傳統(tǒng)意義上電爐冶煉不銹鋼包括了在電爐冶煉過程的脫碳、合金化、脫硫等操作，電爐冶煉的熔化期、氧化期和還原期分界清楚。隨著不銹鋼連鑄技術(shù)的發(fā)展，對電爐冶煉節(jié)奏要求越來越高，電爐冶煉不銹鋼過程逐步演變成僅冶煉不銹鋼母液，不再對脫碳、脫硫有嚴(yán)格要求，對應(yīng)的任務(wù)由后工序AOD、VOD或LF精煉爐完成，電爐冶煉不銹鋼母液粗略可分為熔化期和精煉期。在母液合金成分基本合格的基礎(chǔ)上，核心要求是冶煉節(jié)奏快、電耗低、爐襯壽命長。在原料方面，冶煉過程大量使用了大塊不銹鋼返回料和鉻鐵，導(dǎo)致重料比相對普碳鋼冶煉過程偏高，同時(shí)鎳價(jià)的上漲導(dǎo)致低鎳生鐵（含鎳小于10%）被廣泛使用。低鎳生鐵通常是鑄錠狀或普通生鐵塊狀，它的使用進(jìn)一步提高了電爐原料的重料比。重料比過高在不同程度上會導(dǎo)致原料熔化困難、冶煉時(shí)間變長、電耗增加。

電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)的應(yīng)用可很好地解決上述問題，滿足當(dāng)前電爐冶煉不銹鋼母液過程的核心要求，即冶煉節(jié)奏快、電耗低、爐襯壽命長。

1  電爐冶煉不銹鋼過程中能量輸入特性

電爐冶煉不銹鋼母液的中心任務(wù)是保證重料比高的金屬原料快速熔化并升溫到合格的溫度，從生產(chǎn)實(shí)踐看，即提供金屬原料和相應(yīng)渣料熔化升溫所需的能量，從而加速尺寸大的重料的熔化。生產(chǎn)中一般由電弧供電和吹氧來共同完成。吹氧的目的不**是脫碳，更重要的作用是通過產(chǎn)生CO氣泡來攪拌熔池。部分電弧爐安裝有爐壁燒嘴可提供更多的化學(xué)能來加快物料熔化，如果兌加鐵水，則可提供物理熱。

對于電弧供能，由于重料使用過多，電弧得不到**的保護(hù)，電弧工作時(shí)也不能采用強(qiáng)功率供電，以避免爐襯侵蝕嚴(yán)重。對于吹氧產(chǎn)生化學(xué)能方式，吹氧量過大，會造成鉻氧化嚴(yán)重；吹氧量過小，達(dá)不到攪拌熔池的效果。一般電爐冶煉過程吹氧量控制在噸鋼12立方米左右，大約產(chǎn)生約80kWh的能量。對于爐壁燒嘴，由于爐料重料比大，燒嘴釋放的能量很難被熔池吸收，對縮短熔池冶煉時(shí)間的作用有限，大部分冶煉不銹鋼母液的電爐并沒有配置爐壁燒嘴。

由此可以看出，為了實(shí)現(xiàn)電爐冶煉不銹鋼母液要求的冶煉節(jié)奏快、電耗低、爐襯壽命長的目標(biāo)，吹氧提供化學(xué)能可改進(jìn)的空間小，爐壁燒嘴所起到的作用也有限，只有從優(yōu)化電弧供電入手，才能真正實(shí)現(xiàn)如上目標(biāo)，而泡沫渣技術(shù)應(yīng)用可充分利用渣保護(hù)電弧，實(shí)現(xiàn)提高電弧熱效率和供電功率并**保護(hù)爐襯的目標(biāo)。

2  電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)理論研究探討

電爐冶煉造泡沫渣有兩個(gè)基本條件：一是要求渣的發(fā)泡性能好，二是要求有足夠的發(fā)泡氣源。

對于渣的發(fā)泡性能，通常用泡沫化指數(shù)來表示，泡沫化指數(shù)為發(fā)泡高度與氣體表觀常數(shù)之比。研究表明，渣的黏度在一定范圍內(nèi)變大有利于提高單個(gè)氣泡的穩(wěn)定性，從而提高泡沫化指數(shù)；渣液的表面張力越低，意味著生成氣泡所需要的能量越低，低表面張力有利于提高泡沫指數(shù)；渣中適量的微小固體顆粒有利于提高渣黏度，可提高泡沫化指數(shù)，然而如果固體顆粒過大或過多，渣變得黏稠類似糨糊狀，則很難形成**氣泡，用來起泡的氣體將沿渣體中的裂縫離開渣層，達(dá)不到發(fā)泡效果。

