不銹鋼冶煉工藝的發(fā)展與分析

黃 飛 朱偉偉 閆抒宇

(1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；2.上海電氣上重鑄鍛有限公司冶鑄分廠，上海200245)

不銹鋼冶煉工藝的發(fā)展與分析

黃 飛1，2朱偉偉2閆抒宇2

(1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200240；2.上海電氣上重鑄鍛有限公司冶鑄分廠，上海200245)

介紹了不銹鋼當(dāng)前的生產(chǎn)情況和冶煉工藝的發(fā)展歷史，分析了二步法和三步法生產(chǎn)不銹鋼的特點(diǎn)，闡述了不銹鋼生產(chǎn)中選擇性氧化的理論基礎(chǔ)。

不銹鋼；冶煉工藝；二步法；三步法；選擇性氧化

不銹鋼是指一系列在空氣、水、鹽等水溶液、酸以及其他腐蝕介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼種?，F(xiàn)有的不銹鋼從化學(xué)成分來看，都是高鉻鋼。歷史上當(dāng)鋼中Cr含量超過12%時(shí)，在大氣中基本不生銹，所以現(xiàn)在習(xí)慣上將Cr含量超過12%的鋼種統(tǒng)稱為不銹鋼[1]。不銹鋼在鋼鐵產(chǎn)業(yè)中僅占很小一部分，但由于其具有優(yōu)異的性能，在特種行業(yè)有廣泛的應(yīng)用，所以不銹鋼產(chǎn)業(yè)是十分重要的產(chǎn)業(yè)。

不銹鋼目前通用的分類是按照其在正火狀態(tài)下的組織狀態(tài)，分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼[2]。

1 不銹鋼冶煉工藝的發(fā)展

不銹鋼冶煉工藝的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段[3]，即一步法、二步法和三步法。

1.1 一步法

一步法，即配料熔化法，在1938年以前廣泛被采用。該工藝是將各種低碳原料，如純鐵、鎳板、低碳廢鋼和微碳鉻鐵等，按照鋼種化學(xué)成分規(guī)范，計(jì)算好各料的比例，放入電爐內(nèi)，然后通電熔化生產(chǎn)不銹鋼，在該工藝中電爐只起到單純的化料作用。在通電過程中，電極會(huì)慢慢的向鋼液中滲碳，因而該工藝無法消化不銹鋼返回料。

不銹鋼一般都是鑄造產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生如澆道、冒口等30%～40%的返回料。如果在該工藝中大量使用返回料，一方面電極在冶煉過程中，會(huì)由于滲碳作用向鋼液中滲入0.05%～0.08%的碳，引起碳成分出格。另一方面，由于當(dāng)時(shí)吹氧技術(shù)尚未發(fā)明，鋼液的脫碳主要是通過礦石氧化脫碳，因?yàn)殂t元素的活性要大于碳元素，會(huì)造成返回料中鉻元素的大量氧化而碳不氧化，所以在1939年吹氧法發(fā)明后該工藝逐步被淘汰。

1.2 二步法

二步法也叫雙聯(lián)煉鋼法，是20世紀(jì)60年代隨著AOD和VOD的興起而發(fā)明的，其工藝流程為：電爐(EAF)→AOD/VOD，具體操作為將含鎳生鐵、高碳鉻鐵和廢鋼經(jīng)電弧爐熔化的鋼水兌入AOD/VOD進(jìn)行脫碳，然后視需要進(jìn)LF，進(jìn)行成分和溫度的微調(diào)，脫硫，去夾雜物等。

1.3 三步法

集合AOD和VOD的優(yōu)點(diǎn)形成的EAF→AOD→VOD的冶煉工藝，興起于20世紀(jì)80年代，也叫三聯(lián)煉鋼法。三步法工藝各環(huán)節(jié)分工明確，使操作最佳化，產(chǎn)品質(zhì)量高，品種范圍廣，是目前生產(chǎn)超低碳、控氮或含氮不銹鋼和超純鐵素體不銹鋼的理想工藝[4]。

2 不銹鋼冶煉的理論分析

無論是二步法還是三步法，其工藝發(fā)展的理論基礎(chǔ)都是運(yùn)用選擇性氧化的理論，控制好鋼液中的碳和鉻的氧化轉(zhuǎn)化溫度，達(dá)到“去碳保鉻”的目的。

