劉 瀏

(中國鋼研科技集團有限公司鋼鐵研究總院)

不銹鋼冶煉工藝與生產技術

劉 瀏

(中國鋼研科技集團有限公司鋼鐵研究總院)

介紹了不銹鋼煉鋼的總體概況和品種的發(fā)展情況,論述了不銹鋼在鐵水預處理、轉爐、電爐、二次精煉、連鑄等方面的技術進步,提出了不銹鋼生產流程未來的發(fā)展方向。

不銹鋼 生產流程 精煉

0 前言

不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿和鹽等溶液,或其他腐蝕介質中具有一定化學穩(wěn)定性的鋼。具有不銹、耐蝕、高壽命、可循環(huán)、外表美觀等優(yōu)良性能的不銹鋼廣泛應用于家電和食品機械、電子和自動化設備、工業(yè)機械、建筑材料、交通和能源等領域。由于不銹鋼的特性和對產品質量的特殊要求,不銹鋼的冶煉和生產工藝具有不同于普通鋼的特點,需要采用新的工藝和設備。本文闡述了不銹鋼的發(fā)展趨勢、工藝流程、冶煉和精煉技術,要根據流程正確選擇冶煉和精煉方法,以達到最佳的技術經濟效果。

1 不銹鋼的發(fā)展和現(xiàn)狀

隨著市場的繁榮,世界不銹鋼生產量逐年增長,(如圖 1所示)。從 1995年起,國際不銹鋼粗鋼年均增長 6.6%,2006年產量達到峰值。2006年后,由于金融危機的影響,不銹鋼產量下滑,但長遠看不會影響世界不銹鋼增長的總趨勢。日本和美國的產量比較穩(wěn)定,直到受金融危機影響后顯著下降,自2006年中國成為不銹鋼生產的第一大國后,增長勢頭仍然強勁,2010年預計可突破 1000萬 t。

圖1 世界和主要國家不銹鋼粗鋼產量

按主要化學組成可分為鉻不銹鋼 (俗稱 400系)、鉻鎳不銹鋼、鉻鎳鉬不銹鋼 (俗稱 300系)、鉻錳氮不銹鋼 (俗稱 200系)。從不銹鋼的發(fā)展歷史看,目前 300系奧氏體不銹鋼占世界主導地位,今后為節(jié)約鎳資源,300系的生產比例將會降低。400系鐵素體不銹鋼在發(fā)達國家迅速推廣,是今后大力發(fā)展的不銹鋼品種之一。200系不銹鋼在發(fā)展中國家應用比例較高,今后有降低趨勢[1],轉向開發(fā)耐氯離子腐蝕和抗高溫氧化性的雙相不銹鋼為主。當前,不銹鋼質量將圍繞著提高不銹鋼的純凈度、提高不銹鋼的耐腐蝕性能和開發(fā)節(jié)鎳型不銹鋼三個方向發(fā)展,重點是高耐蝕性不銹鋼、高成形性不銹鋼、高強度和高硬度不銹鋼、耐熱和抗氧化不銹鋼、高氮不銹鋼等品種[2-5]。

近年來,中國不銹鋼市場需求和產能均呈快速增長趨勢。圖 2是我國不銹鋼的表觀消費量和進出口量。可見,不銹鋼表觀消費量增勢迅猛,進出口量則呈現(xiàn)出先增后降的特點。目前,國內人均不銹鋼消費已超過世界人均消費水平,主要是近幾年消費量迅速提高所致,社會的累積消費量與發(fā)達國家還相距甚遠,不銹鋼市場和產能仍有較大的發(fā)展空間。由于國內不銹鋼產能的迅速增長,已基本滿足國內市場需求,企業(yè)新上不銹鋼項目需要慎重考慮。在國內不銹鋼產銷平衡的條件下,不銹鋼高端市場的產量仍不能滿足需求,仍需從國外進口,說明今后需重點發(fā)展高品質不銹鋼。隨著不銹鋼需求的迅速增長,我國不銹鋼的產品結構也發(fā)生了重大改變。當前,板材的生產比例為 71%,棒材為 9%,管材為14%,與國際先進水平相當。從發(fā)展趨勢看,今后中國不銹鋼生產中 300系應該保持 50%～60%,400系 30%～35%,其他 5%～10%。400系的生產會有較大的發(fā)展,而 200系的發(fā)展仍會受到限制。

