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不銹鋼冶煉工藝及發(fā)展
我國已成為不銹鋼消費和生產(chǎn)大國，不銹鋼需根據(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，同時在原材料和技術(shù)設(shè)備匹配上不斷優(yōu)化。本文對不銹鋼幾個典型的冶煉工藝流程進(jìn)行了對比分析。
不銹鋼因其優(yōu)異的耐腐蝕性和優(yōu)良的綜合性能，日益廣泛地應(yīng)用各個工業(yè)領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。我國不銹鋼生產(chǎn)起晚，2000年結(jié)束長期徘徊在30萬噸的狀況，呈現(xiàn)出跨越式、跳躍性迅猛發(fā)展的態(tài)勢。2017年全球不銹鋼粗鋼產(chǎn)量4808萬噸，中國不銹鋼產(chǎn)量達(dá)2577.37萬噸，占全球產(chǎn)量的54%。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不銹鋼，不銹鋼從此進(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Cr-C溫度平衡的研究，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Edel工廠研制成功真空法VOD，以及美國聯(lián)合碳化物公司的稀釋法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、不銹鋼冶煉設(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。
通常而言，冶煉原料為廢鋼時，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，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，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，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(目前該工藝為日本川崎制鐵選用 )；
國內(nèi)采用紅土鎳礦為原料時，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。
3、不銹鋼冶煉工藝路徑
目前生產(chǎn)不銹鋼的冶煉工藝主要分為一步法、二步法和三步法。
3.1 一步法冶煉工藝
早期的一步法不銹鋼冶煉工藝是指在一座電爐內(nèi)完成廢鋼熔化、脫碳、還原和精煉等工序，將爐料一步冶煉成不銹鋼。這種僅用電爐冶煉不銹鋼的一步法冶煉生產(chǎn)工藝，由于冶煉周期長，作業(yè)率低，生產(chǎn)成本高，被逐步淘汰。隨著爐外精煉工藝的不斷發(fā)展以及AOD爐的廣泛應(yīng)用，目前很多不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)采用部分低磷或脫磷鐵水代替廢鋼，將鐵水和合金作為原料進(jìn)入AOD爐進(jìn)行不銹鋼的冶煉，由此形成了新型一步法冶煉工藝。
新型一步法冶煉工藝與早期一步法相比在生產(chǎn)流程上取消了電爐這一冶煉環(huán)節(jié)，其優(yōu)點包括：一是降低投資；二是降低生產(chǎn)成本；三是高爐鐵水冶煉降低了配料成本，降低了能耗，提高了鋼水純凈度；四是廢鋼比低，適應(yīng)現(xiàn)有的廢鋼市場；五是對于冶煉400系列不銹鋼尤為經(jīng)濟(jì)。
但新型一步法對原料條件和產(chǎn)品方案具有一定要求：一是要求AOD入爐鐵水磷含量低于0.03%以下，因此冶煉流程中須增加鐵水脫磷處理環(huán)節(jié)；二是新型一步法中合金作為原料加入了AOD爐中，而AOD爐中加入的高碳合金量過大會影響整個冶煉過程的熱平衡，不適用于成分復(fù)雜、合金含量高的不銹鋼品種。
