不锈钢冶炼基础知识

不锈钢冶炼基础知识

太钢铁水冶炼不锈钢工艺技术，以经过“三脱”的铁水和镍、铬合金为原料，经过三步法（电炉+转炉+VOD炉）两步法（电炉+转炉）或一步法（转炉）进行不锈钢的冶炼生产。其核心工艺是以铁水代替废钢，采用延长吹转炉进行粗炼或精炼，与国际上通用的二步法生产工艺不锈钢相比，具有原料结构灵活、适应性强、生产效率高、钢水残余元素低、方板坯兼容生产、生产成本低的特点，特别适合生产高纯铁素体不锈钢。

目前，国际上生产不锈钢的炼钢工艺，主要有以废钢为主要原料的电炉二步法、电炉三步法及转炉三步法和以铁水主要原料的转炉三步法。太钢在不锈钢系统改造工程中根据自身特点，确定了以铁水为主要原料的转炉三步法冶炼不锈钢的生产工艺路线，即预处理铁水-电炉预熔合金-K-OBM-S复吹转炉进行冶炼-VOD炉精炼+LF精炼设备和方板坯连铸机。该工程从2000年8月动工，2002年底正式投产，建成了中国第一条，世界第四条以铁水为主要原料的三步法冶炼不锈钢生产线。该生产线2003年产量26.6万吨，达到项目目标要求，2004年产量达到36.7万吨，超设计能力。

在引进主要关键设备的基础上，太钢进行了自主开发与创新，形成了一整套以铁水为主要原料，采用三步法冶炼不锈钢生产工艺技术。比如：人们采用喷吹法，实现铁水预处理脱磷的工业化生产，并开发出预处理站脱硅技术、预处理站脱磷技术、终点温度控制技术等；以铁水为主要原料进行不锈钢冶炼生产；采用超高功率电炉预熔铁合金，有效地弥补了转炉冶炼高合金含量不锈钢时的热源不足问题；在冶炼低合金含量的不锈钢时，通过优化原料配置，可采用一步法或二步法冶炼工艺；采用三步法冶炼低碳、低氮、超纯铁素体等不锈钢新品种；采用

K-OBM-S转炉冶炼不锈钢；采用方板坯兼容连铸机。

2003年至2004年，太钢以铁水为主要原料，采用三步法冶炼不锈钢的产量为63.1万吨，新增产值73.96亿元、利税14.09亿元。不锈钢的飞速发展与炼钢技术进步密切相关，70年代，VOD和AOD炉的应用将不锈的脱碳精炼、从电炉移到VOD和AOD炉中进行，冶炼低碳和超低碳不锈不再是难事。电炉+AOD （VOD）二步法、三步法炼钢缩短冶炼周期、提高生产效率、降低能源、耐火

材料和合金铁的消耗，同时对废钢和合金铁的质量要求可以放松，原料成本有明显下降，为304和316系列不锈钢的推广使用奠定了基础，目前电炉+AOD两步法冶炼的不锈钢占总产量的70%。

90年代随着铁水脱硅、脱硫、脱磷预处理技术开发成功并转入工业化生产，日本新日铁，台湾中钢和巴西的阿谢西塔等联合企业开发了用铁水转炉冶炼不锈钢的新工艺。工艺分三个步骤，第一步：精制铁水同时用电炉熔化废钢。第二步，将钢水和铁水倒入转炉，脱炭精炼，第三步，VOD炉终脱炭，脱氧，调整好成份，出钢。细分起来，铁水炼钢可分为全铁水炼钢和部分铁水炼钢。全铁水炼钢又分为采用高碳铬铁合金化和用铬矿砂合金化两种方法，铁水经三脱处理后倒入转炉。部分铁水炼钢先用电炉熔化废钢和合金，然后与三脱铁水一起兑入转炉精炼。铁水转炉三步法炼钢法使不锈钢的冶炼成本进一步降低，尽管用此方法生产的不锈钢目前只占总产量的5%左右，但仍是最经济，最有发展前途的生产工艺。我国的宝钢及太钢的铁水转炉冶炼不锈钢已经有所发展；目前采用生产铬铁水法冶炼不锈钢的工艺已经开始发展，另外东北特钢集团的铬矿代替铬铁冶炼不锈钢的工艺也已经开始逐渐成熟。

