電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)探討

1、世 界 鋼 鐵2010年第5期電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)探討徐迎鐵,陳兆平,劉 濤(寶山鋼鐵股份有限公司,上海201900摘要:分析了電爐冶煉不銹鋼母液過程中能量輸入的基本特性,指出電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)可很好地解決冶煉過程中存在的電耗高、冶煉周期長、耐材消耗大等一系列問題。理論分析了技術(shù)難點以及技術(shù)開發(fā)的可行性。技術(shù)關(guān)鍵是要解決渣的發(fā)泡性和制造發(fā)泡氣源,由此概述了當前電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)研究的最新進展,最后討論了該技術(shù)在中國的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:不銹鋼;電爐;泡沫渣do:i10.3969/.j issn.1672-9587.2010.05.002D iscussi on on EAF

2、 foa m y slag technologyi n st ai nless steel producti onXU Yingtie,CHEN Zhaop i n g,LIU Tao(Baoshan Ir on&Steel Co.,Ltd.,Shangha i201900,ChinaAbst ract:T his paper analyzes the characteristi cs o f e nergy i nput duri ng EA F s m elti ng o f crude sta i nless stee,l a nd po i nts out that the E

3、AF foa m y slag techno l ogy can effectively so lve t he pr oble m s ex isti ng i n EA F s m elting o f sta i nless steel such as high electrica l consu m ption and refracto r y consu m ption and long tap-to-tap ti m e.T heoretical analyses are m ade on the technical diff i culties of t he foa m y s

4、l ag techno logy and the developm ent feasi b ility of the techno l ogy.It is found out that the key of the techno logy is to i m prove the foa m i ng property of t he slag and create enough gas to suppo rt t he foa m y slag.Hence,the latest progress o f EA F foa m y slag techno logy i n stai nless

5、steel production is su mm arized and the application pr o spect o f the techno logy in C hi na is disscussed.K ey w ords:stainless stee;l EAF;foa m y slag0 前言傳統(tǒng)意義上電爐冶煉不銹鋼包括了在電爐冶煉過程的脫碳、合金化、脫硫等操作,電爐冶煉的熔化期、氧化期和還原期分界清楚。隨著不銹鋼連鑄技術(shù)的發(fā)展,對電爐冶煉節(jié)奏要求越來越高,電爐冶煉不銹鋼過程逐步演變成僅冶煉不銹鋼母液,不再對脫碳、脫硫有嚴格要求,對應(yīng)的任務(wù)由后工序AOD、VOD或LF精煉

6、爐完成,電爐冶煉不銹鋼母液粗略可分為熔化期和精煉期。在母液合金成分基本合格基礎(chǔ)上,核心要求是冶煉節(jié)奏快、電耗低、爐襯壽命長。在原料方面,冶煉過程大量使用了大塊不銹鋼返回料及鉻鐵,導(dǎo)致重料比相對普碳鋼冶煉過程偏高,同時鎳價的上漲導(dǎo)致在我國低鎳生鐵(含鎳小于10%被廣泛使用,低鎳生鐵通常是鑄錠狀或普通生鐵塊狀,它的使用進一步增大了電爐原料的重料比,重料比過高不同程度上導(dǎo)致原料熔化困難,冶煉時間變長、電耗增大。電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)的應(yīng)用可很好地解決上述問題,滿足當前電爐冶煉不銹鋼母液過程的核心要求,即冶煉節(jié)奏快、電耗低、爐襯壽命長。本文將從電爐冶煉能量輸入特性入手,從理論上分析電爐冶煉不銹鋼造

