不銹鋼冶煉工藝設備和工藝路線的選擇

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摘要:通過對國內外主要不銹鋼冶煉方法和工藝路線的詳細論述、分析和比較，提出了在不同的生產規格、產品大綱、原料及動力供應條件下，如何選擇合理經濟的不銹鋼冶煉工藝路線，以及相應的工藝設備。
4 |' h5 Y) ^- A$ W; _% `) c0前言
　 中國從1989年到1999年間，歷年不銹鋼粗鋼產量為25～30萬t，不銹鋼鋼材產量20～ 26萬t一直徘徊不前。從1999年開始，我國不銹鋼表觀消費量、進口量和產量均迅速上升。不銹鋼表觀消費量從1999年150萬t猛增到2003年的420萬t，年增長率45 %，成為世界上繼美國之后第二消費大國。自產不銹鋼鋼材從1999年26萬t猛增到2003年的177. 8萬t.年增長率145 %.4年增長了6. 8倍，成為世界上不銹鋼產能增長最快的國家。不銹鋼的進口量從1999年的125萬t增長到2003年的296萬t，進口平均增長率為34. 2%，中國成為世界上最大的不銹鋼進口國。
3 ~2 y( k. G9 m; C, ~7 ^% e' ^　 鑒于目前國內不銹鋼缺口較大，銷售市場前景看好，企業紛紛投資建設不銹鋼鋼廠。由于不銹鋼鋼種繁多，鋼材用途廣泛，原料各異，形成了不同的冶煉工藝路線，本文試圖從上述幾個因素探討合理的冶煉工藝路線，供建設廠家參考。
1 不銹鋼的涵義和鋼種分類
+ {8 m1 @2 A: j+ z　 不銹鋼一般是不銹鋼和耐酸鋼的總稱。　　　
　 不銹鋼鋼種繁多，性能各異，見于各種教科書中的分類不下五六種之多，但日常習慣和工程習慣分為兩類，一類按鋼的組織結構分類，即奧氏體不銹鋼、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、雙相(奧氏體+鐵素體)不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼;另一類是參照美國USI和日本JIS標準，通常稱為200 ,300和400系列不銹鋼。
　 不銹鋼材由于其獨特的耐蝕性、抗腐性和耐酸性，廣泛應用于建筑、廚房、電氣、運輸和工業機械等領域。最近，考慮到環保效果和水質保潔等因素，上下水管道及水處理裝置己逐漸接受不銹鋼水管，又稱之為水管的“綠色革命”。隨著壽命成本概念的推出和應用，橋梁、高速公路、隧道等基礎設施中也開始更多地采用不銹鋼和不銹鋼筋。
　 不銹鋼冶煉工藝路線選擇在很大程度上取決于冶煉不銹鋼的主要原料，主要包括不銹鋼返回廢鋼、普通廢鋼、高爐鐵水、含鉻鐵水、鉻礦石和合金。
2 不銹鋼主要冶煉工藝設備的配置
1 N) j) `+ g7 K. O2.1 初煉爐　　　
" l( M/ o) D, W　 無論哪種工藝路線.都要配置初煉爐。只是在一步法生產時.初煉爐還要完成精煉爐的精煉任務。
　 初煉爐只起熔化初煉作用，負責向精煉爐提供初煉鋼水，或稱之為不銹鋼母液。視原料條件和規格不同可以選擇感應爐、電爐或轉爐。
2 J0 d) v9 g+ c! C　 以返回廢鋼作為主原料時，感應爐和電爐均可作為初煉爐，而感應爐一般用于小規模生產。
: X- B1 G# Q5 e　 以普通廢鋼作為主原料時，選擇電爐作為初煉爐，熔化廢鋼和合金。
　 以高爐鐵水作為主原料時，選擇LD ,OTB ,AOD ,K-OBM-S等轉爐作為初煉爐，用于脫磷和初脫碳，以及熔化少量廢鋼和合金。若原料中廢鋼量和合金比例較大時，仍然要選擇電爐熔化合金和廢鋼，但此時電爐根據需要，還可以提供混勻不銹鋼母液成分和溫度的功能。若原料中合金大量來源于礦石時，如鉻礦、錳礦和鎳礦，可采用轉爐作為初煉爐還原礦石中合金元素。如日本川崎就采用了鉻礦石還原獲得金屬鉻。
　 一般認為，轉爐作為初煉爐是不經濟的。因為它需要高爐鐵水提供母液和熱量來源，必然延長工藝路線，一次性投資增加。只有在電力匱乏的情況下，或者采用電爐作為初煉爐時電力成本難以接受時，可以考慮選用轉爐作為初煉爐。
" U, l2 l  t/ u2.2 精煉爐
1 {6 u$ d5 l$ p2 }& ^　 精煉爐的功能主要是降碳保鉻，同時伴隨脫硫的過程。生產不銹鋼最為常用的精煉爐是轉爐，主要有AOD ,K-BOP ,K-OBM-S ,M RP ,CLU ,KCR-S等。
　 AOD，全稱Argon-Oxygen　 DecarburizationConverter，通常稱為氬氧爐。AOD是最為常用的精煉爐，不銹鋼精煉爐中約有70%為AOD，大量使用在二步法和三步法冶煉工藝中。傳統的AOD是在轉爐下部安裝側吹風嘴，噴吹氧氣和氬氣，進行脫碳和精煉。目前在AOD轉爐的基礎上增加頂槍，噴吹氧氣和混合氣體，稱之為AOD-L精煉爐，可以加快脫碳速度.縮短冶煉周期和提高生產能力。日本大同(Daido)制鋼公司在AOD轉爐的基礎上增加真空系統.定義為AOD-VCR精煉爐，可以用于生產低碳不銹鋼。還可以降低氬氣和硅鐵消耗，縮短冶煉周期。
