轉(zhuǎn)爐高效冶煉不銹鋼技術(shù)

/轉(zhuǎn)爐高效冶煉不銹鋼技術(shù)1前言不銹鋼以其優(yōu)良的特性在化學(xué)、電力、交通運(yùn)輸、航空航天工業(yè)、食品加工、民用等方面得到了廣泛的應(yīng)用，自191２年德國(guó)Crupp公司在感應(yīng)爐上成功地開發(fā)出不銹鋼冶煉工藝,并成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐以來，90多年來圍繞著低成本、高效率生產(chǎn)不銹鋼技術(shù)，世界不銹鋼生產(chǎn)商進(jìn)行了不懈的努力，開發(fā)出了多種不銹鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)。２0世紀(jì)80年代以來,隨著鐵水預(yù)處理技術(shù)應(yīng)用日益成熟,鐵水脫硅、脫磷和脫硫技術(shù)開發(fā)成功并應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，為轉(zhuǎn)爐提供低磷、低硫鐵水創(chuàng)造了條件.同時(shí)轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹技術(shù)日益完善，開發(fā)出了較強(qiáng)的、便少調(diào)節(jié)的、可供多種氣體的底吹功能,使轉(zhuǎn)爐吹煉不銹鋼的條件更加優(yōu)越，鉻的氧化損失進(jìn)一步降低.更為重要的是爐外精煉技術(shù)的發(fā)展十分迅猛，特別是RH-OＲ、ＲＨ－KTB、VOＤ等真空吹氧脫碳技術(shù)的開發(fā)，不僅可以減輕轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼的脫碳任務(wù)，而可以改善不銹鋼的質(zhì)量和擴(kuò)大轉(zhuǎn)爐的不銹鋼的品種。因此,隨著鐵水預(yù)處理,頂?shù)讖?fù)吹和爐外精煉技術(shù)獻(xiàn)發(fā)展使得轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼的生產(chǎn)規(guī)模逐步擴(kuò)大。2不銹鋼冶煉工藝采用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)不銹鋼工藝路線如表1所示。不銹鋼的冶煉方法根據(jù)原料的不同主要有三類，一類是以固態(tài)原料為主,如廢鋼或合金，先在電爐中熔化爐料，然后在不同的轉(zhuǎn)爐中精煉（包拒AOD、CLU、K—OBM、KＣＢ、ＭRP、LＤ-0B等）。既可以采用最終為VOD真空處理的三步法,也可以采用只在轉(zhuǎn)爐后簡(jiǎn)單鋼包處理的二步法.這種方法用電爐作為初煉爐，主要用于熔化爐料,生產(chǎn)不銹鋼母液。目前世界上大多數(shù)的不銹鋼廠采用電爐＋AOＤ二步法冶煉不銹鋼，占不銹鋼總產(chǎn)量獻(xiàn)６５％以上。第二類是以鐵水為原料，不使用電爐熔化廢鋼，而是轉(zhuǎn)爐內(nèi)用鐵水加鉻礦或鉻鐵合金直接灶融還原或初脫碳，然后再經(jīng)真空處理最終脫碳榨煉，這種方法由于鐵水作為原料,可以降低不銹鋼的生產(chǎn)成本，因而在一些鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中得到了應(yīng)用。第三類是以部分鐵水為原料,采用的電爐+轉(zhuǎn)爐進(jìn)行冶煉，再經(jīng)真空精煉。這種工藝的思路是把ＥAＦ＋AOD和ＥＡF＋VOD的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,達(dá)到快節(jié)奏、低成本、低氬耗的生產(chǎn)超低碳、超低氮的不銹鋼目的。該工藝采用脫磷鐵水與EＡF熔化爐的高溫合金預(yù)熔液混合兌入轉(zhuǎn)爐，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成脫碳、脫硫、還原、粗調(diào)合金成分等任務(wù)，然后再進(jìn)行真空處理,完成最終脫碳及合金成分調(diào)整等精煉工作。