不锈钢生产技术的新进展.doc

不锈钢生产技术的新进展由于不锈钢用途广泛，价格-寿命比低，可100%回收使用，以及冶金和材料的新工艺、新技术的迅速发展，使世界不锈钢成本大幅度下降，产量高速增长1，也使不锈钢产量占钢总产量的比例有较大提高2，3。同时，不锈钢的品种质量也有显著发展47。1不锈钢冶炼工艺1.1AOD法AOD法仍然是冶炼不锈钢的主要方法。目前世界上约有1185 t AOD炉155台，其中1/2在不锈钢厂，另外1/2在铸造厂。AOD法生产的不锈钢已突破1 000万t，约占世界不锈钢总产量的68.7%8，见表1。表1各种方法冶炼的不锈钢占不锈钢总产量的比例Table 1Proportion of stainless output produced by various melting processes to total stainless output冶炼方法占不锈钢总产量的比例/%1983年1996年AOD71.868.7转炉/VOD10.419.5VOD9.26.8电炉4.2-其它转炉(CLU，ASM，SFR等)4.45.0注：世界不锈钢总产量，1983：655万t；1996：1 500万t近年来AOD工艺有不少改进，主要有：(1)增加顶枪吹氧。在脱碳过程中，通过风口吹入1/31/5的Ar/O2混合气体和通过顶枪吹入100%的氧。顶枪吹氧工艺，有“硬吹”和“软吹”，“硬吹”就是通过顶枪吹入的氧100%同熔池反应；“软吹”就是通过顶枪吹入的氧，约60%同熔池反应，40%在炉帽空间将CO燃烧成CO2。图1表明顶枪“硬吹”工艺(KCBS工艺)比普通AOD工艺可缩短脱碳时间44%9。图1无顶枪AOD与有“硬吹”顶枪AOD脱碳比较Fig 1Comprison of decarbonisation of AOD without top lance and AOD with blowing hardtop lance另外“软吹”工艺缩短脱碳时间是“硬吹”的70%。但是由于它能产生附加的热能并传递给熔池，因而还能减少硅的消耗、增加废钢用量并降低电炉出钢温度。(2) 计算机智能控制：许多工厂已经发展了计算机静态和动态控制模型。(3) 用AOD法生产超低碳-超低氮铁素体不锈钢如409L和439L。用AOD法生产的铁素体钢其碳和氮的含量很低(见表2)、接近于VOD法生产的钢，这种趋势还会发展下去。正在开发的AOD技术：不锈钢脱磷技术；通过风口喷粉技术；使用不规则形状风口、溅渣护炉技术等。80 t AOD炉的技术经济指标见表3。表2AOD冶炼的铁素体不锈钢中的C和N含量Table 2Obtained C and N content in ferrite stainless steel melting by AOD process钢号C/10-6N/10-6典型最好典型最好11%13%Cr16%18%Cr70701003060801101001306080注：表中结果也可在冶炼奥氏体不锈钢中获得。表380 t AOD炉中生产304不锈钢技术经济指标Table 3Technical and economic index for 304 stainless steel produced by an 80 t AOD furnace名称指标典型最好氩气/m3.t-1129氮气/m3.t-19119氧气/m3.t-12532-石灰/kg.t-1506042萤石/kg.t-132铝/kg.t-121还原用硅/kg.t-1896炉衬砖/kg.t-1592脱碳金属/kg.t-1135-兑钢至出钢时间/min508040总铬收得率(EAF/AOD)/%969799.5总锰收得率(EAF/AOD)/%8895总金属收得率(EAF/AOD)/%9597注：初始碳含量1.8%，成品：N0.05%，S0.005%。1.2三步炼钢法三步炼钢法是80年代开发出来的不锈钢冶炼新工艺。