冶炼合金钢发生重大变革
http://www.51xue.org.cn 2007/5/30 源自:中华职工学习网 【字体：
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一步完成省去炼铁合金工序
06年6月，由中国工程院院士李正邦为课题带头人的课题组，受到了863计划新材料领域办公室的课题验收结论书，他们的课题通过了验收，并获优秀评价等级。该课题为由中国钢铁研究总院和重庆东华特殊钢有限责任公司共同承担的“十五”863计划，新材料技术领域高性能材料技术主题“熔融还原冶炼新型高速钢”课题。
李正邦院士非常重视成果转化形成新型产业连。经调研考察与地处刀具行业集中地区的江苏福达特种钢集团签订产业化合同。同时，利用江西丰富的钨、钼、钒矿物资源和丰富的水电资源，与江西新余钢铁公司签订了成果转化合同。本月合同已生效，设计工作正在紧张进行中。“矿物还原冶炼新型高速钢与模具钢”项目近日被科技部列为“国家科技成果重点推广项目”。
熔融还原炼铁自20世纪50年代问世以来，出现的工艺方法之多令人眼花缭乱，但具有经济价值的极少。熔融还原的狭义限于“无焦炭炼铁”；广义的即在熔态下的矿石或精矿粉被还原剂（固态、液态或气态）还原成纯金属、合金或金属化合物的过程概称熔融还原。国际上均将氧化物矿直接还原冶炼合金钢称为“合金钢熔融还原”。
熔融还原冶炼合金钢，目前是处于研发阶段的前沿技术。长期以来冶炼合金钢的传统流程是：矿山采选—矿热电炉冶炼铁合金—电弧炉冶炼合金钢—炉外精炼—浇铸，通称二步冶炼法。采用熔融还原冶炼合金钢具有缩短生产流程、提高生产率、改善劳动条件、节约能耗、提高资源利用率、改善环境等技术与经济上的优越性。近年各国都致力于开发此技术。国内外前期工作存在的问题是：直接合金化比不高；由于钼、钨易挥发，钒在渣钢分配系数偏高，合金收得率偏低；脱磷问题未解决；不能使用低品位矿；需要使用铝及工业硅做还原剂。所以目前停留于研发阶段，未能定型转产。
选择高速钢入手
高速钢含合金元素种类多，总含量高，如M2钢（6W5Mo4Cr2V）含4种合金元素，总合金元素含量超过17％。对碳化物颗粒度及不均匀度要求严格，红硬性高，有“工具钢王”之称。用铁合金生产高速工具钢及模具钢传统流程存在如下缺点：冶炼工艺复杂，生产率低下，劳动强度大；能耗高；合金元素总利用率不高；环境污染严重。故李院士带领的课题组选择高速钢入手，采用钨精矿（钨酸钙）、钼精矿（钼酸钙）、钒精矿取代钨铁、钼铁和钒铁作原料冶炼高速工具钢。
踏着前人脚印前进
20世纪在钢铁冶金方面最大的成就是：氧气转炉炼钢与近终形连铸连轧。熔融还原无焦炼铁一度引人注目，但在成本、生产率、投资方面竞争不过大高炉（4000—6000M3）。早在20世纪40年代，加拿大开始探索用白钨矿代替钨铁冶炼含钨钢。60年代至90年代，美国、俄罗斯、日本相继采用钨精矿和氧化钼冶炼含钨、钼的钢，但用量受限制，由钨精矿加入钢中的W在3％左右，氧化钼矿加入钢中Mo在2％左右。我国自80年代以来进行了一些研究，但单加钨精矿，W合金化极限量是5％，钨精矿和氧化钼矿混合加入，W+Mo合金化极限量为4％，继续增加氧化物矿量，冶炼时间增长，电耗剧增，合金收得率下降，得不偿失，致使该技术胎死腹中。
