现代不锈钢冶炼工艺流程分析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,现代不锈钢冶炼工艺,流程分析,安徽工业大学冶金与资源学院,李杰,2009,年,2,月,不锈钢二步法:,是指初炼炉熔化精炼炉脱碳的工艺流程,常见有,初炼炉,-,AOD,炉,、,初炼炉,-,MRP,转炉,、,初炼炉,-,VOD,炉等。,不锈钢三步法:,二步法基础上增加深脱碳装备，通常有：初炼炉,-,AOD,-（,LF,）,-,VOD,、,初炼炉,-,MRP,-,（,LF,）,-,VOD,、,初炼炉,-,MRP,-,（,LF,）,-,RH,等。,初炼炉可以是电炉，也可以是转炉；精炼炉一般指以脱碳为主要功能的装备，例如,AOD,、,VOD,、,RH-OB（KTB）,、,CLU,、,MRP,等。其他不以脱碳为主要功能的装备，例如,LF,钢包炉、钢包吹氩、喷粉等，在划分二步法或三步法时则不算做其中的一步。此外，这里把专用炉熔化铬铁的操作，也不列入其中的一步。,二步法冶炼不锈钢的典型工艺,1.1,初炼炉-,AOD,工艺,AOD,法是世界上冶炼,不锈钢的主要方法，占,世界,不锈钢产量的70-80%。,主要特点为,：,（,1,）,可以大量使用廉价的高碳铬铁、粗氩和氮气；（,2,）工艺稳定，效率高，产品质量好；（,3,）炉龄150,300次，高于,VOD,法；（,4,）脱硫效率高于,VOD,法，可高达90%；（,5,）铬收得率95,99%，高于,VOD,法；（,6,）除不锈钢以外还适于硅钢、工具钢等高合金钢；（,7,）投资少，约为,VOD,法的1/3,。,AOD,法的工艺要点回顾,：,AOD,法吹入氧、氩气体的比例一般为3个阶段。第一阶段,O,2,：Ar（N,2,）=3：1，,将碳氧化到0.3%左右，第二阶段,O,2,：Ar=2：1,或1：1将碳氧化到0.1%左右，第三阶段,O,2,：Ar=1：3，,将碳氧化到0.03%左右。最后用纯氩吹炼35分钟，使钢水中溶解氧继续脱碳，还可以减少还原,Fe-,Si,的用量。,脱碳终了以后如果不是冶炼含钛不锈钢和不需要脱硫操作，一般采用,AOD,单渣法,不扒渣直接进入还原期。由于脱碳终点温度约在1710-1750，为了控制出钢温度并有利于炉衬寿命，在脱碳后期需添加清洁的本钢种废钢作为冷却剂。随后加入,Fe-,Si、Si-Cr、Al,等还原剂和石灰造渣材料，成分、温度合适即可出钢。,AOD,炉的冶炼时间一般为90分钟左右。气体消耗视原料情况及终点碳水平而不同。一般氩气消耗为1223,Nm,3,/,吨，氧为1525,Nm,3,/,吨。,Fe-,Si,用量为820,Kg/,吨，石灰4080,Kg/,吨，冷却剂为钢水量的310%。,改进的,AOD,工艺,：基本特征是更加靠近,C-Cr-T,平衡曲线,AOD,改进工艺在,C0.7%,脱碳期采用纯,O,2,吹炼，此时不会发生铬的氧化，其结果与,O,2,/Ar=4/1,时是一样的。60吨,AOD,的供,O,2,速度由2880,NM,3,/h,增大到3600,Nm,3,/h，,使脱碳速度提高了0.02%/,min，Ar,消耗减少了2.8,Nm,3,/t，,冶炼时间缩短3分钟。,AOD,改进工艺把在钢水碳含量0.11,0.7%区间分阶段降低,O,2,/Ar,改为连续降低,O,2,/Ar，,脱碳效率提高了6%，硅铁使用量降低了0.7,Kg/t。,AOD,改进工艺在钢水碳含量0.11%时采用纯氩吹炼，提高脱碳速度，减少铬的氧化。