工程科学学报，第40卷，第9期：1017-1026,2018年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.9:1017-1026,September 2018 D0I:10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.001:http:/journals.ustb.e.cn 炼钢过程中合金减量化研究现状及展望 包燕平四，张超杰，王敏 北京科技大学钢铁治金新技术国家重点实验室，北京100083 ☒通信作者，E-mail:baoyp@usth.edu.cn 摘要综述了炼钢过程中合金减量化的研究现状，分别从合金的基本物理化学特征、合金的加入工艺和炼钢工艺三大方面 讨论了合金收得率的研究进展情况.重点介绍了合金粉化控制技术、合金在真空条件下的损失控制技术、合金的熔化控制技 术和合金替代技术的应用，为炼钢过程中的合金减量化研究提供借鉴.合金减量化技术的应用前景非常可观，合金的损失途 径和损失机理研究、合金的结构设计、合金的替代技术和合金的管理管控技术可以作为炼钢过程中合金减量化研究的重点 方向. 关键词炼钢：铁合金：减量化：收得率：耗量 分类号TF7 Situation and prospect on investigation of ferroalloy reduction during steelmaking BAO Yan-ping,ZHANG Chao-jie,WANG Min State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:baoyp@ustb.edu.cn ABSTRACT As China steel industry continues to face more prominent overcapacity and environmental pollution problems,reduction of ferroalloy continues to attract more attention as a cost reduction and efficiency improvement method.In this paper,the current re- search status of ferroalloy reduction was summarized.Advancements on ferroalloy reduction were discussed from three aspects:ferroal- loy physical and chemical characteristics,ferroalloy addition technique,and steelmaking process.The control technique of ferroalloy self-powdering,loss encountered under vacuum conditions during ferroalloy utilization,melting of ferroalloy in molten steel,and alter- native techniques were introduced.These techniques can serve as a reference for ferroalloy reduction during steelmaking.The shape, physical,and chemical properties as well as complex structure affect the yield of ferroalloy during steelmaking.The manner of ferroalloy addition,sequence and time of ferroalloy addition were summarized and contrasted.Self-powdering and bitterness-powdering of ferroal- loys are difficult problems during the utilization of these alloys,and should be controlled at the initial usage of ferroalloys.Powdered and volatile ferroalloys easily encounter loses under vacuum conditions,and better utilization can be realized by lowering the vacuum conditions,as it can lead to a low flow speed of the argon in the vacuum chamber and reduce the volatility rate of the elements in vola- tile ferroalloys.In addition,ferroalloys with different densities and granularities have different melting time and movement tracks.Large ferroalloys with a low density have a long melting time and easily float between molten steel and slag,which can cause ferroalloy oxida- tion.Therefore,the yields obtained using ferroalloys with different densities and granularities are different.Ferroalloys of different structures and granularities should be designed to optimize yields.The application of ferroalloy reduction techniques has extensive pros- pect.Investigation of the mechanism of ferroalloy loss,structural design of ferroalloys,as well as alternative techniques and control techniques should be key research areas in ferroalloy reduction during steelmaking. KEY WORDS steelmaking:ferroalloy:reduction:yield;consumption 收稿日期：2017-0801 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51404022)：钢铁治金新技术国家重点实验室自主基金资助项目(41614014)
工程科学学报，第 40 卷，第 9 期: 1017--1026，2018 年 9 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 40，No． 9: 1017--1026，September 2018 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2018． 09． 001; http: / /journals． ustb． edu． cn 炼钢过程中合金减量化研究现状及展望 包燕平，张超杰，王 敏 北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083 通信作者，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn 摘 要 综述了炼钢过程中合金减量化的研究现状，分别从合金的基本物理化学特征、合金的加入工艺和炼钢工艺三大方面 讨论了合金收得率的研究进展情况． 重点介绍了合金粉化控制技术、合金在真空条件下的损失控制技术、合金的熔化控制技 术和合金替代技术的应用，为炼钢过程中的合金减量化研究提供借鉴． 合金减量化技术的应用前景非常可观，合金的损失途 径和损失机理研究、合金的结构设计、合金的替代技术和合金的管理管控技术可以作为炼钢过程中合金减量化研究的重点 方向． 