不锈钢冶炼工艺与生产技术

刘 浏

(中国钢研科技集团有限公司钢铁研究总院)

不锈钢冶炼工艺与生产技术

刘 浏

(中国钢研科技集团有限公司钢铁研究总院)

介绍了不锈钢炼钢的总体概况和品种的发展情况,论述了不锈钢在铁水预处理、转炉、电炉、二次精炼、连铸等方面的技术进步,提出了不锈钢生产流程未来的发展方向。

不锈钢 生产流程 精炼

0 前言

不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液,或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢。具有不锈、耐蚀、高寿命、可循环、外表美观等优良性能的不锈钢广泛应用于家电和食品机械、电子和自动化设备、工业机械、建筑材料、交通和能源等领域。由于不锈钢的特性和对产品质量的特殊要求,不锈钢的冶炼和生产工艺具有不同于普通钢的特点,需要采用新的工艺和设备。本文阐述了不锈钢的发展趋势、工艺流程、冶炼和精炼技术,要根据流程正确选择冶炼和精炼方法,以达到最佳的技术经济效果。

1 不锈钢的发展和现状

随着市场的繁荣,世界不锈钢生产量逐年增长,(如图 1所示)。从 1995年起,国际不锈钢粗钢年均增长 6.6%,2006年产量达到峰值。2006年后,由于金融危机的影响,不锈钢产量下滑,但长远看不会影响世界不锈钢增长的总趋势。日本和美国的产量比较稳定,直到受金融危机影响后显著下降,自2006年中国成为不锈钢生产的第一大国后,增长势头仍然强劲,2010年预计可突破 1000万 t。

图1 世界和主要国家不锈钢粗钢产量

按主要化学组成可分为铬不锈钢 (俗称 400系)、铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢 (俗称 300系)、铬锰氮不锈钢 (俗称 200系)。从不锈钢的发展历史看,目前 300系奥氏体不锈钢占世界主导地位,今后为节约镍资源,300系的生产比例将会降低。400系铁素体不锈钢在发达国家迅速推广,是今后大力发展的不锈钢品种之一。200系不锈钢在发展中国家应用比例较高,今后有降低趋势[1],转向开发耐氯离子腐蚀和抗高温氧化性的双相不锈钢为主。当前,不锈钢质量将围绕着提高不锈钢的纯净度、提高不锈钢的耐腐蚀性能和开发节镍型不锈钢三个方向发展,重点是高耐蚀性不锈钢、高成形性不锈钢、高强度和高硬度不锈钢、耐热和抗氧化不锈钢、高氮不锈钢等品种[2-5]。

近年来,中国不锈钢市场需求和产能均呈快速增长趋势。图 2是我国不锈钢的表观消费量和进出口量。可见,不锈钢表观消费量增势迅猛,进出口量则呈现出先增后降的特点。目前,国内人均不锈钢消费已超过世界人均消费水平,主要是近几年消费量迅速提高所致,社会的累积消费量与发达国家还相距甚远,不锈钢市场和产能仍有较大的发展空间。由于国内不锈钢产能的迅速增长,已基本满足国内市场需求,企业新上不锈钢项目需要慎重考虑。在国内不锈钢产销平衡的条件下,不锈钢高端市场的产量仍不能满足需求,仍需从国外进口,说明今后需重点发展高品质不锈钢。随着不锈钢需求的迅速增长,我国不锈钢的产品结构也发生了重大改变。当前,板材的生产比例为 71%,棒材为 9%,管材为14%,与国际先进水平相当。从发展趋势看,今后中国不锈钢生产中 300系应该保持 50%～60%,400系 30%～35%,其他 5%～10%。400系的生产会有较大的发展,而 200系的发展仍会受到限制。

