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不銹鋼冶煉工藝及發展
來源: | 作者:csscweb | 發布時間: 2018-12-04 | 8321 次瀏覽 | 分享到:

    我國已成為不銹鋼消費和生產大國,不銹鋼需根據不同品種及原材料種類組織生產。目前,我國不銹鋼生產發展方向是提高質量 、降低成本 、節能減排,同時在原材料和技術設備匹配上不斷優化。本文對不銹鋼幾個典型的冶煉工藝流程進行了對比分析。 


    不銹鋼因其優異的耐腐蝕性和優良的綜合性能,日益廣泛地應用各個工業領域和民用領域。我國不銹鋼生產起晚,2000年結束長期徘徊在30萬噸的狀況,呈現出跨越式、跳躍性迅猛發展的態勢。2017年全球不銹鋼粗鋼產量4808萬噸,中國不銹鋼產量達2577.37萬噸,占全球產量的 54%。隨著產能的提升,如何通過優化工藝流程及降低原料成本,提升企業的市場競爭性力迫在眉睫。


1 不銹鋼冶煉的發展 

    20世紀初英國的謝菲爾德成功冶煉澆鑄第一爐商品級不銹鋼,不銹鋼從此進入人們視線 。到 20世紀40年代,美國人希爾蒂(D.C.Hilty)通過對 Cr-C溫度平衡的研究,提出在高溫條件下脫碳保鉻理論,奠定了不銹鋼冶煉理論基礎 ,在此基礎上進一步研究了降低液化碳的分壓對不銹鋼生產物化反應的影響,催生了不銹鋼冶煉技術的進步。到 20世紀 60年代中后期 ,德國維騰公司 Edel工廠研制成功真空法 VOD,以及美國聯合碳化物公司的稀釋法 AOD,大大地降低了不銹鋼冶煉成本,提高了不銹鋼生產效率 ,使不銹鋼大規模生產成為可能。

不銹鋼冶煉設備

    不銹鋼冶煉工藝的選擇與鋼種和原材料有關 ,這些原材料主要包括 :廢鋼 、鐵水 、鉻礦石 、鎳礦合金等 。
    不銹鋼冶煉所用的裝備分為初煉設備和精煉設備兩大類 ,初煉設備包括 :電弧爐(EAF)、非真空感應爐(一般用于小規模生產 )、礦熱爐、轉爐。精煉設備主要包括鋼包型精煉設 備(VOD、SS—VOD、VOD—PB等 )、 轉爐型精煉設 備 (AOD、VODC、VCR、CLU、KCB—S、KOBMS、K—BOP、MRP—L、GOR等)及RH功能擴展型精煉設備(RH—OB、RH—KTB、RH—KPB等 )三大類。
    通常而言,冶煉原料為廢鋼時,初煉設備采用電弧爐 +精煉設備的短流程工藝;
    原料是鐵水時,初煉設備采用轉爐 +精煉設備的工藝;
    原料是廢鋼 +鐵水時 ,初煉設備采用電弧爐 +轉爐 +精煉設備的工藝;
    原料是鉻礦石時,初煉設備采用熔融還原轉爐 +脫碳轉爐 +精煉設備的工藝(目前該工藝為日本川崎制鐵選用 );
    國內采用紅土鎳礦為原料時,初煉設備采用干燥窯 +回轉窯 +礦熱爐 +轉爐+精煉設備的工藝。

