冶金反應工程學理論在電弧爐冶煉中的應用

冶金反應工程學理論在電弧爐冶煉中的應用

1噴射金礦的概念冶金反應工程是一項新興學科，它對冶金反應過程、系統(tǒng)及其內(nèi)在過程進行了研究和分析。這是研究冶金反應工程的科學。它以實際冶金反應過程為研究對象,研究伴隨各類傳遞過程的冶金化學反應的規(guī)律。它又以解決工程問題為目的,研究實現(xiàn)不同冶金反應的各類冶金反應器的特征,并把二者有機結(jié)合起來形成一門獨特學科體系,即以研究和解析冶金反應器和系統(tǒng)的操作過程為中心的新興工程學科。噴射冶金是70年代發(fā)展起來的一項煉鋼新技術(shù)。其基本特點是利用壓縮氣體,通過噴槍把懸浮在氣體中的粉狀精煉劑,噴射到金屬溶體中去,使粉料與金屬液之間強烈混合攪拌,擴大反應物的接觸面,強化了冶金過程物理化學反應動力學條件,有利于快速脫磷,脫硫、脫氧,有利于反應產(chǎn)物的排除,純潔鋼液。有效地提高鋼質(zhì)量,同時提高合金收得率,降低電耗,節(jié)約能源。把冶金反應工程學理論研究應用到噴射冶金技術(shù)中,使二者有機結(jié)合起來,促進噴射冶金技術(shù)的應用發(fā)展,是迅速改變我國鋼鐵企業(yè)落后面貌,實現(xiàn)從鋼鐵大國轉(zhuǎn)變?yōu)殇撹F強國的切實可行的途徑之一。2噴射金礦技術(shù)電弧爐煉鋼中的冶煉過程,由于受到鋼渣界面積及擴散傳質(zhì)速度的限制,反應速度很慢,從而使電弧爐煉鋼有一個很長的冶煉期。采用噴射冶金技術(shù),把脫氧劑、脫磷劑、脫硫劑等以粉末狀直接噴入鋼液,即解決了擴散傳質(zhì)慢的問題,又由于粉料有很大的比表面積,加速反應,使電弧爐冶煉過程中的兩個限制環(huán)節(jié)都同時得到了解決。這樣就可大大提高冶煉效率,縮短冶煉時間。冶金反應工程學彌散系統(tǒng)理論:2.1青專業(yè)系統(tǒng)—若向金屬液噴入?yún)⑴c化學反應的氣體反應物由于反應氣體在金屬液中高度彌散,提高了反應速度,若噴入不參與化學反應的惰性氣體,則惰性氣體氣泡的存在,可改變某些反應或過程(如擴散)在氣——液相界面上的熱力學平衡條件,促使某些反應如脫氫,脫氧,脫氮等向有利方面進行,起到凈化金屬液作用。2.2當氣體通過固體如爐渣擴散至金屬溶液時由于改變了渣與金屬的接觸方法和增大了渣——金屬接觸界面,有利于提高反應速度和改善最終冶金效果。2.3噴氣吹的過程可提高和穩(wěn)定元素收得率。應用上述理論,采用噴射冶金技術(shù),強化電弧爐煉鋼冶煉過程。在電弧爐冶煉過程中,用氮氣、壓縮空氣、Ar氣作載體,向爐內(nèi)噴吹粉料,由于粉料的比表面積可達500～2000cm2/g,當它直接噴入鋼液后,一方面因粉料與鋼液的接觸界大大增加,加速了冶金反應;另一方面可以避免由爐門加入時因高溫爐氣及爐渣而產(chǎn)生的燒損,提高了合金粉料的收得率。但是由噴粉罐向鋼液噴入的粉料,能否都彌散地進入鋼液,這就和粉料的物理參數(shù)有關。噴粉罐內(nèi)的粉料在靜壓力和松動器產(chǎn)生的局部流態(tài)化的作用下,隨著載流氣體,通過管道噴入溶池,氣體的溫度將從278°K迅速提高到1873°K,因而氣泡體積也將隨之在瞬間膨脹6倍,且隨著氣泡上浮,鋼水靜壓力減小,氣泡將進一步增大。粉料一出噴口,如果不具有足夠的動量,就不能通過氣泡突破鋼液和氣泡之間的界面張力,而沉積在氣泡底部或者吸附在氣泡的表面,隨著氣泡的上升而帶到爐渣,從而影響其冶金效果。