项目负责人王一德，压力加工专家。现任太原钢铁（集团）有限公司董事会规划委员会副主任，山西省政府决策咨询委员会专家，中国金属学会不锈钢和耐

不锈钢的冶炼方法视原料的不同主要有两类，一类是以固态原料为主，如废钢或合金，先在电炉中熔化炉料，然后在各种不同的转炉中精炼(包括AOD，CLU，K-OBM，KCB，MRP，LD-OB等)。既可采用最终为VOD真空处理的三步法，也可采用只在转炉后进行简单钢包处理的二步法。这种方法用电炉作为初炼炉，主要用于熔化炉料，生产不锈钢粗钢水。目前世界上大多数由不锈钢厂采用的电炉+AOD二步法冶炼不锈钢，其产量总计已突破1000万t，占世界不锈钢总产量的68.7％。

另一类是以铁水为原料，不使用电弧炉化钢，而是在转炉内用铁水加铬矿或铬铁合金直接熔融还原或初脱碳，然后再经真空处理最终脱碳精炼，这种方法由于采用廉价的铁水作原料，可以降低不锈钢生产成本，因而在一些钢铁联合企业中得到了应用。

众所周知，早在六十年代初期就已经有人开发顶吹转炉用铁水冶炼不锈钢的技术，但是单独用转炉冶炼不锈钢是很不经济的。其原因一是脱磷问题，由于不锈钢的冶炼特点，即高温、低碱度、低FeO，不利于脱磷，因此在铁水预处理尚未发展之前只能用双渣法冶炼；二是单独用转炉冶炼，其脱碳任务重，冶炼时间长，不仅难以同连铸匹配，而且铬的收得率也很低。

八十年代以来，随着铁水预处理技术的逐步发展，脱硅、脱硫、脱磷技术开发成功并转入工业化生产，为转炉冶炼不锈钢提供低硫、磷铁水创造了条件。同时转炉顶底复合吹炼技术日益完善，开发出较强的、便于调节的、可供多种气体的底吹功能，使转炉吹炼不锈钢的冶金条件更加优越，铬的氧化损失进一步降低。更重要的是炉外精炼技术发展十分迅猛，特别是RH-OB，RH-KTB，VOD 等真空下吹氧脱碳技术的开发，不仅可以减轻转炉冶炼不锈钢的脱碳任务，缩短转炉冶炼时间，而且可以改善不锈钢的质量和增加品种。由于上述三项技术的发展，使得转炉用铁水冶炼不锈钢的生产规模逐步扩大，据不完全统计，目前占不锈钢生产总量的5％左右。

本文将着重介绍转炉用铁水冶炼不锈钢的工艺技术装备特点及近年来的发展趋势，以供我国不锈钢炼钢工作者参考。

2工艺流程及产品结构

据不完全统计，转炉用铁水冶炼不锈钢的生产厂家列于表1。

由表1可知生产工艺有两类，一类是全铁水冶炼，一类是部分铁水冶炼。全铁水工艺视使用合金料不同又分为两类：一类采用高碳铬铁作合金料，其厂家以新日铁八幡厂、室兰厂-以及台湾中钢公司为代表；另一类则采用铬矿砂作合金料，先进行熔融还原变成含铬铁水后再进行转炉脱碳精炼，这类工艺以川崎制铁千叶厂和日本钢管福山厂为代表。部分铁水工艺是先用小电炉熔化废钢和合金，再倒入转炉并兑人铁水吹炼，这类工艺以巴西阿谢西塔厂为代表。

图1表示新日铁八幡厂的转炉不锈钢冶炼工艺流程。该厂用一个145t 转炉进行生产。经过脱磷、脱硅、脱硫的铁水兑人LD-OB转炉，转炉冶炼不锈

钢时大致分为三个阶段：第一阶段是铁水脱碳期，此阶段的主要功能是用氧气进行铁水脱碳反应及热补偿作业，因为经过脱磷、脱硅、脱硫后的铁水温度已降至1200？1250℃，铁水中硅也只有0.05％以下，所以需要以添加焦炭的方式来补偿热源不足；第二阶段为脱碳期，此阶段需从料仓连续添加大量的高碳铬铁及适量的高碳锰铁、镍粒等合金料，以氧气来继续进行脱碳反应，温度应控制在1700℃以上，同时需通人较大流量的惰性气体进行底吹，增加钢水搅拌功能并降低CO 分压，脱碳保铬；第三阶段为还原期，当碳脱至0.2％？0.3％时，脱碳结束，此时渣中的氧化铬较高，需进行还原以回收金属铬，可通过添加硅铁或铝来进行。转炉冶炼结束后，钢水倒入VOD炉进行最终脱碳，并在PIM站(喷粉冶金站)上进行成分调整，最后钢水在立式板坯连铸机上铸成板坯。图2为该工艺冶炼不锈钢时转炉内钢水成分的变化。

