轉爐高效冶煉不銹鋼技術

/轉爐高效冶煉不銹鋼技術1前言不銹鋼以其優(yōu)良的特性在化學、電力、交通運輸、航空航天工業(yè)、食品加工、民用等方面得到了廣泛的應用，自191２年德國Crupp公司在感應爐上成功地開發(fā)出不銹鋼冶煉工藝,并成功應用于生產實踐以來，90多年來圍繞著低成本、高效率生產不銹鋼技術，世界不銹鋼生產商進行了不懈的努力，開發(fā)出了多種不銹鋼生產工藝技術。２0世紀80年代以來,隨著鐵水預處理技術應用日益成熟,鐵水脫硅、脫磷和脫硫技術開發(fā)成功并應用于工業(yè)化生產，為轉爐提供低磷、低硫鐵水創(chuàng)造了條件.同時轉爐頂?shù)讖痛导夹g日益完善，開發(fā)出了較強的、便少調節(jié)的、可供多種氣體的底吹功能,使轉爐吹煉不銹鋼的條件更加優(yōu)越，鉻的氧化損失進一步降低.更為重要的是爐外精煉技術的發(fā)展十分迅猛，特別是RH-OＲ、ＲＨ－KTB、VOＤ等真空吹氧脫碳技術的開發(fā)，不僅可以減輕轉爐冶煉不銹鋼的脫碳任務，而可以改善不銹鋼的質量和擴大轉爐的不銹鋼的品種。因此,隨著鐵水預處理,頂?shù)讖痛岛蜖t外精煉技術獻發(fā)展使得轉爐冶煉不銹鋼的生產規(guī)模逐步擴大。2不銹鋼冶煉工藝采用轉爐生產不銹鋼工藝路線如表1所示。不銹鋼的冶煉方法根據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,也可以采用只在轉爐后簡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，占不銹鋼總產量獻６５％以上。第二類是以鐵水為原料，不使用電爐熔化廢鋼，而是轉爐內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成本，因而在一些鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中得到了應用。第三類是以部分鐵水為原料,采用的電爐+轉爐進行冶煉，再經真空精煉。這種工藝的思路是把ＥAＦ＋AOD和ＥＡF＋VOD的優(yōu)點結合起來,達到快節(jié)奏、低成本、低氬耗的生產超低碳、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熔液混合兌入轉爐，在轉爐內完成脫碳、脫硫、還原、粗調合金成分等任務，然后再進行真空處理,完成最終脫碳及合金成分調整等精煉工作。表1轉爐用鐵水冶煉不銹鋼的主要生產工藝路線序號國家生產廠工藝路線產品組成產量/(萬t·a—1)投產時間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中國臺灣中鋼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即熔融還原轉爐,DC—ＫＣB即脫碳轉爐，LD-OＢ即新日鐵開發(fā)的頂?shù)讖秃弦睙挿椒?ＭRＰ－L即曼內斯曼德馬克開發(fā)的精煉方法，ＣＳCB即臺灣中鋼開發(fā)的頂?shù)讖秃弦睙挿椒?３轉爐冶煉不銹鋼的關鍵技術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，因此在轉爐冶煉不銹鋼不但要具有足夠的脫碳能力，同時還抑制鉻元素的氧化損失。根據冶金學原理,鋼水溫度越高越有利于脫碳反應的進行;轉爐內ＣO的分壓越低有利于鉻的還原，在吹氧脫碳的同時，可抑制鉻元素的氧化損失.為了符合熱力學理論的要求，在轉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爐內因脫碳反應所產生的ＣO的濃度,降低CO的分壓.同時,也可促進鋼水的攪拌，加速脫碳反應。此外，在鋼水溫度控制方面,首先要克服熱源不足的問題，然后才能有效達到高溫（≥17０0℃）操作。3．2熱補償由于不銹鋼是高合金鋼,在冶煉時需加入大量的冷料合金，如僅以鐵水的顯熱和氧化熱在轉爐內煉鋼,其熱能顯然是不夠的。據高碳鉻鐵、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％.