新型一步法不銹鋼生產(chǎn)工藝目前被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)400系列不銹鋼。作為發(fā)展中國家，中國廢鋼資源缺乏，又是極度貧鎳的國家，加之400系列不銹鋼在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，這些客觀條件使得新型一步法不銹鋼冶煉被越來越多的生產(chǎn)企業(yè)采用。
3.2 二步法冶煉工藝
二步法工藝路線為EAF→AOD、EAF→VOD（電弧爐→VOD真空精煉爐）。EAF→AOD工藝的產(chǎn)能約占世界不銹鋼產(chǎn)能的70%左右，其中EAF爐主要用于熔化廢鋼和合金原料，生產(chǎn)不銹鋼預(yù)熔體，不銹鋼預(yù)熔體再進(jìn)入到AOD爐中冶煉成合格的不銹鋼鋼水。
兩步法工藝若電爐入爐原料磷含量較高，則需在電爐和AOD 爐間加入不銹鋼預(yù)熔體脫磷的環(huán)節(jié)。目前較常采用的預(yù)熔體脫磷工藝有轉(zhuǎn)爐脫磷和鐵水罐頂噴脫磷。兩步法采用高爐鐵水作為不銹鋼冶煉主原料時，若高爐磷含量高，則也需要加入脫磷的環(huán)節(jié)。
二步法不銹鋼冶煉工藝被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)各系列不銹鋼，其優(yōu)點包括：電爐對原材料要求不高，生產(chǎn)周期相對于一步法工藝稍短，靈活性好，可生產(chǎn)除了超低碳、氮不銹鋼外95%的不銹鋼品種。
但二步法在介質(zhì)消耗、品種方案等方面仍須注意以下三點：一是近年來隨著冶煉工藝的進(jìn)步和操作水平的提高，兩步法冶煉工藝的氬氣等介質(zhì)消耗量明顯減少，但相比一步法和三步法其氬氣等介質(zhì)消耗仍稍大；二是AOD爐脫碳到終點時，鋼水中氧含量較高，須加入硅鐵還原鋼水中的氧，因此硅鐵耗量高；三是目前還不能用于生產(chǎn)超低碳、氮不銹鋼，且鋼中含氣量較高。
3.3 三步法冶煉工藝
三步法的基本工藝流程為：初煉爐→復(fù)吹轉(zhuǎn)爐/AOD爐→真空精煉裝置。三步法是冶煉不銹鋼的先進(jìn)方法，產(chǎn)品質(zhì)量好，適用于專業(yè)化的生產(chǎn)廠家，也適用于聯(lián)合鋼鐵企業(yè)的不銹鋼生產(chǎn)。
不銹鋼三步法是在二步法的基礎(chǔ)上增加了深脫碳的環(huán)節(jié)，其冶煉工藝優(yōu)點為：一是各環(huán)節(jié)分工明確，生產(chǎn)節(jié)奏快，操作優(yōu)化；二是產(chǎn)品質(zhì)量高，氮、氫、氧和夾雜物含量低，可生產(chǎn)的品種范圍廣；三是可采用鐵水冶煉，對原料的要求也不高，原料選擇靈活。
不過，三步法不銹鋼冶煉工藝將冶金功能分步實現(xiàn)，對生產(chǎn)投資會產(chǎn)生以下影響：一是增加了工藝環(huán)節(jié)，投資和生產(chǎn)成本較高；二是真空裝備系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)量大。
目前世界上生產(chǎn)不銹鋼的冶煉工藝主要還是采用二步法和三步法，其中EAF+AOD或EAF+VOD的兩步法工藝應(yīng)用最為廣泛，約占70%，三步法工藝約占20%。隨著低磷鐵水被廣泛應(yīng)用于不銹鋼生產(chǎn)，新型一步法不銹鋼冶煉工藝也被越來越多的不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)采用。為適應(yīng)不銹鋼市場的激烈競爭，提高產(chǎn)品質(zhì)量同時也降低生產(chǎn)成本，我國各企業(yè)根據(jù)自身的實際情況選擇合適的不銹鋼冶煉工藝。
4、國內(nèi)不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)冶煉工藝路線的選擇