　 K-BOP是川崎制鋼公司(Kawasaki Steel Corporation)在頂吹堿性氧氣轉爐BOF基礎上增加了底吹噴嘴，可以噴吹氧氣和冷卻介質甲烷.還可以噴吹石灰。
1 \( z. X5 ?& K& y5 P* I3 V' M# ]　 K-OBM-S是由奧鋼聯公司(VA1)在K- BO P基礎上進一步改進和發展的技術，它在頂吹堿性氧氣轉爐BOF基礎上增加了底吹噴嘴或側吹噴嘴。實際上K- BO P和K-OBM-S最初都是頂底復吹堿性氧氣轉爐，最近K-OBM-S又增加使用了側吹噴嘴，與AOD-L非常類似。K- BOP和K-OBM-S可以適用于現有的頂底復吹堿性氧氣轉爐，經局部改造后生產不銹鋼，當然僅有設備是不夠的，還要摸索一套冶煉工藝模型。
　 GOR是烏克蘭在頂底復吹堿性氧氣轉爐上開發的，底吹噴嘴采用天然氣或碳氫化合物進行保護，與K- BO P和K-OBM-S相當。
　 M RP是Metal Refining Process的縮寫，由曼內斯曼德馬克胡金根廠(Mannesmann Demag Hut-tentechnik)在底吹轉爐基礎上發展的，早期通過底吹噴嘴交替噴吹氧氣和惰性氣體。后期又增加了頂槍，頂部噴吹氧氣，底吹噴吹惰性氣體，形成MRP-L型精煉爐。
3 B1 ]0 U7 ~' S# ~1 k; z7 F0 |/ j　 CLU是由U ddeholm of Belgium and CreusotLoire of France聯合開發的，類似于AOD，但底吹稀釋氣體改成了水蒸汽，并且是從底部吹入。
　 KCB-S是Krupp combined blowingstainless的縮寫，由Krupp Stahl AG在AOD爐的基礎上增加了頂吹，與AOD- L非常相當。
2.3真空吹氧精煉爐
　 真空吹氧精煉爐(主要有VOD和RH-OB/ RH-KTB等)的功能是在真空狀態下進一步脫碳，完成最終成分的微調、純凈度的控制。該法最初用于生產超低碳、超低氮的不銹鋼，當Ar氣氣源不能保證或不夠充足時，也常在二步法后增設真空吹氧精煉爐，從而降低Ar氣消耗，達到同樣的精煉效果。
　 VOD和 RH-OB/ RH-KTB是在VD真空爐和RH真空爐的基礎上增加了一套氧槍。RH-OB在真空室側壁上安裝氧槍，而VOD和RH-KTB則在真空室頂部安裝了氧槍，目的都是向真空室內的鋼水噴吹氧氣。
% ^7 g* E% u0 t( |  \7 ~$ e2.4各種精煉設備的比較
: v  W# G4 A3 R9 a/ }* z! z　 各種精煉設備的比較如表1所示。
　
/ @: v) F: Q8 u* t. f0 k* D表1 各種精煉設備的比較
工藝設備        噴嘴安裝位置        底吹或側吹介質        頂吹介質        投資
) w7 j8 `& H& N2 V* S8 h/ i9 }6 JAOD        側部        O2、N2、Ar、Air、CO2        O2、N2、Ar        1
& E2 ]% b  y  p- `% a) tKCB-S        側部        O2、N2、Ar        O2、N2、Ar        1
K-BOP/K-OBM-S        底部或側部        O2、N2、Ar、碳氫化合物        O2、N2、Ar        1.3~1.5
& B8 H: d: K# k7 jMRP，ASM        底部        O2、N2、Ar        　        1
' W; C0 x; ?; F5 x3 ^8 _! \CLU        底部        O2、H2O(蒸汽)、N2、Ar        O2、N2、Ar        1
GOR        底部        O2、N2、Ar、碳氫化合物        O2、N2、Ar        1.3~1.5
& H' d, y8 S+ k1 l5 s* RAOD-VCR        側部        O2、N2、Ar        　        1.1~1.2
VOD/SSVOD        底部        O2、Ar        O2        1.1~1.2
　

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3 不銹鋼冶煉工藝路線
　 生產不銹鋼的冶煉生產工藝可分為一步法、二步法和三步法。
3.1一步法
3 u4 i; E1 q7 j9 U# a4 d) e2 j　 一步法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。隨著爐外精煉工藝的不斷發展，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，目前工業化生產中己難見其蹤，僅僅偶見于小規模的生產廠。許多廠電爐己演進為初煉爐，承擔熔化廢鋼和合金料的任務。
- c1 Z  W+ [& t3.2二步法
