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不锈钢冶炼工艺及发展
来源: | 作者:csscweb | 发布时间: 2018-12-04 | 135 次浏览 | 分享到:

    我国已成为不锈钢消费和生产大国,不锈钢需根据不同品种及原材料种类组织生产。目前,我国不锈钢生产发展方向是提高质量 、降低成本 、节能减排,同时在原材料和技术设备匹配上不断优化。本文对不锈钢几个典型的冶炼工艺流程进行了对比分析。 


    不锈钢因其优异的耐腐蚀性和优良的综合性能,日益广泛地应用各个工业领域和民用领域。我国不锈钢生产起晚,2000年结束长期徘徊在30万吨的状况,呈现出跨越式、跳跃性迅猛发展的态势。2017年全球不锈钢粗钢产量4808万吨,中国不锈钢产量达2577.37万吨,占全球产量的 54%。随着产能的提升,如何通过优化工艺流程及降低原料成本,提升企业的市场竞争性力迫在眉睫。


1 不锈钢冶炼的发展 

    20世纪初英国的谢菲尔德成功冶炼浇铸第一炉商品级不锈钢,不锈钢从此进入人们视线 。到 20世纪40年代,美国人希尔蒂(D.C.Hilty)通过对 Cr-C温度平衡的研究,提出在高温条件下脱碳保铬理论,奠定了不锈钢冶炼理论基础 ,在此基础上进一步研究了降低液化碳的分压对不锈钢生产物化反应的影响,催生了不锈钢冶炼技术的进步。到 20世纪 60年代中后期 ,德国维腾公司 Edel工厂研制成功真空法 VOD,以及美国联合碳化物公司的稀释法 AOD,大大地降低了不锈钢冶炼成本,提高了不锈钢生产效率 ,使不锈钢大规模生产成为可能。

不锈钢冶炼设备

    不锈钢冶炼工艺的选择与钢种和原材料有关 ,这些原材料主要包括 :废钢 、铁水 、铬矿石 、镍矿合金等 。
    不锈钢冶炼所用的装备分为初炼设备和精炼设备两大类 ,初炼设备包括 :电弧炉(EAF)、非真空感应炉(一般用于小规模生产 )、矿热炉、转炉。精炼设备主要包括钢包型精炼设 备(VOD、SS—VOD、VOD—PB等 )、 转炉型精炼设 备 (AOD、VODC、VCR、CLU、KCB—S、KOBMS、K—BOP、MRP—L、GOR等)及RH功能扩展型精炼设备(RH—OB、RH—KTB、RH—KPB等 )三大类。
    通常而言,冶炼原料为废钢时,初炼设备采用电弧炉 +精炼设备的短流程工艺;
    原料是铁水时,初炼设备采用转炉 +精炼设备的工艺;
    原料是废钢 +铁水时 ,初炼设备采用电弧炉 +转炉 +精炼设备的工艺;
    原料是铬矿石时,初炼设备采用熔融还原转炉 +脱碳转炉 +精炼设备的工艺(目前该工艺为日本川崎制铁选用 );
    国内采用红土镍矿为原料时,初炼设备采用干燥窑 +回转窑 +矿热炉 +转炉+精炼设备的工艺。

