不锈钢冶炼工艺及国内现状与发展

金沙江

（宝钢工程技术集团有限公司， 上海 201900）

行业纵横

不锈钢冶炼工艺及国内现状与发展

金沙江

（宝钢工程技术集团有限公司， 上海 201900）

我国已成为不锈钢消费和生产大国，不锈钢因其品种繁多，需根据不同品种及原材料种类组织生产。目前，我国不锈钢生产发展方向是提高质量、降低成本、节能减排，同时在原材料和技术设备匹配上不断优化。

不锈钢 冶炼工艺 铬矿 熔融还原 直接合金化

不锈钢因其在大气、水、酸、碱、盐、或其他腐蚀介质中具有很强化学稳定性，广泛地应用在石油化工、原子能、轻工、纺织、食品、家用器械、电器、汽车等领域中。我国不锈钢生产起步晚，2000年结束长期徘徊30万t的状况，迅猛发展，2016年全球不锈钢粗钢产量4 490万t，产量居前五位的国家分别为中国、日本、印度、美国、韩国，其中我国不锈钢产量2 493.78万t，占全球产量的55.54%，到2020年中国不锈钢粗钢产量将超过3 000万t，表观消费量将可能超过2 500万t。随着产能的提升如何通过优化工艺流程及降低原料成本提升企业的市场竞争性力就迫在眉睫。

1 不锈钢冶炼的发展

20世纪初英国的谢菲尔德成功冶炼浇铸第一炉商品级不锈钢，不锈钢进入人们视线。到20世纪40年代，美国人希尔蒂（D.C.Hilty）通过对Cr-C温度平衡研究，提出在高温条件下脱碳保铬理论，奠定了不锈钢冶炼理论基础，在此基础上进一步研究了降低液化碳的分压对生产不锈钢生产物化反应的影响，催生了不锈钢冶炼技术的进步，到20世纪60年代中后期，德国维腾公司(Witten)的Edel厂研制成功真空法VOD和美国联合碳化物公司 (Union Cabide)稀释法AOD，大大地降低了不锈钢冶炼成本，提高了不锈钢生产效率，使不锈钢大规模生产成为可能。

2 我国不锈钢冶炼工艺设备

不锈钢冶炼工艺的选择与钢种和原材料有关，这些原材料主要包括：废钢、铁水、铬矿石、镍矿、合金等。

不锈钢冶炼所用的装备分为初炼设备和精炼设备两大类，初炼设备包括：电弧炉(EAF)、非真空感应炉（一般用于小规模生产）、矿热炉、转炉。精炼设备主要包括钢包型精炼设备(VOD、SS-VOD、VOD-PB等 )、 转 炉 型 精 炼 设 备 (AOD、VODC、VCR、CLU、KCB-S、KOBMS、K-BOP、MRP-L、GOR 等)及 RH 功能扩展型精炼设备（RH-OB、RH-KTB、RH-KPB等）三大类[1]。

通常情况下，冶炼不锈钢原料是废钢时，初炼设备采用电弧炉+精炼设备的短流程工艺；原料是铁水时，初炼设备采用转炉+精炼设备的工艺；原料是废钢+铁水时，初炼设备采用（电弧炉+转炉）+精炼设备的工艺；原料是铬矿石时，初炼设备采用（熔融还原转炉+脱碳转炉）+精炼设备的工艺（目前该工艺仅日本川崎制铁选用）；国内有将红土镍矿为原料时，初炼设备采用（干燥窑+回转窑+矿热炉+转炉）+精炼设备的工艺。

我国不锈钢的冶炼工艺历史经历了一步法、二步法和三步法发展历程。在精炼效果上，一般品种的不锈钢，可以采用一步或二步法工艺；对于要求不锈钢中 w[C]+w[N]≤250×10－6时采用三步法工艺[2]。目前两步法生产工艺约占70%，三步法生产工艺约占约20%，一步法生产工艺约占10%。

早期的不锈钢一步法生产工艺是在电弧炉内完成所有冶炼任务的，就是将不锈钢返回料一步冶炼成不锈钢。由于该生产工艺冶炼周期长、作业率低、生产成本高，已被逐步遭淘汰[2]。AOD冶炼不锈钢工艺诞生后，一步法冶炼工艺得到再次发展，该工艺以低P铁水和合金作为炉料加入AOD炉内进行冶炼的短流程。由于该工艺原料为铁水预处理后的低P铁水，在生产含合金量高的不锈钢品种时需加入大量高碳合金，影响整个冶炼工艺的热平衡，因此它只适用于合金含量低及纯净度要求不太高的不锈钢品种。

二步法冶炼不锈钢工艺是粗炼设备（电弧炉或转炉）→精炼设备AOD炉/VOD炉。其特点为：电弧炉对固态原材料适应性强，生产周期短，可生产除超低碳氮以外的所有不锈钢品种。

三步法冶炼不锈钢工艺是粗炼设备（电炉或转炉）→精炼设备AOD炉→精炼设备VOD炉。其主要特点包括：原材料适应性强，适合于吹炼高配碳的入炉粗钢水，生产成本降低；以N代Ar，Ar气消耗大幅度降低；AOD或复吹转炉采用高供氧强度，脱碳速度很高，可快速脱碳至出钢要求，温度至1 650～1 700℃，Cr的回收率高；VOD中真空条件下氮分压很低，低碳区脱碳速度较AOD也高，加上良好的底吹搅拌，有良好的的脱氮效果；产品范围广、质量高，可生产超低C、N钢，气体及夹杂物含量低。