从表1可看出该方法在不锈钢生产中所占比例已接近20%。与电炉-AOD二步法不同，三步炼钢法实质上是初炼炉-转炉-真空精炼炉9，10，根据工厂的原料及其它条件，初炼炉既可选电炉也可以选转炉。转炉的型式有普通的复吹转炉LD、曼内斯曼.德马克公司开发的MRP-L转炉和奥钢联开发的K-OBM转炉。转炉的功能主要是快速脱碳并避免铬的氧化，第3步的真空精炼炉主要采用VOD，个别厂采用RH-OB或RH-KTB。目的是将钢水在真空下进一步精炼并调整成分。以MRP为代表的三步炼钢法主要优点是：转炉炉衬寿命高(9001 100炉次)、产品范围广、质量好(O、N、H低)、有利于同连铸机匹配(提高连铸炉数)。表4是近年来新建的三步炼钢法不锈钢厂。 表4三步炼钢法冶炼不锈钢的工厂Table 4Some stainless steel works using three step melting process厂名转炉型式工艺路线产品设计产量竣工日期韩国浦项K-OBM185 t EAF+190 t K-OBM-S+VOD+CC不锈钢板坯45万t1996.8南非伊斯柯K-OBMEAF+1125t K-OBM-S+VOD(双出)+CC不锈钢板坯50万t1995.5日本川崎K-OBMH/MDep+1160 t KMS-S+1160 t K-OBM-S+VOD(RH-KTB)不锈钢板坯普通钢板坯(60万t)1996.5比利时阿尔兹MRP190 t EAF+100 t MRP-S+2100 t VOD+CC不锈钢板坯50万t1988.4巴西阿谢西塔MRP235 t EAF+175 t MRP-S+VOD+CC不锈钢板坯35万t(10万t)1996.5日本日新LD190 t EAF+275 t430 t EAF LD-OB+VOD+CC不锈钢板坯48万t(54万t)-日本新日铁八幡LDEAF+1150 t LD-OB(160 t AOD)+VOD+CC不锈钢板坯碳钢板坯(20万t)-注：表中括号内数字为1996年产量。1.3其它转炉法其它转炉法占世界不锈钢总产量的5%，例如：1996年CLU法南非哥伦布厂生产的28万t，瑞典Degefors厂生产18万t，ASM法印度Jindal厂生产9万t，SFR法日本福山厂生产9万t。CLU法是由瑞典Uddeholm和法国Creusot Loire厂发明的，是电炉-转炉二步法。第1座70 t工业炉于1973年在瑞典Degefors厂投产，1995年5月南非哥伦布厂投产了由奥钢联建设的2座100 t CLU炉子，设计年产不锈钢54万t。该工艺的主要特点是在脱碳过程中通过底部风口吹入的过热水蒸汽进入钢水后分解成氢和氧，氢可作为稀释气体代替氩来降低脱碳过程中的CO分压，氧则可进行氧化反应，同时在水蒸气分解过程中要吸收大量的热量，降低温度，因而无须像AOD工艺那样在脱碳末期加入固态冷却剂。CLU法同AOD法相比氩气消耗可减少70%11。最近大型钢铁联合企业利用脱磷铁水的优势，将传统的LD转炉改造用于生产不锈钢。例如，1990年9月日本钢管福山厂将120 t转炉改造成为顶底吹炼的还原炉-SRF炉。生产过程是将经脱磷和脱硫的铁水以及不锈钢废钢装入SRF炉内，同时装入铬矿石、镍矿石以及作为能源、还原剂的焦炭；先进行熔炼还原，然后再进行脱碳精炼，出钢后钢水经NK-AP处理或RH脱气处理，由于实施焦炭二次燃烧和强迫熔池 搅拌技术，转炉内可加入大量铬矿石代替铬铁，创造了冶炼不锈钢铬铁消耗量仅为7.7 kg/t的新记录(过去消耗量为40 kg/t)，炉衬寿命达到2 000次，生产能力可达1万t/月12。2不锈钢连铸工艺技术2.1普通不锈钢连铸机从70年代以来不锈钢连铸发展很快，目前用于浇注不锈钢方坯、板坯的专用普通连铸机已达77台，不锈钢连铸比已超过95%13。普通不锈钢连铸浇注的板坯厚度一般为200 mm，其发展趋势如下：(1) 产量规模不断扩大。