3 不锈钢冶炼工艺路径

    目前生产不锈钢的冶炼工艺主要分为一步法、二步法和三步法。

3.1 一步法冶炼工艺

    早期的一步法不锈钢冶炼工艺是指在一座电炉内完成废钢熔化、脱碳、还原和精炼等工序,将炉料一步冶炼成不锈钢。这种仅用电炉冶炼不锈钢的一步法冶炼生产工艺,由于冶炼周期长,作业率低,生产成本高,被逐步淘汰。随着炉外精炼工艺的不断发展以及AOD 炉的广泛应用,目前很多不锈钢生产企业采用部分低磷或脱磷铁水代替废钢,将铁水和合金作为原料进入AOD炉进行不锈钢的冶炼,由此形成了新型一步法冶炼工艺。
    新型一步法冶炼工艺与早期一步法相比在生产流程上取消了电炉这一冶炼环节,其优点包括:一是降低投资;二是降低生产成本;三是高炉铁水冶炼降低了配料成本,降低了能耗,提高了钢水纯净度;四是废钢比低,适应现有的废钢市场;五是对于冶炼400系列不锈钢尤为经济。
    但新型一步法对原料条件和产品方案具有一定要求:一是要求AOD入炉铁水磷含量低于0.03%以下,因此冶炼流程中须增加铁水脱磷处理环节;二是新型一步法中合金作为原料加入了AOD炉中,而AOD 炉中加入的高碳合金量过大会影响整个冶炼过程的热平衡,不适用于成分复杂、合金含量高的不锈钢品种。
    新型一步法不锈钢生产工艺目前被广泛应用于生产400系列不锈钢。作为发展中国家,中国废钢资源缺乏,又是极度贫镍的国家,加之400系列不锈钢在日常生活和工业生产领域的应用范围越来越广,这些客观条件使得新型一步法不锈钢冶炼被越来越多的生产企业采用。

3.2 二步法冶炼工艺

    二步法工艺路线为EAF→AOD、EAF→VOD(电弧炉→VOD真空精炼炉)。EAF→AOD工艺的产能约占世界不锈钢产能的70%左右,其中EAF炉主要用于熔化废钢和合金原料,生产不锈钢预熔体,不锈钢预熔体再进入到AOD炉中冶炼成合格的不锈钢钢水。
    两步法工艺若电炉入炉原料磷含量较高,则需在电炉和AOD 炉间加入不锈钢预熔体脱磷的环节。目前较常采用的预熔体脱磷工艺有转炉脱磷和铁水罐顶喷脱磷。两步法采用高炉铁水作为不锈钢冶炼主原料时,若高炉磷含量高,则也需要加入脱磷的环节。
    二步法不锈钢冶炼工艺被广泛应用于生产各系列不锈钢,其优点包括:电炉对原材料要求不高,生产周期相对于一步法工艺稍短,灵活性好,可生产除了超低碳、氮不锈钢外95%的不锈钢品种。
    但二步法在介质消耗、品种方案等方面仍须注意以下三点:一是近年来随着冶炼工艺的进步和操作水平的提高,两步法冶炼工艺的氩气等介质消耗量明显减少,但相比一步法和三步法其氩气等介质消耗仍稍大;二是AOD炉脱碳到终点时,钢水中氧含量较高,须加入硅铁还原钢水中的氧,因此硅铁耗量高;三是目前还不能用于生产超低碳、氮不锈钢,且钢中含气量较高。

3.3 三步法冶炼工艺

    三步法的基本工艺流程为:初炼炉→复吹转炉/AOD炉→真空精炼装置。三步法是冶炼不锈钢的先进方法,产品质量好,适用于专业化的生产厂家,也适用于联合钢铁企业的不锈钢生产。
    不锈钢三步法是在二步法的基础上增加了深脱碳的环节,其冶炼工艺优点为:一是各环节分工明确,生产节奏快,操作优化;二是产品质量高,氮、氢、氧和夹杂物含量低,可生产的品种范围广;三是可采用铁水冶炼,对原料的要求也不高,原料选择灵活。
    不过,三步法不锈钢冶炼工艺将冶金功能分步实现,对生产投资会产生以下影响:一是增加了工艺环节,投资和生产成本较高;二是真空装备系统复杂,维护量大。
    目前世界上生产不锈钢的冶炼工艺主要还是采用二步法和三步法,其中EAF+AOD 或EAF+VOD 的两步法工艺应用最为广泛,约占70%,三步法工艺约占20%。随着低磷铁水被广泛应用于不锈钢生产,新型一步法不锈钢冶炼工艺也被越来越多的不锈钢生产企业采用。为适应不锈钢市场的激烈竞争,提高产品质量同时也降低生产成本,我国各企业根据自身的实际情况选择合适的不锈钢冶炼工艺。