表1转炉用铁水冶炼不锈钢的生产厂家

*LD-OB，LD-CB即新日铁开发的顶底复合吹炼方法；CSCB即台湾中钢开发的顶底复合吹炼方法；

K-BOP即川崎制铁利用奥钢联技术K-OBM开发的复吹方法；

SRF即日本钢管开发的熔融还原方法；MRP-L。即曼内斯曼德马克开

发的精炼方法；

**括号内为实际最高产量。

图3表示川崎制铁千叶厂新的第四炼钢厂专业化转炉冶炼不锈钢的工艺流程。

该厂采用两座185t顶底复吹转炉，一座用于熔融还原SR-KCB，一座用于脱碳精炼DC-KCB。这种工艺的最大优点是用铬矿砂取代高碳铬铁直接冶炼不锈钢，因而可以降低成本。经铁水预处理的三脱铁水和废钢装入SR-KCB转炉，吹氧加热，同时加入石灰和焦炭平衡热量，待废钢完全熔化后，温度达到1540-1560℃时从顶部连续喷入铬矿砂，并继续加入焦炭和石灰进行熔融还原，此时为了进行脱硫和炉渣的再利用，炉渣的碱度控制在2.3-3.0，当钢水温度达到1540-1580℃时，铬含量达到9%-13%，硫＜0.010%时即可出钢。钢水倒入DC－KCB转炉进一步脱碳精炼，开始时钢水中碳含量较高，需要加大加大氧气流量进行高速脱碳，当碳降至低碳区时实施顶吹氮气并加大底吹惰性气体流量，以提高脱碳效率并防止铬的氧化损失，当碳降至0.1％-0.2％时即可出钢。钢水倒入VOD炉进一步精炼，在倒入VOD炉时转炉要实施挡渣出钢，以减少VOD炉中的渣量，提高VOD炉脱碳时氧的利用率，当碳降至成品要求，调整成分后即可出钢。最后通过No.4高速板坯连铸机铸成板坯。图4表示该工艺流程冶炼不锈钢时各个阶段钢水主要成分的变化。

转炉用全铁水冶炼工艺其所生产的品种主要以410、430型马氏体、铁素体铬钢为主。304型奥氏体不锈钢也可生产，但所占比例较小。表2列出新日铁八幡厂和川崎千叶厂生产的不锈钢品种结构。

表2转炉用全铁水工艺生产的不锈钢品种结构/%

*铁素体不锈钢中普通铁素体占29.1%，低铬409型铁素体占10.6%，超纯铁素体（444型）占5.6%。

图5表示巴西阿谢西塔厂转炉用部分铁水冶炼不锈钢的工艺流程。该工艺采用50％左右的铁水，另外50％炉料则由电炉供应。经铁水预处理脱磷、脱硫后的铁水成分C3.80％，Si0.20％，P0.010％，S0.04％，温度1260℃。电炉熔化废钢，同时装入由一台变压器功率为1.75MVA、日产能力110t的矿热炉供应的铬铁水。铬铁水和电炉钢水在钢包内混合后兑入MRP-L。转炉吹炼，此时，钢水成分：C3.80％，Si0.20％，Mn0.50％，P0.022％，Cr17.95％，Ni1.94％，温度1300？1400℃，当转炉吹炼至碳为0.20％？0.25％，温度1600？1650℃时即可出钢，兑入VOD炉继续精炼至合格成分。图6为Cr-Ni不锈钢生产过程中成分和温度的变化。部分铁水工艺最大特点是废钢和合金在电炉内熔化，转炉吹炼时无需加入焦炭补偿热量，冶炼品种范围也很广，以18-8型奥氏体不锈钢为主。

3.转炉及配套设备

转炉用铁水生产碳钢和不锈钢二者的冶炼条件差异很大，为了满足生产不锈钢的要求，转炉及配套设备应具备以下条件。

①要有足够的辅助原料及合金铁的料仓及加料装置，以满足冶炼过程中大量合金铁及其它材料添加之需要。

川崎制铁千叶厂新的SR-KCB转炉为了满足能在熔融还原过程中连续添加铬矿砂，同时又不被吹出炉外，开发了一种新型的水冷喷铬矿枪(见图7)，这种喷枪可独立上升下降，为了防止铬矿砂的磨损，喷枪内层衬上耐磨陶瓷材料。

