒98.9%被氧化进入转炉渣中，铁水中钒的利用率平均为7.7%，钒利用率最大为14.0%、最小为3.7%。因转炉钒渣出钢下渣量不可控，还原钒的稳定性差，如果利用转炉下渣增钒，只能按最小利用率计算，否则钢筋性能难以保证。如进一步提高钒的利用率，需在精炼炉中采用高品位钒渣。

3)在钒平均7.7%的利用率中，转炉终点占14.3%，出钢过程占50.0%，吹氩过程占21.4%，氩后占14.3%。当前工艺条件下，被利用的部分71.4%是在出钢和吹氩过程被还原，少量在浇注过程中被还原。转炉钒渣出钢下渣量不可控，还原钒量波动大。

4)试验同期对比钒氮合金单耗平均降低0.12kg/t钢，降低钒氮合金成本约14.4元。

5)试验期间，HRB400钢筋各项性能指标均符合标准要求，采用部分钒渣代替钒氮合金未对钢筋性能产生影响。

6 参考文献

[1]   叶国华，童雄，路璐.含钒钢渣资源特性及其提钒的研究进展.稀有金属，2010，34(5)：769-775.

[2]   吴免华.转炉炼钢500问.中国计量出版社，1992：52.

[3]   张娜，张春德.承钢含钒高强钢筋创新微合金化工艺创出佳绩.世界金属导报，2013-02-05(A05).