关键词 炼钢; 铁合金; 减量化; 收得率; 耗量 分类号 TF7 收稿日期: 2017--08--01 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 51404022) ; 钢铁冶金新技术国家重点实验室自主基金资助项目( 41614014) Situation and prospect on investigation of ferroalloy reduction during steelmaking BAO Yan-ping ，ZHANG Chao-jie，WANG Min State Key Laboratory of Advanced Metallurgy，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China Corresponding author，E-mail: baoyp@ ustb． edu． cn ABSTＲACT As China steel industry continues to face more prominent overcapacity and environmental pollution problems，reduction of ferroalloy continues to attract more attention as a cost reduction and efficiency improvement method． In this paper，the current research status of ferroalloy reduction was summarized． Advancements on ferroalloy reduction were discussed from three aspects: ferroalloy physical and chemical characteristics，ferroalloy addition technique，and steelmaking process． The control technique of ferroalloy self-powdering，loss encountered under vacuum conditions during ferroalloy utilization，melting of ferroalloy in molten steel，and alternative techniques were introduced． These techniques can serve as a reference for ferroalloy reduction during steelmaking． The shape， physical，and chemical properties as well as complex structure affect the yield of ferroalloy during steelmaking． The manner of ferroalloy addition，sequence and time of ferroalloy addition were summarized and contrasted． Self-powdering and bitterness-powdering of ferroalloys are difficult problems during the utilization of these alloys，and should be controlled at the initial usage of ferroalloys． Powdered and volatile ferroalloys easily encounter loses under vacuum conditions，and better utilization can be realized by lowering the vacuum conditions，as it can lead to a low flow speed of the argon in the vacuum chamber and reduce the volatility rate of the elements in volatile ferroalloys． In addition，ferroalloys with different densities and granularities have different melting time and movement tracks． Large ferroalloys with a low density have a long melting time and easily float between molten steel and slag，which can cause ferroalloy oxidation． Therefore，the yields obtained using ferroalloys with different densities and granularities are different． Ferroalloys of different structures and granularities should be designed to optimize yields． The application of ferroalloy reduction techniques has extensive prospect． Investigation of the mechanism of ferroalloy loss，structural design of ferroalloys，as well as alternative techniques and control techniques should be key research areas in ferroalloy reduction during steelmaking． KEY WOＲDS steelmaking; ferroalloy; reduction; yield; consumption
·1018 工程科学学报，第40卷，第9期 在炼钢过程中，铁合金是必不可少的原辅料，主 钢平均消耗量为168.4kg. 要用于脱氧和合金化.钢铁行业是铁合金的消费大 截止到2016年底，我国铁合金产能约为5800 户，炼钢过程中的铁合金消耗量占铁合金总消耗量 万t,品种分布如图2所示.在炼钢过程中各类铁合 的90%以上.当前我国钢铁行业产能过剩，处于关 金的收得率均比较低，如低合金钢用锰铁的收得率 键的转型时期，相应的炼钢过程中合金的应用也须 为84%~90%，硅铁的收得率为约82%网.用于脱 进行相应的技术改进，降本增效，减少合金的耗量， 氧的铝线收得率一般为25%~40%，用于合金化的 从合金使用的角度节约炼钢成本并提高钢质量 铝收得率为50%~70%，硅钙合金收得率一般为 目前炼钢用合金的收得率普遍不高，均具有较 10%~35%.如果将各类合金的收得率提高5%，则 大的提升空间.如脱氧用铝线的平均收得率不足 将节省相当可观的约130亿元的炼钢成本，如表1 50%,钙的收得率不足30%1习.不少学者针对不 所示.而且铁合金的生产是高耗能过程，烟尘、废渣 同种类合金在炼钢过程中的使用工艺和收得率进行 和废水等污染排放严重，减少炼钢过程中的合金耗 了研究，探索了不同的合金结构类型和使用工艺下 量还可以推动铁合金产量的降低，为节能减排做出 的合金收得率B-山.然而这些探索大部分仅停留在 贡献 工艺试验对比阶段，没有深入研究合金的损失途径 和损失机理，如合金在存储过程中的粉化和氧化损 失、合金加入钢液过程中的烧损和蒸发损失、合金在 155m 钢液中熔化运动过程的上浮烧损和气化逃逸损失 等.可见炼钢过程中合金减量化的研究尚有很多切 系合金 入点值得深入探索，只有明确合金在使用过程中的 I230万 212 损失途径和机理，才能有针对性地进行合金性能、合 金加入工艺和炼钢工艺的改进，减少合金损失以提 生采合金 1170万 高其收得率。因此，炼钢过程中的合金减量化具有 20.2% 广阔的研究前景和较高的应用价值 1 我国铁合金产量及消耗概况 图2不同种类铁合金的产能情况 Fig.2 Capacity of different kinds of ferroalloy 近10年我国铁合金产量、表观消费量和粗钢产 量情况如图1所示，可以看出我国铁合金产量与粗 表1合金收得率提高5%时可节省成本 钢产量呈较强的正相关性，并且近3年均趋于稳定. Table 1 Cost saving when improving yield of ferroalloy by 5% 其中2016年我国铁合金产量和消费量分别为3559 合金种类 消费量/万t单价/（元t1)节省成本/亿元 万t和3932万t,根据中国钢铁工业协会网站公布 锰系铁合金 1302 7000 45.6 的会员企业数据得知：国内67家钢厂长流程炼钢共 硅系铁合金 802 5000 20.0 42000万t钢的合金平均消耗量每吨钢为16.3kg, 铬系铁合金 411 10000 20.6 19家特钢企业短流程炼钢共1847万t钢的合金吨 镍系铁合金 843 70000 295.0 4500F 回铁合金产量 90000 其他合金 617 6000 18.5 4000 ☐铁合金消费量 3500 。一相钢产量 80000 3000 70000 2炼钢过程中合金减量化研究现状 2500 2000 60000 50000 炼钢过程中的合金耗量一方面取决于炼钢脱氧 1500 和合金化工艺所需的合金量，另一方面取决于合金 1000 40000 500 加入钢液的收得率.合金的减量化研究主要从减少 30000 合金在使用过程中的损耗、提高合金的收得率方面 年份 着手，影响合金收得率的主要因素有合金的基本理 图1我国铁合金产量和粗钢产量情况 化特征、合金的加入方式和炼钢工艺等，合金减量化 Fig.I Ferroalloy production and crude steel production in China 技术的研究路线可归纳为如图3所示
