世界上以铁水为原料的不锈钢生产工艺及关键技术

世界上以铁水为原料的不锈钢生产工艺及关键技术

1不锈钢的生产和加工发展现状随着我国经济发展的加快和人民生活水平的不断提高，对钢铁的需求迅速增加。自2001年以来，表中的消费一直是五年的世界第一次。2005年，铬消费总量达到22.1万吨，超过美国和日本的总消费总额。由于我国不锈钢生产起步晚,2000年才结束长期徘徊年产30万t不锈钢的状况,这几年从建冷轧到建冶炼热轧生产线,不锈钢产量猛增,2004年不锈钢产量达到236万t,2005年为316万t。但由于消费增长仍然高于产量增长,自1999年以来我国一直是世界上不锈钢第一进口大国,2004年进口量达290万t,占国内需求的65%,2005年进口313万t,仍占到消费量的60%。预测我国2010年不锈钢的消费量将达到650万t,达到人均4.2kg的世界平均水平,之后不锈钢需求量的增加将会进入相对稳定时期。最近几年我国将陆续建成投产一批达到世界先进水平的不锈钢生产线,如宝钢不锈钢分公司扩建工程2005年投产,使不锈钢总产量达到150万t。太钢150万t不锈钢新生产线,酒钢50万t冶炼热轧线,张家港浦项60万t冶炼热轧线,广东联众80万t冶炼热轧线等将于2006年投产。同时还有一批冷轧薄板生产线陆续建成投产。届时我国将从根本上改变不锈钢生产落后、依赖进口的局面,并有一定数量的出口。而以往所建的一大批生产规模小、工艺装备落后、产品质量低、消耗和成本高、环境污染严重的老的和应急建设的小型不锈钢生产线则将会被淘汰。不锈钢的发展取决于消费水平、资金、技术和原料,因此长期以来不锈钢生产被垄断在少数发达国家手中,如美国、日本和西欧等。这些国家有市场、有资金和技术,而且因使用不锈钢的历史长,不锈钢的社会蓄积量大,拥有丰富的不锈钢废钢资源。而不锈钢冶炼以不锈钢废钢为原料的生产工艺成熟可靠、质量有保证、生产成本低。我国在上世纪五十年代开始生产不锈钢,至2000年不锈钢产量还只有几十万t,不锈钢的应用也只局限在军工、化工等领域,不锈钢的社会蓄积量基本是空白。因此,最近几年新建和将要建成投产的600多万t不锈钢冶炼能力,尽管工艺装备先进,但都面临着严重的原料供应问题,以及由原料而引起的冶炼工艺技术问题。宝钢股份不锈钢分公司冶炼生产线从规划设计开始就认真分析了中国不锈钢的原料供应问题,制定了既能适应目前缺乏不锈钢废钢主要以高炉铁水为原料,又能适应长远不锈钢废钢资源丰富时较高废钢比的工艺路线。从投产近二年来的情况看,该不锈钢冶炼生产线原料适应性强、产品质量好、消耗成本低,符合中国发展不锈钢的国情。2废钢原料选择在我国现阶段,利用高炉铁水冶炼不锈钢比采用进口不锈钢废钢和国产低磷碳素废钢作原料具有原料来源广、总的配料成本低,能耗及能源成本低,以及钢水纯净度高等优点。2.1不锈钢料料的开发传统冶炼不锈钢的原料有不锈钢废钢、低磷(含磷小于0.03%)碳素废钢、镍和镍铁、高碳铬铁。由于我国不锈钢废钢资源贫乏,大量生产不锈钢只有进口不锈钢废钢,主要从美国、西欧、日本进口,但最近几年由于我国(包括台湾)和韩国等的不锈钢生产高速发展,争相进口不锈钢废钢,使全球不锈钢废钢供应紧张、价格上扬。低磷碳素废钢社会上没有资源,只有靠钢铁企业内部生产低磷钢种时才会少量产生,而成材率的不断提高及自身用作冷却剂使该资源稀缺且价格高昂。采用高炉铁水冶炼不锈钢时,不需低磷碳素废钢,除使用自产不锈钢废钢外,大大减少使用进口不锈钢废钢,从而可降低冶炼不锈钢总的配料成本。众所周知,在不锈钢生产总成本中配料成本占有主要地位。从不锈钢分公司冶炼不锈钢的二种实际配料看,采用高炉铁水比使用进口不锈废钢有明显的配料成本优势,见表1。2.2高炉铁水为基冶炼不锈钢的能耗成本以高炉铁水为基冶炼不锈钢时因含碳高而多消耗氧气但节省电耗较多,而以废钢为基冶炼不锈钢时则少消耗氧气但电耗高,比较二种冶炼工艺实际生产结果,高炉铁水为基冶炼不锈钢的能源成本较低,见表2。