（钢铁冶金专业论文）不锈钢冶炼中电弧炉炉渣发泡性能的实验研究.pdf

_ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ 一一一。一一 上海大学硕士学位论文 摘要 泡沫渣在冶金过程中有着广泛的应用。近年来，伴随着超高功率和长弧操作 等一系列电弧炉新技术的应用，泡沫渣埋弧冶炼工艺通过减少电弧的热辐射提高 加热效率，使电弧炉炼钢有效地节能降耗。此外，泡沫渣工艺对提高钢水纯净度、 降低电极消耗、保护炉衬和减轻弧光和嗓音污染等方面也有一定效果。目前电弧 炉冶炼普碳钢已普遍采用泡沫渣冶炼工艺，但这些工艺方法不适台冶炼不锈钢， 主要原因在于冶炼不锈钢时炉渣中氧化铁的含量较少，不易与碳反应生成使炉渣 发泡的一氧化碳气体。 本课题针对电弧炉冶炼不锈钢时难于形成泡沫渣的问题，阐述了冶炼不锈钢 时熔渣起泡的机理，测定并研究了炉渣化学成分和牯度、表面张力等物性对熔渣 发泡性能的影响。熔渣的化学成分中，碱度、c a f 2 、f e o 、a 1 2 0 3 、c r 2 0 3 有利于 熔渣发泡，而m g o 则对熔渣发泡性能具有负面的影响。较大的粘度使气泡难于 上浮和破裂，有利于提高熔渣的发泡性能；而表面张力和密度的作用正好相反， 大的表面张力意味着形成气泡需要较多的表面能。另外熔渣中的固体悬浮颗粒也 有助于提高泡沫液膜的强度和弹性，起到稳定泡沫渣的作用。 熔渣发泡性能的实验是在2 5 0 0 h z 、容量为5 0 k g 的中频感应炉上进行的。研 究表明，形成泡沫渣的首要条件是熔渣内部有大量分散的气泡，冶炼不锈钢炉渣 中的气体主要由碳酸盐的分解提供。为了取得更好的发泡效果，选取熔渣成分 a 1 2 0 3 、m g o 、c a f 2 和碱度四个量作为优化因素，分别取四个水平作正交试验。 通过对实验结果进行方差分析和模式识别分析，找出发泡性能较好的成分组成。 在本课题研究的冶炼不锈钢的渣系中，以上所选取的四个因素对炉渣发泡高度影 响的显著性次序为：c a f 2 a 1 2 0 3 m g o 碱度。在该渣系中，当碱度在2 , 0 左右， c a o ( 3 3 2 ) - s 1 0 2 ( 1 7 ) 一m g o ( 1 15 ) 一a 1 2 0 3 ( 1 7 ) c a f 2 ( 6 6 ) 为发泡性能最 优的组分。本课题根据宝钢集团第三钢铁公司的3 0 吨电弧炉冶炼不锈钢的具体 情况，提出对发泡剂成分的改进意见。此外，针对现场采用在加废钢时一次性投 入发泡剂的方法使泡沫渣不能持久的问题，提出采用喷吹方式加以改进的建议。 关键词：泡沫渣，不锈钢冶炼，电弧炉，喷吹 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o a m i n gs l a g i sv e r ys i g n i f i c a n ti ne l e c t r i c a la r cf u r n a c eo p e r a t i o ni nv i e wo f m e l t i n ge f f i c i e n c ya n dq u a l i t y i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu h p - e a f a n dl o n g a r eo p e r a t i o n ，f o a m i n gs l a gn o to n l yc o v e r e dt h ee l e c t r i c a la r ca n dr e d u c e d t h eh e a tg i v e no f ft ot h ea i r , b u ta l s oi n c r e a s e dt h er e a c t i o n a r e a m o r e o v e gi t p r o t e c t e dm e t a lb a t hf r o ma t m o s p h e r es ot h a t s t e e l l i q u i dq u a l i t y w a sa b l et ob e p r o m o t e d a n dt h ea r cn o i s ea l s ob er e d u c e d b u ti tw a sv e r yd i f f i c u l tt of o r mi nt h ep r o c e s so fm a k i n gs t a i n l e s ss t e e l ，d u et o t h es h o r t a g eo ff e oi nt h es l a gf o re n o u g hc o g a s i ns t a i n l e s ss t e e lm a k i n gp r o c e s s ， c h r o m ec o n t e n ti ns t e e ll i q u i dw a s h i g h ，w h i c hm a y e a s i e rb eo x i d i z