本发明涉及合金钢冶炼技术领域，特别涉及釆用钨矿直接进行合金化冶炼含钨合金钢工艺。
背景技术：
含钨合金钢生产的关键工艺环节之一是钢冶炼中的合金化工艺。目前冶炼含钨合金钢进行钨元素的合金化一般采用在装料时加入钨铁，该工艺的生产成本和能耗与铁合金的消耗量、生产成本和能耗直接相关。考察钨铁合金生产现状可以发现，铁合金的生产能源消耗大，合金收得率低，环境污染严重，劳动强度大，经济效益差。取铁法生产一吨钨铁（含钨70%)电耗约4000kw，h，沥青焦120kg，焦炭116kg。从钨精矿冶炼钨铁，由于冶炼设备、工艺等诸多因素，钨精矿中w的回收率只有95%左右。而用钨铁和钼铁冶炼合金钢，由于高温挥发、随渣损失等因素，钨铁和钼铁的回收率一般也只有90%~95%左右。所以从钨精矿冶炼钨铁合金然后到冶炼合金钢，w元素总回收率只有85%〜90%左右。可见，有10%〜15°/。的钨资源在冶炼过程中被浪费。生产钨铁，要产生大量烟尘和nox气体，在冶炼过程中还需要使用a1粒、硝石、硅铁等致癌物质，生产条件恶劣。取铁法冶炼钨铁，由于复杂的冶炼过程加重了工人劳动强度。
炼钢过程的物理化学变化也具备还原条件。在炼钢过程中加入合金元素的氧化物或.矿物，通过炼钢过程的还原条件将合金元素还原进入钢中，达到合金化的目的，与铁合金合金化的方法相比，可以不用冶炼铁合金的整套设备，相当于一种单步法工艺，因而投资和能源消耗都得到节省，降低了钢的合金化成本。用白钨矿代替钨铁冶炼含钨钢，早在40年代初就已尝试，以后美国、德国、日本相继研究和应用，到了60年代，前苏联研究较多，在电炉、平炉、感应炉中应用，国外使用钨精矿品种较多，有天然白钨精矿、合成白钨精矿、自还原性白钨精矿、白钨和黑钨混合精矿以及黑钨精矿等。还原剂一般使用铝、硅、碳等物质。混合物球团和块状每个重量为2~10kg。一般都用压力成型，干燥处理。自还原性白钨矿一般加在钢包底部，让脱氧后的钢水充分搅拌，钨的加入量在1%左右。在炉内加入方法有：①将白钨矿随炉料装入，②加液体料之前加入白钨矿（酸性平炉），③在冶炼过程中将白钨矿加入炉内。国外白钨矿的加入量为3%[w]左右，直接合金化率低。国外钨矿直接合金化工艺主要依靠固态钨矿和固、液态还原剂间发生的还原反应进行合金化，因此反应速度慢，与炼钢节奏不匹配，收得率低于90%，渣量大。
我国钨矿蕴藏量及年产量居世界首位，但研究用白钨矿代替钨铁冶炼含钨钢相对较晚。80年代，大连特殊钢厂与钢铁研究总院对用白钨精矿代替钨铁炼钢进行了实验室试验和工业化试验。白钨矿加入量一般维持在3%左右，收得率在90%以下。太原钢铁公司在出钢量为18.5〜20t的电弧炉上进行了釆用白钨精矿冶炼3cr2w8v的工业试验。釆用优质白钨矿，用硅铁作还原剂，白钨矿加入量达到6%w，熔化期末时，钨的收得率只有80%左右，因此白钨矿直接合金化过程涉及了整个电炉冶炼过程，包括熔化期、氧化期和还原期，冶炼过程复杂，工人劳动强度大。由于渣量过大，不少渣自动淌出炉门，造成白钨矿中钨的回收率只有90%左右。
从国内外现有的钨矿直接合金化工艺可以看出，由于钨矿的熔点高，固态还原速度慢、固态还原率低，电炉熔化期末收得率仅有80%左右，仍有大量的钨矿未被还原，需要在后续的还原期继续还原，影响正常的电弧炉操作，而且一般釆用硅铁作还原剂，渣量大，容易流渣，导致最终收得率低，只有90%左右。
技术实现要素：
。
本发明的目的是解决电炉用钨矿直接合金化时，钨矿固态还原速度慢、固态还原率低、钨的收得率低、直接合金化渣量大的问题。
