金沙江

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司， 上海 201900）

行業(yè)縱橫

不銹鋼冶煉工藝及國內(nèi)現(xiàn)狀與發(fā)展

金沙江

（寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司， 上海 201900）

我國已成為不銹鋼消費(fèi)和生產(chǎn)大國，不銹鋼因其品種繁多，需根據(jù)不同品種及原材料種類組織生產(chǎn)。目前，我國不銹鋼生產(chǎn)發(fā)展方向是提高質(zhì)量、降低成本、節(jié)能減排，同時(shí)在原材料和技術(shù)設(shè)備匹配上不斷優(yōu)化。

不銹鋼 冶煉工藝 鉻礦 熔融還原 直接合金化

不銹鋼因其在大氣、水、酸、堿、鹽、或其他腐蝕介質(zhì)中具有很強(qiáng)化學(xué)穩(wěn)定性，廣泛地應(yīng)用在石油化工、原子能、輕工、紡織、食品、家用器械、電器、汽車等領(lǐng)域中。我國不銹鋼生產(chǎn)起步晚，2000年結(jié)束長期徘徊30萬t的狀況，迅猛發(fā)展，2016年全球不銹鋼粗鋼產(chǎn)量4 490萬t，產(chǎn)量居前五位的國家分別為中國、日本、印度、美國、韓國，其中我國不銹鋼產(chǎn)量2 493.78萬t，占全球產(chǎn)量的55.54%，到2020年中國不銹鋼粗鋼產(chǎn)量將超過3 000萬t，表觀消費(fèi)量將可能超過2 500萬t。隨著產(chǎn)能的提升如何通過優(yōu)化工藝流程及降低原料成本提升企業(yè)的市場競爭性力就迫在眉睫。

1 不銹鋼冶煉的發(fā)展

20世紀(jì)初英國的謝菲爾德成功冶煉澆鑄第一爐商品級(jí)不銹鋼，不銹鋼進(jìn)入人們視線。到20世紀(jì)40年代，美國人希爾蒂（D.C.Hilty）通過對(duì)Cr-C溫度平衡研究，提出在高溫條件下脫碳保鉻理論，奠定了不銹鋼冶煉理論基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了降低液化碳的分壓對(duì)生產(chǎn)不銹鋼生產(chǎn)物化反應(yīng)的影響，催生了不銹鋼冶煉技術(shù)的進(jìn)步，到20世紀(jì)60年代中后期，德國維騰公司(Witten)的Edel廠研制成功真空法VOD和美國聯(lián)合碳化物公司 (Union Cabide)稀釋法AOD，大大地降低了不銹鋼冶煉成本，提高了不銹鋼生產(chǎn)效率，使不銹鋼大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。

2 我國不銹鋼冶煉工藝設(shè)備

不銹鋼冶煉工藝的選擇與鋼種和原材料有關(guān)，這些原材料主要包括：廢鋼、鐵水、鉻礦石、鎳礦、合金等。

不銹鋼冶煉所用的裝備分為初煉設(shè)備和精煉設(shè)備兩大類，初煉設(shè)備包括：電弧爐(EAF)、非真空感應(yīng)爐（一般用于小規(guī)模生產(chǎn)）、礦熱爐、轉(zhuǎn)爐。精煉設(shè)備主要包括鋼包型精煉設(shè)備(VOD、SS-VOD、VOD-PB等 )、 轉(zhuǎn) 爐 型 精 煉 設(shè) 備 (AOD、VODC、VCR、CLU、KCB-S、KOBMS、K-BOP、MRP-L、GOR 等)及 RH 功能擴(kuò)展型精煉設(shè)備（RH-OB、RH-KTB、RH-KPB等）三大類[1]。

通常情況下，冶煉不銹鋼原料是廢鋼時(shí)，初煉設(shè)備采用電弧爐+精煉設(shè)備的短流程工藝；原料是鐵水時(shí)，初煉設(shè)備采用轉(zhuǎn)爐+精煉設(shè)備的工藝；原料是廢鋼+鐵水時(shí)，初煉設(shè)備采用（電弧爐+轉(zhuǎn)爐）+精煉設(shè)備的工藝；原料是鉻礦石時(shí)，初煉設(shè)備采用（熔融還原轉(zhuǎn)爐+脫碳轉(zhuǎn)爐）+精煉設(shè)備的工藝（目前該工藝僅日本川崎制鐵選用）；國內(nèi)有將紅土鎳礦為原料時(shí)，初煉設(shè)備采用（干燥窯+回轉(zhuǎn)窯+礦熱爐+轉(zhuǎn)爐）+精煉設(shè)備的工藝。

我國不銹鋼的冶煉工藝歷史經(jīng)歷了一步法、二步法和三步法發(fā)展歷程。在精煉效果上，一般品種的不銹鋼，可以采用一步或二步法工藝；對(duì)于要求不銹鋼中 w[C]+w[N]≤250×10－6時(shí)采用三步法工藝[2]。目前兩步法生產(chǎn)工藝約占70%，三步法生產(chǎn)工藝約占約20%，一步法生產(chǎn)工藝約占10%。