我国大型不锈钢生产基地有山西太钢不锈钢有限公司（简称太钢）、宝武集团及青山控股集团等企业，其中前两家是既生产不锈钢也生产碳钢板材企业，采用长流程组织生产的联合企业，原材料选择范围广，不但有铁水供应，也有满足需要的废钢的供应，在不锈钢冶炼工艺路线的选择上相当灵活。而青山控股集团有限公司专业生产各种牌号的不锈钢棒材、线材、带材、型材、无缝管及管件等产品，采用短流程组织生产的企业集团，产品广泛应用于石油、化工、机械、电力、汽车、造船、食品、制药和装潢等领域。

太钢有三种不锈钢冶炼工艺流程。

第一种为短流程生产工艺：EAF→AOD，主要生产300系不锈钢种。第二种为长流程生产工艺：铁水预处理→K-OBM-S炉→VOD→LF炉，主要用于生产400系不锈钢。第三种冶炼工艺为：LD（De-p）→AOD→LF/VOD或EAF→AOD→LF/VOD。其中第三种生产工艺灵活，既可以采用两步法也可以采用三步法生产不锈钢。

宝武集团（宝钢不锈钢有限公司上海本部）不锈钢冶炼工艺装备为：铁水预处理采用双工位铁水罐脱磷装置、2座超高功率 EAF、2座 AOD-L、1座LATS和1座SS-VOD。流程一：铁水预处理（铁水罐脱磷）→AOD→VOD，生产200系和400系的部分钢种；流程二：铁水预处理（铁水罐脱磷）→EAF→AOD→LTS处理站/VOD，生产200系、300系和400系不锈钢；流程三：EAF→AOD→LTS处理站/VOD，生产200系、300系和400系不锈钢。

3 熔融还原技术的应用

由于原料成本约占不锈钢生产成本的70%，而原料中铬和镍的费用占很大比重，因此采用铬矿或镍矿取代含铬或镍铁合金直接冶炼不锈钢是降低不锈钢原料成本的有效手段。

日本川崎制铁研究开发转炉熔融还原技术制备母液，到1994年已成功实现了不锈钢工业化生产，形成了独有的不锈钢冶炼工艺，但该工艺不适宜生产300系列不锈钢。该工艺用2座顶底复吹转炉，原料为铬矿砂取代高碳铬铁直接冶炼不锈钢，主要包括：STAR（ShaftType AirRefining）竖炉型鼓风炉内熔融还原炼钢产生含铬粉尘和转炉产生的炉渣生产再生金属→第一座SR-KCB（熔融还原铬矿砂）→第二座DC-KCB（顶底复吹转炉内脱碳）→VOD炉内深脱碳。其配料为：铬矿和废钢分别为230～280 kg/t和190～130 kg/t，由 STAR 供给再生金属 250～50 kg/t，其他为铁水[3]。该工艺优点包括：提高主原料选择的灵活性，直接在转炉中使用铬矿石或铬矿粉，大量使用废钢；节约电能；提高生产率，降低生产成本；提高产品质量；减少排放，环境可控。

国内铬矿熔融法生产不锈钢处在的还原机理研究及工业性试验阶段。

在还原机理研究领域，有研究推测铬矿还原分两个阶段，第一阶段铬矿通过CO气体间接还原；第二阶段铬矿逐步向渣相中溶解，而被固体碳直接熔融还原，这两个反应与温度密切相关。在试验条件下，铬矿在CaO-SiO2-MgO-Al2O3渣系中溶解反应为整个过程的限制性环节。到目前为止，尚未对铬矿熔融还原机理达成一致观点，研究成果的应用具有局限性[4]。

此外，工业试验方面，据报导1992年在15 t转炉中进行了铁浴熔融还原制备不锈钢母液的工业试验，试验原料为含碳铬矿团块和氧化镍矿，炼成Cr13、Cr18Ni8两种不锈钢母液。Cr的熔融还原速率0.16～0.25w（Cr）/min，铬的收得率 85%，且磷含量超标。2000年在255m3高炉进行了不锈钢母液直接冶炼的工业试验[5]，共生产出含w（Cr）为5%～21.3%不锈钢母液近千吨。

4 结语

我国已成为不锈钢生产的大国2016年产量已占据全球不锈钢总产量的一半，并且实现根据不同钢种及原料选择不同的冶炼工艺来降低生产成本提高生产效率的能力，但若要进一步减低成本，降低能耗，减少排放，采用铬矿取代铬铁直接冶炼不锈钢势在必行。

[1] 李正邦，薛正良.不锈钢二次精炼的转炉化[J].钢铁，1999（5）：16-20.

[2] 游香米.不锈钢冶炼工艺及炉型比较[J].钢铁技术，2009（6）：17-20.

[3] 岑永权，张国富.不锈钢冶炼技术的发展[J].上海金属，1999（3）：11-16.

[4] 刘岩，姜茂发，许力贤，等.转炉铬矿熔融还原法冶炼不锈钢母液过程的热力学[J].钢铁研究学报，2011（4）：9-13.

[5] 李一为，丁伟中，郑少波，等.255m3高炉冶炼不锈钢母液工业试验[J].钢铁，2004（4）：1-4；53.

Smelting Process of Stainless Steel and its Present Situation and Development in China

Jin Shajiang
（Baosteel Engineering&Technology Group Co.,Ltd.,Shanghai 201900）

China has become a big country for the consumption and production of stainless steel.Because of its variety,stainless steel needs to be organized according to different varieties and kinds of raw materials.At present,China's stainless steel production development direction is to improve quality,reduce costs,conserve energy and reduce emission,while constantly optimizing the raw materials and technical equipmentmatching.

stainless steel;smelting process;chromium ore;smelting reduction;directalloying

TF764.1

A

1672-1152（2017）05-0043-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.05.16

2017-08-30

金沙江（1965—），男，毕业于上海应用技术学院，工程师，从事工作为钢铁冶金工程设计及工艺技术装备研究。

（编辑：苗运平）