电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术探讨

1、世 界 钢 铁2010年第5期电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术探讨徐迎铁,陈兆平,刘 涛(宝山钢铁股份有限公司,上海201900摘要:分析了电炉冶炼不锈钢母液过程中能量输入的基本特性,指出电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术可很好地解决冶炼过程中存在的电耗高、冶炼周期长、耐材消耗大等一系列问题。理论分析了技术难点以及技术开发的可行性。技术关键是要解决渣的发泡性和制造发泡气源,由此概述了当前电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术研究的最新进展,最后讨论了该技术在中国的应用前景。关键词:不锈钢;电炉;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 前言传统意义上电炉冶炼不锈钢包括了在电炉冶炼过程的脱碳、合金化、脱硫等操作,电炉冶炼的熔化期、氧化期和还原期分界清楚。随着不锈钢连铸技术的发展,对电炉冶炼节奏要求越来越高,电炉冶炼不锈钢过程逐步演变成仅冶炼不锈钢母液,不再对脱碳、脱硫有严格要求,对应的任务由后工序AOD、VOD或LF精炼

6、炉完成,电炉冶炼不锈钢母液粗略可分为熔化期和精炼期。在母液合金成分基本合格基础上,核心要求是冶炼节奏快、电耗低、炉衬寿命长。在原料方面,冶炼过程大量使用了大块不锈钢返回料及铬铁,导致重料比相对普碳钢冶炼过程偏高,同时镍价的上涨导致在我国低镍生铁(含镍小于10%被广泛使用,低镍生铁通常是铸锭状或普通生铁块状,它的使用进一步增大了电炉原料的重料比,重料比过高不同程度上导致原料熔化困难,冶炼时间变长、电耗增大。电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术的应用可很好地解决上述问题,满足当前电炉冶炼不锈钢母液过程的核心要求,即冶炼节奏快、电耗低、炉衬寿命长。本文将从电炉冶炼能量输入特性入手,从理论上分析电炉冶炼不锈钢造

7、泡沫渣技术原理,并概述相关的研究进展,最后探讨此技术在中国的应用前景。1 电炉冶炼不锈钢过程中能量输入特性由前面的介绍可知,电炉冶炼不锈钢母液的中心任务是保证重料比高的金属原料快速熔化并升温到合格的温度,从生产实践看,即提供金属原12世 界 钢 铁料和相应渣料熔化升温所需的能量和加速尺寸大的重料的熔化。生产中一般由电弧供电和吹氧来共同完成。吹氧的目的不完全是脱碳,更重要的作用是通过产生CO 气泡来搅拌熔池。部分电弧炉安装有炉壁烧嘴可提供更多的化学能来加快物料熔化,如果兑加铁水,则可提供物理热。以冶炼304不锈钢母液为例,对于100t EAF 冶炼过程,目标成分:w Cr =18%19%、w N

8、 i =8%9%、w C =1.5%2.5%,造渣料加入量为吨钢30kg 石灰和12kg 白云石。经计算,吨不锈钢母液和相应炉渣在冶炼过程中所需要的净能量以及冶炼散失的能量如表1所示。表1中所显示的能量即为冶炼过程中供能单元所必须提供的净能量。表1 每吨不锈钢母液在冶炼过程中的能量需求项目能量需求/k W h备注钢液357温度1630 渣20温度1600 渣面散热20冶炼时间90m i n 炉体散热10冶炼时间90m i n合计407从供能单元看,对于吹氧产生化学能方式,吹氧量过大造成铬氧化严重,吹氧量过小,起不到搅拌熔池的效果。一般电炉冶炼过程吹氧量控制在吨钢12m 3左右,大约产生约80k

9、 W h 的能量。对于炉壁烧嘴,由于炉料重料比大,烧嘴释放的能量很难被熔池吸收,对缩短熔池冶炼时间的作用有限,大部分冶炼不锈钢母液的电炉并没有配置炉壁烧嘴。对于电弧供能,由于重料使用过多,导致电弧得不到有效的保护,电弧工作时也不能采用强功率供电,以避免炉衬侵蚀过严重。 根据表1的计算结果,不考虑炉壁烧嘴供能,电弧供能需要提供的净能量为吨钢冶炼需求的总能量减去吹氧产生的化学能,约为327k W h 。实际生产通常存在两难的问题,如为了降低电耗,则必须低功率供电,这样通电时间延长,如为了降低供电时间,采用强功率供电,则电耗增大,实际电耗有时达到吨钢520k W h 以上。由此可看出,为了实现电炉冶