②采用顶底复合吹炼转炉，根据各厂自身情况和原料状况，可采用不同型式的复合吹炼技术和装备。由于冶炼不锈钢的要求，底吹系统的功能增强，这样可确保钢液搅拌充分，既可保证含铬铁水的脱碳效率，又能防止铬的氧化损失。各个工厂的顶底复吹转炉参数见表3。另外转炉冶炼不锈钢由于渣量较大，一般要求炉容积较大，例如川崎千叶厂185t熔融还原转炉的内容积较脱碳转炉的大。在利用冶炼碳钢转炉冶炼不锈钢时则装入量减少，例如台湾中钢公司155t转炉冶炼不锈钢时出钢量减少为120t。

③转炉炉底有两大特点，其一是采用可更换式炉底。用复吹转炉冶炼不锈钢时炉底砖的熔损速度为炉衬砖的3倍，因此转炉要设计成可交换式炉底以同炉衬砖相匹配，一般在一个炉役内更换1-2次炉底。用K-OBM复吹转炉冶炼不锈钢的炉衬寿命为800次左右，炉底寿命可达400次。巴西阿谢西塔厂的MRP-L 转炉的炉衬寿命达600次，炉底寿命达300次。其二是底吹部件采用不锈钢双重管，内管通底吹气体，外管通冷却气体，这样吹炼日寸不易堵塞，可确保钢液搅拌充分。另外底吹管视底吹流量需要，町机动更换，这样配上可更换炉底，就可使用同一转炉炉衬兼可具备冶炼碳钢和不锈钢的功能，台湾中钢公司的CSCB转炉就具有双重冶炼功能。

④在线快速分析仪器，特别是铬的在线快速分析。新口铁八幡厂利用转炉顶吹时在氧枪顶部的下方形成的火点区内铬的原子发射强度来在

线动态地确定铬的含量，其精度达到7％。这就为缩短转炉冶炼时间，开发高精度精炼控制技术提供了可能。

表3各工厂顶底复吹转炉设备参数

4操作特点及技术进展

4.1热平衡技术

转炉用铁水冶炼不锈钢采用高炉来的三脱铁水，温度约为1200-1250℃，硅只剩微量，以此条件进行转炉精炼，热平衡必然不足。同时不锈钢属于高合金

钢，冶炼过程中需添加大量的冷料合金(高碳铬铁，铬矿，镍，不锈废钢等)，若以本身显热及氧化热不足的三脱铁水在转炉内冶炼不锈钢，其热量是不够的，所以呈现热不足现象。据计算转炉以全铁水条件冶炼不锈钢SUS304、SUS316、SUS410、SUS420与SUS430时其热量不足量，分别约为11.5％、14.6％、6.1％、8.0％与5.4％，为此需要开发热补偿技术。

新日铁室兰厂最早开发了用焦炭作为辅助热源的技术，通过120t顶底复吹转炉冶炼不锈钢的试验证明：①焦炭可以底喷焦粉和顶加焦块的方式进行，但两者对废钢熔化能力没有明显的差别。②焦炭对废钢的熔化能力为3.0？3.5kg 废钢／kg焦炭，或每公斤焦炭升温5.4？6.3C。③装料方式为兑入铁水后先加入焦炭，然后开始吹炼并陆续加入废钢，在吹炼中期分批加入铬铁，这样可以在高温高碳区吹炼，对废钢熔化更有利，而且可以减少铬的氧化损失。④添加焦炭和底吹气体所增加的[N]和[S]可经后续的RH精炼工艺去除，因而对钢的质量没有影响。⑤从1983年开始确立了新的生产工艺，即从复吹转炉的顶部加入约30kg ／t钢水的焦炭可以熔化大约10％的不锈废钢。

台湾中钢公司从1994年以来也采用焦炭作为热源，图8为其焦炭加入量与废钢加入量的关系。由图8看出随着废钢添加量增加，相对的焦炭量也成比例增加，但焦炭添加量太多时废钢量不成比例增加(第9炉役)，这是因为热效率下降的缘故。

当然以上是指采用全铁水的冶炼工艺而言，如果采用部分铁水、部分电炉化钢的工艺，由于电炉熔化废钢和铁合金弥补了转炉吹炼时的热量不足，因而无需加入焦炭，如巴西阿谢西塔厂的工艺。

