冶煉高速鋼技術的重大創新
今年6月，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，他們的課題通過了驗收，并獲優秀評價等級。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。
李正邦院士非常重視成果轉化形成新型產業連。經調研考察，與地處刀具行業集中地區的江蘇福達特種鋼集團簽訂產業化合同。同時，利用江西豐富的鎢、鉬、釩礦物資源和豐富的水電資源，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，設計工作正在緊張進行中。“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”。
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，但具有經濟價值的極少。熔融還原的狹義限于“無焦炭煉鐵”；廣義的即在熔態下的礦石或精礦粉被還原劑(固態、液態或氣態)還原成純金屬、合金或金屬化合物的過程概稱熔融還原。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階段的前沿技術。長期以來，冶煉合金鋼的傳統流程是：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。采用熔融還原冶煉合金鋼具有縮短生產流程、提高生產率、改善勞動條件、節約能耗、提高資源利用率、改善環境等技術與經濟上的優越性。近年各國都致力于開發此技術。國內外前期工作存在的問題是：直接合金化比不高；由于鉬、鎢易揮發，釩在渣鋼分配系數偏高，合金收得率偏低；脫磷問題未解決；不能使用低品位礦；需要使用鋁及工業硅做還原劑。所以目前停留于研發階段，未能定型轉產。
選擇高速鋼入手
高速鋼含合金元素種類多，總含量高，如M2鋼(6W5Mo4Cr2V)含4種合金元素，總合金元素含量超過17%。對碳化物顆粒度及不均勻度要求嚴格，紅硬性高，有“工具鋼王”之稱。用鐵合金生產高速工具鋼及模具鋼傳統流程存在如下缺點：冶煉工藝復雜，生產率低下，勞動強度大；能耗高；合金元素總利用率不高；環境污染嚴重。故李院士帶領的課題組選擇高速鋼入手，采用鎢精礦(鎢酸鈣)、鉬精礦(鉬酸鈣)、釩精礦取代鎢鐵、鉬鐵和釩鐵作原料冶煉高速工具鋼。
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，但在成本、生產率、投資方面競爭不過大高爐(4000—6000M3)。早在20世紀40年代，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，美國、俄羅斯、日本相繼采用鎢精礦和氧化鉬冶煉含鎢、鉬的鋼，但用量受限制，由鎢精礦加入鋼中的W在3％左右，氧化鉬礦加入鋼中Mo在2%左右。我國自80年代以來進行了一些研究，但單加鎢精礦，W合金化極限量是 5%，鎢精礦和氧化鉬礦混合加入，W+Mo合金化極限量為4%，繼續增加氧化物礦量，冶煉時間增長，電耗劇增，合金收得率下降，得不償失，致使該技術胎死腹中。
國內T廠冶煉3Cr2W8V，欲8%W全部用白鎢礦合金化，結果冶煉時間增長120min，電耗增加296kW·h/t，W的收得率僅80.3%。
突破前人工作的極限，必須針對存在的問題，采取相應對策。為此，他們在實驗室和工廠連續攻關，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不清，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、氣－固反應、液－固反應、鐵浴還原及液－液反應。
技術上的突破
宏觀反應動力學的應用。鉬酸鈣與固體C發生低溫直接還原，熔點遠低于鋼液溫度，在鋼液中鐵能還原它，反應動力學不是限制環節。
白鎢礦熔點高，鐵浴還原的關鍵是：鐵液中足夠的Si含量，濃度均勻，白鎢礦粉粒度愈小愈有利反應。在三相電弧高溫所輻射區，白鎢礦易熔化還原。
加強攪拌是關鍵，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。
抑制揮發。白鎢礦的熔點是1579℃，純WO3在1250℃時蒸發現象明顯。氧化鉬597℃開始升華，697℃劇烈升華。因此為提高鎢鉬收得率，必須解決揮發問題。通過加阻尼劑的方法，可顯著降低氧化鉬的揮發。研究小組由此而開發出抑制氧化鉬揮發的技術，可使氧化鉬的揮發率下降到其總量的0.5%以下。