根據臺灣中鋼針對３04、３16、4１０、420和４3０等鋼種通過數(shù)學模型計算出加廢鋼和加17%廢鋼的計算結果，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,采用脫磷鐵水單轉爐冶煉400系列低合金牌號不銹鋼有著明顯的優(yōu)勢，新日鐵和臺灣中鋼的產品結構也證明了這一點。冶煉３04以上高合金牌號不銹鋼時在不加廢鋼時熱不足率在1０％以上。為了解決轉爐冶煉不銹鋼時熱量不足的問題，川崎千葉第四煉鋼廠、臺灣中鋼等都是通過向轉爐中加入焦碳，通過焦碳反應產生的CO二次燃燒放出的熱量來補償熔池的熱量.但是如果加入大量的焦碳會增加轉爐的冶煉周期，同時還會增加轉爐和后工序的脫硫負擔。３。3爐底壽命由于頂?shù)讖痛缔D爐在冶煉不銹鋼時，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，提高爐底耐火材料的壽命，成為降低轉爐冶煉不銹鋼成本重要一環(huán)。為了解決轉爐不銹鋼時爐底壽命較低的問題,開發(fā)出了可更換爐底技術。爐底壽命的長短，取決于底吹噴嘴的壽命。底吹噴嘴通常為雙層套管形式,內管根據冶煉不同的階段要求噴吹氧氣、氫氣或氮氣,外管吹入冷卻性氣體,在噴嘴區(qū)域形成保護性“蘑菇頭",以提高噴嘴的壽命，降低耐火材料的消耗，同時可確保鋼液充分攪拌。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氣體的冷卻效果如表3所示。表3常用冷卻氣體的保護氣體的冷卻效果序號氣體名稱裂解能（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高效脫硫技術一般不銹鋼成品的硫的質量分數(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擔。但由于轉煉不銹鋼熱量不足，需加入焦炭,通常焦炭中硫的質量分數(shù)在0。5%左右。據中鋼的統(tǒng)計,在不加入廢鋼時，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，片比例高達三分之二以上。所以,轉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.根據文獻轉爐的脫硫主要是在不銹鋼冶煉還原期進行，脫硫率與還原期的爐渣有正相關性,爐渣的堿度愈高愈有利少脫硫反應（(ＣａO）＋[Ｓ］=CaS）+[O])的進行。若堿度在１．5以上時,由脫硫率可達８0%以上。轉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量分數(shù)穩(wěn)定在２。０×10－5左右。4轉爐高效冶煉不銹鋼的工藝4.１鐵水預處理對于不銹鋼來講,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,從熱力學角度分析，高鉻鋼液脫P困難，目前無高效、簡單的脫磷手段；而采用鐵水作為原料，可以利用鐵水預處理工藝將鐵水中的P脫到一個較低的水平,質量分數(shù)一般為0。015%，避免采用廢鋼為原料時帶入P高的問題，解決轉爐冶煉過程中的脫磷難題。4。２轉爐頂?shù)讖痛狄睙捈夹g國外應用轉爐生產不銹鋼的廠家較多,其冶煉任務是熔化原料，生產不銹鋼母液、快速脫碳.就其冶煉特點,可以分為單轉爐冶煉、雙轉爐冶煉和電爐轉爐聯(lián)合冶煉幾種模式。在這里重點介紹單轉爐和雙轉爐冶煉不銹鋼模式.4．２。1單轉爐模式單轉爐冶煉不銹鋼以新日鐵八幅廠、室蘭廠和臺灣中鋼為代表，新日鐵八幅廠生產不銹鋼工藝流程圖見圖1所示.該工藝是在一個轉爐完成不銹鋼冶煉。經過脫硅、脫硫和脫磷鐵水兌入頂?shù)讖痛缔D爐中，轉爐的冶煉大致可以用分為三個階段；第一階段是鐵水脫碳期,此階段的主要功能是用氧氣進行鐵水脫碳反應及熱補償作業(yè)，因為鐵水經過脫硅、脫硫和脫磷后其溫度己降至１200～1250℃,鐵水中硅質量分數(shù)也只有0。０5%以下，所以需要以添加焦炭的方式來補償熱源不足;第二階段為脫碳保鉻期,此階段需從料倉中連續(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)進行脫碳反應,溫度控制在17００℃以上，同時需通入較大流量的惰性氣體進行底吹，增加熔池的攪拌功能步｛降低爐內CＯ的分壓,脫碳保鉻;第三階段為還原期，當碳質量分數(shù)脫至0。