CN104164531A

CN104164531A - 一种采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法

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Publication number: CN104164531A
Application number: CN201310411754.1A
Authority: CN
Inventors: 徐忠民; 卢峰; 陆文华
Original assignee: XIANGYANG KANGJIE FEILONG ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: XIANGYANG KANGJIE FEILONG ELECTRICAL CO Ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2014-11-26

Abstract

一种采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，包括：1.装料配料期，在炉体中添加含铁原料及辅料；初步熔化期，升温，造氧化渣；2.吹氧升温氧化期，对熔体吹入气体，造氧化渣；3.吹气净化及还原期，对熔体吹入气体，造还原渣；4.碳化铁或石墨化。本发明旨在使高炉企业不必依赖优质铁矿石生产优质铁水，同时也可以生产高纯生铁及相应高端铸件。铸铁企业不必依托高炉企业的优质铁水生产高档铸件，由冲天炉及高炉熔化生产的钢铁水，通过转炉的高温吹气冶炼中的氧化与还原的化学反应等过程，有效的清除含铁原料及辅料中的杂质，扩大铸铁原料的使用范围，有效分解及清除废钢铁及铁矿石中的杂质，调整铸铁牌号所需的碳、硅、锰等元素的含量。

Description

一种采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼行业，具体属于冶炼净化工艺生产铸铁的范畴。

背景技术

炼钢业与铸铁业的基本现状：欧美等发达国家主要以废钢铁为原料通过吹气冶炼电弧炉的氧化和还原工艺生产钢材，近年约占其钢材总产量的90%。2002年、2005年、2011年中国粗钢产量分别约为1.8、3.5、7亿吨，2011年约占世界的45%,主要以铁矿石为原料通过高炉、吹气冶炼转炉的氧化和还原工艺生产钢材，其中主要使用电弧炉生产特钢，仅约占中国的10%。2010年中国废钢产生量约1.1亿吨，其中钢厂自产废钢量为0.3亿吨，社会废钢产量在0.8亿吨左右。大型钢厂的转炉及电弧炉消耗废钢约为0.9亿吨，铸造、小五金、小钢厂消耗废钢约为0.3亿吨。

2012年中国铸铁件产量约为3500万吨，主要以铸造生铁及少量优质废钢为原料通过感应炉重熔及增碳工艺生产铸铁。并有少量铸铁企业依托大型高炉炼钢企业提供铁水，降低铸铁熔化成本。目前中国生产高端铸件的高纯生铁的产量约为300万吨，主要由优质铁矿石产地的钢厂生产，已经基本满足国内高端铸件的需求。但用于生产高端铸件的高纯生铁的高炉企业数量有限，同时高炉需要依赖优质铁矿石生产高纯生铁，铸铁企业依托高炉企业提供铁水生产高端铸件受地域影响严重。

废钢铁一般分为重型废钢铁（重废），厚度≥6mm，中型废钢铁（中废），厚度≥4mm，统料型废钢铁（统废），厚度≥2mm，是各种工业废钢铁的混合体，轻料型废钢铁（轻废），是各种工业及生活废钢铁的混合体，焚烧废铁指焚烧垃圾后产生的废钢铁。还有马达铁、冲花铁、钢铁屑、机件废铁、钢铁生产的回炉料等。特殊废钢铁分3类，高熔点合金废钢铁，如不锈钢、轴承等，电镀废钢铁，汽车废钢铁。重废、中废、冲花铁、铸铁回炉料等成分一致性较好，杂质含量低，价格高，是优质废钢铁。统废、轻废及焚烧废铁的成分复杂，杂质含量高，可以有部分铁的氧化物，可以含有少量的油污及泥沙，价格低，供应量大，是低质废钢铁。一般废铁中含有较高C、Si、Mn、S、P，废钢中会含有较高C、Si、Mn、Ni、Cu、Cr、Sn，及其他众多的微量元素，所有元素分布极不均匀。废钢铁以杂质的类型可分为三类，一是低熔点的元素，如Hg、As、Cd、Zn、Mg、Ce、Bi、Pb、Sb、Sn、Al、Cu、S、P等，二是高熔点元素，如Ni、Co、Ti、Cr、V、B、Nb、Mo、W等，三是非金属夹杂物及气体，如氧化物、硫化物、O₂、N₂、H₂、等。低熔点的元素及化合物易在较低的温度下受热膨胀造成材料的“热脆”，部分元素相对活跃易形成夹杂物，部分元素在重熔工艺中很难挥发及氧化。高熔点元素熔点很高，易残留在铸件中形成加工硬点，在重熔工艺中不易分解。夹杂物及气体含量过多，夹杂物颗粒过大，会使铸件致密度下降，易产生偏析、缩松、裂纹等，如＞10um的夹杂物易产生疲劳裂纹。重熔工艺以重新熔化的物理过程为基础，清除的难度较大或者成本很高，上述三类元素及化合物有一些对铸铁的影响很大，故只有把有害杂质的含量控制在一定的范围内，才能生产品质一致的铸铁产品。含铁原料的种类及成分十分复杂，它虽然都是吹气冶炼炉氧化、还原化学反应过程下的良好原料，但在传统铸铁业使用重熔工艺的条件下，各类含铁原料是无法广泛使用的。汽车废钢含有常用的有色金属有 Al、Cu、Zn、Mg、Sn、Pb、Hg、Ni、Ti、W、Ag、Cr、Be等，如果有害元素超标将严重影响铸铁品质的稳定性，是铸铁业使用传统重熔工艺最大的障碍。