脫磷問題。使用含磷高的低品位礦或尾礦尤為突出。本項目加入Al-Mg合金，形成Mg3P2以脫磷，并對殘渣吹氧氧化處理。
渣量控制。冶煉初期只加少量螢石，待白鎢礦與鉬酸鈣中鎢、鉬還原后，殘存氧化鈣形成爐渣，以防止渣量過大，爐渣順著爐門向外流，造成白鎢礦與氧化鉬的損失；同時加大電耗，加重爐襯侵蝕。
防止大沸騰。在熔化早期白鎢礦粉由于未來的及反應，不少白鎢礦粉上浮進入渣中，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，很容易使渣出現強烈沸騰，甚至熔渣濺出爐外引發事故。因此盡量避免過快升溫及過早吹氧助熔，實現低溫快速還原，在1500℃以下WO3、MoO3大部分已還原。
電化學效應的應用。在電爐冶煉還原期爐底接陽極，將電極插入渣層中，變電弧過程為電渣過程，使渣中W6+、Mo6+等離子進入鋼液中，鋼液中的P5-、S4-、O2-形成陰離子進入渣中。同時借助K、Na、Ca堿金屬的氟化物及氯化物，使氧化物礦充分離解。
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、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。在熔融還原過程中， CaWO4、MoO3、V2O5將被CaC2、Si－Fe、SiC所還原。反應過程包括：固－固反應、液－固反應、鐵浴反應和液－液反應。開發了低溫快速還原、控制渣量、抑制沸騰等技術。發現還原WO3的限制性環節是WO3在熔渣中的擴散，采取提高渣流動性，擴大反應界面以加快WO3的還原，并使用阻尼劑能有效抑制鉬的揮發。在20t的交流電弧爐上用氧化物礦工業化生產高速鋼M2獲得成功，質量優異，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%)，合金收得率提高4～6個百分點，一次熔融還原較二次傳統冶煉節電1067KW·H/t，縮短冶煉時間450min/爐，環境負荷系數減少63%%。每噸M2鋼節約成本6813.5元。應用這一新技術，1999—2005年重慶特鋼公司等企業累計生產M2、M2Al、H21鋼 8981t。實踐證明熔融還原工藝與傳統工藝比較在技術經濟和環保方面有顯著優越性。達到縮短工藝流程、節約能源、降低合金成本的效果，提高了合金收得率，減輕了冶煉對環境的污染。
[此信息未經證實，僅供參考]
李正邦院士非常重視成果轉化形成新型產業連。經調研考察，與地處刀具行業集中地區的江蘇福達特種鋼集團簽訂產業化合同。同時，利用江西豐富的鎢、鉬、釩礦物資源和豐富的水電資源，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，設計工作正在緊張進行中。“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”。
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，但具有經濟價值的極少。熔融還原的狹義限于“無焦炭煉鐵”；廣義的即在熔態下的礦石或精礦粉被還原劑(固態、液態或氣態)還原成純金屬、合金或金屬化合物的過程概稱熔融還原。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階段的前沿技術。長期以來，冶煉合金鋼的傳統流程是：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。采用熔融還原冶煉合金鋼具有縮短生產流程、提高生產率、改善勞動條件、節約能耗、提高資源利用率、改善環境等技術與經濟上的優越性。近年各國都致力于開發此技術。國內外前期工作存在的問題是：直接合金化比不高；由于鉬、鎢易揮發，釩在渣鋼分配系數偏高，合金收得率偏低；脫磷問題未解決；不能使用低品位礦；需要使用鋁及工業硅做還原劑。所以目前停留于研發階段，未能定型轉產。
選擇高速鋼入手
高速鋼含合金元素種類多，總含量高，如M2鋼(6W5Mo4Cr2V)含4種合金元素，總合金元素含量超過17%。對碳化物顆粒度及不均勻度要求嚴格，紅硬性高，有“工具鋼王”之稱。用鐵合金生產高速工具鋼及模具鋼傳統流程存在如下缺點：冶煉工藝復雜，生產率低下，勞動強度大；能耗高；合金元素總利用率不高；環境污染嚴重。故李院士帶領的課題組選擇高速鋼入手，采用鎢精礦(鎢酸鈣)、鉬精礦(鉬酸鈣)、釩精礦取代鎢鐵、鉬鐵和釩鐵作原料冶煉高速工具鋼。