另外從噴粉罐流出的氣——粉流希望在輸送管道口至噴口都能穩(wěn)定均勻,而且氣流在管內(nèi)的流動狀態(tài)都屬紊流,當Re>2300時,一般為紊流,紊流在管內(nèi)的速度分布曲線較平直,在管壁無滯留。在噴射冶金中,在噴嘴處形成氣泡,由于氣體流量不同,有3種情況。(1)當氣體流量很小,Re<500時,產(chǎn)生氣泡的大小,取決于浮力和表面張力的平衡。(2)當氣體流量增大500<Re<2100時,氣泡主要在浮力和慣性力的控制下形成。在這種條件下,氣泡經(jīng)隨氣體流量增加而加大。(3)當氣體流量增加至Re>2100時,進入射流區(qū),噴入的氣體很快分裂為許多小氣泡,這時產(chǎn)生的氣泡有下列形狀。a.當氣泡很小,d<0.01cm時,氣泡形狀保持球狀。b.2<Re<400,氣泡直徑增大到0.2cm以前,氣泡形狀保持球狀,但氣泡內(nèi)產(chǎn)生回流,減小了流體對氣泡的曳力。c.Re≈700,氣泡直徑0.2～0.3cm,尾流有渦旋產(chǎn)生,增大流體對氣泡的曳力,氣泡為橢圓形,上浮路徑由直線變?yōu)槁菪隣罨蜾忺c狀。上浮速度與氣泡大小無關。d.Re>5000球冠形氣泡,上浮速度不再受流體物性的影響。在噴槍直徑一定的情況下,氣體流量越大,粒子直徑越大,粒子比重越大,就越容易突破氣液界面而進入到鋼液中去,但粒子直徑不能無限增大,它即受噴槍喉頸的限制,又必須考慮到由于料子直徑增大,需要更大的懸浮速度,使噴射速度及耗氣量受到影響,粉料過細,雖然懸浮良好,但動量不足突破氣泡困難。另外,噴入鋼液的含粉粒的氣泡發(fā)生著兩種不同的過程:a.粉狀能夠突破氣鋼界面進入鋼液反應。b.粉料無突破氣泡的能力,被吸附在氣泡壁上上浮至鋼液表面(或渣中)燒損。對于a過程,則可分為三個階段。(1)粉粒在氣泡中因慣性力而運動至氣液界面。(2)粉粒突破氣液界面進入鋼液。(3)粉粒在鋼液內(nèi)熔化或進行精煉反應。因此,噴吹時要使粉料在鋼液深部進行精煉反應,關鍵在于粉粒必須突破氣泡進入鋼液,而不被氣泡攜帶上浮出熔池。所以,噴粉所用粉料粒度,控制在25～100目范圍,以達最佳冶金效果。3吸收冶金的效果3.1主要工藝價值在熔化期吹氧助熔,由于氧氣與廢鋼中的某些化學元素的氧化反應放出大量的化學熱,加速了爐料氧化,但是,伴隨著大量供氧,鐵的氧化損失增加,Fe+1/2O2→(FeO)+237.8kJ/mol,使電弧爐生產(chǎn)用氧量受到一定限制。而采用富氧噴吹普通焦碳粉,以還原爐渣中氧化鐵,減少富氧引起的鋼鐵料損失,其反應為吸熱反應:(FeO)+C→[Fe]+CO↑-155kJ/mol,而SiC還原反應為放熱反應,3(FeO)+SiC→3[Fe]+(SiO2)+CO↑+140kJ/mol。上海鋼鐵工藝研究所根據(jù)還原FeO反應中,不同摩爾比的化學反應熱,選擇適當?shù)呐浔?在電弧爐熔氧期,采用經(jīng)過氣水分離的普遍壓縮空氣,噴吹碳粉+碳化硅粉混合粉劑,以減少還原吸熱或使之放熱。富氧噴粉在減少鐵損失的同時,碳氧反應生成的CO氣體與噴粉載體一起,使爐渣迅速涌起,實現(xiàn)泡沫渣埋弧加熱,從而極大提高了加熱效率和優(yōu)化電弧爐的熱工特性,明顯改善電弧加熱的傳熱條件。適當提高供氧量,加強鋼液中碳的氧化反應,并在粉劑還原爐渣中FeO的同時,不斷補充FeO的生成量,創(chuàng)造爐渣發(fā)泡的有利條件。采取進料前爐底預加渣料,熔化期大量供氧,在熔池溫度低的有利時機,提前完成脫磷任務。試驗結(jié)果:泡沫渣埋弧升溫速度平均為6.6℃/min,是常規(guī)生產(chǎn)的6倍左右。具有顯著的經(jīng)濟效益。