高纯生铁是指磷、硫、锰、钛等有害杂质元素含量低，Cr、V、Mo、Sn、Sb、Pb、Bi、Te、As、B、Al等微量元素含量很低, 主要用于风电铸件、核电铸件，大断面、有低温冲击韧度和疲劳性能要求的球铁铸件等。

传统铸铁业以铸造生铁及优质废钢铁为原料，主要使用两种炼铁流程：冲天炉+重熔感应炉双联和重熔感应炉单炼。冲天炉+重熔感应炉双联的流程主要为：冲天炉→重熔感应炉。一般使用重废、中废等杂质含量稍低的含铁原料与焦炭或天然气等，在冲天炉中通过燃烧、氧化与还原反应，生成脱硫的铁水，再经过感应炉单炼一样的处理。重熔感应炉单炼，主要使用铸造生铁、重废等杂质含量较低的含铁原料。通过感应加热，既可以使用生铁的遗传晶核，也可以通过增碳及孕育技术等完成石墨化的过程。铸铁企业依托大型高炉炼钢企业提供铁水为原料，主要使用的炼铁流程：高炉铁水→重熔感应炉双联。冲天炉或重熔工艺生产铸铁无法使用成分复杂、杂质含量高、供应量大、价格低的低质废钢铁，如统废、轻废及焚烧废铁等。

是否可以使用一种方式，使铸铁企业不必非要依托高炉企业的铁水生产高档铸件，同时扩大铸铁原料中废钢铁及辅料的使用范围，降低铸铁原料对杂质的要求，降低铸铁原料的成本，同时可以生产高纯生铁及相应高端铸件，高炉不必依赖优质铁矿石也可以生产高纯生铁。这对铸铁业的发展是十分有好处的。

发明内容

本发明提供一种采用转炉吹气冶炼和净化工艺生产铸铁的方法，本发明可以使铸铁企业不必依托高炉企业的铁水生产高档铸件，而通过燃焦或燃气冲天炉熔化含铁原料生产铁水，并能有效使用低质低价的废钢铁及辅料，扩大铸铁原料的使用范围，对含铁原料不需严格的控制，有效分解高熔点合金、电镀废钢铁、汽车废钢铁。同时高炉企业不必依赖优质铁矿石，普通铁矿石通过高炉熔化为铁水，经本发明也可以生产高纯生铁。

本发明的技术方案包括以下工序：装料配料期，在炉体中添加含铁原料及辅料；初步熔化期，升温，造氧化渣；吹氧升温氧化期，对熔体吹入气体，造氧化渣；吹气净化及还原期，对熔体吹入气体，造还原渣；碳化铁或石墨化。

本发明在使用碱性转炉冶炼工艺时，辅料的添加方式为：在工序装入钢铁水前和工序的扒渣前添加辅料的量为含铁原料总量的8～29%（W）；在工序装入钢铁水前预先投入辅料，投入的辅料为辅料投料总量的20～90%；在工序的扒渣前添加或分批添加余下的辅料；其所述辅料为石灰基类、锰的氧化物类、增碳剂类、铁的氧化物类；其中石灰基类为石灰、萤石、白云石、石英砂或/和碳化硅，其比例为萤石10～20%（W）、白云石5～15%（W）、碳化硅或石英砂0～20%（W），石灰为40～80%（W）；添加石灰基类辅料为含铁原料总量的3～10%（W）；其中锰的氧化物类为富锰渣、富锰矿、一氧化锰、二氧化锰中一种或几种的组合，添加锰的氧化物类为含铁原料总量的0～1％（W）；其中增碳剂类为焦碳颗粒、石墨矿、碳粉、碎石墨电极块、碳化硅，添加增碳剂类为含铁原料总量的3～8%（W）；其中铁的氧化物类为铁精粉、铁矿石、氧化铁皮、铁鳞、氧化铁粉、含铁原料中的铁锈，添加铁的氧化物类为含铁原料总量的2～10%（W）。在工序和/或中的扒渣后添加石灰基类辅料；辅料为石灰、萤石、石英砂，比例为萤石0～20%（W）、石英砂20～40%（W）、石灰40～80%（W），为含铁原料总量的2～9%（W）；在工序中的扒渣后添加锰的氧化物类和增碳剂类，使含锰总量为含铁原料总量0～2%（W），使含碳总量为含铁原料总量2～4%（W）。

铸铁原料分含铁原料及辅料。辅料分造渣辅料、元素辅料，造渣辅料主要用于产生炉渣，造渣辅料目的是提供氧化及还原氛围，吸附杂质，加速含铁原料的熔化，调整熔炼所需的酸碱浓度，保护炉衬，减少散热和吸气，提供熔化热量，炉渣要有较好的流动性、黏度和吸附杂质的能力。

