不锈钢冶炼工艺设备和工艺路线的选择

天上一颗星

摘要:通过对国内外主要不锈钢冶炼方法和工艺路线的详细论述、分析和比较，提出了在不同的生产规格、产品大纲、原料及动力供应条件下，如何选择合理经济的不锈钢冶炼工艺路线，以及相应的工艺设备。
0前言
# M1 {% `, l3 H" _" ]4 c* g　 中国从1989年到1999年间，历年不锈钢粗钢产量为25～30万t，不锈钢钢材产量20～ 26万t一直徘徊不前。从1999年开始，我国不锈钢表观消费量、进口量和产量均迅速上升。不锈钢表观消费量从1999年150万t猛增到2003年的420万t，年增长率45 %，成为世界上继美国之后第二消费大国。自产不锈钢钢材从1999年26万t猛增到2003年的177. 8万t.年增长率145 %.4年增长了6. 8倍，成为世界上不锈钢产能增长最快的国家。不锈钢的进口量从1999年的125万t增长到2003年的296万t，进口平均增长率为34. 2%，中国成为世界上最大的不锈钢进口国。
　 鉴于目前国内不锈钢缺口较大，销售市场前景看好，企业纷纷投资建设不锈钢钢厂。由于不锈钢钢种繁多，钢材用途广泛，原料各异，形成了不同的冶炼工艺路线，本文试图从上述几个因素探讨合理的冶炼工艺路线，供建设厂家参考。
1 不锈钢的涵义和钢种分类
9 s1 J: {& U3 E- r; O　 不锈钢一般是不锈钢和耐酸钢的总称。　　　
6 i# a$ V! v. d. D　 不锈钢钢种繁多，性能各异，见于各种教科书中的分类不下五六种之多，但日常习惯和工程习惯分为两类，一类按钢的组织结构分类，即奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、双相(奥氏体+铁素体)不锈钢和沉淀硬化型不锈钢;另一类是参照美国USI和日本JIS标准，通常称为200 ,300和400系列不锈钢。
　 不锈钢材由于其独特的耐蚀性、抗腐性和耐酸性，广泛应用于建筑、厨房、电气、运输和工业机械等领域。最近，考虑到环保效果和水质保洁等因素，上下水管道及水处理装置己逐渐接受不锈钢水管，又称之为水管的“绿色革命”。随着寿命成本概念的推出和应用，桥梁、高速公路、隧道等基础设施中也开始更多地采用不锈钢和不锈钢筋。
, [; \$ q/ M) \. j8 t- c　 不锈钢冶炼工艺路线选择在很大程度上取决于冶炼不锈钢的主要原料，主要包括不锈钢返回废钢、普通废钢、高炉铁水、含铬铁水、铬矿石和合金。
2 不锈钢主要冶炼工艺设备的配置
# V. o% D) H% m9 [2 w2.1 初炼炉　　　
2 g+ \8 W, U4 {* {* c8 O" M3 o　 无论哪种工艺路线.都要配置初炼炉。只是在一步法生产时.初炼炉还要完成精炼炉的精炼任务。
1 M, u& F6 B1 [, f3 D1 Z　 初炼炉只起熔化初炼作用，负责向精炼炉提供初炼钢水，或称之为不锈钢母液。视原料条件和规格不同可以选择感应炉、电炉或转炉。
! _7 S/ s8 I6 W' E+ W# q　 以返回废钢作为主原料时，感应炉和电炉均可作为初炼炉，而感应炉一般用于小规模生产。
! Q/ `+ B; I2 n" a5 W　 以普通废钢作为主原料时，选择电炉作为初炼炉，熔化废钢和合金。
  w5 r& k) `- A. N8 P- k　 以高炉铁水作为主原料时，选择LD ,OTB ,AOD ,K-OBM-S等转炉作为初炼炉，用于脱磷和初脱碳，以及熔化少量废钢和合金。若原料中废钢量和合金比例较大时，仍然要选择电炉熔化合金和废钢，但此时电炉根据需要，还可以提供混匀不锈钢母液成分和温度的功能。若原料中合金大量来源于矿石时，如铬矿、锰矿和镍矿，可采用转炉作为初炼炉还原矿石中合金元素。如日本川崎就采用了铬矿石还原获得金属铬。
& K+ a: D9 m. [6 J　 一般认为，转炉作为初炼炉是不经济的。因为它需要高炉铁水提供母液和热量来源，必然延长工艺路线，一次性投资增加。只有在电力匮乏的情况下，或者采用电炉作为初炼炉时电力成本难以接受时，可以考虑选用转炉作为初炼炉。
2.2 精炼炉
　 精炼炉的功能主要是降碳保铬，同时伴随脱硫的过程。生产不锈钢最为常用的精炼炉是转炉，主要有AOD ,K-BOP ,K-OBM-S ,M RP ,CLU ,KCR-S等。
9 Y+ b9 l% p$ D+ R0 x　 AOD，全称Argon-Oxygen　 DecarburizationConverter，通常称为氩氧炉。AOD是最为常用的精炼炉，不锈钢精炼炉中约有70%为AOD，大量使用在二步法和三步法冶炼工艺中。传统的AOD是在转炉下部安装侧吹风嘴，喷吹氧气和氩气，进行脱碳和精炼。目前在AOD转炉的基础上增加顶枪，喷吹氧气和混合气体，称之为AOD-L精炼炉，可以加快脱碳速度.缩短冶炼周期和提高生产能力。日本大同(Daido)制钢公司在AOD转炉的基础上增加真空系统.定义为AOD-VCR精炼炉，可以用于生产低碳不锈钢。还可以降低氩气和硅铁消耗，缩短冶炼周期。