7、泡沫渣技術(shù)原理,并概述相關(guān)的研究進展,最后探討此技術(shù)在中國的應(yīng)用前景。1 電爐冶煉不銹鋼過程中能量輸入特性由前面的介紹可知,電爐冶煉不銹鋼母液的中心任務(wù)是保證重料比高的金屬原料快速熔化并升溫到合格的溫度,從生產(chǎn)實踐看,即提供金屬原12世 界 鋼 鐵料和相應(yīng)渣料熔化升溫所需的能量和加速尺寸大的重料的熔化。生產(chǎn)中一般由電弧供電和吹氧來共同完成。吹氧的目的不完全是脫碳,更重要的作用是通過產(chǎn)生CO 氣泡來攪拌熔池。部分電弧爐安裝有爐壁燒嘴可提供更多的化學(xué)能來加快物料熔化,如果兌加鐵水,則可提供物理熱。以冶煉304不銹鋼母液為例,對于100t EAF 冶煉過程,目標成分:w Cr =18%19%、w N

8、 i =8%9%、w C =1.5%2.5%,造渣料加入量為噸鋼30kg 石灰和12kg 白云石。經(jīng)計算,噸不銹鋼母液和相應(yīng)爐渣在冶煉過程中所需要的凈能量以及冶煉散失的能量如表1所示。表1中所顯示的能量即為冶煉過程中供能單元所必須提供的凈能量。表1 每噸不銹鋼母液在冶煉過程中的能量需求項目能量需求/k W h備注鋼液357溫度1630 渣20溫度1600 渣面散熱20冶煉時間90m i n 爐體散熱10冶煉時間90m i n合計407從供能單元看,對于吹氧產(chǎn)生化學(xué)能方式,吹氧量過大造成鉻氧化嚴重,吹氧量過小,起不到攪拌熔池的效果。一般電爐冶煉過程吹氧量控制在噸鋼12m 3左右,大約產(chǎn)生約80k

9、 W h 的能量。對于爐壁燒嘴,由于爐料重料比大,燒嘴釋放的能量很難被熔池吸收,對縮短熔池冶煉時間的作用有限,大部分冶煉不銹鋼母液的電爐并沒有配置爐壁燒嘴。對于電弧供能,由于重料使用過多,導(dǎo)致電弧得不到有效的保護,電弧工作時也不能采用強功率供電,以避免爐襯侵蝕過嚴重。 根據(jù)表1的計算結(jié)果,不考慮爐壁燒嘴供能,電弧供能需要提供的凈能量為噸鋼冶煉需求的總能量減去吹氧產(chǎn)生的化學(xué)能,約為327k W h 。實際生產(chǎn)通常存在兩難的問題,如為了降低電耗,則必須低功率供電,這樣通電時間延長,如為了降低供電時間,采用強功率供電,則電耗增大,實際電耗有時達到噸鋼520k W h 以上。由此可看出,為了實現(xiàn)電爐冶

10、煉不銹鋼母液要求的冶煉節(jié)奏快、電耗低、爐襯壽命長的目標,吹氧提供化學(xué)能可改進的空間小,爐壁燒嘴所起到的作用也有限,只有從優(yōu)化電弧供電入手,才能真正實現(xiàn)如上目標,而泡沫渣技術(shù)應(yīng)用可充分利用渣保護電弧,實現(xiàn)提高電弧熱效率、提高供電功率并有效保護爐襯的目標。2 理論研究探討電爐冶煉造泡沫渣有兩個基本條件:一是要求渣的發(fā)泡性能好,二是要求有足夠的發(fā)泡氣源,以下針對不銹鋼冶煉過程就這兩方面逐一展開分析。對于渣的發(fā)泡性能,通常用泡沫化指數(shù)來表示,泡沫化指數(shù)為發(fā)泡高度與氣體表觀常數(shù)之比,研究表明:渣的粘度在一定范圍內(nèi)變大有利于提高單個氣泡的穩(wěn)定性,從而提高泡沫化指數(shù);渣液的表面張力越低,意味著生成氣泡所需要