在江西新余鋼鐵廠的生產(chǎn)應用,取得了每噸鋼節(jié)電70kwh,降低電極消耗2.3kg,減少生鐵用量12.5kg,縮短冶煉時間16～22min/爐,提高生產(chǎn)率約5%～6%,提高鋼鐵回收率等效果,由此產(chǎn)生的效益扣除增支費用,綜合降低生產(chǎn)成本25元/t,年產(chǎn)4萬t鋼的鋼廠,每年可獲100萬元的經(jīng)濟效益。唐山鋼鐵公司在2#煉鋼電爐上進行熔化期煤氧噴吹工藝的優(yōu)化工作,把煤氧噴吹與吹氧助熔進行有機的結(jié)合,實現(xiàn)優(yōu)化互補,取得了節(jié)電70～100kWh/t,縮短冶煉時間20～30min/爐的較好效果。3.2噴粉過程對產(chǎn)品的影響噴射冶金效果:(1)降低鋼中的氧和硫脫除金屬中的氧和硫含量是噴射冶金的首要任務,其效果顯著。某鋼廠向鋼包中用鋁脫氧的鋼中噴粉,鋼中含氧的質(zhì)量分數(shù)為90×10-6降到15×10-6,氫含量的質(zhì)量分數(shù)從20×10-6降到2×10-6以下,硫含量從0.015%降到0.002%,如此顯著的效果是其它任何爐外精煉方法所難以取得的。許多試驗表明,經(jīng)噴射冶金處理的鋼中氧含量明顯地低于一般脫氧鋼。(2)降低鋼中夾雜物的數(shù)量和改變夾雜物的性質(zhì)、形狀、大小和分布,提高鋼的質(zhì)量由于噴粉處理能將鋼中氧、硫含量降到很低的水平,因而鋼中夾雜物的數(shù)量隨之相應地大幅度下降。當往含<0.058%的鋼中加鋁時,其脫氧產(chǎn)物為Al2O3。對低碳鋼用Ca-Si脫氧試驗發(fā)現(xiàn)鋼中Al<0.01%時,脫氧產(chǎn)物為SiO2或SiO2·Al2O3,而鋼中Al>0.01%時,脫氧產(chǎn)物為Al2O3?？傊?用鋁脫氧的鎮(zhèn)靜鋼中其脫氧產(chǎn)物主要是Al2O3,呈簇群狀不規(guī)則地分布于鋼中,熱加工時延伸成鏈狀,影響鋼的力學性能。當連鑄時,Al2O3常常集中在連鑄坯表皮下,軋成材后影響制品的表面質(zhì)量。另外,在澆鑄時往往導致水口結(jié)瘤,尤其連鑄鋼更為突出。當采用變質(zhì)處理(噴射Ca—Si粉)生成低熔點的鋁酸鈣時,這類夾雜物有利于凝集長大和上浮,避免了水口堵塞。由于鈣對氧有強烈的親和力,在鋼中噴鈣后它還將取代鋼中的MnS夾雜使之成球狀均勻分布的CaS和CaS—MnS,同時還將還原MnO、FeO、SiO2和Al2O3氧化物夾雜,改善鋼的質(zhì)量。電弧爐生產(chǎn)的鋼中點狀夾雜物以鈣、鎂、鋁三元素為主,從形態(tài)上看,大的點狀夾雜物是MgO尖晶石沉淀相均勻分布在鋁酸鈣的基底上,外圍包著鉻、錳的硫化物。噴粉處理后,點狀夾雜物的數(shù)量顯著減少,一般為0級。由于載流氣體對鋼液的強烈攪拌作用使非金屬夾雜物上浮,為排除夾雜提供了良好的動力學條件。由于大部分點狀夾雜物已上浮除去,從而顯著地提高了鋼的質(zhì)量。下表列舉不同鋼種采用噴鈣處理與否的金相試樣夾雜物檢驗結(jié)果。例1、唐山鋼鐵公司進行了低合金鋼和45Si2Cr爐內(nèi)噴FeO-Si粉強化脫氧試驗,效果顯著。由于冶金反應的限制環(huán)節(jié)是擴散,傳統(tǒng)擴散脫氧工藝要保持很長時間的白渣,才能使鋼中氧充分向渣中擴散而完成脫氧任務,采用氮氣向鋼液深處噴吹脫氧劑Fe-Si粉(Si含量為56%),可使脫氧劑與鋼中[O]直接反應,通過氮氣的攪拌,使脫氧反應界面大大增加,反應的動力學條件得到很大改善,鋼中游離氧急劇下降,脫氧反應在短時間內(nèi)即可達到平衡限度,動力學條件是影響脫硫速度的重要因素,噴粉工藝由于氣體攪拌,使鋼、渣充分接觸,形成了良好的動力學條件,從而使硫在鋼渣間的分配迅速接近平衡,加快了脫硫速度。