3 不銹鋼冶煉工藝路徑

    目前生產不銹鋼的冶煉工藝主要分為一步法、二步法和三步法。

3.1 一步法冶煉工藝

    早期的一步法不銹鋼冶煉工藝是指在一座電爐內完成廢鋼熔化、脫碳、還原和精煉等工序,將爐料一步冶煉成不銹鋼。這種僅用電爐冶煉不銹鋼的一步法冶煉生產工藝,由于冶煉周期長,作業率低,生產成本高,被逐步淘汰。隨著爐外精煉工藝的不斷發展以及AOD 爐的廣泛應用,目前很多不銹鋼生產企業采用部分低磷或脫磷鐵水代替廢鋼,將鐵水和合金作為原料進入AOD爐進行不銹鋼的冶煉,由此形成了新型一步法冶煉工藝。
    新型一步法冶煉工藝與早期一步法相比在生產流程上取消了電爐這一冶煉環節,其優點包括:一是降低投資;二是降低生產成本;三是高爐鐵水冶煉降低了配料成本,降低了能耗,提高了鋼水純凈度;四是廢鋼比低,適應現有的廢鋼市場;五是對于冶煉400系列不銹鋼尤為經濟。
    但新型一步法對原料條件和產品方案具有一定要求:一是要求AOD入爐鐵水磷含量低于0.03%以下,因此冶煉流程中須增加鐵水脫磷處理環節;二是新型一步法中合金作為原料加入了AOD爐中,而AOD 爐中加入的高碳合金量過大會影響整個冶煉過程的熱平衡,不適用于成分復雜、合金含量高的不銹鋼品種。
    新型一步法不銹鋼生產工藝目前被廣泛應用于生產400系列不銹鋼。作為發展中國家,中國廢鋼資源缺乏,又是極度貧鎳的國家,加之400系列不銹鋼在日常生活和工業生產領域的應用范圍越來越廣,這些客觀條件使得新型一步法不銹鋼冶煉被越來越多的生產企業采用。

3.2 二步法冶煉工藝

    二步法工藝路線為EAF→AOD、EAF→VOD(電弧爐→VOD真空精煉爐)。EAF→AOD工藝的產能約占世界不銹鋼產能的70%左右,其中EAF爐主要用于熔化廢鋼和合金原料,生產不銹鋼預熔體,不銹鋼預熔體再進入到AOD爐中冶煉成合格的不銹鋼鋼水。
    兩步法工藝若電爐入爐原料磷含量較高,則需在電爐和AOD 爐間加入不銹鋼預熔體脫磷的環節。目前較常采用的預熔體脫磷工藝有轉爐脫磷和鐵水罐頂噴脫磷。兩步法采用高爐鐵水作為不銹鋼冶煉主原料時,若高爐磷含量高,則也需要加入脫磷的環節。
    二步法不銹鋼冶煉工藝被廣泛應用于生產各系列不銹鋼,其優點包括:電爐對原材料要求不高,生產周期相對于一步法工藝稍短,靈活性好,可生產除了超低碳、氮不銹鋼外95%的不銹鋼品種。
    但二步法在介質消耗、品種方案等方面仍須注意以下三點:一是近年來隨著冶煉工藝的進步和操作水平的提高,兩步法冶煉工藝的氬氣等介質消耗量明顯減少,但相比一步法和三步法其氬氣等介質消耗仍稍大;二是AOD爐脫碳到終點時,鋼水中氧含量較高,須加入硅鐵還原鋼水中的氧,因此硅鐵耗量高;三是目前還不能用于生產超低碳、氮不銹鋼,且鋼中含氣量較高。

3.3 三步法冶煉工藝

    三步法的基本工藝流程為:初煉爐→復吹轉爐/AOD爐→真空精煉裝置。三步法是冶煉不銹鋼的先進方法,產品質量好,適用于專業化的生產廠家,也適用于聯合鋼鐵企業的不銹鋼生產。
    不銹鋼三步法是在二步法的基礎上增加了深脫碳的環節,其冶煉工藝優點為:一是各環節分工明確,生產節奏快,操作優化;二是產品質量高,氮、氫、氧和夾雜物含量低,可生產的品種范圍廣;三是可采用鐵水冶煉,對原料的要求也不高,原料選擇靈活。
    不過,三步法不銹鋼冶煉工藝將冶金功能分步實現,對生產投資會產生以下影響:一是增加了工藝環節,投資和生產成本較高;二是真空裝備系統復雜,維護量大。
    目前世界上生產不銹鋼的冶煉工藝主要還是采用二步法和三步法,其中EAF+AOD 或EAF+VOD 的兩步法工藝應用最為廣泛,約占70%,三步法工藝約占20%。隨著低磷鐵水被廣泛應用于不銹鋼生產,新型一步法不銹鋼冶煉工藝也被越來越多的不銹鋼生產企業采用。為適應不銹鋼市場的激烈競爭,提高產品質量同時也降低生產成本,我國各企業根據自身的實際情況選擇合適的不銹鋼冶煉工藝。