e dt h a ni r o n a sa r e s u l t ，t h e r ew a sm o r ec r 2 0 3t h a nf e oi ns l a g ，t h u sl e a d i n gt h ed i f f i c u l t yf o rs l a g f o a m i n g i tw a sn e c e s s a r yt of i n daw a yt og e n e r a t ee n o u g hg a si n s t a i n l e s ss t e e l m a k i n g o n es o l u t i o nw a sg e t t i n gc 0 2t h o u g hc a r b o n a t ed e c o m p o u n d i n g ，s u c ha s 】i r a e s t o n eo rd o l o m i t e t h ee f f e c t so fc o m p o s i t i o no fs l a gw e r ed i f f e r e n t b a s i c i t y , c a f 2 ，f e o ，a 1 2 0 3 ， c r 2 0 3p l a y e dg e n e r a l l yp o s i t i v er o l e si ns l a gf o a m i n g ，b u tt h ee f f e c to fm g ow a s n e g a t i v e t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f s l a gh a da l s od i f f e r e n te f f e c t so nf o a m i n gs l a g t h e v i s c o s i t yo fs l a gh i n d e r e df l o a t i n ga n db r e a k i n go fb u b b l e s ，t h a tm e a n tf o a m i n g s l a gm a i n t a i n e de a s i l yi ns t i c k ys l a g t h ei n c r e m e n to fs u r f a c et e n s i o no f s l a gm e a n t m o r ee n e r g yn e e d e dt of o r mb u b b l e s t h ee f f e c to f d e n s i t yo fs l a go nf o a m i n gs l a g w a ss i m i l a rw i t hs u r f a c e t e n s i o n f u r t h e r m o r e , t h es o l i dg r a i n sn o to n l yi n c r e a s e dt h e v i s c o s i t yo f m o l t e ns l a gb u ta l s oi n c r e a s e dt h ei n t e n s i o na n de l a s t i c i t yo f b u b b l e s i nt h i sa r t i c l et h ee s s e n t i a lo fs u c hs p e c i a lf o a m i n gs l a gw a sd i s c u s s e da n di t s b e h a v i o rw a sa n a l y z e df r o me x p e r i m e n t a lt e s t si na2 5 0 0 h zi n d u c t i o nf u r n a c ew i t h c a p a c i t yo f 5 0k i l o g r a mi nl a b o r a t o r y g i v e nq u a n t i t yo f d o l o m i t ea n dl i m e s t o n ew a s a d d e dt os l a gf o r g e n e r a l i z a t i o no f c 0 2b yh e a t i n g ，w h i c hc o u l dr e a c tw i t hc a r b o na n d t h e nf o r mc o g a s b a s i c i t y , m g o ，a 1 2 0 3a n dc a r 2w e r ec h o s e na st h eo p t i m i z e d f a c t o r s ，t h e n a n o n h o g o n a ll a y o u t w a s d e s i g n e d w i t h t h e h e l p o fp a t t e r n r e