国内T厂冶炼3Cr2W8V，欲8％W全部用白钨矿合金化，结果冶炼时间增长120min，电耗增加296kW.h/t,W的收得率仅80.3％。
突破前人工作的极限，必须针对存在的问题，采取相应对策。为此，他们在实验室和工厂连续攻关，终于获得以下关键性的突破：
基础理论上的突破
过去论文及专著对反应物和反应产物状态不清，无法由反应动力学预测趋势与动力。而他们在理论上阐明了熔融还原具有5种过程：固－固反应、气－固反应、液－固反应、铁浴还原及液－液反应。
技术上的突破
宏观反应动力学的应用。钼酸钙与固体C发生低温直接还原，熔点远低于钢液温度，在钢液中铁能还原它，反应动力学不是限制环节。
白钨矿熔点高，铁浴还原的关键是：铁液中足够的Si含量，浓度均匀，白钨矿粉粒度愈小愈有利反应。在三相电弧高温所辐射区，白钨矿易熔化还原。
加强搅拌是关键，用SiC作还原剂产生大量的小气泡，使炉渣和金属液形成乳化液加速还原反应。
抑制挥发。白钨矿的熔点是1579℃，纯WO3在1250℃时蒸发现象明显。氧化钼597℃开始升华，697℃剧烈升华。因此为提高钨钼收得率，必须解决挥发问题。通过加阻尼剂的方法，可显著降低氧化钼的挥发。研究小组由此而开发出抑制氧化钼挥发的技术，可使氧化钼的挥发率下降到其总量的0.5％以下。
脱磷问题。使用含磷高的低品位矿或尾矿尤为突出。本项目加入Al-Mg合金，形成Mg3P2以脱磷，并对残渣吹氧氧化处理。
渣量控制。冶炼初期只加少量萤石，待白钨矿与钼酸钙中钨、钼还原后，残存氧化钙形成炉渣，以防止渣量过大，炉渣顺着炉门向外流，造成白钨矿与氧化钼的损失；同时加大电耗，加重炉衬侵蚀。
防止大沸腾。在熔化早期白钨矿粉由于未来的及反应，不少白钨矿粉上浮进入渣中，使渣呈现泡沫状，如果冶炼过程中吹氧助熔或用焦碳作还原剂将会产生大量CO，很容易使渣出现强烈沸腾，甚至熔渣溅出炉外引发事故。因此尽量避免过快升温及过早吹氧助熔，实现低温快速还原，在1500℃以下WO3、MoO3大部分已还原。
电化学效应的应用。在电炉冶炼还原期炉底接阳极，将电极插入渣层中，变电弧过程为电渣过程，使渣中W6+、Mo6+等离子进入钢液中，钢液中的P5-、S4-、O2-形成阴离子进入渣中。同时借助K、Na、Ca碱金属的氟化物及氯化物，使氧化物矿充分离解。
熔融还原冶炼高速工具钢的硕果
钢铁研究总院自1994年开始研究“熔融还原冶炼高速钢”，对用白钨矿、氧化钼和钒精矿冶炼高速钢进行热力学和动力学的计算与分析。在熔融还原过程中，CaWO4、MoO3、V2O5将被CaC2、Si－Fe、SiC所还原。反应过程包括：固－固反应、液－固反应、铁浴反应和液－液反应。开发了低温快速还原、控制渣量、抑制沸腾等技术。发现还原WO3的限制性环节是WO3在熔渣中的扩散，采取提高渣流动性，扩大反应界面以加快WO3的还原，并使用阻尼剂能有效抑制钼的挥发。在20t的交流电弧炉上用氧化物矿工业化生产高速钢M2获得成功，质量优异，达到世界名牌奥地利百乐公司实物水平。矿物直接合金化量达13％（前人未超过5％），合金收得率提高4—6个百分点，一次熔融还原较二次传统冶炼节电1067KWH/t，缩短冶炼时间450min/炉，环境负荷系数减少63%%。每吨M2钢节约成本6813.5元。应用这一新技术，1999—2005年重庆特钢公司等企业累计生产M2、M2Al、H21钢8981t。实践证明熔融还原工艺与传统工艺比较在技术经济和环保方面有显著优越性。达到缩短工艺流程、节约能源、降低合金成本的效果，提高了合金收得率，减轻了冶炼对环境的污染。