例如：奥钢联新建的浦项公司和哥伦布不锈钢厂专用板坯连铸机以及改造的芬兰奥托昆普公司不锈钢专用板坯连铸机的规模都达到50万t以上。(2)多炉连铸比不断提高，例如：浦项不锈钢厂90 t钢包连铸机的连铸炉数从1989年1.6炉提高至1995年的4.1炉，最近又提高到7炉，连铸时间长达420 min14。(3)板坯表面质量大大提高。例如浦项不锈钢厂，通过安装大包探渣器避免大包下渣；中间包筑坝改善钢水流动，提高中间塞杆耐火材料质量以控制结晶器液面水平；确定最佳结晶器振动频率(160180次/min)、浸入式水口插入深度(110130 mm)；保护渣最佳消耗量(0.40.5 kg/t)以改善振痕深度，使不锈钢板坯质量大大提高。目前304钢板修磨比为5%，热轧钢卷修磨比0.5%，430钢板坯修磨比为10%，热轧钢卷修磨比为5%14。(4)其它新技术的运用：如等离子中间包加热技术，电磁搅拌技术等。2.2薄板坯连铸机薄板坯连铸机已广泛用于生产普通钢，浇注板坯厚度为40127 mm，主要方法有西马克开发的CSP技术，德马克开发的ISP技术、达涅利开发的FTSR技术、奥钢联开发的ConRoll技术、美国莱平斯开发的TSP技术和住友金属开发的QSP技术。但目前工业化的只有CSP和ConRoll生产技术，见表5。表5CSP和ConRoll生产线Table 5CSP and ConRoll production line新技术厂名冶炼设备连铸设备热轧设备产品、规格及产量CSP纽柯公司克劳福茨维尔厂2150 t EAF1150 t AOD2150 t LF1150 t VDF2SMS薄板坯连铸机厚度 4050 mm宽度9001 350 mm长度 max 47 m铸速 max 6 m/min连铸机半径 3 m辊底式均热炉(长162 m，4个加热区，100个烧嘴)，精轧机47 000 kW(现已变成5机架，将改造成6机架)，液压AGC、CVC，工作辊弯曲普通钢，不锈钢2.012.7 mm9001 350 mm2条线160万t/年，其中不锈钢20万tConRollAvesta175 t EAF175 t AODVA1型连铸机(经改造)厚度80200 mm,宽度6602 100 mm，连铸机半径8 m。步进式加热炉2座粗轧(4辊)6 600 kW精轧(炉卷轧机)115 000 kW液压AGC、CVC，工作辊移动(125 mm)工作辊弯曲(1 500 kN/每个辊颈)不锈钢卷板及中板212.7 mm2 100 mm60万t/年(可增至82.5万t/年)Armco曼斯菲尔德厂2117 t/135 t EAF(经改造)1117 t AOD(经改造)1117 t/135 t LMFVAI型薄板坯连铸机厚度75125 mm宽度6351 283 mm长度 max 18.3 m铸速3.75 m/min连铸机半径5 m步进式加热炉(可放13块板坯，5个加热区)粗轧(2辊) 17 000 HP精轧63 000 HP液压AGC普通钢不锈钢1.812.7 mm75万t/年(可扩至120万t/年)其中不锈钢18万t薄板坯连铸技术首先用于不锈钢是1988年，当时瑞典Avesta厂把不锈钢连铸坯厚度从原来的最小厚度140 mm减至80 mm，其动机有2个：一是对专用的高合金奥氏体钢(约20%Cr、18%25%Ni，4.5%6.2%Mo)避免二次轧制，另外是改进这些钢种的内部质量(减少偏析，铁素体分布均匀)，为此该公司将原来能浇注140200 mm6601 600 mm板坯的连铸机，改造成为：80200 mm6002 100 mm的薄板坯连铸机，改造范围是结晶器、弯曲段、弧形段和矫直段15。美国Armco公司曼斯菲尔德厂，原有2台电炉、1台AOD炉，1套热连轧机(1架粗轧机，6架精轧机)，1993年12月开始同奥钢联合作，采用ConRoll技术进行改造，铸坯厚度75125 mm。