為了達(dá)到降碳保鉻的目的，可以采用兩種方法：一種是降低熔池CO的分壓，如AOD、VOD法；另一種是利用溫度效應(yīng)，通過向熔池中高強(qiáng)度吹氧化硅、Mn、Al等元素產(chǎn)生化學(xué)熱來快速提高熔煉溫度以達(dá)到去碳保鉻的目的。

具體的[C]和[Cr]的氧化轉(zhuǎn)化溫度計(jì)算結(jié)果見表1。從表1可以看到，要在大氣環(huán)境下，將碳脫到0.05%以下，鋼液的平衡溫度會(huì)超過1800℃以上，這是耐火材料不能承受的。在真空環(huán)境下(10 132 Pa)，同樣的將碳脫到0.05%，鋼液平衡溫度只有1602℃。繼續(xù)提高真空度(5066 Pa)，當(dāng)碳降低到0.02%時(shí)，與之平衡的鋼液溫度也只有1633℃，此溫度是鋼包耐火材料的正常工作溫度，這就是生產(chǎn)上降碳保鉻的理論基礎(chǔ)。

表1 [C]和[Cr]的氧化轉(zhuǎn)化溫度計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculated results of transition temperature of oxidation of C and Cr

3 二步法和三步法冶煉不銹鋼工藝的分析

3.1 二步法

3.1.1 EAF→AOD流程

EAF→AOD工藝是目前生產(chǎn)不銹鋼的主要方式，目前世界上70%左右的不銹鋼均通過此工藝流程生產(chǎn)，其中電爐主要用于熔化廢鋼和合金原料，生產(chǎn)粗煉鋼水，粗煉鋼水再兌入AOD進(jìn)行脫碳等處理，冶煉成合格的不銹鋼鋼水[5]。采用AOD法，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)電爐主要起到化料的作用，脫碳操作是在AOD內(nèi)進(jìn)行的，所以電爐可以使用高碳鉻鐵等合金，鉻的總回收率在98%以上[6]，能有效降低原料成本。

(2)適用性好，可以生產(chǎn)除超低碳、低氮不銹鋼外95%的不銹鋼鋼種，如生產(chǎn)304、316L系不銹鋼，相較于三步法，AOD法生產(chǎn)冶煉時(shí)間短，鉻鐵等金屬收得率高，石灰消耗低，生產(chǎn)效率高[8]。

但AOD法也存在著以下不足：

(1)由于AOD脫碳使用的是氬氣，耗費(fèi)的Ar量巨大，且鋼中氣體含量高。

(2)AOD爐臨近脫碳終點(diǎn)時(shí)，鋼液中含氧量高，需要加入大量的硅鐵來還原鋼水，因此硅鐵消耗量也很大。另外，由于AOD法不能深脫碳，因此不能用于生產(chǎn)超低碳和低氮([C]+[N]≤250×10-6)不銹鋼。

3.1.2 EAF→VOD流程

EAF→VOD工藝生產(chǎn)的不銹鋼約占不銹鋼總產(chǎn)量的10%。與AOD爐相比，VOD爐是通過提高爐內(nèi)的真空度來促進(jìn)脫碳反應(yīng)的進(jìn)行，使其在較低的溫度下得到更低的碳含量，脫碳保鉻效果好。通過控制真空度，可在鉻幾乎不被氧化的情況下脫碳。脫碳后用于還原氧化鉻的還原劑硅鐵用量少，因而主要用于生產(chǎn)超低碳([C]≤0.02%)和低氮([N]≤50×10-6)的超純鐵素體不銹鋼[7]。

VOD法的不足為在吹氧時(shí)，鋼液內(nèi)的碳、硅等元素會(huì)與氧反應(yīng)放出大量的熱，為防止鋼液過度升溫，因而VOD法對(duì)粗煉鋼水有嚴(yán)格的成分要求，一般要求鋼水內(nèi)的[C]≤0.70%(最好為≤0.30%)，[Si]≤0.30%，原料的使用較AOD苛刻。吹氧結(jié)束后需重新造渣還原，會(huì)消耗石灰、螢石等材料，生產(chǎn)周期較AOD長，生產(chǎn)成本較AOD高。