c o g n i t i o n m e t h o dt h eo p t i m i z e dc o m p o u n da r e af o rb e s t f o a m i n gw a sf o u n d ， 上海大学硕士学位论文 w i t h i nt h e ma s l a gs y s t e m w i t hb a s i c i t yo f2 0a n dc o n t e n t so fc a 0 ( 3 32 1 一 s i 0 2 ( 1 7 ) 一m g o ( 1 1 5 ) a 1 2 0 3 ( 1 7 ) - c a f 2 ( 66 ) w a sc h o s e na n di n t r o d u c e d ， b a s e do nw h i c ht h es u g g e s t i o no ff o a m i n ga g e n ti m p r o v e m e n tw a sp u tf o r w a r dt h e s t u d ys h o w e dt h a tc a f 2c o n t e n tw a st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o rt oa f f e c tt h ef o a m i n g h e i g h t o fs l a g ，f o l l o w e d b yc o n t e n t sa 1 2 0 3 ，m g oa n db a s i c k ya c c o r d i n gt ot h e p r o d u c t i o np r a c t i c e i nn o 3s t e e lw o r ko fb a o s t e e l g r o u p ，as u g g e s t i o n t o i m p r o v e m e n t o f f o a m i n ga g e n tc o m p o s i t i o nw a sp u tf o r w a r di no r d e rt op r o l o n gt h e f o a m i n gt i m e ，ap r o p o s a lt oi m p r o v ef o a mb e h a v i o ro fs l a gt h r o u g hf o a m i n ga g e n t i n j e c t i o nw a s a l s oi n t r o d u c e d k e yw o r d s ：f o a m i n gs l a g ，s t a i n l e s ss t e e lm a k i n g ，e a f , i n j e c t i o n m 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝碣蕉 日期丝：竺：尹 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：竺：丝竺：乏 上海大学硕士学位论文 第一章前言 钢铁工业是关系着国计民生的支柱性产业，钢铁工业的状况在一定程度上反 映了一个国家的整体经济实力。纵观铜铁工业的发展历史，每一项重大技术的戗 新都会引发一次生产上的飞跃，而在每次钢铁工业大变革之间又会涌现出无数的 技术改革和工艺创新，这些新的工艺和技术都极大地提高了生产效率和经济效 益，推动了人类的文明和社会的进步。 自从1 8 0 0 年世界上第一次用坩锅炉冶炼出钢水以来，多种炼钢方法相继出 现，如平炉、俾斯麦炉、氧气顶吹转炉、电弧炉等炼钢方法。坩锅炼钢法从其产 生发展到顶峰共经历了约4 0 年。俾斯麦转炉炼钢法则达到8 0 年。曾经占世界上 钢产总量很大比重的平炉炼钢法，现在基本上已不再使用，我国也于1 9 9 5 年关 闭了最后座平炉。而氧气顶吹转炉自问世以来，其钢产量以直线速度上升，建 目前为止，所生产的钢量已占全世界钢产总量的6 0 以上。而电弧炉炼钢自1 9 0 5 年问世以来，也是以不断增长的趋势在发展，迄今为止通过电弧炉生产出来的钢 产量占世界钢产总量的3 0 以上。 表1 - l 世界电炉钢发展状况 t a b l e l - 1 d e v e l o p m e n to f e a fs t e e l m a k i n g i n t h e w o r l d 世界上第个用电炉成功炼钢的是西门子( w i l l i a ms i e m e n s ) 。1 8 7 9 年，他 在坩锅安放两个水平电极，可以在两电极间产生单相电弧，从而获得间接电弧炉 专利。由于这种间接电弧炉的电弧对炉衬的辐射热量很大，热效率低，在炼钢生 产中未能得到应用。1 9 0 0 年，赫洛尔特( p a u lh e r o u l t ) 在法国建立的第一座直 流电弧炉投入生产，并获得了专利。炉壳为长方形，电极升降采用人工调节，炉 内有两个垂直电极，用单相交流电供电，电流从一个电极通过电弧流至炉料，然 后从炉料通过电弧而流至另一电极。