圖2 我國不銹鋼的表觀消費量和進出口量

2 不銹鋼冶煉工藝流程

選擇冶煉工藝流程必須考慮不銹鋼生產的原料供應條件、生產規(guī)模、生產成本和產品品種與質量等因素。對生產規(guī)模較小的企業(yè),在不銹鋼返回料供應充足的條件下,可選用適合不銹鋼返回料生產的電爐不銹鋼生產工藝流程。對生產規(guī)模較大的企業(yè),如能具有較大的不銹鋼返回料供應條件,可選用適合鐵水 +不銹鋼返回料生產的電爐 -轉爐不銹鋼生產工藝流程。對生產規(guī)模較大而不銹鋼返回料供應缺乏的鋼鐵企業(yè),為降低投資可選用適合全鐵水不銹鋼冶煉的轉爐不銹鋼生產工藝流程。圖 3是三種流程的示意圖。為了適應不銹鋼生產規(guī)模日益增大的市場需求,目前,國內外新建的不銹鋼生產線大多采用鐵水 -廢鋼混合流程,建設適應不銹鋼和普鋼生產的兼容性煉鋼廠。

2.1 全廢鋼電爐不銹鋼生產流程

選用返回料用電爐冶煉不銹鋼是傳統(tǒng)流程,工藝成熟,生產規(guī)模小,一般年產鋼 40～60萬 t,生產成本低,鐵素體、奧氏體不銹鋼采用“二步法”生產工藝,超純鐵素體不銹鋼采用“三步法”生產工藝[6]。張家港浦項鋼鐵流程是典型電爐 -AOD爐冶煉不銹鋼流程。以 300系列為例,其爐料結構為廢鋼 50%,碳素廢鋼 30%,高碳鉻鐵 14%,鎳鐵4%,高碳錳鐵 2%。出鋼量 150 t,熔化時間 60 min,電耗 450 kW·h/t,收得率 95%,氧耗 8 Nm3/t～9 Nm3/t,石灰 50 kg/t,白云石 6 kg/t。

圖3 不銹鋼生產的三種流程

2.2 全鐵水轉爐不銹鋼冶煉流程

全鐵水不銹鋼冶煉工藝流程的主要特點是以鐵水為主要原料,配加合金直接生產各種牌號不銹鋼的冶煉工藝,分為采用電爐熔化合金和采用轉爐熔化合金的兩種類型。全鐵水不銹鋼冶煉工藝的主要缺點是:冶煉過程熱量不足,不能大量使用不銹鋼返回料冶煉不銹鋼 (返回料的使用比例≤10%)。

2.2.1 電爐熔化合金的全鐵水不銹鋼冶煉工藝

太鋼第二煉鋼廠為全鐵水不銹鋼冶煉工藝流程,而且是兼容冶煉普鋼,具有年產 50萬 t不銹鋼、250萬 t碳鋼的生產能力。主體設備包括三脫鐵水預處理裝置兩座、脫硫鐵水預處理裝置兩座、30 t電爐一座、75 t K-OBM-S復吹轉爐一座、80 t碳鋼復吹轉爐兩座、80 t RH真空處理一座、75 t VOD爐一座、75 tLF爐一座、直弧型板坯連鑄機兩臺、方板坯兼容連鑄機一臺。不銹鋼主要品種:300系 (304、304HC、316)、400 系 (430、409、410、436、CTSZB、444)等 50多個品種[7]。