  n# h  \3 D4 P) A% P* H' `! H　 二步法主要是以電爐為初煉爐熔化廢鋼及合金料，生產不銹鋼初煉鋼水，然后在不同的精煉爐(如AOD ,CLU、K-OBM、KC B、MRP、GOR ,VOD等)中進行精煉成合格的不銹鋼鋼水。初煉爐可以是電爐或轉爐。二步法中精煉爐又可分為在常壓和真空狀態下的精煉，從而形成EAF一轉爐(AOD ,CLU ,K-OBM ,KCB ,M RP ,GOR)二步法工藝和EAF-真空吹氧(RH-OB ,RH- KTB,VOD)二步法工藝。
4 L6 M" X; M+ q7 X! e2 e3.3三步法
　 三步法的基本工藝流程是初煉爐一AOD爐-真空吹氧精煉爐。初煉爐只起熔化初煉作用，初煉爐可以是電爐或轉爐，負責向AOD等精煉爐提供初煉鋼水。AOD爐的功能主要是快速脫碳，并避免鉻的氧化，與AOD爐具有同樣功能的冶煉設備常用的還有K-OBM-S ,K-TBOP ,MRP ,CLU ,KCB-S等。最后由真空吹氧精煉爐(VOD ,RH-OB ,RH-KTB等)完成最終成分的微調、純凈度的控制。該法可用來生產超低碳、超低氮的不銹鋼。
3.4不同冶煉工藝路線的優缺點比較
% u& D: B% p7 p  M3 L　 不同冶煉工藝路線的比較如表2所示。
　
  K: t+ O; K4 w/ z: g表2 不同冶煉工藝路線的比較
　        工藝路線        鋼種
0 n! M& D, n# c' Z6 X4 y5 s適應性        入爐
6 g3 {( k5 Q8 Y1 W7 w9 ?# L6 |原料        生產率        Ar氣
! ~0 I1 c4 g8 `  m1 w  }消耗        耐火材
, |- X* L2 v* n% L0 d3 W3 [3 h( S料消耗        生產
成本        工程投資
一步法        　        差        苛刻        低        無        較高        高        最低
二步法        EAF-轉爐        一般        適應性強        高        高        低        低        低
, n& ~4 w, L/ F% F! C+ H' C        EAF-真空吹氧爐        一般        適應性強        低        低        較高        最高        較高
3 u' J. M3 I' M/ M  ]. j        轉爐-轉爐        一般        適應性強        高        高        低        低        高
三步法        　        強        適應性強        高        小        高        高        最高
3 q  V" o( W/ E: a' k　
! _2 s  |7 x* I$ u+ r$ m$ D　 目前世界上大多數不銹鋼廠采用電爐一AOD爐二步法生產不銹鋼，其產量約占世界不銹鋼總產量的70%，采用電爐一轉爐一VOD三步法生產不銹鋼，其產量約占世界不銹鋼總產量的20%，而采用其它方法生產不銹鋼，其產量約占世界不銹鋼總產量的10%。
4 不銹鋼冶煉生產工藝路線的選擇
* w  ]+ l) }, U- a/ ~3 {　 不銹鋼冶煉生產工藝的選擇取決于很多因素，首要因素是操作成本，它受到生產規模、產品大綱、原材料供應、后續工藝、現有車間狀況和動力供應狀況的影響。由于各種因素隨著市場迅速變化，生產工藝選擇應該具有一定的靈活性。
+ P2 M: Y# u4 ]0 H4 v7 d7 o! d　 一般情況下，三步法的生產成本要高于二步法，但由于上述各種因素的綜合影響，最后要根據生產規模產品方案及原料條件等實際情況，具體分析，合理選擇。
4.1 生產規模
　 不銹鋼的生產規模對冶煉生產工藝的選擇，具有制約作用。生產規模小，一般年產3萬t不銹鋼，不銹鋼返回廢鋼有可靠保證的，可以選用一步法冶煉生產工藝。
' L. v+ c/ a& k2 g# S, R　 不銹鋼的生產規模達到5萬t以上，不銹鋼的冶煉生產工藝不宜采用一步法，應該選用二步法或三步法組織生產。
4.2 產品大綱
　 產品大綱中對少生產(C+ N) > 250～300ppm的不銹鋼，可選用二步法組織生產。若生產規模大，產品范圍寬，考慮到生產節奏和能源供應等因素，宜配置三步法冶煉生產工藝路線的設備，其中分產品按照二步法或三步法組織生產。
0 P! }: D- [; ]6 Q4 |5 T# ~' Y　 最終產品中若要求(C+ N) ≤250～300ppm，如S44700,S44800等超低碳( 0. 01%)、超低氮( 0. 02%)鐵素體不銹鋼，必須選用三步法工藝流程，在真空吹氧精煉爐中完成最終成分的微調和脫氣處理。
  t" V7 D$ S! [2 e9 q# [2 T4.3原材料供應