1 9 0 9 年，美国建立一座1 5 吨三相电弧炉， 上海大学硕士学位论文 炉壳为圆形，用三相交流电供电，三个电极穿过炉顶孔伸入炉内，这是世界第一 座圆形炉壳的电弧炉。这类型的电弧炉很快就得到了发展。1 9 2 6 年，德国成功 地制造了容量为6 吨的炉盖移动式电弧炉。这是电弧炉炉顶装料的开始。1 9 3 6 年，德国又成功制造了炉盖旋转式电弧炉，炉子容量为1 8 吨。6 0 年代出现了超 高功率电弧炉，8 0 年代又开发出了直流电弧炉。 电弧炉炼钢之所以能在激烈的市场竞争中得到快速她发展，除了吨钢投资 少，建设周则短，资金回笼快以外，更主要的是随着新工艺、新技术的发展而发 展。再加之科学的管理，使得电弧炉炼钢在高效、优质、节能、降耗方面取得了 长足的进步，从而降低了生产成本。在一个现代化的钢厂里，采用新技术的新型 电弧炉已与废钢预热、熔化和精炼联为一体的传统电弧炉相比发生了根本的变 化，如今的电弧炉已成为了一种产量高，控制精确的废钢熔化专用设备。 电炉炼钢的优越性逐渐被人们所注意，因而电弧炉代替了坩锅法成为冶炼合 金钢的主要方法。最初电弧炉主要用于生产工具钢，也用于冶炼高合金钢，不锈 钢及其他高质量钢，后来又扩大到生产低合金钢。现在电弧炉不但用于生产合金 钢，也生产碳素钢。 电弧炉的功率水平用变压器的额定容量( k v a ) 与电炉公称容量( t ) 或实际 出钢量( t ) 之比来表示。美国联合碳化物公司与西北线材公司曾合作通过加强 变压器的冷却、改造机电设备、提高电极质量、改进短网布线等手段，来提高变 压器的能力，继而又更换了大容量变压器。使生产率得以提高，技术经济指标得 以改善。他们于1 9 6 4 年提出了超高功率电弧炉( u i 口- e a f ) 的概念，功率水平 为7 0 0 1 0 0 0 k v a t 。超高功率的目的在于极大地提高电弧炉炼钢的生产率，因此 除了功率水平外还强调一系列时间利用指标。这种高速低耗生产的观念始终促进 着电弧炉炼钢技术的进步，包括促使电弧炉熔炼二次精炼功能的分离。应 该说，超高功率概念的提出是电弧炉炼钢技术发展的一个重要的里程碑， 超高功率电弧炉的主要优点有以下几点：( 1 ) 缩短熔化时间，提高生产率： ( 2 ) 改善热效率，降低电耗；( 3 ) 大电流短电弧，热力集中，电弧稳定，对电 网影响小。表l 一2 列出了某厂7 0 吨电炉提高功率水平对生产率和电耗的影响。 2 上海犬学硕士学位论文 表1 - 2 功率水平对增产节能的影响 t a b l e1 - 2e f f e c to f p o w e r0 1 1p r o d u c t i o n 功率水平输全功电垩功篙嚣 电耗 热效率电效率总效率 生产率 功率水平率 率时问 热效翠电效翠总敢毕 m wm wr a i nk w - h ，c t h 除了超高功率电弧炉，长弧操作也是对电弧炉发展起到关键作用的一项新技 术。长弧操作是7 0 年代发展起来的。采用小电流、高电压的长弧操作是针对大 电流、低电压的短弧操作的缺点而改进的。它克服了短弧操作的缺点，具有以下 优点：( 1 ) 降低电能损失；( 2 ) 减少电极端部消耗；( 3 ) 增加功率因素；( 4 ) 有 利于三相平衡。但是采用了长弧操作以后，对炉衬的辐射增加，热损失也明显增 大。 超高功率电弧炉和长弧操作等一系列电弧炉新技术所暴露出来的缺点成为 制约其发展的主要因素，这些缺点包括电弧辐射严重、向炉料的传热效率低、炉 衬耐火材料的消耗量高等。其中炉衬耐火材料的消耗过高不仅意味着成本的增 大，也反映了对钢水的污染程度，意味着对产品质量的负面影响。于是，泡沫渣 埋弧操作技术应运而生。泡沫渣埋弧操作是指在不增加渣量的前提下，通过生成 气体使炉渣呈泡沫化而使炉渣的厚度增加，从而起到屏蔽电弧，实现埋弧操作的 工艺技术。该技术能明显地缩短冶炼时间，降低电能消耗、延长炉衬和炉顶的寿 命并能大幅度提高生产率，所以得到广泛的应用。无论是超高功率电弧炉还是普 通功率电弧炉，采用泡沫渣冶炼工艺都很普遍。 除了一般的碳钢冶炼，泡沫渣工艺已经发展到了用于不锈钢等钢种的生产。 众所周知，不锈钢是2 0 世纪出现的钢铁产品。随着工艺技术的进步和生产成本 的降低，不锈钢己从一种奢侈品走进了人们的生活中，特别是不锈钢所具有的不 锈、耐腐蚀以及外观精美等特殊性能，其用途日益广泛，己成为经济建设、城市 美化和人们生活中不可缺少的产品。 至今许多关于电弧炉泡沫渣的文献报导基本都是涉及低碳钢和中碳钢的冶 炼，很少提及不锈钢。这主要是由于不锈钢冶炼时，炉渣的发泡较为困难。由于 上海大学硕士学位论文 不锈钢钢液中的铬化学性质较铁活泼，易被氧化而生成c r 2 0 3 ，从而造成渣中f e o 含量较低而c r 2 0 ，含量却较高，此外，熔化期为了减少c r 的氧化，采取低水平 的吹氧量，而且c r ：o ，的还原动力学条件较差，仅靠喷吹炭粉与f e o 反应生成 c o 这种方法难以形成稳定的泡沫渣。 为了在熔炼不锈钢时能形成泡沫渣，同时保护c r 的不被过分氧化，有必要 在炉渣中加入合适的还原剂，诸如煤，硅铁等。充足的碳和硅都能够有效地保护 c r 不被过分氧化，使得吹氧量也得以提高。