煉鋼工藝過(guò)程的基本淺析

1.研究現(xiàn)狀

目前，中國(guó)是世界主要鋼鐵生產(chǎn)國(guó)之一，也是最大的鋼鐵消費(fèi)國(guó)之一。在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)排名中，鋼鐵冶金一直處于前列，由于國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)的快速發(fā)展與鋼鐵冶金密不可分，因此鋼鐵冶金已成為生產(chǎn)鏈的支柱。同時(shí)，鋼鐵在其他領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，無(wú)論是國(guó)防裝備、交通運(yùn)輸、建筑還是家用電器，日常生活的需要都離不開(kāi)鋼鐵材料。有色冶金已成為衡量一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力潛力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。特別是近兩年來(lái)，鋼鐵冶金在我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)中的份額持續(xù)增長(zhǎng)，許多企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)施達(dá)到國(guó)際水平，同時(shí)鋼材的品種和質(zhì)量也達(dá)到世界一流水平。然而，鋼鐵產(chǎn)量的快速增長(zhǎng)也帶來(lái)了許多復(fù)雜的問(wèn)題，如工藝優(yōu)化、節(jié)能減排、產(chǎn)能過(guò)剩等。為了克服這些復(fù)雜的問(wèn)題，我們需要關(guān)注鋼鐵行業(yè)的連鑄技術(shù)，研究未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著有色冶金的快速發(fā)展，金屬?gòu)U渣的釋放量顯著增加，有必要促進(jìn)廢渣資源的回收利用。電爐和轉(zhuǎn)爐是廢鋼消耗的主要來(lái)源。2017年，我國(guó)廢鋼加工機(jī)消費(fèi)量最高，為2.7億噸，電爐廢鋼消費(fèi)量為8700萬(wàn)噸。但是，目前國(guó)內(nèi)系統(tǒng)完善的廢品回收利用企業(yè)很少，回收處理設(shè)施水平較低，回收率仍低于世界發(fā)達(dá)國(guó)家。中國(guó)在提高廢金屬質(zhì)量和處置水平方面還有很大潛力。從我國(guó)鋼鐵行業(yè)的現(xiàn)狀來(lái)看，促進(jìn)廢鋼的快速熔化是改變我國(guó)廢鋼過(guò)剩而回收利用率低的現(xiàn)狀的關(guān)鍵。

2.廢鋼熔化過(guò)程分析

2.1文獻(xiàn)分析

根據(jù)文獻(xiàn)中給出的結(jié)果，熔化金屬?gòu)U料的過(guò)程可以分為三個(gè)階段：凝固層的形成、凝固層的快速熔化和金屬?gòu)U料的正常熔化[1，2，3]。每一步具體描述如下：硬度層的形成：1.熔化液在金屬?gòu)U料表面硬化并迅速生長(zhǎng)，直至達(dá)到最大厚度;2.?硬度層快速熔化：硬度層逐漸熔化，直至原始廢金屬表面被打開(kāi);3.正常熔化：首先，碳不斷穿透廢金屬表面，降低熔化溫度。當(dāng)熔點(diǎn)低于熔池溫度時(shí)，原來(lái)的金屬?gòu)U料開(kāi)始迅速熔化。統(tǒng)計(jì)1526K - 1725K時(shí)無(wú)尺寸變化的廢料直徑和重量。首先分析了硬化層的形成和快速熔化階段，發(fā)現(xiàn)熔池溫度的升高對(duì)硬化層的形成和熔化有積極的影響。當(dāng)熔池溫度為1673K時(shí)，凝固層在2s迅速形成，在5s時(shí)凝固層被快速熔化，而在1537K時(shí)凝固過(guò)程耗時(shí)10s。在熔池溫度為1725K時(shí)，由于固化層的快速形成，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中很難捕捉到，所以固化層的形成和熔化階段在圖中不可見(jiàn)。Pelke等人[3]也發(fā)現(xiàn)熔池溫度越高硬化層的厚度就越小，成反比。