對于不銹鋼電爐冶煉過程中渣的發(fā)泡性能研究，通常的觀點(diǎn)認(rèn)為不銹鋼渣發(fā)泡性能差的原因是其含Cr2O3含量過高，導(dǎo)致渣黏稠甚至硬化，然而國外一些研究人員的不銹鋼渣發(fā)泡性能試驗(yàn)結(jié)果表明，渣中Cr2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于15%可取得良好的發(fā)泡效果。由此可以看出，實(shí)際生產(chǎn)中不銹鋼渣難以發(fā)泡的原因可能不**是其Cr2O3含量過高，渣中含有相當(dāng)量的未熔化的石灰顆粒可能是導(dǎo)致渣黏稠甚至硬化的又一重要原因。

在電爐冶煉普碳鋼或低合金鋼的過程中，由于吹氧產(chǎn)生大量的FeO是很好的化渣熔劑即溶解石灰或白云石的熔劑，但在電爐冶煉不銹鋼過程中，吹氧反應(yīng)產(chǎn)生的金屬氧化物主要是Cr2O3而非FeO，這就導(dǎo)致了造渣料石灰或白云石加入后，在不額外添加化渣劑氧化鐵或螢石的情況下，僅能通過電弧加熱來化渣。這就可能導(dǎo)致石灰或白云石并不能**熔化而溶解到渣相中，*終導(dǎo)致渣中固體石灰或白云石顆粒過大或過多，加上Cr2O3含量高的渣本身黏度大，這些因素綜合影響了渣的發(fā)泡性能。解決此間題須添加化渣劑，保證石灰或白云石熔化**，快速形成均勻的渣相，然后在這基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究Cr2O3含量、堿度和MgO含量等因素對渣發(fā)泡性能的影響，*終研究出具有良好發(fā)泡性能的不銹鋼渣。

在電爐冶煉不銹鋼造泡沫渣過程中，除了要求渣具有良好的發(fā)泡性能外，還需要有足夠的發(fā)泡氣源。從電爐冶煉不銹鋼的實(shí)際情況看，鋼渣間反應(yīng)、吹氧或噴碳均可產(chǎn)生一定的CO氣體作為發(fā)泡氣源。鋼渣反應(yīng)產(chǎn)生CO氣體可穿越渣層，是*理想的發(fā)泡氣源。在一定碳含量范圍內(nèi)，鋼渣界面反應(yīng)可生成CO氣泡來推動渣發(fā)泡，但受動力學(xué)條件的制約，很難形成良好的泡沫渣。所以，要采取額外的技術(shù)手段創(chuàng)造更多的氣源，在保證渣有良好發(fā)泡性能的基礎(chǔ)上，造出良好的泡沫渣，相應(yīng)也產(chǎn)生了各種不銹鋼冶煉的泡沫渣技術(shù)。

3  相關(guān)技術(shù)研究進(jìn)展

電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)主要包含噴吹法和直接加入法，其目的是采用額外的技術(shù)手段創(chuàng)造更多的用來推動渣發(fā)泡的氣源并改善渣的發(fā)泡性能。

噴吹法主要是在吹氧的同時(shí)噴吹氧化鐵皮、碳粉、硅粉或發(fā)泡劑粉。噴吹氧化鐵皮可起到一定的快速溶解石灰的作用，渣中含一定量的氧化鐵可改善渣的流動性以提高其發(fā)泡性能。噴吹碳粉到渣層可促使其與氧化物反應(yīng)以釋放渣發(fā)泡需要的氣體。噴吹硅粉可促進(jìn)渣中氧化鉻的預(yù)還原，避免渣中Cr2O3過高而導(dǎo)致渣過黏。

瑞典的阿維斯塔謝菲爾德有限公司（Avesta Sheffield AB）采用噴吹法在試驗(yàn)過程中取得了成功。在向渣面噴吹氧氣和碳粉的同時(shí)，噴吹氧化鐵皮來提高渣中FeO含量，通過控制渣的成分來造不銹鋼泡沫渣，*終使電爐冶煉不銹鋼的冶煉周期縮短了10%-16%，成本大大降低。