钢水温度由原工艺的提高1-4/,min，,变成降低3-6/,min。,顶底复吹,AOD,法,传统,AOD,法脱碳期的氧效率,（,单位供氧量/脱碳量）只有70%左右，大约有30%的氧被铬等金属的氧化所消耗。日本星崎厂开发了顶底复吹,AOD,法。,目前新上的,AOD,设备都配有顶吹氧系统,。顶底复吹,AOD,法的特征是在,C0.5%,的脱碳一期从底部风枪送一定比例的氧、氩混合气体，从顶部氧枪吹入一定速度的氧气，进行软吹或硬吹，反应生成的,CO,经二次燃烧，其释放的热量约有7590%传到熔池，使钢水的升温速度由通常的127/%,C,提高到195/%,C，,脱碳速度从0.055%/分提高到0.087%/分。,1.2,初炼炉,VOD,工艺,重要特点,VOD,法在真空下吹氧脱碳，适于冶炼超低碳、氮不锈钢，精炼后碳30,ppm,，,氮50,ppm,（而,AOD,法碳100,ppm,，,氮100,ppm,）；,氢1-3,ppm,，,氧30-60,ppm,（而,AOD,法氢3-5,ppm,，,氧40-60,ppm,）；,EAF-VOD,法铬回收率（90-95%）低于,EAF-AOD,（95-99%）；,脱,S,效果比,AOD,法为差，,VOD,法脱,S,率30-70%，而,AOD,法脱,S,率60-90%；,炉龄较低，一般50次。,VOD,工艺要点回顾,l,电弧炉的原料和操作与普通电弧炉炼钢法基本没有差别，温度达到1580开始吹氧脱碳，,C,从0.8,1.5%降至0.3%。插铝脱氧和还原渣中氧化铬,再添加高碱度渣，经过出钢可使,S,0.004。,l,VOD,炉的入炉钢水条件为：碳0.3%、硅0.3%，并扒渣。,l,真空度达到150,200,Torr,后开始吹氧，并不断提高真空度，为了减少喷溅量，适当提高氧枪的高度。,l,脱碳末期，氧在钢中的扩散成为脱碳反应速度的限制环节，所以供氧速度要减小，氩气搅拌要强化。,VOD,炉脱碳速度约为0.02%/分。,L,临近脱碳终点时停氧，用氩气搅拌促使真空,C,脱,O,。根据废气成分、废气流量、真空度及耗氧量来判定脱碳的终点。,L,冶炼超低碳不锈钢时，加强氩气搅拌和控制温度，以便在降低终点碳含量的同时抑制成本的增大和精炼时间的延长。,SS-VOD,法,带有强搅拌的,VOD,法称为,SS-VOD,法。传统的,VOD,法的降,C、N,效果均以50,ppm,（,甚至100,ppm,）,为界，而,SS-VOD,采用多个包底透气砖或,2-4mm,不锈钢管吹氩，氩流量是通常的10,20倍,。,由于大量用,Ar,、,C,含量可降至3010,ppm,的水平，适于冶炼超低碳不锈钢和超纯铁素体不锈钢。,1.3 芬兰,Tormio,公司用铬矿粉冶炼不锈钢流程,Avesta,polarit,包括两个公司：,Avesta,-,sheffied,（114,万吨）和,Outokumpu,-,Avesta,（,即,Tormio,60万吨），其不锈钢总产量仅次于蒂森公司（221万吨）。,Tormio,不锈钢公司位于芬兰北部，年产铬铁合金26万吨，60万吨不锈钢。,Tormio,的不锈钢生产流程的特点是：,l,埋弧矿热炉使用烧结球团的铬铁生产工艺；,l,电弧炉&,LD,转炉,AOD,冶炼不锈钢工艺；,l,炉卷轧机热轧不锈钢板卷；,l,森吉来尔轧机冷轧不锈钢板卷。,选矿,烧结,矿热炉,铬铁热铁水,LD,转炉,电炉,AOD,连铸,芬兰,Tormio,公司不锈钢板卷生产流程,板坯,加热炉,冷坯,粗轧机,炉卷轧机,（1）铬铁的生产工艺,Tormio,年产铬铁26万吨，占世界铬铁产量5.5。