1995年4月投产以来顺利地生产409 铁素体不锈钢，最高月产达到1.8万t，Armco公司30%的409不锈钢，由曼斯菲尔德厂生产，同时板坯表面质量良好，板坯最终缺陷指数从30降至2以下。409不锈钢表面废品率小于0.2%16。纽柯公司克劳福兹维尔厂1989年投产了世界上第1条CSP生产线，1995年又建成第2条CSP生产线并投资2 000万美元，安装1台150 t AOD炉，为生产不锈钢创造了条件。19951996年分别生产2.16万t和3.12万t的409铁素体不锈钢(主要用于汽车排气管)；1997年该厂又投资1 200万美元建成一条酸洗线，既能处理400系列不锈钢又能处理普通碳钢，不久将能生产409冷轧退火不锈钢。另外该厂还试验了439和304不锈钢。希望最终形成20万t规模(409钢9.6万t、439钢6.4万t、304钢4万t17)。CSP工艺在钢板表面质量上存在局限性，因为铸坯薄(4050 mm)没有机会改善板坯表面质量，这点需要今后进一步改进。2.3薄带连铸机用连铸机直接浇注厚度为216 mm的不锈薄带钢是钢铁界正在积极开发的一项重大新技术。据测算带钢直接浇铸工艺的吨钢投资是传统流程的50%、操作费用约低20%30%。日本、美国、德国、法国、意大利、韩国、英国、澳大利亚、奥地利等国共20多台不同类型的薄带钢连铸机进行工业或半工业试验，试验钢种主要是高、中、低碳钢，电工钢等。浇注工艺有单辊连铸、双辊连铸、异径辊连铸和辊带结合连铸。但是直到目前只有新日铁，三菱重工和于齐诺尔.蒂森公司开发的双辊带钢连铸实现工业化，分别在新日铁光厂和尤金公司伊斯贝尔格厂进行了工业试验。铸机性能及开发情况见表6、表7。日本钢铁界人士预测到2020年薄带连铸机生产带钢的产量将占带钢总产量的10%15%18。 表6工业化双辊薄带连铸机参数Table 6Exploiting condition of commercial double roll thin trip caster厂名铸机类型钢包容量/t中包容量/t浇注速度/mmin-1带钢厚度/mm辊子宽度/mm辊子直径/mm辊套材质卷取机新日铁光厂19双辊101.6201301.65.0800/1 3001 200Cu+镀Ni1台上卷取机尤金公司伊斯贝尔格厂20双辊921220802.04.0865/1 3001 500镀Ni铜辊2台下卷取机(15 t)表7工业化双辊薄带连铸机开发使用情况Table 7Coil rolling mill to be put into production in recent year 厂名试验情况工业打算新日铁光厂19项目开始1985年第1阶段(19851988年)1 t试验设备(1 200 mm800 mm)第2阶段(19891991年)10 t规模样机(1 200 mm800 mm)第3阶段(19911993年)10 t规模样机(1 200 mm1 300 mm)已浇成10 t宽1 330 mm的钢卷已投资110亿日元在新日铁光厂建1台工业装置，钢包容量60 t，带钢厚度25 mm，宽7601 330 mm，月产能力3.5万t，主要生产304不锈钢。1996年1月动工，正在进行设备调试。尤金公司伊斯贝尔格厂20项目开始1989年10月1991年6月第1次热试车，1992年5月带钢重超10 t(厚3 mm，宽865 mm)，1993年10月带钢重超25 t，第1次冷轧；1995年1月 安装第2台卷取机，1995年10月钢水全部浇完(92 t)，浇注时间100 min将带钢宽度扩大到1 300 mm，投资改造使该装置达到年产3540万t带钢的最终目标，与印度系德勒公司签订协议，在印度古吉拉特建一条工业规模的不锈钢带钢直接浇注生产线3热轧技术3.1常规热连轧机常规热连轧机仍是生产不锈钢热轧卷板的主要设备。