4 國內不銹鋼生產企業冶煉工藝路線的選擇

    不銹鋼冶煉工藝路線的確定,首先應以產品大綱為出發點,以不銹鋼冶煉的原料組成和不銹鋼精煉機理為依據,選擇合適的不銹鋼冶煉工藝路線。不銹鋼生產企業的原材料條件、生產規模、產品方案、操作成本和工人的操作習慣等因素都會影響不銹鋼冶煉生產工藝的選擇。由于原材料、操作成本和產品方案等因素受市場波動影響較大,現代化的不銹鋼冶煉車間生產工藝的選擇應具有一定的靈活性,能根據市場條件調整生產工藝和產品方案。
    中國大型不銹鋼生產企業大部分都是聯合型鋼鐵企業,例如太鋼、酒鋼等企業,均是既生產不銹鋼同時也生產碳鋼。對于這些聯合型鋼鐵企業,工藝設備的配置能滿足多樣化工藝路線、不同原料配比的要求,原材料范圍比較廣,既有充足的鐵水供應,也有能滿足需要的廢鋼,可選擇最佳的原料配比方案。這些企業在不銹鋼冶煉工藝路線的選擇上具有較大的靈活性。
    中國不銹鋼廢鋼資源缺乏,以廢鋼為主原料的不銹鋼冶煉過程配料成本高,加上全廢鋼冶煉能耗高,以及廢鋼品質不好帶入鋼水有害元素多等原因,中國越來越多的不銹鋼生產企業傾向于利用經脫磷的高爐鐵水冶煉不銹鋼。特別是鋼鐵聯合型企業,利用碳鋼系統的高爐供部分鐵水給不銹鋼冶煉系統,可有效降低噸鋼原材料成本。與此同時,脫磷處理設施被普遍應用于不銹鋼生產工藝。脫磷處理設施的應用既可降低不銹鋼生產對原材料的要求,也可降低生產成本,從而使高爐鐵水、普通廢鋼、高磷生鐵和高磷合金能被大量用于不銹鋼的生產。

4.1 太鋼不銹鋼冶煉工藝

    太鋼設有3個不銹鋼冶煉車間,即第三煉鋼廠、第二煉鋼廠南區和第二煉鋼廠北區。
    第三煉鋼廠采用的冶煉工藝流程為短流程工藝:EAF→AOD,主要生產雙相不銹鋼、耐熱鋼、高合金不銹鋼和高附加值不銹鋼種;
    第二煉鋼廠南區采用的冶煉工藝流程為長流程工藝:鐵水預處理→K-OBM-S爐→VOD→LF爐,主要用于生產鐵素體和馬氏體不銹鋼;
    第二煉鋼廠北區采用的冶煉工藝流程為:脫磷轉爐→AOD→LF爐/VOD和電爐→AOD→LF/VOD。第二煉鋼廠北區工藝路徑靈活,既可以采用新型一步法,也可以采用兩步法和三步法生產不銹鋼。

4.2 酒鋼不銹鋼冶煉工藝
    酒鋼不銹鋼煉鋼車間冶煉生產工藝配置為:1座鐵水罐頂噴脫磷站、1座脫磷轉爐、1座EAF、2座AOD、2座LF精煉爐。其產品覆蓋范圍廣,包括200系、300系和400系不銹鋼。
    酒鋼不銹鋼煉鋼車間主要采用以下兩種流程進行不銹鋼冶煉:流程一是鐵水罐頂噴脫磷→EAF→AOD→LF,為兩步法生產工藝,主要用于生產200系和300系不銹鋼;流程二是脫磷轉爐→AOD→LF,為新型一步法生產工藝,主要用于生產400系列的部分鋼種。

