不銹鋼高純度冶煉與夾雜物控制-太鋼20130621-劉瀏

不銹鋼高純度冶煉與夾雜物控制鋼鐵研究總院劉瀏2013年6月·太鋼不銹鋼產(chǎn)品與質(zhì)量控制不銹鋼生產(chǎn)工藝流程不銹鋼冶煉技術(shù)不銹鋼精煉技術(shù)鋼中夾雜物控制最新技術(shù)進(jìn)展主要內(nèi)容不銹鋼生產(chǎn)與消費(fèi)1995~2009年世界不銹鋼產(chǎn)量（1）隨著市場繁榮，世界不銹鋼消費(fèi)量逐年增長，至2006年國際不銹鋼粗鋼產(chǎn)量達(dá)到峰值2838萬噸，不銹鋼的年均消費(fèi)量增長6.7%。

（2）從世界范圍看（1993~2002年）不銹鋼的消費(fèi)量始終低于生產(chǎn)量，說明不銹鋼產(chǎn)能已經(jīng)過剩。（3）2001年世界人均不銹鋼消費(fèi)量9.2kg，2005年升高到14.05kg，平均每年增長率為8.8%，高于世界不銹鋼消費(fèi)量的增長量。說明世界不銹鋼產(chǎn)量仍然有較大的增長空間。（4）不銹鋼的生產(chǎn)與消費(fèi)一般隨世界鎳資源價格的波動而發(fā)生周期性變化。2006年以后由于金融危機(jī)的影響，不銹鋼產(chǎn)量下滑，但長遠(yuǎn)看不會影響世界不銹鋼增長的總趨勢。世界美國日本1993~2002年世界不銹鋼粗鋼產(chǎn)量、表觀消費(fèi)量世界主要國家和地區(qū)不銹鋼板卷分行業(yè)消費(fèi)情況世界歐洲不銹鋼主要消費(fèi)領(lǐng)域世界不銹鋼分行業(yè)消費(fèi)情況不銹鋼廣泛應(yīng)用于社會各個領(lǐng)域,由于各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r不同,主要包括：家電和食品機(jī)械等領(lǐng)域約占26~37%;電子設(shè)備和自動化約占17~34%;工業(yè)機(jī)械約占10~22%;建筑領(lǐng)域約占11~18%；管材主要用于交通、能源領(lǐng)域，約占8~15%。2008年日本不銹鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不銹鋼的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)日本不銹鋼的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：2008年日本熱軋不銹鋼鋼種比例結(jié)構(gòu)特點(diǎn)發(fā)達(dá)國家不銹鋼生產(chǎn)以板材為主，占65~75%;其次為管材和線材;

不銹鋼產(chǎn)品以300系和400系為主體,很少生產(chǎn)200系;400系不銹鋼生產(chǎn)比例不斷提高。2008年1-9月美國不銹鋼產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不銹鋼產(chǎn)品與工藝特點(diǎn)Cr含量對鋼材耐蝕性能的影響Cr對鋼在稀硝酸(32%)中的耐蝕性1.概述：不銹鋼具有不銹和耐蝕特性及其它優(yōu)良性能，在各工業(yè)部門和日常生活中得到廣泛而大量的應(yīng)用。自20世紀(jì)初，不銹鋼問世至今已近100年歷史。不銹鋼的發(fā)明是冶金史上的重大成就，為近代工業(yè)發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步奠定重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，逐步形成馬氏體不銹鋼（包括沉淀硬化不銹鋼）、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼四大類產(chǎn)品。2.不銹鋼的成份特點(diǎn)含鉻高：不銹鋼的不銹耐蝕性主要是由于鋼的表面形成富鉻氧化膜（鈍化膜），一般鉻含量≥12%以上使鋼具有不銹鋼性。合金比高：不銹鋼往往含有13~35%的Cr、4~9%的Ni以及Ti、Al、Mo、Nb等其它微合金元素。