表1轉(zhuǎn)爐用鐵水冶煉不銹鋼的主要生產(chǎn)工藝路線序號(hào)國(guó)家生產(chǎn)廠工藝路線產(chǎn)品組成產(chǎn)量/(萬t·a—1)投產(chǎn)時(shí)間１日本新日鐵八幡HMDe—Ｐ+1×１２０ｔLD－OB+VODＣr系：98．4%Ｎi—Ｃr：１．6％Cr系：6３。1%Ni-Ｃr:36．9％Cr系：主產(chǎn)品24.１1９832日本川崎千葉(No。4)1×185tSR-KＣB(鐵水+廢鋼)+１×1８５ｔDC-KＣB+VOD／RH－KTB601９96。5３中國(guó)臺(tái)灣中鋼HMＤe-P+120ｔＣSCB＋VOD1９９４．74南非ISＣＯRPretｏria廠HMDe-Ｐ＋1×9０tUＨP+1×12５tK—OBM－S+VＯD501996.７5巴西AｃｅsitａHMDe-P+２×33tEＦＡ+1×75ｔＭＲＰ－L+VOＤ3０１996。56日本室蘭廠ＨMDe－P＋155tLD-ＣB+ＲH—ＯＢ５0１972注：HM為鐵水，De-P表示鐵水脫磷，ＳR-KCＢ即熔融還原轉(zhuǎn)爐,DC—ＫＣB即脫碳轉(zhuǎn)爐，LD-OＢ即新日鐵開發(fā)的頂?shù)讖?fù)合冶煉方法,ＭRＰ－L即曼內(nèi)斯曼德馬克開發(fā)的精煉方法，ＣＳCB即臺(tái)灣中鋼開發(fā)的頂?shù)讖?fù)合冶煉方法.３轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼的關(guān)鍵技術(shù)３.1脫碳保鉻由于不銹鋼的主要合金-—鉻元素在高溫下很容易氧化，因此在轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼不但要具有足夠的脫碳能力，同時(shí)還抑制鉻元素的氧化損失。根據(jù)冶金學(xué)原理,鋼水溫度越高越有利于脫碳反應(yīng)的進(jìn)行;轉(zhuǎn)爐內(nèi)ＣO的分壓越低有利于鉻的還原，在吹氧脫碳的同時(shí)，可抑制鉻元素的氧化損失.為了符合熱力學(xué)理論的要求，在轉(zhuǎn)爐通常采用的是稀釋精煉法即以大流量的底吹惰性氣體來稀釋轉(zhuǎn)爐內(nèi)因脫碳反應(yīng)所產(chǎn)生的ＣO的濃度,降低CO的分壓.同時(shí),也可促進(jìn)鋼水的攪拌，加速脫碳反應(yīng)。此外，在鋼水溫度控制方面,首先要克服熱源不足的問題，然后才能有效達(dá)到高溫（≥17０0℃）操作。3．2熱補(bǔ)償由于不銹鋼是高合金鋼,在冶煉時(shí)需加入大量的冷料合金，如僅以鐵水的顯熱和氧化熱在轉(zhuǎn)爐內(nèi)煉鋼,其熱能顯然是不夠的。據(jù)高碳鉻鐵、鎳鐵［w(Ni)=２5％］及鐵水冶煉4３0、3０４不銹鋼的物料平衡分析結(jié)果可知:冶煉４30鋼種的熱不足率為５．29％，冶煉３04鋼種的熱不足率為12。35％.根據(jù)臺(tái)灣中鋼針對(duì)３04、３16、4１０、420和４3０等鋼種通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出加廢鋼和加17%廢鋼的計(jì)算結(jié)果，則上述各鋼種的熱量不足率如表2所示。表2中鋼不銹鋼轉(zhuǎn)爐冶煉的熱不足率%鋼種不加廢鋼加1７%的廢鋼ＳUＳ4305．4１4．2SUS4106。１15.０SUＳ4２08.016。8SUS30411．521.8SUＳ31614.623。8由此可見,采用脫磷鐵水單轉(zhuǎn)爐冶煉400系列低合金牌號(hào)不銹鋼有著明顯的優(yōu)勢(shì)，新日鐵和臺(tái)灣中鋼的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也證明了這一點(diǎn)。冶煉３04以上高合金牌號(hào)不銹鋼時(shí)在不加廢鋼時(shí)熱不足率在1０％以上。為了解決轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼時(shí)熱量不足的問題，川崎千葉第四煉鋼廠、臺(tái)灣中鋼等都是通過向轉(zhuǎn)爐中加入焦碳，通過焦碳反應(yīng)產(chǎn)生的CO二次燃燒放出的熱量來補(bǔ)償熔池的熱量.