早期的不銹鋼一步法生產(chǎn)工藝是在電弧爐內(nèi)完成所有冶煉任務(wù)的，就是將不銹鋼返回料一步冶煉成不銹鋼。由于該生產(chǎn)工藝冶煉周期長、作業(yè)率低、生產(chǎn)成本高，已被逐步遭淘汰[2]。AOD冶煉不銹鋼工藝誕生后，一步法冶煉工藝得到再次發(fā)展，該工藝以低P鐵水和合金作為爐料加入AOD爐內(nèi)進(jìn)行冶煉的短流程。由于該工藝原料為鐵水預(yù)處理后的低P鐵水，在生產(chǎn)含合金量高的不銹鋼品種時(shí)需加入大量高碳合金，影響整個(gè)冶煉工藝的熱平衡，因此它只適用于合金含量低及純凈度要求不太高的不銹鋼品種。

二步法冶煉不銹鋼工藝是粗煉設(shè)備（電弧爐或轉(zhuǎn)爐）→精煉設(shè)備AOD爐/VOD爐。其特點(diǎn)為：電弧爐對(duì)固態(tài)原材料適應(yīng)性強(qiáng)，生產(chǎn)周期短，可生產(chǎn)除超低碳氮以外的所有不銹鋼品種。

三步法冶煉不銹鋼工藝是粗煉設(shè)備（電爐或轉(zhuǎn)爐）→精煉設(shè)備AOD爐→精煉設(shè)備VOD爐。其主要特點(diǎn)包括：原材料適應(yīng)性強(qiáng)，適合于吹煉高配碳的入爐粗鋼水，生產(chǎn)成本降低；以N代Ar，Ar氣消耗大幅度降低；AOD或復(fù)吹轉(zhuǎn)爐采用高供氧強(qiáng)度，脫碳速度很高，可快速脫碳至出鋼要求，溫度至1 650～1 700℃，Cr的回收率高；VOD中真空條件下氮分壓很低，低碳區(qū)脫碳速度較AOD也高，加上良好的底吹攪拌，有良好的的脫氮效果；產(chǎn)品范圍廣、質(zhì)量高，可生產(chǎn)超低C、N鋼，氣體及夾雜物含量低。

我國大型不銹鋼生產(chǎn)基地有山西太鋼不銹鋼有限公司（簡稱太鋼）、寶武集團(tuán)及青山控股集團(tuán)等企業(yè)，其中前兩家是既生產(chǎn)不銹鋼也生產(chǎn)碳鋼板材企業(yè)，采用長流程組織生產(chǎn)的聯(lián)合企業(yè)，原材料選擇范圍廣，不但有鐵水供應(yīng)，也有滿足需要的廢鋼的供應(yīng)，在不銹鋼冶煉工藝路線的選擇上相當(dāng)靈活。而青山控股集團(tuán)有限公司專業(yè)生產(chǎn)各種牌號(hào)的不銹鋼棒材、線材、帶材、型材、無縫管及管件等產(chǎn)品，采用短流程組織生產(chǎn)的企業(yè)集團(tuán)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于石油、化工、機(jī)械、電力、汽車、造船、食品、制藥和裝潢等領(lǐng)域。

太鋼有三種不銹鋼冶煉工藝流程。

第一種為短流程生產(chǎn)工藝：EAF→AOD，主要生產(chǎn)300系不銹鋼種。第二種為長流程生產(chǎn)工藝：鐵水預(yù)處理→K-OBM-S爐→VOD→LF爐，主要用于生產(chǎn)400系不銹鋼。第三種冶煉工藝為：LD（De-p）→AOD→LF/VOD或EAF→AOD→LF/VOD。其中第三種生產(chǎn)工藝靈活，既可以采用兩步法也可以采用三步法生產(chǎn)不銹鋼。

寶武集團(tuán)（寶鋼不銹鋼有限公司上海本部）不銹鋼冶煉工藝裝備為：鐵水預(yù)處理采用雙工位鐵水罐脫磷裝置、2座超高功率 EAF、2座 AOD-L、1座LATS和1座SS-VOD。流程一：鐵水預(yù)處理（鐵水罐脫磷）→AOD→VOD，生產(chǎn)200系和400系的部分鋼種；流程二：鐵水預(yù)處理（鐵水罐脫磷）→EAF→AOD→LTS處理站/VOD，生產(chǎn)200系、300系和400系不銹鋼；流程三：EAF→AOD→LTS處理站/VOD，生產(chǎn)200系、300系和400系不銹鋼。

3 熔融還原技術(shù)的應(yīng)用

由于原料成本約占不銹鋼生產(chǎn)成本的70%，而原料中鉻和鎳的費(fèi)用占很大比重，因此采用鉻礦或鎳礦取代含鉻或鎳鐵合金直接冶煉不銹鋼是降低不銹鋼原料成本的有效手段。

