1、现代不锈钢冶炼工艺现代不锈钢冶炼工艺材料与冶金学院材料与冶金学院 董方董方第1页，共35页。不锈钢不锈钢:在空气、水、酸、盐的水溶液中及其在空气、水、酸、盐的水溶液中及其它氧化性气氛中具有很高的化学稳定性。它氧化性气氛中具有很高的化学稳定性。铁素体不锈钢铁素体不锈钢：含碳量一般小于0.1%，铬1330%。单相的铁素体组织，Cr17、Cr25 、Cr28。马氏体不锈钢马氏体不锈钢：含碳0.10.4%，铬1618%。淬火得到马氏体组织。1Cr13、2Cr13、3Cr13。奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢：含铬1720%，镍911%，常温仍保持奥氏体组织。不磁化、硬度小、加工性能好。Cr18Ni9、1Cr1
2、8Ni9Ti、1Cr18Ni9。强度低、塑性好，可用冷加工的方法使之加工硬化提高强度。第2页，共35页。不锈钢不锈钢二步法二步法:是指初炼炉熔化精炼炉脱碳的工艺流程,常见有初炼炉AOD炉；初炼炉MRP转炉；初炼炉VOD炉等。不锈钢三步法不锈钢三步法:在二步法基础上增加深脱碳的装备，通常有初炼炉AOD（LF）VOD；初炼炉MRP（LF）VOD；初炼炉MRP（LF）RH-OB等形式。初炼炉可以是电炉，也可以是转炉；精炼炉一般指以脱碳为主要功能的装备，例如AOD,VOD,RH-OB（KTB）,CLU，MRP等。其他不以脱碳为主要功能的装备，例如LF钢包炉、钢包吹氩、喷粉等，在划分二步法或三步法时则不
3、算做其中的一步。此外，这里把专用炉熔化铬铁的操作，也不列入其中的一步。第3页，共35页。AOD(Argon Oxygen Decarburization)炉简图 Ar,OAr,O2 2混混合气体合气体出钢口出钢口返回返回双层套管风口第4页，共35页。1 1 二步法冶炼不锈钢的典型工艺二步法冶炼不锈钢的典型工艺1.1 1.1 初炼炉初炼炉-AODAOD工艺工艺 AOD法是世界上冶炼不锈钢的主要方法，占世界不锈钢产量的70-80%。AOD的原理是吹惰性气体(Ar)作稀释气体,降低碳-氧反应产物CO的分压(PCO),以达到去碳保铬的目的.为了减少铬的氧化和防止钢液温度过高,在吹炼时要改变氩氧的混合比
4、.实际操作中冶炼过程中分阶段变化氧压比例.氮含量要求低的钢种,应使用纯氩.对氮含量要求不高的钢种可以使用粗氮或以氮气代替氩气.为保护炉体耐火材料,钢液温度不应超过1750C,氧化期温度高时可加入清洁干燥的同钢种返回钢,以冷却钢液.第5页，共35页。工艺参数n氧氩比：AOD吹炼所用的混合气体中氧气和氩气的体积比。n氧氩比在很大程度上影响着AOD的脱碳速率，铬的氧化速率以及溶池的升温速率。为尽可能减少铬的氧化和控制溶池温度，吹炼过程中根据溶池含碳量和温度调节氧氩比。n氧氩比的理论值可以根据FeCrCO四元素的平衡条件，用热力学的方法计算。n混合气体流量：氧氩比确定后，取决于氧气流量。第6页，共35
