以镍铁水为主原料生产不锈钢的特点

以镍铁水为主原料生产不锈钢的特点
陈为本
【摘要】不锈钢原材料成本约占其生产成本的85％左右,为满足不锈钢降低成本的需求,不锈钢原料结构发生了较大变化,传统的以不锈废钢、铬铁合金、镍铁合金等固态原料为主的原料结构逐步转向以普通高炉铁水和镍铁水为主.重点分析了以镍铁水为主要原料生产铬镍不锈钢时工艺流程的主要特点.%Raw material costs of stainless steel occupy about 85％ of total production costs,in order to mee the need of reducing stainless steel production costs,the raw material structure of the stainless steel occurs great change,regard the stainless steel scrap,ferrochrome alloys,ferronikel alloys etc solid raw materials as main raw materials structure step by step change into using blast furnace molten iron and molten nickel iron as main raw material
structure.Moreover empatically analysed the technology process main characteristics of production nickelchrome stainless steel under using mol ten nickel iron as main raw material.
【期刊名称】《工业加热》
【年(卷),期】2018(047)001
【总页数】3页(P63-65)
【关键词】镍铁水;不锈钢冶炼;脱硅脱磷;AOD
【作者】陈为本
【作者单位】宝钢德盛不锈钢有限公司精炼厂,福建福州350600
【正文语种】中文
【中图分类】TQ173
不锈钢品种繁多，且含有Cr、Ni、Mo等贵重金属元素，其在冶炼工序环节存在原料结构复杂、工艺流程长等特点。

不锈钢原材料成本约占其生产成本的85%[1]。

近年来，随着全球性能源、资源供需矛盾的持续激化，为进一步降低不锈钢冶炼成本，不锈钢冶炼所用主原料结构发生了重大的变化，主要体现在：①铬系不锈钢采用普通铁水+铬铁合金进行冶炼，辅以中频炉熔化部分高碳铬铁；②铬镍系不锈钢中的Ni资源向上游延伸，采用红土矿为原料生产的镍铁水或镍生铁为主原料进行冶炼。

基于上述原料结构的变化，导致不锈钢的生产流程与传统的以废钢（不锈废钢或碳钢废钢）+合金（铬铁合金或镍铁合金）为原料结构的生产流程有较大差异。

1 镍铁水的成分特点
镍铁水的成分，尤其是Si、P、S的含量决定着后续不锈钢炼钢工艺路线的选择。

在以镍铁水+铁合金为主原料生产不锈钢的工艺流程中，镍铁水主要来自于小高炉或矿热炉利用廉价的红土镍矿来生产得到。

这种由小高炉或矿热炉生产的镍铁水一般称之为粗镍铁水其中，小高炉主要生产低镍粗镍铁水，镍品位在1.5%左右；矿热炉主要用来生产高镍粗镍铁水，镍品位在10%及以上[2]。

典型粗镍铁水的成分如表1所示。

从表1可以看到，粗镍铁水中Si的含量比较高，为缩短后续AOD冶炼周期和控制AOD冶炼操作的稳定性，必须对粗镍铁水进行脱硅处理。

更进一步，根据钢种目标成分要求，比如在生产低磷、低硫含量不锈钢时，则需要相应脱除粗镍铁水中的S、P含量。

故而从工艺配置的角度来说，需要具备镍铁水精炼的设施。

表1 粗镍铁水成分镍铁水来源小高炉矿热炉w(C)/%4.0～5.0～3 w(Si)/%0.8～1.0 2 w(Mn)/%～0.9～0.3 w(P)/%0.03～0.05 0.025 w(S)/%～0.1 w(Cr)/%～4.6～2 w(Ni)/%～1.55～10.5 T/℃～1350～1450
与传统的以固态冷为主原料生产不锈钢相比，将镍铁水作为主原料，充分利用了镍铁水的物理热，避免了能量损失。