图2 我国不锈钢的表观消费量和进出口量

2 不锈钢冶炼工艺流程

选择冶炼工艺流程必须考虑不锈钢生产的原料供应条件、生产规模、生产成本和产品品种与质量等因素。对生产规模较小的企业,在不锈钢返回料供应充足的条件下,可选用适合不锈钢返回料生产的电炉不锈钢生产工艺流程。对生产规模较大的企业,如能具有较大的不锈钢返回料供应条件,可选用适合铁水 +不锈钢返回料生产的电炉 -转炉不锈钢生产工艺流程。对生产规模较大而不锈钢返回料供应缺乏的钢铁企业,为降低投资可选用适合全铁水不锈钢冶炼的转炉不锈钢生产工艺流程。图 3是三种流程的示意图。为了适应不锈钢生产规模日益增大的市场需求,目前,国内外新建的不锈钢生产线大多采用铁水 -废钢混合流程,建设适应不锈钢和普钢生产的兼容性炼钢厂。

2.1 全废钢电炉不锈钢生产流程

选用返回料用电炉冶炼不锈钢是传统流程,工艺成熟,生产规模小,一般年产钢 40～60万 t,生产成本低,铁素体、奥氏体不锈钢采用“二步法”生产工艺,超纯铁素体不锈钢采用“三步法”生产工艺[6]。张家港浦项钢铁流程是典型电炉 -AOD炉冶炼不锈钢流程。以 300系列为例,其炉料结构为废钢 50%,碳素废钢 30%,高碳铬铁 14%,镍铁4%,高碳锰铁 2%。出钢量 150 t,熔化时间 60 min,电耗 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。

图3 不锈钢生产的三种流程

2.2 全铁水转炉不锈钢冶炼流程

全铁水不锈钢冶炼工艺流程的主要特点是以铁水为主要原料,配加合金直接生产各种牌号不锈钢的冶炼工艺,分为采用电炉熔化合金和采用转炉熔化合金的两种类型。全铁水不锈钢冶炼工艺的主要缺点是:冶炼过程热量不足,不能大量使用不锈钢返回料冶炼不锈钢 (返回料的使用比例≤10%)。

2.2.1 电炉熔化合金的全铁水不锈钢冶炼工艺

太钢第二炼钢厂为全铁水不锈钢冶炼工艺流程,而且是兼容冶炼普钢,具有年产 50万 t不锈钢、250万 t碳钢的生产能力。主体设备包括三脱铁水预处理装置两座、脱硫铁水预处理装置两座、30 t电炉一座、75 t K-OBM-S复吹转炉一座、80 t碳钢复吹转炉两座、80 t RH真空处理一座、75 t VOD炉一座、75 tLF炉一座、直弧型板坯连铸机两台、方板坯兼容连铸机一台。不锈钢主要品种:300系 (304、304HC、316)、400 系 (430、409、410、436、CTSZB、444)等 50多个品种[7]。

2.2.2 采用转炉熔化合金的全铁水不锈钢冶炼工艺

该工艺主要特点是在脱碳保铬炉内同时进行合金的熔化,工艺流程短,投资少,但不锈钢冶炼炉的负荷重,技术难度较大。日本八幡厂采用 175 t转炉生产不锈钢,经脱硅、脱硫、脱磷的铁水兑入 LDOB转炉[8]。转炉冶炼分为三个阶段:铁水脱碳期,提高熔池温度至 1600℃;脱碳期,连续加入大量的高碳铬铁、锰铁和镍粒,温度控制在 1600℃左右,再快速升温到 1700℃以上;还原期,碳脱至 0.2%～0.3%,添加硅铁或铝还原渣中金属铬。

2.2.3 全铁水转炉不锈钢生产新流程

采用转炉铁水“三脱”+转炉初脱碳 +真空精炼脱碳三步法冶炼不锈钢[9]。“三脱”转炉采用顶吹弱供氧和底吹强搅拌工艺,吹炼时间 9 min,冶炼周期 20 min,半钢 [P]<0.010%,[C]>3.5%,半钢温度 1350℃。初脱碳转炉采用顶吹纯氧和氧氮 /氩混合气体,底吹惰性气体工艺实现快速脱碳、升温和保铬的目的。控制手段包括采用焦炭进行热补偿,在高碳区顶吹大流量供氧快速脱碳升温,在低碳区逐步减少顶吹供氧强度和增加顶吹混入惰性气体比例,底吹惰性气体增加炉龄。真空精炼脱碳炉与初脱碳转炉匹配,可优化脱碳条件,扩大不锈钢品种范围,尤其是超低碳、氮铁素体不锈钢。