2.2.2 采用轉爐熔化合金的全鐵水不銹鋼冶煉工藝

該工藝主要特點是在脫碳保鉻爐內同時進行合金的熔化,工藝流程短,投資少,但不銹鋼冶煉爐的負荷重,技術難度較大。日本八幡廠采用 175 t轉爐生產不銹鋼,經脫硅、脫硫、脫磷的鐵水兌入 LDOB轉爐[8]。轉爐冶煉分為三個階段:鐵水脫碳期,提高熔池溫度至 1600℃;脫碳期,連續(xù)加入大量的高碳鉻鐵、錳鐵和鎳粒,溫度控制在 1600℃左右,再快速升溫到 1700℃以上;還原期,碳脫至 0.2%～0.3%,添加硅鐵或鋁還原渣中金屬鉻。

2.2.3 全鐵水轉爐不銹鋼生產新流程

采用轉爐鐵水“三脫”+轉爐初脫碳 +真空精煉脫碳三步法冶煉不銹鋼[9]?！叭摗鞭D爐采用頂吹弱供氧和底吹強攪拌工藝,吹煉時間 9 min,冶煉周期 20 min,半鋼 [P]<0.010%,[C]>3.5%,半鋼溫度 1350℃。初脫碳轉爐采用頂吹純氧和氧氮 /氬混合氣體,底吹惰性氣體工藝實現(xiàn)快速脫碳、升溫和保鉻的目的?？刂剖侄伟ú捎媒固窟M行熱補償,在高碳區(qū)頂吹大流量供氧快速脫碳升溫,在低碳區(qū)逐步減少頂吹供氧強度和增加頂吹混入惰性氣體比例,底吹惰性氣體增加爐齡。真空精煉脫碳爐與初脫碳轉爐匹配,可優(yōu)化脫碳條件,擴大不銹鋼品種范圍,尤其是超低碳、氮鐵素體不銹鋼。

針對采用全鐵水配加合金生產不銹鋼的要求,鋼鐵研究總院開發(fā)了不銹鋼冶煉工藝流程。該流程分為三個基本生產單元:①鐵水供應和預處理系統(tǒng),其任務是向不銹鋼脫碳爐提供低磷鐵水;②不銹鋼脫碳爐,主要設備是頂底復吹轉爐,主要任務是熔化鐵合金,進行不銹鋼脫碳、升溫,控制鉻的氧化。③不銹鋼精煉爐,主要設備是LF爐和VOD爐,應根據鋼種的要求確定精煉工藝,主要用于不銹鋼鋼水深脫碳、脫氧合金化,技術特點如圖 4和圖 5所示。包括采用轉爐鐵水脫磷預處理工藝同時熔化部分合金或不銹鋼返回料(≤15%);采用轉爐直接熔化鉻合金,不用配備電爐;采用頂吹強供氧和惰性氣體 -氧氣混合吹煉工藝,可生產 [C]≤0.15%的低碳不銹鋼;采用底吹惰性氣體強攪拌工藝,提高爐底和爐體壽命。開發(fā)目標包括冶煉周期 <60 min,爐齡≥1000爐,可直接生產[C]≤0.15%的不銹鋼,鉻回收率≥98%,硅鐵消耗≤15 kg/t鋼,與 VOD配套生產各種不銹鋼品種。

圖4 吹煉強度

圖5 元素變化

2.2.4 熔融還原冶煉不銹鋼工藝

該流程以鐵水和鉻礦為主要原料,以焦炭作為熔融還原的還原劑和熱源,配加少量廢鋼冶煉,雖能減少價格昂貴的鉻鐵合金用量,但冶煉周期較長,工序較多,投資成本遠高于其他工藝流程。川崎制鐵在鐵水脫磷后,在 K MS-S中將鉻礦直接還原,升溫同時熔化廢鋼,調整鉻鎳成分,在 K-OBM-S中脫碳,鉻鎳成分,用混合氣體防止鉻氧化,最后在 VOD中對高級鋼種進行精煉[10-11]。

