采用VOD炉精炼超纯铁素体不锈钢.doc

采用VOD炉精炼超纯铁素体不锈钢，改变我国不锈钢生产和使用结构1、 提出的依据近几年来随着现代工业和技术快速发展和进步，传统的18-8型铬、镍奥氏体（304、304L）不锈钢，在氯化物、高沸水及其他介质中应力腐蚀条件下使用，腐蚀破坏事故不断发生，引起世界各国重视，要求研制不锈钢新产品，取代18-8型铬、镍奥氏体不锈钢。从矿产资源看，我国与世界各国一样，是处于缺镍，少铬。又由于含镍不锈钢的大量生产，使镍的供需矛盾加剧，物以稀为贵，镍价一直大幅度上涨（高达40万元/吨），已限制了铬、镍奥氏体不锈钢的持续发展，应引起不锈钢的生产和使用者的重视，要针对有限的资源，采用科学态度，合理、节约的使用，使有限的资源用在刀刃上。不锈钢新产品的研制仍然建立在高含镍元素上，将陷入无米之炊。要研制不含镍的不锈钢。从某种意义上讲，没有铬就没有不锈钢，这样给从事不锈钢生产的冶金工作者提出，在生产过程中提高铬的回收率，而现今的VOD炉、AOD炉精炼含高铬不锈钢的回收率大于98.5%，大大减少铬铁的消耗，不锈钢的生产再和不锈钢使用结合，搞好返回回收又可以构成循环经济，不锈钢的新产品的生产就立足在资源的可行性上。从不锈钢的分类可知：铁素体、马氏体不锈钢不含镍。再从国外不锈钢的发展趋势，铁素体不锈钢所占比例逐年增加，我国的冶金工作者也认识到这一点。曾在不锈钢的多次专业会议上，明确指出要重点发展铁素体不锈钢，来改变我国不锈钢的生产和使用结构。但常规铁素体不锈钢，因其碳、氮等间隙元素含量较高，一般在10002000ppm之间，致使材料的延展性、韧性都很差，焊接裂纹敏感等缺点，给加工使用带来一定困难，限制了加工和使用，限制了广泛推广和使用。而以0000Cr18Mo2铁素体不锈钢为例，该钢把碳、氮等间隙元素含量降到极低150ppm ，已成为超纯铁素体不锈钢。它克服了常规铁素体不锈钢的上述缺点，发挥了超纯钢的特点，其综合性能与同等含铬量的铬、镍奥氏体（304、304L）不锈钢比较相当或稍好，特别加工性能好，适合于薄规格的板管带丝的生产，可形成规模型大生产，提供取代（304、304L）不锈钢的新钢种：0000Cr18Mo2。科学技术的快速发展和进步，又促进了炼钢设备和工艺技术的发展和进步，特别近十几年来，真空炼钢设备和工艺技术的发展，尤其VOD炉精炼设备和工艺技术不断完善和成熟，提供了精炼0000Cr18Mo2铁素体不锈钢的可行性和可操作性。应与时俱进，充分发挥VOD炉精炼的优势，大力发展以0000Cr18Mo2为代表的超纯铁素体不锈钢的生产和使用，推进我国不锈钢的生产和使用结构的改变。2.超纯铁素体不锈钢定义把钢中的碳、氮等间隙元素含量降到150ppm的铁素体不锈钢，称之为超纯铁素体不锈钢。超纯铁素体不锈钢是不锈钢之一，是不锈钢的发展方向。3.超纯铁素体不锈钢代表钢种：0000Cr18Mo2。3.1钢的化学成分（%） 表1合金元素C+NSiMnSPCrMo控制范围0.0150.500.500.0150.01517.5019.501.802.20从表1可知：该钢中的C+N0.015%，属于超纯铁素体不锈钢，而且S、P0.015%，达到这样成分控制的钢，钢中的氧含量，以及有害元素（Pb、Sn、Bi、As、Sb）等含量也会随之相应地降低，实属纯净度极高的超纯铁素体不锈钢。该钢又含1.802.20%Mo，又是含钼不锈钢，又具有含钼不锈钢的特性，提高不锈钢对多种腐蚀的抵抗性，还能提高不锈钢的高温强度，又强化了超纯铁素体不锈钢的特性，是超纯铁素体不锈钢的代表钢种。3.2采用中频真空感应炉成功地试制了0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢。