不锈钢生产工艺

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不锈钢生产技术的新进展
由于不锈钢用途广泛,价格-寿命比低,可 100%回收使用,以及 冶金和材料的新工艺、新技术的迅速发展,使世界不锈钢成本大幅度下 降,产量高速增长[1],也使不锈钢产量占钢总产量的比例有较大提高[2, 3]。同时,不锈钢的品种质量也有显著发展[4~7]。
1 不锈钢冶炼工艺
1.1 AOD 法 AOD 法仍然是冶炼不锈钢的主要方法。目前世界上约有 1~185 t AOD
t)
1996.5
LD
1×90 t EAF+2×75 t 4×30 t EAF LD-OB+VOD+CC
不锈钢 板坯
48 万 t (54 万
t)wk.baidu.com
-
LD
EAF+1×150 t LD-OB(1×60 t AOD)+VOD +CC
不锈钢 板坯 (20 万 碳钢板 t) 坯
-
注:表中括号内数字为 1996 年产量。
32 21 8~9 6 5~9 2 135 -
兑钢至出钢时间/min 50~80 40
总铬收得率(EAF/AOD)/% 96~97 99.5
总锰收得率(EAF/AOD)/% 88 95
总金属收得率(EAF/AOD)/% 95 97
注:初始碳含量 1.8%,成品:[N]0.05%,[S]0.005%。
1.2 三步炼钢法 三步炼钢法是 80 年代开发出来的不锈钢冶炼新工艺。从表 1 可看出
该方法在不锈钢生产中所占比例已接近 20%。 与电炉-AOD 二步法不同,三步炼钢法实质上是初炼炉-转炉-真空精
炼炉[9,10],根据工厂的原料及其它条件,初炼炉既可选电炉也可以选转 炉。转炉的型式有普通的复吹转炉 LD、曼内斯曼.德马克公司开发的 MRP-L 转炉和奥钢联开发的 K-OBM 转炉。转炉的功能主要是快速脱碳并 避免铬的氧化,第 3 步的真空精炼炉主要采用 VOD,个别厂采用 RH-OB 或 RH-KTB。目的是将钢水在真空下进一步精炼并调整成分。以 MRP 为代 表的三步炼钢法主要优点是:转炉炉衬寿命高(900~1 100 炉次)、产品 范围广、质量好(O、N、H 低)、有利于同连铸机匹配(提高连铸炉数)。 表 4 是近年来新建的三步炼钢法不锈钢厂。
Armco 曼斯菲 尔德厂
t/135 t EAF(经改
造) 1×117 t AOD(经改
造) 1×117 t/135 t
厚度 75~
125 mm 步进式加热炉(可放 13
宽度 635~1 块板坯,5 个加热区)
1996.5
板坯
比利时 阿 尔兹
巴西 阿谢 西塔
日本 日新
日本 新日 铁八幡
MRP
1×90 t EAF+100 t MRP-S+2×100 t VOD +CC
不锈钢 板坯
50 万 t
1988.4
MRP
2×35 t EAF+1×75 t MRP-S +VOD+CC
不锈钢 板坯
35 万 t (10 万
图 1 无顶枪 AOD 与有“硬吹”顶枪 AOD 脱碳比较 Fig 1 Comprison of decarbonisation of AOD without top lance and
AOD with "blowing hard"top lance
另外“软吹”工艺缩短脱碳时间是“硬吹”的 70%。但是由于它能 产生附加的热能并传递给熔池,因而还能减少硅的消耗、增加废钢用量 并降低电炉出钢温度。(2) 计算机智能控制:许多工厂已经发展了计算 机静态和动态控制模型。(3) 用 AOD 法生产超低碳-超低氮铁素体不锈钢 如 409L 和 439L。用 AOD 法生产的铁素体钢其碳和氮的含量很低(见表 2)、 接近于 VOD 法生产的钢,这种趋势还会发展下去。
表 5 CSP 和 ConRoll 生产线 Table 5 CSP and ConRoll production line
新技术 厂名 冶炼设备 连铸设备
热轧设备
产品、规格及 产量
2×SMS 薄板
坯连铸机
CSP
纽柯公 司— 克劳福 茨维尔 厂
2×150 EAF
1×150 AOD
2×150 LF
1×150 VDF