德國一家鋼鐵公司通過向渣面噴吹硝酸鈣（Ca（NO3）2·4H2O）和碳粉來制造N2、CO和H2O氣源，在冶煉13%Cr不銹鋼的過程中造出了良好的泡沫渣。考慮到石灰石或白云石可以分解出CO2氣體，德國漢堡公司通過噴吹白云石造不銹鋼泡沫渣，意大利的里瓦（ILVA）鋼廠通過噴吹石灰石造不銹鋼泡沫渣，主要利用這些碳酸鹽的分解釋放用于推動渣發(fā)泡的氣體。

噴吹法的缺點(diǎn)是噴吹的物料很難均勻彌散在渣層中，同時(shí)生成的CO氣泡過多集中在渣層的上部，不能整體推動渣發(fā)泡。另外。噴吹的射流有一定的熄泡效應(yīng)，不利于泡沫的穩(wěn)定。

直接加入法是通過料倉或?qū)Ｓ械募尤朐O(shè)備向冶煉熔池加入發(fā)泡劑或發(fā)泡球。一些研究人員采用添加以石灰石、白云石和焦炭為主要原料的發(fā)泡劑，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)研究了不同渣系對渣發(fā)泡性能的影響，在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)中造出了良好的泡沫渣。然而，石灰石和白云石本身難以溶解，會使得起泡時(shí)間推遲，采用直接加入法不如噴吹法有利于發(fā)泡劑快速分解。

*近德國西馬克德馬格（SMS DEMAG）公司與波蘭克拉克科技大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了一種新的造不銹鋼泡沫渣的方法，即制作密度介于鋼液和渣之間的發(fā)泡球。發(fā)泡球由鐵粉、FeO、C和石灰石等物質(zhì)構(gòu)成，在熔化過程中可釋放CO和CO2氣體作為發(fā)泡氣源。這種發(fā)泡球可下沉到渣底部，不干擾渣的發(fā)泡性能，同時(shí)氣泡可從渣層底部推動渣發(fā)泡，發(fā)泡效果良好。此項(xiàng)技術(shù)已在巴西蒂莫特奧（Timoteo）鋼鐵公司3號電爐冶煉不銹鋼的過程中應(yīng)用，可以將原先的電弧升溫速率6K/min-7K/min提高到11K/min-12K/min。這種發(fā)泡球在實(shí)際應(yīng)用過程中是連續(xù)加入的，需要有額外的加料設(shè)備，在某種程度上制約了此項(xiàng)技術(shù)的推廣。

4  技術(shù)應(yīng)用前景

盡管誕生了各種電爐冶煉不銹鋼的泡沫渣技術(shù)，但仍未改變它是一個(gè)世界性難題的局面，相關(guān)技術(shù)并沒有得到全面的推廣應(yīng)用。主要原因可能有以下幾個(gè)方面：第一，電爐冶煉不銹鋼母液過程需要泡沫渣保護(hù)電弧的時(shí)間并不長，僅為熔化后期和精煉期，時(shí)間一般少于30分鐘，這樣泡沫渣技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益不是很明顯。第二，相關(guān)技術(shù)操作復(fù)雜且穩(wěn)定性不強(qiáng)，尤其是噴吹法，一旦控制不好，發(fā)泡劑不能噴吹彌散到渣內(nèi)，則達(dá)不到相應(yīng)的效果。第三，須意識到石灰或白云石熔化不**（即化渣效果不良）是導(dǎo)致渣不能良性發(fā)泡的重要原因。已經(jīng)開始通過加入氧化鐵或氧化鋁來加速渣料石灰或白云石熔化，促使其均勻溶解到渣相中，這可以改善渣的發(fā)泡性能。

在我國，在電爐冶煉不銹鋼母液特別是奧氏體不銹鋼母液的過程中，重料比越來越高，這就導(dǎo)致電弧在更長的通電時(shí)間內(nèi)得不到保護(hù)。在這種條件下，泡沫渣技術(shù)有可能在生產(chǎn)中取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，解決當(dāng)前電爐冶煉存在的冶煉周期過長的問題。因此，應(yīng)學(xué)習(xí)國外**經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)展并推廣此方面的技術(shù)，以提高我國電爐冶煉不銹鋼母液的水平。