10、炼不锈钢母液要求的冶炼节奏快、电耗低、炉衬寿命长的目标,吹氧提供化学能可改进的空间小,炉壁烧嘴所起到的作用也有限,只有从优化电弧供电入手,才能真正实现如上目标,而泡沫渣技术应用可充分利用渣保护电弧,实现提高电弧热效率、提高供电功率并有效保护炉衬的目标。2 理论研究探讨电炉冶炼造泡沫渣有两个基本条件:一是要求渣的发泡性能好,二是要求有足够的发泡气源,以下针对不锈钢冶炼过程就这两方面逐一展开分析。对于渣的发泡性能,通常用泡沫化指数来表示,泡沫化指数为发泡高度与气体表观常数之比,研究表明:渣的粘度在一定范围内变大有利于提高单个气泡的稳定性,从而提高泡沫化指数;渣液的表面张力越低,意味着生成气泡所需要

11、的能量越低,低表面张力提高泡沫指数;渣中适量的微小固体颗粒有利于提高渣粘度,可提高泡沫化指数,然而如果固体颗粒过大或过多,渣变得粘稠类似糨糊状,则很难形成有效气泡,用来起泡的气体将沿渣体中的裂缝离开渣层,起不到发泡效果1-3。对于不锈钢电炉冶炼过程渣的发泡性能研究,通常的观点认为不锈钢渣发泡性能差的原因是其含C r 2O 3含量过高,导致渣粘稠甚至硬化,然而R ichard Ja m es Fruehan 的不锈钢渣发泡性能试验结果表明,渣中C r 2O 3质量分数低于15%可取得良好的发泡效果4,如图1所示。由此可看出,实际生产中不锈钢渣难以发泡的原因可能不完全是其Cr 2O 3含量过高,本

12、文作者通过观测分析大生产中的不锈钢渣,发现渣中含有相当量的未熔化的石灰颗粒,这可能是导致渣粘稠甚至硬化的又一重要原因。对于电炉冶炼普碳钢或低合金钢过程,由于吹氧产生大量的Fe O 是很好的化渣熔剂即溶解石灰或白云石的溶剂,但对于电炉冶炼不锈钢过程,吹氧反应产生的金属氧化物主要是C r 2O 3而图1 试验室条件下渣的泡沫化指数与Cr 2O 3质量分数关系4132010年第5期非Fe O,这就导致了造渣料石灰或白云石加入后,在不额外添加化渣剂氧化铁或萤石情况下,仅能通过电弧加热来化渣,这就可能导致石灰或白云石并不能完全熔化而溶解到渣相中,最终导致渣中固体石灰或白云石颗粒过大或过多,加上C r 2

13、O 3含量高的渣本身粘度高,这些因素综合影响了渣的发泡性能。解决此问题需添加化渣剂,保证石灰或白云石熔化彻底,快速形成均匀的渣相,在这基础上进一步研究Cr 2O 3含量、碱度、M g O 含量等因素对渣发泡性能的影响,最终研究出具有良好发泡性能的不锈钢渣。 对于电炉冶炼不锈钢造泡沫渣过程,除了要求渣具有良好的发泡性能外,还需要有足够的发泡气源。从电炉冶炼不锈钢的实际情况看,钢渣间反应、吹氧或喷碳均可产生一定的CO 气体作为发泡气源。钢渣反应产生CO 气体可穿越渣层,是最理想的发泡气源。吹氧生产的C O 气体集中在吹氧凹坑反应区,此区域渣层很可能被吹开,所以很难起到很好的发泡效果。喷碳到渣内可促

14、进碳在渣内与氧化物反应产生CO 气泡,但由于碳!氧反应集中在渣层的上方,很难将渣层高度推升,也就很难起到很好的发泡效果。既然钢渣间碳!氧反应可起到很好的发泡效果,那么不锈钢冶炼过程其钢渣间碳!氧反应的能力如何呢,这里以冶炼304不锈钢为例对相关热力学条件进行计算分析。在冶炼304不锈钢母液过程中,钢渣间反应可表示为:3C +(Cr 2O 3=2C r+3C O (g (1按亨利定律,以1%为活度标准,考虑到元素之间的相互作用,并认为渣中Cr 2O 3的活度为1,经推导可给出了反应处于平衡条件下的如下关系式:-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考虑到电炉冶炼过程中,当熔池中金属固体料未熔化结束前(即处于金属料熔化期,不锈钢母液温度将受到其液相线温度的制约6,由于不锈钢冶炼过程重料较多,可假定此阶段不锈钢母液温度高于其液相线温度20 ,母液铬质量分数18%,镍质量分数5%,计算得出不锈钢母液在不同碳含量条件下反应(1达平衡时CO 的压力,如图2所示。由于炉内气压接近于1at m (1at m =0.1013M Pa,所以当平衡CO 压力高于1at m 时,反应(1可正向进行,即钢渣间有碳-氧反应产生C O 气体,高出越多,反应的热力学条件越好。按公式