2.0~12.7 mm×900~ 1 350 mm 2 条线 160 万 t/年,其中不 锈钢 20 万 t
连铸机半径
3m
ConRoll Avesta
VA1 型连铸 步进式加热炉 2 座

粗轧(4 辊)×6 600 kW 不锈钢卷板及
1×75 t (经改造) 精轧(炉卷轧机) 中板 2~12.7
EAF 厚度 80~
2 不锈钢连铸工艺技术
2.1 普通不锈钢连铸机 从 70 年代以来不锈钢连铸发展很快,目前用于浇注不锈钢方坯、板
坯的专用普通连铸机已达 77 台,不锈钢连铸比已超过 95%[13]。 普通不锈钢连铸浇注的板坯厚度一般为 200 mm,其发展趋势如下:
(1) 产量规模不断扩大。例如:奥钢联新建的浦项公司和哥伦布不锈钢 厂专用板坯连铸机以及改造的芬兰奥托昆普公司不锈钢专用板坯连铸机 的规模都达到 50 万 t 以上。(2)多炉连铸比不断提高,例如:浦项不锈 钢厂 90 t 钢包连铸机的连铸炉数从 1989 年 1.6 炉提高至 1995 年的 4.1 炉,最近又提高到 7 炉,连铸时间长达 420 min[14]。(3)板坯表面质量 大大提高。例如浦项不锈钢厂,通过安装大包探渣器避免大包下渣;中 间包筑坝改善钢水流动,提高中间塞杆耐火材料质量以控制结晶器液面 水平;确定最佳结晶器振动频率(160~180 次/min)、浸入式水口插入深 度(110~130 mm);保护渣最佳消耗量(0.4~0.5 kg/t)以改善振痕深度, 使不锈钢板坯质量大大提高。目前 304 钢板修磨比为 5%,热轧钢卷修磨 比 0.5%,430 钢板坯修磨比为 10%,热轧钢卷修磨比为 5%[14]。(4)其它 新技术的运用:如等离子中间包加热技术,电磁搅拌技术等。 2.2 薄板坯连铸机
1.3 其它转炉法 其它转炉法占世界不锈钢总产量的 5%,例如:1996 年 CLU 法南非哥
伦布厂生产的 28 万 t,瑞典 Degefors 厂生产 18 万 t,ASM 法印度 Jindal 厂生产 9 万 t,SFR 法日本福山厂生产 9 万 t。
CLU 法是由瑞典 Uddeholm 和法国 Creusot Loire 厂发明的,是电炉 -转炉二步法。第 1 座 70 t 工业炉于 1973 年在瑞典 Degefors 厂投产, 1995 年 5 月南非哥伦布厂投产了由奥钢联建设的 2 座 100 t CLU 炉子, 设计年产不锈钢 54 万 t。该工艺的主要特点是在脱碳过程中通过底部风 口吹入的过热水蒸汽进入钢水后分解成氢和氧,氢可作为稀释气体代替 氩来降低脱碳过程中的 CO 分压,氧则可进行氧化反应,同时在水蒸气分 解过程中要吸收大量的热量,降低温度,因而无须像 AOD 工艺那样在脱 碳末期加入固态冷却剂。CLU 法同 AOD 法相比氩气消耗可减少 70%[11]。
表 4 三步炼钢法冶炼不锈钢的工厂 Table 4 Some stainless steel works using three step melting
process
厂名
转炉型 式
工艺路线
产品
设计 竣工日 产量 期
韩国 浦项 K-OBM
1×85 t EAF+1×90 t K-OBM-S +VOD+CC
最近大型钢铁联合企业利用脱磷铁水的优势,将传统的 LD 转炉改造 用于生产不锈钢。例如,1990 年 9 月日本钢管福山厂将 120 t 转炉改造 成为顶底吹炼的还原炉-SRF 炉。生产过程是将经脱磷和脱硫的铁水以及 不锈钢废钢装入 SRF 炉内,同时装入铬矿石、镍矿石以及作为能源、还 原剂的焦炭;先进行熔炼还原,然后再进行脱碳精炼,出钢后钢水经 NK-AP 处理或 RH 脱气处理,由于实施焦炭二次燃烧和强迫熔池 搅拌技 术,转炉内可加入大量铬矿石代替铬铁,创造了冶炼不锈钢铬铁消耗量 仅为 7.7 kg/t 的新记录(过去消耗量为 40 kg/t),炉衬寿命达到 2 000 次,生产能力可达 1 万 t/月[12]。
produced by an 80 t AOD furnace
名称
氩气/m3.t-1 氮气/m3.t-1
指标 典型 最好
12 9 9~11 9