不銹鋼品種不同，對鋼的潔凈度要求完全不同：如超純鐵素體不銹鋼要求嚴(yán)格控制鋼中C、N含量，但在雙相鋼中則要求盡可能精確控制鋼中具有較高的N含量。3.不銹鋼生產(chǎn)的冶煉特點(diǎn)由于不銹鋼含有大量Cr，因此冶煉中必須嚴(yán)格控制C-Cr反應(yīng)平衡，實(shí)現(xiàn)脫碳保鉻。由于不銹鋼合金比高，要求冶煉工藝設(shè)備必須具備較強(qiáng)的合金熔化能力，保證具有足夠的熱源熔化合金和實(shí)現(xiàn)高溫冶煉。由于不銹鋼種類繁多，質(zhì)量控制嚴(yán)格，因此要求不銹鋼冶煉工藝必須具有廣泛的品種適應(yīng)能力，適應(yīng)多品種生產(chǎn)。奧氏體不銹鋼潔凈度要求[C]對304L不銹鋼耐蝕性的影響（65%HNO3）奧氏體不銹鋼是不銹鋼中最重要的鋼類，其產(chǎn)量和使用量超過不銹鋼總量的50%。和其它不銹鋼相比奧氏體不銹鋼具有以下優(yōu)點(diǎn)：在多種腐蝕介質(zhì)中具有優(yōu)秀的耐蝕性；綜合力學(xué)性能良好；工藝性能和可焊性能優(yōu)良；具有非鐵磁性和良好的低溫性能。奧氏體不銹鋼的缺點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度偏低，不適用于承載較重負(fù)荷及對硬度和耐磨性有要求的設(shè)備部件。碳的危害：碳是強(qiáng)烈形成并穩(wěn)定和擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，利于提高不銹鋼強(qiáng)度。但碳常被視為有害元素，如碳與鉻形成Cr23C6碳化物，使耐晶間腐蝕性能下降。一般要求[C]≤0.03%或0.02%。硫的危害：降低不銹鋼熱塑性，影響熱加工性能和耐蝕性。形成MnS夾雜易溶于酸性氯化物溶液，導(dǎo)致耐點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕性能顯著下降。磷的危害：顯著降低鉻、鎳奧氏體不銹鋼耐各種濃度硝酸腐蝕的性能，提高固溶態(tài)晶間腐蝕的敏感性。鉻、鎳含量對鋼在5%H2SO4中的耐蝕性影響Mn/S比對不銹鋼耐點(diǎn)蝕性的影響不同[P]的00Cr18Ni14Mo2鋼在尿素生產(chǎn)實(shí)際介質(zhì)中掛片7000h的實(shí)驗(yàn)結(jié)果1-敏化處理，2-1050℃固溶處理，3-1300℃固溶處理50g/lFeCl3·6H2O,35℃鐵素體不銹鋼潔凈度要求鐵素體不銹鋼系指Cr含量在11~30%，具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，在使用狀態(tài)下以鐵素體組織為主的不銹鋼。鐵素體不銹鋼具有不銹性和耐一般腐蝕性能外，還具有耐氯化物應(yīng)力腐蝕、耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕等優(yōu)良性能。是一種節(jié)鎳型不銹鋼，具有強(qiáng)度高、冷加工硬化傾向低、導(dǎo)熱系數(shù)高、線膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)。過去由于鐵素體不銹鋼低溫韌性差，對晶間腐蝕較敏感，使其應(yīng)用范圍較窄。通過嚴(yán)格控制鋼中C、N等間隙元素含量，解決了上述問題。隨C、N量的增加鐵素體不銹鋼沖擊韌性下降，特別是Cr≥15~18%更為明顯，控制C+N≤200ppm可保證鋼材的沖擊韌性；隨C、N量的增加鐵素體不銹鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，缺口敏感性惡化；隨C、N量的增加鐵素體不銹鋼腐蝕速率升高，降低C+N量可解決；

C+N量超過0.008%，在5%NaCl中銹點(diǎn)顯著增加。C、N量對鐵素體不銹鋼脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響C、N與Cr對鐵素體不銹鋼沖擊韌性的影響沖擊韌性好沖擊韌性差在65%沸騰的HNO3中C+N量對鐵素體不銹鋼耐蝕性的影響在5%NaCl中(35℃)C+N量對鐵素體不銹鋼銹蝕性的影響雙相不銹鋼潔凈度要求Cr對含Ni5.5%和7%的兩種雙相不銹鋼耐點(diǎn)蝕性能的影響50℃,10%FeCl3·6H2O,24h在80℃,3.5%NaCl中氮對雙相不銹鋼點(diǎn)蝕電位的影響氮對雙相不銹鋼點(diǎn)蝕速率的影響氮對雙相不銹鋼臨界縫隙腐蝕溫度的影響6%FeCl3溶液奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼具有+雙相組織結(jié)構(gòu)，兼有奧氏體和鐵素體不銹鋼的特點(diǎn)：與鐵素體不銹鋼相比雙相不銹鋼韌性高、脆性轉(zhuǎn)變溫度低，耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高；但同時又保留了鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)高、線膨脹系數(shù)小，具有超塑性等優(yōu)點(diǎn)。和奧氏體不銹鋼相比強(qiáng)度提高，耐應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等性能明顯改善。雙相不銹鋼分為：鉻鎳系雙相不銹鋼，包括Cr-Ni18-5、22-5、25-5三類。鉻錳氮系雙相不銹鋼，包括Cr-Mn-N18-8-5和18-14(Cr-Mn)兩類。70年代后鉻鎳雙相不銹鋼發(fā)展以提高鋼中Cr+3.3Mo和N含量為主要特征：（1）雙相不銹鋼隨Cr含量升高腐蝕速度降低，含Ni7%優(yōu)于5.5%；（2）提高[N]具有以下優(yōu)點(diǎn)：