专项备忘熔融还原属于钢铁冶金前沿技术，狭义熔融还原限于“无焦炼铁”，广义的包括用氧化物矿直接还原冶炼合金钢。国家高技术研究发展计划（863计划）———熔融还原冶炼新型高速钢，由钢铁研究总院和重庆特殊钢有限责任公司共同申请并完成。课题自2003年7月至2005年12月，在历时近三年的时间里圆满完成各项任务、考核目标及主要技术与经济指标。2005年12月，课题顺利通过863专家组验收，并被评为优秀。
熔融还原冶炼高速钢课题采用白钨矿(Ca鄄WO4)、钼精矿（CaMoO4）、高钒渣（V2O5），取代钨铁、钼铁、钒铁，在电弧炉内进行熔融还原冶炼高速钢，从根本上克服了传统流程中的矿热电炉冶炼铁合金环节带来的冶炼工艺复杂、能耗高、环境污染重及合金元素利用率低等缺点。
经过三年的理论分析及试验，课题组提出铁浴还原、氧化物抑制挥发、低温快速还原及炉渣碱度动态控制等理论。运用这些理论攻克了国内外用矿物直接冶炼高速钢时存在的诸多难题，如直接合金化量少、合金收得率低、不能使用低品位矿及需用金属铝或工业硅等昂贵还原剂而造成经济效益差等等。
目前，采用此工艺生产高速钢M2中合金元素W、Mo、V全部由白钨矿(CaWO4)、钼酸钙(CaMoO4)及钒精矿(V2O5)熔融还原获得；综合能耗较原工艺降低1067kWh/t；环境负荷系数WG减轻了63%；吨钢节约价值6071元。
根据统计，本课题培养博士研究生3名，获得国家发明专利1项和专有技术3项，发表论文30篇。
06年6月，由中国工程院院士李正邦为课题带头人的课题组，受到了863计划新材料领域办公室的课题验收结论书，他们的课题通过了验收，并获优秀评价等级。该课题为由中国钢铁研究总院和重庆东华特殊钢有限责任公司共同承担的“十五”863计划，新材料技术领域高性能材料技术主题“熔融还原冶炼新型高速钢”课题。
李正邦院士非常重视成果转化形成新型产业连。经调研考察与地处刀具行业集中地区的江苏福达特种钢集团签订产业化合同。同时，利用江西丰富的钨、钼、钒矿物资源和丰富的水电资源，与江西新余钢铁公司签订了成果转化合同。本月合同已生效，设计工作正在紧张进行中。“矿物还原冶炼新型高速钢与模具钢”项目近日被科技部列为“国家科技成果重点推广项目”。
熔融还原炼铁自20世纪50年代问世以来，出现的工艺方法之多令人眼花缭乱，但具有经济价值的极少。熔融还原的狭义限于“无焦炭炼铁”；广义的即在熔态下的矿石或精矿粉被还原剂（固态、液态或气态）还原成纯金属、合金或金属化合物的过程概称熔融还原。国际上均将氧化物矿直接还原冶炼合金钢称为“合金钢熔融还原”。
熔融还原冶炼合金钢，目前是处于研发阶段的前沿技术。长期以来冶炼合金钢的传统流程是：矿山采选—矿热电炉冶炼铁合金—电弧炉冶炼合金钢—炉外精炼—浇铸，通称二步冶炼法。采用熔融还原冶炼合金钢具有缩短生产流程、提高生产率、改善劳动条件、节约能耗、提高资源利用率、改善环境等技术与经济上的优越性。近年各国都致力于开发此技术。国内外前期工作存在的问题是：直接合金化比不高；由于钼、钨易挥发，钒在渣钢分配系数偏高，合金收得率偏低；脱磷问题未解决；不能使用低品位矿；需要使用铝及工业硅做还原剂。所以目前停留于研发阶段，未能定型转产。
