电弧炉氧化法炼钢曾长期被公认为是保证钢质量的必不可少的手段。所以尽管还原期拉长了冶炼时间.增加电耗.降低炉寿但仍被禁锢在不能超越的理念上。
电弧炉单渣法炼钢前沿研究应包括的主要内容:用沉淀脱氧法为主的复合脱氧取代传统还原期进行的扩散脱氧法;用固体碳料增碳代替生铁增碳;用石灰石代替石灰脱硫;在予脱氧后合金化处理;用以稀土元素为主组成分级复合变质;用复合脱氧剂终脱氧;全程大功率、大电流;以矿石+吹氧组成分级复合脱碳;施行不换渣.少流渣或不流渣操作。其综合冶炼质量指标可达到或超过用传统三期熔炼法生产的钢的品质。单渣法炼钢的吨钢水电耗能稳定地达到400kw.h / t~550kw. h / t的同类电弧炉电耗的国际先进水平。
单渣法炼钢工艺
单渣法炼钢依工艺流程分为三个阶段:
1 装料阶段
用石灰石+矿石+炭粉做垫料.其上按常规布金属炉料。
石灰石用作垫底熔剂.通过高温分解出来的CaO较纯净.比表面积大.气孔率高.活性好使其在低温下就具有一定的液相间和固相界面间的脱硫、脱磷反应能力;随着温度的升高CaCO3→CaO+CO2反应的加剧.熔池产生了强烈沸腾(其运动均为自下而上).从而改善了早期精炼反应的动力学条件.明显加快了其反应速度。垫料中加入一定量的炭粉之类的固体燃料不仅是为充分利用化学能降电耗的工艺创造条件而且含有碳粒的渣相能在高温吹氧时保持渣的弱氧化性。这种复合造渣垫料在熔化期(主要在初、中期)将产生的化学反应还有:
2[ P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO. P2O5)+5( Fe)
[C]+(FeO)=CO↑+[Fe]
C(固)+(FeO)=CO↑+[ Fe]
[ FeS]+(CaO)=(CaS)+[FeO]
[FeS]→(FeS)
(FeS)+(CaO)=(CaS)+(FeO)
这些都清楚地说明了垫料组合设计的合理性。
2 熔化阶段
从熔炼开始前取样分析止为熔化阶段.全程大功率、大电流操作。当炉料熔渣60~80%时.补加石灰石(不吹氧操作应补加矿石).通电吹氧助熔.为了有效利用氧气.宜吹高温区.结合吹氧的同时.要不断地用耙子把低温处的料推向高温区.氧压以4MPa~8MPa为宜.熔渣后调整氧压开始吹氧脱碳;适时掌握脱碳程度后.停吹;继续快速升温至所要求达到的工艺温度时取样分析。
补加石灰石为了满足工艺上的客观需要即:
1)影响单渣钢脱硫率的主要因素是熔炼后期的炉渣碱度应控制其R≥2.5；
2)欲避免返磷.应在炉渣中保持较多的CaO成分.以便生成完全不与钢液溶解的磷酸钙
P2O5+3CaO→Ca3(PO4)2
吹氧不仅能快速升温.降电耗;将钢液碳成分粗定格;通过使CaCO3加速熔解.更加充分发挥添加石灰石后的脱硫、脱磷作用.有效克服过程中渣相的返硫、返磷现象;且在整个熔化期的钢液不断充分翻腾状况下快速升温也完全符合电弧炉的电热转换特性，故能取得熔池上、下温差小的热交换结果。
3 调整阶段
从扒渣开始到浇注前为调整阶段。这阶段主要任务是通过对钢液的成分、温度、液态结构的调整保证单渣钢的熔炼品质。
取样后扒渣.同时应检查炉底是否有残料。扒渣毕.即投少许碳化硅、硅铝铁合金进行复合予脱氧.经轻度搅拌液面片刻后迅即视液面渣况可酌情撒一稀薄层珍珠岩粉后投进经计算应加入的合金炉料及其它微量材料并埋弧快速升温到出钢温度。出钢前.将经预热的硅铝铁合金和稀土硅铁合金置于包底.在钢液出炉时用硅钙合金在出流槽处冲钢水。若用钢包转浇注包浇注.则稀土合金可放在转包内处理效果更佳。
考虑到经过整个熔炼期的熔渣.除在高温期逸走的高硫、高磷、高碳的废气外.尚有相当的硫、磷、碳化合物存在于渣相中;在随后的予脱氧过程.碳化硅、硅铝铁与钢液的比重差会造成浮在钢渣上烧损的现象.故应扒掉全渣。为防止钢液大面积氧化.应迅即进行SiC+ Si20A150Fe的予脱氧。Si20A 150Fe在脱氧过程中生成硅铝酸盐复合氧化物.从而降低了铝的活度.使脱氧产物顺利上浮到渣中.另外.其比重为4.5g/cm3与铝比重2.7g/cm3相比.使其最终在液相中平衡位置有所下降而有利于反应;SiC在脱氧过程中.碳和硅是在同一熔池层面上.同时按[ SiC]+3[O]=SiO2+CO↑进行脱氧反应.脱氧产物CO气体的排出过程稳定地促进着硅的脱氧反应.即强化了脱氧过程.改善了脱氧效果。另一方面，SiC脱氧所生成的CO气泡上浮排出时引起钢-渣搅动.扩大了相界面.改善了硫离子向渣中迁移的条件;其次，SiC脱氧时，产生一定程度的泡沫渣，既可减少弧光对炉衬的辐射.稳定炉渣组成.也改善了炉内传热条件.这些都有利于脱硫。
用Si-Ca+Si20AL50Fe+1#稀土硅铁合金进行浇注前的钢液终端复合处理.其主要目的:获得高纯净钢液;改变非金属夹杂量、尺寸形态及分布状况。复合的道理在于:多元素的精炼反应非同时发生.复合进行可提高反应效率.并易形成低熔点复合聚集化合物。分级进行的道理在于:其一可以克服变质剂的”衰退”现象;其二这些变质合金的非均质生核能的大小是按SiO2, A12O3和Ce2O3的顺序增大.这样分级复合处理的最佳效果应是最后加稀土合金。如生产上浇注不用转包.则为了达到或接近这一较为理想的分级效果可在钢液终端复合处理时采用小颗粒Si20AL50Fe+大颗粒1#稀土硅铁合金+小颗粒Si-Ca。上述具体工艺参数.往往部分靠经验得出;有的在实验室作出后还需再用调优设计( Evolutionary opcrution)确定其最佳工艺参数。
4 讨论
1)单渣法炼钢新工艺的设计思想主要体现于:快速熔炼、减少吸气、熔氧结合、早期精炼、强化脱硫、复合处理.重视静置、高温出炉;其中心是快速熔炼.重点是强化脱硫。
2)为了较好地在生产上实施该工艺.在设备、材料上还需针对该工艺特点提供相适应的基本工况条件，这一问题拟在另一篇文章予以讨论。
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