国外采取两种方式：一种是生产普通碳钢为主同时兼轧不锈钢或电工钢的轧机，产量每台为250 万t以上，例如：日本新日铁的大分、八幡厂(为光厂供热轧卷)、川崎千叶厂的3号轧机(向千叶厂供热轧卷)、日新吴厂的2号轧机(向周南厂供热轧卷)，法国索拉克的敦刻尔克和福斯厂(向尤金公司伊斯贝尔格和格尼翁厂供热轧卷)德国克虏伯的波鸿厂及韩国的浦项2号轧机等。另一种是专门轧制不锈钢、电工钢和特殊钢的热连轧机，年产量100万t左右，例如，美国阿里根尼的布拉肯里奇厂、意大利AST的特尔尼厂。除日新吴厂2号轧机是80年代和川崎千叶厂3号轧机是90年代建成之外，其余常规生产不锈钢的热连轧机一般都是70年代以前的轧机。但近几年来经过技术改造，普遍采用计算机进行过程自动控制。为提高产品质量和扩大品种规格，近年来采取的主要措施有：板厚控制技术(液压AGC采用高应答交流马达和高速液压压下装置)；板宽控制技术(设置定宽压力机并控制粗轧机和精轧机的立辊压下量)；板型及凸度控制技术(液压弯辊、轧辊横移、动态板形辊DSR及控制板型的轧机如：CVC、HC、PC轧机等)；机架间活套、张力控制技术(采用高应答交流马达和低惯性活套装置，可提高板厚及板宽的精度)。温度均匀技术(步进式加热炉轨道上装有含钨合金块消除滑道产生的黑印，粗轧至精轧间的保温罩以及轧件边部感应加热装置等)。控制表面光洁度技术(完善高压水除鳞及防止二次铁鳞生成，精轧机轧辊采用高速钢制造)。以川崎千叶3号热连轧机为代表的新一代轧机在轧制普通碳钢时，厚度公差达到25 m,宽度公差达 mm，凸度目标值2040m，精轧机的出口侧温度(FDT)达15 、卷取温度(CT)可以控制在10 以内21，同时该轧机能生产厚度为1.0 mm的普通钢，不锈钢厚度达到1.5 mm，为世界上最薄的热连轧机。2号热连轧机经改造后(增设F7精轧机，活套低惯性化，改造带钢冷却装置，计算机系统更新)，可生产的不锈钢卷板厚度降至2.0 mm，同时不锈钢头、尾厚度公差得到很大改善22。意大利特尔尼厂热连轧机经过改造后(精轧机由5机架增至7机架、增设中间保温炉、增设边部加热器2800 kW,F0、F1、F5、F6安装了液压AGC，7架精轧机全部增设工作辊弯曲735835 kW,精轧机最后3个机架增设工作辊移动105 mm)，轧制300系列不锈钢厚度公差0.1 mm；宽度公差 mm。3.2炉卷轧机炉卷轧机是一种设有炉内卷曲机的可逆式热轧机(国外称为Steckel轧机)，这种轧机特别适合于轧制变形温度范围窄，抗力大的难变形钢种(如不锈钢、高温合金等)。炉卷轧机发展初期由于本身的缺陷、产品质量不能满足需要，几乎被热连轧机所淘汰。进入80年代以来，由于许多独立的中型不锈钢厂需要自己的热轧设备(1560万t/年)，再加上炉卷轧机的工艺技术和设备结构实现了重大改进23，24，因而新一代炉卷轧机又在一些主要工业化国家兴建。表8列出了80年代以来新建和改造的不锈钢炉卷轧机的情况。 表8近年来投产的不锈钢炉卷轧机Table 8 Outline of new built Steckel mill for stainless steel厂名投产时间设计产量/万t轧机轧辊长度/mm主电机功率/kW产品规格/mm品种卷重/t备注日金工相模原厂1969/1985181 470-287501 300不锈钢15原西德二手设备改造成HCW巴西阿谢西塔厂1980/1995451 700-3106001 500不锈钢、硅钢17.4英国戴维公司供货西班牙阿塞里诺克斯厂1986401 75025 0002.591 0001 580不锈钢23.8日立HCMW 6辊芬兰奥托昆普公司1988501 83025 0002.5106901 600不锈钢26日立HCMW 6辊瑞典阿维斯塔公司1992252 20015 000212.78002 100不锈钢-SMS公司CVC轧机印度萨勒姆厂1995101 45024 500288001 275不锈钢15SMS公司CVC轧机南非哥伦布厂1995451 80025 