为实现上述目的，本发明提出一种将氧化物矿直接入炉进行合金化的过程，即将钨矿直接合金化炼钢工艺，其特点在于将钨矿配制成含碳钨矿球团，在电炉装料时随炉料一起装入炉内，在熔化期含碳钨矿球团发生固态还原，利用含碳钨矿球团配入的催化剂强化固态还原。配入的催化剂能侵入到碳的基平面间，使晶格畸变而减弱碳原子间的键能，从而促进表面物质的脱附，加速碳的气化反应，有利于碳还原钨矿的反应，达到加速还原的效果，从而提高固态还原率，提高电炉熔化期末钨的收得率。在固态还原尚未完成还原的w03进入渣中，装料时加入碳化硅sic或硅铁粉进入钢液，用它和渣中wo3发生液一液反应来还原渣中的wo3。还原期对渣进行贫化，加入还原剂sic，以充分还原渣中的wo3。
本发明的含碳钨矿球团固态还原机理是：含碳锡矿球团中呈固态的冗03可与固体碳发生如下的直接还原反应：
caw04(s)+3c(s)=w(s)+ca0(s)+3c0(g)ag0二638800—502.ut(1)
由于反应（1)是在固一固接触点上进行，接触面积小，因此速度较慢。反应（1)中产生的co气体可继续与wo3发生间接还原反应：
w03(s)+3c0(g)-w(s)+3c02(g)ag°=-9350+5.26t(2)
气氛中较高的co的分压有利于反应（2)的进行。上面反应产生的c02在高温下能发生碳的气化反应；
c02(g)+c(s)二2co(g)ag°=166550-171t(3)
该反应在高温下产生的混合气体中co的分压较高，因此能将反应（2)进行下去。可见在w03与碳颗粒表面间有co气体，反应体系中存在着间接还原反应（2)和c的气化反应（3)的叠加，从而实现氧化物的直接还原反应功能。该反应体系的限制环节是反应（3)碳的气化反应。往含碳钨矿球团中添加催化剂，加速碳的气化反应，达到加速碳还原钨矿的反应的效果，从而提高固态还原率，提高电炉熔化期末钨的收得率，减少还原期渣中的w03含量，提高钨的收得率。
本发明采用以下技术方案来完成其目的：钨矿直接合金化炼钢工艺主要包括a和b两大步骤：
a、首先将钨矿配制成含碳钨矿球团，方法如下：
a)含碳钨矿球团包括80%〜85.5%的钨矿、13%〜16.5%的还原剂、1〜2%的催化i.剂、0.5%〜1.5%粘结剂；
b)将钨矿、还原剂、催化剂进行破碎并研磨成粉料；
c)将以上粉料混合均匀；
d)加入粘结剂将粉料粘结在一起压块制成含碳钨矿球团；
b、将钨矿直接合金化炼钢工艺，工艺方法如下：
1)将废钢、含碳钨矿球团、碳化硅或硅铁装入冶炼炉，并进行冶炼；
2)对吹氧助熔进行控制，在熔化期选择晚吹氧；3)在熔化期和氧化期釆用低碱度渣工艺；
4)出炉后进行脱硫精炼+真空脱气，最后进行浇注。
本发明中所述的钨矿的主要成分为cao_w03,w03含量在65%以上；所用的还原剂为煤或煤配加20%〜30%焦炭粉，其中煤的固定碳含量在80%以上；所述的催化剂为硼酸盐na2b407、b203或氯化物nacl、cac12、kc1中的任意一种；所用的粘结剂为水玻璃等；破碎并研磨的粉料颗粒在200目左右；晚吹氧是指需要等炉料熔化90%以后再吹氧；低碱度渣工艺是指在熔化期和氧化期炉渣碱度控制在1.5以下的冶炼工艺。
本发明的优点在于：