11、的能量越低,低表面張力提高泡沫指數(shù);渣中適量的微小固體顆粒有利于提高渣粘度,可提高泡沫化指數(shù),然而如果固體顆粒過大或過多,渣變得粘稠類似糨糊狀,則很難形成有效氣泡,用來起泡的氣體將沿渣體中的裂縫離開渣層,起不到發(fā)泡效果1-3。對于不銹鋼電爐冶煉過程渣的發(fā)泡性能研究,通常的觀點認為不銹鋼渣發(fā)泡性能差的原因是其含C r 2O 3含量過高,導(dǎo)致渣粘稠甚至硬化,然而R ichard Ja m es Fruehan 的不銹鋼渣發(fā)泡性能試驗結(jié)果表明,渣中C r 2O 3質(zhì)量分數(shù)低于15%可取得良好的發(fā)泡效果4,如圖1所示。由此可看出,實際生產(chǎn)中不銹鋼渣難以發(fā)泡的原因可能不完全是其Cr 2O 3含量過高,本

12、文作者通過觀測分析大生產(chǎn)中的不銹鋼渣,發(fā)現(xiàn)渣中含有相當量的未熔化的石灰顆粒,這可能是導(dǎo)致渣粘稠甚至硬化的又一重要原因。對于電爐冶煉普碳鋼或低合金鋼過程,由于吹氧產(chǎn)生大量的Fe O 是很好的化渣熔劑即溶解石灰或白云石的溶劑,但對于電爐冶煉不銹鋼過程,吹氧反應(yīng)產(chǎn)生的金屬氧化物主要是C r 2O 3而圖1 試驗室條件下渣的泡沫化指數(shù)與Cr 2O 3質(zhì)量分數(shù)關(guān)系4132010年第5期非Fe O,這就導(dǎo)致了造渣料石灰或白云石加入后,在不額外添加化渣劑氧化鐵或螢石情況下,僅能通過電弧加熱來化渣,這就可能導(dǎo)致石灰或白云石并不能完全熔化而溶解到渣相中,最終導(dǎo)致渣中固體石灰或白云石顆粒過大或過多,加上C r 2

13、O 3含量高的渣本身粘度高,這些因素綜合影響了渣的發(fā)泡性能。解決此問題需添加化渣劑,保證石灰或白云石熔化徹底,快速形成均勻的渣相,在這基礎(chǔ)上進一步研究Cr 2O 3含量、堿度、M g O 含量等因素對渣發(fā)泡性能的影響,最終研究出具有良好發(fā)泡性能的不銹鋼渣。 對于電爐冶煉不銹鋼造泡沫渣過程,除了要求渣具有良好的發(fā)泡性能外,還需要有足夠的發(fā)泡氣源。從電爐冶煉不銹鋼的實際情況看,鋼渣間反應(yīng)、吹氧或噴碳均可產(chǎn)生一定的CO 氣體作為發(fā)泡氣源。鋼渣反應(yīng)產(chǎn)生CO 氣體可穿越渣層,是最理想的發(fā)泡氣源。吹氧生產(chǎn)的C O 氣體集中在吹氧凹坑反應(yīng)區(qū),此區(qū)域渣層很可能被吹開,所以很難起到很好的發(fā)泡效果。噴碳到渣內(nèi)可促

14、進碳在渣內(nèi)與氧化物反應(yīng)產(chǎn)生CO 氣泡,但由于碳!氧反應(yīng)集中在渣層的上方,很難將渣層高度推升,也就很難起到很好的發(fā)泡效果。既然鋼渣間碳!氧反應(yīng)可起到很好的發(fā)泡效果,那么不銹鋼冶煉過程其鋼渣間碳!氧反應(yīng)的能力如何呢,這里以冶煉304不銹鋼為例對相關(guān)熱力學(xué)條件進行計算分析。在冶煉304不銹鋼母液過程中,鋼渣間反應(yīng)可表示為:3C +(Cr 2O 3=2C r+3C O (g (1按亨利定律,以1%為活度標準,考慮到元素之間的相互作用,并認為渣中Cr 2O 3的活度為1,經(jīng)推導(dǎo)可給出了反應(yīng)處于平衡條件下的如下關(guān)系式:-40560T+25.42=0.0714w C r -0.66w C - 0.0356w