针对采用全铁水配加合金生产不锈钢的要求,钢铁研究总院开发了不锈钢冶炼工艺流程。该流程分为三个基本生产单元:①铁水供应和预处理系统,其任务是向不锈钢脱碳炉提供低磷铁水;②不锈钢脱碳炉,主要设备是顶底复吹转炉,主要任务是熔化铁合金,进行不锈钢脱碳、升温,控制铬的氧化。③不锈钢精炼炉,主要设备是LF炉和VOD炉,应根据钢种的要求确定精炼工艺,主要用于不锈钢钢水深脱碳、脱氧合金化,技术特点如图 4和图 5所示。包括采用转炉铁水脱磷预处理工艺同时熔化部分合金或不锈钢返回料(≤15%);采用转炉直接熔化铬合金,不用配备电炉;采用顶吹强供氧和惰性气体 -氧气混合吹炼工艺,可生产 [C]≤0.15%的低碳不锈钢;采用底吹惰性气体强搅拌工艺,提高炉底和炉体寿命。开发目标包括冶炼周期 <60 min,炉龄≥1000炉,可直接生产[C]≤0.15%的不锈钢,铬回收率≥98%,硅铁消耗≤15 kg/t钢,与 VOD配套生产各种不锈钢品种。

图4 吹炼强度

图5 元素变化

2.2.4 熔融还原冶炼不锈钢工艺

该流程以铁水和铬矿为主要原料,以焦炭作为熔融还原的还原剂和热源,配加少量废钢冶炼,虽能减少价格昂贵的铬铁合金用量,但冶炼周期较长,工序较多,投资成本远高于其他工艺流程。川崎制铁在铁水脱磷后,在 K MS-S中将铬矿直接还原,升温同时熔化废钢,调整铬镍成分,在 K-OBM-S中脱碳,铬镍成分,用混合气体防止铬氧化,最后在 VOD中对高级钢种进行精炼[10-11]。

2.3 铁水 +废钢不锈钢生产流程

铁水 +废钢不锈钢生产流程的主要优点是对不锈钢原料供应具有较大的灵活性,可根据市场镍价和不锈钢返回料价格的波动及供应情况调整铁水和不锈钢返回料的比例。其主要特点是同时配备转炉和电炉进行不锈钢冶炼,采用转炉进行铁水脱磷处理,采用电炉熔化合金和返回料。缺点是工艺流程长、投资大、生产成本较高。目前我国太钢不锈钢新区、宝钢不锈钢分厂均采用该工艺流程,其特点是利用转炉进行铁水“三脱”,脱磷后半钢碳含量高,兑入电炉内熔化合金,铬收得率较高。

太钢新区采用 180 t炼钢转炉 +160 t电弧炉 +180 tAOD炉 +180 t LF+CC生产流程。为解决不锈钢磷含量问题,采用一座 180 t转炉将高炉铁水冶炼成碳低、磷低的钢水后,再分别兑入两座 160 t超高功率电弧炉熔炼不锈钢预熔液;不锈钢和普钢生产可互相置换。优点是生产效率高,产量大;原料适应性强;可灵活调整普照钢和不锈钢的生产比例。缺点是投资较大。

3 不锈钢冶炼技术

目前,国际上已经开发成功十几种不锈钢冶炼和精炼技术。不锈钢冶炼阶段完成了大部分脱碳保铬任务,而脱碳的少量任务放在精炼阶段完成。冶炼技术主要分为以侧吹氧为主的 AOD或 AOD-L、KCB-S冶炼工艺,以转炉为基础采用底吹氧的 K-OBM-S、K-BOP、GOR等工艺 ,以底吹搅拌为特点的 KCB-S和MRP工艺。

3.1 采用侧吹氧的工艺方法

AOD炉是世界上不锈钢生产的主导工艺。借鉴转炉顶吹经验,AOD也采用了顶吹氧工艺,称为AOD-L,工艺特点是通过侧吹氧氩/氮混合气体,降低 CO分压,脱碳保铬;增设顶吹氧枪加速高碳区脱碳速度或用于炉内二次燃烧,以缩短冶炼时间;熔池碳小于 0.60%时,顶吹停止供氧,靠纯侧吹脱碳或混吹氧氮 /氩混合气体,加速低碳区稀释脱碳;终点碳含量可小于 0.015%;炉容比为 0.55～0.60 Nm3/t,供氧强度低,炉龄为 150～200炉[12-14]。

