不锈钢冶炼工艺的发展与分析

黄 飞 朱伟伟 闫抒宇

(1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240；2.上海电气上重铸锻有限公司冶铸分厂，上海200245)

不锈钢冶炼工艺的发展与分析

黄 飞1，2朱伟伟2闫抒宇2

(1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240；2.上海电气上重铸锻有限公司冶铸分厂，上海200245)

介绍了不锈钢当前的生产情况和冶炼工艺的发展历史，分析了二步法和三步法生产不锈钢的特点，阐述了不锈钢生产中选择性氧化的理论基础。

不锈钢；冶炼工艺；二步法；三步法；选择性氧化

不锈钢是指一系列在空气、水、盐等水溶液、酸以及其他腐蚀介质中具有高度化学稳定性的钢种。现有的不锈钢从化学成分来看，都是高铬钢。历史上当钢中Cr含量超过12%时，在大气中基本不生锈，所以现在习惯上将Cr含量超过12%的钢种统称为不锈钢[1]。不锈钢在钢铁产业中仅占很小一部分，但由于其具有优异的性能，在特种行业有广泛的应用，所以不锈钢产业是十分重要的产业。

不锈钢目前通用的分类是按照其在正火状态下的组织状态，分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢[2]。

1 不锈钢冶炼工艺的发展

不锈钢冶炼工艺的发展主要经历了三个发展阶段[3]，即一步法、二步法和三步法。

1.1 一步法

一步法，即配料熔化法，在1938年以前广泛被采用。该工艺是将各种低碳原料，如纯铁、镍板、低碳废钢和微碳铬铁等，按照钢种化学成分规范，计算好各料的比例，放入电炉内，然后通电熔化生产不锈钢，在该工艺中电炉只起到单纯的化料作用。在通电过程中，电极会慢慢的向钢液中渗碳，因而该工艺无法消化不锈钢返回料。

不锈钢一般都是铸造产品，在生产过程中会产生如浇道、冒口等30%～40%的返回料。如果在该工艺中大量使用返回料，一方面电极在冶炼过程中，会由于渗碳作用向钢液中渗入0.05%～0.08%的碳，引起碳成分出格。另一方面，由于当时吹氧技术尚未发明，钢液的脱碳主要是通过矿石氧化脱碳，因为铬元素的活性要大于碳元素，会造成返回料中铬元素的大量氧化而碳不氧化，所以在1939年吹氧法发明后该工艺逐步被淘汰。

1.2 二步法

二步法也叫双联炼钢法，是20世纪60年代随着AOD和VOD的兴起而发明的，其工艺流程为：电炉(EAF)→AOD/VOD，具体操作为将含镍生铁、高碳铬铁和废钢经电弧炉熔化的钢水兑入AOD/VOD进行脱碳，然后视需要进LF，进行成分和温度的微调，脱硫，去夹杂物等。

1.3 三步法

集合AOD和VOD的优点形成的EAF→AOD→VOD的冶炼工艺，兴起于20世纪80年代，也叫三联炼钢法。三步法工艺各环节分工明确，使操作最佳化，产品质量高，品种范围广，是目前生产超低碳、控氮或含氮不锈钢和超纯铁素体不锈钢的理想工艺[4]。

2 不锈钢冶炼的理论分析

无论是二步法还是三步法，其工艺发展的理论基础都是运用选择性氧化的理论，控制好钢液中的碳和铬的氧化转化温度，达到“去碳保铬”的目的。

为了达到降碳保铬的目的，可以采用两种方法：一种是降低熔池CO的分压，如AOD、VOD法；另一种是利用温度效应，通过向熔池中高强度吹氧化硅、Mn、Al等元素产生化学热来快速提高熔炼温度以达到去碳保铬的目的。

具体的[C]和[Cr]的氧化转化温度计算结果见表1。从表1可以看到，要在大气环境下，将碳脱到0.05%以下，钢液的平衡温度会超过1800℃以上，这是耐火材料不能承受的。在真空环境下(10 132 Pa)，同样的将碳脱到0.05%，钢液平衡温度只有1602℃。继续提高真空度(5066 Pa)，当碳降低到0.02%时，与之平衡的钢液温度也只有1633℃，此温度是钢包耐火材料的正常工作温度，这就是生产上降碳保铬的理论基础。

表1 [C]和[Cr]的氧化转化温度计算结果Table 1 The calculated results of transition temperature of oxidation of C and Cr

3 二步法和三步法冶炼不锈钢工艺的分析

3.1 二步法

3.1.1 EAF→AOD流程

EAF→AOD工艺是目前生产不锈钢的主要方式，目前世界上70%左右的不锈钢均通过此工艺流程生产，其中电炉主要用于熔化废钢和合金原料，生产粗炼钢水，粗炼钢水再兑入AOD进行脱碳等处理，冶炼成合格的不锈钢钢水[5]。采用AOD法，主要有以下优点：

(1)电炉主要起到化料的作用，脱碳操作是在AOD内进行的，所以电炉可以使用高碳铬铁等合金，铬的总回收率在98%以上[6]，能有效降低原料成本。

(2)适用性好，可以生产除超低碳、低氮不锈钢外95%的不锈钢钢种，如生产304、316L系不锈钢，相较于三步法，AOD法生产冶炼时间短，铬铁等金属收得率高，石灰消耗低，生产效率高[8]。