! j, n8 m+ m5 a$ p  _5 |　 K-BOP是川崎制钢公司(Kawasaki Steel Corporation)在顶吹碱性氧气转炉BOF基础上增加了底吹喷嘴，可以喷吹氧气和冷却介质甲烷.还可以喷吹石灰。
2 r, Z9 Z- |% R4 m- @7 t8 D　 K-OBM-S是由奥钢联公司(VA1)在K- BO P基础上进一步改进和发展的技术，它在顶吹碱性氧气转炉BOF基础上增加了底吹喷嘴或侧吹喷嘴。实际上K- BO P和K-OBM-S最初都是顶底复吹碱性氧气转炉，最近K-OBM-S又增加使用了侧吹喷嘴，与AOD-L非常类似。K- BOP和K-OBM-S可以适用于现有的顶底复吹碱性氧气转炉，经局部改造后生产不锈钢，当然仅有设备是不够的，还要摸索一套冶炼工艺模型。
　 GOR是乌克兰在顶底复吹碱性氧气转炉上开发的，底吹喷嘴采用天然气或碳氢化合物进行保护，与K- BO P和K-OBM-S相当。
( a" T2 c" }( a. v0 b: `, ~　 M RP是Metal Refining Process的缩写，由曼内斯曼德马克胡金根厂(Mannesmann Demag Hut-tentechnik)在底吹转炉基础上发展的，早期通过底吹喷嘴交替喷吹氧气和惰性气体。后期又增加了顶枪，顶部喷吹氧气，底吹喷吹惰性气体，形成MRP-L型精炼炉。
　 CLU是由U ddeholm of Belgium and CreusotLoire of France联合开发的，类似于AOD，但底吹稀释气体改成了水蒸汽，并且是从底部吹入。
　 KCB-S是Krupp combined blowingstainless的缩写，由Krupp Stahl AG在AOD炉的基础上增加了顶吹，与AOD- L非常相当。
  m. G5 _0 Y* x0 w* G2.3真空吹氧精炼炉
1 O2 G5 l$ J( @9 n2 {  M9 Q　 真空吹氧精炼炉(主要有VOD和RH-OB/ RH-KTB等)的功能是在真空状态下进一步脱碳，完成最终成分的微调、纯净度的控制。该法最初用于生产超低碳、超低氮的不锈钢，当Ar气气源不能保证或不够充足时，也常在二步法后增设真空吹氧精炼炉，从而降低Ar气消耗，达到同样的精炼效果。
! }6 u  [- [8 C# S5 r: n　 VOD和 RH-OB/ RH-KTB是在VD真空炉和RH真空炉的基础上增加了一套氧枪。RH-OB在真空室侧壁上安装氧枪，而VOD和RH-KTB则在真空室顶部安装了氧枪，目的都是向真空室内的钢水喷吹氧气。
6 I! j5 A) d' v% _/ N  S; s2 a2.4各种精炼设备的比较
& X" W' D  U. M3 \　 各种精炼设备的比较如表1所示。
8 @0 j, Z- ?) x2 y4 U3 b1 i4 U　
表1 各种精炼设备的比较
工艺设备        喷嘴安装位置        底吹或侧吹介质        顶吹介质        投资
AOD        侧部        O2、N2、Ar、Air、CO2        O2、N2、Ar        1
KCB-S        侧部        O2、N2、Ar        O2、N2、Ar        1
K-BOP/K-OBM-S        底部或侧部        O2、N2、Ar、碳氢化合物        O2、N2、Ar        1.3~1.5
0 O& {  a3 U* C. Y" \$ @MRP，ASM        底部        O2、N2、Ar        　        1
& j9 m0 u/ t6 B& S& I  `CLU        底部        O2、H2O(蒸汽)、N2、Ar        O2、N2、Ar        1
GOR        底部        O2、N2、Ar、碳氢化合物        O2、N2、Ar        1.3~1.5
AOD-VCR        侧部        O2、N2、Ar        　        1.1~1.2
VOD/SSVOD        底部        O2、Ar        O2        1.1~1.2
　

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3 不锈钢冶炼工艺路线
7 D/ p6 s/ ~0 b+ t( {  w) Q( S　 生产不锈钢的冶炼生产工艺可分为一步法、二步法和三步法。
3.1一步法
　 一步法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。随着炉外精炼工艺的不断发展，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，目前工业化生产中己难见其踪，仅仅偶见于小规模的生产厂。许多厂电炉己演进为初炼炉，承担熔化废钢和合金料的任务。
3.2二步法