由于鋼液的充分攪動,使脫氧產(chǎn)物很快上浮,鋼中夾雜物總量略低于原工藝鋼中夾雜總量,另外,噴粉后,鋼中[Si]比較穩(wěn)定,鋼的性能良好,詳情見下表1。例2、舞陽鋼研所在10t電弧爐上進行還原期爐內(nèi)噴吹矽鐵粉試驗。由于還原時間決定于完成還原期幾項任務的時間,在一定程度上又決定于脫氧的時間,因此,在工藝上還原時間拖得長,嚴重影響鋼的質(zhì)量和產(chǎn)量,采用在還原期噴射矽鐵粉,促使了鋼液強行脫氧,壓縮還原時間20～30min。而且在脫氧過程中減少了火焰大,粉狀料燒損偏大的狀況,以及撒加粉狀料數(shù)有所減少。噴粉還原工藝冶煉40爐鋼(冶煉20爐B2-4,20爐20MnSi),化學成分全部合格,成品鋼材檢驗的低倍組織,高倍夾雜物,機械性能全部合格,見表2:由表可看出,采用噴粉工藝所煉鋼種機械性能比白渣法所煉鋼種有所提高,由于噴射冶金能強烈攪拌熔池,使脫氧產(chǎn)物易于浮出,降低了鋼液夾雜物的含量,且能加快合金成分和溫度的均勻,強化了脫氧脫硫過程,使鋼中夾雜物的含量有所下降;脫硫能力有所提高,故噴粉工藝所煉鋼種機械性能比白渣要好。經(jīng)濟效益:縮短了還原時間27min/爐,節(jié)電35.5kWh/t,噸鋼成本下降10.40元,按年產(chǎn)4萬t計算,每年可節(jié)約成本40余萬元。由于縮短了還原時間,使生產(chǎn)效率提高9.5%,每月可多增產(chǎn)365t鋼,全年可增產(chǎn)4384t鋼,所以,噴射矽鐵粉強化還原期的綜合效益是非?？捎^的。噴粉處理降低鋼中的氧、硫含量,減少了鋼中夾雜物的數(shù)量,并改變了夾雜物的性質(zhì)、形狀、大小和分布。從而使鋼的力學性能尤其是塑性和韌性得到明顯地改善,還改善了鋼的各向異性。4鋼包噴粉技術(shù)隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展,需要大量的各種高質(zhì)量鋼材,而噴射冶金技術(shù)就是應用了冶金反應工程學原理,利用運載氣體將粉狀固體冶金精煉料如CaO、CaC2、CaSi等噴入金屬液反應區(qū),借助氣體的強烈攪拌作用和粉狀料與金屬液直接反應而達到的強化冶金過程,可以達到節(jié)約原材料,減少電耗,快速脫磷、脫硫、脫氧,提高合金收得率,控制夾雜物形態(tài)等目的,大大提高了鋼的內(nèi)在質(zhì)量,因而,噴射冶金技術(shù)應用前景是很廣闊的,為世界各國所采用。噴射冶金技術(shù)應用在煉鋼范圍內(nèi)包括轉(zhuǎn)爐,電弧爐爐內(nèi)噴吹,鋼包噴射冶金等。a.轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)噴粉冶煉(1)LD—AC法,氧氣頂吹噴石灰粉吹煉高磷鐵水。(2)Q—BOP法,氧氣底吹噴石灰粉脫磷、脫硫。(3)K—BOP法,(氧氣頂吹+氧氣底吹)噴石灰粉等脫磷、脫硫。b.電弧爐爐內(nèi)噴粉冶煉IRSID法(法國鋼鐵研究院電弧爐爐內(nèi)噴吹法)熔化期噴粉增碳氧化期噴粉脫磷還原期噴粉脫氧、脫硫、增碳、合金化。c.鋼包噴射冶金(1)TN法(德國鋼包噴粉法)。(2)SL法(瑞典鋼包噴粉法)。(3)CLESID—IRSID法(法國鋼鐵研究院與鋼廠共同研制的鋼包噴粉法)。(4)鋼包噴射冶金技術(shù)的開發(fā)和利用。鋼包噴射冶金技術(shù)的主要目的是對鋼水脫氧、脫硫、微合金化,控制非金屬夾雜物形態(tài)和改善鋼水流動性等。