4 国内不锈钢生产企业冶炼工艺路线的选择

    不锈钢冶炼工艺路线的确定,首先应以产品大纲为出发点,以不锈钢冶炼的原料组成和不锈钢精炼机理为依据,选择合适的不锈钢冶炼工艺路线。不锈钢生产企业的原材料条件、生产规模、产品方案、操作成本和工人的操作习惯等因素都会影响不锈钢冶炼生产工艺的选择。由于原材料、操作成本和产品方案等因素受市场波动影响较大,现代化的不锈钢冶炼车间生产工艺的选择应具有一定的灵活性,能根据市场条件调整生产工艺和产品方案。
    中国大型不锈钢生产企业大部分都是联合型钢铁企业,例如太钢、酒钢等企业,均是既生产不锈钢同时也生产碳钢。对于这些联合型钢铁企业,工艺设备的配置能满足多样化工艺路线、不同原料配比的要求,原材料范围比较广,既有充足的铁水供应,也有能满足需要的废钢,可选择最佳的原料配比方案。这些企业在不锈钢冶炼工艺路线的选择上具有较大的灵活性。
    中国不锈钢废钢资源缺乏,以废钢为主原料的不锈钢冶炼过程配料成本高,加上全废钢冶炼能耗高,以及废钢品质不好带入钢水有害元素多等原因,中国越来越多的不锈钢生产企业倾向于利用经脱磷的高炉铁水冶炼不锈钢。特别是钢铁联合型企业,利用碳钢系统的高炉供部分铁水给不锈钢冶炼系统,可有效降低吨钢原材料成本。与此同时,脱磷处理设施被普遍应用于不锈钢生产工艺。脱磷处理设施的应用既可降低不锈钢生产对原材料的要求,也可降低生产成本,从而使高炉铁水、普通废钢、高磷生铁和高磷合金能被大量用于不锈钢的生产。

4.1 太钢不锈钢冶炼工艺

    太钢设有3个不锈钢冶炼车间,即第三炼钢厂、第二炼钢厂南区和第二炼钢厂北区。
    第三炼钢厂采用的冶炼工艺流程为短流程工艺:EAF→AOD,主要生产双相不锈钢、耐热钢、高合金不锈钢和高附加值不锈钢种;
    第二炼钢厂南区采用的冶炼工艺流程为长流程工艺:铁水预处理→K-OBM-S炉→VOD→LF炉,主要用于生产铁素体和马氏体不锈钢;
    第二炼钢厂北区采用的冶炼工艺流程为:脱磷转炉→AOD→LF炉/VOD和电炉→AOD→LF/VOD。第二炼钢厂北区工艺路径灵活,既可以采用新型一步法,也可以采用两步法和三步法生产不锈钢。

4.2 酒钢不锈钢冶炼工艺
    酒钢不锈钢炼钢车间冶炼生产工艺配置为:1座铁水罐顶喷脱磷站、1座脱磷转炉、1座EAF、2座AOD、2座LF精炼炉。其产品覆盖范围广,包括200系、300系和400系不锈钢。
    酒钢不锈钢炼钢车间主要采用以下两种流程进行不锈钢冶炼:流程一是铁水罐顶喷脱磷→EAF→AOD→LF,为两步法生产工艺,主要用于生产200系和300系不锈钢;流程二是脱磷转炉→AOD→LF,为新型一步法生产工艺,主要用于生产400系列的部分钢种。