工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 在炼钢过程中，铁合金是必不可少的原辅料，主 要用于脱氧和合金化． 钢铁行业是铁合金的消费大 户，炼钢过程中的铁合金消耗量占铁合金总消耗量 的 90% 以上． 当前我国钢铁行业产能过剩，处于关 键的转型时期，相应的炼钢过程中合金的应用也须 进行相应的技术改进，降本增效，减少合金的耗量， 从合金使用的角度节约炼钢成本并提高钢质量． 目前炼钢用合金的收得率普遍不高，均具有较 大的提升空间． 如脱氧用铝线的平均收得率不足 50% ，钙的收得率不足 30%［1--2］． 不少学者针对不 同种类合金在炼钢过程中的使用工艺和收得率进行 了研究，探索了不同的合金结构类型和使用工艺下 的合金收得率［3--11］． 然而这些探索大部分仅停留在 工艺试验对比阶段，没有深入研究合金的损失途径 和损失机理，如合金在存储过程中的粉化和氧化损 失、合金加入钢液过程中的烧损和蒸发损失、合金在 钢液中熔化运动过程的上浮烧损和气化逃逸损失 等． 可见炼钢过程中合金减量化的研究尚有很多切 入点值得深入探索，只有明确合金在使用过程中的 损失途径和机理，才能有针对性地进行合金性能、合 金加入工艺和炼钢工艺的改进，减少合金损失以提 高其收得率． 因此，炼钢过程中的合金减量化具有 广阔的研究前景和较高的应用价值． 图 1 我国铁合金产量和粗钢产量情况 Fig． 1 Ferroalloy production and crude steel production in China 1 我国铁合金产量及消耗概况 近 10 年我国铁合金产量、表观消费量和粗钢产 量情况如图 1 所示，可以看出我国铁合金产量与粗 钢产量呈较强的正相关性，并且近 3 年均趋于稳定． 其中 2016 年我国铁合金产量和消费量分别为 3559 万 t 和 3932 万 t，根据中国钢铁工业协会网站公布 的会员企业数据得知: 国内 67 家钢厂长流程炼钢共 42000 万 t 钢的合金平均消耗量每吨钢为 16. 3 kg， 19 家特钢企业短流程炼钢共 1847 万 t 钢的合金吨 钢平均消耗量为 168. 4 kg． 截止到 2016 年底，我国铁合金产能约为 5800 万 t，品种分布如图 2 所示． 在炼钢过程中各类铁合 金的收得率均比较低，如低合金钢用锰铁的收得率 为 84% ～ 90% ，硅铁的收得率为约 82%［12］． 用于脱 氧的铝线收得率一般为 25% ～ 40% ，用于合金化的 铝收得率为 50% ～ 70% ，硅钙合金收得率一般为 10% ～ 35% ． 如果将各类合金的收得率提高 5% ，则 将节省相当可观的约 130 亿元的炼钢成本，如表 1 所示． 而且铁合金的生产是高耗能过程，烟尘、废渣 和废水等污染排放严重，减少炼钢过程中的合金耗 量还可以推动铁合金产量的降低，为节能减排做出 贡献． 图 2 不同种类铁合金的产能情况 Fig． 2 Capacity of different kinds of ferroalloy 表 1 合金收得率提高 5% 时可节省成本 Table 1 Cost saving when improving yield of ferroalloy by 5% 合金种类 消费量/万 t 单价/( 元·t － 1 ) 节省成本/亿元 锰系铁合金 1302 7000 45. 6 硅系铁合金 802 5000 20. 0 铬系铁合金 411 10000 20. 6 镍系铁合金 843 70000 295. 0 其他合金 617 6000 18. 5 2 炼钢过程中合金减量化研究现状 炼钢过程中的合金耗量一方面取决于炼钢脱氧 和合金化工艺所需的合金量，另一方面取决于合金 加入钢液的收得率． 合金的减量化研究主要从减少 合金在使用过程中的损耗、提高合金的收得率方面 着手，影响合金收得率的主要因素有合金的基本理 化特征、合金的加入方式和炼钢工艺等，合金减量化 技术的研究路线可归纳为如图 3 所示． · 8101 ·
包燕平等：炼钢过程中合金减量化研究现状及展望 ·1019· 合金的形态 浮逃逸，导致合金收得率低. 减少合金损失 近年来治金工作者也从合金本身的理化性能方 合金的基本特征 合金的理化特征 面进行了一定的研究，力求提高合金收得率21 合金的复合结构 Brovko等☒进行了使用密度较高的锰硅合金取代 程中 提 合金的加人方式 人 高合 部分硅铁和全部高碳锰铁治炼低合金钢的现场试 验，结果发现硅的收得率由83%提高到了85%，锰 合金的加人工艺 合金的加人顺序 得 的收得率由90%提高到了93.5%.蒋汉祥等a进 技术 合金的加人时机 行了钒渣代替钒铁直接合金化冶炼ZG20CMOV钢 低炼 的理论和工艺研究，发现钒渣的碱度、还原剂、粒度、 究 大数据分析 炼钢工艺 温度等理化特征均对合金元素的收得率有一定 炼钢工艺参数 影响. 图3合金减量化技术的研究路线图 2.1.3合金的复合结构 Fig.3 Research approaches of ferroalloy reduction technology 单一元素的合金脱氧效果有限，脱氧产物的去 除缓慢，并且多数合金受密度限制不易充分进入钢 2.1合金的基本特征的影响 液熔化.采用两种或者多种元素组成复合合金能较 2.1.1合金的形态 好地促进脱氧产物去除，并且通过设计合金的结构 不同种类合金的形态主要有块状、线状、粉状甚 调整合金密度，还能使合金更好地进入钢液内部充 至液态状，合金形态的不同决定了其加入的钢液方 分熔化，减少合金的烧损. 式和收得率不同.如铝系合金有铝线和铝块，甚至 己有不少学者针对复合合金的脱氧效果和合金 部分钢厂还采用铝锭进行脱氧和合金化. 收得率进行了研究-2.Gasik等u研究了合金洁 一般来说线状合金的收得率比块状合金高，并 净度包括O、N、C和S元素含量与钢质量的关系 且有学者进行了对比试验).李建军研究了分 张朝晖等开展了钙基复合脱氧剂和SiAlFe脱氧 别向钢包中投铝块和喂铝线条件下的铝的收得率， 剂在转炉出钢过程中的工业试验，发现前者比后者 发现投铝块炉次铝的平均收得率为15.8%，而喂铝 Si、Mn收得率分别提高了1.78%和0.68%.宋波 线炉次铝的平均收得率为67.5%.傅余东同也对比 等图通过试验研究发现复合添加Al和SiMg合金 研究了低碳低硅钢冶炼过程采用喂线和出钢过程投 可以降低Mg的蒸发速率，提高镁合金的收得率.王 铝块或含铝复合脱氧剂两种不同方法下铝的收得 志刚等对比研究了在100tLF炉喂实心纯钙线 率，发现投铝块炉次铝的平均收得率为16.3%，喂 和粉末状硅钙线工艺，结果发现纯钙线的收得率更 铝线炉次铝的平均收得率为42.6%. 高，冶金效果好 2.1.2合金的理化特征 2.2合金加入工艺的影响 合金的密度、强度、粉化性和蒸汽压等理化特征 2.2.1合金的加入方式 都会直接或者间接地影响合金的收得率.如密度小 合金加入钢液的方式主要有投料、喂线、喷粉 的合金加入钢液后会在熔化完之前上浮至钢渣界面 等，不同的加入方式适用于不同种类和特点的合金， 或者钢液面造成烧损：强度低或者易粉化的合金在 如表2所示.同一种合金在不同加入方式下的收得 储存和运输过程中会产生大量的粉末造成合金的损 率不同，并且采用同一种加入方式时，合金的收得率 失：蒸汽压高的合金在加入钢液后易气化并迅速上 也随着加入工艺参数的不同而不同. 表2合金的主要加入方式及特点 Table 2 Ferroalloy adding modes and characteristics 合金加入方式 适用的合金类型 合金收得率 成本 应用情况 投料 溶解度大、密度大、蒸汽压低的块状合金，如锰系、硅收得率有限，因合金而异 料仓设备投资较高，合金 非常广泛 系合金、钛铁、铬铁、铌铁等 且有一定波动 制作成本小 溶解度有限、密度小、蒸汽压高的合金，如铝线、钙 设备轻便、投资少、占空间 喂线 收得率比投料高且稳定 非常广泛 线、硅钙线等 小、灵活性较大 溶解度有限、密度小、蒸汽压高的合金，如硅钙粉、氧收得率高且稳定，能精确 设备简单，投资较少，灵活 喷粉 比较广泛 化钙粉、铝粉等 控制钢液合金成分 性大
