不锈钢冶炼工艺DOC.docx

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1、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: The paper introduced the general specification of stainless steel aking and the varieties of the product, stated the typical progresses flow in hot metal pretreatment、 conv

2、erter、 EAF、 secondary refining continuous casting etc ，summarized the current status of stainless steel production and consumption and put forward the future development trend of stainless steel.Key words: stainless steel production process secondary refining1.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

3、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1230。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，C

4、r25Mo3Ti、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wC0.08%，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

5、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10501150，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

6、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

7、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

8、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4060万,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450kWh/,t收得率95%,氧耗8Nm3/t9Nm3/,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

9、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

10、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

11、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P3.5%,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

12、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C0.15%的低碳不锈钢;采用底吹惰

13、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1 580时,w(Cr)20%,首先氧化碳,当w(C)0.7%,采用O2;Ar(N2)连续变化方式脱碳,当w(C)0.10%用纯氩吹炼,用钢中余氧及渣中的Cr2O3进一步脱碳。光制铁所采用这种方法,前期氧利用率与传统方法一致,但脱碳速度得到提高,氧枪没有出现熔损加大问题,后期氧利用率CRE提高6%,结果FeSi消耗降低了0.7 kg/t。 （2）深脱硫工艺按照传统的AOD操作,脱碳终了加入FeSi进行Cr2O3的还原操作,然后扒去85%以上的渣子再加入CaO、CaF2及粉状FeSi或CaSi进行脱硫的精炼操作,这样对成本、精炼时间、操作

14、条件都十分不利。新日铁光制所采用Al代替FeSi进行脱硫,取得满意的效果,w(S)1010-6,还原精炼时间缩短517 min,如下图。 渣子碱度要求CaO+MgOSiO2+Al2O3=2.83.5 (3) 以N2代Ar及供氧强度的提高Ar作为AOD精炼的主要气体,因其价格较高,在不锈钢精炼时用N2代Ar,其代Ar率达到20%40%,对于w(N)为40010-680010-6的钢可以在脱碳一期、二期代Ar,产品w(N)要求1 50010-62 50010-6,脱碳期全部用N2代Ar,产品w(N)要求3 00010-6,可以全程用N2代Ar。日本太平洋金属八户厂在生产304钢时代Ar率达到80%

15、,产品w(N)0.1%时按传统工艺由底侧处风枪吹入O2/Ar(N2),当w(C)0.1%时停止吹氧改由Ar(N2),同时将真空罩套在AOD炉帽上,真空度为2.02.67 kpa,底吹Ar/(N2)流量为2030 Nm3/min,在强大的搅拌下,钢水中的余氧及渣中的氧化物,进行脱碳, 经过1020 min,熔池温降5070,钢中w(C+N)达到10010-6以下。不同钢种应用AOD-VCR的碳、氮浓度见表3。AOD-VCR其底吹搅拌能力是SS-VOD的1320倍,是VODC的3244倍,因此创造了脱碳、脱氮动力学及热力学条件,若达到同样C、N质量分数,SS-VOD需40 min以上。若要求w(C

16、)15010-6,w(N)30010-6,采用AODVCR比AOD可以缩短精炼时间21%。 4 国内外不锈钢的生产和消费情况4.1 世界不锈钢的生产和消费情况 从 20 世纪 50 年代开始, 世界不锈钢进入了大规模工业化生产阶段。半个多世纪以来, 随着生产技术的不断进步和市场需求的不断增加,世界不锈钢产量出现了连续增长的态势: 1950 年全球不锈钢产为100万t , 2000年达到1950万t, 2006 年增长到2842万 t 。尤其是进入 21世纪之后, 世界不锈钢产量大幅增加。据国际不锈钢论坛( ISSF ) 报道, 2006 年世界不锈钢产量同比增长 16. 7 % , 其中亚洲增