N形成并穩(wěn)定擴(kuò)大奧氏體相區(qū)；提高[N]可明顯提高雙相不銹鋼的點(diǎn)蝕電位；提高[N]大幅度降低雙相不銹鋼的孔蝕速度；提高[N]明顯提高臨界縫隙腐蝕溫度。不銹鋼生產(chǎn)工藝流程全廢鋼電爐不銹鋼生產(chǎn)流程全鐵水轉(zhuǎn)爐不銹鋼生產(chǎn)流程鐵水-廢鋼不銹鋼混合生產(chǎn)流程不銹鋼冶煉流程分類不銹鋼冶煉工藝流程可根據(jù)冶煉原料的差別分為：廢鋼電爐流程、鐵水轉(zhuǎn)爐流程和廢鋼-鐵水混合流程。廢鋼電爐流程全鐵水轉(zhuǎn)爐流程鐵水+廢鋼流程選擇流程的原則：（1）對原材料適應(yīng)性強(qiáng)（2）對不銹鋼產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)（3）生產(chǎn)成本低（4）生產(chǎn)效率高（5）具備合理的規(guī)模全廢鋼不銹鋼生產(chǎn)流程傳統(tǒng)流程，工藝成熟；采用不銹鋼返回料作原料，降低生產(chǎn)成本；生產(chǎn)規(guī)模小，一般為40~60萬噸/年；鐵素體、奧氏體不銹鋼采用“二步法”生產(chǎn)工藝，超純鐵素體不銹鋼采用“三步法”生產(chǎn)工藝。技術(shù)特點(diǎn)全鐵水轉(zhuǎn)爐不銹鋼冶煉流程采用電爐熔化合金的全鐵水不銹鋼冶煉工藝流程全鐵水不銹鋼冶煉工藝流程的主要特點(diǎn)是以鐵水為主要原料，配加合金直接生產(chǎn)各種牌號不銹鋼的冶煉工藝。通常分為以下兩種類型：（1）采用電爐熔化合金的全鐵水不銹鋼冶煉工藝；（2）采用轉(zhuǎn)爐熔化合金的全鐵水不銹鋼冶煉工藝。全鐵水不銹鋼冶煉工藝的主要缺點(diǎn)是：冶煉過程熱量不足，不能大量使用不銹鋼返回料冶煉不銹鋼（返回料的使用比例≤10%）。鐵水+廢鋼不銹鋼生產(chǎn)流程鐵水+廢鋼不銹鋼生產(chǎn)流程其主要優(yōu)點(diǎn)是對不銹鋼原料供應(yīng)具有較大的靈活性，可根據(jù)市場鎳價和不銹鋼返回料價格的波動及供應(yīng)情況靈活的調(diào)整鐵水和不銹鋼返回料的比例。其主要特點(diǎn)是同時配備轉(zhuǎn)爐和電爐進(jìn)行不銹鋼冶煉，采用轉(zhuǎn)爐進(jìn)行鐵水脫磷處理，采用電爐熔化合金和返回料。其缺點(diǎn)是工藝流程長，投資大，生產(chǎn)成本較高。目前我國寶鋼不銹鋼分廠、太鋼不銹鋼新區(qū)均采用該工藝流程，其特點(diǎn)是利用轉(zhuǎn)爐進(jìn)行鐵水“三脫”，脫磷后半鋼碳含量高，兌入電爐內(nèi)熔化合金，鉻收得率較高。不銹鋼不同冶煉工藝路線的比較EAF-AODEAF-VODBOF-VOD較強(qiáng)較強(qiáng)較強(qiáng)EAF-AOD-VOD低全鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼的應(yīng)用概況世界鐵水冶煉不銹鋼主要廠家一覽表世界不同生產(chǎn)工藝不銹鋼產(chǎn)量比較不同廠家的實(shí)際生產(chǎn)水平不銹鋼冶煉技術(shù)不銹鋼冶煉工藝方法采用側(cè)吹氧的工藝方法采用底吹氧的工藝方法采用底吹攪拌的工藝方法不銹鋼冶煉工藝的評價與選擇不銹鋼脫碳精煉熱力學(xué)脫碳熱力學(xué)：高鉻鐵水的脫碳可用下式表示：脫碳動力學(xué)：脫碳速度與溫度的關(guān)系為：在高碳區(qū)碳的直接氧化和間接氧化同時發(fā)生，供氧強(qiáng)度是反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。在低碳區(qū)，脫碳反應(yīng)為間接氧化，碳的擴(kuò)散是反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。脫碳的動力學(xué)公式為：S：反應(yīng)面積；V：鋼水體積；D：鋼液中碳的擴(kuò)散系數(shù)熱力學(xué)研究結(jié)論：鋼液中碳鉻平衡決定于鋼中鉻含量，在一定溫度下隨鉻含量升高平衡碳含量增大;

提高反應(yīng)溫度使碳鉻平衡常數(shù)減小有利于抑制鉻的氧化;

降低CO分壓使反應(yīng)平衡常數(shù)減小,有利于保鉻脫碳反應(yīng)進(jìn)行;

提高熔池傳質(zhì)速度可提高脫碳反應(yīng)速度,促進(jìn)脫碳反應(yīng)平衡。不銹鋼脫碳精煉指數(shù)（DOS）在碳的傳質(zhì)為反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)時：假設(shè)鉻氧化量取決于氧流量（QQ2），則鉻氧化物的形成速率（DWCr2O3）為：則不銹鋼精煉指數(shù)DOS（不銹鋼冶煉中碳、鉻間氧的分配）定義為：研究結(jié)論不銹鋼冶煉過程中鉻的損失(Cr/C)隨DOS精煉指數(shù)的降低而減小;

降低供氧強(qiáng)度有利于減小DOS指數(shù);

加強(qiáng)熔池?cái)嚢?提高熔池傳質(zhì)速度可促進(jìn)碳氧反應(yīng)平衡,有利于減小DOS指數(shù);