2.3 鐵水 +廢鋼不銹鋼生產流程

鐵水 +廢鋼不銹鋼生產流程的主要優(yōu)點是對不銹鋼原料供應具有較大的靈活性,可根據市場鎳價和不銹鋼返回料價格的波動及供應情況調整鐵水和不銹鋼返回料的比例。其主要特點是同時配備轉爐和電爐進行不銹鋼冶煉,采用轉爐進行鐵水脫磷處理,采用電爐熔化合金和返回料。缺點是工藝流程長、投資大、生產成本較高。目前我國太鋼不銹鋼新區(qū)、寶鋼不銹鋼分廠均采用該工藝流程,其特點是利用轉爐進行鐵水“三脫”,脫磷后半鋼碳含量高,兌入電爐內熔化合金,鉻收得率較高。

太鋼新區(qū)采用 180 t煉鋼轉爐 +160 t電弧爐 +180 tAOD爐 +180 t LF+CC生產流程。為解決不銹鋼磷含量問題,采用一座 180 t轉爐將高爐鐵水冶煉成碳低、磷低的鋼水后,再分別兌入兩座 160 t超高功率電弧爐熔煉不銹鋼預熔液;不銹鋼和普鋼生產可互相置換。優(yōu)點是生產效率高,產量大;原料適應性強;可靈活調整普照鋼和不銹鋼的生產比例。缺點是投資較大。

3 不銹鋼冶煉技術

目前,國際上已經開發(fā)成功十幾種不銹鋼冶煉和精煉技術。不銹鋼冶煉階段完成了大部分脫碳保鉻任務,而脫碳的少量任務放在精煉階段完成。冶煉技術主要分為以側吹氧為主的 AOD或 AOD-L、KCB-S冶煉工藝,以轉爐為基礎采用底吹氧的 K-OBM-S、K-BOP、GOR等工藝 ,以底吹攪拌為特點的 KCB-S和MRP工藝。

3.1 采用側吹氧的工藝方法

AOD爐是世界上不銹鋼生產的主導工藝。借鑒轉爐頂吹經驗,AOD也采用了頂吹氧工藝,稱為AOD-L,工藝特點是通過側吹氧氬/氮混合氣體,降低 CO分壓,脫碳保鉻;增設頂吹氧槍加速高碳區(qū)脫碳速度或用于爐內二次燃燒,以縮短冶煉時間;熔池碳小于 0.60%時,頂吹停止供氧,靠純側吹脫碳或混吹氧氮 /氬混合氣體,加速低碳區(qū)稀釋脫碳;終點碳含量可小于 0.015%;爐容比為 0.55～0.60 Nm3/t,供氧強度低,爐齡為 150～200爐[12-14]。

KCB-S是克虜伯開發(fā)的復合吹煉法,工藝特點是在吹煉初始階段,同時頂吹和側吹純氧快速脫碳升溫。到達一定溫度后,在吹煉期間,分批加入各種合金料、石灰或廢鋼。熔池碳含量降到 0.70%以下,按 4∶1、2∶1、1∶1、1∶2和 1∶4比例逐步增加頂吹和側吹氣中惰性氣體比例。熔池碳含量低于0.15%后,停掉頂槍,采用側吹氧脫碳;目標碳含量達到后,僅采用惰性氣體側吹攪拌還原[15]。

3.2 以轉爐為基礎采用底吹氧的工藝方法

K-BOP類似于從爐頂氧槍吹氧的 BOF轉爐,下部風嘴設在轉爐底部,可從底部噴吹石灰粉改善脫硫。底吹氣體中采用天然氣或丙烷作為保護氣,以提高耐材壽命,爐齡可達 600爐。K-OBM-S轉爐是由奧鋼聯(lián)開發(fā)的,是 BOP法的發(fā)展,風口安裝于轉爐的側面或底部,還裝有頂部氧槍。頂部氣體采用氧氣、氮氣和氬氣,通過底部風口噴吹氧氣、氮氣、氬氣和烴類氣體。天然氣和丙烷用于風口保護和提高耐火材料的壽命。