包燕平等: 炼钢过程中合金减量化研究现状及展望 图 3 合金减量化技术的研究路线图 Fig． 3 Ｒesearch approaches of ferroalloy reduction technology 2. 1 合金的基本特征的影响 2. 1. 1 合金的形态 不同种类合金的形态主要有块状、线状、粉状甚 至液态状，合金形态的不同决定了其加入的钢液方 式和收得率不同． 如铝系合金有铝线和铝块，甚至 部分钢厂还采用铝锭进行脱氧和合金化． 一般来说线状合金的收得率比块状合金高，并 且有学者进行了对比试验［13］． 李建军［14］研究了分 别向钢包中投铝块和喂铝线条件下的铝的收得率， 发现投铝块炉次铝的平均收得率为 15. 8% ，而喂铝 线炉次铝的平均收得率为 67. 5% ． 傅余东［3］也对比 研究了低碳低硅钢冶炼过程采用喂线和出钢过程投 铝块或含铝复合脱氧剂两种不同方法下铝的收得 率，发现投铝块炉次铝的平均收得率为 16. 3% ，喂 铝线炉次铝的平均收得率为 42. 6% ． 2. 1. 2 合金的理化特征 合金的密度、强度、粉化性和蒸汽压等理化特征 都会直接或者间接地影响合金的收得率． 如密度小 的合金加入钢液后会在熔化完之前上浮至钢渣界面 或者钢液面造成烧损; 强度低或者易粉化的合金在 储存和运输过程中会产生大量的粉末造成合金的损 失; 蒸汽压高的合金在加入钢液后易气化并迅速上 浮逃逸，导致合金收得率低． 近年来冶金工作者也从合金本身的理化性能方 面进行了一定的研究，力求提高合金收得率［12，15］． Brovko 等［12］进行了使用密度较高的锰硅合金取代 部分硅铁和全部高碳锰铁冶炼低合金钢的现场试 验，结果发现硅的收得率由 83% 提高到了 85% ，锰 的收得率由 90% 提高到了 93. 5% ． 蒋汉祥等［16］进 行了钒渣代替钒铁直接合金化冶炼 ZG20CrMOV 钢 的理论和工艺研究，发现钒渣的碱度、还原剂、粒度、 温度等理化特征均对合金元素的收得率有一定 影响． 2. 1. 3 合金的复合结构 单一元素的合金脱氧效果有限，脱氧产物的去 除缓慢，并且多数合金受密度限制不易充分进入钢 液熔化． 采用两种或者多种元素组成复合合金能较 好地促进脱氧产物去除，并且通过设计合金的结构 调整合金密度，还能使合金更好地进入钢液内部充 分熔化，减少合金的烧损． 已有不少学者针对复合合金的脱氧效果和合金 收得率进行了研究［17--23］． Gasik 等［21］研究了合金洁 净度包括 O、N、C 和 S 元素含量与钢质量的关系． 张朝晖等［17］开展了钙基复合脱氧剂和 SiAlFe 脱氧 剂在转炉出钢过程中的工业试验，发现前者比后者 Si、Mn 收得率分别提高了 1. 78% 和 0. 68% ． 宋波 等［18］通过试验研究发现复合添加 Al 和 SiMg 合金 可以降低 Mg 的蒸发速率，提高镁合金的收得率． 王 志刚等［19］对比研究了在 100 t LF 炉喂实心纯钙线 和粉末状硅钙线工艺，结果发现纯钙线的收得率更 高，冶金效果好． 2. 2 合金加入工艺的影响 2. 2. 1 合金的加入方式 合金加入钢液的方式主要有投料、喂线、喷粉 等，不同的加入方式适用于不同种类和特点的合金， 如表 2 所示． 同一种合金在不同加入方式下的收得 率不同，并且采用同一种加入方式时，合金的收得率 也随着加入工艺参数的不同而不同． 表 2 合金的主要加入方式及特点 Table 2 Ferroalloy adding modes and characteristics 合金加入方式 适用的合金类型 合金收得率 成本 应用情况 投料 溶解度大、密度大、蒸汽压低的块状合金，如锰系、硅 系合金、钛铁、铬铁、铌铁等 收得率有限，因合金而异 且有一定波动 料仓设备投资较高，合金 制作成本小 非常广泛 喂线 溶解度有限、密度小、蒸汽压高的合金，如铝线、钙 线、硅钙线等 收得率比投料高且稳定 设备轻便、投资少、占空间 小、灵活性较大 非常广泛 喷粉 溶解度有限、密度小、蒸汽压高的合金，如硅钙粉、氧 化钙粉、铝粉等 收得率高且稳定，能精确 控制钢液合金成分 设备简单，投资较少，灵活 性大 比较广泛 · 9101 ·
·1020 工程科学学报，第40卷，第9期 投料是应用非常广泛的合金加入方式，操作简 合金的加入时机不仅影响合金的收得率，而且 单，对合金的制作要求低.但是投料方式加入钢液 还影响夹杂物和钢的质量.李澍网针对硫元素有 的合金收得率受其密度的影响较大，不易控制.投 范围要求的车轮钢的治炼工艺进行了研究，发现控 料方式主要包括通过料仓将合金加入钢液和通过天 制硫线的喂入时机可以得到可浇性好、硫化物级别 车或者现场操作工直接将合金加入钢液.由于投料 低的钢液.岳铁莹等通过大量生产实践，对150t 方式加入合金的传统性和难控制性等原因，关于投 AHF炉外精炼参数包括合金加入时机及加入量、喂 料方式向钢液中加合金的研究较少.宿永波而通过 线参数控制等进行了优化，提高了钢成分的控制精度. 现场试验研究发现使用体积较小的铝块脱氧，比使 2.3炼钢工艺的影响 用铝锭脱氧熔化快、烧损少、钢水成分稳定 炼钢工艺决定了加合金前钢液的状态参数如钢 喂线技术由于投资少、占地少、设备轻便等特点 液氧含量、温度、钢渣的状态和加合金过程的钢液处 从20世纪80年代末开始迅速发展并得到广泛的研 理状态，这些因素均会影响脱氧和合金化用合金的 究和应用，24一.随着对钢洁净度水平要求的提 收得率.有学者采用BP神经网络和支持向量机等 高，钢水精炼过程中的喂钙线技术得到了深入的研 数据分析的方法研究了炼钢工艺参数对合金收得率 究·，7，同时含镁包芯线喂线脱硫及控制夹杂物 的影响6，M一.张思源等通过数理统计和BP神 技术也得到了不断的研究00 经网络相结合的方法针对F钢精炼过程铝耗的影 喷粉是用惰性气体作为载体将粉状合金喷射到 响参数进行了研究，发现RH进站钢液温度、RH进 钢液中的技术，20世纪70年代逐渐得到发展，80年 站氧活度、吹氧量和脱碳结束氧活度等工艺参数均 代开始在国内得到广泛的关注和研究2.钢包 对铝耗有一定的影响.韩敏等园使用支持向量机针 喷粉技术能大幅降低钢液中的硫含量，因此得到了 对转炉出钢过程的脱氧合金化所需的合金消耗量进 广大学者的深入研究和应用4-，另外也有学者针 行了研究，建立了出钢合金化过程中合金收得率的 对钢包喷粉的不锈钢脱磷效果进行了研究6切 预测模型，认为终点溶解氧含量、温度、碳含量、锰、 2.2.2合金的加入顺序 硫、磷含量等均影响合金的收得率.徐喆与毛志 脱氧合金的加入顺序对脱氧效率和脱氧产物的 忠的使用支持向量机方法建立了钢包精炼炉的元 去除有重要影响，一般根据脱氧剂的脱氧能力强弱 素收得率预报模型，认为影响合金元素氧化的主要 按顺序先后加入，有研究认为脱氧剂的加入顺序不 因素有钢液氧活度、钢渣氧活度、钢渣碱度、加入合 同对夹杂物的形成和粒径具有影响.陆长河等网 金料之后的吹氩搅拌效果、钢液温度、合金化时间等 对超高功率电弧炉生产轴承钢的预脱氧工艺过程进 工艺参数 行了研究，发现在出钢过程中改变合金化顺序，可以 也有学者通过试验的方法研究了炼钢工艺参数 降低脱氧剂铝的用量.张永启阿研究了镁处理在 对合金收得率的影响D,6一”.张晨6研究了钢包 硅锰脱氧钢中的应用，发现钢液中合金添加顺序密 精炼条件下各种工艺参数对VN合金收得率的影 切影响夹杂物的形成方式.Ohta与Suito研究发 响，发现氧势是影响VN合金收得率的关键因素. 现Mg、A!的加入顺序对钢液中夹杂物的粒径具有 黄飞可针对治炼25Cr2Ni4MoV时钢液中碳含量、温 一定影响 度及钢液还原时间对钒收得率的影响进行了研究， 2.2.3合金的加入时机 发现钢液中的碳含量对钒收得率起主要影响作用. 合金加入钢液的时间和不同合金分别加入钢液 魏春新等阿研究了ANS-OB钢包精炼过程钢液脱 的时间间隔均会影响合金的收得率.王建新与陈兴 氧度、底吹氩气压力和钢液温度等因素对合金收得 润研究了1I0tAOD炉中添加氧化钼球的加入 率的影响，认为ANS-OB精炼工艺参数的控制对合 量、加入时机对钼收得率的影响，发现在不同阶段加 金收得率的影响很大 入氧化钼球的收得率不同.合金化过程一般在脱氧 3炼钢过程中合金减量化技术的几点应用 之后，为了保证合金化用合金的收得率，应保证合金 化与脱氧之间的时间间隔.如F钢精炼过程合金 3.1合金粉化控制技术 化用Ti、Mn合金应在Al加入一定时间后，王敏 合金在存储或者运输过程中有些会发生不同程 等四针对F钢的现场生产数据进行了分析，认为 度的粉化现象，严重影响合金的正常使用.如铝渣 Al、Ti合金加入时间间隔大于3min,可以保证Ti的 球、铝铁、硅铁等合金在存储过程中会发生自然粉 收得率大于85%. 化，如图4所示