在不銹鋼冶煉過程中,控制熔池升溫速度和脫碳速度可減少鉻的氧化。不銹鋼冶煉工藝方法目前，國際上已經(jīng)開發(fā)成功十幾種不銹鋼冶煉技術(shù)。不銹鋼冶煉技術(shù)分為：以側(cè)吹為主的VOD或VOD-L冶煉工藝；以轉(zhuǎn)爐為基礎(chǔ)的K-BOP、MRP等工藝；以頂?shù)讉?cè)吹為特點(diǎn)的KCB-S和GOR工藝。冶煉工藝選擇的原則：（1）脫碳速度快，生產(chǎn)效率高（2）C-Cr平衡值低，終點(diǎn)[C]低（3）噴嘴壽命長，爐齡高（4）生產(chǎn)成本低（5）合金熔化能力強(qiáng)，熱效率高AOD1967年，美國喬斯林鋼公司建設(shè)了世界上第一臺AOD爐冶煉不銹鋼獲得成功。至1992年，全世界已有70多家鋼廠、54家鑄造廠購買了AOD設(shè)備。西方國家從1983~1991年用AOD生產(chǎn)的不銹鋼占世界總產(chǎn)量的75.6%，成為世界上不銹鋼生產(chǎn)的主導(dǎo)工藝。AOD法和VOD法精煉特性比較AOD氣體配比AOD與電爐精煉工藝比較采用頂吹氧AOD精煉工藝(AOD-L)日本大同鋼廠采用頂吹氧工藝后，提高了熔池脫碳速度，縮短了冶煉周期，提高了耐火材料壽命，降低了生產(chǎn)成本。并能保證不銹鋼的產(chǎn)品質(zhì)量。氧氣頂吹A(chǔ)OD與傳統(tǒng)AOD工藝脫碳效果的比較KCB-S工藝特點(diǎn)：吹煉初始階段，同時頂吹和側(cè)吹純氧快速脫碳升溫；到達(dá)一定溫度后，在吹煉期間，分批加入各種合金料、石灰或廢鋼(作冷卻劑)；熔池碳含量降到0.70%以下，按4:1，2:1，1:1，1:2和1:4比例逐步增加頂吹和側(cè)吹氣中惰性氣體比例；熔池碳含量低于0.15%后，停掉頂槍，采用側(cè)吹氧脫碳；目標(biāo)碳含量達(dá)到后，僅采用惰性氣體側(cè)吹攪拌還原；K-OBM-S/K-BOPO2O2、N2、Ar、C3H8條件/消耗單位典型值目標(biāo)碳%0.033目標(biāo)氮ppm300初始碳%1.77初始硅%0.13氧氣Nm3/ton29.5氮?dú)釴m3/ton13.2氬氣Nm3/ton16.5硅鐵kg/ton11.1石灰kg/ton51白云石kg/ton20螢石kg/ton7.9AISI304不銹鋼典型消耗和操作條件工藝特點(diǎn)：工藝原理與AOD-L轉(zhuǎn)爐基本類似下部風(fēng)嘴設(shè)在轉(zhuǎn)爐底部，可從底部噴吹石灰粉，改善脫硫；底吹氣體中采用天然氣或丙烷作為保護(hù)氣，以提高耐材壽命，爐齡可達(dá)600爐；GOR-GasOxygenRefiningCLU條件/消耗單位AISI304AISI409目標(biāo)碳%0.030.01目標(biāo)氮ppm350100初始碳%1.650.96初始硅%0.200.13氧氣Nm3/ton27.722.4氮?dú)釴m3/ton13.51.7蒸汽Nm3/ton10.46.0氬氣Nm3/ton7.017.1氫ppm5.93.8硅鐵kg./ton15.515.9工藝特點(diǎn)：采用蒸汽代替氬氣作為稀釋氣體實(shí)現(xiàn)脫碳保鉻，氬氣消耗低；吹入熔池的蒸汽分解為氫氣和氧氣，氧氣用于氧化熔池碳，氫氣降低生產(chǎn)CO的分壓；蒸汽分解產(chǎn)生的氫氣溶解于鋼水中，鋼中氫含量較高；氫氣比重小，擴(kuò)散快，上浮速度快，碳低于0.18%時，降低CO分壓作用沒得到充分發(fā)揮，鉻氧化量比AOD法多，導(dǎo)致還原硅鐵消耗高達(dá)16kg/t；熱效率低：水蒸汽與熔池反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；瑞典阿韋斯塔鋼公司德格弗爾斯鋼廠于1980年投產(chǎn)一座70噸CLU，現(xiàn)以EAF作為廢鋼熔化設(shè)備。MRP-L轉(zhuǎn)爐O2N2、Ar工藝特點(diǎn)：頂吹純氧，底吹純惰性氣體；采用可更換爐底，爐齡高達(dá)1200爐；爐容比與AOD爐接近，為0.6Nm3/t；一般與真空精煉脫碳爐組合成三步法工藝，出鋼碳含量為0.20~0.30%，鉻回收率達(dá)97~99%；CSCBCSCB以鐵水、高碳鉻鐵和鎳鐵為原料，焦炭作補(bǔ)充熱源，通過頂吹純氧和底吹大流量吹惰性氣體，在一座轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成不銹鋼熔煉和主脫碳任務(wù)；但因出鋼碳不能低于0.20%，必須與VOD搭配才能生產(chǎn)不銹鋼；可用于交替生產(chǎn)碳鋼和不銹鋼；核心技術(shù)：焦炭熱補(bǔ)償技術(shù)：計(jì)算合理的焦炭加入量，保證加入的焦炭溶解于鋼水中成為鋼水穩(wěn)定升溫的熱源；脫碳保鉻技術(shù)：低碳范圍時優(yōu)化頂吹純供氧制度和底吹純惰性氣體攪拌工藝，最大限度減少鉻的氧化；高效脫硫技術(shù)：焦炭帶入的硫?yàn)槿霠t硫含量的50%以上，為保證脫硫率大于80%，還原期爐渣堿度應(yīng)大于1.5。廢比鋼，%AISI304AISI316AISI410AISI420AISI430011.6%14.5%6.0%8.0%5.0%1721.5%23.5%15.0%17.0%14.0%轉(zhuǎn)爐熔煉不銹鋼熱量不足率，%不銹鋼冶煉工藝比較工藝風(fēng)口位置底吹氣體頂吹氣體KCB-S側(cè)面O2、N2、ArO2、供氧強(qiáng)度高K-BOP/K-OBM-S底部或側(cè)面O2、N2、Ar、hydrocarbonsO2、供氧強(qiáng)度高M(jìn)RP,ASM底部N2、ArO2、供氧強(qiáng)度高CSCB底部N2、ArO2、供氧強(qiáng)度高CLU底部O2、Steam、N2、ArO2、供氧強(qiáng)度高VOD(vacuum)底部ArO2、供氧強(qiáng)度小脫碳速度與熔池供氧強(qiáng)度成正比，在低碳區(qū)受鋼中鉻氧化的限制。通常：側(cè)吹轉(zhuǎn)爐最小純底吹轉(zhuǎn)爐其次；大流量頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐脫碳速度最大。側(cè)吹與底吹的區(qū)別：側(cè)吹向熔池傳遞的攪拌能最大，熔池混勻效果最好；底吹能減少轉(zhuǎn)爐桶型部分的耐材磨損，提高其壽命；不同工藝脫碳速度比較：吹氧噴嘴的冷卻與保護(hù)不同保護(hù)氣體的冷卻效果常用冷卻性保護(hù)氣體不銹鋼冶煉工藝的評價與選擇工藝名稱AOD(1969)CLU(1973)CSCB(1977)K-OBM-S(1978)MRP(1983)工藝特點(diǎn)供氧強(qiáng)度脫碳能力熔化合金能力冶煉周期爐齡鉻收得率硅鐵消耗≤2.0m3/t.min≤0.015%低50~80min150~200爐95%10~12kg≤3.0m3/t.min0.03%低80min/98%16kg≤1.0~4.0m3/t.min0.2~0.3%高80min1000/300爐95%/≤2.5m3/t.min0.2~0.3%高50~60min600爐95%11kg≤2.0m3/t.min0.2~0.25%低70~80min600/300爐98%20kg不銹鋼冶煉工藝的選擇必須從不銹鋼原料供給情況出發(fā)，正確選擇不銹鋼生產(chǎn)工藝流程，并根據(jù)流程的要求正確選擇不銹鋼冶煉工藝。不同不銹鋼冶煉工藝的評價體系包括：①生產(chǎn)效率（供氧強(qiáng)度、冶煉周期、爐齡），②合金熔化能力，③生產(chǎn)成本（鉻收得率、硅鐵消耗和爐齡）。不銹鋼精煉技術(shù)真空脫碳