但AOD法也存在着以下不足：

(1)由于AOD脱碳使用的是氩气，耗费的Ar量巨大，且钢中气体含量高。

(2)AOD炉临近脱碳终点时，钢液中含氧量高，需要加入大量的硅铁来还原钢水，因此硅铁消耗量也很大。另外，由于AOD法不能深脱碳，因此不能用于生产超低碳和低氮([C]+[N]≤250×10-6)不锈钢。

3.1.2 EAF→VOD流程

EAF→VOD工艺生产的不锈钢约占不锈钢总产量的10%。与AOD炉相比，VOD炉是通过提高炉内的真空度来促进脱碳反应的进行，使其在较低的温度下得到更低的碳含量，脱碳保铬效果好。通过控制真空度，可在铬几乎不被氧化的情况下脱碳。脱碳后用于还原氧化铬的还原剂硅铁用量少，因而主要用于生产超低碳([C]≤0.02%)和低氮([N]≤50×10-6)的超纯铁素体不锈钢[7]。

VOD法的不足为在吹氧时，钢液内的碳、硅等元素会与氧反应放出大量的热，为防止钢液过度升温，因而VOD法对粗炼钢水有严格的成分要求，一般要求钢水内的[C]≤0.70%(最好为≤0.30%)，[Si]≤0.30%，原料的使用较AOD苛刻。吹氧结束后需重新造渣还原，会消耗石灰、萤石等材料，生产周期较AOD长，生产成本较AOD高。

3.2 三步法

三步法EAF→AOD→VOD在保留了AOD优点的基础上，增加了VOD这个深脱碳设备，所以该工艺兼具AOD和VOD的优点，目前三步法生产的不锈钢约占不锈钢总产量的20%[8]。并且AOD也可以是顶吹转炉(BOF)，可以直接兑入脱磷的高炉铁水，因而既适用于专业化的不锈钢生产厂家，也适用于联合钢铁企业的不锈钢生产。该工艺的主要优点有：

(1)EAF直接熔化废钢和合金，为下一步的AOD/BOF提供粗炼钢水，然后进行下一步的快速脱碳保铬，最后利用VOD真空处理进行钢液的深脱碳和调整合金成分，分工明确，生产节奏快，操作优化[9]。

(2)钢水质量好，里面H、O、N等含量低，可生产钢种广，可以生产不锈钢的所有品种。

(3)对原料的要求不高，可以使用铁水，可以使用高碳铬铁等原料。

该工艺的不足为：增加了工艺环节，生产成本较二步法约高500元/t钢，基建投资大，系统设备复杂，维护成本较高。

4 结语

(1)目前不锈钢的生产设备主要是AOD和VOD，其生产的理论基础是碳和铬的“选择性氧化”。

(2)不锈钢二步法生产中主要用EAF→AOD工艺流程，但其不利于深脱碳，无法生产超低碳和低氮不锈钢。

(3)可以使用铁水作为原料是三步法的最大特点，在粗炼钢水选择和工艺优化方面具有优势，但生产成本较高，比较适合于规模较大的不锈钢专业生产厂家或钢铁联合生产企业。

(4)企业应根据生产的钢种，合理选择设备和冶炼工艺，以降低成本，提高效益。

[1] 肖纪美. 不锈钢的金属学问题[M]. 北京：冶金工业出版社，2006.

[2] 陈礼斌. 不锈钢技术及其发展[J]. 河北冶金，2011(3)：5-12.

[3] 陈聪. 选择性氧化在不锈钢去碳保铬中的应用[J]. 科技情报开发与经济，2005，15(7)：150-151.

[4] 程志旺. 不锈钢冶炼工艺技术[J]. 特钢技术，2011，17(6)：1-5.

[5] 游香米. 不锈钢冶炼工艺及炉型比较[J]. 钢铁技术，2009(6)：17-20.

[6] 刘卫东. 三步法和二步法不锈钢冶炼工艺的分析和生产实践[J]. 特殊钢，2013，34(5):34-37.

[7] 武明雨，胡凯，王丛，等. 不锈钢冶炼的研究进展[C]. 第十届中国钢铁年会暨第六届宝钢学术年会，2015.

[8] 史彩霞. 不锈钢冶炼工艺流程的分析与比较[J]. 钢铁技术，2014(1)：15-18.

[9] 张存信，田华，孙红，等. 不锈钢冶金技术的进展[J]. 兵器材料科学与工程，2009，32(4)：109-111.

编辑 杜青泉

Development and Analysis of Smelting Process of Stainless Steel

Huang Fei, Zhu Weiwei, Yan Shuyu

The current situation of production of stainless steel and the history of development of smelting process have been introduced. Then the characteristics of stainless steel manufactured by two step method and three step method have been analyzed. Meanwhile, the theoretical basis of selective oxidation during the production procedure has been presented.

stainless steel; smelting process; two step method; three step method; selective oxidation

2016—12—09

黄飞(1986—)，男，本科，工程师，从事炼钢现场技术支持与质量控制。

TF703.5

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