2 以镍铁水为主原料的炼钢工艺流程分析
典型的以镍铁水为主原料的两步法不锈钢生产工艺流程如图1所示。

图1 以镍铁水为主原料的两步法工艺
如前所述，镍铁水的成分特点在于C、Si、P、S含量较高，因此在冶炼不锈钢时，需要先行脱硅脱磷和脱碳，以减轻AOD冶炼负担，故而配置LD转炉完成上述冶金功能。

国内的浙江青山、宝钢德盛、福建鼎信等不锈钢企业在生产200系、
300系不锈钢时，均采用此种工艺路线。

炼钢各工序的主要特点及冶金功能如下。

2.1 LD转炉
LD转炉的主要冶金作用在于脱硅脱碳。

转炉主原料为镍铁水和镍生铁，为避免稀
释镍铁水中的镍含量，根据冶炼钢种的需求，转炉配加一定量的低镍生铁或中镍生铁。

冶炼过程吹氧进行脱硅脱碳操作，加入石灰进行造渣，造渣碱度在1.2左右，加入石灰石等进行过程温度控制。

终点采用高碳出钢以满足后续热量需求。

LD转炉冶炼过程难于脱磷，因为镍铁水中含有一定量的铬，当Cr存在的情况时，氧化脱磷难于进行。

其主要原因在于从热力学的角度，Cr比P更容易与氧气结合。

除非先把低镍铁水中的Si、Cr等元素都氧化去除后，脱磷才能够发生。

但这样操
作冶炼周期长且Cr氧化损失大，经济性差。

因此，必须通过控制原料中的磷含量，以满足成品磷含量需求。

此外，在转炉出钢之前，还可以兑入中频炉熔化的母液，利用转炉强烈的底吹搅拌和中频炉熔化的高碳铬铁中的高Si含量，还原转炉的富铬渣[3]。

2.2 中频炉
中频炉冶金功能相对单一，辅助熔化铬铁合金。

主要是通过电能输入，将炉料级铬铁或高碳铬铁熔化成铬铁水。

2.3 转炉型精炼炉
不锈钢精炼过程中的转炉型精炼炉主要有AOD、GOR和K-OBM-S等。

其主要冶金原理是利用向钢水吹氧的同时，吹入惰性气体Ar、N2，通过降低CO分压，达到假真空效果，来抑制钢中铬的氧化。

AOD（Argon Oxygen Decarburization）是普莱克斯提供的技术。

作为生产不
锈钢的主要设备，其冶炼过程分为脱碳、还原及脱硫等3个阶段，其中脱碳阶段
随钢水中碳含量的逐渐降低又分为若干子阶段，高碳阶段顶枪与侧枪复合吹炼，待钢水碳含量低于脱碳速度的临界碳含量后，顶枪停吹；低碳阶段仅使用侧枪进行吹炼。

以120tAOD为例[4]，AOD炉顶枪为单孔枪，最大供氧流量150 m3/min；侧枪为高速等熵流套管式风枪，数目7枝，最大供氧流量100 m3/min。

AOD炉采用单孔顶枪冶炼时，枪位290 cm，铬收得率约97%，冶炼周期75～80 min，复合脱碳阶段的脱碳速度约0.10%/min，升温速度约6.5℃/min，存在着冶炼时
间偏长、铬氧化量较大的情况。

GOR（Gas Oxygen Refining）是由乌克兰国家冶金学院开发的一种不锈钢精炼
工艺[5]。

目前国内宝钢德盛（100tGOR）、泰山不锈（70tGOR）、西南不锈（60tGOR）等厂均采用GOR炉进行不锈钢钢水的生产。

GOR冶炼脱碳分为三期，第一期向熔池顶吹氧气，底吹气体主要是氮气或其他碳氢化合物，用来保护底吹喷嘴，吹炼至钢中含碳量在1%；第二期采用底吹氧气进行脱碳，其中供氧流量降至60%左右，吹炼至钢中含碳量在0.2%；第三期采用底氧，其中供氧流量降至20%左右，吹炼至钢种目标碳含量。