( N' M( [+ j# O8 u3 y, h' i　 不銹鋼冶煉的原材料，主要是金屬料和合金。金屬料包括返回廢鋼、普通廢鋼和高爐鐵水。合金主要包括高、中、低碳鉻鐵，電解鎳鐵，金屬鎳或NiO,硅鐵，錳鐵。含鉻鐵水和鉻礦石具有金屬料和合金的雙重性質。不同的金屬料將會采用不同的冶煉生產工藝。
) A- N6 K+ c6 {, M　 金屬料采用返回廢鋼或普通廢鋼時，一般選用電弧爐作為初煉爐，熔化廢鋼和合金料產生不銹鋼母液，生產不銹鋼。典型的冶煉生產工藝是選用EAF- AOD二步法或選用EAF- AOD一VOD三步法組織生產。我國的太鋼不銹一煉鋼、寶鋼五鋼公司和大連特鋼等企業均采用該生產工藝。
　 金屬料采用高爐鐵水時，由于硅、硫、磷含量高，高爐鐵水必須首先進行三脫處理，獲得低硫、磷不銹鋼母液，再經過精煉爐精煉。精煉爐目前大多選用AOD轉爐或頂底復合吹煉轉爐，如果要冶煉低[ C]或低[N]不銹鋼，在后步工序還要配置RH-OB或VOD進行真空精煉。如果要冶煉Cr-Ni系或Cr-Nr-Mo系不銹鋼，還需要配置電弧爐熔化鉬鐵和鎳鐵。典型的冶煉生產工藝是:
　 EAF(熔化合金)——
% x( c$ V& ^" `: i+ A: o6 {　 高爐鐵水一 鐵水預處理－ 頂底復合吹煉轉爐一 真空精煉。
　 日本川崎鋼鐵公司的K-BOP法采用了高爐鐵水一鐵水預處理一頂底復合吹煉轉爐LD-OBM一真空精煉VOD。日本新日鐵公司室蘭制鐵所的RH-OB法.即采用高爐鐵水一鐵水預處理－頂底復合吹煉轉爐一RH- OB真空精煉。我國太鋼二鋼廠采用了:
　 EAF(熔化合金)——
　 高爐鐵水一 鐵水預處理－頂底復合吹煉轉爐一 K-OBM-S-VOD真空精煉。
6 V7 n3 e* h4 ^$ `4 a7 t3 u　 金屬料采用部分鉻礦石時，一般以高爐鐵水作為主原料，鉻礦石主要是通過在轉爐中進行還原，提供金屬鉻，降低不銹鋼生產成本。由于鉻礦石加入數量、加入時機以及還原工藝國內尚未完全掌握，世界上僅日本川崎鋼鐵公司千葉廠采用該冶煉生產工藝。
  y7 [$ e9 I' a. F  E. w3 ]+ |　 金屬料采用部分鉻鐵水+廢鋼時，冶煉生產工藝可采用礦熱爐一EAF–AOD二步法或選用礦熱爐一EAF-AOD-VOD三步法。它通過礦熱爐冶煉鉻礦石.生成含鉻鐵水。電爐作為初煉爐熔化廢鋼和合金料，熔化半鋼與含鉻鐵水混勻，制成不銹鋼母液。該工藝在國外鮮，但在我國的寶鋼一鋼公司己經成功采用，杭鋼亞通特鋼公司也采用了該工藝路線。該工藝可以適用于鐵合金廠的改造或在鐵合金廠附近建設的不銹鋼工廠內使用。
( @' X! H% p$ z: f4.4 現有車間狀況和動力供應狀況
3 G6 A. e! H2 U! \1 m- i' U　 新建不銹鋼廠，可以根據需要確定合理、經濟的工藝路線。但對于舊廠改擴建，必須結合現有車間狀況和動力供應狀況。
　 原車間沒有熔化電爐或感應爐，又沒有充足的電力供應，卻有高爐和轉爐設施，可選擇高爐鐵水一鐵水預處理－頂底復合吹煉轉爐一真空精煉組成的典型冶煉生產工藝。這將是我國部分轉爐工廠經過工藝和設備改造后生產不銹鋼的便利途徑。
1 ^) w; K) E* V8 X5 m5 `/ T0 a　 對于氬氣供應不足，精煉爐不宜采用AOD爐，而改為與AOD爐具有同樣功能的冶煉設備.如K-OBM-S ,K-BOP ,MRP ,CLU ,KCB- S等。或采用初煉爐一AOD一真空吹氧精煉爐(VOD ,RH-OB ,RH-KTB等)三步法組織生產，以降低氬氣消耗。
, D5 S0 X* @9 a" u; |; ?1 @5 結語
　 通過上述分析，根據不銹鋼冶煉的生產規模、產品大綱、原材料供應、現有車間狀況和動力供應狀況，對不銹鋼冶煉主要工藝設備和工藝路線的選擇，提出如下建議(見表3)，供建設不銹鋼生產的廠家作為參考。
. U: P- l# W5 }
表3 工藝設備和工藝路線選擇方案
工藝設備或路線        生產規模        產品大綱        主要原材料        現有車間狀況        動力供應狀況
        小        大        常規
# f' Z9 b$ E* \# D; e) G& V碳氮        超低
碳氮        高爐
鐵水        鉻礦        廢鋼        轉爐廠        電爐廠        新建        電力
匱乏        氬氣
匱乏
( N8 ]+ j8 ?, {% o預
處
理        鐵水脫硅        　        　        　        　        ∨        　        　        　        　        　        　        　
        鐵水脫磷        　        　        　        　        ∨        　        　        ∨        　        　        　        　