详见抚顺钢厂一九八一年十二月：超纯铁素体不锈钢0000Cr18Mo2试制工艺总结。工艺总结概述如下：抚顺钢厂在25年前，采用200公斤中频真空感应炉冶炼，在真空条件下浇注成150mm圆锭，试制二批八炉，100%达到0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢标准，如化学成分：C+N0.015%，S、P0.015%。并将150mm圆锭，做了锻、轧的热、冷加工工艺试验，制成型材16mm，冷板1.75mm。同时全面、细致地做了钢的冶金质量分析，钢的力学性能和组织分析，钢的冷成型性能试验，钢的耐蚀性能试验，钢的物理性能试验。并与18-8型铬、镍（1Cr18Ni9Ti）奥氏体不锈钢做了对比试验和分析比较。其结论：呈现了0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢的特性和优势，优于18-8型铬、镍不锈钢。钢种是成立的。但由于该钢的试验工艺和设备，是采用精钢材，微碳铬铁或金属铬，金属钼等精料作原料，原料成本昂贵，又采用中频真空感应炉冶炼，真空条件下浇注，生产难度大，产量受到限制，难以形成规模型大生产，推广和使用受到限制。但确显示了0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢的特性和优势，展示了该钢本身发展、推广和使用的大好前景。3.3太原钢铁公司成功地试制了400系列444（00Cr18Mo2）铁素体不锈钢。详见太原钢铁公司不锈钢新产品试制总结中的400系列444（00Cr18Mo2）铁素体不锈钢。444（00Cr18Mo2）铁素体不锈钢化学成分（%） 表2合金原属CNCrMoNiTiSP控制范围0.0100.01518.0019.001.502.500.4010（C+N）%0.250.0200.030太钢总结：成功地试制了00Cr18Mo2铁素体不锈钢，达到表2规定的化学成分控制范围C+N0.025%（250ppm）,S0.020%,P0.030%。但与0000Cr18Mo2钢比较，C+N150ppm，不属于超纯铁素体不锈钢，而属于超低碳、氮铁素体不锈钢，但确显示了导热系数高，均为Cr、Ni奥氏体不锈钢的130-150%，非常适合热交换的用途。热膨胀系数小，仅为Cr、Ni奥氏体不锈钢的60-70%，非常适合热胀冷缩，有热循环的条件下使用。该钢的塑性、韧性较好，适合拉伸、轧制成型和冲压制造，特别是耐应力腐蚀，是最优异的，在高的氯化物介质中耐蚀性能优于普通铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢，一般不产生氯化物的应力腐蚀破坏，再加上微量Nb、V、Ti等元素后，又提高了耐孔蚀和缝隙腐蚀的性能，该钢种可采用焊接普通不锈钢的方法焊接。显示了该钢的特性和优势。若再进一步提高钢的纯净度C+N150ppm，S、P再降低就成了超纯铁素体（0000Cr18Mo2）不锈钢。又证明0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢的特性和优势。太钢，该钢种的试制成功，已获得2006-2007年冶金科技进步一等奖。3.4 0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢特性和优势从抚顺钢厂0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢试制工艺总结，以及太钢00Cr18Mo2超低碳、氮铁素体不锈钢试制总结，归纳总结如下：3.4.1具有铁素体不锈钢的共性钢的化学成分不含镍，该钢就摆脱不锈钢的发展受矿产资源缺镍的限制，得以可持续发展。