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一步完成省去煉鐵合金工序
06年6月，由中國工程院院士李正邦為課題帶頭人的課題組，受到了863計劃新材料領(lǐng)域辦公室的課題驗收結(jié)論書，他們的課題通過了驗收，并獲優(yōu)秀評價等級。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)的江蘇福達特種鋼集團簽訂產(chǎn)業(yè)化合同。同時，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)計工作正在緊張進行中。“礦物還原冶煉新型高速鋼與模具鋼”項目近日被科技部列為“國家科技成果重點推廣項目”。
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)濟價值的極少。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：冶煉工藝復(fù)雜，生產(chǎn)率低下，勞動強度大；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
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，必須針對存在的問題，采取相應(yīng)對策。為此，他們在實驗室和工廠連續(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
過去論文及專著對反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物狀態(tài)不清，無法由反應(yīng)動力學(xué)預(yù)測趨勢與動力。而他們在理論上闡明了熔融還原具有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，熔點遠低于鋼液溫度，在鋼液中鐵能還原它，反應(yīng)動力學(xué)不是限制環(huán)節(jié)。
白鎢礦熔點高，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)。白鎢礦的熔點是1579℃，純WO3在1250℃時蒸發(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。本項目加入Al-Mg合金，形成Mg3P2以脫磷，并對殘渣吹氧氧化處理。
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產(chǎn)生大量CO，很容易使渣出現(xiàn)強烈沸騰，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+等離子進入鋼液中，鋼液中的P5-、S4-、O2-形成陰離子進入渣中。同時借助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”，對用白鎢礦、氧化鉬和釩精礦冶煉高速鋼進行熱力學(xué)和動力學(xué)的計算與分析。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在熔渣中的擴散，采取提高渣流動性，擴大反應(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，達到世界名牌奧地利百樂公司實物水平。礦物直接合金化量達13％（前人未超過5％），合金收得率提高4—6個百分點，一次熔融還原較二次傳統(tǒng)冶煉節(jié)電1067KWH/t，縮短冶煉時間450min/爐，環(huán)境負荷系數(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)累計生產(chǎn)M2、M2Al、H21鋼8981t。實踐證明熔融還原工藝與傳統(tǒng)工藝比較在技術(shù)經(jīng)濟和環(huán)保方面有顯著優(yōu)越性。達到縮短工藝流程、節(jié)約能源、降低合金成本的效果，提高了合金收得率，減輕了冶煉對環(huán)境的污染。
專項備忘熔融還原屬于鋼鐵冶金前沿技術(shù)，狹義熔融還原限于“無焦煉鐵”，廣義的包括用氧化物礦直接還原冶煉合金鋼。國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）———熔融還原冶煉新型高速鋼，由鋼鐵研究總院和重慶特殊鋼有限責(zé)任公司共同申請并完成。課題自2003年7月至2005年12月，在歷時近三年的時間里圓滿完成各項任務(wù)、考核目標(biāo)及主要技術(shù)與經(jīng)濟指標(biāo)。2005年12月，課題順利通過863專家組驗收，并被評為優(yōu)秀。
熔融還原冶煉高速鋼課題采用白鎢礦(Ca鄄WO4)、鉬精礦（CaMoO4）、高釩渣（V2O5），取代鎢鐵、鉬鐵、釩鐵，在電弧爐內(nèi)進行熔融還原冶煉高速鋼，從根本上克服了傳統(tǒng)流程中的礦熱電爐冶煉鐵合金環(huán)節(jié)帶來的冶煉工藝復(fù)雜、能耗高、環(huán)境污染重及合金元素利用率低等缺點。
經(jīng)過三年的理論分析及試驗，課題組提出鐵浴還原、氧化物抑制揮發(fā)、低溫快速還原及爐渣堿度動態(tài)控制等理論。運用這些理論攻克了國內(nèi)外用礦物直接冶煉高速鋼時存在的諸多難題，如直接合金化量少、合金收得率低、不能使用低品位礦及需用金屬鋁或工業(yè)硅等昂貴還原劑而造成經(jīng)濟效益差等等。
目前，采用此工藝生產(chǎn)高速鋼M2中合金元素W、Mo、V全部由白鎢礦(CaWO4)、鉬酸鈣(CaMoO4)及釩精礦(V2O5)熔融還原獲得；綜合能耗較原工藝降低1067kWh/t；環(huán)境負荷系數(shù)WG減輕了63%；噸鋼節(jié)約價值6071元。
根據(jù)統(tǒng)計，本課題培養(yǎng)博士研究生3名，獲得國家發(fā)明專利1項和專有技術(shù)3項，發(fā)表論文30篇。 |
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