. @2 o4 o2 t2 u6 b  r　 二步法主要是以电炉为初炼炉熔化废钢及合金料，生产不锈钢初炼钢水，然后在不同的精炼炉(如AOD ,CLU、K-OBM、KC B、MRP、GOR ,VOD等)中进行精炼成合格的不锈钢钢水。初炼炉可以是电炉或转炉。二步法中精炼炉又可分为在常压和真空状态下的精炼，从而形成EAF一转炉(AOD ,CLU ,K-OBM ,KCB ,M RP ,GOR)二步法工艺和EAF-真空吹氧(RH-OB ,RH- KTB,VOD)二步法工艺。
3 X. K; Q' t1 S& Q' {3.3三步法
　 三步法的基本工艺流程是初炼炉一AOD炉-真空吹氧精炼炉。初炼炉只起熔化初炼作用，初炼炉可以是电炉或转炉，负责向AOD等精炼炉提供初炼钢水。AOD炉的功能主要是快速脱碳，并避免铬的氧化，与AOD炉具有同样功能的冶炼设备常用的还有K-OBM-S ,K-TBOP ,MRP ,CLU ,KCB-S等。最后由真空吹氧精炼炉(VOD ,RH-OB ,RH-KTB等)完成最终成分的微调、纯净度的控制。该法可用来生产超低碳、超低氮的不锈钢。
3.4不同冶炼工艺路线的优缺点比较
# _+ f" V# M7 [% Q3 d5 h　 不同冶炼工艺路线的比较如表2所示。
　
2 p  |' W  L8 _+ T# P( S0 ~: c8 s表2 不同冶炼工艺路线的比较
- G' J$ e* d% N3 [+ ?5 e　        工艺路线        钢种
适应性        入炉
原料        生产率        Ar气
8 I( N! f2 a* d3 |* v消耗        耐火材
4 V6 E- e6 L* n" i. d$ N料消耗        生产
# Y0 b2 I5 m( a' ]% @! a成本        工程投资
一步法        　        差        苛刻        低        无        较高        高        最低
二步法        EAF-转炉        一般        适应性强        高        高        低        低        低
/ L4 d) U7 M/ A$ W* z  Q        EAF-真空吹氧炉        一般        适应性强        低        低        较高        最高        较高
        转炉-转炉        一般        适应性强        高        高        低        低        高
! P3 `1 T9 m; C0 i三步法        　        强        适应性强        高        小        高        高        最高
2 K1 l' V+ ?+ T# c; b; y4 C% e　
& u1 m* ~' }; Z2 K0 A; n　 目前世界上大多数不锈钢厂采用电炉一AOD炉二步法生产不锈钢，其产量约占世界不锈钢总产量的70%，采用电炉一转炉一VOD三步法生产不锈钢，其产量约占世界不锈钢总产量的20%，而采用其它方法生产不锈钢，其产量约占世界不锈钢总产量的10%。
8 X/ Z7 \3 Q  |0 o  x1 J( |1 N4 不锈钢冶炼生产工艺路线的选择
　 不锈钢冶炼生产工艺的选择取决于很多因素，首要因素是操作成本，它受到生产规模、产品大纲、原材料供应、后续工艺、现有车间状况和动力供应状况的影响。由于各种因素随着市场迅速变化，生产工艺选择应该具有一定的灵活性。
4 R+ P  v& u: ^　 一般情况下，三步法的生产成本要高于二步法，但由于上述各种因素的综合影响，最后要根据生产规模产品方案及原料条件等实际情况，具体分析，合理选择。
4.1 生产规模
. S5 E# D; h) v& t　 不锈钢的生产规模对冶炼生产工艺的选择，具有制约作用。生产规模小，一般年产3万t不锈钢，不锈钢返回废钢有可靠保证的，可以选用一步法冶炼生产工艺。
　 不锈钢的生产规模达到5万t以上，不锈钢的冶炼生产工艺不宜采用一步法，应该选用二步法或三步法组织生产。
4.2 产品大纲
　 产品大纲中对少生产(C+ N) > 250～300ppm的不锈钢，可选用二步法组织生产。若生产规模大，产品范围宽，考虑到生产节奏和能源供应等因素，宜配置三步法冶炼生产工艺路线的设备，其中分产品按照二步法或三步法组织生产。
　 最终产品中若要求(C+ N) ≤250～300ppm，如S44700,S44800等超低碳( 0. 01%)、超低氮( 0. 02%)铁素体不锈钢，必须选用三步法工艺流程，在真空吹氧精炼炉中完成最终成分的微调和脱气处理。
" [9 f6 ?" f3 g: t9 N4.3原材料供应
　 不锈钢冶炼的原材料，主要是金属料和合金。金属料包括返回废钢、普通废钢和高炉铁水。合金主要包括高、中、低碳铬铁，电解镍铁，金属镍或NiO,硅铁，锰铁。含铬铁水和铬矿石具有金属料和合金的双重性质。不同的金属料将会采用不同的冶炼生产工艺。
