冶煉高速鋼技術(shù)的重大創(chuàng)新
今年6月，由中國工程院院士李正邦為課題帶頭人的課題組收到了863計(jì)劃新材料領(lǐng)域辦公室的課題驗(yàn)收結(jié)論書，他們的課題通過了驗(yàn)收，并獲優(yōu)秀評(píng)價(jià)等級(jí)。該課題為由中國鋼鐵研究總院和重慶東華特殊鋼有限責(zé)任公司共同承擔(dān)的“十五”863計(jì)劃新材料技術(shù)領(lǐng)域高性能材料技術(shù)主題“熔融還原冶煉新型高速鋼”課題。
李正邦院士非常重視成果轉(zhuǎn)化形成新型產(chǎn)業(yè)連。經(jīng)調(diào)研考察，與地處刀具行業(yè)集中地區(qū)的江蘇福達(dá)特種鋼集團(tuán)簽訂產(chǎn)業(yè)化合同。同時(shí)，利用江西豐富的鎢、鉬、釩礦物資源和豐富的水電資源，與江西新余鋼鐵公司簽訂了成果轉(zhuǎn)化合同。本月合同已生效，設(shè)計(jì)工作正在緊張進(jìn)行中。“礦物還原冶煉新型高速鋼與模具鋼”項(xiàng)目近日被科技部列為“國家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目”。
熔融還原煉鐵自20世紀(jì)50年代問世以來，出現(xiàn)的工藝方法之多令人眼花繚亂，但具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的極少。熔融還原的狹義限于“無焦炭煉鐵”；廣義的即在熔態(tài)下的礦石或精礦粉被還原劑(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))還原成純金屬、合金或金屬化合物的過程概稱熔融還原。國際上均將氧化物礦直接還原冶煉合金鋼稱為“合金鋼熔融還原”。
熔融還原冶煉合金鋼目前是處于研發(fā)階段的前沿技術(shù)。長期以來，冶煉合金鋼的傳統(tǒng)流程是：礦山采選—礦熱電爐冶煉鐵合金—電弧爐冶煉合金鋼—爐外精煉—澆鑄，通稱二步冶煉法。采用熔融還原冶煉合金鋼具有縮短生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、節(jié)約能耗、提高資源利用率、改善環(huán)境等技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性。近年各國都致力于開發(fā)此技術(shù)。國內(nèi)外前期工作存在的問題是：直接合金化比不高；由于鉬、鎢易揮發(fā)，釩在渣鋼分配系數(shù)偏高，合金收得率偏低；脫磷問題未解決；不能使用低品位礦；需要使用鋁及工業(yè)硅做還原劑。所以目前停留于研發(fā)階段，未能定型轉(zhuǎn)產(chǎn)。
選擇高速鋼入手
高速鋼含合金元素種類多，總含量高，如M2鋼(6W5Mo4Cr2V)含4種合金元素，總合金元素含量超過17%。對(duì)碳化物顆粒度及不均勻度要求嚴(yán)格，紅硬性高，有“工具鋼王”之稱。用鐵合金生產(chǎn)高速工具鋼及模具鋼傳統(tǒng)流程存在如下缺點(diǎn)：冶煉工藝復(fù)雜，生產(chǎn)率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大；能耗高；合金元素總利用率不高；環(huán)境污染嚴(yán)重。故李院士帶領(lǐng)的課題組選擇高速鋼入手，采用鎢精礦(鎢酸鈣)、鉬精礦(鉬酸鈣)、釩精礦取代鎢鐵、鉬鐵和釩鐵作原料冶煉高速工具鋼。