VODSS-VODRH-KTB

不同精煉工藝的鋼水潔凈度真空脫碳真空脫碳是通過降低鋼液面上方真空室壓力，促進(jìn)CO氣泡溢出，從而加快熔池脫碳?，F(xiàn)常采用的不銹鋼真空減壓脫碳法有VOD法、SS-VOD法和RH-KTB法。真空脫碳法的特點(diǎn)：通過控制真空度，能在完全抑制[Cr]氧化的情況下進(jìn)行脫碳，渣中(Cr2O3)少，硅鐵消耗低；在真空下，有利于脫碳、脫氮和脫氫，能生產(chǎn)超低碳、氮的不銹鋼；為防止減壓下鋼水噴濺造成設(shè)備事故，供氧強(qiáng)度受到限制，要求處理鋼水碳含量不大于0.60%。K-BOP工藝出鋼碳對鉻氧化損失的影響VODVacuumOxygenDecarburization真空氧脫碳是1967年ThyssenKrupp開發(fā)的不銹鋼精煉技術(shù)。操作特點(diǎn)：脫碳初期：為防止噴濺增大，采用高槍位、低真空度和小底攪工藝；脫碳中期：隨脫碳反應(yīng)進(jìn)行逐步提高真空度；脫碳后期：C擴(kuò)散為限制環(huán)節(jié)，降低吹氧速度，增大底攪強(qiáng)度；臨近終點(diǎn)停止送氧，吹氬攪拌利用真空氧脫碳；還原精煉：加還原劑和CaO、CaF2熔劑將脫碳精煉期氧化到1%Cr還原并脫除鋼中硫；SS-VODSS-VOD（強(qiáng)攪VOD)是由川崎鋼鐵公司在傳統(tǒng)VOD工藝基礎(chǔ)上在底部增設(shè)多個多孔塞，對熔池進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌，加速高鉻鋼水的脫碳、脫氮和脫氫，能生產(chǎn)極低碳氮不銹鋼。第一階段脫碳[C]：由0.80%降到0.015%脫氮（90min）吹氬量1000~1200NL/min吹氧量1000~1400NL/min[N]：250ppm降到35ppm溫度1630~1720oC爐渣成分(Cr2O3)18%，(SiO2)30%，(MgO)30%第二階段脫碳（90min）吹氬量1200NL/min真空度0.5torr[C]：150ppm降到<20ppm溫度1600~1720oC最終精煉添加合金、調(diào)整溫度Cr、Si、Al等鋼包成分：C15ppm，N50ppm，Si0.25%，Cr26%，Mo1.30%RH-KTBRH-KTB是川崎鋼鐵公司在傳統(tǒng)RH基礎(chǔ)上通過增設(shè)頂吹氧槍開發(fā)出的不銹鋼深脫碳技術(shù)。K-BOP+RHK-BOP+RH-KTB出鋼碳0.01%0.12%FeSiBase減少8.1kg/tonCaOBase減少33.7kg/ton氬氣Base減少8.9Nm3/ton吹煉時間Base縮短13.5min生產(chǎn)率100123提高不銹鋼潔凈度鋁脫O2不銹鋼中夾雜物的組成