这样炉渣发泡状况良好，c r 的收得 率增高，且耐火材料的损耗较小。发泡的炉渣可以覆盖相当长的电弧，并以较高 功率供电，电炉的生产率也获得了相应的提高。 电炉冶炼不锈钢时，如何使炉渣具有良好的发泡性能以及合适炉渣成分就是 本课题的主要研究内容。针对电弧炉冶炼不锈钢时难于形成泡沫渣的情况，通过 炉渣物性测定、发泡性能的实验室研究及生产现场的实践，深入研究冶炼不锈钢 时熔渣起泡的机理，炉渣化学成分及物性对发泡性能的影响，从而为制定炉渣发 泡最佳操作工艺建立理论基础，为在生产条件发生变化条件下对工艺的调整提供 支持和指导，并就宝钢集团第三钢铁公司的具体实际情况提出发泡剂的改进配方 和提高炉渣发泡性能的方法。 4 上海大学硕士学位论文 第二章泡沫渣技术文献综述 2 1 泡沫渣的形成机理 2 1 1 泡沫渣的形成 泡沫渣在冶金过程中有着广泛的应用。所谓泡沫渣就是在冶炼过程中，当有 气体进入熔渣内，被分散成微小气泡而不再聚合时，熔渣的体积膨胀，形成有分 割膜隔开的、密集排列的蜂窝状气孔结构并滞留一定时间，这种结构就称为泡沫 渣l ”。也就是在不增加渣量的前提下，使得渣层的厚度增加。下图是泡沫渣的发 泡示意图。 三董羞至兰蓦薹善薹i ：= # 暑= = = = = ： ；薹薹羞羞羞董誊薹i ：篁暑墨# 墨譬# 蓦： 发泡前发泡后 图2 - 1 泡沫渣原理示意图 f i g 2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a m o f f o a m i n gs l a gp r i n c i p l e 泡沫渣起源于冶金反应所释放的气体，气体在熔渣中形成大量弥散气泡并滞 留一定时间，使得液态炉渣的体积显著增大，在一段时间内维持泡沫化状态。泡 沫渣在平炉、转炉、电弧炉、钢包炉和熔融还原等冶金过程中广泛存在。 在炼钢过程中，泡沫渣对于不同的冶炼方法具有不同的冶炼效果。对于平炉 炼钢来说，泡沫渣不仅恶化了火焰向熔池的传热，而且加剧了炉体和炉项的热侵 蚀，缩短了炉衬的寿命，因此在平炉炼钢中应该尽量避免泡沫渣的产生；而对于 氧气顶吹转炉来说，由于反应速度快，在氧气流和脱碳反应的作用下，形成熔渣 一金属一气体三相乳化液，增大了反应界面。在三相乳化液中，熔渣是连续相， 上海大学硕士学位论文 可以认为是一种发展并不严重的泡沫渣。如果再进一步发展，将会导致溢渣，因 此在氧气转炉炼钢中应该控制泡沫渣的发泡程度；而对于电弧炉炼钢来说，泡沫 渣可以屏蔽电弧，因此对于稳定电弧、保护炉衬、提高热效率等方面具有明显的 作用，特别是在超高功率电弧炉操作中具有，泡沫渣已经成为一项配套技术而被 广泛采用。 这里主要讨论一下研究最多的电弧炉中的泡沫渣现象。6 0 7 0 年代，电弧炉 炼钢操作还遵循着熔化期、氧化期和还原期三段模式进行。电弧炉炼钢中熔化期 和氧化期的泡沫渣主要用来快速升温、保护炉衬以及在前期有利于脱磷。还原初 期也采用往渣里加碳粉的手段造成某种程度的泡沫渣，主要是为了减少热损失。 近年来，电弧炉炼钢过程中的泡沫渣技术显得尤为重要，这与电弧炉的超高功率 技术以及由低电压短电弧再次转为高电压一长电弧是分不开的。可见，与转炉过 程不同，现在电弧炉内的泡沫渣对冶炼是有利的，是人为制造的。其作用主要在 于保护炉衬和提高电弧加热的热效率【3 】。除此之外，泡沫渣工艺对降低电极消耗 和减轻弧光和噪音污染有一定效果1 4 , 5 】。 要形成泡沫渣，首要条件就是要有气源，气源可分为外加气源和内生气源两 种：外加气源就是从外部向熔渣喷吹气体；而内生气源则是通过熔渣内部的化学 反应而生成气体。根据宝钢集团浦钢公司的具体情况和要求，本课题采用内生起 源的方法来研究泡沫渣。 对于般钢种的冶炼，可采用喷吹氧气和碳粉来生成c o 的方法形成泡沫 渣，其原理为： 0 2 = 2 0 f e + 【o 】= ( f e o ) ( f e o ) + c = c o + f e c + o - c o 钢液中的铁和吹入的氧反应生成f e o 并进入炉渣，炉渣中的f e o 和碳粉发 生还原反应生成c 0 气体，c o 气体在缓慢上浮的过程中均匀地分布于渣层中， 形成蜂窝状的气7 l 结构，使得炉渣的体积显著增大，高度显著增加，从而形成泡 沫渣。 6 上海大学硕士学位论文 在生产不锈钢时，由于钢液中的铬化学性质较铁活泼，易被氧化而生成 c r 2 0 ，从而造成渣中f e o 含量较低而c r 2 0 3 含量却较高，此外，熔化期为了减 少c r 的氧化，采取低水平的吹氧量，而且c r 2 0 3 的还原动力学条件较差，仅靠 加碳粉这种方法难以形成稳定的泡沫渣。因此只能是通过熔渣自身的分解以及和 c 的反应生成c o 气体，使得熔渣发泡形成泡沫渣，一般采用的碳酸盐主要是石 灰石和白云石 6 , 5 3 1 。发泡原理如下： c a c 0 3 = c a 0 + c 0 2 m g c 0 3 = m 9 0 + c 0 2 c o l 2 + c = 2 c o 石灰石和白云石中的c a c 0 3 和m g c 0 3 在高温下发生分解生成c 0 2 气体，c 0 2 再和c 反应生成c o 气体，就会使炉渣发泡。 