不锈钢冶炼工艺技术及趋势分析

摘  要  不锈钢有许多优良的性能，外观精美，使用寿命长，可100%回收利用，因此，得以广泛的应用。下文详细介绍不锈钢炼钢的总体概况，论述不锈钢在铁水预处理、转炉、电炉、二次精炼、连铸等方面的技术进步，提出了不锈钢生产流程未来的发展方向。

关键字  不锈钢  冶炼工艺  发展趋势

Analysis of stainless steel smelting 

technology and trend

Abstract  Stainless steel has many excellent properties, beautiful appearance, long life, can be 100 % recycled, so it is widely used. The general situation of stainless steel steelmaking in wenxiang xishao is introduced. the technical progress of stainless steel in hot metal pretreatment, converter, electric furnace, secondary refining and continuous casting, the future development direction of stainless steel production process is proposed.

Keywords   stainless steel  Smelting process  trend analysis

不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐等溶液，或其他腐蚀介质中具有一定化学稳定性的钢种，因其具有不锈、耐蚀、高寿命、可循环、外表美观等优良性能而广泛应用于家电和食品机械、电子和自动化设备、工业机械、建筑材料、交通和能源等领域。由于不锈钢的特性和对产品质量的特殊要求，不锈钢的冶炼和生产工艺具有不同于普通钢的特点，需要采用新的工艺和设备。不锈钢冶炼工艺技术的进步，特别是20世纪60年代以后，炉外精炼和连续铸锭技术的使用，进一步促进了不锈钢的快速发展，改善了不锈钢的质量，提高了成材率，降低了生产成本。本文阐述了不锈钢的发展趋势、工艺流程、冶炼和精炼技术；根据流程正确选择冶炼和精炼方法，以达到最佳的技术经济效果。

1  不锈钢冶炼工艺及流程

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一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[1]。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一废钢混合流程，建设适应不锈钢和普钢生产的兼容性炼钢厂。

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[2]。张家港浦项钢铁流程是典型电炉一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150t，熔化时间60rain，电耗450kW•h/t。收得率95%，氧耗8Nm’/t一9Nm’/t，石灰50kg/t。白云石6kg/t。

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%）。

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、30 t电炉一座、75 t K—OBM—S复吹转炉一座、80 t碳钢复吹转炉两座、80 t RH真空处理一座、75 t VOD炉一座、75 t LF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[3，4]。

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（AOD、LD—OB转炉等）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175 t转炉生产不锈钢，经脱硅、脱硫、脱磷的铁水兑入LD—OB转炉。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。

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。“三脱”转炉采用顶吹弱供氧和底吹强搅拌工艺，吹炼时间9 rain，冶炼周期20 rain，半钢[P]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[5，6]。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一氧气混合吹炼工艺，可生产[C]≤0.15%的低碳不锈钢。开发目标包括冶炼周期98%，硅铁消耗≤15 kg/t钢，与VOD配套生产各种不锈钢品种[7]。

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[8]。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[9]。

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，兑人电炉内熔化合金，铬收得率较高。太钢新区采用180 t炼钢转炉+160 t电弧炉+180 t AOD炉+180 t LF+CC生产流程。为解决不锈钢磷含量问题，采用一座180 t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160 t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。

2  不锈钢冶炼技术发展趋势

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。

2.1  侧吹氧工艺方法

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[10]。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。

2.2  采用底吹搅拌的工艺方法

台湾中钢的CSCB以铁水、高碳铬铁和镍铁为原料，焦炭作补充热源，通过顶吹纯氧和底吹大流量吹惰性气体，在一座转炉内完成不锈钢熔炼和主脱碳任务。因出钢碳不能低于0.20%，必须与VOD搭配才能生产不锈钢，可用于交替生产碳钢和不锈钢。曼内斯曼德马克开发的MRP—L顶吹纯氧，底吹纯惰性气体，采用可更换炉底，炉龄高达1200炉。炉容比与AOD炉接近，为0.6Nm3/t。一般与真空精炼脱碳炉组合成三步法工艺，出钢碳含量为0.20%一0.30%，铬回收率达97%～99%。

2.3  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、氩气和烃类气体。天然气和丙烷用于风口保护和提高耐火材料的寿命。GOR转炉是多种能源介质复合吹炼的底吹转炉，其供气管路通过安装在转炉底部的三个套管式喷嘴向熔池吹入可调成份的氧气、氮气、氩气、天然气（或其它碳氢化合物）的混合气体。冶炼的第一阶段吹氧，由碳氢化合物保护喷嘴；第二阶段吹入氧、氩（或氮）、碳氢化合物和它们的混合气体；第三阶段向转炉熔池吹入纯氩（或氮）。瑞典的Udde holm和法国的CreusotLoire开发的CLU采用蒸汽作为稀释气体，从底部吹氧气、蒸汽、氮气和氩气，同时，从炉顶吹氧气、氮气和氩气。脱碳时，开始吹氧气一蒸汽混合气体。采用这种转炉，耗氩量降低，但耗硅量却很高，而且钢中氢含量增加。目前的趋势是用更多的氩气来取代蒸汽来提高效率。

3  不锈钢冶炼工艺的评价与选择

不锈钢冶炼工艺的选择必须从不锈钢原料供给情况出发，正确选择不锈钢生产工艺流程，并根据流程的要求正确选择不锈钢冶炼工艺。不同不锈钢冶炼工艺的评价体系包括：①生产效率（供氧强度、冶炼周期、炉龄），②合金熔化能力，③生产成本（铬收得率、硅铁消耗和炉龄），见表1。

5  结论

综上所述，我国不锈钢生产的产量和质量都有了长足的进步，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一铁水流程中，新建钢厂大多选择废钢一铁水混合流程，建设适应不锈钢和普钢生产的兼容性生产线。在此基础上，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），比较多种不锈钢冶炼技术，要根据流程的需求正确选择不锈钢冶炼方法。

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