15、 N i +2lg w C r -3l g w C +3lg (P co /P 0(2考慮到電爐冶煉過程中,當熔池中金屬固體料未熔化結(jié)束前(即處于金屬料熔化期,不銹鋼母液溫度將受到其液相線溫度的制約6,由于不銹鋼冶煉過程重料較多,可假定此階段不銹鋼母液溫度高于其液相線溫度20 ,母液鉻質(zhì)量分數(shù)18%,鎳質(zhì)量分數(shù)5%,計算得出不銹鋼母液在不同碳含量條件下反應(yīng)(1達平衡時CO 的壓力,如圖2所示。由于爐內(nèi)氣壓接近于1at m (1at m =0.1013M Pa,所以當平衡CO 壓力高于1at m 時,反應(yīng)(1可正向進行,即鋼渣間有碳-氧反應(yīng)產(chǎn)生C O 氣體,高出越多,反應(yīng)的熱力學(xué)條件越好。按公式

16、(2計算的碳質(zhì)量分數(shù)在1.2%4%范圍,鋼渣界面發(fā)生碳-氧反應(yīng),碳質(zhì)量分數(shù)處于2.4%時反應(yīng)最強烈,按文獻5中公式計算的碳質(zhì)量分數(shù)范圍更為廣些,只要大于0.7%,碳質(zhì)量分數(shù)也是處于2.4%時反應(yīng)最強烈。圖2 金屬料處于熔化期鋼渣界面平衡CO 壓力與母液中w C 關(guān)系從熱力學(xué)計算的結(jié)果看,在金屬料熔化期,當碳含量處于一定范圍內(nèi),鋼渣界面間是可以產(chǎn)生CO 氣體來推動渣發(fā)泡的。碳質(zhì)量分數(shù)處于2.4%左右時,鋼渣間C !O 反應(yīng)熱力學(xué)條件最好,產(chǎn)生的CO 氣體流量也最高。熔池中如果金屬料難以熔化,母液溫度有可能高于其液相線溫度更多,鋼渣間C !O 反應(yīng)的熱力學(xué)條件會更好,然而,金屬料難以熔化會影響到整

17、個冶煉周期和電耗,不能以多加難熔化物料來提高鋼渣間C !O 反應(yīng)的速率。當金屬料熔化基本結(jié)束后,冶煉進程進入到純升溫和精煉期,鋼渣間C !O 反應(yīng)會更為激烈。盡管一定碳含量范圍內(nèi),鋼渣間是可以發(fā)生C !O 反應(yīng)產(chǎn)生氣體推動渣發(fā)泡,然而,在不銹鋼母液內(nèi)部,由于受到鋼水靜壓力的影響,很難象普碳鋼或低合金鋼冶煉那樣,在耐材表面由于毛細管效應(yīng)而生成原始的CO 氣泡,由此在不銹鋼母液內(nèi)部很難自生成CO 氣泡來攪拌鋼液,最終導(dǎo)致鋼渣間C !O 反應(yīng)動力學(xué)條件不佳,僅依靠鋼渣反應(yīng)產(chǎn)生的CO 氣體流量不足以形成良好的泡沫渣。通過上述討論得知:在電爐冶煉不銹鋼母液大生產(chǎn)中,需解決快速熔化渣料才能保證渣的發(fā)14世