(1)与国内外现有的钨矿直接合金化工艺相比，本发明强化固态还原过程，提高了还原反应速度，在熔化期结束时就可以使钨矿的还原率达到90%以上，通过还原期加还原剂sic进一步的贫化，可以使钨的收得率达到95%以上。而常规的钨矿直接合金化工艺主要依靠的渣金反应，接触面积小，而且只有在废钢全部熔化后才发生，因此没有利用废钢尚未熔化的电弧炉冶炼阶段，反应速度低于本发明提出的包含有气一固反应预还原的两步法还原，而且常规的钨矿直接合金化工艺还原期有50%的钨矿没有还原，依靠还原期的渣金反应还原，还原期长，为50〜70min,本发明在还原期前还原率90%，因此还原期时间短，比常规的钨矿直接合金化工艺缩短还原期20min，而与普通的钨铁合金化工艺相当，还原期为30〜50miii。
(2)本发明固态还原阶段的还原剂为碳粉，而且在熔化期钨矿已发生还原反应，因此冶炼过程的渣量较少，正常用铁合金冶炼的渣量为50kg/t钢，本工艺渣量低于55kg/t钢，因此不会给电弧炉冶炼带来任何影响，操作简便易行。而用常规的鹤矿直接合金化工艺由于主要依靠还原期的渣金反应，需要配髙碱度渣，因此还原期渣量大，渣量超过70kg/t钢，给冶炼操作带来困难，因此本工艺在操作上优于常规的钨矿直接合金化工艺。
(3)本发明钨矿直接合金化方法与钨铁合金合金化的方法相比，本发明的金属收得率水平在95%以上，钨铁合金合金化方法的金属收得率水平为90°/。~95%左右，因此本发明可达到或高于钨铁合金合金化方法的金属收得率水平。本发明钨矿直接合金化方法可以不用冶炼铁合金的整套设备，相当于一种单步法工艺，因而投资和能源消耗都得到节省，降低了钢的钨合金化成本，减轻了环境污染。同样生产一吨含钨6%的高速工具钢，在资源消耗方面，本发明直接合金化工艺消耗的白钨矿是传统工艺的99%。冶炼一吨钨铁的综合电耗（计入了所用还原剂的电耗）是4349.5kwh，用钨铁合金化工艺的综合电耗是860.6kwh，而本发明直接合金化工艺的电耗是517kwh，本发明直接合金化工艺只有钨铁合金化工艺电耗的60%。本发明直接合金化工艺在大气酸化、温室效应、光化学烟雾形成、水生物毒性这四类环境负荷方面，分别为传统工艺的62.0%、64.0%.62.2%、65.8%。从在渣量方面，本发明直接合金化工艺为传统工艺的55,8%。本发明直
接合金化工艺的废水量为传统工艺废水量的46.2%。
具体实施方式。
含碳钨矿球团是由80%〜85.5%的钨矿、13%〜16.5%还原剂、1〜2%的催化剂，0.5%〜1，5%的粘结剂组成，先将钨矿、还原剂、催化剂进行破碎并研磨成200目粉料，然后混匀并加入粘结剂压块制成含碳钨矿球团。钨矿钨的含量在50%左右，还原剂是煤或煤配加20%〜30%焦炭粉，其中煤固定碳含量在80%以上，粘结剂是水玻璃，催化剂为硼酸盐na2b407、b2odd氯化物nacl、cacl2、kc1中的任意一种。
电弧炉装料时，先装废钢原料和碳化硅sic，然后将含碳钨矿球团放在电弧炉的高温电弧作用区。含碳钨矿球团加入量根据冶炼钢种和含碳钨矿球团金属钨的含量确定。
冶炼时的工艺要求：对吹氧助熔进行控制，在熔化期尽可能选择晚吹氧，需要等炉料熔化90%以后再吹氧，以免被还原出来的钨又被氧化。
氧化期和还原期釆用在熔化期和氧化期炉渣碱度控制在1.5以下的低碱度渣工艺，以利用钢液中的还原剂继续还原w03。
实施例：
实施例1