4.3 青拓集团RKEF与AOD双联法工艺
    青拓集团勇于尝试国外先进工艺,2010年率先在福建鼎信建设并投产了国内第一条RKEF生产线。以RKEF(回转窑+电炉)工艺,利用含镍富铁的氧化镍矿生产含镍生铁(镍铁),比一般的传统工艺(烧结+电炉)具有显著的优势。整个生产工艺是全封闭式的,其能量损耗和粉尘排放是最低的。每吨铁在生产过程中的电能消耗降低了1500度,粉尘排放降低80%。
    镍铁生产传统上是矿业公司的经营范围,而不锈钢生产则是钢铁企业的业务领域。青山集团跨界思维,将镍铁生产和不锈钢冶炼工艺打通,独创了一套RKEF+AOD双联法不锈钢冶炼工艺,青拓集团在国内率先利用该工艺技术,以红土镍矿为主原料冶炼不锈钢,从红土镍矿→冶炼→连铸→热轧不锈钢带,镍铁水不经过冷却,直接热送到AOD炼钢炉,两次热装热送,改变了不锈钢生产的传统模式,节约了大量的能量,大大提高了不锈钢的炼钢速度,减少了原料的损耗,产生了极大的经济效益。实现了不锈钢连续化一体化生产的历史性突破,大大减少污染物排放,吨钢能耗约减少50%,该项技术于2014年获得国家发明专利,属于世界首创。
    青拓集团在福建宁德建成了国内第一条RKEF镍铁生产线和全球第一条RKEF+镍铁热送生产线,用于生产镍含量8%以上的300系列不锈钢;建成了国内最大的高炉+镍铁热送生产线,用来生产镍含量1%以上的200系不锈钢。这种镍资源利用的工艺创新和产品开发相结合,使青拓集团在全球的不锈钢行业竞争力方面处于领先地位。


5 熔融还原技术的应用

    由于原料成本约占不锈钢生产成本的70%,而原料中铬和镍的费用占很大比重 ,因此采用铬矿或镍矿取代含铬或镍铁合金直接冶炼不锈钢是降低不锈钢原料成本的有效手段。日本川崎制铁研究开发转炉熔融还原技术制备母液 ,到 1994年已成功实现了不锈钢工业化生产 ,形成了独有的不锈钢冶炼工艺 ,但该工艺不适宜生产300系列不锈钢。
    该工艺用 2座顶底复吹转炉,原料采用铬矿砂取代高碳铬铁直接冶炼不锈钢,主要包括 :STAR 竖炉型鼓风炉内熔融还原炼钢产生含铬粉尘和转炉产生的炉渣生产再生金属一第一座 SR—KCB(熔融还原铬矿砂 )一 第二座 DC—KCB (顶底 复吹转炉内脱碳 )一 VOD炉内深脱碳。其配料为 :铬矿和废钢分别为 230~280kg/t和190~130kg/t,由 STAR供给再 生金 属 250~50kgCt,其他为铁水口。该工艺优点包括 :提高主原料选择的灵活性 ,直接在转炉中使用铬矿石或铬矿粉 ,大量使用废钢;节约电能 ;提高生产率 ,降低生产成本 ;提高产品质量 ;减少排放 ,环境可控。
    国内铬矿熔融法生产不锈钢处在的还原机理研究及工业性试验阶段。在还原机理研究领域 ,有研究推测铬矿还原分两个阶段 ,第一阶段铬矿通过CO气体间接还原 ;第二阶段铬矿逐步向渣相中溶解 ,而被固体碳直接熔融还原 ,这两个反应与温度密切相关。在试验条件下 ,铬矿在 CaO—SiO一MgO—A1O,渣系中溶解反应为整个过程的限制性环节 。到目前为止,尚未对铬矿熔融还原机理达成一致观点 ,研究成果的应用具有局限性。
    此外,工业试验方面 ,据报导1992年在 15t转炉中进行了铁浴熔融还原制备不锈钢母液的工业试验 ,试验原料为含碳铬矿 团块和氧化镍矿 ,炼成Crl3、Crl8Ni8两种不锈钢母液。Cr的熔融还原速率0.16~0.25 (Cr)/min,铬 的收得率 85%,且磷含量超标 。2000年在 255ITI高炉进行了不锈钢母液直接冶炼的工业试验 ,共生产出含 (Cr)为 5%~21.3%不锈钢母液近千吨。