选择高速钢入手
高速钢含合金元素种类多，总含量高，如M2钢（6W5Mo4Cr2V）含4种合金元素，总合金元素含量超过17％。对碳化物颗粒度及不均匀度要求严格，红硬性高，有“工具钢王”之称。用铁合金生产高速工具钢及模具钢传统流程存在如下缺点：冶炼工艺复杂，生产率低下，劳动强度大；能耗高；合金元素总利用率不高；环境污染严重。故李院士带领的课题组选择高速钢入手，采用钨精矿（钨酸钙）、钼精矿（钼酸钙）、钒精矿取代钨铁、钼铁和钒铁作原料冶炼高速工具钢。
踏着前人脚印前进
20世纪在钢铁冶金方面最大的成就是：氧气转炉炼钢与近终形连铸连轧。熔融还原无焦炼铁一度引人注目，但在成本、生产率、投资方面竞争不过大高炉（4000—6000M3）。早在20世纪40年代，加拿大开始探索用白钨矿代替钨铁冶炼含钨钢。60年代至90年代，美国、俄罗斯、日本相继采用钨精矿和氧化钼冶炼含钨、钼的钢，但用量受限制，由钨精矿加入钢中的W在3％左右，氧化钼矿加入钢中Mo在2％左右。我国自80年代以来进行了一些研究，但单加钨精矿，W合金化极限量是5％，钨精矿和氧化钼矿混合加入，W+Mo合金化极限量为4％，继续增加氧化物矿量，冶炼时间增长，电耗剧增，合金收得率下降，得不偿失，致使该技术胎死腹中。
国内T厂冶炼3Cr2W8V，欲8％W全部用白钨矿合金化，结果冶炼时间增长120min，电耗增加296kW.h/t,W的收得率仅80.3％。
突破前人工作的极限，必须针对存在的问题，采取相应对策。为此，他们在实验室和工厂连续攻关，终于获得以下关键性的突破：
基础理论上的突破
过去论文及专著对反应物和反应产物状态不清，无法由反应动力学预测趋势与动力。而他们在理论上阐明了熔融还原具有5种过程：固－固反应、气－固反应、液－固反应、铁浴还原及液－液反应。
技术上的突破
宏观反应动力学的应用。钼酸钙与固体C发生低温直接还原，熔点远低于钢液温度，在钢液中铁能还原它，反应动力学不是限制环节。
白钨矿熔点高，铁浴还原的关键是：铁液中足够的Si含量，浓度均匀，白钨矿粉粒度愈小愈有利反应。在三相电弧高温所辐射区，白钨矿易熔化还原。
加强搅拌是关键，用SiC作还原剂产生大量的小气泡，使炉渣和金属液形成乳化液加速还原反应。
抑制挥发。白钨矿的熔点是1579℃，纯WO3在1250℃时蒸发现象明显。氧化钼597℃开始升华，697℃剧烈升华。因此为提高钨钼收得率，必须解决挥发问题。通过加阻尼剂的方法，可显著降低氧化钼的挥发。研究小组由此而开发出抑制氧化钼挥发的技术，可使氧化钼的挥发率下降到其总量的0.5％以下。
脱磷问题。使用含磷高的低品位矿或尾矿尤为突出。本项目加入Al-Mg合金，形成Mg3P2以脱磷，并对残渣吹氧氧化处理。
渣量控制。冶炼初期只加少量萤石，待白钨矿与钼酸钙中钨、钼还原后，残存氧化钙形成炉渣，以防止渣量过大，炉渣顺着炉门向外流，造成白钨矿与氧化钼的损失；同时加大电耗，加重炉衬侵蚀。
防止大沸腾。在熔化早期白钨矿粉由于未来的及反应，不少白钨矿粉上浮进入渣中，使渣呈现泡沫状，如果冶炼过程中吹氧助熔或用焦碳作还原剂将会产生大量CO，很容易使渣出现强烈沸腾，甚至熔渣溅出炉外引发事故。因此尽量避免过快升温及过早吹氧助熔，实现低温快速还原，在1500℃以下WO3、MoO3大部分已还原。