但是如果加入大量的焦碳會(huì)增加轉(zhuǎn)爐的冶煉周期，同時(shí)還會(huì)增加轉(zhuǎn)爐和后工序的脫硫負(fù)擔(dān)。３。3爐底壽命由于頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐在冶煉不銹鋼時(shí)，其底吹氣體的流量是冶煉低碳鋼的20倍以上，采用雙重吹管，加上高溫操作的因素，皆會(huì)加速爐底耐火材料的熔損.因此，降低成本底耐火材料熔損速度技術(shù)，提高爐底耐火材料的壽命，成為降低轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼成本重要一環(huán)。為了解決轉(zhuǎn)爐不銹鋼時(shí)爐底壽命較低的問題,開發(fā)出了可更換爐底技術(shù)。爐底壽命的長(zhǎng)短，取決于底吹噴嘴的壽命。底吹噴嘴通常為雙層套管形式,內(nèi)管根據(jù)冶煉不同的階段要求噴吹氧氣、氫氣或氮?dú)?外管吹入冷卻性氣體,在噴嘴區(qū)域形成保護(hù)性“蘑菇頭",以提高噴嘴的壽命，降低耐火材料的消耗，同時(shí)可確保鋼液充分?jǐn)嚢?。常用的冷卻氣體有天然氣、丙烷和丁烷.常用冷卻氣體的保護(hù)氣體的冷卻效果如表3所示。表3常用冷卻氣體的保護(hù)氣體的冷卻效果序號(hào)氣體名稱裂解能（298～1623）K/（kJ·ｍol-1）顯熱/(kＪ·ｍｏl—1）總熱量/（kJ·ｍol—3）１天然氣７7。4１０7。481432丙烷１03。7240．8１539１3丁烷１25.630７。61９５25３。４高效脫硫技術(shù)一般不銹鋼成品的硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求在3.0×10－5以下，因此要求鋼水的硫含量就盡可能在此水平，減輕后工序精煉的脫硫的負(fù)擔(dān)。但由于轉(zhuǎn)煉不銹鋼熱量不足，需加入焦炭,通常焦炭中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0。5%左右。據(jù)中鋼的統(tǒng)計(jì),在不加入廢鋼時(shí)，焦炭含硫量含硫量，片所有的原料（鐵水、焦炭和合金)總硫量的一半以上。若加入廢鋼，須加入更多的焦炭。則焦炭所，片比例高達(dá)三分之二以上。所以,轉(zhuǎn)爐工藝需有足夠的脫硫能力,才能使鋼水硫含量降至規(guī)定的范圍內(nèi).根據(jù)文獻(xiàn)轉(zhuǎn)爐的脫硫主要是在不銹鋼冶煉還原期進(jìn)行，脫硫率與還原期的爐渣有正相關(guān)性,爐渣的堿度愈高愈有利少脫硫反應(yīng)（(ＣａO）＋[Ｓ］=CaS）+[O])的進(jìn)行。若堿度在１．5以上時(shí),由脫硫率可達(dá)８0%以上。轉(zhuǎn)爐工藝加上后工序精煉的脫硫功能，可以使處理后的鋼水含硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在２。０×10－5左右。4轉(zhuǎn)爐高效冶煉不銹鋼的工藝4.１鐵水預(yù)處理對(duì)于不銹鋼來講,鋼中的P是有害元素。在不銹鋼冶煉過程中鋼水含有大量的鉻,從熱力學(xué)角度分析，高鉻鋼液脫P(yáng)困難，目前無高效、簡(jiǎn)單的脫磷手段；而采用鐵水作為原料，可以利用鐵水預(yù)處理工藝將鐵水中的P脫到一個(gè)較低的水平,質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0。015%，避免采用廢鋼為原料時(shí)帶入P高的問題，解決轉(zhuǎn)爐冶煉過程中的脫磷難題。4。２轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹冶煉技術(shù)國(guó)外應(yīng)用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)不銹鋼的廠家較多,其冶煉任務(wù)是熔化原料，生產(chǎn)不銹鋼母液、快速脫碳.