碱性炉使用石灰基类造渣辅料，主要有石灰、石英砂（碳化硅）、萤石、白云石、粘土、矾土等，酸性炉使用硅基类造渣辅料，辅助的有石英砂（碳化硅）、石灰、粘土、矾土、萤石等，它们在氧化还原反应中损失较少，其中CaO、SiO₂主要用于调整炉渣的酸碱度，MgO主要用于保护碱性炉衬,CaF₂主要用于加大碱性造渣的流动性，Al₂O₃主要增加碱性造渣的黏度。在碱性炉及酸性炉中分用于氧化反应的氧化渣及用于还原反应的还原渣。铁的氧化物既是造渣辅料，又是含铁原料，在熔化期至还原期波动很大。增碳剂、碳化硅既是元素辅料，可分解为C、Si元素，也可生成CO、SiO₂发热。元素辅料依据铸铁牌号所需合金元素的比例，在还原期之前或还原期中调整，如碳、硅、锰，可通过添加焦炭、碳粉、碳化硅、富锰渣、富锰矿、硅铁、锰铁等调整，在还原期前加入的元素辅料杂质含量可以较高，在还原期加入的元素辅料需要杂质含量较低。

在碱性炉中CaO/SiO₂代表碱度的大小，高碱度有利于保护炉衬，脱磷、脱硫。有的含铁原料中硅明显不足，使炉渣中含量SiO₂过低，在装料期至氧化前期添加石英砂，可补充含铁原料中硅含量的不足，可以用碳化硅部分代替石英砂造渣。

在酸性炉中SiO₂/CaO代表酸度的大小，高酸度有利于保护炉衬，高SiO₂含量的炉渣，易造成SiO₂还原为硅元素的氛围，减少还原期硅铁或碳化硅的消耗。在在装料期至氧化前期，可以用碳化硅代替部分石英砂，硅元素虽然在氧化期大量烧损，但SiO₂比例加大后，硅元素残留量明显增大，同时硅元素可以减少碳的烧损，增加熔化期及氧化期的热量，单位质量的碳化硅氧化的放热量约是碳的（生成CO）2.5倍。

对于含锰很低的含铁原料，在装料期至氧化前期添加锰的氧化物，有利于降低炉渣熔点。在氧化反应中锰元素的损失很大，增大炉渣中锰的氧化物的含量，可以减少含铁原料中锰的氧化，在氧化末期添加锰的氧化物，可以增大“回锰”的可能，减少还原期锰铁的消耗。炉温高，FeO少，碱度高，回锰程度高。

FeO在氧化还原反应中是一个不断变化的值，首先存在于含铁原料的铁锈中，之后人工添加部分氧化铁皮等调整炉渣的熔点，加入铁矿石等放出氧气，通过吹氧提高FeO的数量，提供氧化氛围，间接传[O]，充分氧化杂质，其中在碱性炉中最重要的是促使磷的氧化，同酸性炉一样也可氧化其他杂质。FeO最终被C还原，产生CO气体，上浮清洗杂质，同时碳在氧化氛围中也会不断减少FeO的数量，出铁时FeO的含量会降到含铁元素的0.05～0.5%（W）。如果废钢铁中需要氧化、挥发、溶解、排出的杂质较少，可以减少富氧的吹入量，使CO气体的排出量减少，加快升温的速度，降低能源损耗。

预先估计含铁原料的碳的比例，推断配料中碳的添加数量，减少还原期增碳剂的消耗，添加碳的目的是达到铸铁的高含碳要求，不同于炼钢脱碳达到钢的低含碳要求，并有利于产生热量，提高溶化速度，降低熔体熔化温度，还原FeO，生成CO, 补充使用废钢造成的碳含量不足，碳化硅即可以补充碳和硅，也可以产生热量。

通过脱硫、脱磷工艺可以有效的清除S、P。一般脱磷比脱硫难，还原脱磷的同时也可脱硫。高炉、冲天炉、重熔电炉、酸性电炉脱磷难度大，一般不脱磷，只脱硫。

脱硫为吸热反应，主要通过CaO基熔渣，分高、低氧氛围脱硫。在碱性及酸性电炉的氧化期，通过吹氧、高氧化铁、低碱氛围下，少量的硫易生成SO₂气体，随炉气排出，使含S总量降为0.9～0.6，在电炉的还原期、渣洗及精炼炉中，在低氧及低氧化物，炉温较高、碱度较高或碳含量较高时，S易形成硫化物炉渣排出。或/和在渣洗及精炼炉分炉还原法脱硫、磷硫。

生产低磷铸铁可使用低磷含铁原料，对于采用废钢铁炼铁，灰口铸铁产品中的含P总量常比钢中高，蠕墨、球墨铸铁产品中的含P总量常与钢接近，如果需要少量脱磷，可由电炉、渣洗、精炼炉通过还原法少量脱磷，使含P总量降为0.8～0.4。碱性电炉在氧化期脱磷，电弧炉电极对炉渣直接加热，炉渣的温度高，流动性及反应条件良好，并有大量气体上浮及电磁搅拌，脱磷效果最好，可使含P总量降为0.2～0.6。对于使用高磷含铁原料生产低磷铸铁，可以氧化与还原法同时脱磷。