MgO·Al2O3尖晶石夾雜4/3(Al2O3)+Mg=(MgO·Al2O3)+2/3Al改進(jìn)夾雜物組成的對策采用低堿度渣控制鋼中Als含量不銹鋼精煉效果的比較各種不銹鋼精煉工藝的產(chǎn)量比例變化不同冶煉工藝生產(chǎn)不銹鋼的消耗指標(biāo)不同冶煉工藝下不銹鋼中碳氧含量不同工藝冶煉的AISI304鋼的氣體含量[T.O]/10-6[C]/%≤60≤60≤15≤100.010.0050.0030.003AODVODRH-KTB達(dá)到水平精煉條件達(dá)到水平精煉條件達(dá)到水平精煉條件C<100ppm用氬強(qiáng)烈攪拌<10ppm鐵素體不銹鋼精煉時間160min(強(qiáng)攪）<20ppm鐵素體不銹鋼精煉時間30min,大流量攪拌N<100ppm確保脫碳量[C]>1%<30ppm確保脫碳量[C]>1%<25ppm減少吸嘴漏氣S<10ppm用鋁還原，采用循環(huán)渣法<10ppm采用特素氧槍用鋁燃燒補(bǔ)償溫度<5ppm采用真空噴粉脫硫O<30ppm鋁脫氧<30ppm鋁脫氧<30ppm鋁脫氧,吹氬時間>10minP<100ppm用Li2CO3系熔劑脫磷<100ppm用CaC2脫磷<100ppm鐵水”三脫”精煉工藝對不銹鋼潔凈度的影響鋼中夾雜物控制夾雜物對不銹鋼表面質(zhì)量影響“氣孔+Al2O3”造成的表面缺陷Al2O3夾雜造成的表面缺陷形成機(jī)理夾雜物往往會造成鋼板的表面缺陷，對于超低碳薄鋼板的表面質(zhì)量尤為嚴(yán)重。表面夾雜的特征：寬度小于3mm，長的可達(dá)數(shù)m；分為“黑線”和“亮線”兩種；嚴(yán)重時可造成鋼板表面開裂。形成機(jī)理：（1）連鑄彎液面發(fā)達(dá)，形成鉤狀物，造成大型夾雜物在彎液面下10mm內(nèi)富集。（2）夾雜物含有保護(hù)渣成份，且與微氣泡并存（3）夾雜物尺寸多數(shù)為50~100m。不銹鋼中夾雜物控制NK-PERM處理后夾雜物分布的變化情況ko和攪拌能量的關(guān)系0.50不銹鋼通常采用鋁脫氧工藝，生成的脫氧夾雜物大多為細(xì)小的MgO·Al2O3夾雜，精煉過程中鋼水氧含量的變化可以表示為：RH處理鋼水中夾雜物的形貌和成份渣中FeO+MnO含量和脫氧速度常數(shù)k間的關(guān)系夾雜物的控制措施：（1）優(yōu)化RH處理模式，降低脫氧前鋼水氧含量；（2）降低渣中FeO+MnO含量；（3）提高熔池?cái)嚢枘?，促進(jìn)Al2O3夾雜聚合上?。?）強(qiáng)化鋼水脫氫，利用析出的微小氫氣泡攜帶細(xì)小夾雜物上?。∟K-PERM法）。鋼中大型夾雜物的來源—神戶制鋼調(diào)研LF處理后夾雜物中CaO和SrO的濃度關(guān)系試驗(yàn)條件鋼中鈣系夾雜物的來源LF處理前后夾雜物組成變化

大型夾雜物特別是含CaO的復(fù)合夾雜（CaO-Al2O3、CaO-Al2O3-MgO等）對鋼材疲勞性能影響極大，因此需要調(diào)查大型夾雜物的起源。大型夾雜物的起源：初級脫氧產(chǎn)物碰撞聚合結(jié)晶器卷渣