3.2 三步法

三步法EAF→AOD→VOD在保留了AOD優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，增加了VOD這個(gè)深脫碳設(shè)備，所以該工藝兼具AOD和VOD的優(yōu)點(diǎn)，目前三步法生產(chǎn)的不銹鋼約占不銹鋼總產(chǎn)量的20%[8]。并且AOD也可以是頂吹轉(zhuǎn)爐(BOF)，可以直接兌入脫磷的高爐鐵水，因而既適用于專業(yè)化的不銹鋼生產(chǎn)廠家，也適用于聯(lián)合鋼鐵企業(yè)的不銹鋼生產(chǎn)。該工藝的主要優(yōu)點(diǎn)有：

(1)EAF直接熔化廢鋼和合金，為下一步的AOD/BOF提供粗煉鋼水，然后進(jìn)行下一步的快速脫碳保鉻，最后利用VOD真空處理進(jìn)行鋼液的深脫碳和調(diào)整合金成分，分工明確，生產(chǎn)節(jié)奏快，操作優(yōu)化[9]。

(2)鋼水質(zhì)量好，里面H、O、N等含量低，可生產(chǎn)鋼種廣，可以生產(chǎn)不銹鋼的所有品種。

(3)對(duì)原料的要求不高，可以使用鐵水，可以使用高碳鉻鐵等原料。

該工藝的不足為：增加了工藝環(huán)節(jié)，生產(chǎn)成本較二步法約高500元/t鋼，基建投資大，系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)成本較高。

4 結(jié)語

(1)目前不銹鋼的生產(chǎn)設(shè)備主要是AOD和VOD，其生產(chǎn)的理論基礎(chǔ)是碳和鉻的“選擇性氧化”。

(2)不銹鋼二步法生產(chǎn)中主要用EAF→AOD工藝流程，但其不利于深脫碳，無法生產(chǎn)超低碳和低氮不銹鋼。

(3)可以使用鐵水作為原料是三步法的最大特點(diǎn)，在粗煉鋼水選擇和工藝優(yōu)化方面具有優(yōu)勢(shì)，但生產(chǎn)成本較高，比較適合于規(guī)模較大的不銹鋼專業(yè)生產(chǎn)廠家或鋼鐵聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)。

(4)企業(yè)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)的鋼種，合理選擇設(shè)備和冶煉工藝，以降低成本，提高效益。

[1] 肖紀(jì)美. 不銹鋼的金屬學(xué)問題[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2006.

[2] 陳禮斌. 不銹鋼技術(shù)及其發(fā)展[J]. 河北冶金，2011(3)：5-12.

[3] 陳聰. 選擇性氧化在不銹鋼去碳保鉻中的應(yīng)用[J]. 科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005，15(7)：150-151.

[4] 程志旺. 不銹鋼冶煉工藝技術(shù)[J]. 特鋼技術(shù)，2011，17(6)：1-5.

[5] 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.

[6] 劉衛(wèi)東. 三步法和二步法不銹鋼冶煉工藝的分析和生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 特殊鋼，2013，34(5):34-37.

[7] 武明雨，胡凱，王叢，等. 不銹鋼冶煉的研究進(jìn)展[C]. 第十屆中國鋼鐵年會(huì)暨第六屆寶鋼學(xué)術(shù)年會(huì)，2015.

[8] 史彩霞. 不銹鋼冶煉工藝流程的分析與比較[J]. 鋼鐵技術(shù)，2014(1)：15-18.

[9] 張存信，田華，孫紅，等. 不銹鋼冶金技術(shù)的進(jìn)展[J]. 兵器材料科學(xué)與工程，2009，32(4)：109-111.

編輯 杜青泉

Development and Analysis of Smelting Process of Stainless Steel

Huang Fei, Zhu Weiwei, Yan Shuyu

The current situation of production of stainless steel and the history of development of smelting process have been introduced. Then the characteristics of stainless steel manufactured by two step method and three step method have been analyzed. Meanwhile, the theoretical basis of selective oxidation during the production procedure has been presented.

stainless steel; smelting process; two step method; three step method; selective oxidation

2016—12—09

黃飛(1986—)，男，本科，工程師，從事煉鋼現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)支持與質(zhì)量控制。

TF703.5

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