今年6月属铁，由中國工程院院士李正邦為課題帶頭人的課題組收到了863計劃新材料領域辦公室的課題驗收結論書怯录，他們的課題通過了驗收罚蛾，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任公司共同承擔的“十五”863計劃新材料技術領域高性能材料技術主題“熔融還原冶煉新型高速鋼”課題托茅。
李正邦院士非常重視成果轉化形成新型產業(yè)連武慨。經調研考察，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業(yè)化合同层焚。同時行掰，利用江西豐富的鎢、鉬岸腔、釩礦物資源和豐富的水電資源坪江，與江西新余鋼鐵公司簽訂了成果轉化合同。本月合同已生效脑溢，設計工作正在緊張進行中兴喂。“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”焚志。
熔融還原煉鐵自20世紀50年代問世以來，出現的工藝方法之多令人眼花繚亂畏鼓，但具有經濟價值的極少酱酬。熔融還原的狹義限于“無焦炭煉鐵”壶谒；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))還原成純金屬膳沽、合金或金屬化合物的過程概稱熔融還原汗菜。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)階段的前沿技術挑社。長期以來陨界，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，通稱二步冶煉法痛阻。采用熔融還原冶煉合金鋼具有縮短生產流程菌瘪、提高生產率、改善勞動條件音拢、節(jié)約能耗莱芥、提高資源利用率、改善環(huán)境等技術與經濟上的優(yōu)越性丈蛇。近年各國都致力于開發(fā)此技術娩证。國內外前期工作存在的問題是：直接合金化比不高；由于鉬抬宽、鎢易揮發(fā)隐睹，釩在渣鋼分配系數偏高，合金收得率偏低硝僻；脫磷問題未解決鹿脯；不能使用低品位礦；需要使用鋁及工業(yè)硅做還原劑鸭乱。所以目前停留于研發(fā)階段悍蔫，未能定型轉產。
選擇高速鋼入手
高速鋼含合金元素種類多橱奶，總含量高盯桦，如M2鋼(6W5Mo4Cr2V)含4種合金元素，總合金元素含量超過17%渤刃。對碳化物顆粒度及不均勻度要求嚴格拥峦，紅硬性高，有“工具鋼王”之稱卖子。用鐵合金生產高速工具鋼及模具鋼傳統(tǒng)流程存在如下缺點：冶煉工藝復雜略号，生產率低下，勞動強度大洋闽；能耗高玄柠；合金元素總利用率不高；環(huán)境污染嚴重诫舅。故李院士帶領的課題組選擇高速鋼入手羽利，采用鎢精礦(鎢酸鈣)宫患、鉬精礦(鉬酸鈣)、釩精礦取代鎢鐵这弧、鉬鐵和釩鐵作原料冶煉高速工具鋼娃闲。
踏著前人腳印前進
20世紀在鋼鐵冶金方面最大的成就是：氧氣轉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匾浪，但在成本逛徽、生產率、投資方面競爭不過大高爐(4000—6000M3)蚜烹。早在20世紀40年代穗免，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年代死发，美國络跷、俄羅斯、日本相繼采用鎢精礦和氧化鉬冶煉含鎢谴眶、鉬的鋼俺阻，但用量受限制，由鎢精礦加入鋼中的W在3％左右宰蘸，氧化鉬礦加入鋼中Mo在2%左右督靶。我國自80年代以來進行了一些研究，但單加鎢精礦捂臣，W合金化極限量是 5%铃挠，鎢精礦和氧化鉬礦混合加入，W+Mo合金化極限量為4%堡掏，繼續(xù)增加氧化物礦量应结，冶煉時間增長，電耗劇增泉唁，合金收得率下降鹅龄，得不償失，致使該技術胎死腹中亭畜。
國內T廠冶煉3Cr2W8V扮休，欲8%W全部用白鎢礦合金化，結果冶煉時間增長120min拴鸵，電耗增加296kW·h/t玷坠，W的收得率僅80.3%。
突破前人工作的極限劲藐，必須針對存在的問題八堡，采取相應對策。為此，他們在實驗室和工廠連續(xù)攻關兄渺，終于獲得以下關鍵性的突破：
- 基礎理論上的突破
