不锈钢精炼的方法

不锈钢精炼的方法

许多不锈钢精炼技术的开发研究提高了生产率及生产的经济性。这样的开发仍在进行，以使不锈钢成为一种符合健康、环境可持续性和耐用性要求的买得起的材料。

不锈钢是一种以含10%~30%Cr作主要组成部分的耐蚀合金钢种的通用名称。此钢以其美感、优异的光泽和高的耐用性而为众所周知。通过改变其Cr含量和添加诸如Ni，Mo，Mn，Cu，Ti，Nb等合金化元素可以将这些钢分类成奥氏体、铁素体、马氏体、双相和沉淀硬化型，具有各种不同显微组织、物理、力学和化学性能、适于各种特定用途需要的各种型式的钢。首次商业上利用的不锈钢是由Harry Brearlay于1912年在英格兰开发的12%Cr钢。虽然，早在1903年其他人已进行了批量试验，而同样于1912年在德国由Manrer和Strauss 在Krupp钢厂生产了第一炉奥氏体不锈钢。在1930年前，生产和投入市场的不锈钢相当于现代钢种的有AISI302、409、410、420、430及446。后来又开发了其他不锈钢种。直到二十世纪五十年代中期，不锈钢的年产量还未超过一百万吨。

二十世纪五十年代以前，不锈钢都是以单级工艺利用电弧炉生产的，该工艺涉及熔炼，通过吹氧对含铬熔体脱碳随后脱氧和合金化。这种工艺所面临的问题包括炼钢的周期长，影响生产率，需要昂贵的低碳铬铁的炉料配方的局限性，以及由于高温操作造成耐材浸蚀高和铬的回收率低等问题。在此期间也开始了采用BOF生产不锈钢，这后来进化变成EAF熔炼后的一个中间阶段，随后是钢包处理。

在二十世纪六十年代，通过提高温度和降低CO分压实现了C比Cr优先氧化的理念，从而提高了Cr的回收。这导致了以电弧炉作为主要熔炼阶段的经济地生产不锈钢的大批精炼工艺的开发，例如AOD（氩氧脱碳）等。

如今，不锈钢中有68.7%是产自AOD转炉，19.5%由BOF转炉-VOD（真空氧脱碳）工艺路线，6.8%单独由VOD及5%仅由转炉装置生产的。这些工艺均为三步或两步法。

精炼工艺

AOD转炉

AOD是一种穿过容器侧面（大多数沿着左侧）带喷咀的转炉，通过该侧向喷咀喷吹氧、氮、氩、空气和二氧化碳等工艺气体以及用来从顶枪喷吹氧、氩和氮气的装置。这种方法可以吸收大量的废料和较多的低价高碳铬铁。熔体的初始C含量约为3%，可达到低至0.015%C。EAF中熔融钢通过钢包转送到AOD容器，此时将氧和氩喷入熔池，随着C含量的下降而增加了Cr的氧化。为了节约氩气和降低Cr损，又确保快速脱碳，最初喷吹了低比例的氩氧混合气体。随着熔池中C含量的下降，该混合气体比例提高。加入硅铁等脱氧剂和石灰、荧石等熔渣，以将已氧化的Cr通过吹氩搅拌回收到钢水中来，生产低硫的不锈钢。例如，在AISI304的生产中，一般消耗量氩约为12Nm3/t，氮约为10 Nm3/t左右，氧约为26 Nm3/t，石灰约为50kg/t，荧石为3kg/t，铝约为2kg/t，还原用硅约为8 kg/t，脱碳金属约135kg/t而装炉到出钢时间通常约为60min。在AOD炉中，Cr的收得率约为96%，Mn的收得率为88%，而总的金属收得率为95%。

*川崎-BOP和川崎-BOM-S

川崎-BOP转炉看上去与一座带（补充）顶吹氧枪装置的BOF氧气转炉相似。它有7支以丙烷气（通过气体裂化）冷却的底喷咀吹氧。也可以通过此炉内喷咀喷吹粉化石灰。

川崎-BOM-S转炉是由奥地利的V AI（奥钢联）开发和从侧边或底部任一面装有喷咀，顶部也带喷枪的转炉之BOP工艺演变而成的。所用的顶吹气体有氧、氮和氩，而底部通过喷咀的气体有氧、氮、氩和碳化氢。用天然气或丙烷来保护喷咀和提高耐火材料之寿命。对通过这种炉子精炼的AISI304而言，氧消耗量一般为29Nm3/t，氮约为13Nm3/t，氩16.5Nm3/t，

