不锈钢精炼.ppt

现代不锈钢冶炼工艺 材料与冶金学院董方 不锈钢 在空气 水 酸 盐的水溶液中及其它氧化性气氛中具有很高的化学稳定性 铁素体不锈钢 含碳量一般小于0 1 铬13 30 单相的铁素体组织 Cr17 Cr25 Cr28 马氏体不锈钢 含碳0 1 0 4 铬16 18 淬火得到马氏体组织 1Cr13 2Cr13 3Cr13 奥氏体不锈钢 含铬17 20 镍9 11 常温仍保持奥氏体组织 不磁化 硬度小 加工性能好 Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9 强度低 塑性好 可用冷加工的方法使之加工硬化提高强度 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 在二步法基础上增加深脱碳的装备 通常有初炼炉 AOD LF VOD 初炼炉 MRP LF VOD 初炼炉 MRP LF RH OB等形式 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 AOD ArgonOxygenDecarburization 炉简图 Ar O2混合气体 出钢口 返回 双层套管风口 1二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 AOD的原理是吹惰性气体 Ar 作稀释气体 降低碳 氧反应产物CO的分压 PCO 以达到去碳保铬的目的 为了减少铬的氧化和防止钢液温度过高 在吹炼时要改变氩氧的混合比 实际操作中冶炼过程中分阶段变化氧压比例 氮含量要求低的钢种 应使用纯氩 对氮含量要求不高的钢种可以使用粗氮或以氮气代替氩气 为保护炉体耐火材料 钢液温度不应超过1750 C 氧化期温度高时可加入清洁干燥的同钢种返回钢 以冷却钢液 工艺参数 氧氩比 AOD吹炼所用的混合气体中氧气和氩气的体积比 氧氩比在很大程度上影响着AOD的脱碳速率 铬的氧化速率以及溶池的升温速率 为尽可能减少铬的氧化和控制溶池温度 吹炼过程中根据溶池含碳量和温度调节氧氩比 氧氩比的理论值可以根据Fe Cr C O四元素的平衡条件 用热力学的方法计算 混合气体流量 氧氩比确定后 取决于氧气流量 AOD法的工艺要点 AOD对电炉所炼半钢的碳含量没有严格的要求 通常波动于1 2 硅的含量一般控制在0 2 0 4 对硫含量不做要求 出钢温度控制在1620 10 AOD法吹入氧 氩气体的比例一般为3个阶段或4个阶段 第一阶段O2 Ar N2 4 1 3 1 将碳氧化到0 3 左右 此时熔池温度约为1680 C 第二阶段O2 Ar 2 1或1 1将碳氧化到0 1 左右 熔池温度约为1690 1720 C 第三阶段O2 Ar 1 2 将碳氧化到0 03 左右 当炼碳含量小于0 01 的极低碳钢种时 第四阶段O2 Ar 1 3 1 4 继续脱碳 AOD法的工艺要点 最后用纯氩吹炼3 5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 钢中碳含量达到要求时 停止吹氧结束氧化期 加入硅铁 铝 石灰进入还原期 还原温度应高于1700 C 还原期间继续向炉内吹入氩气 铬的回收率99 锰的回收率90 以上 还原期可脱硫 AOD法的工艺要点 脱碳终了以后如果不是冶炼含钛不锈钢 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 原料条件不好或成品硫要求 50ppm时采用双渣法操作 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12 23Nm3 吨 氧为15 25Nm3 吨 Fe Si用量为8 20Kg 吨 石灰40 80Kg 吨 冷却剂为钢水量的3 10 AOD主要特点 l可以大量使用廉价的高碳铬铁 粗氩和氮气 l工艺稳定 效率高 产品质量好 l炉龄150 300次 高于VOD法 l脱硫效率高于VOD法 可高达90 l铬收得率95 99 高于VOD法 l投资少 约为VOD法的1 3 lAOD改进工艺在 C 0 7 脱碳 期采用纯O2吹炼 此时不会发生铬的氧化 其结果与O2 Ar 4 1时是一样的 60吨AOD的供O2速度由2880NM3 h增大到3600Nm3 h 使脱碳速度提高了0 02 min Ar消耗减少了2 8Nm3 t 冶炼时间缩短3分钟 lAOD改进工艺把在钢水碳含量0 11 0 7 区间分阶段降低O2 Ar改为连续降低O2 Ar 脱碳效率提高了6 硅铁使用量降低了0 7Kg t lAOD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 改进的AOD工艺 基本特征是更加靠近C Cr T平衡曲线 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 C 0 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75 90 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 AOD VCR VacuumConverterRefiner 工艺AOD法适于大量生产不锈钢 但由于在大气下冶炼 存在着铬的氧化性增加和极低碳范围的脱碳问题 为此 日本涉川厂开发了AOD VCR工艺 在AOD炉上增设真空装置 一方面利用AOD的强搅拌特征 另一方面在真空下不吹氧 而是利用钢中溶解氧和渣中氧化物 在低碳范围改善脱碳的效率 AOD VCR工艺 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 30ppm 氮 50ppm 而AOD法碳 100ppm 氮 100ppm 氢1 3ppm 氧30 60ppm 而AOD法氢3 5ppm 氧40 60ppm 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 lVOD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 200Torr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50ppm 甚至100ppm 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30 10ppm的水平 适于冶炼超低碳不锈钢和超纯铁素体不锈钢 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 LF CCl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 lVOD炉深脱C lSTAR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 工艺流程 SR KCB中以预处理后的铁水和通过STAR炉还原转炉尘得到的生铁和废钢作为主要原料 熔融还原铬铁矿 大容量炉体 从喷枪直接添加粉状生铬矿 可大量熔化废钢 DC KCB中添加Fe Cr Ni合金 废钢 熔融还原和脱碳在顶底复吹转炉中进行 采用顶吹氧枪喷吹碳粉 底吹风管为双重管 内管吹入氩气和氮气稀释后的氧气 从外管吹入丙烷气 实现大流量喷吹的强搅拌力 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 2Nm3 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 950Nm3 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 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 N2气稀释 和增加熔池搅拌的方法 在最后阶段只顶吹N2气 使Cr的氧化显著降低 3 VOD炉深脱碳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 Al2O3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Al2O3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Al2O3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 MetalRefiningProcess 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2Nm3 t min的强度吹入精炼气体 造成良好的动力学条件 结合使用顶枪 脱碳速度 0 1 min 可在短时内使高碳钢水脱碳 减少了精炼时间和耐火材料消耗 不锈钢冶炼流程的主要特点比较 表示优势 从表中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 03 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 03 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 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 我国不锈钢未来发展需要关注的问题 不锈