- 過去論文及專著對反應物和反應產物狀態(tài)不清不同，無法由反應動力學預測趨勢與動力。而他們在理論上闡明了熔融還原具有5種過程：固－固反應专运、氣－固反應、液－固反應屏部、鐵浴還原及液－液反應壮畏。
- 技術上的突破
- 宏觀反應動力學的應用。鉬酸鈣與固體C發(fā)生低溫直接還原藐捉，熔點遠低于鋼液溫度铭歪，在鋼液中鐵能還原它，反應動力學不是限制環(huán)節(jié)氛玛。
白鎢礦熔點高搀薛，鐵浴還原的關鍵是：鐵液中足夠的Si含量，濃度均勻蹂勺，白鎢礦粉粒度愈小愈有利反應稻填。在三相電弧高溫所輻射區(qū)，白鎢礦易熔化還原携帘。
加強攪拌是關鍵恰壁，用SiC作還原劑產生大量的小氣泡，使爐渣和金屬液形成乳化液加速還原反應旨椒。
抑制揮發(fā)晓褪。白鎢礦的熔點是1579℃，純WO3在1250℃時蒸發(fā)現象明顯综慎。氧化鉬597℃開始升華涣仿，697℃劇烈升華。因此為提高鎢鉬收得率示惊，必須解決揮發(fā)問題好港。通過加阻尼劑的方法，可顯著降低氧化鉬的揮發(fā)涝涤。研究小組由此而開發(fā)出抑制氧化鉬揮發(fā)的技術媚狰，可使氧化鉬的揮發(fā)率下降到其總量的0.5%以下。
脫磷問題阔拳。使用含磷高的低品位礦或尾礦尤為突出崭孤。本項目加入Al-Mg合金，形成Mg3P2以脫磷糊肠，并對殘渣吹氧氧化處理辨宠。
渣量控制。冶煉初期只加少量螢石，待白鎢礦與鉬酸鈣中鎢湾蝙、鉬還原后宝猩，殘存氧化鈣形成爐渣，以防止渣量過大惰绘，爐渣順著爐門向外流孙远，造成白鎢礦與氧化鉬的損失；同時加大電耗蟀蛆，加重爐襯侵蝕友熟。
防止大沸騰。在熔化早期白鎢礦粉由于未來的及反應男沛，不少白鎢礦粉上浮進入渣中栓占，使渣呈現泡沫狀，如果冶煉過程中吹氧助熔或用焦碳作還原劑將會產生大量CO滞泣，很容易使渣出現強烈沸騰橡彬，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奋屠，實現低溫快速還原橄霉，在1500℃以下WO3、MoO3大部分已還原荒典。
電化學效應的應用酪劫。在電爐冶煉還原期爐底接陽極，將電極插入渣層中寺董，變電弧過程為電渣過程覆糟，使渣中W6+、Mo6+等離子進入鋼液中遮咖，鋼液中的P5-滩字、S4-、O2-形成陰離子進入渣中御吞。同時借助K麦箍、Na、Ca堿金屬的氟化物及氯化物陶珠，使氧化物礦充分離解挟裂。
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”，對用白鎢礦揍诽、氧化鉬和釩精礦冶煉高速鋼進行熱力學和動力學的計算與分析诀蓉。在熔融還原過程中， CaWO4竖枚、MoO3劝讯、V2O5將被CaC2眠荒、Si－Fe、SiC所還原持乌。反應過程包括：固－固反應薄称、液－固反應、鐵浴反應和液－液反應硫搏。開發(fā)了低溫快速還原丐忠、控制渣量、抑制沸騰等技術涝调。發(fā)現還原WO3的限制性環(huán)節(jié)是WO3在熔渣中的擴散茧纵，采取提高渣流動性，擴大反應界面以加快WO3的還原酣殊，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)化生產高速鋼M2獲得成功隶丁，質量優(yōu)異锡移，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%)漆际，合金收得率提高4～6個百分點淆珊，一次熔融還原較二次傳統(tǒng)冶煉節(jié)電1067KW·H/t，縮短冶煉時間450min/爐奸汇，環(huán)境負荷系數減少63%%施符。每噸M2鋼節(jié)約成本6813.5元。應用這一新技術擂找，1999—2005年重慶特鋼公司等企業(yè)累計生產M2戳吝、M2Al、H21鋼 8981t贯涎。實踐證明熔融還原工藝與傳統(tǒng)工藝比較在技術經濟和環(huán)保方面有顯著優(yōu)越性听哭。達到縮短工藝流程、節(jié)約能源塘雳、降低合金成本的效果陆盘，提高了合金收得率，減輕了冶煉對環(huán)境的污染败明。
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