踏著前人腳印前進(jìn)
20世紀(jì)在鋼鐵冶金方面最大的成就是：氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼與近終形連鑄連軋。熔融還原無焦煉鐵一度引人注目，但在成本、生產(chǎn)率、投資方面競(jìng)爭不過大高爐(4000—6000M3)。早在20世紀(jì)40年代，加拿大開始探索用白鎢礦代替鎢鐵冶煉含鎢鋼。60年代至90年代，美國、俄羅斯、日本相繼采用鎢精礦和氧化鉬冶煉含鎢、鉬的鋼，但用量受限制，由鎢精礦加入鋼中的W在3％左右，氧化鉬礦加入鋼中Mo在2%左右。我國自80年代以來進(jìn)行了一些研究，但單加鎢精礦，W合金化極限量是 5%，鎢精礦和氧化鉬礦混合加入，W+Mo合金化極限量為4%，繼續(xù)增加氧化物礦量，冶煉時(shí)間增長，電耗劇增，合金收得率下降，得不償失，致使該技術(shù)胎死腹中。
國內(nèi)T廠冶煉3Cr2W8V，欲8%W全部用白鎢礦合金化，結(jié)果冶煉時(shí)間增長120min，電耗增加296kW·h/t，W的收得率僅80.3%。
突破前人工作的極限，必須針對(duì)存在的問題，采取相應(yīng)對(duì)策。為此，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和工廠連續(xù)攻關(guān)，終于獲得以下關(guān)鍵性的突破：
基礎(chǔ)理論上的突破
過去論文及專著對(duì)反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物狀態(tài)不清，無法由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)趨勢(shì)與動(dòng)力。而他們?cè)诶碚撋详U明了熔融還原具有5種過程：固－固反應(yīng)、氣－固反應(yīng)、液－固反應(yīng)、鐵浴還原及液－液反應(yīng)。
技術(shù)上的突破
宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用。鉬酸鈣與固體C發(fā)生低溫直接還原，熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于鋼液溫度，在鋼液中鐵能還原它，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不是限制環(huán)節(jié)。
白鎢礦熔點(diǎn)高，鐵浴還原的關(guān)鍵是：鐵液中足夠的Si含量，濃度均勻，白鎢礦粉粒度愈小愈有利反應(yīng)。在三相電弧高溫所輻射區(qū)，白鎢礦易熔化還原。
加強(qiáng)攪拌是關(guān)鍵，用SiC作還原劑產(chǎn)生大量的小氣泡，使?fàn)t渣和金屬液形成乳化液加速還原反應(yīng)。
抑制揮發(fā)。白鎢礦的熔點(diǎn)是1579℃，純WO3在1250℃時(shí)蒸發(fā)現(xiàn)象明顯。氧化鉬597℃開始升華，697℃劇烈升華。因此為提高鎢鉬收得率，必須解決揮發(fā)問題。通過加阻尼劑的方法，可顯著降低氧化鉬的揮發(fā)。研究小組由此而開發(fā)出抑制氧化鉬揮發(fā)的技術(shù)，可使氧化鉬的揮發(fā)率下降到其總量的0.5%以下。
脫磷問題。使用含磷高的低品位礦或尾礦尤為突出。本項(xiàng)目加入Al-Mg合金，形成Mg3P2以脫磷，并對(duì)殘?jiān)笛跹趸幚怼?