GOR轉爐是多種能源介質復合吹煉的底吹轉爐,其供氣管路通過安裝在轉爐底部的三個套管式噴嘴向熔池吹入可調成份的氧氣、氮氣、氬氣、天然氣 (或其它碳氫化合物)的混合氣體。冶煉的第一階段吹氧,由碳氫化合物保護噴嘴;第二階段吹入氧、氬 (或氮)、碳氫化合物和它們的混合氣體;第三階段向轉爐熔池吹入純氬 (或氮)。

瑞典的 Udde holm和法國的 Creuso tLoire開發(fā)的 CLU采用蒸汽作為稀釋氣體,從底部吹氧氣、蒸汽、氮氣和氬氣,同時,從爐頂吹氧氣、氮氣和氬氣。脫碳時,開始吹氧氣 -蒸汽混合氣體。采用這種轉爐,耗氬量降低,但耗硅量卻很高,而且鋼中氫含量增加。目前的趨勢是用更多的氬氣來取代蒸汽來提高效率[16]。

3.3 采用底吹攪拌的工藝方法

臺灣中鋼的 CSCB以鐵水、高碳鉻鐵和鎳鐵為原料,焦炭作補充熱源,通過頂吹純氧和底吹大流量吹惰性氣體,在一座轉爐內完成不銹鋼熔煉和主脫碳任務。因出鋼碳不能低于 0.20%,必須與 VOD搭配才能生產不銹鋼,可用于交替生產碳鋼和不銹鋼。

曼內斯曼德馬克開發(fā)的MRP-L頂吹純氧,底吹純惰性氣體,采用可更換爐底,爐齡高達 1200爐。爐容比與 AOD爐接近,為 0.6 Nm3/t。一般與真空精煉脫碳爐組合成三步法工藝,出鋼碳含量為 0.20%～0.30%,鉻回收率達 97%～99%[17]。

3.4 熱力學研究

鋼液中碳鉻平衡決定于鋼中鉻含量,在一定溫度下隨鉻含量升高平衡碳含量增大,提高反應溫度使碳鉻平衡常數減小有利于抑制鉻的氧化,降低 CO分壓使反應平衡常數減小,有利于保鉻脫碳反應進行,提高熔池傳質速度可提高脫碳反應速度,促進脫碳反應平衡。不銹鋼冶煉過程中鉻的損失 (DCr/DC)隨 DOS精煉指數 (Distributian of Oxygen for C and Cr in Stainless Steelmaking不銹鋼冶煉中碳、鉻間氧的分配)的降低而減小,降低供氧強度有利于減小 DOS指數,加強熔池攪拌,提高熔池傳質速度可促進碳氧反應平衡,有利于減小 DOS指數,在不銹鋼冶煉過程中,控制熔池升溫速度和脫碳速度可減少鉻的氧化[18]。

不銹鋼側吹與底吹的區(qū)別在于側吹向熔池傳遞的攪拌能最大,熔池混勻效果最好;底吹能減少轉爐桶型部分的耐材磨損,提高其壽命;脫碳速度與熔池供氧強度成正比,在低碳區(qū)受鋼中鉻氧化的限制。通常側吹轉爐最小,純底吹轉爐其次,大流量頂底復吹轉爐脫碳速度最大。

3.5 不銹鋼冶煉工藝的評價與選擇

不銹鋼冶煉工藝的選擇必須從不銹鋼原料供給情況出發(fā),正確選擇不銹鋼生產工藝流程,并根據流程的要求正確選擇不銹鋼冶煉工藝。不同不銹鋼冶煉工藝的評價體系包括:①生產效率 (供氧強度、冶煉周期、爐齡),②合金熔化能力,③生產成本 (鉻收得率、硅鐵消耗和爐齡),見表 1,如圖 6所示。