工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 投料是应用非常广泛的合金加入方式，操作简 单，对合金的制作要求低． 但是投料方式加入钢液 的合金收得率受其密度的影响较大，不易控制． 投 料方式主要包括通过料仓将合金加入钢液和通过天 车或者现场操作工直接将合金加入钢液． 由于投料 方式加入合金的传统性和难控制性等原因，关于投 料方式向钢液中加合金的研究较少． 宿永波［4］通过 现场试验研究发现使用体积较小的铝块脱氧，比使 用铝锭脱氧熔化快、烧损少、钢水成分稳定． 喂线技术由于投资少、占地少、设备轻便等特点 从 20 世纪 80 年代末开始迅速发展并得到广泛的研 究和应用［2，24--26］． 随着对钢洁净度水平要求的提 高，钢水精炼过程中的喂钙线技术得到了深入的研 究［1，27--29］，同时含镁包芯线喂线脱硫及控制夹杂物 技术也得到了不断的研究［30--31］． 喷粉是用惰性气体作为载体将粉状合金喷射到 钢液中的技术，20 世纪 70 年代逐渐得到发展，80 年 代开始在国内得到广泛的关注和研究［32--33］． 钢包 喷粉技术能大幅降低钢液中的硫含量，因此得到了 广大学者的深入研究和应用［34--35］，另外也有学者针 对钢包喷粉的不锈钢脱磷效果进行了研究［36--37］． 2. 2. 2 合金的加入顺序 脱氧合金的加入顺序对脱氧效率和脱氧产物的 去除有重要影响，一般根据脱氧剂的脱氧能力强弱 按顺序先后加入，有研究认为脱氧剂的加入顺序不 同对夹杂物的形成和粒径具有影响． 陆长河等［38］ 对超高功率电弧炉生产轴承钢的预脱氧工艺过程进 行了研究，发现在出钢过程中改变合金化顺序，可以 降低脱氧剂铝的用量． 张永启［39］研究了镁处理在 硅锰脱氧钢中的应用，发现钢液中合金添加顺序密 切影响夹杂物的形成方式． Ohta 与 Suito［40］研究发 现 Mg、Al 的加入顺序对钢液中夹杂物的粒径具有 一定影响． 2. 2. 3 合金的加入时机 合金加入钢液的时间和不同合金分别加入钢液 的时间间隔均会影响合金的收得率． 王建新与陈兴 润［41］研究了 110 t AOD 炉中添加氧化钼球的加入 量、加入时机对钼收得率的影响，发现在不同阶段加 入氧化钼球的收得率不同． 合金化过程一般在脱氧 之后，为了保证合金化用合金的收得率，应保证合金 化与脱氧之间的时间间隔． 如 IF 钢精炼过程合金 化用 Ti、Mn 合 金 应 在 Al 加 入 一 定 时 间 后，王 敏 等［42］针对 IF 钢的现场生产数据进行了分析，认为 Al、Ti 合金加入时间间隔大于 3 min，可以保证 Ti 的 收得率大于 85% ． 合金的加入时机不仅影响合金的收得率，而且 还影响夹杂物和钢的质量． 李澍［43］针对硫元素有 范围要求的车轮钢的冶炼工艺进行了研究，发现控 制硫线的喂入时机可以得到可浇性好、硫化物级别 低的钢液． 岳铁莹等［5］通过大量生产实践，对 150 t AHF 炉外精炼参数包括合金加入时机及加入量、喂 线参数控制等进行了优化，提高了钢成分的控制精度． 2. 3 炼钢工艺的影响 炼钢工艺决定了加合金前钢液的状态参数如钢 液氧含量、温度、钢渣的状态和加合金过程的钢液处 理状态，这些因素均会影响脱氧和合金化用合金的 收得率． 有学者采用 BP 神经网络和支持向量机等 数据分析的方法研究了炼钢工艺参数对合金收得率 的影响［6，44--45］． 张思源等［44］通过数理统计和 BP 神 经网络相结合的方法针对 IF 钢精炼过程铝耗的影 响参数进行了研究，发现 ＲH 进站钢液温度、ＲH 进 站氧活度、吹氧量和脱碳结束氧活度等工艺参数均 对铝耗有一定的影响． 韩敏等［6］使用支持向量机针 对转炉出钢过程的脱氧合金化所需的合金消耗量进 行了研究，建立了出钢合金化过程中合金收得率的 预测模型，认为终点溶解氧含量、温度、碳含量、锰、 硫、磷含量等均影响合金的收得率． 徐喆与毛志 忠［45］使用支持向量机方法建立了钢包精炼炉的元 素收得率预报模型，认为影响合金元素氧化的主要 因素有钢液氧活度、钢渣氧活度、钢渣碱度、加入合 金料之后的吹氩搅拌效果、钢液温度、合金化时间等 工艺参数． 也有学者通过试验的方法研究了炼钢工艺参数 对合金收得率的影响［7，46--47］． 张晨［46］研究了钢包 精炼条件下各种工艺参数对 VN 合金收得率的影 响，发现氧势是影响 VN 合金收得率的关键因素． 黄飞［7］针对冶炼 25Cr2Ni4MoV 时钢液中碳含量、温 度及钢液还原时间对钒收得率的影响进行了研究， 发现钢液中的碳含量对钒收得率起主要影响作用． 魏春新等［47］研究了 ANS--OB 钢包精炼过程钢液脱 氧度、底吹氩气压力和钢液温度等因素对合金收得 率的影响，认为 ANS--OB 精炼工艺参数的控制对合 金收得率的影响很大． 3 炼钢过程中合金减量化技术的几点应用 3. 1 合金粉化控制技术 合金在存储或者运输过程中有些会发生不同程 度的粉化现象，严重影响合金的正常使用． 如铝渣 球、铝铁、硅铁等合金在存储过程中会发生自然粉 化，如图 4 所示． · 0201 ·
包燕平等：炼钢过程中合金减量化研究现状及展望 ·1021· d 图4合金在地下料仓存储的照片.(a,b)铝渣球：(c,d)铝铁 Fig.4 Photos of ferroalloy storage in underground warehouse:(a,b)aluminum slag ball:(c,d)Al-Fe alloy 块状的脆性合金在一定力度的撞击和摩擦作用 下会粉碎为较小块状、小颗粒状和粉末状.一般情 料仓 况下，合金在进入钢液前的运输过程中难免会受到 不同程度的撞击、挤压和摩擦等力的作用.图5所 示为某厂RH精炼用合金的上料运输过程示意图， 混料器 合金仓库 合金从仓库到进入钢液前存在多次一定高度的垂直 8-12m 落下过程.通过落下试验模拟合金上料运输过程得 地下 4-6m 料仓 到微碳锰铁因上料运输导致的粉化情况如图6所 示.因此，须从不同角度采取措施控制合金的粉化， 提高其收得率。 图5RH精炼用合金上料运输过程示意图 易自然粉化合金的粉化率随储存时间延长而增 Fig.5 Schematic of charging transportation process of feroalloy in 大，对于铝渣球、铝铁、硅铁等易自然粉化合金应严 RH refining 格控制合金的购入量和存储时间，减少粉化率.对 收得率低，合金的粉化现象也一直是各炼钢厂遇到 于微碳锰铁等脆性合金，一方面应采取措施减少合 的棘手问题.从源头控制合金的基本理化性能，预 金上料运输过程中的冲击作用，如保持料仓高仓位 防并减少合金的粉化率，才能有效地提高易粉化合 等：另一方面应加强对合金自身强度的控制，完善合 金的收得率，节约炼钢成本 金购入标准.如通过转鼓试验对转鼓前后的合金粒 3.2合金在真空条件下的损失控制技术 度进行检测分析，建立指标评价合金的抗冲击性和 合金在加入真空处理钢液的过程中容易发生蒸 耐磨性，制定标准控制入厂合金的理化性能. 发损失或者真空室气流带走损失.如在F钢治炼 在炼钢过程中，粉末状合金的使用难度大而且 过程中加铝、锰、钛系合金时，部分铝和锰系合金在
包燕平等: 炼钢过程中合金减量化研究现状及展望 图 4 合金在地下料仓存储的照片． ( a，b) 铝渣球; ( c，d) 铝铁 Fig． 4 Photos of ferroalloy storage in underground warehouse: ( a，b) aluminum slag ball; ( c，d) Al--Fe alloy 块状的脆性合金在一定力度的撞击和摩擦作用 下会粉碎为较小块状、小颗粒状和粉末状． 一般情 况下，合金在进入钢液前的运输过程中难免会受到 不同程度的撞击、挤压和摩擦等力的作用． 图 5 所 示为某厂 ＲH 精炼用合金的上料运输过程示意图， 合金从仓库到进入钢液前存在多次一定高度的垂直 落下过程． 通过落下试验模拟合金上料运输过程得 到微碳锰铁因上料运输导致的粉化情况如图 6 所 示． 因此，须从不同角度采取措施控制合金的粉化， 提高其收得率． 易自然粉化合金的粉化率随储存时间延长而增 大，对于铝渣球、铝铁、硅铁等易自然粉化合金应严 格控制合金的购入量和存储时间，减少粉化率． 对 于微碳锰铁等脆性合金，一方面应采取措施减少合 金上料运输过程中的冲击作用，如保持料仓高仓位 等; 另一方面应加强对合金自身强度的控制，完善合 金购入标准． 如通过转鼓试验对转鼓前后的合金粒 度进行检测分析，建立指标评价合金的抗冲击性和 耐磨性，制定标准控制入厂合金的理化性能． 在炼钢过程中，粉末状合金的使用难度大而且 图 5 ＲH 精炼用合金上料运输过程示意图 Fig． 5 Schematic of charging transportation process of ferroalloy in ＲH refining 收得率低，合金的粉化现象也一直是各炼钢厂遇到 的棘手问题． 从源头控制合金的基本理化性能，预 防并减少合金的粉化率，才能有效地提高易粉化合 金的收得率，节约炼钢成本． 3. 2 合金在真空条件下的损失控制技术 合金在加入真空处理钢液的过程中容易发生蒸 发损失或者真空室气流带走损失． 如在 IF 钢冶炼 过程中加铝、锰、钛系合金时，部分铝和锰系合金在 · 1201 ·