一般，GOR的最低碳含量可至0.03%。

以
100tGOR为例，其供氧流量为80m3/min（标准）。

K-OBM-S是由奥钢联公司在K-BOP碱性氧气转炉的基础上增加了底吹喷嘴或侧
吹喷嘴，实际上KBOP和K-OBM-S最初都是顶底复吹碱性氧气转炉[6]。

K-
OBM-S的主要特点在于顶吹氧气，底吹氧气或氩气，供氧强度可达4.0m3/（t·m）（标准），属强搅拌型顶底复吹转炉，底吹风口采用碳氢化合物冷却，能有效形成蘑菇状，保护风口，延长炉体寿命。

国内太钢南区采用75tK-OBM-S进行生产。

2.4 典型钢种物料平衡和能量平衡情况
以300系不锈钢为例，在以镍铁水为主原料进行生产时，需考虑全流程的能量结构，决定中频炉的熔化量。

表2～表5分别给出了转炉工序和精炼工序（以AOD）物料和能量情况。

3 结论
以镍铁水为主原料生产铬镍系不锈钢是成熟可靠的工艺流程。

由于镍铁水C、Si
含量高的特点，工艺流程的配置上需选用转炉作为预处理炉先行脱硅脱碳，同时需考虑全流程能量的平衡以决定是否采用中频炉辅助熔化部分合金后再入AOD炉进行精炼至目标钢水成分。

表2 300系不锈钢转炉工序物料和能量表物料种类低镍铁水高镍生铁高碳铬铁高
碳铬水出钢成分w(C)/%4.7 3.5 8.05 8.05 3.6 w(Si)/%0.8 2.5 2.8 2.8 0.1
w(Mn)/%0.6 0.2 0.5 w(P)/%0.035 0.02 0.024 0.024 0.026 w(S)/%0.02 0.02
0.034 0.034 0.03 w(Cr)/%4.5 1.7 55 55 18.2 w(Ni)/%1.5 10.5 2.62 T/℃1 350 25 1 550质量/kg 61 784 13 000 4 000 22 000 96 680
表3 300系不锈钢转炉序能量表辅原料/kg石灰石石灰2 500 8 000气体（标准）/m3氧气氮气3 400 200
表4 300系不锈钢AOD工序物料和能量表物料种类转炉成分返回废钢目标成分
w(C)/%3.6 0.05 0.05 w(Si)/%0.1 0.45 0.45 w(Mn)/%0.5 1.0 1.0 w(P)/%0.026 0.04 0.01 w(S)/%0.03 0.01 0.01 w(Cr)/%18.2 18.15 18.15 w(Ni)/%2.62 8.05
8.05 T/℃1 490 1 560质量/kg 96 680 1 040 100 000
表5 300系不锈钢AOD工序能量表合金/kg高碳铬铁镍板电解锰硅铁1 884 5 644 833 2 292辅料/kg石灰萤石8 000 1 180气体（标准）/m3氧气氮气氩气4 646 1 753 756
参考文献:
【相关文献】
[1]李冬刚，吴燕萍，史彩霞.以转炉为预处理炉冶炼不锈钢的特点[J].上海金属，2013，35（4）：29-31.
[2]周建男，周天时.利用红土镍矿冶炼镍铁合金及不锈钢[M].北京:化学工业出版社，2016.
[3]张鉴编.炉外精炼的理论与实践[M].北京:冶金工业出版社，1993.
[4]池和冰，邵世杰，李冬刚.AOD全铁水冶炼铁素体不锈钢工艺研究[J].宝钢技术，2008（2）:16-20，30.
[5]王雷.不锈钢精炼工艺GOR[J].上海宝钢工程设计，2004（3）:10-12.
[6]游香米.不锈钢冶炼工艺及炉型比较[J].钢铁技术，2009（6）:17-20.。