16、(2计算的碳质量分数在1.2%4%范围,钢渣界面发生碳-氧反应,碳质量分数处于2.4%时反应最强烈,按文献5中公式计算的碳质量分数范围更为广些,只要大于0.7%,碳质量分数也是处于2.4%时反应最强烈。图2 金属料处于熔化期钢渣界面平衡CO 压力与母液中w C 关系从热力学计算的结果看,在金属料熔化期,当碳含量处于一定范围内,钢渣界面间是可以产生CO 气体来推动渣发泡的。碳质量分数处于2.4%左右时,钢渣间C !O 反应热力学条件最好,产生的CO 气体流量也最高。熔池中如果金属料难以熔化,母液温度有可能高于其液相线温度更多,钢渣间C !O 反应的热力学条件会更好,然而,金属料难以熔化会影响到整

17、个冶炼周期和电耗,不能以多加难熔化物料来提高钢渣间C !O 反应的速率。当金属料熔化基本结束后,冶炼进程进入到纯升温和精炼期,钢渣间C !O 反应会更为激烈。尽管一定碳含量范围内,钢渣间是可以发生C !O 反应产生气体推动渣发泡,然而,在不锈钢母液内部,由于受到钢水静压力的影响,很难象普碳钢或低合金钢冶炼那样,在耐材表面由于毛细管效应而生成原始的CO 气泡,由此在不锈钢母液内部很难自生成CO 气泡来搅拌钢液,最终导致钢渣间C !O 反应动力学条件不佳,仅依靠钢渣反应产生的CO 气体流量不足以形成良好的泡沫渣。通过上述讨论得知:在电炉冶炼不锈钢母液大生产中,需解决快速熔化渣料才能保证渣的发14世

18、 界 钢 铁泡性能。在一定碳含量范围内,钢渣界面反应可生成C O 气泡来推动渣发泡,但受动力学条件的制约,很难形成良好的泡沫渣。所以,要采取额外的技术手段创造更多的气源,在保证渣有良好发泡性能的基础上,造出良好的泡沫渣,相应也产生了各种不锈钢冶炼的泡沫渣技术。3 相关技术研究进展电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术主要包含了喷吹法、直接加入法,其目的是采用额外的技术手段创造更多的用来推动渣发泡的气源并改善渣的发泡性能。 喷吹法主要是在吹氧的同时喷吹氧化铁皮、碳粉、硅粉或发泡剂粉。喷吹氧化铁皮可起到一定的快速溶解石灰作用,渣中含一定量的氧化铁可改善渣的流动性以提高其发泡性能。喷吹碳粉到渣层可促使其与氧化物

19、反应以释放渣发泡需要的气体。喷吹硅粉可促进渣中氧化铬的预还原,避免渣中C r 2O 3过高而导致渣过黏。瑞典的A vesta Sheffield AB 公司采用喷吹法在试验过程中取得成功,采用向渣面喷吹氧气和碳粉的同时,喷吹氧化铁皮来提高渣中Fe O 含量,通过控制合适渣的成分来造不锈钢泡沫渣7,冶炼周期缩短了10%16%,成本大大降低。德国一家钢铁公司通过向渣面喷吹硝酸钙(C a(NO 32 4H 2O 和碳粉来制造N 2、C O 和H 2O 气源,在冶炼13%C r 不锈钢的过程中造出了良好的泡沫渣8。考虑到石灰石或白云石可以分解出CO 2,德国汉堡公司通过喷吹白云石造不锈钢泡沫渣,意大利

20、的I LVA 钢厂通过喷吹石灰石造不锈钢泡沫渣,主要利用这些碳酸盐的分解释放用于推动渣发泡的气体9。喷吹法的缺点是喷吹的物料很难均匀弥散在渣层中,同时生成的CO 气泡过多集中在渣层的上部,不能整体推动渣发泡,另外,喷吹的射流有一定的熄泡效应,不利于泡沫的稳定。直接加入法是通过料仓或专有的加入设备向冶炼熔池加入发泡剂或发泡球。上海大学采用添加以石灰石、白云石和焦炭为主要原料的发泡剂,进行了实验室和生产试验10-11,试验研究了不同渣系对渣发泡性能的影响,在实验室和生产中造出良好的泡沫渣,然而,石灰石及白云石本身难以溶解,会使得起泡时间推迟,采用直接加入法不如喷吹法有利于发泡剂快速分解11。最近德