·1022 工程科学学报，第40卷，第9期 水冷弯头 冷器 -饭气 图6合金现场落下试验 图7RH真空管道易积灰位置示意图 Fig.6 Falling experiment of ferroalloy Fig.7 Schematic of dust accumulation locations in RH vacuum pipe- line 钢液表面熔化后在真空条件下易蒸发损失：锰铁和 钛铁的粉末状合金在加入钢液的过程中易被RH真 和压力变化的情况，可以看出钙、锰和铝的饱和蒸汽 空室内向上的气流带入真空管道造成损失.图7所 压较高.精炼F钢加合金时的真空度一般为67Pa 示为RH真空管道易积灰位置示意图，针对某厂用 以下，在此条件下加入钢液的铝和锰易因在钢液表 于F钢冶炼的RH炉的真空管道积灰量大的位置 面熔化并在钢液面局部富集而导致一定程度的蒸发 如水冷弯头、气冷器、B1~B3泵等处的管道灰进行 损失 了检测，发现管道灰的主要成分为铁、锰和铝元素的 降低RH加合金过程的真空度一方面可以减少 氧化物，因此可以认为合金在加入H钢液的过程 合金的蒸发损失，另一方面还能减小加合金过程真 中会发生损失进入真空管道. 空室内的气体流速，减少被抽入真空管道的合金粉 为研究粉末状的合金在加入RH钢液的过程中 末量.在某厂进行了F钢治炼过程加合金时降低 被向上的氩气流带入真空管道的损失机理，针对加 H真空度的现场试验，结果表明微碳锰铁的收得 合金过程真空室内的气体流场进行了数值模拟，如 率提高了7.0%. 图8所示.根据真空室内的气体流速和合金的粒度 3.3合金加入钢液后的运动和熔化控制技术 特征，可以计算出不同类型的细颗粒及粉末状合金 合金在加入钢液后的熔化时间和运动轨迹对合 在加料口附近和真空室内的受力情况，得到合金在 金的收得率有重要影响，合金加入钢液后的熔化和 真空条件下加料过程中被抽入真空管道的临界粒 运动过程主要取决于合金的密度、粒度、熔化特性和 度，并据此控制合金的粉末粒度和真空条件，提高合 钢液的运动状态，不同种类合金的熔化和运动情况 金收得率 不同，收得率不同 液态金属的蒸发速率随压力的降低而增大，在 由于合金温度远低于钢液温度，因此合金加入 一定温度和压力下金属的饱和蒸汽压越高，蒸发速 钢液后其周围会先形成一定厚度的钢壳，待钢壳逐 率越大.图9所示为不同金属的饱和蒸汽压随温度 渐熔化后合金才能进入钢液，如图10所示.为了研 速度八m·s 300 真空管道 285 270 255 210 195 6 150 图8RH真空室内气体流场的数值模拟 Fig.8 Numerical simulation of gas flow field in RH vacuum chamber
工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 图 6 合金现场落下试验 Fig． 6 Falling experiment of ferroalloy 钢液表面熔化后在真空条件下易蒸发损失; 锰铁和 钛铁的粉末状合金在加入钢液的过程中易被 ＲH 真 空室内向上的气流带入真空管道造成损失． 图 7 所 示为 ＲH 真空管道易积灰位置示意图，针对某厂用 于 IF 钢冶炼的 ＲH 炉的真空管道积灰量大的位置 如水冷弯头、气冷器、B1 ～ B3 泵等处的管道灰进行 了检测，发现管道灰的主要成分为铁、锰和铝元素的 氧化物，因此可以认为合金在加入 ＲH 钢液的过程 中会发生损失进入真空管道． 图 8 ＲH 真空室内气体流场的数值模拟 Fig． 8 Numerical simulation of gas flow field in ＲH vacuum chamber 为研究粉末状的合金在加入 ＲH 钢液的过程中 被向上的氩气流带入真空管道的损失机理，针对加 合金过程真空室内的气体流场进行了数值模拟，如 图 8 所示． 根据真空室内的气体流速和合金的粒度 特征，可以计算出不同类型的细颗粒及粉末状合金 在加料口附近和真空室内的受力情况，得到合金在 真空条件下加料过程中被抽入真空管道的临界粒 度，并据此控制合金的粉末粒度和真空条件，提高合 金收得率． 液态金属的蒸发速率随压力的降低而增大，在 一定温度和压力下金属的饱和蒸汽压越高，蒸发速 率越大． 图 9 所示为不同金属的饱和蒸汽压随温度 图 7 ＲH 真空管道易积灰位置示意图 Fig． 7 Schematic of dust accumulation locations in ＲH vacuum pipeline 和压力变化的情况，可以看出钙、锰和铝的饱和蒸汽 压较高． 精炼 IF 钢加合金时的真空度一般为 67 Pa 以下，在此条件下加入钢液的铝和锰易因在钢液表 面熔化并在钢液面局部富集而导致一定程度的蒸发 损失． 降低 ＲH 加合金过程的真空度一方面可以减少 合金的蒸发损失，另一方面还能减小加合金过程真 空室内的气体流速，减少被抽入真空管道的合金粉 末量． 在某厂进行了 IF 钢冶炼过程加合金时降低 ＲH 真空度的现场试验，结果表明微碳锰铁的收得 率提高了 7. 0% ． 3. 3 合金加入钢液后的运动和熔化控制技术 合金在加入钢液后的熔化时间和运动轨迹对合 金的收得率有重要影响，合金加入钢液后的熔化和 运动过程主要取决于合金的密度、粒度、熔化特性和 钢液的运动状态，不同种类合金的熔化和运动情况 不同，收得率不同． 由于合金温度远低于钢液温度，因此合金加入 钢液后其周围会先形成一定厚度的钢壳，待钢壳逐 渐熔化后合金才能进入钢液，如图 10 所示． 为了研 · 2201 ·
包燕平等：炼钢过程中合金减量化研究现状及展望 ·1023· 1 中得到冰块的熔化时间，然后根据相似原理得到 10 0 RH钢液的湍流导热系数，并将其用于合金加入钢 10 0P 液熔化过程的数值模拟，得到不同合金的熔化时间. 10 为研究不同密度的合金加入钢液后的运动轨迹，制 E 作了与水不同密度比的块状固体，如图11(b)所示 -Mn 103 分别将不同密度的块状固体加入RH水模型中观察 10-【 103 其运动轨迹，发现不同密度材料的运动轨迹不同. 10 ◆-Fe 如材料和水的密度比跟高钛钛铁和钢液的密度比接 107k 100011001200130014001500160017001800 近时，其运动轨迹主要为：材料在湍流作用下通过下 温度℃ 降管进入钢包水模型一定深度，然后上浮至下降管 图9不同金属的饱和蒸汽压 底部或者钢包水模型液面. Fig.9 Saturated vapor pressure of different metals 所以可以认为钛铁加入钢液后也会先通过下降 究不同类型的合金加入RH钢液后的运动轨迹，采 管进入钢液一定深度，之后如果钛铁还没完全熔化 用数值模拟和水模型试验的方法针对合金加入钢液 则会逐渐上浮，甚至上浮并停留至钢渣界面直至完 后的熔化过程和运动轨迹进行了探索，图11所示为 全熔化.根据水模型得到的材料上浮至液面的时间 水模型试验装置和部分结果示意图 和水模型相似比得到钛铁加入RH钢液后上浮至钢 钢壳 渣界面的时间，然后结合钛铁在RH钢液中熔化过 合金一固相 程的数值模拟得到对应的临界钛铁粒度.应控制钛 铁粒度小于临界粒度以避免钛铁上浮至钢渣界面发 生烧损.据此在某厂生产现场进行了对比试验，结 时间 果表明控制钛铁粒度小于临界粒度后，钛铁的收得 率提高了4.6%. 为了避免合金加入钢液后与钢渣或者钢液面空 气接触发生烧损，须保证合金的熔化过程在钢液内 部进行，应通过控制合金或者复合合金的密度、粒度 时间 等特征来控制合金的熔化和运动行为，提高合金的 图10合金在钢液中的熔化过程示意图 收得率. Fig.10 Schematic of melting process of ferroalloy in molten steel 3.4合金替代技术 合金替代是在不影响钢成分或者钢材性能的基 h (c) 础上，使用成本低的合金替代成本高的合金.合金 替代技术主要从两个角度进行研究，一是从合金类 型和炼钢工艺的角度并保证钢成分合格，二是从合 金元素对钢材性能影响的角度并保证钢材性能 合格. 从合金类型和炼钢工艺的角度用成本低的合金 替代成本高的合金并保证钢成分合格已经得到较为 广泛的关注和研究.赖云与邹锦忠对氧气 顶吹转炉采用硅锰和铝锰替代硅铁、锰铁和铝锭进 图11合金加入RH钢液的水模型试验.(a)RH水模型装置： 行脱氧合金化，发现铝的回收率提高了20%，硅的 (b)不同密度的块状材料和冰块：()合金运动轨迹示意图 回收率提高了5%，降低了冶炼成本.朱秋菊0在 Fig.11 Water model experiment of ferroalloy adding into RH molten 转炉炼钢过程中使用纯钙包芯线替代钙铁线和硅钙 steel:(a)device of water model experiment:(b)block materials with different densities and ice:(c)schematic of feroalloy movement 线进行钢液钙处理，钙平均收得率由20.0%提高到 track 了30.5%. 也有学者从合金元素对钢材性能影响的角度进 将不同粒度的墨水颜色的冰块加入RH水模型 行了使用成本低的合金替代成本高的合金并保证钢
