不锈钢冶炼工艺(DOC)

不锈钢技术及其发展摘要介绍了不锈钢炼钢的总体概况和品种,论述了不锈钢在铁水预处理、转炉、电炉、二次精炼、连铸等方面的典型工艺流程,概述了国内外不锈钢的生产和消费现状，提出了不锈钢生产流程未来的发展方向。关键词不锈钢生产流程精炼Abstract:Thepaperintroducedthegeneralspecificationofstainlesssteelakingandthevarietiesoftheproduct,statedthetypicalprogressesflowinhotmetalpretreatment、converter、EAF、secondaryrefiningcontinuouscastingetc，summarizedthecurrentstatusofstainlesssteelproductionandconsumptionandputforwardthefuturedevelopmenttrendofstainlesssteel.Keywords:stainlesssteelproductionprocesssecondaryrefining1.前言不锈钢是指具有抵抗大气、酸、碱和盐等腐蚀作用的合金钢的总称。通常所说的“不锈”是指其抗腐蚀性能可归因于在氧化的环境中，形成一层氧化铬表面膜。这层薄膜具有不溶解、能自行恢复和无气孔的特点。不锈钢具有良好的耐腐蚀、耐高温、耐磨损、外观精美等特性，用途非常广泛，是石油、化工、化肥、制药、食品、国防、餐具、合成纤维和石油提炼等行业中广泛使用的金属材料。2.不锈钢的种类不锈钢常按组织状态分为：铁素体钢、奥氏体钢等、双相不锈钢、马氏体钢。另外，可按成分分为：铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰氮不锈钢等。（1)铁素体不锈钢：含铬12％～30％。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高，耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢。属于这一类的有Crl7、Cr17Mo2Ti、Cr25，Cr25Mo3Ti、Cr28等。铁素体不锈钢因为含铬量高，耐腐蚀性能与抗氧化性能均比较好，但机械性能与工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构及作抗氧化钢使用。这类钢能抵抗大气、硝酸及盐水溶液的腐蚀，并具有高温抗氧化性能好、热膨胀系数小等特点，用于硝酸及食品工厂设备，也可制作在高温下工作的零件，如燃气轮机零件等。(2)奥氏体不锈钢：含铬大于18％，还含有8％左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好，可耐多种介质腐蚀。奥氏体不锈钢的常用牌号有1Cr18Ni9、0Cr19Ni9等。0Cr19Ni9钢的wC＜0.08%，钢号中标记为“0”。这类钢中含有大量的Ni和Cr，使钢在室温下呈奥氏体状态。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，在氧化性和还原性介质中耐蚀性均较好，用来制作耐酸设备，如耐蚀容器及设备衬里、输送管道、耐硝酸的设备零件等。奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至1050～1150℃，然后水冷，以获得单相奥氏体组织。(3)奥氏体-铁素体双相不锈钢：兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点，并具有超塑性。奥氏体和铁素体组织各约占一半的不锈钢。在含C较低的情况下，Cr含量在18%～28%，Ni含量在3%～10%。有些钢还含有Mo、Cu、Si、Nb、Ti，N等合金元素。该类钢兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点，与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高，同时还保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高，具有超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高且耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀有明显提高。双相不锈钢具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。(4)马氏体不锈钢：强度高，但塑性和可焊性较差。马氏体不锈钢的常用牌号有1Cr13、3Cr13等，因含碳较高，故具有较高的强度、硬度和耐磨性，但耐蚀性稍差，用于力学性能要求较高、耐蚀性能要求一般的一些零件上，如弹簧、汽轮机叶片、水压机阀等。这类钢是在淬火、回火处理后使用的。3不锈钢的冶炼技术及发展3.1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1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。图1不锈钢生产的三种流程3.1.1�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[1]。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60min,电耗450kW·h/,t收得率95%,氧耗8Nm3/t～9Nm3/,t石灰50kg/,t白云石6kg/t。3.1.2�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%)。3.1.2.1�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、30t电炉一座、75tK-OBM-S复吹转炉一座、80t碳钢复吹转炉两座、80tRH真空处理一座、75tVOD炉一座、75tLF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[2]。3.1.2.2�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175t转炉生产不锈钢,经脱硅、脱硫、脱磷的铁水兑入LD-OB转炉[3]。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。3.1.2.3�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[4]。“三脱”转炉采用顶吹弱供氧和底吹强搅拌工艺,吹炼时间9min,冶炼周期20min,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2和图所示。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60min,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≤15kg/t钢,与VOD配套生产各种不锈钢品种。图2吹炼强度图3元素变化3.1.2.4�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KMS-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[5-6]。3.1.3�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180t炼钢转炉+160t电弧炉+180tAOD炉+180tLF+CC生产流程。为解决不锈钢磷含量问题,采用一座180t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160t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。3.2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。3.2.1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0.55～0.60Nm3/,t供氧强度低,炉龄为150～200炉[7-9]。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[10]。3.2.2�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