5、页。第7页，共35页。AOD法的工艺要点法的工艺要点：lAOD对电炉所炼半钢的碳含量没有严格的要求，通常波动于12%；硅的含量一般控制在0.20.4%；对硫含量不做要求；出钢温度控制在162010。lAOD法吹入氧、氩气体的比例一般为3个阶段或4个阶段。第一阶段O2：Ar（N2）=4:1(3：1)，将碳氧化到0.3%左右，此时熔池温度约为1680C.第二阶段O2：Ar=2：1或1：1将碳氧化到0.1%左右，熔池温度约为1690-1720C.第三阶段O2：Ar=1：2，将碳氧化到0.03%左右,当炼碳含量小于0.01%的极低碳钢种时,第四阶段O2：Ar=1：3(1:4)继续脱碳。第8页，共35页
6、。AOD法的工艺要点法的工艺要点：l最后用纯氩吹炼35分钟，使钢水中溶解氧继续脱碳，还可以减少还原Fe-Si的用量。l钢中碳含量达到要求时,停止吹氧结束氧化期,加入硅铁,铝,石灰进入还原期,还原温度应高于1700C,还原期间继续向炉内吹入氩气,铬的回收铬的回收率率99%,锰的回收率锰的回收率90%以上以上,还原期可脱硫还原期可脱硫.第9页，共35页。AOD法的工艺要点法的工艺要点l脱碳终了以后如果不是冶炼含钛不锈钢含钛不锈钢,不需要脱硫操作，一般采用AOD单渣法,不扒渣直接进入还原期。由于脱碳终点温度约在1710-1750，为了控制出钢温度并有利于炉衬寿命，在脱碳后期需添加清洁的本钢种废钢作为
7、冷却剂冷却剂。随后加入Fe-Si、Si-Cr、Al等还原剂和石灰造渣材料，成分、温度合适即可出钢。l原料条件不好或成品硫要求 50ppm时采用双渣法操作.AOD炉的冶炼时间一般为90分钟左右。气体消耗视原料情况及终点碳水平而不同。一般氩气消耗为氩气消耗为1223Nm3/吨，氧为吨，氧为1525Nm3/吨。吨。Fe-Si用量为用量为820Kg/吨，石灰吨，石灰4080Kg/吨，冷吨，冷却剂为钢水量的却剂为钢水量的310%。第10页，共35页。AOD主要特点主要特点l可以大量使用廉价的高碳铬铁、粗氩和氮气；l工艺稳定，效率高,产品质量好；l炉龄150300次,高于VOD法；l脱硫效率高于VOD法，
8、可高达90%；l铬收得率95-99%,高于VOD法；l投资少,约为VOD法的1/3。第11页，共35页。l AOD改进工艺在C0.7%脱碳期采用纯O2吹炼，此时不会发生铬的氧化，其结果与O2/Ar=4/1时是一样的。60吨AOD的供O2速度由2880NM3/h增大到3600Nm3/h，使脱碳速度提高了0.02%/min，Ar消耗减少了2.8 Nm3/t，冶炼时间缩短3分钟。l AOD改进工艺把在钢水碳含量0.11-0.7%区间分阶段降低O2/Ar改为连续降低O2/Ar，脱碳效率提高了6%，硅铁使用量降低了0.7Kg/t。l AOD改进工艺在钢水碳含量0.11%时采用纯氩吹炼，提高脱碳速度，减少
9、铬的氧化。钢水温度由原工艺的提高1-4/min，变成降低3-6/min。改进的改进的AODAOD工艺工艺 ：基本特征是更加靠近：基本特征是更加靠近C-Cr-TC-Cr-T平衡曲线平衡曲线第12页，共35页。顶底复吹顶底复吹AODAOD法法 传统AOD法脱碳期的氧效率（单位供氧量/脱碳量）只有70%左右，大约有30%的氧被铬等金属的氧化所消耗。日本星崎厂开发了顶底复吹AOD法。目前新上的AOD设备都配有顶吹氧系统。顶底复吹AOD法的特征是在C0.5%的脱碳一期从底部风枪送一定比例的氧、氩混合气体，从顶部氧枪吹入一定速度的氧气，进行软吹或硬吹，反应生成的CO经二次燃烧，其释放的热量约有7590%传