包燕平等: 炼钢过程中合金减量化研究现状及展望 图 9 不同金属的饱和蒸汽压 Fig． 9 Saturated vapor pressure of different metals 究不同类型的合金加入 ＲH 钢液后的运动轨迹，采 用数值模拟和水模型试验的方法针对合金加入钢液 后的熔化过程和运动轨迹进行了探索，图 11 所示为 水模型试验装置和部分结果示意图． 图 10 合金在钢液中的熔化过程示意图 Fig． 10 Schematic of melting process of ferroalloy in molten steel 图 11 合金加入 ＲH 钢液的水模型试验． ( a) ＲH 水模型装置; ( b) 不同密度的块状材料和冰块; ( c) 合金运动轨迹示意图 Fig． 11 Water model experiment of ferroalloy adding into ＲH molten steel: ( a) device of water model experiment; ( b) block materials with different densities and ice; ( c) schematic of ferroalloy movement track 将不同粒度的墨水颜色的冰块加入 ＲH 水模型 中得到冰块的熔化时间，然后根据相似原理得到 ＲH 钢液的湍流导热系数，并将其用于合金加入钢 液熔化过程的数值模拟，得到不同合金的熔化时间． 为研究不同密度的合金加入钢液后的运动轨迹，制 作了与水不同密度比的块状固体，如图 11( b) 所示． 分别将不同密度的块状固体加入 ＲH 水模型中观察 其运动轨迹，发现不同密度材料的运动轨迹不同． 如材料和水的密度比跟高钛钛铁和钢液的密度比接 近时，其运动轨迹主要为: 材料在湍流作用下通过下 降管进入钢包水模型一定深度，然后上浮至下降管 底部或者钢包水模型液面． 所以可以认为钛铁加入钢液后也会先通过下降 管进入钢液一定深度，之后如果钛铁还没完全熔化 则会逐渐上浮，甚至上浮并停留至钢渣界面直至完 全熔化． 根据水模型得到的材料上浮至液面的时间 和水模型相似比得到钛铁加入 ＲH 钢液后上浮至钢 渣界面的时间，然后结合钛铁在 ＲH 钢液中熔化过 程的数值模拟得到对应的临界钛铁粒度． 应控制钛 铁粒度小于临界粒度以避免钛铁上浮至钢渣界面发 生烧损． 据此在某厂生产现场进行了对比试验，结 果表明控制钛铁粒度小于临界粒度后，钛铁的收得 率提高了 4. 6% ． 为了避免合金加入钢液后与钢渣或者钢液面空 气接触发生烧损，须保证合金的熔化过程在钢液内 部进行，应通过控制合金或者复合合金的密度、粒度 等特征来控制合金的熔化和运动行为，提高合金的 收得率． 3. 4 合金替代技术 合金替代是在不影响钢成分或者钢材性能的基 础上，使用成本低的合金替代成本高的合金． 合金 替代技术主要从两个角度进行研究，一是从合金类 型和炼钢工艺的角度并保证钢成分合格，二是从合 金元素对钢材性能影响的角度并保证钢材性能 合格． 从合金类型和炼钢工艺的角度用成本低的合金 替代成本高的合金并保证钢成分合格已经得到较为 广泛的关注和研究［48--50］． 赖云与邹锦忠［48］对氧气 顶吹转炉采用硅锰和铝锰替代硅铁、锰铁和铝锭进 行脱氧合金化，发现铝的回收率提高了 20% ，硅的 回收率提高了 5% ，降低了冶炼成本． 朱秋菊［50］在 转炉炼钢过程中使用纯钙包芯线替代钙铁线和硅钙 线进行钢液钙处理，钙平均收得率由 20. 0% 提高到 了 30. 5% ． 也有学者从合金元素对钢材性能影响的角度进 行了使用成本低的合金替代成本高的合金并保证钢 · 3201 ·
·1024 工程科学学报，第40卷，第9期 材性能合格的研究B1幻.张胜利等5利用残余Cr 参考文献 元素替代0.10%质量分数的Mn元素生产热轧带肋 [1]Zhao D W,Bao Y P,Wang M,et al.Effectiveness of calcium 钢筋，使产品性能满足要求并且吨钢成本降低了约 treatment on nonmetallic inclusions in Al-killed steel.Unie Sci 10元.顾俭与陈洁网进行了向20 MnSiV钢中添加 Technol Beijing,2013,35(9):1138 钒氮合金以替代钒铁生产HRB4O0钢筋的试验，结 (赵东伟，包燕平，王敏，等.钙处理对铝镇静钢中非金属夹 杂物变性效果的影响.北京科技大学学报，2013,35(9)： 果表明在钢中碳当量、钒含量基本一致的情况下，向 1138) 钢中添加氮可促进细小V(C、N)化物析出，获得更 Zhang P,Cheng SS,Chen C.Parameter optimization of alumi- 高的强度，并且可节约钒29%. num wire feeding process during LF refining.Univ Sci Technol 在炼钢过程中应做到精细化生产，不同的钢种 Beijing,2014,36(Suppl 1)41 使用最合适的工艺路线和原辅料结构，探索不同钢 (张鹏，程树森，陈川.F喂铝线过程参数优化.北京科技大 学学报，2014,36（增刊1）：41) 种在治炼过程中的可替代低成本合金，以较低的成 B] Fu Y D.The relation between feed aluminium wire process and the 本治炼得到合格的钢. controlling of [Al]s.Hunan Metall,2002(4):34 (傅余东.喂线技术与钢中铝含量的控制.湖南治金，2002 4展望 (4):34) (1)合金减量化的应用前景可观.2014一2017 Su Y B.Optimization of deoxidation alloying process for smelting 年我国铁合金消费量均保持在3900~4000万t,随 low carbon steel.Shanxi Metall,2014(6):70 (宿永波.转炉治炼低碳钢脱氧合金化工艺优化.山西治金， 着国内钢铁行业去产能工作的推动，国内粗钢产量 2014(6):70) 将保持稳定或下降，铁合金的消费量也将会继续保 [5]Yue T Y,Yu H C,Tan M X.Optimization of refining parameters 持稳定或下降.根据近几年我国铁合金消费情况可 for 150 t AHF.Iron Steel,2005,40(4)28 知如果合金的收得率提高5%~10%，则可节约炼 (岳铁莹，于华财，谭明祥.150tAHF炉外精炼工艺参数优 钢成本130~260亿元，合金减量化的应用前景依然 化.钢铁，2005,40(4)：28) 6]Han M.Xu Q,Zhao Y,et al.Calculation of alloy addition to 可观. yied-predict model BOF steel-making.Steelmaking,2010,26 (2)尽管已有大量不同合金在不同条件下的工 (1):44 艺试验研究，然而合金在不同条件下的具体损失途 (韩敏，徐俏，赵耀，等.基于收得率预测模型的转炉炼钢合 径及造成合金收得率低的原因大都尚未明确，这极 金加入量计算.炼钢，2010,26(1)：44) 大地限制了合金收得率的提高.因此，如能明确合 D7]Huang F.Study of improving yield of vanadium in 25Cr2Ni4 MoV. Mag Equip Mach,2017 (1):18 金在使用过程中的损失途径和损失量，有针对性地 (黄飞.提高25Cr2N4MoV中钒收得率的研究.装备机械， 改进工艺，将大幅提高合金的收得率 2017(1):18) (3)合金的结构对合金加入钢液后的熔化和运 [8]Ma H.Zhang Z M,Chu S J.High nitrogen steel refined by 动行为有很大影响，常用的合金如铝、钙等的密度远 chromium nitride ferroalloy and manganese nitride ferroalloy.// 小于钢液，很难加入到钢液深处熔化，并且饱和蒸汽 ron Steel Res,2008,20(12):10 (马绍华，张志敏，储少军。用氮化铬、氮化锰治炼高氮钢.钢 压高的合金如钙、镁加入钢液后极易气化上浮，造成 铁研究学报，2008,20(12)：10) 合金收得率严重降低.应设计合适的合金复合结 9]Huo C J.Application of silicon-manganese alloy in BOF steelmak- 构，使合金在满足脱氧合金化的前提下能够较好地 ing.Mod Metall,2012,40(1)28 被钢液吸收，达到合金的高效利用. (霍昌军.硅锰合金在转炉炼钢中的应用.现代治金，2012， (4)不同钢种对合金的需求不同，应做到精细 40(1):28) o] 化生产，针对不同的钢种设计不同的脱氧合金化工 Bobkova OS,Barsegyan VV.Prospects of technologies for the direct alloying of steel from oxide melts.Metallurgist,2006,50 艺和合适的合金类型，用合适的低成本合金替代高 (9H0):463 成本合金，从脱氧合金化工艺源头控制合金成本. [11]Nokhrina O I,Komshukov V P,Dmitrienko V I.Developing a (5)作为炼钢后期加入钢液的原辅料，合金的 technology for the direet alloying of steel with manganese in an 品质和洁净度对钢液的影响很大，应严格控制合金 electric-are fumace.Metallurgist,2004,48(56):264 的品质和洁净度，尤其是用于合金化的合金.同时， [12]Brovko O D,Bublikov Y A,Mezhebovskii I V,et al.Direct 应形成合金强度、耐磨性和粉化性等理化指标的检 chromium alloying of steel using poor chromium-containing raw materials.Russ Metall,2013,2013(12):952 测标准，对合金品质进行严格的管理管控，从源头控 03]Tie S N,Wang Z Y,Chen L,et al.Barium alloy deoxidation 制炼钢成本并提高钢质量 technique of bearing steel.Mater Mech Eng,2009,33(2):32