氧气/m3.t-1 石灰/kg.t-1 萤石/kg.t-1 铝/kg.t-1 还原用硅/kg.t-1 炉衬砖/kg.t-1 脱碳金属/kg.t-1
25~32 50~60 42
近年来 AOD 工艺有不少改进,主要有: (1)增加顶枪吹氧。在脱碳过程中,通过风口吹入 1/3~1/5 的 Ar/O2 混合气体和通过顶枪吹入 100%的氧。顶枪吹氧工艺,有“硬吹”和“软 吹”,“硬吹”就是通过顶枪吹入的氧 100%同熔池反应;“软吹”就是 通过顶枪吹入的氧,约 60%同熔池反应,40%在炉帽空间将 CO 燃烧成 CO2。 图 1 表明顶枪“硬吹”工艺(KCB—S 工艺)比普通 AOD 工艺可缩短脱碳时 间 44%[9]。
melting processes to total stainless output
冶炼方法
占不锈钢总产量的比例/% 1983 年 1996 年
AOD
71.8
68.7
转炉/VOD
10.4
19.5
VOD
9.2
6.8
电炉
4.2
-
其它转炉 (CLU,ASM,SFR 等)
4.4
5.0
注:世界不锈钢总产量,1983:655 万 t;1996:1 500 万 t
t t t t
厚度 40~ 50 mm
宽度 900~1 350 mm
长度 max 47 m
铸速 max 6 m/min
辊底式均热炉(长 162 m,4 个加热区,100 个 烧嘴),精轧机 4×7 000 kW(现已变成 5 机 架,将改造成 6 机架), 液压 AGC、CVC,工作
辊弯曲
普通钢,不锈 钢
melting by AOD process
钢号
C/×10-6
N/×10-6
典型 最好 典型 最好
11%~13%Cr 70 30 80~110 60 16%~18%Cr 70~100 60 100~130 80
注:表中结果也可在冶炼奥氏体不锈钢中获得。
表 3 80 t AOD 炉中生产 304 不锈钢技术经济指标 Table 3 Technical and economic index for 304 stainless steel
不锈钢 板坯
45 万 t
1996.8
南非 伊斯 柯
K-OBM
EAF+1×125t K-OBM-S+VOD(双 出)+CC
不锈钢 板坯
50 万 t
1995.5
日本
川崎
不锈钢
K-OBM
H/MDep+1×160 t KMS-S
板坯 (60 万
+1×160 t K-OBM-S+VOD(RH-KTB) 普通钢 t)
1×15 000 kW mm×2 100 mm
1×75 t 200 mm,宽度 液压 AGC、CVC,工作 60 万 t/年(可
AOD 660~2 100 辊移动(±125 mm) 增至 82.5 万 t/
mm,连铸机 工作辊弯曲(1 500 kN/
年)
半径 8 m。
每个辊颈)
VAI 型薄板
2×117 坯连铸机
薄板坯连铸机已广泛用于生产普通钢,浇注板坯厚度为 40~127 mm, 主要方法有西马克开发的 CSP 技术,德马克开发的 ISP 技术、达涅利开 发的 FTSR 技术、奥钢联开发的 ConRoll 技术、美国莱平斯开发的 TSP 技术和住友金属开发的 QSP 技术。但目前工业化的只有 CSP 和 ConRoll 生产技术,见表 5。
正在开发的 AOD 技术:不锈钢脱磷技术;通过风口喷粉技术;使用 不规则形状风口、溅渣护炉技术等。80 t AOD 炉的技术经济指标见表 3。
表 2 AOD 冶炼的铁素体不锈钢中的 C 和 N 含量 Table 2 Obtained C and N content in ferrite stainless steel
炉 155 台,其中 1/2 在不锈钢厂,另外 1/2 在铸造厂。AOD 法生产的不 锈钢已突破 1 000 万 t,约占世界不锈钢总产量的 68.7%[8],见表 1。
表 1 各种方法冶炼的不锈钢占不锈钢总产量的比例 Table 1 Proportion of stainless output produced by various
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