不含镍，又摆脱了镍价昂贵的制约，大大地降低了钢水的成本（不锈钢钢水成本是主要成本）进而使该钢的总成本低，为民用特别农民采用创造条件，使应用范围扩大。3.4.2具有超纯铁素体不锈钢的核心特性钢中的间隙元素：C+N150ppm，而且S、P0.015%，相应地钢中氧含量、氢含量、夹杂物含量，以及有害元素Pb、Sn、Bi、As、Sb等含量也会降低。总之，钢的纯净度极高。这样，就显示了超纯铁素体不锈钢特性和优势，就克服了常规铁素体不锈钢的缺点：延展性、韧性低，加工性能变坏，脆性转变温度高，焊接裂纹敏感性等。可以取代常规铁素体不锈钢，扩大铁素钢不锈钢占不锈钢生产和使用的比例，将成为不锈钢的主导产品。3.4.3该钢是含钼不锈钢，具有含钼不锈钢的特性。该钢含1.80-2.20%Mo，是含钼元素的不锈钢。钼能影响不锈钢对多种腐蚀的抵抗性，如在氯化物环境中的点蚀和裂纹腐蚀，在还原性酸中的一般腐蚀，以及氯化物应力腐蚀裂纹等，在提高耐点蚀性的作用方面，钼是铬的3.3倍以上，强化了铬的作用。钼还能提高不锈钢的高温强度。这样钢中有一定含钼量存在又强化了超纯铁素体不锈钢特性。0000Cr18Mo2可以称为超纯铁素体不锈钢代表钢种。3.4.4优于18-8型铬、镍（1Cr18Ni9Ti.304.304L）奥氏体不锈钢0000Cr18Mo2钢与18-8型（304.304L）奥氏体不锈钢比较，在氯化物、高沸水中，具有独特耐应力腐蚀性能，在强碱、硝酸、醋酸等介质中具有较好的耐蚀性能，尤其是耐点蚀性。该钢导热系数高，均为Cr-Ni奥氏体不锈钢的130-150%，非常适合热交换的用途。热膨胀系数小，仅为18-8型奥氏体不锈钢60-70%，非常适合热胀冷缩，有热循环条件下使用，显示该钢的综合性能好，取代18-8型奥氏体不锈钢是必然的，而且使用范围还要扩大。3.4.5工艺性能好该钢的热、冷加工工艺性能好，可以直接采用18-8型奥氏体不锈钢的加工工艺。特别有利于薄规格的板、管、丝、带的生产，这方面占不锈钢的使用量大。可构成规模型生产，有市场。该钢的冷成型工艺，机加工工艺，焊接工艺性能好，可以采用普通18-8型奥氏体不锈钢相应工艺，省去了再试验工艺，减少试验费用，可以直接采用，便于推广应用。3.4.6可以形成超纯铁素体不锈钢的系列产品太钢的试验经验：可以采用Nb、V、Ti、稀土等微量元素对超纯铁素体不锈钢进行微合金化细化柱状晶，提高其质量，扩大品种，形成超纯铁素体不锈钢的系列产品，取代18-8型奥氏体不锈钢系列产品。条件成熟，制定超纯铁素体不锈钢的系列产品标准。3.4.7有磁性材料0000Cr18Mo2是有磁性材料，在无磁性材料要求下使用，不能取代18-8型奥氏体不锈钢。该钢不能在无磁性要求条件下使用。3.4.8综述抚顺钢厂0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢试制工作作的全面、细致，从该钢的特性和优势可见，0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢是成熟的，钢的纯净度极高，耐蚀性增强，特别耐点蚀性，不锈性自然增强，制成的成品的使用寿命延长，会使不锈钢的消耗相应地减少，从某种意义上讲又等于增加不锈钢的生产量。该钢的推广使用将使我国不锈钢的生产和使用进入超纯、高寿命的不锈钢生产期。与时俱进，以0000Cr18Mo2为代表的超纯铁素体不锈钢尽早进入规模型工业大生产，改变我国不锈钢的生产和使用结构，使我国不仅是世界生产不锈钢的大国，也是强国。