电化学效应的应用。在电炉冶炼还原期炉底接阳极，将电极插入渣层中，变电弧过程为电渣过程，使渣中W6+、Mo6+等离子进入钢液中，钢液中的P5-、S4-、O2-形成阴离子进入渣中。同时借助K、Na、Ca碱金属的氟化物及氯化物，使氧化物矿充分离解。
熔融还原冶炼高速工具钢的硕果
钢铁研究总院自1994年开始研究“熔融还原冶炼高速钢”，对用白钨矿、氧化钼和钒精矿冶炼高速钢进行热力学和动力学的计算与分析。在熔融还原过程中，CaWO4、MoO3、V2O5将被CaC2、Si－Fe、SiC所还原。反应过程包括：固－固反应、液－固反应、铁浴反应和液－液反应。开发了低温快速还原、控制渣量、抑制沸腾等技术。发现还原WO3的限制性环节是WO3在熔渣中的扩散，采取提高渣流动性，扩大反应界面以加快WO3的还原，并使用阻尼剂能有效抑制钼的挥发。在20t的交流电弧炉上用氧化物矿工业化生产高速钢M2获得成功，质量优异，达到世界名牌奥地利百乐公司实物水平。矿物直接合金化量达13％（前人未超过5％），合金收得率提高4—6个百分点，一次熔融还原较二次传统冶炼节电1067KWH/t，缩短冶炼时间450min/炉，环境负荷系数减少63%%。每吨M2钢节约成本6813.5元。应用这一新技术，1999—2005年重庆特钢公司等企业累计生产M2、M2Al、H21钢8981t。实践证明熔融还原工艺与传统工艺比较在技术经济和环保方面有显著优越性。达到缩短工艺流程、节约能源、降低合金成本的效果，提高了合金收得率，减轻了冶炼对环境的污染。
专项备忘熔融还原属于钢铁冶金前沿技术，狭义熔融还原限于“无焦炼铁”，广义的包括用氧化物矿直接还原冶炼合金钢。国家高技术研究发展计划（863计划）———熔融还原冶炼新型高速钢，由钢铁研究总院和重庆特殊钢有限责任公司共同申请并完成。课题自2003年7月至2005年12月，在历时近三年的时间里圆满完成各项任务、考核目标及主要技术与经济指标。2005年12月，课题顺利通过863专家组验收，并被评为优秀。
熔融还原冶炼高速钢课题采用白钨矿(Ca鄄WO4)、钼精矿（CaMoO4）、高钒渣（V2O5），取代钨铁、钼铁、钒铁，在电弧炉内进行熔融还原冶炼高速钢，从根本上克服了传统流程中的矿热电炉冶炼铁合金环节带来的冶炼工艺复杂、能耗高、环境污染重及合金元素利用率低等缺点。
经过三年的理论分析及试验，课题组提出铁浴还原、氧化物抑制挥发、低温快速还原及炉渣碱度动态控制等理论。运用这些理论攻克了国内外用矿物直接冶炼高速钢时存在的诸多难题，如直接合金化量少、合金收得率低、不能使用低品位矿及需用金属铝或工业硅等昂贵还原剂而造成经济效益差等等。
目前，采用此工艺生产高速钢M2中合金元素W、Mo、V全部由白钨矿(CaWO4)、钼酸钙(CaMoO4)及钒精矿(V2O5)熔融还原获得；综合能耗较原工艺降低1067kWh/t；环境负荷系数WG减轻了63%；吨钢节约价值6071元。
根据统计，本课题培养博士研究生3名，获得国家发明专利1项和专有技术3项，发表论文30篇。
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