不銹鋼冶煉工藝路線的確定，首先應(yīng)以產(chǎn)品大綱為出發(fā)點，以不銹鋼冶煉的原料組成和不銹鋼精煉機(jī)理為依據(jù)，選擇合適的不銹鋼冶煉工藝路線。不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)的原材料條件、生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品方案、操作成本和工人的操作習(xí)慣等因素都會影響不銹鋼冶煉生產(chǎn)工藝的選擇。由于原材料、操作成本和產(chǎn)品方案等因素受市場波動影響較大，現(xiàn)代化的不銹鋼冶煉車間生產(chǎn)工藝的選擇應(yīng)具有一定的靈活性，能根據(jù)市場條件調(diào)整生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品方案。
中國大型不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)大部分都是聯(lián)合型鋼鐵企業(yè)，例如太鋼、酒鋼等企業(yè)，均是既生產(chǎn)不銹鋼同時也生產(chǎn)碳鋼。對于這些聯(lián)合型鋼鐵企業(yè)，工藝設(shè)備的配置能滿足多樣化工藝路線、不同原料配比的要求，原材料范圍比較廣，既有充足的鐵水供應(yīng)，也有能滿足需要的廢鋼，可選擇最佳的原料配比方案。這些企業(yè)在不銹鋼冶煉工藝路線的選擇上具有較大的靈活性。
中國不銹鋼廢鋼資源缺乏，以廢鋼為主原料的不銹鋼冶煉過程配料成本高，加上全廢鋼冶煉能耗高，以及廢鋼品質(zhì)不好帶入鋼水有害元素多等原因，中國越來越多的不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)傾向于利用經(jīng)脫磷的高爐鐵水冶煉不銹鋼。特別是鋼鐵聯(lián)合型企業(yè)，利用碳鋼系統(tǒng)的高爐供部分鐵水給不銹鋼冶煉系統(tǒng)，可有效降低噸鋼原材料成本。與此同時，脫磷處理設(shè)施被普遍應(yīng)用于不銹鋼生產(chǎn)工藝。脫磷處理設(shè)施的應(yīng)用既可降低不銹鋼生產(chǎn)對原材料的要求，也可降低生產(chǎn)成本，從而使高爐鐵水、普通廢鋼、高磷生鐵和高磷合金能被大量用于不銹鋼的生產(chǎn)。
4.1 太鋼不銹鋼冶煉工藝
太鋼設(shè)有3個不銹鋼冶煉車間，即第三煉鋼廠、第二煉鋼廠南區(qū)和第二煉鋼廠北區(qū)。
第三煉鋼廠采用的冶煉工藝流程為短流程工藝：EAF→AOD，主要生產(chǎn)雙相不銹鋼、耐熱鋼、高合金不銹鋼和高附加值不銹鋼種；
第二煉鋼廠南區(qū)采用的冶煉工藝流程為長流程工藝：鐵水預(yù)處理→K-OBM-S爐→VOD→LF爐，主要用于生產(chǎn)鐵素體和馬氏體不銹鋼；
第二煉鋼廠北區(qū)采用的冶煉工藝流程為：脫磷轉(zhuǎn)爐→AOD→LF爐/VOD和電爐→AOD→LF/VOD。第二煉鋼廠北區(qū)工藝路徑靈活，既可以采用新型一步法，也可以采用兩步法和三步法生產(chǎn)不銹鋼。
4.2 酒鋼不銹鋼冶煉工藝
酒鋼不銹鋼煉鋼車間冶煉生產(chǎn)工藝配置為：1座鐵水罐頂噴脫磷站、1座脫磷轉(zhuǎn)爐、1座EAF、2座AOD、2座LF精煉爐。其產(chǎn)品覆蓋范圍廣，包括200系、300系和400系不銹鋼。
酒鋼不銹鋼煉鋼車間主要采用以下兩種流程進(jìn)行不銹鋼冶煉：流程一是鐵水罐頂噴脫磷→EAF→AOD→LF，為兩步法生產(chǎn)工藝，主要用于生產(chǎn)200系和300系不銹鋼；流程二是脫磷轉(zhuǎn)爐→AOD→LF，為新型一步法生產(chǎn)工藝，主要用于生產(chǎn)400系列的部分鋼種。
4.3 青拓集團(tuán)RKEF與AOD雙聯(lián)法工藝
青拓集團(tuán)勇于嘗試國外先進(jìn)工藝，2010年率先在福建鼎信建設(shè)并投產(chǎn)了國內(nèi)第一條RKEF生產(chǎn)線。以RKEF（回轉(zhuǎn)窯+電爐）工藝，利用含鎳富鐵的氧化鎳礦生產(chǎn)含鎳生鐵（鎳鐵），比一般的傳統(tǒng)工藝（燒結(jié)+電爐）具有顯著的優(yōu)勢。整個生產(chǎn)工藝是全封閉式的，其能量損耗和粉塵排放是最低的。每噸鐵在生產(chǎn)過程中的電能消耗降低了1500度，粉塵排放降低80%。