LF精煉過程中形成試驗(yàn)結(jié)果：（1）LF處理前軸承鋼中的夾雜物主要是細(xì)小的脫氧產(chǎn)物Al2O3夾雜，含有微量的CaO和MgO；精煉后Al2O3夾雜向MgO-Al2O3系和CaO-Al2O3-MgO系復(fù)合夾雜轉(zhuǎn)變。（2）隨著LF處理后夾雜物中CaO含量增加示蹤劑SrO含量升高，說明含CaO的大型復(fù)合夾雜主要來源于LF精煉過程中。（3）LF處理后鋼中細(xì)小的夾雜以Al2O3為主，含微量SrO；大型復(fù)合夾雜隨CaO的增加SrO含量升高。（4）調(diào)查結(jié)論：鋼中大型CaO系復(fù)合夾雜70%來源于LF精煉渣，30%來源于其它方面。試驗(yàn)條件：采用250t鐵水“三脫”預(yù)處理爐-脫碳轉(zhuǎn)爐-LF-RH工藝流程。LF冶煉前加入SrCO3示蹤劑，控制加入量為渣中SrCO38%，精煉條件如表。鋼中大型夾雜物的生成機(jī)理（1）LF精煉中由于底吹氣體攪拌作用將含有CaO-Al2O3-SiO2-MgO的爐渣液滴卷入鋼水內(nèi)。（2）在渣鋼界面鋁還原渣中CaO和MgO生成MgO·Al2O3鎂鋁尖晶石和CaO夾雜，部分純Ca熔入鋼水。（3）鋼液中鋁脫氧反應(yīng)生成的細(xì)小Al2O3夾雜與鋼中純Ca反應(yīng)生成Ca-Al系夾雜。（4）Ca-Al系夾雜在鋼液中與Al2O3夾雜和MgO·Al2O3夾雜碰撞聚合并還原夾雜物中的MgO，生成大顆粒nCaO·mAl2O3大型復(fù)合夾雜。（5）卷入鋼液中的渣滴界面發(fā)生脫硫反應(yīng)：生成CaS和Al2O3夾雜鋼液中含CaO系大型復(fù)合夾雜的生成機(jī)理如下圖所示。界面處的鎂鋁尖晶石夾雜鎂鋁尖晶石的理論成份為Al2O371.7%，MgO28.3%；實(shí)際分析結(jié)果Al2O370.5%，MgO28.1%，說明渣鋼界面反應(yīng)趨于平衡。LF精煉中脫硫與脫氧反應(yīng)LF精煉中T.O、夾雜物密度(個/mm2)和渣中FeO+MnO+Cr2O3含量變化LF精煉過程中同時發(fā)生脫硫和脫氧反應(yīng)：LF精煉渣成份LF精煉中(S)/[S]的變化LF精煉中S和Al的變化關(guān)系當(dāng)LF精煉15min時，鋼中T.O、夾雜物和渣中氧含量均達(dá)到最低點(diǎn)，脫硫反應(yīng)開始進(jìn)行。隨著脫硫反應(yīng)的持續(xù)，渣鋼間硫的分配比逐步提高。在LF15min至結(jié)束的時間內(nèi)，鋼渣中的氧含量略有升高并基本保持不變。分析LF精煉過程中鋼中硫和鋁的變化發(fā)現(xiàn)基本符合反應(yīng)(4)式的物質(zhì)平衡關(guān)系：即脫硫0.002%增加0.001%的鋼水氧含量，生成0.0021%的Al2O3。結(jié)論:

（1）LF精煉過程中同時發(fā)生脫氧和脫硫反應(yīng)。（2）脫氧結(jié)束后脫硫反應(yīng)開始，隨反應(yīng)進(jìn)行渣鋼間硫分配比升高。（3）精煉脫硫過程中鋁含量降低，Al/S接近0.56的理論值。（4）隨精煉脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，鋼中氧含量上升，Al2O3含量增加，與爐渣反應(yīng)形成nCaO·mAl2O3系大型復(fù)合夾雜。

上述研究結(jié)果證明：LF精煉脫硫是造成鋼中CaO系大型復(fù)合夾雜的主要原因。為什么國內(nèi)夾雜物控制效果不佳?LF精煉后鈣處理后國內(nèi)控制鋼中夾雜物采用的工藝與國外基本相同，但為什么夾雜物控制始終不能滿足高品質(zhì)鋼的質(zhì)量要求？其原因是：轉(zhuǎn)爐冶煉嚴(yán)重過氧化，造成鋼水氧含量大幅升高；大量加入脫氧劑，形成大量夾雜物；大量夾雜物難以全部去除，致使鈣處理前的氧含量過高，難以保證鈣處理的效果，無法實(shí)現(xiàn)夾雜物變性處理。解決措施：關(guān)鍵是改變目前夾雜物單純依靠后處理的控制策略，采用全流程控氧工藝實(shí)現(xiàn)超低氧冶煉，具體措施如下：（1）采用鐵水“三脫”預(yù)處理工藝，實(shí)現(xiàn)高碳脫磷。（2）采用轉(zhuǎn)爐高碳出鋼工藝，降低轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水氧含量(aO≤35010-6)。（3）采用擋渣出鋼、爐渣改質(zhì)和沸騰出鋼工藝，控制下渣量≤3kg/t，渣中FeO+MnO≤5%。（4）開發(fā)RH平衡脫碳工藝，控制加鋁前aO≤20010-6。（5）嚴(yán)格控制脫氧劑加入量和鋼水成份，實(shí)現(xiàn)對夾雜物成份和形態(tài)的有效控制。鋼水過氧化控制目標(biāo)：低氧鋼冶煉控制終點(diǎn)[C]≥0.08%，aO≤35010-6;