21、国S M S DE MAG 公司与波兰克拉克科技大学联合开发了一种新的造不锈钢泡沫渣的方法12,通过制作密度介于钢液和渣之间的发泡球,发泡球加入熔池后会停留在钢渣之间,如图3所示。发泡球由铁粉、Fe O 、C 及石灰石等物质构成,在熔化过程中可释放CO 和CO 2气体作为发泡气源,此种方法的发泡球可下沉到渣底部,则不干扰渣的发泡性能,同时气泡可从渣层底部推动渣发泡,发泡效果良好。此项技术在巴西T i m oteo 钢铁公司3号电炉冶炼不锈钢的应用过程中,可以将原先的电弧升温速率67K /m i n 提高到1112K /m in ,在实际应用过程中是连续加入的,需要有额外的加料设备,这也从某种程

22、度上制约了此项技术的推广。图3 发泡球在冶炼不锈钢过程中的工作原理12以上介绍了当前电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术进展,这些技术或多或少地应用于生产中,其中文献12介绍的技术制造用于渣发泡气源的方法科学,更值得我们关注。4 技术前景尽管诞生了各种电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术,但仍未改变它是一个世界性难题的局面,相关技术并没有得到全面的推广应用。主要原因可能有以下几个方面:(1电炉冶炼不锈钢母液过程需要造泡沫渣保护电弧的时间并不长,仅为熔化后期和精炼期,时间一般少于30m i n ,这样造泡沫渣技术带来的经济效益不是很明显;(2相关技术操作复杂且稳定性不强,尤其是喷吹法,一旦控制不好,发泡剂不能喷吹弥

23、散到渣内,则起不到相应的效果;(3需意识到石灰或白云石熔化不彻底(即化渣效果不良是导致渣不能良性发泡的重要原因。已经开始通过加入氧化铁或氧化铝来加速渣料石灰或白云石熔化促使其均匀溶解到渣相中,152010年第5期取得了改善渣发泡性能的作用。对于添加萤石,考虑其对耐材侵蚀严重,生产中一般不加萤石,是否有其他更为合适的化渣剂,值得我们进一步探索。在中国,正如前言所述,电炉冶炼不锈钢母液特别是奥氏体不锈钢母液过程中重料比越来越高,这就导致电弧在更长的通电时间内得不到保护。在这种条件下,泡沫渣技术有可能在生产中取得可观的经济效益,解决当前电炉冶炼存在的冶炼周期过长的问题,建议进一步发展并推广此方面的技

24、术,以提高我国电炉冶炼不锈钢母液的水平。5 结论本文探讨了电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术,通过理论分析和相关技术介绍,得出如下结论:(1泡沫渣技术可以很好地实现电炉冶炼不锈钢母液过程要求的冶炼节奏快、电耗低、炉衬寿命长等目标;(2电炉冶炼不锈钢过程渣发泡性能差的原因是渣料石灰或白云石熔化速度慢且难熔化彻底形成均匀渣相,导致渣中固体石灰或白云石颗粒过大或过多,加上C r2O3含量高的渣本身粘度高,这些因素最终严重影响了渣的发泡性能;(3在金属料熔化期,当碳含量处于一定范围内,钢渣界面间是可以产生CO气体来推动渣发泡,碳质量分数处于 2.4%左右时,钢渣间C!O反应热力学条件最好,然而,钢渣间C!O

25、反应动力学条件不好,生产的CO气体流量不足以形成良好的泡沫渣,需要采用额外手段制造发泡气源;(4在相关泡沫渣技术中,加入密度介于钢、渣间富含碳粉和氧化物的发泡球的技术制造气源的方法科学,可造出良好的泡沫渣;(5在中国,当前电炉冶炼不锈钢母液过程重料使用过多,泡沫渣技术的应用有可能在生产中取得可观的经济效益。参考文献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

26、e and che m i calreacti on s on slag f oa m ingJ.M etall urgi cal and M aterial sT ransacti on s B,1995,26B:803-812.3 Zhang Y,F ruehan R J.E ffect of car b onaceou s parti cles on sl agf oa m i ngJ.M et allurgical and M at eri als T ran s acti on s B,1995,26B:813-819.4 Kerr J J,Fruehan R J.Foa mabilit y of stai n l ess steel mak i ngs l ags in an EAFJ.Iron and S teel m aker,2002,29(4:45-52.5 武拥军,姜周华,梁连科,等.