通过渣洗工艺及精炼炉中还原脱磷，可以同时降低铸铁中氧、硫、夹杂物的含量。钢铁液含C量≥1%(W)时，易使含氧量≤50ppm，再通过吹氩气及强脱氧剂脱氧，当氧含量≤10ppm时，易脱磷。在电炉或精炼炉中加入CaAl、CaSi、CaC₂等后,钙首先与硫、氧反应,使渣液界面氧势进一步减小,小于临界氧势,钙几乎同时磷、碳、氮等反应，生成磷酸钙等。磷酸钙易生成毒物，需妥善处理。渣洗工艺脱磷，一般先用化渣炉熔化炉渣，后粉碎处理，随钢铁液倒入钢包，也可在电炉冶炼终点时加入渣料，熔化后和钢液同时倒入钢包，化渣时也可添加其他合金。常使用主成分（CaO+BaO）-Al2O₃-CaF₂的渣系，其中CaO调节碱度、脱硫、脱磷，Al2O3与SiO₂调整粘度，MgO保护炉衬，CaF₂助熔剂，Al脱氧、发热，C、SiC、CaC₂脱氧、发热、发泡。

本发明所述工序中对熔体吹入的气体为氧气或富氧，助熔，氧气体压力为0.2～1.4MPa，供氧量为5～60m³/t，其中富氧的氧含量为30%～93%。

本发明所述工序中，对熔体吹入的气体为N₂、CO₂、Ar中一种或几种。

本发明所述对熔体吹入气体，其方式为在电炉中插入吹气管或/和底部吹气。

本发明吹气管可以采用水冷铜管、普通钢管、高温涂层渗铝钢管、高温金属管、陶瓷管、金属陶瓷管从顶部、炉门、侧部吹入气体，高温涂层渗铝钢管、高温金属管、陶瓷管、金属陶瓷管可接触钢铁水。

本发明所述对熔体吹入气体，对于底部没有吹气功能的炉体，可在炉体底部开口，埋入吹气管及隔离熔体的透气砖，铺设水循环降温保护系统，使炉体拥有底吹气功能。

废钢铁中的元素分有易氧化的：Ca、Mg、S、Al、Ce、Ti、Si、B、V、Nb、Mn、Cr、P、C等；难氧化的：Pb、Sb、As、W、Mo、Ni等；基本不氧化：Sn、Co、Cu等。本发明通过顶底吹入的氧气及铁的氧化物释放的[O]，形成的高[O]氛围，充分氧化易氧化的杂质，FeO在与C的反应中生成大量的CO气体，CO及吹入的其他气体在上浮的过程中携带易熔化、挥发及氧化的杂质，混入炉渣排出。本发明冶炼中产生的CO等气体及底部吹入的N₂、Ar等气体能有效上浮携带杂质，对非金属夹杂物、气体、低沸点及低熔点物质，具有极强清洗能力，如Hg、Cd、Zn、Sb、As、Bi等元素及化合物的沸点均低，易形成蒸汽状态而被清除。吹气高温搅拌有利于高熔点元素及原料中杂质的分解，如Mo、Co、W、大块石墨、增碳剂中的灰分等。

本发明所述工序中，可以对炉体抽取真空。在还原期，使用水环泵与蒸汽喷射泵或单独使用水环泵，抽取真空并辅助炉底吹入气体，当达到真空度10～300Pa后，抽气5～20min，降低气体及夹杂物的含量，进一步清除有害气体、夹杂物及易挥发性物质。

添加还原渣的同时，通过底吹气或顶吹气，可在转炉或/和精炼炉，或/和同时抽取真空，吹入N₂、CO₂、Ar，可先吹N₂、再吹CO₂或Ar，也可只吹CO₂或Ar，清除夹杂物及气体，具体为0.05～1.0m³/min、5～20 min。使用水环泵与蒸汽喷射泵或单独使用水环泵抽取真空，并吹入气体，当达到真空度10～300Pa后，抽气5～20min。对于生产高牌号铸铁，要求杂质含量很低，可以延长吹气时间，同时抽取真空，可以提高精炼效果，有利于提高夹杂物、气体、低熔点物质的清除效果，并防止气体二次混入。

铸铁中存在大量细小的非铁、碳质点，SiO₂、FeO、MnO、Al₂O₃等氧化物微粒约为500万个/ cm³，尺寸约在0.2～1.0μm之间，MnS、FeS等硫化物微粒约为4000万个/ cm³，尺寸约在2～23μm之间。尺寸在10μm以下的夹杂物数量约为90%，一般自然状态下＞50um的夹杂物可以主动上浮，底吹气工艺可以快速地使＞5um的夹杂物上浮，但对于＜1um的非均质晶核数量也有部分影响。铸铁中如果因气体空隙导致密度下降0.2T/ m³，意味着铸铁气体的渗透性相当于约提高37%。每氧化1%（W）的C生成的CO，或C每还原6%（W）的FeO生成的CO，因气体密度小，受热膨胀后其体积约是总钢铁液近千倍。N₂、CO、CO₂、Ar气体等几乎不溶解在钢铁中，净化工艺中的气体与钢铁液之间的超大体积比，是有效上浮携带夹杂物、有害气体及清洗低沸点物质等的主要原因，对提高铸铁品质意义重大。