中碳鋼控制終點(diǎn)[C]≥0.2%，aO≤20010-6;

高碳鋼控制終點(diǎn)[C]≥0.6%，aO≤10010-6;核心技術(shù)：高碳脫磷，避免鋼渣過氧化；高碳出鋼，嚴(yán)格控制終點(diǎn)鋼水氧活度；優(yōu)化復(fù)吹工藝，促進(jìn)渣鋼反應(yīng)平衡；優(yōu)化終點(diǎn)吹煉工藝，減小供氧量，采用氧氬混吹工藝，避免低碳鋼水過氧化；

精確控制終點(diǎn)碳、溫，提高命中率。CP=4.2103·（Q/W）（L/L0）-0.4-0.33ICO=CP[%C]=4.2103·（Q/W）（L/L0）-0.4-0.33[%C]-1吹煉工藝對氧含量的影響吹煉工藝對臨界碳含量的影響吹煉工藝對爐渣氧化性影響ICO=CP[%C]=4.2103·（Q/W）（L/L0）-0.4-0.33[%C]-1真空碳氧反應(yīng)遠(yuǎn)離平衡國內(nèi)鋼廠RH碳氧平衡控制水平RH精煉工藝優(yōu)化Q和k對脫碳速度的影響目前國內(nèi)多數(shù)鋼廠已配備RH精煉設(shè)備，仍存在以下工藝問題：（1）碳氧反應(yīng)遠(yuǎn)離平衡，造成脫碳后鋼水氧含量高。（2）RH吹氧工藝往往造成鋼水過氧化。（3）尚未開展提高界面反應(yīng)速度的工藝研究。（4）RH去除夾雜物能力較低。提高界面反應(yīng)速度的工藝方法：提高循環(huán)流量和傳質(zhì)速率，加快脫碳速度；優(yōu)化吹氬和噴粉工藝，提高界面反應(yīng)速度；改變RH內(nèi)的流場，擴(kuò)大界面反應(yīng)面積；嚴(yán)格控制RH處理前碳氧含量；提高真空碳脫氧反應(yīng)平衡能力，降低加鋁前氧活度。碳對k的影響攪拌能對ko的影響0.50氧化物夾雜難以全部去除軟吹時間對Al2O3夾雜物形態(tài)變化的影響鋼水脫氧產(chǎn)生的大量氧化物夾雜采用軟吹工藝難以全部去除：當(dāng)軟吹時間≤15min時，鋼中仍存在大量大型簇狀和樹枝狀A(yù)l2O3夾雜物；當(dāng)軟吹時間從15min延長到20min時，基本可消除大型簇狀和樹枝狀A(yù)l2O3夾雜物，形成較為細(xì)小的塊狀和聚合狀A(yù)l2O3夾雜物。當(dāng)軟吹時間從20min延長到50min時，夾雜物去除效果不明顯，全部轉(zhuǎn)變?yōu)?0ｍ以下的塊狀和聚合狀A(yù)l2O3夾雜物。

鋼中Al2O3未能完全去除，不僅會影響鋼材質(zhì)量，而且造成水口堵塞。鈣處理效果不佳鈣處理前后鋼中夾雜物變化鈣處理前鈣處理后國內(nèi)多年的生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明：鈣處理工藝可以有效進(jìn)行夾雜物變性，提高鋼水流動性，有利于解決水口堵塞問題。但在國內(nèi)長期以來鈣處理未能得到應(yīng)有效果，主要表現(xiàn)為：（1）鈣處理后鋼中夾雜物仍以鋁為主，中心為Al-Mg系夾雜，外圍為Al-Ca系夾雜，說明變性不充分。（2）鈣處理后夾雜物中鈣含量偏高，即使形成7Al2O312CaO液態(tài)夾雜也難以完全上浮，形成大量條串狀夾雜。（3）鈣處理前鋼中夾雜物以Al2O3夾雜為主，鈣處理后夾雜物向CaO-CaS系轉(zhuǎn)移，但夾雜物數(shù)量增多。夾雜物變性效果不佳%CaOMnOSiO2Al2O3K2O寬度(m)神戶14.350.719160.3武鋼19.94.350.714.410.72神戶武鋼Ca/S對硫化物夾雜形態(tài)的影響%PSAlTiT.ON和歌山0.0140.00790.0330.00080.00040.0029馬鋼0.0160.00170.0330.00660.00060.0027通過夾雜物變性處理可以有效減小夾雜物危害，改善鋼板力學(xué)性能，對高品質(zhì)中厚板生產(chǎn)意義重大。

（1）氧化物夾雜變性處理：通過超低氧鋼冶煉，嚴(yán)格控制鋼中氧化物夾雜數(shù)量，形成以Al2O3為核心外裹MnS的可變形夾雜。

（2）夾雜物塑性化處理：嚴(yán)格控制夾雜物中Al2O3和CaO含量，形成硅錳系塑性夾雜，多用于簾