17、长 20. 6 % , 产量达到1510 万 t, 超过世界总产量的一半, 这说明世界不锈钢产量的增长 因素主要来源 于亚洲。2006 年世界不锈钢产量同比增长16. 7 % , 其中亚洲增长20. 6 % , 产量达到1510万t, 超过世界总产量的一半, 这说明世界不锈钢产量的增长因素主要来源于亚洲。2006年以前, 日本、美国、韩国一直是世界不锈钢产量最大的几个国家, 2006 年, 中国不锈钢产量达到530 万t ( 同比增长68 %) , 首次超过日本成为世界不锈钢产量最大的国家。近年来世界不锈钢产量见表7、主要国家不锈钢产量见表8。 表7 1995 2006年世界不锈钢产量 万t注

18、: 其他国家是指独联体、印度、巴西、加拿大、非洲等国。数据来源: 英国钢铁咨询公司(MEPS)以及笔者对各媒体数据进行综合。 表8 世界主要国家不锈钢产量 万t4.2 我国不锈钢的生产和消费情况 自20 世纪90 年代以来, 我国不锈钢供给一直远远不能满足需求, 致使不锈钢材大量进口。进入21 世纪之后, 不锈钢制品行业正如我国钢铁行业一样得到了突飞猛进的发展, 不锈钢市场需求量迅速增加, 许多企业纷纷新建或扩建不锈钢项目。2005 2006 年, 宝钢太钢不锈钢工程相继投产, 在很大程度上缓解了我国不锈钢供给不足的矛盾。据中国特钢协会不锈钢分会报道:2006 年我国不锈钢粗钢产量达到530

19、万t ( 钢材450. 8 万t ) , 同比长68 % ; 进口不锈钢250. 1万t, 同比降低20. 13 %; 出口90. 4 万t , 同比增加122. 64 % ; 表观消费量610 万t, 增幅达14 %。2001 2006 年我国不锈钢产量、进出口量和表观消费量见表9, 主要钢铁企业产量见表10。 表9 2001 2006 年我国不锈钢产量、进出口量和表观消费量 万 t 注: 宝钢包括上海克虏伯和宁波宝新不锈钢公司。数据来源: 中国钢协( 非钢 铁企业产量未列在内) 。 表10 2005 2006 年主要钢铁企业不锈钢产量统计 t5 结论（1）我国不锈钢生产的产量和质量都有了长

20、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。6 参考文献1 王一德,徐芳泓.铁水为主要原料的不锈钢冶炼新工艺的开发 J .特殊钢

21、,2006, 27(3):5- 38.2 王一德. 太钢不锈钢的现状与发展 J . 中国有色金属学报,2004,14( F1) : 72- 81.3 E Fritz. 不锈钢生产技术的发展趋势 J . 钢铁, 2003, 38( 5 ): 67- 72.4 伏中哲, 史国敏, 朱孔林. 高炉铁水冶炼不锈钢 J . 上海金属. 2006( 5) : 14 - 20.5 刘岩，姜茂发.转炉铬矿熔融还原法不锈钢直接合金化技术M .沈阳: 东北大学出版社, 2009: 22- 30.6山田桂三, 尹小华. 以熔融Fe C r, Fe N i为原料, 用顶吹AOD法直接冶炼不锈钢 J. 重钢技术, 19

22、89 (3) : 31 - 39. 7 大野刚正, 西田祚章. AOD 法, . / 脱炭0 1 2 J . 铁+钢, 1977, 63 ( 13) : 2094- 2099.8 FabritiusT. M. M ute P. T. andHokk i J. J. The determinat ion of them inimum and operational gas how rates for sidew all blowing in the AOD - converter J . IS IJ In ternationa,l 2003, 43 ( 8 ): 1177 -1184. 9 Y

23、Ikehara, T. K osuge, H. A riyosh,i R. Hidaka. Improvanent on refining techniques for stain less steel C , Electric Furnace Proceedings, 1985( 43 ) : 183- 188. 10 杜成武译,王风璞, 胡长泰校.不锈钢的复合吹炼 J .本钢译丛, 1991( 2 ): 61- 64. 11 C. V ercruyssen, P. Wollan ts, J. R. Roots et a.l Mathem aticalmodelling of refing of stain less steel inMRPA converter J , Ironmaking.