4.3 青拓集團RKEF與AOD雙聯法工藝
    青拓集團勇于嘗試國外先進工藝,2010年率先在福建鼎信建設并投產了國內第一條RKEF生產線。以RKEF(回轉窯+電爐)工藝,利用含鎳富鐵的氧化鎳礦生產含鎳生鐵(鎳鐵),比一般的傳統工藝(燒結+電爐)具有顯著的優勢。整個生產工藝是全封閉式的,其能量損耗和粉塵排放是最低的。每噸鐵在生產過程中的電能消耗降低了1500度,粉塵排放降低80%。
    鎳鐵生產傳統上是礦業公司的經營范圍,而不銹鋼生產則是鋼鐵企業的業務領域。青山集團跨界思維,將鎳鐵生產和不銹鋼冶煉工藝打通,獨創了一套RKEF+AOD雙聯法不銹鋼冶煉工藝,青拓集團在國內率先利用該工藝技術,以紅土鎳礦為主原料冶煉不銹鋼,從紅土鎳礦→冶煉→連鑄→熱軋不銹鋼帶,鎳鐵水不經過冷卻,直接熱送到AOD煉鋼爐,兩次熱裝熱送,改變了不銹鋼生產的傳統模式,節約了大量的能量,大大提高了不銹鋼的煉鋼速度,減少了原料的損耗,產生了極大的經濟效益。實現了不銹鋼連續化一體化生產的歷史性突破,大大減少污染物排放,噸鋼能耗約減少50%,該項技術于2014年獲得國家發明專利,屬于世界首創。
    青拓集團在福建寧德建成了國內第一條RKEF鎳鐵生產線和全球第一條RKEF+鎳鐵熱送生產線,用于生產鎳含量8%以上的300系列不銹鋼;建成了國內最大的高爐+鎳鐵熱送生產線,用來生產鎳含量1%以上的200系不銹鋼。這種鎳資源利用的工藝創新和產品開發相結合,使青拓集團在全球的不銹鋼行業競爭力方面處于領先地位。


5 熔融還原技術的應用

    由于原料成本約占不銹鋼生產成本的70%,而原料中鉻和鎳的費用占很大比重 ,因此采用鉻礦或鎳礦取代含鉻或鎳鐵合金直接冶煉不銹鋼是降低不銹鋼原料成本的有效手段。日本川崎制鐵研究開發轉爐熔融還原技術制備母液 ,到 1994年已成功實現了不銹鋼工業化生產 ,形成了獨有的不銹鋼冶煉工藝 ,但該工藝不適宜生產300系列不銹鋼。
    該工藝用 2座頂底復吹轉爐,原料采用鉻礦砂取代高碳鉻鐵直接冶煉不銹鋼,主要包括 :STAR 豎爐型鼓風爐內熔融還原煉鋼產生含鉻粉塵和轉爐產生的爐渣生產再生金屬一第一座 SR—KCB(熔融還原鉻礦砂 )一 第二座 DC—KCB (頂底 復吹轉爐內脫碳 )一 VOD爐內深脫碳。其配料為 :鉻礦和廢鋼分別為 230~280kg/t和190~130kg/t,由 STAR供給再 生金 屬 250~50kgCt,其他為鐵水口。該工藝優點包括 :提高主原料選擇的靈活性 ,直接在轉爐中使用鉻礦石或鉻礦粉 ,大量使用廢鋼;節約電能 ;提高生產率 ,降低生產成本 ;提高產品質量 ;減少排放 ,環境可控。
    國內鉻礦熔融法生產不銹鋼處在的還原機理研究及工業性試驗階段。在還原機理研究領域 ,有研究推測鉻礦還原分兩個階段 ,第一階段鉻礦通過CO氣體間接還原 ;第二階段鉻礦逐步向渣相中溶解 ,而被固體碳直接熔融還原 ,這兩個反應與溫度密切相關。在試驗條件下 ,鉻礦在 CaO—SiO一MgO—A1O,渣系中溶解反應為整個過程的限制性環節 。到目前為止,尚未對鉻礦熔融還原機理達成一致觀點 ,研究成果的應用具有局限性。
    此外,工業試驗方面 ,據報導1992年在 15t轉爐中進行了鐵浴熔融還原制備不銹鋼母液的工業試驗 ,試驗原料為含碳鉻礦 團塊和氧化鎳礦 ,煉成Cr13、Cr18Ni8兩種不銹鋼母液。Cr的熔融還原速率0.16~0.25 (Cr)/min,鉻 的收得率 85%,且磷含量超標 。2000年在 255ITI高爐進行了不銹鋼母液直接冶煉的工業試驗 ,共生產出含 (Cr)為 5%~21.3%不銹鋼母液近千噸。

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