传统意义上电炉冶炼不锈钢包括了在电炉冶炼过程的脱碳、合金化、脱硫等操作，电炉冶炼的熔化期、氧化期和还原期分界清楚。随着不锈钢连铸技术的发展，对电炉冶炼节奏要求越来越高，电炉冶炼不锈钢过程逐步演变成仅冶炼不锈钢母液，不再对脱碳、脱硫有严格要求，对应的任务由后工序AOD、VOD或LF精炼炉完成，电炉冶炼不锈钢母液粗略可分为熔化期和精炼期。在母液合金成分基本合格的基础上，核心要求是冶炼节奏快、电耗低、炉衬寿命长。在原料方面，冶炼过程大量使用了大块不锈钢返回料和铬铁，导致重料比相对普碳钢冶炼过程偏高，同时镍价的上涨导致低镍生铁（含镍小于10%）被广泛使用。低镍生铁通常是铸锭状或普通生铁块状，它的使用进一步提高了电炉原料的重料比。重料比过高在不同程度上会导致原料熔化困难、冶炼时间变长、电耗增加。

电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术的应用可很好地解决上述问题，满足当前电炉冶炼不锈钢母液过程的核心要求，即冶炼节奏快、电耗低、炉衬寿命长。

1  电炉冶炼不锈钢过程中能量输入特性

电炉冶炼不锈钢母液的中心任务是保证重料比高的金属原料快速熔化并升温到合格的温度，从生产实践看，即提供金属原料和相应渣料熔化升温所需的能量，从而加速尺寸大的重料的熔化。生产中一般由电弧供电和吹氧来共同完成。吹氧的目的不完全是脱碳，更重要的作用是通过产生CO气泡来搅拌熔池。部分电弧炉安装有炉壁烧嘴可提供更多的化学能来加快物料熔化，如果兑加铁水，则可提供物理热。

对于电弧供能，由于重料使用过多，电弧得不到有效的保护，电弧工作时也不能采用强功率供电，以避免炉衬侵蚀严重。对于吹氧产生化学能方式，吹氧量过大，会造成铬氧化严重；吹氧量过小，达不到搅拌熔池的效果。一般电炉冶炼过程吹氧量控制在吨钢12立方米左右，大约产生约80kWh的能量。对于炉壁烧嘴，由于炉料重料比大，烧嘴释放的能量很难被熔池吸收，对缩短熔池冶炼时间的作用有限，大部分冶炼不锈钢母液的电炉并没有配置炉壁烧嘴。

由此可以看出，为了实现电炉冶炼不锈钢母液要求的冶炼节奏快、电耗低、炉衬寿命长的目标，吹氧提供化学能可改进的空间小，炉壁烧嘴所起到的作用也有限，只有从优化电弧供电入手，才能真正实现如上目标，而泡沫渣技术应用可充分利用渣保护电弧，实现提高电弧热效率和供电功率并有效保护炉衬的目标。

2  电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术理论研究探讨

电炉冶炼造泡沫渣有两个基本条件：一是要求渣的发泡性能好，二是要求有足够的发泡气源。

对于渣的发泡性能，通常用泡沫化指数来表示，泡沫化指数为发泡高度与气体表观常数之比。研究表明，渣的黏度在一定范围内变大有利于提高单个气泡的稳定性，从而提高泡沫化指数；渣液的表面张力越低，意味着生成气泡所需要的能量越低，低表面张力有利于提高泡沫指数；渣中适量的微小固体颗粒有利于提高渣黏度，可提高泡沫化指数，然而如果固体颗粒过大或过多，渣变得黏稠类似糨糊状，则很难形成有效气泡，用来起泡的气体将沿渣体中的裂缝离开渣层，达不到发泡效果。

对于不锈钢电炉冶炼过程中渣的发泡性能研究，通常的观点认为不锈钢渣发泡性能差的原因是其含Cr2O3含量过高，导致渣黏稠甚至硬化，然而国外一些研究人员的不锈钢渣发泡性能试验结果表明，渣中Cr2O3质量分数低于15%可取得良好的发泡效果。由此可以看出，实际生产中不锈钢渣难以发泡的原因可能不完全是其Cr2O3含量过高，渣中含有相当量的未熔化的石灰颗粒可能是导致渣黏稠甚至硬化的又一重要原因。

在电炉冶炼普碳钢或低合金钢的过程中，由于吹氧产生大量的FeO是很好的化渣熔剂即溶解石灰或白云石的熔剂，但在电炉冶炼不锈钢过程中，吹氧反应产生的金属氧化物主要是Cr2O3而非FeO，这就导致了造渣料石灰或白云石加入后，在不额外添加化渣剂氧化铁或萤石的情况下，仅能通过电弧加热来化渣。这就可能导致石灰或白云石并不能完全熔化而溶解到渣相中，**终导致渣中固体石灰或白云石颗粒过大或过多，加上Cr2O3含量高的渣本身黏度大，这些因素综合影响了渣的发泡性能。解决此间题须添加化渣剂，保证石灰或白云石熔化彻底，快速形成均匀的渣相，然后在这基础上进一步研究Cr2O3含量、碱度和MgO含量等因素对渣发泡性能的影响，**终研究出具有良好发泡性能的不锈钢渣。

