鐵水是液態的鐵,鐵的熔點為1534℃。用鐵水可以澆在一個模子裡,然後凝固,製成模子形狀的鐵器。鐵水的密度=7138kg/m3。在鐵水中加入少量的釩,可顯著改善鑄鐵的性能,少量的釩加入鋁中,可改善其強度。
含釩鐵水的作用
使用含釩鐵水可以減少混鐵爐結瘤。
在高爐車間的生產實踐中為了清除冶煉含釩生鐵時爐缸內形成的難熔的鈦化合物,高爐要周期性地變料改煉煉鋼生鐵。在裝有煉鋼生鐵的高爐鐵水罐中,渣子的TiO2含量不超過5~6%。其中所含大量的SiO2(約40~50%)有助於渣子的稀釋。根據這一點,轉爐車間2#混鐵爐在使用了九個月的含釩鐵水後由於工作容積明顯減少而改為使用煉鋼鐵水。爐頂下面混鐵爐溫度從1280~1290℃提高到1350~1390℃。肉眼可觀察到漂浮在混鐵爐鐵水表面的懸浮物逐漸減少。一個半月之後混鐵爐的工作容積又恢復到設計值。
因此,周期性地將使用含釩鐵水的混鐵爐改裝煉鋼鐵水有助於減少結瘤和維持混鐵爐在工作狀態。
含釩鐵水的發展
下塔吉爾鋼鐵公司是含釩半成品(釩渣)的主要生產廠家,釩渣被用來進一步加工成釩中間合金。由於具有多年的冶煉卡齊卡納爾斯克礦的經驗,公司的專家們制定並掌握了高爐用釩鈦磁鐵礦冶煉生鐵的工藝。鐵水含釩0.48~0.50%。這種鐵水在轉爐車間進一步用雙聯法冶煉出含有18~22%V2O5的釩渣。
但是隨著近年來高爐冶煉工藝的改變,使用含釩鐵水的轉爐車間混鐵爐結瘤問題日益突出,結果造成工作空間縮小而被迫提前修爐。
卡齊卡納爾斯克原礦中含有鈦的氧化物,儘管其含量相對不多(占約2~3%),但它在高爐冶煉過程中被還原到鐵水中,給高爐的冶煉和生產組織帶來困難。其工藝複雜性首先在於原料還原時形成的鈦渣非常難熔。
含釩鐵水基本反映定律
按照熱力學定律,當鐵水從一個容器兌入另外一個容器時可以生成鈦的氧化物,因為鈦與氧的親和力要比鐵大。同時也可以生成由幾個氧化物組成的複雜氧化物。從金屬中去除脫氧產物的方法是將他們轉移到渣中或耐火材料中(兌鐵時由溫度梯度或機械攪拌所產生的對流作用下上浮)。大型夾雜物上浮較快,小型夾雜物則互相聚合(或凝固成固體)後自行合併成大顆粒。在液相中環流的作用下它們被附著到渣中。往轉爐車間送鐵水的高爐鐵水罐表面用焦粉加以保溫。在爐渣與焦粉相互作用的動態表面上,含鈦的氧化性熔體中鈦離子的化合價會降低。通過一系列的中間氧化物轉換,最終有一部分轉變成金屬鈦,並生成大量分散的碳化物、氰化物夾雜和鈦的氰氧化物。在這時發生下列基本反應:
(TiO2)+C=(TiO)+{CO}
(TiO)+C=Ti+{CO}
(TiO)+2[C]=TiC+{CO}
Ti+C=TiC
TiC=[Ti]+[C]
Ti+0.5{N2}=TiN
XTiC+(1-X)TiN=TiCXN1-X
YTiC+(1-Y)(TiO)=TiCYO1-Y
ZTiCXN1-X+(1-Z)(TiO)=TiCZXNZ-ZXO1-Z
鈦渣能很好地潤濕焦塊,在與焦塊的界面上會析出難熔的鈦的化合物,使分散的金屬液滴(鐵珠)很難合併,從而導致生成由鐵珠、碳化物、鈦氰化物以及夾渣所組成的很穩定的懸浮物。結果在鐵水罐(混鐵爐)的鐵水液面附近的罐壁(或爐壁)上會沉積下不熔的物質,它們是固體氰化物、低價態氧化物為主的難熔化合物、焦碳粒、渣子及分散的液滴所組成的聚合體。
懸浮物是被渣層裹住的金屬珠(其表面層含50%的氰化物),同時礦相中富含鈣鈦礦和鈣鐵輝石。它在混鐵爐內非常穩定不易被破壞,並不斷從下一批鐵水罐中補充進來。時間一長懸浮物長大到一定程度便開始與爐壁接觸並粘附其上,爐子工作空間逐漸變小。
在研究過程中,曾分別從冷修的混鐵爐爐襯上,工作混鐵爐的鐵水表面漂浮著的爐瘤上,以及高爐鐵水罐鐵水表面取樣,試樣分析結果表明:儘管化學成分不盡相同,但實際上所有的試樣中都會有很高的TiO2。
為此應努力消除高爐鐵水罐和混鐵爐內懸浮物的形成。在大家熟知的降低懸浮物生成速度的措施中,提高覆蓋鐵水渣中的(FeO)含量特別有效。渣中的(FeO)與鈦的碳化物相互作用,按下面反應式將其溶解:
為增加鐵水表面渣中的(FeO)含量,曾試驗加入一種渣—金屬混合料,該料由公司車間生產,它含有19.0%SiO2,5.06%Al2O3,19.25%CaO,14.65%MgO,17.60%Fe,10.50%FeO,3.55%MnO,3.4%C,0.91%TiO2,0.49%V2O5。
試驗中將混合料取代焦粉加入高爐鐵水罐中,粒度為0~10mm,以保證其鋪散在鐵水表面。鐵水溫降不超過1℃/分鐘,而使用焦粉時溫降為1.8℃/分鐘。在鐵水運輸到轉爐車間後,鐵水表面仍保持流動狀態,同時有少量混合料熔化。
對加入混合料的鐵水罐內鐵水表面的渣子取樣分析結果表明,渣中(TiO2)含量實際減少一倍。
在隨後的研究中對鐵水化學成分對混鐵爐結瘤的影響進行了評估。
含釩鐵水使用的展望
下塔吉爾鋼鐵公司試驗了往高爐鐵水罐中加入公司車間生產的金屬混合料取代焦粉的工藝。該混合料有助於抑制懸浮物的形成,從而減少了鐵水罐和混鐵爐生成難熔的含鈦爐瘤的可能性。
同時還制定了轉爐車間混鐵爐的工作章程,兩座混鐵爐定期輪換使用含釩鐵水和煉鋼鐵水。該工作流程可減少混鐵爐結瘤並提高其工作期限。
含釩鐵水-開發含釩鐵水的前景展望高強度、高韌性高可悍性管線用鋼的技術要求嚴格,是由於國際上新型工程結構都是根據高技術產品——微合金鋼的性能設計的,因之對鋼廠的要求也極苛刻。滿足了這些前提,就會拿到訂單,就解決了鋼廠的生存問題。滿足了這些要求,其他行業需要的鋼材,如:橋樑、立體交通樞紐、高層建築(要求抗震、防火)、工程機械、鐵道、造船、汽車、礦山用鋼中大量微合金鋼的生產難題也會迎刃而解。舉一個例子作為教訓:前蘇聯由於引用含釩微合金化鋼較晚,80年代建造的橫貫歐亞大陸的高壓天然氣輸送管線所用的上千萬噸微合金化管材,不能不給予於德國(歐洲段)和日本(亞洲段),這也促成了德、日兩國制管和微合金化(通常的消耗釩鐵的噸位為標尺)的飛速發展。不要忘記,當年蘇聯的鋼鐵產量也是居於世界首位。“十五”和下一個五年期間,中國天然氣輸送管道將形成“兩橫、兩縱、四樞紐、五氣庫”的供氣管格線局。這一時期,中國約需建設天然氣幹線9000千米,連同區域性管網共約21400千米,折合鋼管1600~1800萬噸,其中大口徑直縫(VOE)管至少占20%,如果我們自己不去占領,這片市場是否也會像前蘇聯那樣,由德國、日本甚至美國來填補?我們豈能甘心別人代庖?提供輸油氣管線鋼的熱點問題是:14~15兆巴輸送壓力下高壓輸送強度所引發的問題;抗氫致裂紋問題,高甲烷(富氣)輸送時腐蝕問題;延性斷裂(塑性失穩)的止裂問題;近中性(PH)土環境的應力腐蝕問題;高強度屈強比的選擇;殘餘應力的檢測以及焊接接熱影響區的強韌化問題等等。石油部要求按0.2%C釩(X52)、0.12%C鈮釩(X65)、0.08%C鈮鈦(X70~X80)和0.03%C鈮鈦鉬(X90~X100)為參考成份;強調“用TiO處理的鋼優於TiN處理的鋼”,因為TiO可協助形成更細的針狀鐵素體,超低碳奧反體和超級碳馬亞體;要求徹底解決:
1.U超純淨鋼冶煉技術U(鐵水脫硫脫磷,複合爐外精煉,CA處理真空脫氣等),務求全部雜質元素的總量不超過100PPM;
2.U高均勻性連鑄技術U(電磁攪拌、適時輕微壓下等),達到無裂紋;
3.U控軋、控冷強制加速冷卻技術U(層流冷卻、高壓噴霧劇冷等)。這些都是必需面對的問題。機遇與挑戰共存,壓力和成就同佑。輸油氣管線鋼能否滿足用戶需求,也直接帶動了IF(無間隙原子)深沖汽車板、CF(無裂紋)造船與容器板、FR(耐600~650度高溫)建築型鋼、Z向(要求垂直於板面的應力參數)採油平台用支撐架、高強度耐磨鋼軌和高強度工程機械用鋼等的生產。隨著鞍鋼“九五”改造工程投產,夕日鞍鋼已舊貌換新顏,加速開發含釩微合金鋼,推進產品結構調整,積極參與國內、外兩個市場競爭,必能重塑輝煌。