10、到熔池，使钢水的升温速度由通常的127/%C提高到195/%C，脱碳速度从0.055%/分提高到0.087%/分。AOD-VCR(Vacuum Converter Refiner)AOD-VCR(Vacuum Converter Refiner)工艺工艺 AOD法适于大量生产不锈钢,但由于在大气下冶炼,存在着铬的氧化性增加和极低碳范围的脱碳问题。为此,日本涉川厂开发了AOD-VCR工艺,在AOD炉上增设真空装置,一方面利用AOD的强搅拌特征,另一方面在真空下不吹氧，而是利用钢中利用钢中溶解氧和渣中氧化物溶解氧和渣中氧化物，在低碳范围改善脱碳的效率。第13页，共35页。AOD-VCRAOD-VC
11、R工艺工艺第14页，共35页。1.2 1.2 初炼炉初炼炉 VOD VOD工艺工艺重要特点重要特点lVOD法在真空下吹氧脱碳，适于冶炼超低碳、氮不锈钢，精炼后碳30 ppm，氮50ppm（而AOD法碳100 ppm，氮100ppm）；l氢1-3ppm，氧30-60 ppm（而AOD法氢3-5ppm，氧40-60ppm）；lEAF-VOD法铬回收率（90-95%）低于EAF-AOD（95-99%）；l脱S效果比AOD法为差，VOD法脱S率30-70%，而 AOD法脱S率60-90%；l炉龄较低，一般50次。第15页，共35页。第16页，共35页。VODVOD工艺要点回顾工艺要点回顾l电弧炉电弧炉
12、的原料和操作与普通电弧炉炼钢法基本没有差别，温度达到1580开始吹氧脱碳，C从0.8-1.5%降至0.3%。插铝脱氧和还原渣中氧化铬,再添加高碱度渣，经过出钢可使S0.004。lVODVOD炉炉的入炉钢水条件为：碳0.3%、硅0.3%，并扒渣。l真空度达到150-200Torr后开始吹氧，并不断提高真空度，为了减少喷溅量，适当提高氧枪的高度。l脱碳末期，氧在钢中的扩散成为脱碳反应速度的限制环节，所以供氧速度要减小，氩气搅拌要强化。VOD炉脱碳速度约为0.02%/分。l临近脱碳终点时停氧，用氩气搅拌促使真空C脱O。根据废气成分、废气流量、真空度及耗氧量来判定脱碳的终点。l冶炼超低碳不锈钢时，加强
13、氩气搅拌和控制温度，以便在降低终点碳含量的同时抑制成本的增大和精炼时间的延长。第17页，共35页。SSVODSSVOD法法 带有强搅拌的VOD法称为SSVOD法。传统的VOD法的降C、N效果均以50ppm（甚至100ppm）为界，而SSVOD采用多个包底透气砖或2-4mm不锈钢管吹氩，氩流量是通常的10-20倍。由于大量用Ar，C含量可降至3010ppm的水平，适于冶炼超低碳不锈钢和超纯铁素体不锈钢。第18页，共35页。三步法冶炼不锈钢的典型工艺三步法冶炼不锈钢的典型工艺三步法的基本步骤是：初炼炉初炼炉MRPMRP（或（或AODAOD）VODVOD（或或RH-OBRH-OB）LFCCLFCCl