该厂铬铁生产流程很有特点，铬矿粉经球磨机细磨后脱水，采用圆筒造球，然后通过烧结的方法生产铬矿球团，该球团经矿热炉冶炼成铬铁。,埋弧矿热炉使用烧结球团不易粉碎，不结料和不塌料，提高了铬回收率高，降低了耗能，每吨铬铁耗能仅为3000,Kwh,，,使铬铁成本下降。,Tormio,铬铁生产流程为：,含,Cr,2,O,3,26,的铬矿球团带式烧结机配矿、计量，70球团，30铬矿加热至600700埋弧式矿热炉，冶炼成为52,Cr、7C、3Si,的铬铁。,（2）不锈钢的冶炼工艺,将不锈钢返回料及含,Ni,废钢在60,t,电弧炉中熔化，埋弧矿热炉生产的液态铬铁用,LD,转炉吹炼，然后一并兑入容量为90吨的,AOD,中，入,AOD,炉的钢水碳含量 1.21.5%，温度1550，进行氩氧吹炼和成份调整。,出钢钢液温度约1650，连铸成扁坯。,1.4 瑞典,Sandivck,二步法流程,瑞典,Sandivck AB,是一个处于世界领先地位的从事工具钢、不锈钢生产企业，年产钢20多万吨，其中90%为不锈钢。该公司的不锈钢冶炼属二步法，其流程为:,超高功率,EAF（75T/70MVA）LF AOD CC。,LF,炉对于稳定温度和成分、保证连铸顺利，起着至关重要的作用。该公司连铸产量占93，其余7为大锭型模铸。连铸机一般可以连浇。北欧不锈钢生产厂家认为，不锈钢长形材的年产量应大于20万吨，电炉容量75,T,左右为宜。,三步法冶炼不锈钢的典型工艺,三步法的基本步骤是：,初炼炉,MRP,（或,AOD）VOD（,或,RH-OB）LFCC,l,第一步：初炼炉主要起熔化和合金化作用，为第二步的,MRP,转炉或,AOD,炉提供液态金属；,l,第二步：快速脱碳并防止铬的氧化；,l,第三步：在,VOD,或,RH-OB、RH-KTB,的真空条件下对钢水进行深脱碳和调整成分。,2.1 川崎用铬矿砂和双转炉冶炼不锈钢工艺,日本川崎公司开发出利用南非铬矿砂、熔融还原为特点的不锈钢生产工艺，1994年在川崎千叶厂投入生产，目前生产正常,能够降低能耗和成本，适合于大量生产铬不锈钢。,该工艺主要包括：,l,转炉熔融还原铬矿砂；,l,顶底复吹转炉脱,C；,l,VOD,炉深脱,C；,l,STAR,熔融还原炉处理炼钢含铬粉尘。,川崎制铁不锈钢生产工艺示意图,(1),熔融还原转炉(,SR-KCB),川崎不锈钢流程的核心是其转炉熔融还原工艺，该工艺主要有以下特点：,l,采用顶底,复吹转炉，炉底设有8个双层管风口，底吹氧气流量为0.5,1.2,Nm,3,/min/t。,由于底吹对熔池,的强搅拌作用，能够获得高的铬收得率和熔化大量废钢。,l,采用大容积转炉，使炉内能够容纳大量的炉渣。,l,采用大流量供氧(950,Nm,3,/min)，,使铬的还原能够在限定的时间里完成。此外还采用的二次燃烧技术。,l,使用特制的水冷喷枪，向炉内喷吹铬矿砂。从南非购置的铬矿砂尺,寸为38,500,m，,如采用传统的顶部加料工艺，大量铬矿砂将会被吹出炉外。川崎制铁专门开发了加料喷枪，将铬矿砂喷入熔池,，铬矿砂的收得率高达97以上。,(2)强搅拌顶底复吹转炉(,DC-KCB),熔融还原转炉生产出的碳饱和,钢液约含9,13,Cr，,在后步的脱碳工序，川崎制铁采用了强搅拌氧气顶底复吹转炉，在吹炼初期大量供氧、快速升温，并改进氧气喷头设,计避免了大量供氧造成的喷溅增加。