4精炼0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢设备的选择首先是要构成规模型工业大生产。设备的选择和工艺参数的确定，要立足于0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢的特性，从该钢的化学成分控制标准（见表1）可知：纯净度极高，核心是间隙元素C+N150ppm。从真空冶金理论和实践都说明，现今的不锈钢两种炉外精炼设备：AOD炉和VOD炉比较，VOD炉优于AOD炉。要充分发挥VOD炉在真空条件下吹氧脱碳，吹Ar搅拌的真空条件的脱碳热力学和脱碳的动力学，实现去碳保铬，可将碳脱到0.005%以下，Ar气搅拌，造还原渣，脱氮的热力学和脱氮的动力学，可将氮脱到0.008%以下。同时，达到脱碳、脱氧、脱硫、脱氢、脱氮的效果，可实现C+N150ppm，实现钢的纯净度，达到超纯指标。从抚顺钢厂引进的30-60tVOD炉实践也证明真空冶金理论的正确，钢中的碳达到0.0035%，氮达到0.008%，实践又证明VOD炉可以做到钢中的C+N150ppm。但炼成率达到100%，还要做大量的工作，抚顺钢厂的实践也说明，控制手段不到位，设备的水平还有差距，操作工艺没有做到标准化、规范化，做到位。这样的工作条件，难以实现炼成率达100%，而且要求在规定的时间内，大约60min左右，完成VOD炉的全程精炼任务。要求VOD炉设备水平和控制手段要强化、优化，满足0000Cr18Mo2钢的精炼对设备水平的要求。VOD炉的精炼要实现标准化、规范化操作，而不是VOD炉单一能完成。要求入VOD炉初精炼钢水和炉渣，要满足VOD炉精炼工艺的要求，对初精炼钢水提出严格要求：如钢水的化学成分C、Si、Cr、S、P严格要求，波动小，严格钢水温度，严格的钢水量，严格的渣量、渣成分，钢水的纯净度。这样的钢水应经过LF炉精炼后提供。单纯LF炉难以实现铬的合金化，应用感应炉熔化高碳铬铁提供。但高碳铬铁的碳高、磷高，又需要电炉提供低碳、低磷、低含氮的碳素钢钢水，二者入LF炉，经LF炉加热，吹Ar搅拌，造还原渣，充分发挥LF炉精炼三大功能，将钢水的成分、温度、渣量、渣成分，达到VOD炉入炉对初精炼钢水的要求，为VOD进行标准化、规范化操作创造条件。这样VOD炉的合格初精炼钢水，需要电炉、感应炉、LF炉的合理组合来完成。经VOD炉精炼的0000Cr18Mo2合格钢水，经连铸机注合格的钢坯，对连铸机的要求是全程保护，做到全程保护的钢水不二次氧化、二次吸气，做到不增碳、不增氮、不增磷。由上述的论述可知，完成0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢的精炼，是一项系统工程，单一那套设备是无法完成的，必须以VOD炉为核心，合理地配套电炉、感应炉、LF炉、连铸机的组合设备来完成。5.生产0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢的工艺流程以优质碳素废钢为主要原料（以生铁作为主要原料另述）优质碳素废钢（钼钢）电炉LF炉VOD炉（LF炉） 高碳铬铁感应炉连铸机合格连铸坯6.适用品种（工艺流程）上述工艺流程是以精炼0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢确定的，以超纯铁素体为主的铁素体不锈钢精炼。还可以用于超纯马氏体为主的马氏体不锈钢的精炼。以超纯纯铁为主纯铁精炼。以超纯精钢材为主，纯精钢材的精炼。也可以精炼18-8型奥氏体不锈钢精炼。也可以精炼精密合金的精炼。该工艺流程是一项系统工程，多套设备的组合，立足品种，综合考虑，方能呈现品种适应性强的优势。