鎳鐵生產(chǎn)傳統(tǒng)上是礦業(yè)公司的經(jīng)營范圍，而不銹鋼生產(chǎn)則是鋼鐵企業(yè)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域。青山集團(tuán)跨界思維，將鎳鐵生產(chǎn)和不銹鋼冶煉工藝打通，獨創(chuàng)了一套RKEF+AOD雙聯(lián)法不銹鋼冶煉工藝，青拓集團(tuán)在國內(nèi)率先利用該工藝技術(shù)，以紅土鎳礦為主原料冶煉不銹鋼，從紅土鎳礦→冶煉→連鑄→熱軋不銹鋼帶，鎳鐵水不經(jīng)過冷卻，直接熱送到AOD煉鋼爐，兩次熱裝熱送，改變了不銹鋼生產(chǎn)的傳統(tǒng)模式，節(jié)約了大量的能量，大大提高了不銹鋼的煉鋼速度，減少了原料的損耗，產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)效益。實現(xiàn)了不銹鋼連續(xù)化一體化生產(chǎn)的歷史性突破，大大減少污染物排放，噸鋼能耗約減少50%，該項技術(shù)于2014年獲得國家發(fā)明專利，屬于世界首創(chuàng)。
青拓集團(tuán)在福建寧德建成了國內(nèi)第一條RKEF鎳鐵生產(chǎn)線和全球第一條RKEF+鎳鐵熱送生產(chǎn)線，用于生產(chǎn)鎳含量8%以上的300系列不銹鋼；建成了國內(nèi)最大的高爐+鎳鐵熱送生產(chǎn)線，用來生產(chǎn)鎳含量1%以上的200系不銹鋼。這種鎳資源利用的工藝創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)相結(jié)合，使青拓集團(tuán)在全球的不銹鋼行業(yè)競爭力方面處于領(lǐng)先地位。
5、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年已成功實現(xiàn)了不銹鋼工業(yè)化生產(chǎn)，形成了獨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，原料采用鉻礦砂取代高碳鉻鐵直接冶煉不銹鋼，主要包括：STAR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)再生金屬一第一座SR—KCB(熔融還原鉻礦砂 )一第二座DC—KCB(頂?shù)?復(fù)吹轉(zhuǎn)爐內(nèi)脫碳)一VOD爐內(nèi)深脫碳。其配料為：鉻礦和廢鋼分別為 230～280kg/t和190～130kg/t，由 STAR供給再生金屬250～50kgCt，其他為鐵水口。該工藝優(yōu)點包括：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，這兩個反應(yīng)與溫度密切相關(guān)。在試驗條件下，鉻礦在 CaO—SiO一MgO—A1O，渣系中溶解反應(yīng)為整個過程的限制性環(huán)節(jié)。到目前為止，尚未對鉻礦熔融還原機(jī)理達(dá)成一致觀點，研究成果的應(yīng)用具有局限性。
此外，工業(yè)試驗方面，據(jù)報導(dǎo)1992年在15t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，試驗原料為含碳鉻礦團(tuán)塊和氧化鎳礦，煉成Crl3、Crl8Ni8兩種不銹鋼母液。Cr的熔融還原速率0.16～0.25 (Cr)/min，鉻 的收得率85%，且磷含量超標(biāo)。2000年在255ITI高爐進(jìn)行了不銹鋼母液直接冶煉的工業(yè)試驗，共生產(chǎn)出含 (Cr)為5%～21.3%不銹鋼母液近千噸。
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