由于供氧速率高，其脱碳速率高于,AOD,炉。当碳降低到1.0后，为了减少,Cr,的氧化，通常采用降低氧气比例(用,Ar,、N,2,气稀释)和增加熔池搅拌的方法。川崎制铁在最后阶段只顶吹,N,2,气，使,Cr,的氧化显著降低。,(3),VOD,炉深脱碳,川崎制铁选择,VOD,炉，是因为,VOD,炉具有深脱,C,的特点。,VOD,炉因为渣-钢在真空室内反应，因此必须考虑,脱硫和夹杂物的控制,，以满足冶炼高洁净不锈钢的需要。,为了抑制 3（,MgO）+2Al=3Mg+Al,2,O,3,反应中,Mg、Al,尖晶石类夹杂物生成，采用降低,Al,的活度和增加,Al,2,O,3,的活度；在真空下强搅拌时用硅脱氧，在大气下弱搅拌时加铝脱氧；控制渣-钢反应的强度等措施。使得,Al,2,O,3,和,MgAl,尖晶石类夹杂物改性，冷轧时因冶炼原因所引起的表面缺陷几乎全部消除。,（4）,STAR,熔融还原炉处理含铬粉尘,STAR,炉是焦炭床熔融还原炉，有两排风口，以转炉冶炼不锈钢的烟尘和部分炉渣做为原料，生产含铬的生铁供转炉冶炼不锈钢用。,2.2 曼内斯曼德马克不锈钢三步法生产流程,德国曼内斯曼德马克开发的不锈钢流程是以,MRP,为特点的三步法：,初炼炉,-MRP,转炉,（Metal Refining,Process）-VOD,精炼,l,初炼钢水由,超高功率电炉或转炉,供给；,MRP,转炉的炉衬寿命高达1000次以上；,MRP,精炼法的,炉,底装有套管式喷嘴，中心管喷吹精炼气体，外管通保护气体，中心管和外管的气流压力是独立的，互不影响，能够通过炉底喷嘴以2,N,m,3,/tmin,的强度吹入精炼气体，造成良好的动力学条件。,3 薄板坯短流程生产不锈钢,意大利,Terni,小镇,AST,钢厂的,炼钢、轧钢设备是原有的，新建了,CSP,铸机和隧道加热炉。设计能力100万吨，由于该生产线为隧道炉加热的薄板坯与传统步进炉加热的厚铸坯交叉运行，对生产能力影响较大，目前只能生产30万吨不锈钢。其中，,AISI 300,系列不锈钢60，400系列不锈钢27，硅钢13。,AST,厂用,CSP,薄板坯生产线来生产不锈钢和硅钢时，由于拉速降低、不允许出现大于0.7,mm,的振痕及表面缺陷、加热温度高等要求，使,CSP,生产率大幅降低，隧道炉加热,温度也要从1150提高到1250或更高。,AST,厂的生产流程为：,EAF,AOD,LF,CSP,隧道炉,高压水除鳞,传统铸坯一步进炉,传统连轧机,l,180吨电弧炉的出钢-出钢时间为110分钟，偏心底出钢，出钢时留钢约30吨。出钢温度约1650,。,AOD,额定容量140,t,，冶炼周期约为70,min,。,AOD,炉顶端装有3孔氧枪，最大吹氧量170,Nm,3,/min,，,强吹氧时可进行脱碳，弱吹氧可起到二次燃烧作用。,二次燃烧中的升温速度为5/,min。,AOD,分四个阶段喷吹，氧气与惰性气体的比例在,3：1,至,1：4,的,范围变化。,AOD,吨钢氧、氩、氮消耗分别为25,m,3,、,16,m,3,、,10,m,3,，吨钢,FeSi,用量11,kg,，吨钢冷却废钢加入量为15,kg。