/ m' c$ b8 s* F3 f, C7 b- T) b/ Q* D: x　 金属料采用返回废钢或普通废钢时，一般选用电弧炉作为初炼炉，熔化废钢和合金料产生不锈钢母液，生产不锈钢。典型的冶炼生产工艺是选用EAF- AOD二步法或选用EAF- AOD一VOD三步法组织生产。我国的太钢不锈一炼钢、宝钢五钢公司和大连特钢等企业均采用该生产工艺。
1 x" C- u' _2 u' o　 金属料采用高炉铁水时，由于硅、硫、磷含量高，高炉铁水必须首先进行三脱处理，获得低硫、磷不锈钢母液，再经过精炼炉精炼。精炼炉目前大多选用AOD转炉或顶底复合吹炼转炉，如果要冶炼低[ C]或低[N]不锈钢，在后步工序还要配置RH-OB或VOD进行真空精炼。如果要冶炼Cr-Ni系或Cr-Nr-Mo系不锈钢，还需要配置电弧炉熔化钼铁和镍铁。典型的冶炼生产工艺是:
( C9 D- A+ f# ]9 u　 EAF(熔化合金)——
　 高炉铁水一 铁水预处理－ 顶底复合吹炼转炉一 真空精炼。
5 S5 b) U1 _2 [# i) x" H　 日本川崎钢铁公司的K-BOP法采用了高炉铁水一铁水预处理一顶底复合吹炼转炉LD-OBM一真空精炼VOD。日本新日铁公司室兰制铁所的RH-OB法.即采用高炉铁水一铁水预处理－顶底复合吹炼转炉一RH- OB真空精炼。我国太钢二钢厂采用了:
1 H4 i5 k$ f8 N　 EAF(熔化合金)——
　 高炉铁水一 铁水预处理－顶底复合吹炼转炉一 K-OBM-S-VOD真空精炼。
　 金属料采用部分铬矿石时，一般以高炉铁水作为主原料，铬矿石主要是通过在转炉中进行还原，提供金属铬，降低不锈钢生产成本。由于铬矿石加入数量、加入时机以及还原工艺国内尚未完全掌握，世界上仅日本川崎钢铁公司千叶厂采用该冶炼生产工艺。
　 金属料采用部分铬铁水+废钢时，冶炼生产工艺可采用矿热炉一EAF–AOD二步法或选用矿热炉一EAF-AOD-VOD三步法。它通过矿热炉冶炼铬矿石.生成含铬铁水。电炉作为初炼炉熔化废钢和合金料，熔化半钢与含铬铁水混匀，制成不锈钢母液。该工艺在国外鲜，但在我国的宝钢一钢公司己经成功采用，杭钢亚通特钢公司也采用了该工艺路线。该工艺可以适用于铁合金厂的改造或在铁合金厂附近建设的不锈钢工厂内使用。
4.4 现有车间状况和动力供应状况
, g  `$ x4 }+ U9 O0 F  _　 新建不锈钢厂，可以根据需要确定合理、经济的工艺路线。但对于旧厂改扩建，必须结合现有车间状况和动力供应状况。
　 原车间没有熔化电炉或感应炉，又没有充足的电力供应，却有高炉和转炉设施，可选择高炉铁水一铁水预处理－顶底复合吹炼转炉一真空精炼组成的典型冶炼生产工艺。这将是我国部分转炉工厂经过工艺和设备改造后生产不锈钢的便利途径。
　 对于氩气供应不足，精炼炉不宜采用AOD炉，而改为与AOD炉具有同样功能的冶炼设备.如K-OBM-S ,K-BOP ,MRP ,CLU ,KCB- S等。或采用初炼炉一AOD一真空吹氧精炼炉(VOD ,RH-OB ,RH-KTB等)三步法组织生产，以降低氩气消耗。
5 结语
2 @$ v8 _6 k0 R+ \1 Q2 z　 通过上述分析，根据不锈钢冶炼的生产规模、产品大纲、原材料供应、现有车间状况和动力供应状况，对不锈钢冶炼主要工艺设备和工艺路线的选择，提出如下建议(见表3)，供建设不锈钢生产的厂家作为参考。
- V( ?' _" z4 u
; O( S8 b* d4 ?: x1 Z, o: S( b" Q表3 工艺设备和工艺路线选择方案
4 R6 m$ O: |  F; X' W6 ~& a0 b工艺设备或路线        生产规模        产品大纲        主要原材料        现有车间状况        动力供应状况
        小        大        常规
$ o0 j1 L, B0 Z/ ?( M碳氮        超低
- M2 f* [5 t6 [2 r碳氮        高炉
铁水        铬矿        废钢        转炉厂        电炉厂        新建        电力
匮乏        氩气
匮乏
预
处
$ k$ w6 z( w: |, f5 Q  I理        铁水脱硅        　        　        　        　        ∨        　        　        　        　        　        　        　
        铁水脱磷        　        　        　        　        ∨        　        　        ∨        　        　        　        　
        铁水脱硫        　        　        　        　        ∨        　        　        ∨        　        　        　        　
4 ~. j+ ^9 [- |1 V  W  ^% W初
炼