本发明所述炉体，炉体的用途可以是冶炼炉、保温炉，可以附加真空脱气装置。可以是吹气电弧加热的保温炉，如LF精炼炉，也可以是吹气感应加热真空炉，如真空感应炉（VIDP）。

本发明所述冲天炉及高炉熔化为钢铁水的含铁原料包括：废钢铁、炼钢生铁、铸造生铁、球墨生铁、还原铁、半钢、铁的氧化物中的一种或几种的组合；废钢铁包括重废、中废、统废、轻废、焚烧废铁、废钢、废铁、马达铁、冲花铁、钢铁屑、机件废铁、钢铁回炉料、高熔点合金废钢铁、电镀废钢铁、汽车废钢铁、优质废钢铁或低质废钢铁中的一种或几种的组合，是冲天炉及高炉的原料。铁的氧化物包括铁精粉、铁矿石、氧化铁皮、铁鳞、氧化铁粉、含铁原料中的铁锈等。

本发明旨在通过燃焦或燃气冲天炉熔化废钢铁，并通过转炉的高温吹气冶炼中的氧化与还原的化学反应等过程，有效的清除含铁原料及辅料中的杂质，替代传统铸铁重熔工艺中无法吹气冶炼清除杂质的物理重熔过程，控制碳的氧化速度及损失，及时加入及调整铸铁牌号所需的碳、硅、锰等元素的含量。

本发明通过燃焦或燃气冲天炉对低质废钢铁初步熔炼，以及使用低质的铁矿石或铁精粉通过高炉初步熔炼，生成钢铁水，供转炉使用。转炉吹炼周期短，主要依靠钢铁水中及添加的Si、C、Mn氧化释放的热量升温，在脱磷时需要高FeO氧化氛围，后与C自燃形成大量的CO气体，以及吹入Ar等气体，含铁原料中杂质有很强清除能力。

本发明即可用于生产低档铸件，也可以生产高档铸件，以及为铸铁厂提供高精纯生铁或铁水等铸铁原料。本发明可生产灰口、蠕墨、球墨、可锻、白口铸铁，耐热、耐蚀、耐磨铸铁，合成、孕育铸铁，D型铸铁等产品。

与现有技术相比，本发明的优点在于：利用吹入O₂，提供氧化氛围，用于氧化杂质，在氧化与还原过程中生成大量的CO气体上浮携带杂质，利用吹入的N₂、CO₂、Ar，消除有害气体、上浮携带杂质。通过氧化还原的化学反应、各种高温搅拌、吹气净化、抽真空等方式，消除含铁原料、辅料及生产中产生的各种杂质，消除低熔点元素、高熔点元素、非金属夹杂物及气体的危害，稳定原料的一致性，匹配生产各种铸铁所需的元素，添加、生成、孕育铸铁所需的碳化铁或各种形式的石墨的基础结构，达到生产的各种铸铁的目的。

具体实施方式

钢铁水→转炉→精炼炉+（抽真空）+碳化铁或石墨化→高牌号铸件。

装料配料

目的：分析元素含量，预先估计钢铁水与需要生成铸铁品种中碳、硅、锰等比例，合理添加辅料。

分析C、P、S等含量，根据对P、S的含量的控制要求，确定氧化期及还原期脱磷扒渣方案，确定还原期脱硫的方案，初步确定还原期添加合金元素含量的方案。

把冲天炉及高炉熔化的钢铁水装入转炉，另外在氧化期添加固体含铁原料为钢铁水总量的0～15％（W），抑制氧化升温速度，便于在较低的温度下脱磷等杂。

在装料配料期装入钢铁水前和吹氧升温氧化期的扒渣前添加辅料的量为含铁原料总量的8～29%（W）；预先装入钢铁水前投入20～50%的辅料，之后在氧化中期扒渣脱磷前添加或分批添加辅料。

其中石灰基类为石灰、萤石、白云石、石英砂或/和碳化硅，其比例为萤石10～20%（W）、白云石5～15%（W）、碳化硅或石英砂0～20%（W），石灰为40～80%（W）；添加石灰基类辅料为含铁原料总量的3～10%（W），在氧化期使CaO/SiO₂的比例约为1.5～6，以碳化硅或石英砂补充含铁原料中硅元素的不足，使含硅总量占铸铁原料总量的1～4%，其中包含铁原料中的含硅量；其中锰的氧化物类为富锰渣、富锰矿、一氧化锰、二氧化锰中一种或几种的组合，添加锰的氧化物类为含铁原料总量的0～1％（W）；其中增碳剂类为焦碳颗粒、石墨矿、碳粉、碎石墨电极块、碳化硅，添加增碳剂类为含铁原料总量的3～8%（W）；其中铁的氧化物类为铁精粉、铁矿石、氧化铁皮、铁鳞、氧化铁粉、含铁原料中的铁锈，添加铁的氧化物类为含铁原料总量的2～10%（W）。把上述辅料混合，可减少碳的消耗，增加碳原子的数量。