德国的汉堡钢厂通过向电炉内加白云石的方法实现了稳定的泡沫渣操作， 自云石受热分解为电炉内的泡沫渣提供了必要的气源【7 j 。意大利的i l v a 钢厂则 通过加入石灰石，在8 0 t 容量、l l o m v a 变压器的交流电弧炉中使用泡沫渣冶炼 不锈钢a i s l 3 0 4 、a i s l 316 等钢种 8 】d 2 1 2 泡沫渣的量化指标 i t o 9 1 等的研究表明：泡沫渣的高度变化可以表示为： d h d t 2 k l q g - k 2 h( 1 ) 式中：k t 为气泡形成的速率常数，1 m 2 ： k 2 为气泡破灭的速率常数，l s ； h 为泡沫渣的高度，m ； t 为时间，s ： q g 为气体吹入的体积流量，m 3 s 。 由公式( 1 ) 可知，泡沫渣的高度变化取决于气体流量，并与气泡产生和破灭 的速度有关。当气泡的生成速率大于气泡的破灭速率时，泡沫渣的高度增加，这 种情况常见于冶炼初期；当气泡的生成速率小于气泡的破灭速率时，泡沫渣的高 7 _ _ j _ h - _ _ _ _ - ，_ _ 一一。一。一一一 上簿大字坝士学位论趸 度减少，这种情况常见于冶炼末期；而当气泡的生成速率等于气泡的破灭速率时， 泡沫渣的高度保持不变，泡沫渣的高度处于动态平衡中，这种情况常见于冶炼中 期。 任正德f 1 0 】认为泡沫渣的发泡幅度可以表示为： = c t( 2 ) 式中：为发泡幅度，即( 泡沫渣高度一原始高度) 原始高度； c 为系数，l s ； t 为气泡在渣中的滞留时间，s 。 由公式( 2 ) 可以看出，熔渣发泡高度与气泡在渣中的滞留时间是成正比 的。也就是说对于特定的气源和熔渣条件，气泡在渣中的滞留时间越长，发泡高 度就会越大。 i t o 和任正德的研究都表明：要提高泡沫渣高度就必须让气泡在渣中滞留较 长时间，延缓气泡的上升速度。 泡沫渣高度的降低意味着渣中气泡的破裂，由于气泡的破裂源于气泡膜的减 薄，所有能阻碍这一过程的因素都有利于提高泡沫的稳定性。而一些统计模型则 大多把熔渣的表面张力和粘度确定为影响泡沫稳定性的主要因素。例如i t o 1 ”， r o t h ”1 和l i n 1 3 i 根据他们的实验结果，各自独立推导出了： = k 善( 3 ) p 仃 式中： 为泡沫指数，指气体在泡沫层的平均停留时间，t ： n 为熔渣粘度，p a s o 为熔渣表面张力，n m ： p 为熔渣密度，m 3 ； k 为常数，t 9 1 + 2 n ”。 该式表明，当炉渣具有较高的粘度，较低的密度和表面张力时，容易形成稳 定的泡沫渣。 上海大学硕士学位论文 2 2电弧炉采用泡沫渣的优点 2 2 1 提高传热效率 电弧炉炼钢是靠电弧加热的，若电弧在敞开的条件下，则对炉衬和炉顶的热 辐射极大，使热损失增大，同时也使炉衬和炉顶的寿命降低，耐火材料消耗的增 加，从而影响生产成本和生产率。为克服上述缺点而采用的大电流、低电压的短 电弧操作工艺，由于电流过大而使电能消耗增加。随着泡沫渣操作工艺的应用， 电弧被泡沫渣屏蔽，故可采用小电流、高电压的长电弧操作工艺，因而使电能消 耗减少，同时也使传热效率得到提高。功率因数由o6 3 提高到o8 8 ，由于没有 剧烈的沸腾，熔池的升温速度持续稳定，可达6 - 1 2 m i n 。图2 2 为国内某厂5 吨电弧炉采用泡沫渣冶炼工艺与普通渣工艺的升温速度的关系曲线，传热效率可 由3 0 提高到6 0 【1 4 】。有文献报导，在交流电炉中，对于1 4 0 r a m 长的电弧，当 泡沫渣的厚度分别为1 6 0 m m 和7 5 r a m 时，电弧传导到熔池的热量分别为8 0 和 3 0 左右【”1 。可见利用泡沫渣，尤其是厚度较大的泡沫渣，可得到较高的能量传 递率。泡沫渣操作工艺使得电弧炉炼钢热效率提高，升温速度加快，相应冶炼时 间缩短，可以明显缩短电弧炉的冶炼周期 1 6 , 1 7 1 。 p 一 型 寤 氧化时问( r a i n ) 图2 - 2 氧化期泡沫渣工艺与普通渣工艺升温过程的比较 f i g 2 - 2 r e l a t i o nb e t w e e n t e m p e r a t u r ea n dd i f f e r e n ts l a g 上海大学硕士学位论文 2 2 2 缩短冶炼时间 采用小电流、高电压的长电弧操作工艺，可使电能消耗降低，采用泡沫渣冶 炼工艺，必须向熔池内大量吹氧形成以氧代电。据文献 1 8 1 报道：采用泡沫渣冶炼 工艺后，可使每炉钢的平均冶炼时间缩短2 & - 3 0 m i n ，每吨钢节电4 0 6 0 k w h ， 更有文献报道每吨钢可节电1 1 63 k w h ，炉衬寿命提高6 4 9 【1 4 】。另夕 ，由于加 入碳粉等还原剂，使渣中f e o 的还原率可达6 0 ，使金属收得率得到提高。 2 2 3 稳定电弧 由于熔渣发泡后，熔渣屏蔽的电弧区温度较高，电离化的条件得到改善，故 气体电导率增加，电弧电阻减小，在同样的电压下，电弧的长度就会增加，电极 热端与金属液之间的距离变化对电弧的影响减小，这些都可保证电弧的稳定 1 1 9 , 2 0 。