2％~0。３％時,轉爐的脫碳任務結束，停止吹氧，此時渣中的氧化鉻含量較高，需進行還原回收金屬鉻，可通過添加硅鐵或鋁來進行。轉爐冶煉結束后,鋼水再經ＶOD或RH等精煉設備進行最終的脫碳和合金成分的調整。臺灣中鋼CＳCB轉鋼冶煉不銹鋼的吹煉模式圖見圖2。4.2．2雙轉爐模式雙轉爐冶煉不銹鋼工藝是以川崎制鐵千葉廠No．4車間為代表,生產工藝流程見圖3。不銹鋼冶煉采用兩個轉爐進行。由于冶煉不銹鋼時，鉻和鎳合金的費用占整個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爐（SＲ—KCＢ）中，利用焦炭和氧氣反應熱以及炭的還原能力將鉻礦熔融并鉻礦還原進入鋼液中,從而生產不銹鋼的初煉鋼液。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，并升溫到預定的溫度（１８13～１8３3K）；第二階段為熔融還原期：根據供氧速度，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，一邊進行熔融還原反應。由于鉻礦的還原依賴于爐內二次燃燒產生的熱量來進行，因此要不斷調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：調整爐渣成分，以還原殘留在爐渣中的鉻的氧化物，并防止爐渣的冷卻時粉化，最終獲得Ｃr的質量分數(shù)９％～１2％的不銹鋼的母液，此時鋼液中［C]的質量分數(shù)為５%～6%范圍內，溫度為15４0～15８0℃，爐渣的堿度為２.5~3．00。（２)轉爐的脫碳將熔融還原爐得到的鋼液再倒入脫碳爐(DC—KCＢ）中,進一步進行精煉,開始鋼液中碳含量較高,需要加大氧氣流量進行高速脫碳，以提高脫碳效率并止鉻的氧化損失，當碳的質量分數(shù)降至0.1%～0．2％時即可出鋼。當鋼液中碳的質量分數(shù)小于１.0％時需采取控溫技術，使溫度保持在１700℃左右的較窄的范圍內。當碳的質量分數(shù)降至0．１%~0.３%低碳區(qū)時實施頂吹氮氣，并加大底吹惰性氣體流量,這樣可以起到稀釋CＯ分壓并加鋼渣界面的反應動能,有利于防止鋼液中鉻的氧化.然后將鋼水在VOD或RＨ一KTＢ中進行精煉.(3)鉻的回收工藝在熔融還原爐和脫碳爐冶煉時產生爐塵，通過ＳTＡR(ShaｆtＴｙｐeAirRefｉning）爐進行回收處理。將焦炭從ＳTAR爐的爐頂裝入。爐子的下部有二排風口，干燥的原料通過壓縮空氣從上部風口送入。經處理后的金屬液用鑄錠機進行鑄造，送到轉爐作為鉻和鎳的主要來源。經ＳTAR工藝處理后98％的鉻進入到鋼液中,在渣中和爐塵中鉻的質量分數(shù)均在１%左右。4。2。３電爐一轉爐模式該模式是為了解決轉爐冶煉不銹鋼時加入冷料合金量大的問題,采用電爐供應含鉻鐵水。該模式的最大特點是廢鋼和合金在電爐中熔化，轉爐吹煉時無需加入焦炭補償熱量，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首要的任務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現(xiàn)這一目標。因此，在轉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，在鋼液中的碳的質量分數(shù)小于0．1%時,鋼液中鉻的氧化會顯著增加,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碳區(qū)，這樣會降低鉻的氧化,提高氧氣的利用率,且會脫去更多的碳。目前工業(yè)生產中應用的不銹鋼精煉方法很多,但和轉爐冶煉不銹鋼匹配的主要是VOD和RH—ＫTB。根據ShujiTａkeｕchi等對SU５３04、SUS４30和ＳUH4０9不銹鋼在真空條件下鋼液中C、Cr含量計算結果如圖3所示，從圖3中可以看出,SUS304和ＳUＳ430不銹鋼在６。6７ｋPa或更低的壓力下進行脫碳時無鉻的氧化行為發(fā)生，SUH409在４．00kＰa壓力下可以將碳的質量分數(shù)脫至0.０2％的水平面鉻的氧化.采用RH—ＫTB對SUH409(含鉻11%超低碳不銹鋼）不銹鋼精煉時