2.3高炉铁水钢液吹炼脱硫效果好,铁水含杂不锈钢通常以表面光洁美观的冷轧薄板来使用,要求冶炼出纯净的钢液,主要控制钢水中的[S]、[P]、、[N]元素和夹杂物含量。高炉铁水喷吹脱磷后其[P]<0.01%,使不锈钢液[P]～0.02%。由于铁水含碳高,AODL吹炼脱硫效果好,一般[S]<0.005%。铁水通常比废钢纯净,含杂质元素少。铁水加铁合金炉料还容易控制钢液的Ni、Cr含量精度。因此,使用高炉铁水冶炼不锈钢有利于提高钢水的纯净度。表3为宝钢与太钢的生产经验。2.4研究国内不锈钢废钢资源情况随着我国不锈钢消费量的持续增长,由不锈钢制成品加工过程产生的废钢量同步在增长,而一定年限后不锈钢社会废钢的发生量也会增长,也即国产不锈钢废钢资源会逐步丰富起来,国内不锈钢废钢市场也会逐步走向成熟。由于不锈钢废钢300系列通常以含镍量计价(送铬和铁)、400系列以含铬量计价(送铁),而国内外的镍、铬价格走势存在滞后现象,加上进口不锈废钢各个环节的费用,因此使用国产不锈钢废钢冶炼的配料成本会与使用进口不锈钢废钢有所区别。研究结果表明,在冶炼300系列不锈钢时,配料中每增加10%的国产镍铬不锈钢废钢能使炉料成本下降1.8%;而在冶炼400系列不锈钢时,使用高炉脱磷铁水加高碳铬铁其配料成本仍然比使用国产铬不锈钢废钢便宜。为此,随着国产不锈钢废钢资源的逐步丰富、不锈钢废钢市场的逐步成熟,应抓紧研究国内不锈钢废钢资源情况及不锈钢废钢的回收、处理、使用等问题。据了解目前国内不锈钢废钢资源多数被民营不锈钢企业所控制,还没有使这一资源得到优化配置和利用。不锈钢分公司的不锈钢冶炼工艺装备已设计了使用铁水和不同废钢比的多种可能,在目前使用铁水和进口不锈废钢的同时应积极探索多使用国产镍铬不锈钢废钢生产300系列不锈钢的可行性。3不锈钢侵权企业在设计不锈钢冶炼工艺前,世界上以铁水(包括高炉铁水及铬铁水)冶炼不锈钢的工厂不多,仅有芬兰奥托昆普(铬铁水)、日本日新制钢(铬铁水)、日本住友和歌山(高炉铁水)、日本川崎千叶(高炉铁水)、巴西阿塞西塔(铬铁水、高炉铁水)及我国太钢(高炉铁水)几家不锈钢厂,所用工艺五花八门,除千叶和太钢为近十年的设备外,大多为三、四十年前的装备。世界上采用铬铁水、高炉铁水冶炼不锈钢的钢厂基本情况见表4,图1为不锈钢分公司冶炼工艺路线图。下面重点讨论铁水冶炼不锈钢的几个关键技术问题。(1)铬矿熔融还原技术这个问题比较简单。奥托昆普托尼厂和巴西阿塞西塔厂自己有铬铁矿并先生产铬铁,后来才发展不锈钢生产,比其他不锈钢厂有成本优势。按每吨钢(304)消耗210kg高碳铬铁计算,约可节省100元的采购成本和30元的熔化成本,以及铬铁液浇铸、加工、运输、再熔化过程的1%～2%损耗,总计约200元/t。如果不具备铬铁矿及廉价电力条件,还是从市场采购高碳铬铁合理。日新制钢周南厂买周南电工用铬矿粉压块—回转窑预还原—矿热电炉熔化生产的铬铁水,经比较后还是放弃铬铁水改为采购高碳铬铁。川崎千叶厂开发铬矿熔融还原技术,其结论是不适宜生产300系列不锈钢。由于国际国内铬铁生产发达、市场供应充裕,上海地区电力贵、无铬矿,且环保要求高,因此在上海地区生产不锈钢还是从市场采购高碳铬铁合理。(2)铁水脱磷技术不锈钢液不具备脱磷热力学条件,只有严格控制配料中的磷含量,选用低磷废钢及铬铁。高炉冶炼过程不能脱磷,用于冶炼不锈钢的铁水必须将磷脱至0.01%以下。而长期以来高炉铁水脱磷是个难题,宝钢分公司为冶炼低磷钢种曾试验混铁车铁水脱磷,但没有成功。九十年代日本钢厂开发混铁车脱磷、铁水罐脱磷及转炉脱磷技术。混铁车脱磷动力学条件差、时间长、喷溅严重,脱磷效果不能满足终点磷小于0.01%的要求。转炉脱磷条件好但投资高,且不能解决冶炼不同钢种要求不同铁水量的问题。而铁水罐脱磷投资省、动力学条件好、时间短、能控制喷溅、能解决不同钢种要求不同铁水量、脱磷效果佳、能稳定达到小于0.01%终点磷,适宜于配不锈钢冶炼生产线,如日本住友和歌山、巴西阿塞西塔、太钢及宝钢都采用此种铁水脱鳞方法。