它是一種應用范圍廣,適應性較強的新工藝技術(shù),是作為提高鋼質(zhì)量行之有效的一個重要手段。鈣對氧和硫的親和力極大,是凈化鋼液脫氧,脫硫的理想元素。但是多年來一直沒有找到一種不接觸渣層,而把鈣直接送入鋼液內(nèi)部的加鈣方法。鋼包噴粉技術(shù)的開發(fā)成功地解決了這一問題。脫除鋼中的[S]和[O]是鋼包噴粉處理工藝的首要任務,對于用Al脫氧的鋼進行噴吹CaSi粉脫硫的冶金效果最佳。脫硫粉劑CaSi懸浮在運載氣體中經(jīng)噴槍噴射到鋼液深處,造成粉劑與鋼液直接進行反應的條件,增大反應界面,同時由于載氣(氬氣)的攪拌作用,改善了動力學反應條件,強化了反應過程。噴入鋼液中的CaSi粉分解為鈣氣和[Si]CaSi→Ca(gas)+[Si]所產(chǎn)生的鈣氣泡在上升過程中與鋼液中的[S]和[O]反應。Ca(gas)+[O]→CaOCa(gas)+[S]=CaSG1870=-65.870卡/克分子鈣首先與鋼中的[O]反應生成CaO,CaO又與其它產(chǎn)物Al2O3、SiO2等作用生成鈣鋁酸鹽,其次鈣也與硫反應生成CaS、CaO、Al2O3、SiO2和CaS共存并相互吸附長大,上浮排除,冶煉過程中硫的變化情況見圖1。脫氧,噴粉工藝與正常工藝鋼中Σ[O]全與時間的關系見圖2。從圖2可看出:a.爐中原擴散脫氧工藝Σ[O]全下降緩慢,但鋼包噴吹CaSi粉工藝吹粉后3～5min便可降到較低水平。b.鋼中Σ[O]全比正常工藝下降的快,說明脫氧產(chǎn)物容易生成并能較快上浮。CaSi粉脫氧,能生成CaO-Al2O3系夾雜物,在煉鋼溫度下為液態(tài),易于聚合上浮。鋼包噴粉的冶金效果脫硫:可將鋼中硫含量脫到0.005%,最低可達到0.001%。脫氧:可將鋼中總氧量脫到20×10-6左右。夾雜物控制:噴后鋼中夾雜物總量可以減少40%～70%,并能使鋼中夾雜物變性,例如:MnS→CaS或(CaMn)S,AL2O3→mCaO.nAL2O3或CaO·AL2O3·SiO2,夾雜物的形狀由條狀,鏈狀變成球狀或近似球狀,顆粒細化,并且呈彌散分布?？梢愿纳其撘旱臐沧⑿阅堋Ｓ捎趪娾}處理后,鋼中的AL2O3發(fā)生了變化,使?jié)沧⑦^程中的水口結(jié)瘤現(xiàn)象基本消除。同時提高了鋼液的流動性,鋼液的澆注溫度一般可比未噴粉鋼低10～20℃?？梢愿纳其撳V,鋼坯的表面質(zhì)量,提高合金收得率。經(jīng)過鋼包噴粉處理后,鋼材的機械性能尤其是橫向和厚度方向的韌、塑性能大幅度提高,減少了鋼材的各向異性,并消除了厚板鋼材的分層裂紋。改善了鋼材的切削性能。這是因為通過噴鈣處理后,鋼中夾雜物已發(fā)生變性,并且在切削過程中使刀具表面形成鈣長石(CaO·Al2O3·SiO2)保護層的緣故。鋼包噴粉應用實例:(1)CCr15鋼的應用消除了CCr15鋼的點狀夾雜。齊齊哈爾鋼廠原來生產(chǎn)的GCr15鋼,點狀夾雜嚴重,其出現(xiàn)率達到40%左右。經(jīng)過噴粉處理后,檢驗了20多爐鋼,均無點狀夾雜,鋼中氧化物夾雜評級在0.5級以下。(2)16MnR鋼的應用作壓力容器用的16MnR中厚板,長期以來存在沖擊韌性余量不足的問題,特別是12～14mm中板的常溫沖擊韌性和16～20mm的低溫(-40℃)沖擊韌性較低,必須采用正火手段才能保證低溫V型沖擊功。但生產(chǎn)廠正火處理能力嚴重不足,無法滿足用戶的需要。采用噴粉技術(shù)后,由于凈化了鋼液,使塑性夾雜消失,夾雜形態(tài)發(fā)生了變化,電介夾雜總量平均降低了46%,提高了16MnR鋼的綜合性能,12mm鋼板經(jīng)控軋和控冷處理后,-40℃的ak值大幅度的