还原用硅为11kg/t左右，石灰约为50kg/t，白云石20kg/t，以及荧石为8kg/t左右。CREUSOT LOIRE UDDEHOLM（CLU）

这种转炉工艺采用蒸汽作为稀释气体而不是比较常用的氩气。它是由瑞典的Uddeholm 和法国的Creusot Loire共同开发的。这种转炉带底吹氧、蒸汽、氮和氩的装置而所用的顶吹气体有氧、氮和氩。脱碳阶段开始喷吹氧-蒸汽混合气体，由于蒸汽与熔融金属的吸热反应及铬损比AOD工艺中的高许多，此工艺之效益很差。尽管通过此转炉的氩气消耗量减少了，但是硅的消耗量很高，而且使用蒸汽导致钢中吸氢很高。目前，已有采用更多的氩来取代蒸汽以提高这种转炉之工艺效益的趋势。当生产AISI304时，氧耗量约为2Nm3/t，氮约为13.5Nm3/t，蒸汽为10.4Nm3/t，氩为7Nm3/t，还原用硅约为15.5kg/t，氢含量达5.9ppm。

金属精炼工艺（MRP）

此转炉是由Mannesmann Demag开发的。该工艺涉及对含Cr和Ni的熔融金属炉料用氧和惰性气体进行脱碳。最初，这些气体通过沿着该转炉炉底置位的喷咀交替吹入，而且氧不用任何惰性气体稀释就吹入熔体。理想的吹氧后跟着就只吹惰性气体，吹氧后跟着吹惰性气体的周期导致CO分压降低，较快的脱碳率和增加了的铬回收降低了从渣中还原氧化铬所用之硅消耗量。此MRP-L转炉是一种改进型的，其中氧从顶部吹入而惰性气体从底部的透气塞砖和可调换的底喷咀吹入。此工艺可以采用比AOD中更高的喷吹率，而且喷咀的侵蚀极小。在C含量达到中间值以后，将此转炉中的熔融金属转送到进一步完成脱碳的地方。KRUPP复合吹炼不锈钢（KCB-S）

这种转炉工艺是由Krupp钢厂在一改进型BOF转炉上发展起来的，通过喷枪和侧壁喷咀形成了组合喷吹。与AOD相比，这样同时引入工艺气体有助于提高脱碳速率，从而减少了305钢种的精炼时间。在吹炼开始阶段，同时从顶枪和侧壁喷咀吹入纯氧。在达到想要的温度以后，吹氧期间加入铁合金和废钢。在达到临界C含量后，通过以4∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶4加入诸如氮或氩等惰性气体来减少工艺气体中的氧含量以不断地使所出现的C 含量达到更低的水平。当C含量达到0.15%时，顶吹停止，工艺气体仅通过喷咀单独引入。当目标碳达到时，加入硅以使渣中的氧化铬还原到金属中，跟着加石灰和熔渣以使溶解氧达到较低的水平和实现良好的脱硫。

氩二次熔炼（ASM）

这种方法是由德国的MAN GHH开发的，其喷咀沿着带有喷吹氧、氮和氩气设施的容器底部置位。对这种转炉稍作改进后就是带顶吹氧枪的ASM-L转炉。

住友顶底吹（STB）

此STB工艺是由住友金属工业公司提出的概念。开发这种方法是通过两者结合来克服使用纯顶吹或者纯底吹中遇到的困难。它有助于降低作为通过顶枪喷吹富氧气体的辅助供气的喷咀的侵蚀和提高脱碳速率，从而缩短了脱碳时间。

带底吹惰性气体的混合顶吹（TMBI）

此TMBI法是由Allegheny Ludlmm公司在底部装置了喷吹氩或氮等惰性气体的喷咀，看上去象一座BOF炉的转炉上采用的。所需之配方气体主要是从顶枪引入的，因而命名为TMBI。这种转炉被用作中间转炉，当添加Cr料时就将其炉料转送到另一座转炉中。这种工艺主要被用于生产铁素体不锈钢钢种。

RUHRSTAHL-HERAEUS OB工艺

这种工艺是由日本钢公司开发的。来自高炉的铁水直接被加入BOF，在该炉内进行Cr 合金化并将C吹炼到0.5%~0.6%，最终脱碳在RH-OB二次装置中进行以生产不锈钢。AOD/VCR工艺

在一座转炉上采用真空来缩短脱碳周期，降低Cr氧化和尽量减少氩气耗量的理念是由大同和日本钢公司试行的。在此工艺中，就在C含量在一座AOD中被吹炼下降到