,4 不锈钢冶炼流程的主要特点比较,方法,工艺流程,主要特点,代表厂家,二,步,法,EAF+AOD,废钢、氩气,瑞典,Sandivck,EAF+AOD/VCR,废钢、氩气、真空,日本知多厂,EAF+VOD,废钢、真空冶炼,日本横滨厂,EAF+RH-OB,废钢、真空循环脱气,日本山阳厂,EAF+CLU,废钢、蒸汽,瑞典,Kanthal,EAF+MRP-L,+VOD,电炉熔化铬铁、脱磷铁水、,转炉脱碳,巴西阿塞西塔,EAF+BOP,+AOD,废钢、液态铬铁,芬兰,Tormio,三,步,法,SR-KCB+DC-KCB+VOD,（KMS-S+K-OBM-S+VOD）,铁水、转炉使用铬矿砂,熔融还原、转炉脱碳,日本川崎千叶厂,K-BOP1+K-BOP2+RH/KTB,铁水、转炉使用,预还原铬球团,日本川崎千叶厂,EAF+K-OBM-S+VOD,废钢、复吹转炉脱碳,比利时阿尔兹,EAF+AOD+VOD,废钢冶炼,奥地利伯乐钢厂,EAF+,复吹,AOD+VOD,顶底复吹,AOD,韩国浦项不锈钢,表示优势,特点,二步法,三步法,大量使用高碳铬铁,使用铁水、铬矿,超低碳、氮钢种,冶金质量,炉龄,工艺优化,生产效率,流程均衡和衔接,可靠性,投资,规模,从表中韩国浦项不锈钢厂两种工艺的比较可以看出，三步法中各步的碳含量约为1.8,2.0%、0.2,0.3%、0.08,0.01%。第二步一般采用,AOD，,因为碳含量从1.8%降至0.2%时,AOD,脱碳效率高。第三步采用,VOD,因为,VOD,要求的入炉碳含量应小于0.6%,而把碳含量从0.2,0.3%降至0.08,0.01%,正是,VOD,经济合理的范围。,VOD,入炉碳含量过高则造成喷溅严重，延长脱碳时间，使炉衬损失严重。,电弧炉熔化,C:1.8,2%,Si,:,0.2%,Cr:17.5%,Ni:6%,两步法出钢,EAF+,复吹,AOD,三步法出钢,（,EAF+,复吹,AOD+VOD,）,常规钢种,超低,C,、,N,C 0.03%,Si,0.3%,Mn,1.4%,Cr 18.4%,Ni 8.4%,N 300ppm,C 0.2,0.3,%,Si,0.1%,Mn,1.4%,Cr 18.5%,Ni 6.5%,N 800,1000,100,常规 超低,C,N,C 0.,03,0.01,Si,0.3,Mn,1.4,Cr 18.4,Ni 8.4,N 300,100,板坯,连铸,T 1485,Ar,/VOD VOD,终点 终点,总 结,l,不锈钢二步法多使用,AOD,炉与初炼炉配合，可以大量,使用高碳铬铁，效率高，经济可靠，投资少，可以与连铸相配合。,初炼炉-,AOD,法,虽然脱碳能力很强，但随着,AOD,炉入炉钢水,碳含量的增加，则精炼时间延长，一般在90-120分钟，不利于炉-机匹配。此外，,FeSi,和氩气用量较高，风口耐火材料寿命降低，钢液氢、,氮含量较高,。,l,不锈钢二步法使用,VOD,炉与初炼炉配合时，因为,VOD,炉,脱碳速度低，入炉,碳含量不应大于0.6%，使得电炉需要配,入一些低、中碳铬铁。,但,VOD,炉有利于深脱碳，适合生产超低碳或超低氮不锈钢。,L,不锈钢三步法可使用铁水，原料选择灵活，品种范围广，氮、氢、氧及夹杂物含量低，节能和工艺优化，每一步都有明确的目标。生产节奏快，炉龄高，整个流程更均衡和易于衔接。三步法增加了精炼设备，投资较高。,L,在三步法的,AOD,炉（或,MRP,炉）与,VOD,炉之间往往还设有,LF,炉，不仅使碳含量大于0.1%的钢可以不经过,VOD,炉而直接送往连铸机，更主要的是便于多炉连浇。,L,三步法适用于生产规模较大的专业性不锈钢厂或联合企业中的转炉特殊钢厂。,一般规模较小的非专业性电炉特殊钢厂多选用二步法。,L,不锈钢生产流程各有千秋。,采用什么流程生产不锈钢，不应单纯模仿，应深入思考各种流程的内涵，结合企业实际情况而定。,