在电炉冶炼不锈钢造泡沫渣过程中，除了要求渣具有良好的发泡性能外，还需要有足够的发泡气源。从电炉冶炼不锈钢的实际情况看，钢渣间反应、吹氧或喷碳均可产生一定的CO气体作为发泡气源。钢渣反应产生CO气体可穿越渣层，是**理想的发泡气源。在一定碳含量范围内，钢渣界面反应可生成CO气泡来推动渣发泡，但受动力学条件的制约，很难形成良好的泡沫渣。所以，要采取额外的技术手段创造更多的气源，在保证渣有良好发泡性能的基础上，造出良好的泡沫渣，相应也产生了各种不锈钢冶炼的泡沫渣技术。

3  相关技术研究进展

电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术主要包含喷吹法和直接加入法，其目的是采用额外的技术手段创造更多的用来推动渣发泡的气源并改善渣的发泡性能。

喷吹法主要是在吹氧的同时喷吹氧化铁皮、碳粉、硅粉或发泡剂粉。喷吹氧化铁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铁可改善渣的流动性以提高其发泡性能。喷吹碳粉到渣层可促使其与氧化物反应以释放渣发泡需要的气体。喷吹硅粉可促进渣中氧化铬的预还原，避免渣中Cr2O3过高而导致渣过黏。

瑞典的阿维斯塔谢菲尔德有限公司（Avesta Sheffield AB）采用喷吹法在试验过程中取得了成功。在向渣面喷吹氧气和碳粉的同时，喷吹氧化铁皮来提高渣中FeO含量，通过控制渣的成分来造不锈钢泡沫渣，**终使电炉冶炼不锈钢的冶炼周期缩短了10%-16%，成本大大降低。

德国一家钢铁公司通过向渣面喷吹硝酸钙（Ca（NO3）2·4H2O）和碳粉来制造N2、CO和H2O气源，在冶炼13%Cr不锈钢的过程中造出了良好的泡沫渣。考虑到石灰石或白云石可以分解出CO2气体，德国汉堡公司通过喷吹白云石造不锈钢泡沫渣，意大利的里瓦（ILVA）钢厂通过喷吹石灰石造不锈钢泡沫渣，主要利用这些碳酸盐的分解释放用于推动渣发泡的气体。

喷吹法的缺点是喷吹的物料很难均匀弥散在渣层中，同时生成的CO气泡过多集中在渣层的上部，不能整体推动渣发泡。另外。喷吹的射流有一定的熄泡效应，不利于泡沫的稳定。

直接加入法是通过料仓或专有的加入设备向冶炼熔池加入发泡剂或发泡球。一些研究人员采用添加以石灰石、白云石和焦炭为主要原料的发泡剂，进行了实验室和生产试验。试验研究了不同渣系对渣发泡性能的影响，在实验室和生产中造出了良好的泡沫渣。然而，石灰石和白云石本身难以溶解，会使得起泡时间推迟，采用直接加入法不如喷吹法有利于发泡剂快速分解。

**近德国西马克德马格（SMS DEMAG）公司与波兰克拉克科技大学联合开发了一种新的造不锈钢泡沫渣的方法，即制作密度介于钢液和渣之间的发泡球。发泡球由铁粉、FeO、C和石灰石等物质构成，在熔化过程中可释放CO和CO2气体作为发泡气源。这种发泡球可下沉到渣底部，不干扰渣的发泡性能，同时气泡可从渣层底部推动渣发泡，发泡效果良好。此项技术已在巴西蒂莫特奥（Timoteo）钢铁公司3号电炉冶炼不锈钢的过程中应用，可以将原先的电弧升温速率6K/min-7K/min提高到11K/min-12K/min。这种发泡球在实际应用过程中是连续加入的，需要有额外的加料设备，在某种程度上制约了此项技术的推广。

4  技术应用前景

尽管诞生了各种电炉冶炼不锈钢的泡沫渣技术，但仍未改变它是一个世界性难题的局面，相关技术并没有得到全面的推广应用。主要原因可能有以下几个方面：**，电炉冶炼不锈钢母液过程需要泡沫渣保护电弧的时间并不长，仅为熔化后期和精炼期，时间一般少于30分钟，这样泡沫渣技术带来的经济效益不是很明显。第二，相关技术操作复杂且稳定性不强，尤其是喷吹法，一旦控制不好，发泡剂不能喷吹弥散到渣内，则达不到相应的效果。第三，须意识到石灰或白云石熔化不彻底（即化渣效果不良）是导致渣不能良性发泡的重要原因。已经开始通过加入氧化铁或氧化铝来加速渣料石灰或白云石熔化，促使其均匀溶解到渣相中，这可以改善渣的发泡性能。

在我国，在电炉冶炼不锈钢母液特别是奥氏体不锈钢母液的过程中，重料比越来越高，这就导致电弧在更长的通电时间内得不到保护。在这种条件下，泡沫渣技术有可能在生产中取得可观的经济效益，解决当前电炉冶炼存在的冶炼周期过长的问题。因此，应学习国外先进经验，进一步发展并推广此方面的技术，以提高我国电炉冶炼不锈钢母液的水平。