就其冶煉特點(diǎn),可以分為單轉(zhuǎn)爐冶煉、雙轉(zhuǎn)爐冶煉和電爐轉(zhuǎn)爐聯(lián)合冶煉幾種模式。在這里重點(diǎn)介紹單轉(zhuǎn)爐和雙轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼模式.4．２。1單轉(zhuǎn)爐模式單轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼以新日鐵八幅廠、室蘭廠和臺(tái)灣中鋼為代表，新日鐵八幅廠生產(chǎn)不銹鋼工藝流程圖見圖1所示.該工藝是在一個(gè)轉(zhuǎn)爐完成不銹鋼冶煉。經(jīng)過脫硅、脫硫和脫磷鐵水兌入頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐中，轉(zhuǎn)爐的冶煉大致可以用分為三個(gè)階段；第一階段是鐵水脫碳期,此階段的主要功能是用氧氣進(jìn)行鐵水脫碳反應(yīng)及熱補(bǔ)償作業(yè)，因?yàn)殍F水經(jīng)過脫硅、脫硫和脫磷后其溫度己降至１200～1250℃,鐵水中硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)也只有0。０5%以下，所以需要以添加焦炭的方式來補(bǔ)償熱源不足;第二階段為脫碳保鉻期,此階段需從料倉(cāng)中連續(xù)添加大量的高碳鉻鐵及適量的高碳錳鐵、鎳粒等合金料,以氧氣來繼續(xù)進(jìn)行脫碳反應(yīng),溫度控制在17００℃以上，同時(shí)需通入較大流量的惰性氣體進(jìn)行底吹，增加熔池的攪拌功能步｛降低爐內(nèi)CＯ的分壓,脫碳保鉻;第三階段為還原期，當(dāng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)脫至0。2％~0。３％時(shí),轉(zhuǎn)爐的脫碳任務(wù)結(jié)束，停止吹氧，此時(shí)渣中的氧化鉻含量較高，需進(jìn)行還原回收金屬鉻，可通過添加硅鐵或鋁來進(jìn)行。轉(zhuǎn)爐冶煉結(jié)束后,鋼水再經(jīng)ＶOD或RH等精煉設(shè)備進(jìn)行最終的脫碳和合金成分的調(diào)整。臺(tái)灣中鋼CＳCB轉(zhuǎn)鋼冶煉不銹鋼的吹煉模式圖見圖2。4.2．2雙轉(zhuǎn)爐模式雙轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼工藝是以川崎制鐵千葉廠No．4車間為代表,生產(chǎn)工藝流程見圖3。不銹鋼冶煉采用兩個(gè)轉(zhuǎn)爐進(jìn)行。由于冶煉不銹鋼時(shí)，鉻和鎳合金的費(fèi)用占整個(gè)不銹鋼冶煉成本的較大，因此該公司為了降低冶煉不銹鋼的成本,開發(fā)出了鉻礦熔融還原工藝.該工藝是在不銹鋼精煉前，將鉻礦砂和焦炭從爐子的頂部加入熔融還原轉(zhuǎn)爐（SＲ—KCＢ）中，利用焦炭和氧氣反應(yīng)熱以及炭的還原能力將鉻礦熔融并鉻礦還原進(jìn)入鋼液中,從而生產(chǎn)不銹鋼的初煉鋼液。然后將熔融還原成含鉻的鋼液再在脫碳轉(zhuǎn)爐（DＣ—KCB）脫碳、精煉工藝。(1）鉻礦的熔融還原日木川崎制鐵千葉廠No．４車間熔融還原操作大致可以分三個(gè)階段:第一階段為返回料熔化期:連續(xù)吹煉熔化不銹鋼返回料，并升溫到預(yù)定的溫度（１８13～１8３3K）；第二階段為熔融還原期：根據(jù)供氧速度，將鉻礦和小塊焦炭按一定的比例加入爐中,一邊保持熔池溫度恒定，一邊進(jìn)行熔融還原反應(yīng)。由于鉻礦的還原依賴于爐內(nèi)二次燃燒產(chǎn)生的熱量來進(jìn)行，因此要不斷調(diào)整頂槍的供氧條件和鉻礦的加入速度.第三階段為精煉還原期：調(diào)整爐渣成分，以還原殘留在爐渣中的鉻的氧化物，并防止?fàn)t渣的冷卻時(shí)粉化，最終獲得Ｃr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)９％～１2％的不銹鋼的母液，此時(shí)鋼液中［C]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為５%～6%范圍內(nèi)，溫度為15４0～15８0℃，爐渣的堿度為２.5~3．