18、 界 鋼 鐵泡性能。在一定碳含量范圍內(nèi),鋼渣界面反應(yīng)可生成C O 氣泡來推動渣發(fā)泡,但受動力學(xué)條件的制約,很難形成良好的泡沫渣。所以,要采取額外的技術(shù)手段創(chuàng)造更多的氣源,在保證渣有良好發(fā)泡性能的基礎(chǔ)上,造出良好的泡沫渣,相應(yīng)也產(chǎn)生了各種不銹鋼冶煉的泡沫渣技術(shù)。3 相關(guān)技術(shù)研究進展電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)主要包含了噴吹法、直接加入法,其目的是采用額外的技術(shù)手段創(chuàng)造更多的用來推動渣發(fā)泡的氣源并改善渣的發(fā)泡性能。 噴吹法主要是在吹氧的同時噴吹氧化鐵皮、碳粉、硅粉或發(fā)泡劑粉。噴吹氧化鐵皮可起到一定的快速溶解石灰作用,渣中含一定量的氧化鐵可改善渣的流動性以提高其發(fā)泡性能。噴吹碳粉到渣層可促使其與氧化物

19、反應(yīng)以釋放渣發(fā)泡需要的氣體。噴吹硅粉可促進渣中氧化鉻的預(yù)還原,避免渣中C r 2O 3過高而導(dǎo)致渣過黏。瑞典的A vesta Sheffield AB 公司采用噴吹法在試驗過程中取得成功,采用向渣面噴吹氧氣和碳粉的同時,噴吹氧化鐵皮來提高渣中Fe O 含量,通過控制合適渣的成分來造不銹鋼泡沫渣7,冶煉周期縮短了10%16%,成本大大降低。德國一家鋼鐵公司通過向渣面噴吹硝酸鈣(C a(NO 32 4H 2O 和碳粉來制造N 2、C O 和H 2O 氣源,在冶煉13%C r 不銹鋼的過程中造出了良好的泡沫渣8?？紤]到石灰石或白云石可以分解出CO 2,德國漢堡公司通過噴吹白云石造不銹鋼泡沫渣,意大利

20、的I LVA 鋼廠通過噴吹石灰石造不銹鋼泡沫渣,主要利用這些碳酸鹽的分解釋放用于推動渣發(fā)泡的氣體9。噴吹法的缺點是噴吹的物料很難均勻彌散在渣層中,同時生成的CO 氣泡過多集中在渣層的上部,不能整體推動渣發(fā)泡,另外,噴吹的射流有一定的熄泡效應(yīng),不利于泡沫的穩(wěn)定。直接加入法是通過料倉或?qū)Ｓ械募尤朐O(shè)備向冶煉熔池加入發(fā)泡劑或發(fā)泡球。上海大學(xué)采用添加以石灰石、白云石和焦炭為主要原料的發(fā)泡劑,進行了實驗室和生產(chǎn)試驗10-11,試驗研究了不同渣系對渣發(fā)泡性能的影響,在實驗室和生產(chǎn)中造出良好的泡沫渣,然而,石灰石及白云石本身難以溶解,會使得起泡時間推遲,采用直接加入法不如噴吹法有利于發(fā)泡劑快速分解11。最近德

21、國S M S DE MAG 公司與波蘭克拉克科技大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了一種新的造不銹鋼泡沫渣的方法12,通過制作密度介于鋼液和渣之間的發(fā)泡球,發(fā)泡球加入熔池后會停留在鋼渣之間,如圖3所示。發(fā)泡球由鐵粉、Fe O 、C 及石灰石等物質(zhì)構(gòu)成,在熔化過程中可釋放CO 和CO 2氣體作為發(fā)泡氣源,此種方法的發(fā)泡球可下沉到渣底部,則不干擾渣的發(fā)泡性能,同時氣泡可從渣層底部推動渣發(fā)泡,發(fā)泡效果良好。此項技術(shù)在巴西T i m oteo 鋼鐵公司3號電爐冶煉不銹鋼的應(yīng)用過程中,可以將原先的電弧升溫速率67K /m i n 提高到1112K /m in ,在實際應(yīng)用過程中是連續(xù)加入的,需要有額外的加料設(shè)備,這也從某種程