埋弧操作使电流和电压的波动显著减少，电弧闪烁也相应减少，电弧较高 的稳定性又使平均能量输入增加，变压器的功率得以充分发挥2 1 i 。 2 2 4 降低电极消耗 电极消耗包括电极表面氧化和电极尖端损耗。电弧炉炼钢过程中电极消耗的 5 0 7 0 是由电极表面的氧化造成。据测定碳和石墨的氧化大约从5 0 0 。c 开始， 超过7 5 06 c 氧化急剧增加，且随着温度的升高而加剧1 4 】，其表达式为： g 。cv s t ( 4 ) 式中： g 为电极表面氧化消耗的量，坞； v 为氧化速度，k 鲈； s 为电极表面积，m 2 ： t 为工作时间，t 。 可见电极在恶劣工作环境中工作时间越长，电极在高温下暴露在环境中的表 面积越大，电极氧化损失就越大，而采用泡沫渣埋弧操作工艺后，由于电弧被渣 层屏蔽，电弧的辐射热相对于普通渣工艺显著减少，环境温度相对较低，因而可 减少电极的氧化。泡沫渣还有利于提高二次电压，降低二次电流，在减少电能消 耗的同时，可使吨钢电极消耗减少2 k g 以上l ”】，从而降低生产成本，提高生产率。 上海大学硕士学位论文 电极尖端损耗包括电极蒸发、钢水吸收、热剥落三个方面，其消耗量仅次于 侧面氧化，占电极总耗量的2 5 4 0 1 2 2 】。泡沫渣包住电极尖端后，熔渣中通过旁 路电流时，主弧柱电流i 就会减小，电极蒸发也会相应减少： q t = 0 0 2 7 1 1 5 ( 5 ) 式中：q t 为电极端部的蒸发速度，s ； i 为电弧的电流强度，a 。 泡沫渣下的长弧操作使电极与钢水的距离增加，钢水吸收石墨减少。而泡沫 渣的屏蔽作用使电极热端热损失降低，温差导致的电极剥落减少。 2 2 5 降低炉衬热负荷和消耗 有研究表明f ”i ，裸露的电弧有5 7 的能量作用于炉衬，如果采用泡沫渣实 现全埋弧操作，电弧的能量就全部被熔渣或熔池所吸收，而炉衬只受到远比电弧 温度低的多的泡沫渣的辐射。在不使用泡沫渣的情况下，当随着二次电压的增大， 功率因素c o s ( p 从0 6 3 提高到0 8 8 时，炉衬的热负荷会增大4 倍；而使用了泡 沫渣后炉衬的热负荷只是略有增加，见图2 - 3 2 ”。鉴于电弧对炉衬的直接辐射是 导致炉衬热负荷过高的主要原因，使用泡沫渣实行埋弧操作可以有效地屏蔽减少 电弧对炉衬的直接辐射，降低炉衬热负荷，实现降低炉衬消耗的目的。 炉渣厚度比电弧长度大2 倍以上时，导电的炉渣将形成一个分流回路，输入 炉内的电能不再是全部由电弧转换成热能，而是一部分依靠炉渣的电阻转换，这 样在同样的输入功功率下，减小了电弧功率。电弧功率减小和电弧被炉渣屏蔽， 都有利于减少炉衬的热负荷。 炉衬的渣线部位是确定炉衬寿命的决定性部位，当渣层厚度小于2 倍弧长 时，由于炉渣中没有形成旁路电流及主弧柱中的大电流推动炉渣冲刷炉衬，造成 渣线部位很快损坏，尤其在短网电抗不平衡度 1 5 时，电极附近炉衬渣线部位 很快损坏，当长电弧被泡沫渣埋没后，炉渣并联旁路电流，主弧柱电流减小，电 流推动炉渣对炉衬的冲刷力减小，渣线部位的炉衬寿命得以提高【2 “。 上晦大学硕士学位论文 二次电压5 3 5 5 8 5 功率因素6 3 7 6 电弧长度1 1 2 1 7 5 功率 3 84 5 6 8 5( v ) 8 8( ) 2 7 7( n ) 6 6( m w ) 图2 - 3 常规渣与泡沫渣条件下的电炉炉壁热损 f i g 2 - 3 r e l a t i o nb e t w e e nh e a tl o s ta n dd i f f e r e n ts l a g 2 2 6 提高钢水纯挣度 由于泡沫渣可以有效地降低电弧对炉衬的辐射，减少炉衬的消耗。炉衬的侵 蚀就会减少，进入钢水中的杂质也相应地减少，同时，由于电弧有泡沫渣屏蔽， 电弧区氮的分压显著降低，因此，采用泡沫渣法冶炼的成品钢中，氮含量只有常 规工艺的1 3 2 “。因此利用泡沫渣的埋弧操作可以有效地提高钢水的纯净度，有 利于改善钢水的质量。 2 2 7 有利于钢液脱磷 脱磷是炼钢的主要任务之一，泡沫渣埋弧操作可以明显缩短脱磷氧化期，加 快脱磷速度。这是因为泡沫渣的碱度高和泡沫渣中氧化亚铁的含量高均有利于脱 磷，更主要的是因为泡沫渣增大了钢渣的接触面积，促进了脱磷产物的扩散传质， 加速了换渣过程1 6 ，2 射，为脱磷反应提供了良好的动力学条件。因此，泡沐渣有利 于钢液的脱磷。 上海大学硕士学位论文 2 2 8 降低电弧噪音和弧光污染 采用泡沫渣操作工艺，电弧被泡沫渣屏蔽，可以显著降低电弧炉冶炼的噪音， 减少噪声污染，同时也客降低弧光的强度。图2 - 4 是电弧使用泡沫渣和不使用泡 沫渣时的噪音比较。 加热时间( m i n ) 图2 - 4 加热过程噪音变化 f i g 2 - 4c h a n g eo f n o i s ew i t hh e a t i n gt i m ei nd i f f e r e n ts l a g 2 3 影响炉渣发泡性能的主要因素 泡沫渣的发泡程度主要取决于两个方面的原因，一是发泡现象的内因，即 熔渣的组成以及由组成决定的熔渣物理性质：二是外因，即促使熔渣发泡的气体 的来源和量的多少，以及形成新的渣一气界面所需能量的供应。决定和影响这两 方面的因素都会对熔渣发泡现象产生影响。 