工程科学学报，第 40 卷，第 9 期 材性能合格的研究［51--52］． 张胜利等［51］利用残余 Cr 元素替代 0. 10% 质量分数的 Mn 元素生产热轧带肋 钢筋，使产品性能满足要求并且吨钢成本降低了约 10 元． 顾俭与陈洁［52］进行了向 20MnSiV 钢中添加 钒氮合金以替代钒铁生产 HＲB400 钢筋的试验，结 果表明在钢中碳当量、钒含量基本一致的情况下，向 钢中添加氮可促进细小 V( C、N) 化物析出，获得更 高的强度，并且可节约钒 29% ． 在炼钢过程中应做到精细化生产，不同的钢种 使用最合适的工艺路线和原辅料结构，探索不同钢 种在冶炼过程中的可替代低成本合金，以较低的成 本冶炼得到合格的钢． 4 展望 ( 1) 合金减量化的应用前景可观． 2014—2017 年我国铁合金消费量均保持在 3900 ～ 4000 万 t，随 着国内钢铁行业去产能工作的推动，国内粗钢产量 将保持稳定或下降，铁合金的消费量也将会继续保 持稳定或下降． 根据近几年我国铁合金消费情况可 知如果合金的收得率提高 5% ～ 10% ，则可节约炼 钢成本 130 ～ 260 亿元，合金减量化的应用前景依然 可观． ( 2) 尽管已有大量不同合金在不同条件下的工 艺试验研究，然而合金在不同条件下的具体损失途 径及造成合金收得率低的原因大都尚未明确，这极 大地限制了合金收得率的提高． 因此，如能明确合 金在使用过程中的损失途径和损失量，有针对性地 改进工艺，将大幅提高合金的收得率． ( 3) 合金的结构对合金加入钢液后的熔化和运 动行为有很大影响，常用的合金如铝、钙等的密度远 小于钢液，很难加入到钢液深处熔化，并且饱和蒸汽 压高的合金如钙、镁加入钢液后极易气化上浮，造成 合金收得率严重降低． 应设计合适的合金复合结 构，使合金在满足脱氧合金化的前提下能够较好地 被钢液吸收，达到合金的高效利用． ( 4) 不同钢种对合金的需求不同，应做到精细 化生产，针对不同的钢种设计不同的脱氧合金化工 艺和合适的合金类型，用合适的低成本合金替代高 成本合金，从脱氧合金化工艺源头控制合金成本． ( 5) 作为炼钢后期加入钢液的原辅料，合金的 品质和洁净度对钢液的影响很大，应严格控制合金 的品质和洁净度，尤其是用于合金化的合金． 同时， 应形成合金强度、耐磨性和粉化性等理化指标的检 测标准，对合金品质进行严格的管理管控，从源头控 制炼钢成本并提高钢质量． 参 考 文 献 ［1］ Zhao D W，Bao Y P，Wang M，et al． Effectiveness of calcium treatment on nonmetallic inclusions in Al-killed steel． J Univ Sci Technol Beijing，2013，35( 9) : 1138 ( 赵东伟，包燕平，王敏，等． 钙处理对铝镇静钢中非金属夹 杂物变性效果的影响． 北京科技大学学报，2013，35 ( 9 ) : 1138) ［2］ Zhang P，Cheng S S，Chen C． Parameter optimization of aluminum wire feeding process during LF refining． J Univ Sci Technol Beijing，2014，36( Suppl 1) : 41 ( 张鹏，程树森，陈川． LF 喂铝线过程参数优化． 北京科技大 学学报，2014，36( 增刊 1) : 41) ［3］ Fu Y D． The relation between feed aluminium wire process and the controlling of ［Al］s． Hunan Metall，2002( 4) : 34 ( 傅余东． 喂线技术与钢中铝含量的控制． 湖南冶金，2002 ( 4) : 34) ［4］ Su Y B． Optimization of deoxidation alloying process for smelting low carbon steel． Shanxi Metall，2014( 6) : 70 ( 宿永波． 转炉冶炼低碳钢脱氧合金化工艺优化． 山西冶金， 2014( 6) : 70) ［5］ Yue T Y，Yu H C，Tan M X． Optimization of refining parameters for 150 t AHF． Iron Steel，2005，40( 4) : 28 ( 岳铁莹，于华财，谭明祥． 150t AHF 炉外精炼工艺参数优 化． 钢铁，2005，40( 4) : 28) ［6］ Han M，Xu Q，Zhao Y，et al． Calculation of alloy addition to yied-predict model BOF steel-making． Steelmaking，2010，26 ( 1) : 44 ( 韩敏，徐俏，赵耀，等． 基于收得率预测模型的转炉炼钢合 金加入量计算． 炼钢，2010，26( 1) : 44) ［7］ Huang F． Study of improving yield of vanadium in 25Cr2Ni4MoV． Mag Equip Mach，2017( 1) : 18 ( 黄飞． 提高 25Cr2Ni4MoV 中钒收得率的研究． 装 备 机 械， 2017( 1) : 18) ［8］ Ma S H，Zhang Z M，Chu S J． High nitrogen steel refined by chromium nitride ferroalloy and manganese nitride ferroalloy． J Iron Steel Ｒes，2008，20( 12) : 10 ( 马绍华，张志敏，储少军． 用氮化铬、氮化锰冶炼高氮钢． 钢 铁研究学报，2008，20( 12) : 10) ［9］ Huo C J． Application of silicon-manganese alloy in BOF steelmaking． Mod Metall，2012，40( 1) : 28 ( 霍昌军． 硅锰合金在转炉炼钢中的应用． 现代冶金，2012， 40( 1) : 28) ［10］ Bobkova O S，Barsegyan V V． Prospects of technologies for the direct alloying of steel from oxide melts． Metallurgist，2006，50 ( 9-10) : 463 ［11］ Nokhrina O I，Komshukov V P，Dmitrienko V I． Developing a technology for the direct alloying of steel with manganese in an electric-arc furnace． Metallurgist，2004，48( 5-6) : 264 ［12］ Brovko O D，Bublikov Y A，Mezhebovskii I V，et al． Direct chromium alloying of steel using poor chromium-containing raw materials． Ｒuss Metall，2013，2013( 12) : 952 ［13］ Tie S N，Wang Z Y，Chen L，et al． Barium alloy deoxidation technique of bearing steel． Mater Mech Eng，2009，33( 2) : 32 · 4201 ·
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