7.一整套系统超纯铁素体不锈钢工艺技术操作规程。设备的确定是解决生产的硬件，还需要对应的工艺技术操作规程，既为软件，应制定以下成套的工艺技术操作规程。7.1电炉炼钢工艺技术操作规程7.2感应炉熔炼高碳铬铁工艺技术操作规程7.3 LF炉精炼工艺技术操作规程7.4 VOD炉精炼工艺技术操作规程7.5板坯连铸机工艺技术操作规程，管坯连铸机工艺技术操作规程，方坯连铸机工艺技术操作规程（由品种规格确定）7.6电炉的炉体、炉盖修砌、维修工艺技术操作规程7.7感应炉炉体修砌维护工艺技术操作规程7.8 VOD炉（LF炉）的炉体，电炉、感应炉出钢，连铸浇注大包的钢包砌筑工艺技术操作规程7.9 VOD炉炉盖，LF炉炉盖修砌、打结工艺技术操作规程7.10 连铸中间包修砌、烘烤工艺技术操作规程7.11 VOD炉（LF炉）的炉体，电炉、感应炉出钢，连铸浇注大包的钢包，烘烤、使用工艺技术操作规程7.12 优质碳素废钢分选、加工、使用标准，及合金废钢的分组、管理、使用规定。7.13 高碳铬铁、钼铁及其他铁合金管理及使用规定7.14 辅助材料管理、使用及标准7.15各种耐火材料的使用标准、管理及使用规定7.16 氧气、氩气、氮气、压缩空气的标准、使用规定7.17 与高碳铬铁生产厂沟通交流研究降低高碳铬铁含P量工艺技术措施。8.优化、强化VOD炉的设备、工艺及附属设备8.1 VOD炉增设喷吹Ca-Si粉和铁矿石粉设备，双路吹Ar装置。提高VOD炉精炼期的真空度。8.2 VOD炉工艺过程的碳分析手段采用气相定碳，即MTA质谱仪控制。先引进，后国产化。8.3 强化、优化真空条件下的吹氧脱碳期工艺和精炼期工艺，来实现强化、优化VOD炉精炼超纯铁素体不锈钢（C+N150ppm）工艺技术操作规程。9. 效益9.1 经济效益从表1 0000Cr18Mo2钢的化学成分与表3 304、304L化学成分比较304、304L钢的化学成分（%） 表3国家牌号钢的化学成分（%）CSiMnPSCrNi美国3040.081.002.000.0450.03018.0020.008.0010.50中国0Cr18Ni90.071.002.000.0350.03017.0019.008.0011.00美国304L0.031.002.000.0450.03018.0020.008.0012.00中国00Cr18Ni100.031.002.000.0350.03018.0020.008.0012.00从表1和表3可知0000Cr18Mo2与304、304L化学成分中铬的含量是相当的，而0000Cr18Mo2不含镍，但增加2%的钼。而钢的成本包括两部分：一是生产步骤成本，二是钢水成本，二者的步骤成本也相当，比较钢水成本，按镍价30万元/t，Fe-Mo铁按27万元/t,进行钢水成本的对比。如304、304L镍的控制按下限为8.00%计算，每吨用镍为80kg，则占钢水成本每吨为300元/kgx80kg=24000元。如0000Cr18Mo2的钼按中限2.00%控制计算，钼铁含钼为50%，换算成纯钼，每吨270000元50%=540000元/t，每吨钢用纯钼20kg，则占吨钢水成本每吨为540x20=10800元，这样以0000Cr18Mo2代替304、304L，吨钢钢水成本的变化，由于取消镍增加钼，而每吨钢水成本降低24000-10800=13200元。由此可知0000Cr18Mo2钢代替304、304L钢的钢水成本，每吨钢降低13200元。降低是显著的，效益是可观的。可按上述有关的现价进行计算。9.2社会效益9.2.1可取代真空感应炉生产0000Cr18Mo2超纯铁素体不锈钢工艺，并实现规模型工业大生产，使铁素体不锈钢占不锈钢的比