在氧化期的扒渣除磷等杂质后和/或还原期的扒渣除硫等杂质后，另造少量新的石灰基类辅料覆盖熔体；辅料为石灰、萤石、石英砂，比例为萤石0～20%（W）、石英砂20～40%（W）、石灰40～80%（W），为含铁原料总量的2～9%（W），或以碳化硅代替20～70%（W）的石英砂，炉渣中CaO/SiO₂的比例约为1.2～3；在氧化期的扒渣后添加锰的氧化物类和增碳剂类，使含锰总量为含铁原料总量0～2%（W），使含碳总量为含铁原料总量2～4%（W）。

吹氧升温氧化期

目的：持续升温，吹氧助熔，形成高氧化氛围，氧化杂质，气体搅拌熔池，上浮夹杂物，扒渣，脱磷，去除夹杂物及气体。对于含磷较高的含铁原料，或者生产低磷铸铁件，氧化期脱磷十分重要。

加速原料熔化：吹氧升温，加速原料熔化，补渣。

使用氧气或富氧助熔，通过顶底吹气或顶吹气，吹入氧气，吹气压力为0.2～1.2MPa，富氧含氧量为50～93%，吹氧量为10～40Nm³/T，根据炉体直径及去除杂质的程度选择吹氧量，含铁原料杂质较高或生产高牌号的铸铁，需要吹入较多的氧气。在氧化期扒渣脱磷前补充渣量，调整碱度等，做好扒渣脱磷准备。采用水冷氧枪或吹氧钢管，插入炉渣深度＜100mm，角度为30～45°。采用超高温材料的氧枪也可插入钢铁水中，可提高氧化速度，降低氧气的损失。

扒渣脱磷等杂质：氧化中期，达到脱磷条件，在较低的温度下氧化的杂质，采用自动流渣及扒渣方式，及时分批扒氧化渣、添造新氧化渣，清除磷等杂质，防止氧化杂质再次还原。

良好的脱磷，使熔池有良好的氧化性、适当的碱性、控制偏低的炉温、降低炉温上升的速度、使炉渣有良好的流动性等，分批造渣、排渣及更换新的氧化渣，逐步降低P浓度，均有助于提高脱磷效果。碱性电炉氧化期脱磷为放热反应，冶炼氧化的基本顺序为Si→Mn→Cr→P→C，Si需氧化到约0.15% (W)，并部分氧化Mn、Cr后，P才能被氧化，氧化Si、Mn，既提供热量，又便于脱磷，C＜1.5%（W）时,界面氧位由Cr控制，C＞1.5%（W）时,则由C控制，C含量高时对脱磷、保铬很重要。持续吹氧，分批加入铁的氧化物,调整FeO为12％～25％（W）的氧化性炉渣，每批间隔＞5min，重量为1～3％（W），调整碱度为R=CaO/SiO₂=1.5～6。需把熔体控制在1300℃～1670℃尽可能低的温度内，否则C易剧烈反应，使FeO逐步消失，易出现回磷现象。分批添加碎铁矿石造等铁的氧化物及含铁原料，延长吹炼时间，可造成自动流渣，有利于自动排出炉渣中密度比较轻的磷酸盐，减少铁的氧化物的损失，同时也可以防止炉温上升过快，氧化氛围下降，磷酸盐等再次还原，并主动扒渣，扒渣量最多可达70%～80%，并另造新渣覆盖熔体。SiO₂、B₂O₃等为酸性，在碱性环境中还原性小，Ti、B及其氧化物的密度均低，易混入炉渣排除，但V、Mn、Nb、Cr、P等的氧化物易高温下被还原期还原。

高温氧化氛围的形成：向熔池吹氧，因熔体中Fe的浓度极高，部分2Fe+O₂=2FeO，氧化最主要是通过FeO的间接传氧， FeO+M=MO；少部分由在界面上的FeO向钢铁液中扩散传氧，FeO=Fe+[O]，以及氧气扩散到钢铁液中，O₂=2[O]；也有少量直接氧化，2M+O₂=2MO；沉降在炉底未熔化的铁矿石也可提供氧，FeO=Fe+[O]，Fe₂O₃=2FeO+[O]，为吸热反应，反应速度比吹氧放热反应来得慢。氧化氛围为杂质元素的氧化提供了条件，是冶炼电炉工艺去除杂质的重要步骤。

氧化顺序：在冶炼条件下部分元素氧化的基本顺序为Ca→Mg→少量Fe→少量S→Al→Ce→Ti→B→Si→V→Nb→Mn（Nb、Mn＞1400℃,易被C还原）→Cr→P→C→Fe，Sn→Mo→W→Ni→Pb→Sb→As→Co→Cu等。其中Sn、Sb、As 、Pb部分挥发及氧化，W、Mo、Ni少量氧化，Co、Cu基本不氧化。氧化顺序也与浓度有关，浓度高，易被氧化。