表1 不銹鋼冶煉工藝的評價比較

圖6 工藝特點

4 不銹鋼精煉技術

4.1 VD

真空脫碳是通過降低鋼液面上方真空室壓力,促進 CO氣泡溢出,從而加快熔池脫碳。真空脫碳法的特點是通過控制真空度,能在完全抑制[Cr]氧化的情況下進行脫碳,渣中 (Cr2O3)少,硅鐵消耗低。在真空下,有利于脫碳、脫氮和脫氫,能生產超低碳、氮的不銹鋼。為防止減壓情況下鋼水噴濺造成設備事故,供氧強度受到限制,要求處理鋼水碳含量不大于 0.60%。

4.2 VOD

真空氧脫碳是 1967年 Thyssen Krupp開發(fā)的不銹鋼精煉技術。在脫碳初期,為防止噴濺增大,采用高槍位、低真空度和小底攪工藝;在脫碳中期,脫碳反應進行逐步提高真空度;在脫碳后期,碳擴散為限制環(huán)節(jié),降低吹氧速度,增大底攪強度;臨近終點停止送氧,吹氬攪拌利用真空氧脫碳;最后在還原精煉時,加還原劑和 CaO、CaF2熔劑將脫碳精煉期氧化到 1%Cr還原并脫除鋼中硫[19]。

4.3 SS-VOD

SS-VOD是由川崎鋼鐵公司在傳統(tǒng) VOD工藝基礎上在底部增設多個多孔塞,對熔池進行強烈攪拌,加速高鉻鋼水的脫碳、脫氮和脫氫,能生產極低碳氮不銹鋼。第一階段脫碳時可由 0.80%降到0.015%,同時脫氮。第二階段脫碳時可由 0.015%降到 0.002%以下[20]。日本還發(fā)展了 VOD-PB冶煉超低超純鐵素體不銹鋼技術[21]。

4.4 RH-KTB

川崎鋼鐵公司在傳統(tǒng) RH基礎上通過增設頂吹氧槍開發(fā)出不銹鋼深脫碳技術。K-BOP+RHKTB流程與 K-BOP+RH流程相比,處理前的碳含量要求分別為 0.01%和 0.12%,FeSi消耗減少 8.1 kg/t,CaO消耗減少 33.7 kg/t,氬氣消耗減少8.9 Nm3/t,吹煉時間縮短 13.5 min,生產率提高 23%。4.5 不同精煉工藝的鋼水潔凈度

不銹鋼不同精煉工藝的對比見表 2。

表2 不銹鋼不同的精煉工藝

5 結論

1)我國不銹鋼生產的產量和質量都有了長足的進步,未受到經濟危機的明顯影響,不銹鋼市場和產能仍有較大的發(fā)展空間。

2)選擇不銹鋼工藝流程時必須考慮原料供應條件、生產規(guī)模、生產成本和產品品種與質量等因素。在廢鋼電爐流程、鐵水轉爐流程和廢鋼 -鐵水流程中,新建鋼廠大多選擇廢鋼 -鐵水混合流程,建設適應不銹鋼和普鋼生產的兼容性生產線。

3)建立了不銹鋼冶煉工藝的評價體系,包括生產效率 (供氧強度、冶煉周期、爐齡)、合金熔化能力和生產成本 (鉻收得率、硅鐵消耗和爐齡),比較了十幾種不銹鋼冶煉和精煉技術,要根據流程的需求正確選擇不銹鋼冶煉和精煉方法。

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STA INLESS SM ELTING PROCESS AND PRODUCTION TEC HNOLOGY

Liu Liu

(Central Iron and Steel Research Institute,Department ofMetallurgical Technology)

The paper introduced the general specification of stainless steelmaking and the developmentof product varieties,stated the technical progresses in hot metal pretreatment,converter,EAF,secondary refining,continuous casting etc and put for ward the future development trend of stainless steel.

stainless steel production process secondary refining

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聯(lián)系人:劉瀏,教授,博士生導師,總工程師,北京 (100081),中國鋼研科技集團有限公司鋼鐵研究總院;

2010—10—11