/ W, E6 X2 @1 I) u& h炉        矿热炉        　        　        　        　        　        ∨        　        　        　        　        　        　
        感应炉        ∨        　        　        　        　        　        ∨        　        　        　        　        　
. B$ C  _# `7 p% U3 e4 h1 |) |+ \- X        电弧炉        ∨        ∨        ∨        ∨        ★        　        ∨        ★        ∨        ∨        ★        　
, I9 k, H$ A% A        转炉        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        ∨        　        ∨        ∨        　
精炼炉        AOD        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ★
" A' L8 ]! Y) P5 T        K-BOP        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        　        　        ★
0 s$ }4 k' e3 }2 p" O        K-OBM-S        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        ∨        　        ★
' ^7 P. P1 ~* T3 P        MRP        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        　        　        ★
        CLU        　        　        ★        　        ∨        ∨        ∨        　        　        　        　        ∨
0 z/ `; C, l0 b! i        KCB-S        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        　        　        　        ★
+ E0 @! |  z: N  ^# W( b真空炉        VOD        　        ∨        　        ∨        　        　        　        　        　        　        　        ∨
  V1 s8 m' L, j3 A: L4 g* t        RH-OB        　        ∨        　        ∨        　        　        　        　        　        　        　        ∨
: d' E0 _6 V8 i3 c6 \. _2 a/ x# j" Y7 u        RH-KTB        　        ∨        　        ∨        　        　        　        　        　        　        　        ∨
( W0 p# J& N2 q% t8 [工艺线        一步法        ∨        　        　        　        　        　        　        　        　        　        　        　
. F: ]4 H- F7 |0 g- r        二步法        　        ∨        ∨        　        　        　        　        　        　        　        　        ★
& J0 t( ^$ e2 g: V' E  M) {        三步法        　        ∨        ★        ∨        　        　        　        　        　        　        　        ∨
注：（1）“∨”表示优先选择的设备或工艺。（2）“★”表示次选的设备或工艺辅助设备。