生成磷酸盐：5FeO+2Fe₃P= P₂0₅+11Fe，生成4（CaO）.P₂0₅和3（CaO）.P₂0₅等；

生成SO ₂ ：在氧化期氧比硫活泼，通过吹氧、高氧化铁、低碱氛围下，少量的硫易生成SO₂气体，随炉气排出， FeS+2[O]=Fe+SO₂↑， MnS+2[O]=Mn+SO₂↑。

氧化末期：在氧化期扒渣脱磷等时炉温在逐步升高，脱磷的难度不断加大，逐步进入氧化末期，停止吹氧后，在液面撒上增碳剂，使含碳总量为含铁原料总量2～4%（W），补充铁水的含碳量，根据铸铁牌号中锰含量的要求，适量添加锰的氧化物，为含铁原料总量0～2%（W），让熔池进入自然沸腾状态约3～15min，使FeO大量转化为Fe，使锰的氧化物被碳还原，补充铁水中锰的含量，扒氧化渣，清除增碳剂及锰的氧化物中的杂质，造稀薄还原渣覆盖熔体，以减少吸气和降温。充分搅拌钢液，在熔池中心取样，分析C、Mn、Si、S、P等元素含量，为后期及时调整元素含量提供依据。

炉温在1450～1670℃下，C的氧化反应逐步进入十分活跃状态，FeO+C=Fe+CO ，C+[O]= CO，使FeO与C充分反应，C大量消耗，生成CO，CO 的上浮及富氧中的N₂搅动，使气体携带夹杂物充分上浮，有利于排出夹杂物和气体。

也可以采用气体喷射增碳，增碳剂可以使用碳化硅、焦炭颗粒等，添还原渣覆盖熔体。每还原6%（W）FeO，需要的1%（W）C， C的氧化速度约为0.3～1.2%/h。

充分搅拌钢液，在熔池中心取样，分析C、Mn、Si、S、P等元素含量，为后期及时调整元素含量提供依据。

吹气净化及还原期

氧化期扒渣完毕到出铁液这段时间称为还原期，主要任务是造好还原渣，对铁液进一步脱氧，有时也可以同时脱硫，通过吹气继续排出夹杂物及气体，防止气体二次混入，调整合金元素成分，控制好出铁温度。还原期可在电弧炉或/和精炼炉、渣洗工艺、真空工艺中完成。如果需要在渣洗工艺、精炼炉及真空炉中进一步清除杂质及气体，需要选择较高的出炉温度，注意换炉后精炼炉炉体的酸碱性，一般精炼炉为酸性，需把还原渣由碱性渣变为酸性渣。

添加还原剂，关闭炉门，确保反应继续进行，尽量保证炉膛有较好的密封性，以保持白渣快速形成，扒渣脱硫后，需要再次补充还原渣及还原剂，并可多次扒渣、脱硫、造新渣覆盖熔体，但还原剂需要分批添加，防止还原剂的浪费。在还原期扒渣，脱氧、脱硫等杂质，扒渣量最多可达60～80%。常用还原剂有碳粉、碳化硅、硅铁、锰铁、硅锰铁、铝等。脱氧、脱硫需同时进行，随着还原过程的进行，炉渣逐渐失去脱氧、脱硫能力，需要及时扒渣，补充还原剂及还原渣，约每隔5～10min加入一批，并调整炉渣的流动性。

添加还原渣的同时，通过底吹气或顶吹气，可在转炉或/和精炼炉，或/和同时抽取真空，吹入N₂、CO₂、Ar，可先吹N₂、再吹CO₂或Ar，也可只吹CO₂或Ar，清除夹杂物及气体，具体为0.05～1.0m³/min、5～20 min。使用水环泵与蒸汽喷射泵或单独使用水环泵抽取真空，并吹入气体，当达到真空度10～300Pa后，抽气5～20min。对于生产高牌号铸铁，要求杂质含量很低，可以延长吹气时间，同时抽取真空，提高精炼效果，有利于提高夹杂物、气体、低熔点物质的清除效果，并防止气体二次混入。

根据铸铁牌号中非铁元素的比例，及时添加元素辅料，调整合金成分，把铁液温度升高到出铁温度，出炉温度范围为1320℃～1650℃，做好出铁准备。

生产低磷铸铁可使用低磷含铁原料，对于采用废钢铁炼铁，灰口铸铁产品中的含P总量常比钢中高，蠕墨、球墨铸铁产品中的含P总量常与钢接近，如果需要少量脱磷，可由电炉、渣洗、精炼炉通过还原法少量脱磷，使含P总量降为0.4～0.8。碱性转炉在氧化期脱磷效果较好，可使含P总量降为0.3～0.7。对于使用高磷含铁原料生产低磷铸铁，可以氧化与还原法同时脱磷。使用主成分（CaO+BaO）-Al2O₃-CaF₂的渣系，通过渣洗工艺及精炼炉中还原脱磷，同时降低铸铁中氧、硫、夹杂物的含量。