00。（２)轉(zhuǎn)爐的脫碳將熔融還原爐得到的鋼液再倒入脫碳爐(DC—KCＢ）中,進(jìn)一步進(jìn)行精煉,開始鋼液中碳含量較高,需要加大氧氣流量進(jìn)行高速脫碳，以提高脫碳效率并止鉻的氧化損失，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.1%～0．2％時(shí)即可出鋼。當(dāng)鋼液中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于１.0％時(shí)需采取控溫技術(shù)，使溫度保持在１700℃左右的較窄的范圍內(nèi)。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0．１%~0.３%低碳區(qū)時(shí)實(shí)施頂吹氮?dú)猓⒓哟蟮状刀栊詺怏w流量,這樣可以起到稀釋CＯ分壓并加鋼渣界面的反應(yīng)動(dòng)能,有利于防止鋼液中鉻的氧化.然后將鋼水在VOD或RＨ一KTＢ中進(jìn)行精煉.(3)鉻的回收工藝在熔融還原爐和脫碳爐冶煉時(shí)產(chǎn)生爐塵，通過ＳTＡR(ShaｆtＴｙｐeAirRefｉning）爐進(jìn)行回收處理。將焦炭從ＳTAR爐的爐頂裝入。爐子的下部有二排風(fēng)口，干燥的原料通過壓縮空氣從上部風(fēng)口送入。經(jīng)處理后的金屬液用鑄錠機(jī)進(jìn)行鑄造，送到轉(zhuǎn)爐作為鉻和鎳的主要來源。經(jīng)ＳTAR工藝處理后98％的鉻進(jìn)入到鋼液中,在渣中和爐塵中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在１%左右。4。2。３電爐一轉(zhuǎn)爐模式該模式是為了解決轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼時(shí)加入冷料合金量大的問題,采用電爐供應(yīng)含鉻鐵水。該模式的最大特點(diǎn)是廢鋼和合金在電爐中熔化，轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)無需加入焦炭補(bǔ)償熱量，冶煉品種范圍也較廣.5不銹鋼的精煉二次脫碳冶煉不銹鋼的一個(gè)首要的任務(wù)就是要防止鉻氧化的前提下加速鋼液的脫碳。通常是通過降低CＯ的分壓可以有效地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。因此，在轉(zhuǎn)爐脫碳冶煉中通過氧氣和吹入惰性氣體可以降低CＯ的分壓。但是，在鋼液中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0．1%時(shí),鋼液中鉻的氧化會(huì)顯著增加,因此在大氣下通過稀釋脫碳受到一定的限制.另一方面如果在轉(zhuǎn)爐冶煉到低碳區(qū)后再采用真空處理將鋼液中的碳降到目標(biāo)碳區(qū)，這樣會(huì)降低鉻的氧化,提高氧氣的利用率,且會(huì)脫去更多的碳。目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的不銹鋼精煉方法很多,但和轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼匹配的主要是VOD和RH—ＫTB。根據(jù)ShujiTａkeｕchi等對(duì)SU５３04、SUS４30和ＳUH4０9不銹鋼在真空條件下鋼液中C、Cr含量計(jì)算結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出,SUS304和ＳUＳ430不銹鋼在６。6７ｋPa或更低的壓力下進(jìn)行脫碳時(shí)無鉻的氧化行為發(fā)生，SUH409在４．00kＰa壓力下可以將碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)脫至0.０2％的水平面鉻的氧化.采用RH—ＫTB對(duì)SUH409(含鉻11%超低碳不銹鋼）不銹鋼精煉時(shí)