4.2.脱碳保铬和铬回收技术

转炉用铁水冶炼不锈钢提高铬的收得率是很重要的，各钢厂根据不同的工艺条件，开发出自己的脱碳保铬和铬回收技术。

川崎千叶厂采用两座转炉熔融还原的工艺，即SR-DC-VOD-CC工艺。为此首先要确保熔融还原转炉(SR)中铬的回收率，其采用四期吹炼的操作模式，

第一期加入废钢和烟尘废料(由STAR工艺)并加入石灰，吹氧逐步熔化废钢；第二期吹氧升温达到1540？1560C；第三期加入焦炭并连续加入铬矿进行熔融还原；第四期进行最终还原。整个吹炼过程中炉渣碱度保持在2.5？3。另外在吹炼过程中底吹气体量达到0.8-1.2m3／(min?t)以加速铬的还原，熔融还原炉的操作结果见表4，铬的回收率>9l％。在脱碳精炼炉(DC)操作中，为防止铬的氧化，在脱碳初期采用大供氧量进行高速脱碳，同时改进氧枪头部结构和使氧枪高度最佳化以防止喷溅，用这种方法操作可使铬的氧化损失减少将近一半。当C<1.0％时需采取控温技术，使温度保持在1700C左右的狭窄范围内。当碳降至0.10％？

0.30％范围内则实施顶部只吹氮的技术，吹氮流量1.0-1.6m3／(min?t)氧枪高度2.5-3.0米，这样可以起到稀释CO分压力并增加钢渣界面的反应动能，有利于防止铬的氧化。采用上述操作方法在脱碳转炉中可将含铬9％？13％钢水的碳脱到要求的含量，同时并不造成铬的大量氧化。

新日铁八幡厂采用高碳铬铁冶炼不锈钢，其引入新的精炼指数

DOS(Distributian of Oxygen for C and Cr in Stainless Steelmaking)，开发出脱碳精炼控制模型，根据这个模型，在加入高碳铬铁之前设定一个升温期，这样不仅可以提高脱碳效率，而且使铬的氧化量最大可减少约40％。

台湾中钢公司在转炉脱碳结束后采用硅铁来还原渣中的Cr2O3，还原期主要控制炉渣碱度和钢中硅含量。结果表明碱度保持在1.5左右有较佳的冶金效果，钢中[Si]>0.15％，则渣中Cr2O3通常会降至1.0％以下，若[Si]<0.10％往往未充分还原，导致渣中Cr2O3高及钢中[S]高。中钢公司采取措施后转炉用铁水冶炼不锈钢铬的收得率达到93.7％？95％[4]。

4.3转炉同时生产不锈钢和碳钢工艺

转炉用铁水冶炼不锈钢按生产品种有两种模式，一种是专业不锈钢厂只冶炼不锈钢，在有的钢铁联合企业内有两个以上的炼钢厂，故可进行专业分工，例如川崎制铁千叶厂有四个炼钢厂，其中No.1、No.4是专业不锈钢厂(No.1厂在No.4厂投产后停产)，No.2、No.3则是碳钢生产厂。一种是碳钢与不锈钢共同生产的厂，这样可以全部用完联合企业内的铁水，例如台湾中钢厂。后一种工厂生产模式比较特殊，车间调度和生产组织都有一定困难，但台湾钢厂从1994年到1996年经过9个炉役的试生产，在转炉三吹三的操作情况下仍能实现不锈钢的量产化。该厂No.1转炉生产不锈钢和碳钢，No.2、No.3转炉则只生产碳钢，三座转炉的调度见表5。按此调度模式，生产碳钢的No.2、No.3转炉炉衬寿命至少需达3200次以上，才能使生产顺畅。

中钢公司转炉吹炼不锈钢的冶炼时间为80？110分，为配合连铸，其采用两个VOD处理站及两套真空系统，因此可缩短全流程的冶炼时间，通常可实现三炉连连铸，最高曾达到六炉连连铸。

表5转炉生产不锈钢碳钢调度表

5小结

转炉用铁水冶炼不锈钢是不锈钢炼钢技术新的分枝，其主要适应于有廉价铁水作原料的联合企业，各国均根据自己工厂的实际情况开发出适合自己的生产流程和工艺，今后将会在降低生产成本、提高生产能力方面有进一步发展，生产技术将会更加完善。