2 3 1 熔渣的组成 1 ) 氧化铁 渣中的氧化铁的含量对泡沫渣的发泡程度有较为明显的影响，主要影响熔渣 的物性和碳氧反应生成一氧化碳的反应速率，熔渣中充足的氧化铁含量有利于碳 氧反应的进行，可以保证产生c o 的速率，有利于熔渣的发泡。另外，随着渣中 上海大学硕士学位论文 氧化铁含量增加，可以降低熔渣的表面张力，有条件形成新的渣一气界面，所需 能量也将减少，从而使熔渣更易发泡。这些都直接影响熔渣的发泡程度。在碱度 ( c a o s i o ：) 为1 或3 附近时，随氧化铁含量的增加，熔渣的发泡程度减弱： 当碱度在2 附近时，氧化铁含量对发泡的影响较小口”。 也有研究显示，如图2 - 5 ，在吹氧量一定时，当氧化铁含量从2 0 增加到4 0 ， 发泡高度大约降低了3 4 t ：嘲。另外，在c a o - f e o - s i 0 2 一a 1 2 0 3 四元渣系中，当温度 和a 1 2 0 3 的含量一定时，随着氧化铁含量的增加，该四元渣系的粘度将降低。因 此与此四元渣系相似的熔渣将不易发泡【1 9 j 。 喜 一 链 妲 翅 捌 氧气流量( o h 。i ) 图2 - 5 氧气流量和渣中氧化铁对发泡程度的影响 f i g 2 - 5 e f f e c to fa m o u n to f o x y g e no nf o a m i n gs l a gh e i g h t 总的说来，氧化铁对熔渣发泡性能的影响比较复杂，所以它们之间不存在简 单的对应关系。 碱性炉渣中的氧化铁可以降低炉渣的表面张力。而相对于不锈钢冶炼，由于 铬较铁更易氧化，所以渣中的氧化铁的含量较低，一般只有l 5 ，而c r 2 0 ：，的 含量却较高，达到8 1 3 。因此，氧化铁对起泡程度的影响相对于一般钢种的冶 炼来说较弱。 2 ) 碱度 由图2 _ 6 可以看出，当碱度在某一范围时，熔渣具有最好的发泡性，坂尾弘 2 9 1 认为，在碱度的值为16 时，熔渣的发泡性能最好。只有在氧化铁为2 5 蛩j 上海大学硕士学位论文 4 0 时，最佳碱度才约为2 。p _ k o z a k e v i c h 等的研究表明 3 0 j ；若保持f e o 含量 不变，提高炉渣的碱度( 控制在2 0 左右) ，此时渣中会析出硅酸二钙和方镁石 等二次固相颗粒，使得熔渣的表观粘度增加，而气泡的上浮速度与粘度成反比， 粘度越高，气泡上浮越困难，将有利于泡沫渣的形成，这仅适用于碱度在l5 2 0 之间。因为在这个范围内，随着碱度增加的同时，炉渣粘度增加。而当碱度 从2 0 继续增加时，渣中2 c a o s i 0 2 组元向3 c a o s i 0 2 转变，渣中析出的第二相 固体微粒数量减少，炉渣粘度相对降低，发泡性能也随之变差【3 ”。 o 邑 趟 怛 罐 划 碱度 图2 - 6 熔渣碱度对发泡高度的影响”1 f i g 2 - 6 e f f e c to fb a s i c i t yo i lf o a m i n g s l a gh e i g h t j k e n e t 等9 3 1 研究了各种碱性氧化物对泡沫渣的影响。在低碱度渣中，加入 的少量碱性氧化物能促进泡沫渣形成。但随着加入量的增加，其作用减小直至抑 制泡沫渣生成。对于高碱度渣，加入碱性氧化物只会抑制泡沫渣。可见，碱度的 变化对泡沫渣的影响是较为复杂的。 3 ) c a f 2 由于c a f 2 广泛存在于各种用途的渣中，它对熔渣泡沫性能的影响在实际生 产中有着重要的意义。研究表明：对于还原4 5 c a 0 5 0 a 1 2 0 3 5 s 1 0 2 钢包渣， 若c a f 2 含量小于1 0 ，加入少量c a f 2 会使炉渣的泡沫指数略有升高。反之， 上海大学硕士学位论文 随c a f 2 含量的增加，泡沫的稳定性反而下降p 4 1 。这种变化并非直接由熔渣的物 性可以作出解释，因为c a t ：只有在较低的浓度下，对粘度的降低有显著作用； 当温度比较高而c a f ：含量又较大时，再增加c a f 2 ，不会对粘度有影响【3 ”，而该 熔渣的表面张力将下降。显然，泡沫指数随炉渣物性的改变规律不能和前述的规 律性相吻合，r o t h 推测该熔渣的稳定不仅仅由熔体的粘度和表面张力决定，可 能受到其它因素的影响，例如m a r a n g o n i 效应等 3 6 1 ，即表面张力驱动的流体流 动现蒙。图2 7 为熔渣中c a _ f 2 含量对起泡率的影响【3 7 1 。 熔渣中c a f ：的含量 图2 - 7c a f 2 含量对气泡率的影响 f i g 2 - 7 e f f e c to fa m o u n to fc a f 2o i lf o a m i n gr a t e c a f 2 在调整粘度上有显著作用，因为它引入的f 一能使复合阴离子解体。实 践证明，c a f 2 调整低碱度熔渣粘度的作用比c a o 等碱性氧化物的作用强，这是 因为c a f 2 比等能引入静电势较小而数量更多的、能使复合阴离子解体的f 。另 一方面，c a f 2 又能使高熔点氧化物，如c a o 、m g o 形成低熔点共晶体，提高熔 渣的均匀性，也使得粘度降低【2 1 。在