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，但在成本、生產率、投資方面競爭不過大高爐(4000—6000M3)。早在20世紀40年代，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，美國、俄羅斯、日本相繼采用鎢精礦和氧化鉬冶煉含鎢、鉬的鋼，但用量受限制，由鎢精礦加入鋼中的W在3％左右，氧化鉬礦加入鋼中Mo在2%左右。我國自80年代以來進行了一些研究，但單加鎢精礦，W合金化極限量是 5%，鎢精礦和氧化鉬礦混合加入，W+Mo合金化極限量為4%，繼續增加氧化物礦量，冶煉時間增長，電耗劇增，合金收得率下降，得不償失，致使該技術胎死腹中。
國內T廠冶煉3Cr2W8V，欲8%W全部用白鎢礦合金化，結果冶煉時間增長120min，電耗增加296kW·h/t，W的收得率僅80.3%。
突破前人工作的極限，必須針對存在的問題，采取相應對策。為此，他們在實驗室和工廠連續攻關，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不清，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、氣－固反應、液－固反應、鐵浴還原及液－液反應。
技術上的突破
宏觀反應動力學的應用。鉬酸鈣與固體C發生低溫直接還原，熔點遠低于鋼液溫度，在鋼液中鐵能還原它，反應動力學不是限制環節。
白鎢礦熔點高，鐵浴還原的關鍵是：鐵液中足夠的Si含量，濃度均勻，白鎢礦粉粒度愈小愈有利反應。在三相電弧高溫所輻射區，白鎢礦易熔化還原。
加強攪拌是關鍵，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。
抑制揮發。白鎢礦的熔點是1579℃，純WO3在1250℃時蒸發現象明顯。氧化鉬597℃開始升華，697℃劇烈升華。因此為提高鎢鉬收得率，必須解決揮發問題。通過加阻尼劑的方法，可顯著降低氧化鉬的揮發。研究小組由此而開發出抑制氧化鉬揮發的技術，可使氧化鉬的揮發率下降到其總量的0.5%以下。
脫磷問題。使用含磷高的低品位礦或尾礦尤為突出。本項目加入Al-Mg合金，形成Mg3P2以脫磷，并對殘渣吹氧氧化處理。
渣量控制。冶煉初期只加少量螢石，待白鎢礦與鉬酸鈣中鎢、鉬還原后，殘存氧化鈣形成爐渣，以防止渣量過大，爐渣順著爐門向外流，造成白鎢礦與氧化鉬的損失；同時加大電耗，加重爐襯侵蝕。
防止大沸騰。在熔化早期白鎢礦粉由于未來的及反應，不少白鎢礦粉上浮進入渣中，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，很容易使渣出現強烈沸騰，甚至熔渣濺出爐外引發事故。因此盡量避免過快升溫及過早吹氧助熔，實現低溫快速還原，在1500℃以下WO3、MoO3大部分已還原。
電化學效應的應用。在電爐冶煉還原期爐底接陽極，將電極插入渣層中，變電弧過程為電渣過程，使渣中W6+、Mo6+等離子進入鋼液中，鋼液中的P5-、S4-、O2-形成陰離子進入渣中。同時借助K、Na、Ca堿金屬的氟化物及氯化物，使氧化物礦充分離解。
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、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。在熔融還原過程中， CaWO4、MoO3、V2O5將被CaC2、Si－Fe、SiC所還原。反應過程包括：固－固反應、液－固反應、鐵浴反應和液－液反應。開發了低溫快速還原、控制渣量、抑制沸騰等技術。發現還原WO3的限制性環節是WO3在熔渣中的擴散，采取提高渣流動性，擴大反應界面以加快WO3的還原，并使用阻尼劑能有效抑制鉬的揮發。在20t的交流電弧爐上用氧化物礦工業化生產高速鋼M2獲得成功，質量優異，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%)，合金收得率提高4～6個百分點，一次熔融還原較二次傳統冶煉節電1067KW·H/t，縮短冶煉時間450min/爐，環境負荷系數減少63%%。每噸M2鋼節約成本6813.5元。應用這一新技術，1999—2005年重慶特鋼公司等企業累計生產M2、M2Al、H21鋼 8981t。實踐證明熔融還原工藝與傳統工藝比較在技術經濟和環保方面有顯著優越性。達到縮短工藝流程、節約能源、降低合金成本的效果，提高了合金收得率，減輕了冶煉對環境的污染。
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