KCB-S是克虏伯开发的复合吹炼法,工艺特点是在吹炼初始阶段,同时顶吹和侧吹纯氧快速脱碳升温。到达一定温度后,在吹炼期间,分批加入各种合金料、石灰或废钢。熔池碳含量降到 0.70%以下,按 4∶1、2∶1、1∶1、1∶2和 1∶4比例逐步增加顶吹和侧吹气中惰性气体比例。熔池碳含量低于0.15%后,停掉顶枪,采用侧吹氧脱碳;目标碳含量达到后,仅采用惰性气体侧吹搅拌还原[15]。

3.2 以转炉为基础采用底吹氧的工艺方法

K-BOP类似于从炉顶氧枪吹氧的 BOF转炉,下部风嘴设在转炉底部,可从底部喷吹石灰粉改善脱硫。底吹气体中采用天然气或丙烷作为保护气,以提高耐材寿命,炉龄可达 600炉。K-OBM-S转炉是由奥钢联开发的,是 BOP法的发展,风口安装于转炉的侧面或底部,还装有顶部氧枪。顶部气体采用氧气、氮气和氩气,通过底部风口喷吹氧气、氮气、氩气和烃类气体。天然气和丙烷用于风口保护和提高耐火材料的寿命。

GOR转炉是多种能源介质复合吹炼的底吹转炉,其供气管路通过安装在转炉底部的三个套管式喷嘴向熔池吹入可调成份的氧气、氮气、氩气、天然气 (或其它碳氢化合物)的混合气体。冶炼的第一阶段吹氧,由碳氢化合物保护喷嘴;第二阶段吹入氧、氩 (或氮)、碳氢化合物和它们的混合气体;第三阶段向转炉熔池吹入纯氩 (或氮)。

瑞典的 Udde holm和法国的 Creuso tLoire开发的 CLU采用蒸汽作为稀释气体,从底部吹氧气、蒸汽、氮气和氩气,同时,从炉顶吹氧气、氮气和氩气。脱碳时,开始吹氧气 -蒸汽混合气体。采用这种转炉,耗氩量降低,但耗硅量却很高,而且钢中氢含量增加。目前的趋势是用更多的氩气来取代蒸汽来提高效率[16]。

3.3 采用底吹搅拌的工艺方法

台湾中钢的 CSCB以铁水、高碳铬铁和镍铁为原料,焦炭作补充热源,通过顶吹纯氧和底吹大流量吹惰性气体,在一座转炉内完成不锈钢熔炼和主脱碳任务。因出钢碳不能低于 0.20%,必须与 VOD搭配才能生产不锈钢,可用于交替生产碳钢和不锈钢。

曼内斯曼德马克开发的MRP-L顶吹纯氧,底吹纯惰性气体,采用可更换炉底,炉龄高达 1200炉。炉容比与 AOD炉接近,为 0.6 Nm3/t。一般与真空精炼脱碳炉组合成三步法工艺,出钢碳含量为 0.20%～0.30%,铬回收率达 97%～99%[17]。

3.4 热力学研究

钢液中碳铬平衡决定于钢中铬含量,在一定温度下随铬含量升高平衡碳含量增大,提高反应温度使碳铬平衡常数减小有利于抑制铬的氧化,降低 CO分压使反应平衡常数减小,有利于保铬脱碳反应进行,提高熔池传质速度可提高脱碳反应速度,促进脱碳反应平衡。不锈钢冶炼过程中铬的损失 (DCr/DC)随 DOS精炼指数 (Distributian of Oxygen for C and Cr in Stainless Steelmaking不锈钢冶炼中碳、铬间氧的分配)的降低而减小,降低供氧强度有利于减小 DOS指数,加强熔池搅拌,提高熔池传质速度可促进碳氧反应平衡,有利于减小 DOS指数,在不锈钢冶炼过程中,控制熔池升温速度和脱碳速度可减少铬的氧化[18]。