2.2結(jié)果分析

此外，通過(guò)對(duì)無(wú)量鋼的直徑和質(zhì)量變化凍層熔化后分析表明：在初始階段的熔化，母體廢鋼在熔化剛開(kāi)始的時(shí)候表明直徑的變化和質(zhì)量原始廢金屬的相對(duì)較小，熔化曲線呈現(xiàn)“山峰狀”。此時(shí)，熔化率很低，廢鋼尺寸變化肉眼看不明顯。在主要廢料開(kāi)始熔化時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象被定義為熔化過(guò)程中的“滲碳”。這一現(xiàn)象在較低的浴溫（1526K）在1623K時(shí)約為180℃和60℃時(shí)尤為明顯，但在較高的浴溫（1673K和1725K）時(shí)不太可能發(fā)生。這是由于以下幾點(diǎn)原因：浸在含碳豐富的鐵水廢鐵中處于滲碳狀態(tài)，熔池溫度相對(duì)較低，熔池與固體廢鐵之間高溫過(guò)熱溫度較高，為熔池表面的鐵水廢鐵傳熱提供了巨大的熱驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)促進(jìn)碳的耗散和質(zhì)量流動(dòng)，如廢鋼的結(jié)合迅速熔化和鋼的熔化，所以當(dāng)熔池溫度較高時(shí)，“滲碳”階段幾乎不出現(xiàn)。在熔化過(guò)程中，“滲碳”增加了固體廢料表面的碳含量，降低了廢料的熔點(diǎn)?！皾B碳”結(jié)束后，基體廢料熔化速度快，熔池溫度越高，廢料熔化速度越快，即固體廢料表面繼續(xù)煤化、逐層熔化，直至熔化完成。在熔化過(guò)程本身，主要廢鋼的“滲碳”和快速熔化過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，“滲碳”現(xiàn)象只有在熔池溫度較低時(shí)才明顯?？梢钥闯觯腆w燃料和液體燃料交界處的碳質(zhì)轉(zhuǎn)移對(duì)熔化過(guò)程的順利進(jìn)行非常重要，提高熔池溫度可以促進(jìn)碳的分散和廢金屬的熔化。

3.總結(jié)

以鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程分析、冶煉參數(shù)優(yōu)化和最終控制給料過(guò)程為目標(biāo)，對(duì)周邊廢鋼冶煉過(guò)程進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。在自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬的廢金屬冶煉過(guò)程的熱方法，熔化過(guò)程的數(shù)值模擬，傳熱系數(shù)的計(jì)算和傳遞等為優(yōu)化廢鋼熔化條件和確定合適的廢鋼混合方法提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要結(jié)論如下：廢鋼熔化過(guò)程可分為凝固層形成階段、凝固層快速熔化階段、滲碳階段、碳化階段和主廢鋼快速熔化四個(gè)階段。每一階段的特征如下：（1）硬度層的形成：液態(tài)鐵水在廢金屬表面硬化并迅速生長(zhǎng)，直至達(dá)到最大厚度;（2）硬化層快速熔化：硬化層達(dá)到最大厚度后逐漸熔化，直至原始廢金屬暴露;（3）碳化階段：固相層熔化后，在初始階段對(duì)廢鋼進(jìn)行地面熔化，熔化速率較低，廢鋼的變化不明顯，主要受碳的傳質(zhì)控制;（4）碳化爐加工和原廢料的快速熔化：碳不斷地轉(zhuǎn)移到廢料表面，降低表面的熔點(diǎn)，當(dāng)熔點(diǎn)低于熔池溫度時(shí)，基廢料迅速熔化，直至熔化結(jié)束。

參考文獻(xiàn)

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[3]Newman R C . The dissolution and passivation kinetics of stainless alloys containing molybdenum—II. Dissolution kinetics in artificial pits[J]. Corrosion Science，1985，25（ 5）：341-350.

作者簡(jiǎn)介：李秋華，男，1986年4月出生，籍貫：河北豐潤(rùn)，漢族，專科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：冶金、煉鋼生產(chǎn)，工作單位：唐山縱橫鋼鐵集團(tuán)有限公司。