渣量控制。冶煉初期只加少量螢石，待白鎢礦與鉬酸鈣中鎢、鉬還原后，殘存氧化鈣形成爐渣，以防止渣量過大，爐渣順著爐門向外流，造成白鎢礦與氧化鉬的損失；同時(shí)加大電耗，加重爐襯侵蝕。
防止大沸騰。在熔化早期白鎢礦粉由于未來的及反應(yīng)，不少白鎢礦粉上浮進(jìn)入渣中，使渣呈現(xiàn)泡沫狀，如果冶煉過程中吹氧助熔或用焦碳作還原劑將會(huì)產(chǎn)生大量CO，很容易使渣出現(xiàn)強(qiáng)烈沸騰，甚至熔渣濺出爐外引發(fā)事故。因此盡量避免過快升溫及過早吹氧助熔，實(shí)現(xiàn)低溫快速還原，在1500℃以下WO3、MoO3大部分已還原。
電化學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用。在電爐冶煉還原期爐底接陽極，將電極插入渣層中，變電弧過程為電渣過程，使渣中W6+、Mo6+等離子進(jìn)入鋼液中，鋼液中的P5-、S4-、O2-形成陰離子進(jìn)入渣中。同時(shí)借助K、Na、Ca堿金屬的氟化物及氯化物，使氧化物礦充分離解。
熔融還原冶煉高速工具鋼的碩果
鋼鐵研究總院自1994年開始研究“熔融還原冶煉高速鋼”，對(duì)用白鎢礦、氧化鉬和釩精礦冶煉高速鋼進(jìn)行熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算與分析。在熔融還原過程中， CaWO4、MoO3、V2O5將被CaC2、Si－Fe、SiC所還原。反應(yīng)過程包括：固－固反應(yīng)、液－固反應(yīng)、鐵浴反應(yīng)和液－液反應(yīng)。開發(fā)了低溫快速還原、控制渣量、抑制沸騰等技術(shù)。發(fā)現(xiàn)還原WO3的限制性環(huán)節(jié)是WO3在熔渣中的擴(kuò)散，采取提高渣流動(dòng)性，擴(kuò)大反應(yīng)界面以加快WO3的還原，并使用阻尼劑能有效抑制鉬的揮發(fā)。在20t的交流電弧爐上用氧化物礦工業(yè)化生產(chǎn)高速鋼M2獲得成功，質(zhì)量優(yōu)異，達(dá)到世界名牌奧地利百樂公司實(shí)物水平。礦物直接合金化量達(dá)13%(前人未超過5%)，合金收得率提高4～6個(gè)百分點(diǎn)，一次熔融還原較二次傳統(tǒng)冶煉節(jié)電1067KW·H/t，縮短冶煉時(shí)間450min/爐，環(huán)境負(fù)荷系數(shù)減少63%%。每噸M2鋼節(jié)約成本6813.5元。應(yīng)用這一新技術(shù)，1999—2005年重慶特鋼公司等企業(yè)累計(jì)生產(chǎn)M2、M2Al、H21鋼 8981t。實(shí)踐證明熔融還原工藝與傳統(tǒng)工藝比較在技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面有顯著優(yōu)越性。達(dá)到縮短工藝流程、節(jié)約能源、降低合金成本的效果，提高了合金收得率，減輕了冶煉對(duì)環(huán)境的污染。
[此信息未經(jīng)證實(shí)，僅供參考]
李正邦院士非常重視成果轉(zhuǎn)化形成新型產(chǎn)業(yè)連。經(jīng)調(diào)研考察，與地處刀具行業(yè)集中地區(qū)的江蘇福達(dá)特種鋼集團(tuán)簽訂產(chǎn)業(yè)化合同。同時(shí)，利用江西豐富的鎢、鉬、釩礦物資源和豐富的水電資源，與江西新余鋼鐵公司簽訂了成果轉(zhuǎn)化合同。本月合同已生效，設(shè)計(jì)工作正在緊張進(jìn)行中。“礦物還原冶煉新型高速鋼與模具鋼”項(xiàng)目近日被科技部列為“國家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目”。
熔融還原煉鐵自20世紀(jì)50年代問世以來，出現(xiàn)的工藝方法之多令人眼花繚亂，但具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的極少。熔融還原的狹義限于“無焦炭煉鐵”；廣義的即在熔態(tài)下的礦石或精礦粉被還原劑(固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài))還原成純金屬、合金或金屬化合物的過程概稱熔融還原。國際上均將氧化物礦直接還原冶煉合金鋼稱為“合金鋼熔融還原”。