不锈钢侧吹与底吹的区别在于侧吹向熔池传递的搅拌能最大,熔池混匀效果最好;底吹能减少转炉桶型部分的耐材磨损,提高其寿命;脱碳速度与熔池供氧强度成正比,在低碳区受钢中铬氧化的限制。通常侧吹转炉最小,纯底吹转炉其次,大流量顶底复吹转炉脱碳速度最大。

3.5 不锈钢冶炼工艺的评价与选择

不锈钢冶炼工艺的选择必须从不锈钢原料供给情况出发,正确选择不锈钢生产工艺流程,并根据流程的要求正确选择不锈钢冶炼工艺。不同不锈钢冶炼工艺的评价体系包括:①生产效率 (供氧强度、冶炼周期、炉龄),②合金熔化能力,③生产成本 (铬收得率、硅铁消耗和炉龄),见表 1,如图 6所示。

表1 不锈钢冶炼工艺的评价比较

图6 工艺特点

4 不锈钢精炼技术

4.1 VD

真空脱碳是通过降低钢液面上方真空室压力,促进 CO气泡溢出,从而加快熔池脱碳。真空脱碳法的特点是通过控制真空度,能在完全抑制[Cr]氧化的情况下进行脱碳,渣中 (Cr2O3)少,硅铁消耗低。在真空下,有利于脱碳、脱氮和脱氢,能生产超低碳、氮的不锈钢。为防止减压情况下钢水喷溅造成设备事故,供氧强度受到限制,要求处理钢水碳含量不大于 0.60%。

4.2 VOD

真空氧脱碳是 1967年 Thyssen Krupp开发的不锈钢精炼技术。在脱碳初期,为防止喷溅增大,采用高枪位、低真空度和小底搅工艺;在脱碳中期,脱碳反应进行逐步提高真空度;在脱碳后期,碳扩散为限制环节,降低吹氧速度,增大底搅强度;临近终点停止送氧,吹氩搅拌利用真空氧脱碳;最后在还原精炼时,加还原剂和 CaO、CaF2熔剂将脱碳精炼期氧化到 1%Cr还原并脱除钢中硫[19]。

4.3 SS-VOD

SS-VOD是由川崎钢铁公司在传统 VOD工艺基础上在底部增设多个多孔塞,对熔池进行强烈搅拌,加速高铬钢水的脱碳、脱氮和脱氢,能生产极低碳氮不锈钢。第一阶段脱碳时可由 0.80%降到0.015%,同时脱氮。第二阶段脱碳时可由 0.015%降到 0.002%以下[20]。日本还发展了 VOD-PB冶炼超低超纯铁素体不锈钢技术[21]。

4.4 RH-KTB

川崎钢铁公司在传统 RH基础上通过增设顶吹氧枪开发出不锈钢深脱碳技术。K-BOP+RHKTB流程与 K-BOP+RH流程相比,处理前的碳含量要求分别为 0.01%和 0.12%,FeSi消耗减少 8.1 kg/t,CaO消耗减少 33.7 kg/t,氩气消耗减少8.9 Nm3/t,吹炼时间缩短 13.5 min,生产率提高 23%。4.5 不同精炼工艺的钢水洁净度

不锈钢不同精炼工艺的对比见表 2。

表2 不锈钢不同的精炼工艺

5 结论

1)我国不锈钢生产的产量和质量都有了长足的进步,未受到经济危机的明显影响,不锈钢市场和产能仍有较大的发展空间。

2)选择不锈钢工艺流程时必须考虑原料供应条件、生产规模、生产成本和产品品种与质量等因素。在废钢电炉流程、铁水转炉流程和废钢 -铁水流程中,新建钢厂大多选择废钢 -铁水混合流程,建设适应不锈钢和普钢生产的兼容性生产线。

3)建立了不锈钢冶炼工艺的评价体系,包括生产效率 (供氧强度、冶炼周期、炉龄)、合金熔化能力和生产成本 (铬收得率、硅铁消耗和炉龄),比较了十几种不锈钢冶炼和精炼技术,要根据流程的需求正确选择不锈钢冶炼和精炼方法。

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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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联系人:刘浏,教授,博士生导师,总工程师,北京 (100081),中国钢研科技集团有限公司钢铁研究总院;

2010—10—11