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不銹鋼冶煉工藝技術及趨勢分析

時間:2019-09-25 02:51來源:北海誠德鎳業有限公司 作者:李君榮 點擊:
  • 摘  要  不銹鋼有許多優良的性能,外觀精美,使用壽命長,可100%回收利用,因此,得以廣泛的應用。下文詳細介紹不銹鋼煉鋼的總體概況,論述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展方向。

    關鍵字  不銹鋼  冶煉工藝  發展趨勢


    Analysis of stainless steel smelting 

    technology and trend


    Abstract  Stainless steel has many excellent properties, beautiful appearance, long life, can be 100 % recycled, so it is widely used. The general situation of stainless steel steelmaking in wenxiang xishao is introduced. the technical progress of stainless steel in hot metal pretreatment, converter, electric furnace, secondary refining and continuous casting, the future development direction of stainless steel production process is proposed.

    Keywords   stainless steel  Smelting process  trend analysis


    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定性的鋼種,因其具有不銹、耐蝕、高壽命、可循環、外表美觀等優良性能而廣泛應用于家電和食品機械、電子和自動化設備、工業機械、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。不銹鋼冶煉工藝技術的進步,特別是20世紀60年代以后,爐外精煉和連續鑄錠技術的使用,進一步促進了不銹鋼的快速發展,改善了不銹鋼的質量,提高了成材率,降低了生產成本。本文闡述了不銹鋼的發展趨勢、工藝流程、冶煉和精煉技術;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  不銹鋼冶煉工藝及流程

    選擇冶煉工藝流程必須考慮不銹鋼生產的原料供應條件、生產規模、生產成本和產品品種與質量等因素。對生產規模較小的企業,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。對生產規模較大的企業,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一轉爐不銹鋼生產工藝流程。對生產規模較大而不銹鋼返回料供應缺乏的鋼鐵企業,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1是三種流程的示意圖[1]。為了適應不銹鋼生產規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一廢鋼混合流程,建設適應不銹鋼和普鋼生產的兼容性煉鋼廠。

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    1.1  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流程,工藝成熟,生產規模小,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[2]。張家港浦項鋼鐵流程是典型電爐一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150t,熔化時間60rain,電耗450kW?h/t。收得率95%,氧耗8Nm’/t一9Nm’/t,石灰50kg/t。白云石6kg/t。

    1.2  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%)。

    1.2.1  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 t LF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[3,4]。

    1.2.2  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(AOD、LD—OB轉爐等)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LD—OB轉爐。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。

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    1.2.3  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。“三脫”轉爐采用頂吹弱供氧和底吹強攪拌工藝,吹煉時間9 rain,冶煉周期20 rain,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快速脫碳、升溫和保鉻的目的。控制手段包括采用焦炭進行熱補償,在高碳區頂吹大流量供氧快速脫碳升溫,在低碳區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,鋼鐵研究總院開發了不銹鋼冶煉工藝流程[5,6]。該流程分為三個基本生產單元:①鐵水供應和預處理系統,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2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一氧氣混合吹煉工藝,可生產[C]≤0.15%的低碳不銹鋼。開發目標包括冶煉周期<60 min,爐齡≥1000爐,可直接生產[c]≤O.15%的不銹鋼,鉻回收率I>98%,硅鐵消耗≤15 kg/t鋼,與VOD配套生產各種不銹鋼品種[7]。

    1.2.4  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[8]。川崎制鐵在鐵水脫磷后,在KMS—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[9]。

    1.3  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、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,兌人電爐內熔化合金,鉻收得率較高。太鋼新區采用180 t煉鋼轉爐+160 t電弧爐+180 t AOD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。

    2  不銹鋼冶煉技術發展趨勢

    目前,國際上已經開發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。

    2.1  側吹氧工藝方法

    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,加速低碳區稀釋脫碳;終點碳含量可小于0.015%;爐容比為0.55—0.60Nm3/t,供氧強度低,爐齡為150—200爐[10]。KCB—s是克虜伯開發的復合吹煉法,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。

    2.2  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0.6Nm3/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%一0.30%,鉻回收率達97%~99%。

    2.3  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轉爐是由奧鋼聯開發的,是BOP法的發展,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CreusotLoire開發的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,開始吹氧氣一蒸汽混合氣體。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。

    3  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,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。

    5  結論

    綜上所述,我國不銹鋼生產的產量和質量都有了長足的進步,選擇不銹鋼工藝流程時必須考慮原料供應條件、生產規模、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一鐵水流程中,新建鋼廠大多選擇廢鋼一鐵水混合流程,建設適應不銹鋼和普鋼生產的兼容性生產線。在此基礎上,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),比較多種不銹鋼冶煉技術,要根據流程的需求正確選擇不銹鋼冶煉方法。

    6  參考文獻

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    (責任編輯:zgltw)
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