14、第一步：初炼炉主要起熔化和合金化作用，为第二步的MRP转炉或AOD炉提供液态金属；l第二步：快速脱碳并防止铬的氧化；l第三步：在VOD或RH-OB、RH-KTB的真空条件下对钢水进行深脱碳和调整成分。第19页，共35页。2.1 2.1 川崎用铬矿砂和双转炉冶炼不锈钢工艺：川崎用铬矿砂和双转炉冶炼不锈钢工艺：日本川崎公司开发出利用南非铬矿砂、熔融还原为特点的不锈钢生产工艺，1994年投入生产，目前生产正常,能够降低能耗和成本，适合于大量生产铬不锈钢。该工艺主要包括：l 转炉熔融还原铬矿砂；l 顶底复吹转炉脱C；l VOD炉深脱C；l STAR熔融还原炉处理炼钢含铬粉尘。第20页，共35页。川崎制
15、铁不锈钢生产工艺示意图川崎制铁不锈钢生产工艺示意图 第21页，共35页。工艺流程nSRKCB中以预处理后的铁水和通过STAR炉还原转炉尘得到的生铁和废钢作为主要原料，熔融还原铬铁矿，大容量炉体，从喷枪直接添加粉状生铬矿，可大量熔化废钢。nDCKCB中添加FeCr、Ni合金、废钢，熔融还原和脱碳在顶底复吹转炉中进行，采用顶吹氧枪喷吹碳粉、底吹风管为双重管，内管吹入氩气和氮气稀释后的氧气，从外管吹入丙烷气，实现大流量喷吹的强搅拌力。第22页，共35页。(1)(1)熔融还原转炉熔融还原转炉(SR-KCB)SR-KCB)川崎不锈钢流程的核心是其转炉熔融还原工艺，该工艺主要有以下特点：l 采用顶底复吹转
16、炉，炉底设有8个双层管风口，底吹氧气流量为0.51.2 Nm3/min/t。由于底吹对熔池的强搅拌作用，能够获得高的铬收得率和熔化大量废钢。l 采用大容积转炉，使炉内能够容纳大量的炉渣。l 采用大流量供氧(950 Nm3/min)，使铬的还原能够在限定的时间里完成。此外还采用的二次燃烧技术。l 使用特制的水冷喷枪，向炉内喷吹铬矿砂。铬矿砂尺寸为38500m，如采用传统的顶部加料工艺，大量铬矿砂将会被吹出炉外。川崎制铁专门开发了加料喷枪，将铬矿砂喷入熔池，铬矿砂的收得率高达97以上。第23页，共35页。(2)(2)强搅拌顶底复吹转炉强搅拌顶底复吹转炉(DC-KCB)DC-KCB)熔融还原转炉生产
17、出的碳饱和钢液约含913Cr，在后步的脱碳工序，川崎制铁采用了强搅拌氧气顶底复吹转炉，在吹炼初期大量供氧、快速升温，并改进氧气喷头设计避免了大量供氧造成的喷溅增加。由于供氧速率高，其脱碳速率高于AOD炉。当碳降低到0.1%/min，可在短时内使高碳钢水脱碳，减少了精炼时间和耐火材料消耗。第27页，共35页。不锈钢冶炼流程的主要特点比较不锈钢冶炼流程的主要特点比较第28页，共35页。方法方法工艺流程工艺流程主要特点主要特点 代表厂家代表厂家 二步法二步法 EAF+AOD废钢、氩气 瑞典Sandivck EAF+AOD/VCR废钢、氩气、真空日本知多厂 EAF+VOD废钢、真空冶炼日本横滨厂 EA
18、F+RH-OB废钢、真空循环脱气日本山阳厂 EAF+CLU废钢、蒸汽瑞典Kanthal EAF+MRP-L +VOD电炉熔化铬铁、脱磷铁水、转炉脱碳巴西阿塞西塔 EAF+BOP+AOD废钢、液态铬铁芬兰Tormio 三步法三步法 SR-KCB+DC-KCB+VOD（KMS-S+K-OBM-S+VOD）铁水、转炉使用铬矿砂熔融还原、转炉脱碳日本川崎千叶厂 K-BOP1+K-BOP2+RH/KTB 日本川崎千叶厂 EAF+K-OBM-S+VOD铁水、转炉使用予还原铬球团废钢、复吹转炉脱碳 比利时阿尔兹 EAF+AOD+VOD废钢冶炼奥地利伯乐钢厂 EAF+复吹AOD+VOD顶底复吹AOD 韩国浦项