熔融還原冶煉合金鋼目前是處于研發(fā)階段的前沿技術(shù)。長期以來，冶煉合金鋼的傳統(tǒng)流程是：礦山采選—礦熱電爐冶煉鐵合金—電弧爐冶煉合金鋼—爐外精煉—澆鑄，通稱二步冶煉法。采用熔融還原冶煉合金鋼具有縮短生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)率、改善勞動(dòng)條件、節(jié)約能耗、提高資源利用率、改善環(huán)境等技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性。近年各國都致力于開發(fā)此技術(shù)。國內(nèi)外前期工作存在的問題是：直接合金化比不高；由于鉬、鎢易揮發(fā)，釩在渣鋼分配系數(shù)偏高，合金收得率偏低；脫磷問題未解決；不能使用低品位礦；需要使用鋁及工業(yè)硅做還原劑。所以目前停留于研發(fā)階段，未能定型轉(zhuǎn)產(chǎn)。
選擇高速鋼入手
高速鋼含合金元素種類多，總含量高，如M2鋼(6W5Mo4Cr2V)含4種合金元素，總合金元素含量超過17%。對(duì)碳化物顆粒度及不均勻度要求嚴(yán)格，紅硬性高，有“工具鋼王”之稱。用鐵合金生產(chǎn)高速工具鋼及模具鋼傳統(tǒng)流程存在如下缺點(diǎn)：冶煉工藝復(fù)雜，生產(chǎn)率低下，勞動(dòng)強(qiáng)度大；能耗高；合金元素總利用率不高；環(huán)境污染嚴(yán)重。故李院士帶領(lǐng)的課題組選擇高速鋼入手，采用鎢精礦(鎢酸鈣)、鉬精礦(鉬酸鈣)、釩精礦取代鎢鐵、鉬鐵和釩鐵作原料冶煉高速工具鋼。
踏著前人腳印前進(jìn)
20世紀(jì)在鋼鐵冶金方面最大的成就是：氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼與近終形連鑄連軋。熔融還原無焦煉鐵一度引人注目，但在成本、生產(chǎn)率、投資方面競(jìng)爭不過大高爐(4000—6000M3)。早在20世紀(jì)40年代，加拿大開始探索用白鎢礦代替鎢鐵冶煉含鎢鋼。60年代至90年代，美國、俄羅斯、日本相繼采用鎢精礦和氧化鉬冶煉含鎢、鉬的鋼，但用量受限制，由鎢精礦加入鋼中的W在3％左右，氧化鉬礦加入鋼中Mo在2%左右。我國自80年代以來進(jìn)行了一些研究，但單加鎢精礦，W合金化極限量是 5%，鎢精礦和氧化鉬礦混合加入，W+Mo合金化極限量為4%，繼續(xù)增加氧化物礦量，冶煉時(shí)間增長，電耗劇增，合金收得率下降，得不償失，致使該技術(shù)胎死腹中。
國內(nèi)T廠冶煉3Cr2W8V，欲8%W全部用白鎢礦合金化，結(jié)果冶煉時(shí)間增長120min，電耗增加296kW·h/t，W的收得率僅80.3%。
突破前人工作的極限，必須針對(duì)存在的問題，采取相應(yīng)對(duì)策。為此，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室和工廠連續(xù)攻關(guān)，終于獲得以下關(guān)鍵性的突破：
基礎(chǔ)理論上的突破
過去論文及專著對(duì)反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物狀態(tài)不清，無法由反應(yīng)動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)趨勢(shì)與動(dòng)力。而他們?cè)诶碚撋详U明了熔融還原具有5種過程：固－固反應(yīng)、氣－固反應(yīng)、液－固反應(yīng)、鐵浴還原及液－液反應(yīng)。
技術(shù)上的突破
宏觀反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用。鉬酸鈣與固體C發(fā)生低溫直接還原，熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于鋼液溫度，在鋼液中鐵能還原它，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)不是限制環(huán)節(jié)。
白鎢礦熔點(diǎn)高，鐵浴還原的關(guān)鍵是：鐵液中足夠的Si含量，濃度均勻，白鎢礦粉粒度愈小愈有利反應(yīng)。在三相電弧高溫所輻射區(qū)，白鎢礦易熔化還原。
加強(qiáng)攪拌是關(guān)鍵，用SiC作還原劑產(chǎn)生大量的小氣泡，使?fàn)t渣和金屬液形成乳化液加速還原反應(yīng)。
抑制揮發(fā)。白鎢礦的熔點(diǎn)是1579℃，純WO3在1250℃時(shí)蒸發(fā)現(xiàn)象明顯。氧化鉬597℃開始升華，697℃劇烈升華。因此為提高鎢鉬收得率，必須解決揮發(fā)問題。通過加阻尼劑的方法，可顯著降低氧化鉬的揮發(fā)。研究小組由此而開發(fā)出抑制氧化鉬揮發(fā)的技術(shù)，可使氧化鉬的揮發(fā)率下降到其總量的0.5%以下。
脫磷問題。使用含磷高的低品位礦或尾礦尤為突出。本項(xiàng)目加入Al-Mg合金，形成Mg3P2以脫磷，并對(duì)殘?jiān)笛跹趸幚怼?