不锈钢分公司铁水罐顶喷脱磷站能稳定将铁水磷自0.12%脱至≤0.01%,并能进行补充脱硅,确保低磷不锈钢的冶炼,见表5。(3)转炉均匀后的炼焦在设计不锈钢分公司生产线前,世界上使用铁水冶炼不锈钢还没有明确提出“不锈钢母液”的概念。一般都用电炉熔化合金和废钢,然后与脱磷铁水兑入转炉混匀,再吹炼脱碳,如巴西阿塞西塔和太钢。在不锈钢分公司第一次将电炉设计成不锈钢母液熔炼炉主要出于以下考虑:一是在电炉将钢种成分基本配好,简化AODL炉的操作,使AODL工序不会因脱碳任务重(尤其是冶炼一般钢种直接出成品时)影响连铸连浇,二是铁水全量进电炉有利于提高电炉效率,三是尽量避免铬铁水、脱磷铁水因等待、温降而发生兑铁水困难。从投产后的生产实践看这种设计是铁水冶炼不锈钢工艺发展的一大技术进步。(4)电-炉-vod由表6可见,因铬铁水含碳8.5%、脱磷铁水含碳～4%,使电炉出钢母液的含碳达到(3.8～4.2)%,远高于常规不锈钢冶炼时的1.5%。为此,巴西阿塞西塔和太钢都采用电炉-转炉-VOD三步法工艺,转炉用MRP或KOBM-S,脱碳到(0.3～0.4)%,再到VOD深脱碳至成品(0.03%～0.04%),即使一般钢种也必须如此。而不锈钢分公司采用带顶枪强搅拌AOD,一般钢种二步法,低碳超低碳钢种三步法,有利于缩短冶炼周期和连铸连浇,有利于降低冶炼工序的成本。目前二步法冶炼304时AODL的周期也只有65min,见图2。不锈钢分公司AODL将高碳母液一步吹炼脱碳成成品是对铁水冶炼不锈钢工艺发展的重大技术进步。(5)全铁水一步成钢400系列不锈钢可以直接用脱磷铁水兑入转炉冶炼而取消电炉工序降低成本。如409、420、430钢种需配入的高碳铬铁量为210～310kg/t,由于铁水含碳高,转炉吹炼全铁水发生的热量能满足熔化这些合金。这在住友和歌山、川崎千叶及太钢都这样冶炼过,问题在于千叶的DC炉、太钢的KOBM-S炉无法直接炼成成品,还需VOD深脱碳,而住友和歌山和不锈钢分公司的AODL炉能一步到底直接冶炼成成品。众所周知,由于氩气价格的降低,AODL炉一步炼成钢多消耗7～8m3氩气/t远比增加一道VOD工序要节省成本。不锈钢分公司因设计了强搅拌AODL炉,即使用全铁水一步成钢也能很好地满足连铸连浇周期的时间节奏,因此比其他三个厂更能实际生产应用全铁水一步成钢工艺。不锈钢分公司的脱磷铁水直接冶炼400系列不锈钢是对铁水冶炼不锈钢技术的重大贡献。(6)日本科学利用超纯铁素体的品种由于镍资源稀缺昂贵,传统300系列不锈钢如304钢种仅加入镍就要花费12000元/t,使其应用受到限制。为此要求不锈钢工作者尽快开发生产低成本但抗腐蚀、加工性能达到304甚至更好的不锈钢新品种,这就是超纯铁素体不锈钢。日本川崎千叶厂开发生产超纯铁素体钢走在世界前列。上世纪九十年代初,川崎开发生产的超纯Cr30Mo2钢(NSS447M1,川崎命名为R30-2,主要成分为:(%)C0.003,Si0.2,Mn0.1,Cr30.0,Ni0.2,Mo2.0),1000t1.0mm和1.5mm冷轧薄板成功应用于大型沿海关西国际机场的90000m2屋顶,据川崎试验检测,这一钢种的抗腐蚀性能已超过304达到316钢的水平。川崎使用其SS-VOD炉成功将钢液的[C]和[N]含量脱至30～40μg/g。据了解,太钢正与钢铁研究总院合作,重点开发409L、中铬超纯铁素体不锈钢新品种。不锈钢分公司设计了SS-VOD炉,设计时已考虑能开发生产超纯铁素体新品种。不锈钢新品开发工作已取得了初步成绩,已开发成功的有430XL、409L、TCS345等,正在开发的有444、439等,利用其工艺设备优势预期将会不断取得更多成果。4不锈钢冶炼工艺所面临的问题由于我国不锈钢消费和生产起步晚,不锈钢的社会蓄积量少,目前缺乏不锈钢废钢资