在装入量为20吨的电弧炉上完全用钨矿直接合金化冶炼高速工具钢m2(w6mo5cr4v2)采用的工艺路线为：电炉冷装低磷p废钢、含碳钨矿球团、碳化硅sic、加入钼铁—进入熔化期—进入氧化期—进入还原期—加钒铁—加炉渣贫化剂碳化硅sic—出炉一在lf炉进行脱硫精炼—进行vd真空处理—进行浇注。在辟工艺路线中，先配制含碳钨矿球团，它由85%的钨矿、13%的还原剂、1%的催化剂、1%的粘结剂组成，先将钨矿、还原剂、催化剂进行破碎并研磨成200目粉料，然后混匀并加入粘结剂压块制成含碳钨矿球团。钨矿钨含量50.4%，还原剂是固定碳含量为85%的煤，粘结剂是水玻璃，催化剂为na2b407。含碳钨矿球团含钨量为42.8%，钢中增钨6%，吨钢需要加入含碳钨矿球团140.2知，每炉共加含碳钨矿球团2804&，装料时加入sic20kg，炉渣贫化时加入sic20kg。实施结果表明，釆用本发明方法能取得良好的冶炼效果，不仅钨合金元素收得率达到95.25%，高于钨铁合金合金化方法，而且波动也小，操作稳定，成品钢材质量与用钨铁合金化的钢材相当，还能取得可观的经济效益，与使用钨铁合金合金化方法相比，吨钢降低成本2061元。
实施例2
在装入量为15吨的电弧炉上完全用钨矿直接合金化冶炼高速工具钢m2a1(w6mo5cr4v2al),工艺路线为：电炉冷装低磷废钢、含碳钨矿球团、碳化硅sic、加入钼铁—进入熔化期—进入氧化期—进入还原期—加钒铁—加炉渣贫化剂sic—加铝锭、出炉—进行lf炉进行脱硫精炼—进行vd真空处理—进行浇注。配制的含碳钨矿球团是由82.5%的钨矿、15%的还原剂、1.5%的催化剂、1%的粘结剂组成，先将钨矿、还原剂、催化剂进行破碎并研磨成200目粉料，然后混匀并加入粘结剂压块制成含碳钨矿球团。钨矿钨含量49.6%，还原剂是80%煤配加20%焦炭粉，煤的固定碳含量为82.5%，焦炭粉的固定炭含量为80%，粘结剂是水玻璃，催化剂为nacl。含碳钨矿球团含钨量为40.9%，钢中增钨6%，吨钢需要加入含碳钨矿球团146.7kg，每炉共加含碳钨矿球团2200kg，装料时加入sic10kg，炉渣贫化时加入sic10kg。实施结果表明，采用本发明方法能取得良好的冶炼效果，不仅钨合金元素收得率达到96.08%，高于钨铁合金合金化方法，而且波动也小，操作稳定，成品钢材质量与用钨铁合金化的钢材相当，还能取得可观的经济效益，与使用钨铁合金合金化方法相比，吨钢降低成本2073元。
实施例3
在装入量为10吨的电弧炉上完全用钨矿直接合金化冶炼高速工具钢m2a1(w6mo5cr4v2a1),釆用的工艺路线为：电炉冷装低磷废钢、含碳钨矿球团、碳化硅sic、加入钼铁—进入熔化期—进入氧化期—进入还原期—加钒铁—加炉渣贫化剂sic—加铝键、出炉—进行lf炉进行脱硫精炼—进行vd真空处理—进行浇注。配制的含碳钨矿球团是由80%的钨矿、16.5%的还原剂、2%的催化剂、1.5%的粘结剂组成，先将钨矿、还原剂、催化剂进行破碎并研磨成200目粉料，然后混匀并加入粘结剂压块制成含碳钨矿球团。钨矿钨含量48.1%，还原剂是70%煤配加30%焦炭粉，煤的固定碳含量为80%，焦炭粉的固定炭含量为78%，粘结剂是水玻璃，催化剂为cacl2。含碳钨矿球团含钨量为38.5%，钢中增钨6%，吨钢需要加入含碳钨矿球团155.9kg，每炉共加含碳钨矿球团1559kg，装料时加入sic10kg，炉渣贫化时加入sic10kg。实施结果表明，釆用本发明方法能取得良好的冶炼效果，不仅钨合金元素收得率达到96.08%，高于钨铁合金合金化方法，而且波动也小，操作稳定，成品钢材质量与用钨铁合金化的钢材相当，还能取得可观的经济效益，与使用钨铁合金合金化方法相比，吨钢降低成本2089元。