渣量控制。冶煉初期只加少量螢石，待白鎢礦與鉬酸鈣中鎢、鉬還原后，殘存氧化鈣形成爐渣，以防止渣量過大，爐渣順著爐門向外流，造成白鎢礦與氧化鉬的損失；同時(shí)加大電耗，加重爐襯侵蝕。
防止大沸騰。在熔化早期白鎢礦粉由于未來的及反應(yīng)，不少白鎢礦粉上浮進(jìn)入渣中，使渣呈現(xiàn)泡沫狀，如果冶煉過程中吹氧助熔或用焦碳作還原劑將會(huì)產(chǎn)生大量CO，很容易使渣出現(xiàn)強(qiáng)烈沸騰，甚至熔渣濺出爐外引發(fā)事故。因此盡量避免過快升溫及過早吹氧助熔，實(shí)現(xiàn)低溫快速還原，在1500℃以下WO3、MoO3大部分已還原。
電化學(xué)效應(yīng)的應(yīng)用。在電爐冶煉還原期爐底接陽極，將電極插入渣層中，變電弧過程為電渣過程，使渣中W6+、Mo6+等離子進(jìn)入鋼液中，鋼液中的P5-、S4-、O2-形成陰離子進(jìn)入渣中。同時(shí)借助K、Na、Ca堿金屬的氟化物及氯化物，使氧化物礦充分離解。
熔融還原冶煉高速工具鋼的碩果
鋼鐵研究總院自1994年開始研究“熔融還原冶煉高速鋼”，對(duì)用白鎢礦、氧化鉬和釩精礦冶煉高速鋼進(jìn)行熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的計(jì)算與分析。在熔融還原過程中， CaWO4、MoO3、V2O5將被CaC2、Si－Fe、SiC所還原。反應(yīng)過程包括：固－固反應(yīng)、液－固反應(yīng)、鐵浴反應(yīng)和液－液反應(yīng)。開發(fā)了低溫快速還原、控制渣量、抑制沸騰等技術(shù)。發(fā)現(xiàn)還原WO3的限制性環(huán)節(jié)是WO3在熔渣中的擴(kuò)散，采取提高渣流動(dòng)性，擴(kuò)大反應(yīng)界面以加快WO3的還原，并使用阻尼劑能有效抑制鉬的揮發(fā)。在20t的交流電弧爐上用氧化物礦工業(yè)化生產(chǎn)高速鋼M2獲得成功，質(zhì)量優(yōu)異，達(dá)到世界名牌奧地利百樂公司實(shí)物水平。礦物直接合金化量達(dá)13%(前人未超過5%)，合金收得率提高4～6個(gè)百分點(diǎn)，一次熔融還原較二次傳統(tǒng)冶煉節(jié)電1067KW·H/t，縮短冶煉時(shí)間450min/爐，環(huán)境負(fù)荷系數(shù)減少63%%。每噸M2鋼節(jié)約成本6813.5元。應(yīng)用這一新技術(shù)，1999—2005年重慶特鋼公司等企業(yè)累計(jì)生產(chǎn)M2、M2Al、H21鋼 8981t。實(shí)踐證明熔融還原工藝與傳統(tǒng)工藝比較在技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面有顯著優(yōu)越性。達(dá)到縮短工藝流程、節(jié)約能源、降低合金成本的效果，提高了合金收得率，減輕了冶煉對(duì)環(huán)境的污染。
[此信息未經(jīng)證實(shí)，僅供參考]
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