22、度上制約了此項技術(shù)的推廣。圖3 發(fā)泡球在冶煉不銹鋼過程中的工作原理12以上介紹了當前電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)進展,這些技術(shù)或多或少地應(yīng)用于生產(chǎn)中,其中文獻12介紹的技術(shù)制造用于渣發(fā)泡氣源的方法科學(xué),更值得我們關(guān)注。4 技術(shù)前景盡管誕生了各種電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù),但仍未改變它是一個世界性難題的局面,相關(guān)技術(shù)并沒有得到全面的推廣應(yīng)用。主要原因可能有以下幾個方面:(1電爐冶煉不銹鋼母液過程需要造泡沫渣保護電弧的時間并不長,僅為熔化后期和精煉期,時間一般少于30m i n ,這樣造泡沫渣技術(shù)帶來的經(jīng)濟效益不是很明顯;(2相關(guān)技術(shù)操作復(fù)雜且穩(wěn)定性不強,尤其是噴吹法,一旦控制不好,發(fā)泡劑不能噴吹彌

23、散到渣內(nèi),則起不到相應(yīng)的效果;(3需意識到石灰或白云石熔化不徹底(即化渣效果不良是導(dǎo)致渣不能良性發(fā)泡的重要原因。已經(jīng)開始通過加入氧化鐵或氧化鋁來加速渣料石灰或白云石熔化促使其均勻溶解到渣相中,152010年第5期取得了改善渣發(fā)泡性能的作用。對于添加螢石,考慮其對耐材侵蝕嚴重,生產(chǎn)中一般不加螢石,是否有其他更為合適的化渣劑,值得我們進一步探索。在中國,正如前言所述,電爐冶煉不銹鋼母液特別是奧氏體不銹鋼母液過程中重料比越來越高,這就導(dǎo)致電弧在更長的通電時間內(nèi)得不到保護。在這種條件下,泡沫渣技術(shù)有可能在生產(chǎn)中取得可觀的經(jīng)濟效益,解決當前電爐冶煉存在的冶煉周期過長的問題,建議進一步發(fā)展并推廣此方面的技

24、術(shù),以提高我國電爐冶煉不銹鋼母液的水平。5 結(jié)論本文探討了電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù),通過理論分析和相關(guān)技術(shù)介紹,得出如下結(jié)論:(1泡沫渣技術(shù)可以很好地實現(xiàn)電爐冶煉不銹鋼母液過程要求的冶煉節(jié)奏快、電耗低、爐襯壽命長等目標;(2電爐冶煉不銹鋼過程渣發(fā)泡性能差的原因是渣料石灰或白云石熔化速度慢且難熔化徹底形成均勻渣相,導(dǎo)致渣中固體石灰或白云石顆粒過大或過多,加上C r2O3含量高的渣本身粘度高,這些因素最終嚴重影響了渣的發(fā)泡性能;(3在金屬料熔化期,當碳含量處于一定范圍內(nèi),鋼渣界面間是可以產(chǎn)生CO氣體來推動渣發(fā)泡,碳質(zhì)量分數(shù)處于 2.4%左右時,鋼渣間C!O反應(yīng)熱力學(xué)條件最好,然而,鋼渣間C!O

25、反應(yīng)動力學(xué)條件不好,生產(chǎn)的CO氣體流量不足以形成良好的泡沫渣,需要采用額外手段制造發(fā)泡氣源;(4在相關(guān)泡沫渣技術(shù)中,加入密度介于鋼、渣間富含碳粉和氧化物的發(fā)泡球的技術(shù)制造氣源的方法科學(xué),可造出良好的泡沫渣;(5在中國,當前電爐冶煉不銹鋼母液過程重料使用過多,泡沫渣技術(shù)的應(yīng)用有可能在生產(chǎn)中取得可觀的經(jīng)濟效益。參考文獻1 Ito K,Fruehan R J.S lag foa m i ng in el ectri c f u rnacesteel m ak i ngJ.I&SM,1989:55-60.2 Zhang Y,Frueh an R J.E ffect of bubb le siz

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