转炉高效冶炼不锈钢技术

转炉高效冶炼不锈钢技术

转炉高效冶炼不锈钢技术

1 前言

不锈钢以其优良的特性在化学、电力、交通运输、航空航天工业、食品加工、民用等方面得到了广泛的应用，自1912年德国Crupp公司在感应炉上成功地开发出不锈钢冶炼工艺，并成功应用于生产实践以来，90多年来围绕着低成本、高效率生产不锈钢技术，世界不锈钢生产商进行了不懈的努力，开发出了多种不锈钢生产工艺技术。

20世纪80年代以来，随着铁水预处理技术应用日益成熟，铁水脱硅、脱磷和脱硫技术开发成功并应用于工业化生产，为转炉提供低磷、低硫铁水创造了条件。同时转炉顶底复吹技术日益完善，开发出了较强的、便少调节的、可供多种气体的底吹功能，使转炉吹炼不锈钢的条件更加优越，铬的氧化损失进一步降低。更为重要的是炉外精炼技术的发展十分迅猛，特别是RH- OR、RH-KTB、VOD等真空吹氧脱碳技术的开发，不仅可以减轻转炉冶炼不锈钢的脱碳任务，而可以改善不锈钢的质量和扩大转炉的不锈钢的品种。因此，随着铁水预处理，顶底复吹和炉外精炼技术献发展使得转炉冶炼不锈钢的生产规模逐步扩大。

2 不锈钢冶炼工艺

采用转炉生产不锈钢工艺路线如表1所示。

不锈钢的冶炼方法根据原料的不同主要有三类，一类是以固态原料为主，如废钢或合金，先在电炉中熔化炉料，然后在不同的转炉中精炼

(包拒AOD、CLU、K—OBM、KCB、MRP、LD—0B等)。既可以采用最终为VOD真空处理的三步法，也可以采用只在转炉后简单钢包处理的二步法。这种方法用电炉作为初炼炉，主要用于熔化炉料，生产不锈钢母液。目前世界上大多数的不锈钢厂采用电炉＋AOD二步法冶炼不锈钢，占不锈钢总产量献65%以上。

第二类是以铁水为原料，不使用电炉熔化废钢，而是转炉内用铁水加铬矿或铬铁合金直接灶融还原或初脱碳，然后再经真空处理最终脱碳榨炼，这种方法由于铁水作为原料，可以降低不锈钢的生产成本，因而在一些钢铁联合企业中得到了应用。

第三类是以部分铁水为原料，采用的电炉+转炉进行冶炼，再经真空精炼。这种工艺的思路是把EAF＋AOD和EAF＋VOD的优点结合起来，达到快节奏、低成本、低氩耗的生产超低碳、超低氮的不锈钢目的。该工艺采用脱磷铁水与EAF熔化炉的高温合金预熔液混合兑入转炉，在转炉内完成脱碳、脱硫、还原、粗调合金成分等任务，然后再进行真空处理，完成最终脱碳及合金成分调整等精炼工作。

表1 转炉用铁水冶炼不锈钢的主要生产工艺路线

序号国

家

生产厂工艺路线产品组成产量/（万

t·a-1）

投

产

时

间

1 日

本新日铁

八幡

HM De-P+1×120t

LD-OB+VOD

Cr系：98.4%

Ni-Cr:1.6%

24.1 198

3

Cr 系:63.1% Ni-Cr:36.9% Cr 系:主产品

2 日本

川崎千叶（No.4）

1×185t SR-KCB(铁

水+废钢)+1×185t DC-KCB+VOD/RH-KTB

60

1996.5

3 中国

台湾中

钢

HM De- P+120t CSCB+VOD

1994.7 4 南非

ISCOR Pretoria

厂

HM De-P+1×90t

UHP+1×125t K-OBM-S+VOD

50

1996.7

5 巴西

Acesita

HM De-P+2×33t EFA+1×75t MRP-L+VOD

30

1996.5

6 日本

室兰厂

HM De-P+155t LD-CB+RH-OB

50

1972

注:HM 为铁水,De-P 表示铁水脱磷，SR-KCB 即熔融还原转炉，DC-KCB 即脱碳转炉，LD-OB 即新日铁开发的顶底复合冶炼方法，MRP-L 即曼内斯曼德马克开发的精炼方法，CSCB 即台湾中钢开发的顶底复合冶炼方法。

3 转炉冶炼不锈钢的关键技术

3.1 脱碳保铬

由于不锈钢的主要合金——铬元素在高温下很容易氧化，因此在转炉冶炼不锈钢不但要具有足够的脱碳能力，同时还抑制铬元素的氧化损失。

根据冶金学原理，钢水温度越高越有利于脱碳反应的进行；转炉内

CO的分压越低有利于铬的还原，在吹氧脱碳的同时，可抑制铬元素的氧化损失。为了符合热力学理论的要求，在转炉通常采用的是稀释精炼法即以大流量的底吹惰性气体来稀释转炉内因脱碳反应所产生的CO的浓度，降低CO的分压。同时，也可促进钢水的搅拌，加速脱碳反应。此外，在钢水温度控制方面，首先要克服热源不足的问题，然后才能有效达到高温(≥1700℃)操作。

3.2 热补偿

由于不锈钢是高合金钢，在冶炼时需加入大量的冷料合金，如仅以铁水的显热和氧化热在转炉内炼钢，其热能显然是不够的。

据高碳铬铁、镍铁[w(Ni)=25%]及铁水冶炼430、304不锈钢的物料平衡分析结果可知：冶炼430钢种的热不足率为5.29%，冶炼304钢种的热不足率为12.35%。根据台湾中钢针对304、316、410、420和430等钢种通过数学模型计算出加废钢和加17%废钢的计算结果，则上述各钢种的热量不足率如表2所示。

表2 中钢不锈钢转炉冶炼的热不足率%

钢种不加废钢加17%的废钢

SUS 430 5.4 14.2

SUS 410 6.1 15.0

SUS 420 8.0 16.8

SUS 304 11.5 21.8

SUS 316 14.6 23.8

由此可见，采用脱磷铁水单转炉冶炼400系列低合金牌号不锈钢有着明显的优势，新日铁和台湾中钢的产品结构也证明了这一点。冶炼304以上高合金牌号不锈钢时在不加废钢时热不足率在10%以上。为了解决转炉冶炼不锈钢时热量不足的问题，川崎千叶第四炼钢厂、台湾中钢等都是通过向转炉中加入焦碳，通过焦碳反应产生的CO二次燃烧放出的热量来补偿熔池的热量。但是如果加入大量的焦碳会增加转炉的冶炼周期，同时还会增加转炉和后工序的脱硫负担。

3.3 炉底寿命

由于顶底复吹转炉在冶炼不锈钢时，其底吹气体的流量是冶炼低碳钢的20倍以上，采用双重吹管，加上高温操作的因素，皆会加速炉底耐火材料的熔损。因此，降低成本底耐火材料熔损速度技术，提高炉底耐火材料的寿命，成为降低转炉冶炼不锈钢成本重要一环。为了解决转炉不锈钢时炉底寿命较低的问题，开发出了可更换炉底技术。

炉底寿命的长短，取决于底吹喷嘴的寿命。底吹喷嘴通常为双层套管形式，内管根据冶炼不同的阶段要求喷吹氧气、氢气或氮气，外管吹入冷却性气体，在喷嘴区域形成保护性“蘑菇头”，以提高喷嘴的寿命，降低耐火材料的消耗，同时可确保钢液充分搅拌。常用的冷却气体有天