5002109001 600不锈钢30戴维-三菱PC轧机美国卢肯斯公司1995-2 78426 0002109002 500不锈钢、碳钢-United 供货日本冶金川崎厂199572-291 500不锈钢-日立HCMW 6辊日金工衣浦厂199654-1.512.51 600不锈钢2430日立-三菱PC轧机美国北美不锈钢19981001 70026 0001.512.51 524不锈钢、碳钢33日立-三菱PC轧机4不锈钢的冷轧和精轧技术4.1不锈钢的冷轧技术森吉米尔型20辊轧机仍是轧制不锈钢的主力轧机，占世界不锈钢轧机的90%。超过1 000 mm以上的宽幅森吉米尔不锈钢轧机共92台24。森吉米尔机架有2种型式，一种是整体式机架，另一种是4柱分体式机架，后者可允许有130 mm的开口度，以便于穿带及某些部件的装卸和维修。在超过800 m/min的高速轧制方面已取得了明显的进展，图2表示日本可逆式冷轧机高速化的演变情况25。新建的森吉米尔冷轧机还加大了主电机的功率，提高轧制能力，可以每道次18%22%的压下率实行强化轧制。因此，可减少轧制道次和中间退火次数。例如美国华盛顿不锈钢公司用辊身长1 300 mm，工作辊直径5060 mm的20辊轧机，不经中间退火可将3.1 mm带钢轧成0.25 mm，总变形量达到92%26。型式Z轧机KST轧机KT轧机UC轧机CR轧机厂家森吉米尔(日立)神户制钢所神户制钢所日立制作所三菱重工业辊子排列型号ZENDZIMER轧机KOBELCO-SUNDWICTWENTY-HIGH轧机KOBELCOTWELVE-HIGH轧机UNIVERSALCROWNCONTROLL轧机CLUSTER TYPEROLLING轧机特征形状控制机能.分割式BUR凸度弯曲机.第1中间辊轴向移动.分割式BUR凸度弯曲机.第1中间辊轴向移动.分割式BUR凸度弯曲机.中间辊轴向移动.中间辊移动.中间辊弯曲.工作辊弯曲.分割式BUR调整凸度.中间辊弯曲.工作辊弯曲板厚控制机能.油压驱动压下偏心机构.楔入式油压压下.电动压下轧制.楔入式油压压下.电动压下轧制.油压压下液压罐.油压压下轧制.油压压下液压罐.油压压下轧制机架构造.整体机架.四柱式分离机架.四柱式分离机架.分离机架.分离机架工作辊小直径.可以非常小的直径.可以非常小的直径.可小直径.DW(工作辊)/B(最大宽度)=DW/n0.7.可小直径轴承座有无无无无无无轧辊驱动.上下第1中间辊.上下第1中间辊.上下中间辊.上下中间辊.上下中间辊图2最近的冷轧不锈钢设备的类型及特征Fig 2Type and feature of equipment for cold-rolling stainles steel recently近年来日本三菱重工开发的12辊CR型冷轧机在生产不锈钢方面得到很大应用，住友金属鹿岛厂，川崎制铁千叶厂，日新制钢周南厂都在80年代末90年代初新建了12辊不锈钢冷轧机、具体规格见表9，周南厂12辊轧机同光亮线配合主要用于生产0.6 mm以下的极薄带不锈钢，最薄规格可达0.05 mm，而且板型控制得很好27。表9日本12辊不锈钢冷轧机参数Table 9Parameter of twelve-high cold mill for stainless steel in Japan厂名轧机速度/m.min-1机组张力/t轧辊直径/mm压下力/t轧机主电机功率/kW钢卷宽度/mm钢卷厚度/mm钢卷重量/t生产日期日新制钢周南厂80025工作辊：60120中间辊150160支撑辊220,360500-6001 050来料0.12.0成品0.050.6181989住友金属鹿岛厂1 00040工作辊75135(常用8095)中间辊210支撑辊5201 0004 0009001 300来料1.54.5成品0.11.5231992川崎制铁千叶厂80060791201 0006 3006501 600来料1.0