19、不锈钢厂第29页，共35页。特点特点二步法二步法 三步法三步法 大量使用高碳铬铁 使用铁水、铬矿超低碳、氮钢种冶金质量炉龄工艺优化生产效率流程均衡和衔接可靠性投资规模表示优势表示优势第30页，共35页。从表中两种工艺的比较可以看出，三步法中各步的碳含量约为从表中两种工艺的比较可以看出，三步法中各步的碳含量约为1.8-2.0%1.8-2.0%，0.2-0.3%0.2-0.3%，0.00.03-0.01%3-0.01%。第二步一般采用。第二步一般采用AODAOD，因为碳含量从因为碳含量从1.8%1.8%降至降至0.2%0.2%时时AODAOD脱脱碳效率高。第三步采用碳效率高。第三步采用VODVOD
20、,因为因为VODVOD要求的入炉碳含量应小于要求的入炉碳含量应小于0.6%,0.6%,而把碳含量从而把碳含量从0.2-0.2-0.3%0.3%降至降至0.00.03-0.01%,3-0.01%,正是正是VODVOD经济合理的范围。经济合理的范围。VODVOD入炉碳含量过高则造成喷溅入炉碳含量过高则造成喷溅严重，延长脱碳时间，使炉衬损失严重。严重，延长脱碳时间，使炉衬损失严重。第31页，共35页。总结总结l不锈钢二步法多使用AOD炉与初炼炉配合，可以大量使用高碳铬铁，效率高，经济可靠，投资少，可以与连铸相配合。初炼炉-AOD法虽然脱碳能力很强，但随着AOD炉入炉钢水碳含量的增加，则精炼时间延长，
21、一般在90-120分钟，不利于炉-机匹配。此外，FeSi和氩气用量较高，风口耐火材料寿命降低，钢液氢、氮含量较高。l不锈钢二步法使用VOD炉与初炼炉配合时，因为VOD炉脱碳速度低，入炉碳含量不应大于0.6%，使得电炉需要配入一些低、中碳铬铁。但VOD炉有利于深脱碳，适合生产超低碳或超低氮不锈钢。第32页，共35页。l不锈钢三步法可使用铁水，原料选择灵活，品种范围广，氮、氢、氧及夹杂物含量低，节能和工艺优化，每一步都有明确的目标。生产节奏快，炉龄高，整个流程更均衡和易于衔接。三步法增加了精炼设备，投资较高。l在三步法的AOD炉（或MRP炉）与VOD炉之间往往还设有LF炉，不仅使碳含量大于0.1%
22、的钢可以不经过VOD炉而直接送往连铸机，更主要的是便于多炉连浇。l三步法适用于生产规模较大的专业性不锈钢厂或联合企业中的转炉特殊钢厂。一般规模较小的非专业性电炉特殊钢厂多选用二步法。第33页，共35页。我国不锈钢未来发展需要关注的问题我国不锈钢未来发展需要关注的问题n不锈钢产能的大发展必然会面临原料来源短缺的问题n不锈钢消费的发展面临钢种、品种、质量、成本等方面的问题n面临新型工业化时代，不锈钢是最符合这些要求的绿色环保材料n不锈钢行业的理性投资问题第34页，共35页。我国主要不锈钢生产厂家我国主要不锈钢生产厂家n太原钢铁(集团)有限公司总的生产能力达到200-300万吨.n宝钢集团一钢公司的70万吨不锈钢系统工程。n张家港浦项厂生产能力达到32万吨以上。n上海克虏伯厂 生产能力达到44万吨.n宁波宝新不锈钢公司2 4万吨冷轧不锈钢板卷的能力。n青岛钢铁公司与韩国浦项合资建设15万吨冷轧不锈钢项目，总投资1.8亿美元。n以宝钢集团一钢公司60万吨热轧不锈卷为原料，进一步加工生产冷轧不锈钢板工程正在做前期工作。第35页，共35页。