日本川崎制鐵研究開發(fā)轉(zhuǎn)爐熔融還原技術(shù)制備母液，到1994年已成功實(shí)現(xiàn)了不銹鋼工業(yè)化生產(chǎn)，形成了獨(dú)有的不銹鋼冶煉工藝，但該工藝不適宜生產(chǎn)300系列不銹鋼。該工藝用2座頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐，原料為鉻礦砂取代高碳鉻鐵直接冶煉不銹鋼，主要包括：STAR（ShaftType AirRefining）豎爐型鼓風(fēng)爐內(nèi)熔融還原煉鋼產(chǎn)生含鉻粉塵和轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的爐渣生產(chǎn)再生金屬→第一座SR-KCB（熔融還原鉻礦砂）→第二座DC-KCB（頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫碳）→VOD爐內(nèi)深脫碳。其配料為：鉻礦和廢鋼分別為230～280 kg/t和190～130 kg/t，由 STAR 供給再生金屬 250～50 kg/t，其他為鐵水[3]。該工藝優(yōu)點(diǎn)包括：提高主原料選擇的靈活性，直接在轉(zhuǎn)爐中使用鉻礦石或鉻礦粉，大量使用廢鋼；節(jié)約電能；提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本；提高產(chǎn)品質(zhì)量；減少排放，環(huán)境可控。

國內(nèi)鉻礦熔融法生產(chǎn)不銹鋼處在的還原機(jī)理研究及工業(yè)性試驗(yàn)階段。

在還原機(jī)理研究領(lǐng)域，有研究推測鉻礦還原分兩個(gè)階段，第一階段鉻礦通過CO氣體間接還原；第二階段鉻礦逐步向渣相中溶解，而被固體碳直接熔融還原，這兩個(gè)反應(yīng)與溫度密切相關(guān)。在試驗(yàn)條件下，鉻礦在CaO-SiO2-MgO-Al2O3渣系中溶解反應(yīng)為整個(gè)過程的限制性環(huán)節(jié)。到目前為止，尚未對(duì)鉻礦熔融還原機(jī)理達(dá)成一致觀點(diǎn)，研究成果的應(yīng)用具有局限性[4]。

此外，工業(yè)試驗(yàn)方面，據(jù)報(bào)導(dǎo)1992年在15 t轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行了鐵浴熔融還原制備不銹鋼母液的工業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)原料為含碳鉻礦團(tuán)塊和氧化鎳礦，煉成Cr13、Cr18Ni8兩種不銹鋼母液。Cr的熔融還原速率0.16～0.25w（Cr）/min，鉻的收得率 85%，且磷含量超標(biāo)。2000年在255m3高爐進(jìn)行了不銹鋼母液直接冶煉的工業(yè)試驗(yàn)[5]，共生產(chǎn)出含w（Cr）為5%～21.3%不銹鋼母液近千噸。

4 結(jié)語

我國已成為不銹鋼生產(chǎn)的大國2016年產(chǎn)量已占據(jù)全球不銹鋼總產(chǎn)量的一半，并且實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同鋼種及原料選擇不同的冶煉工藝來降低生產(chǎn)成本提高生產(chǎn)效率的能力，但若要進(jìn)一步減低成本，降低能耗，減少排放，采用鉻礦取代鉻鐵直接冶煉不銹鋼勢(shì)在必行。

[1] 李正邦，薛正良.不銹鋼二次精煉的轉(zhuǎn)爐化[J].鋼鐵，1999（5）：16-20.

[2] 游香米.不銹鋼冶煉工藝及爐型比較[J].鋼鐵技術(shù)，2009（6）：17-20.

[3] 岑永權(quán)，張國富.不銹鋼冶煉技術(shù)的發(fā)展[J].上海金屬，1999（3）：11-16.

[4] 劉巖，姜茂發(fā)，許力賢，等.轉(zhuǎn)爐鉻礦熔融還原法冶煉不銹鋼母液過程的熱力學(xué)[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2011（4）：9-13.

[5] 李一為，丁偉中，鄭少波，等.255m3高爐冶煉不銹鋼母液工業(yè)試驗(yàn)[J].鋼鐵，2004（4）：1-4；53.

Smelting Process of Stainless Steel and its Present Situation and Development in China

Jin Shajiang
（Baosteel Engineering&Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900）

China has become a big country for the consumption and production of stainless steel.Because of its variety,stainless steel needs to be organized according to different varieties and kinds of raw materials.At present,China's stainless steel production development direction is to improve quality,reduce costs,conserve energy and reduce emission,while constantly optimizing the raw materials and technical equipmentmatching.

stainless steel;smelting process;chromium ore;smelting reduction;directalloying

TF764.1

A

1672-1152（2017）05-0043-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.16

2017-08-30

金沙江（1965—），男，畢業(yè)于上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，工程師，從事工作為鋼鐵冶金工程設(shè)計(jì)及工藝技術(shù)裝備研究。

（編輯：苗運(yùn)平）