碳化铁或石墨化

碳化铁指碳在铁水中以原子方式存在，在凝固后以碳化铁的形式出现，石墨化指碳在铁水及凝固后以晶体方式独立存在。碳化铁或石墨化均可在转炉或/和精炼炉，或/和保持真空状态中完成，防止二次气体混入。对于生产白口铸铁可以选择较高的出铁温度，通过吹气搅拌充分分解铁水中的石墨结晶体，使碳以原子状态溶解在铁液中。对于生产球墨及蠕墨铸铁应选择较高的出铁温度，灰口铸铁应选择较低的出铁温度，出铁温度越高分解铁液中石墨的效果越好，尽可能消除石墨的遗传性缺陷，然后添加一定数量的生铁或较小的石墨晶体及石墨孕育剂，在较低的温度下孕育石墨。

Claims

1.一种采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于包括以下工序：

装料配料期，在炉体中添加含铁原料及辅料；初步熔化期，升温，造氧化渣；吹氧升温氧化期，对熔体吹入气体，造氧化渣；吹气净化及还原期，对熔体吹入气体，造还原渣；碳化铁或石墨化。

2.根据权利要求1所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：在使用碱性转炉冶炼工艺时，辅料的添加方式为：

在工序装入钢铁水前和工序的扒渣前添加辅料的量为含铁原料总量的8～29%（W）；在工序装入钢铁水前预先投入辅料，投入的辅料为辅料投料总量的20～90%；在工序的扒渣前添加或分批添加余下的辅料；其所述辅料为石灰基类、锰的氧化物类、增碳剂类、铁的氧化物类；其中石灰基类为石灰、萤石、白云石、石英砂或/和碳化硅，其比例为萤石10～20%（W）、白云石5～15%（W）、碳化硅或石英砂0～20%（W），石灰为40～80%（W）；添加石灰基类辅料为含铁原料总量的3～10%（W）；其中锰的氧化物类为富锰渣、富锰矿、一氧化锰、二氧化锰中一种或几种的组合，添加锰的氧化物类为含铁原料总量的0～1％（W）；其中增碳剂类为焦碳颗粒、石墨矿、碳粉、碎石墨电极块、碳化硅，添加增碳剂类为含铁原料总量的3～8%（W）；其中铁的氧化物类为铁精粉、铁矿石、氧化铁皮、铁鳞、氧化铁粉、含铁原料中的铁锈，添加铁的氧化物类为含铁原料总量的2～10%（W）；

在工序和/或中的扒渣后添加石灰基类辅料，辅料为石灰、萤石、石英砂，比例为萤石0～20%（W）、石英砂20～40%（W）、石灰40～80%（W），为含铁原料总量的2～9%（W）；在工序中的扒渣后添加锰的氧化物类和增碳剂类，使含锰总量为含铁原料总量0～2%（W），使含碳总量为含铁原料总量2～4%（W）。

3.根据权利要求1所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：所述工序中对熔体吹入的气体为氧气或富氧，助熔，氧气压力为0.2～1.4MPa，供氧量为5～60m³/t，其中富氧的氧含量为30%～93%。

4.根据权利要求1所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：所述工序中，对熔体吹入的气体为N₂、CO₂、Ar中一种或几种。

5.根据权利要求1所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：所述对熔体吹入气体，其方式为在电炉中插入吹气管或/和底部吹气。

6.根据权利要求5所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：吹气管采用水冷铜管、普通钢管、高温涂层渗铝钢管、高温金属管、陶瓷管、金属陶瓷管从顶部、炉门、侧部吹入气体，高温涂层渗铝钢管、高温金属管、陶瓷管、金属陶瓷管可接触钢铁水。

7.根据权利要求1所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：所述对熔体吹入气体，对于底部没有吹气功能的炉体，在炉体底部开口，埋入吹气管及隔离熔体的透气砖，铺设水循环降温保护系统，使炉体拥有底吹气功能。

8.根据权利要求1所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：所述工序中，还包括对炉体抽取真空；在还原期，使用水环泵与蒸汽喷射泵或单独使用水环泵，抽取真空并辅助炉底吹入气体，当达到真空度10～300Pa后，抽气5～20min，降低气体及夹杂物的含量，进一步清除有害气体、夹杂物及易挥发性物质。

9.根据权利要求1所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：所述炉体，炉体的用途是冶炼炉、保温炉，附加真空脱气装置；是吹气电弧加热的保温炉，如LF精炼炉，是吹气感应加热真空炉，如真空感应炉。

10.根据权利要求1所述采用转炉吹气冶炼和净化生产铸铁的方法，其特征在于：所述含铁原料包括：废钢铁、炼钢生铁、铸造生铁、球墨生铁、还原铁、半钢、铁的氧化物中的一种或几种的组合；废钢铁包括重废、中废、统废、轻废、焚烧废铁、废钢、废铁、马达铁、冲花铁、钢铁屑、机件废铁、钢铁回炉料、高熔点合金废钢铁、电镀废钢铁、汽车废钢铁、优质废钢铁或低质废钢铁中的一种或几种的组合。