% G1 D' B% d% o, d, ^* \( M& I        鐵水脫硫        　        　        　        　        ∨        　        　        ∨        　        　        　        　
初
& p" A2 p3 s% Z  I# V7 W" z0 B! V煉
* \9 U7 f" ]/ i! p2 I. I0 e8 W$ s爐        礦熱爐        　        　        　        　        　        ∨        　        　        　        　        　        　
        感應爐        ∨        　        　        　        　        　        ∨        　        　        　        　        　
        電弧爐        ∨        ∨        ∨        ∨        ★        　        ∨        ★        ∨        ∨        ★        　
        轉爐        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        ∨        　        ∨        ∨        　
精煉爐        AOD        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ★
        K-BOP        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        　        　        ★
        K-OBM-S        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        ∨        　        ★
9 J* u# p; c' d- T        MRP        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        　        　        ★
        CLU        　        　        ★        　        ∨        ∨        ∨        　        　        　        　        ∨
        KCB-S        　        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        ∨        　        　        　        　        ★
' n! L! u* E  X2 z2 |' P: D真空爐        VOD        　        ∨        　        ∨        　        　        　        　        　        　        　        ∨
        RH-OB        　        ∨        　        ∨        　        　        　        　        　        　        　        ∨
        RH-KTB        　        ∨        　        ∨        　        　        　        　        　        　        　        ∨
# g4 T; J. E" O8 {4 G1 ]1 W工藝線        一步法        ∨        　        　        　        　        　        　        　        　        　        　        　
' T$ I$ l: `, C6 }        二步法        　        ∨        ∨        　        　        　        　        　        　        　        　        ★
) Y# H+ @) U. |        三步法        　        ∨        ★        ∨        　        　        　        　        　        　        　        ∨
注：（1）“∨”表示優先選擇的設備或工藝。（2）“★”表示次選的設備或工藝輔助設備。