鋼包真空吹氧脫碳法冶煉超低碳低氮不銹鋼的研究與開發(fā)

鋼包真空吹氧脫碳法冶煉超低碳低氮不銹鋼的研究與開發(fā)

1我國不銹鋼工業(yè)現(xiàn)狀自20世紀(jì)80年代以來，世界粗鋼產(chǎn)量緩慢增加，不銹鋼產(chǎn)量持續(xù)上升。預(yù)計(jì)2010年可達(dá)到2000萬噸，占世界總粗鋼產(chǎn)量的2%。近幾年我國不銹鋼生產(chǎn)的發(fā)展緩慢,不銹鋼產(chǎn)量所占比例逐年下降,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足不銹鋼消費(fèi)逐年增長的需求。2005年,我國不銹鋼的表觀消費(fèi)量已經(jīng)由1995年的56萬t增長到522萬t,從2001年開始,我國已經(jīng)連續(xù)5年成為世界不銹鋼第一消費(fèi)大國。2005年,我國的不銹鋼消費(fèi)結(jié)構(gòu)中,鐵素體不銹鋼(400系不銹鋼)的比例已由2004年的10%上升到15%,而200系不銹鋼的比例由2004年的22.5%下降到15%,但與某些發(fā)達(dá)國家高達(dá)40%的比例相比,我國消費(fèi)的鐵素體不銹鋼比重依然偏低。近年來,以太鋼為代表的特鋼企業(yè)在不銹鋼冶金裝備和工藝方面進(jìn)行了改造,并研制開發(fā)了含鈮409鐵素體不銹鋼,但由于我國不銹鋼工業(yè)發(fā)展較晚,在生產(chǎn)高性能的鐵素體不銹鋼方面,還缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn),工藝和質(zhì)量控制上面臨許多技術(shù)問題需要解決。唐山鋼鐵集團(tuán)公司即將投產(chǎn)的熱軋不銹鋼項(xiàng)目,將為我國生產(chǎn)高附加值的不銹鋼創(chuàng)造很好的條件。開發(fā)新的成本低廉、綜合性能優(yōu)越的高附加值鐵素體不銹鋼產(chǎn)品將是未來唐鋼不銹鋼發(fā)展的方向。2不銹鋼研磨法2.1高鉻鋼液去碳保鉻法20世紀(jì)60年代以前,不銹鋼主要由電弧爐采用返回吹氧法生產(chǎn),利用合金元素氧化放熱使鋼液升溫到2000℃,在高溫下實(shí)現(xiàn)高鉻鋼液去碳保鉻。電弧爐冶煉不銹鋼成本高,目前已很少采用。2.2不銹鋼vodVOD(VacuumOxygenDecarburization)真空吹氧脫碳法是現(xiàn)今世界范圍內(nèi)第二位的不銹鋼冶煉手段,可以冶煉超低碳、高難度、高純度的不銹鋼產(chǎn)品。此法是原西德維騰特殊鋼廠(Edel-stahlwerkWitten)于1965年所發(fā)明的,容量為50t?，F(xiàn)全世界共有近百臺(tái),其容量為5~150t。我國第一臺(tái)VOD容量為13t,于1982年在大連鋼廠投產(chǎn)。VOD主要裝備有:鋼包、真空罐、氧槍、加料系統(tǒng)、測溫取樣系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。該工藝是生產(chǎn)不銹鋼最合適的真空方法之一,被認(rèn)為是生產(chǎn)低碳、低氮不銹鋼的最有效的方法。2.2.1降碳保鉻劑更適合于鋼包中VOD法通過抽真空降低CO分壓進(jìn)行脫碳保鉻。它的主要優(yōu)點(diǎn)為:(1)降碳保鉻效果好。通過控制真空度,可在鉻幾乎不被氧化的情況下脫碳。脫碳后用于還原渣中氧化鉻的還原劑用量少;(2)由于是在鋼包中精煉,精煉后不吸收氮、碳,更適合冶煉超低碳、超低氮不銹鋼;(3)脫氧效果好。2.2.2不銹鋼鋼水vod法VOD法冶煉不銹鋼生產(chǎn)工藝路線有電爐流程和轉(zhuǎn)爐流程兩種,具體步驟為:一是在電爐(或轉(zhuǎn)爐)中熔化和初煉(初脫碳、脫硅、脫硫),使鋼水含碳量和溫度達(dá)到VOD精煉的要求;二是將初脫碳后的鋼液用VOD法繼續(xù)脫碳和還原精煉,生產(chǎn)出合格的不銹鋼鋼水。VOD法冶煉不銹鋼關(guān)鍵環(huán)節(jié)有:(1)初煉鋼水的化學(xué)成分(C、Si);(2)合適的吹氧真空度、氧流量、氧槍高度和吹氬流量;(3)準(zhǔn)確掌握吹氧終點(diǎn)。2.2.2.氧化鉻vod爐料組成:爐料由本鋼種或類似本鋼種的廢鋼、碳素鉻鐵、氧化鎳、氧化鉬、高硅廢鋼、硅鐵和低磷廢鋼等組成。電爐操作:采用吹氧法操作。為減少鉻氧化損失,停止吹氧前碳不小于0.30%。出鋼溫度一般鉻鎳不銹鋼不低于1630℃,超低碳不銹鋼不低于1650℃。出鋼后必須扒凈初煉渣。VOD冶煉操作:VOD過程主要包含三個(gè)階段:(1)吹氧脫碳;(2)真空脫碳;(3)調(diào)整階段。VOD過程中真空狀態(tài)下,在Pco的分壓抽至100mbar時(shí),碳的氧化優(yōu)先于鉻的氧化,因此能在高鉻的水平下脫碳。在生產(chǎn)實(shí)踐中,最主要的難點(diǎn)是如何控制氧的噴吹量,達(dá)到降碳卻不氧化鉻。通過二級(jí)系統(tǒng)和先進(jìn)的多功能氣體分析儀(MTA)來檢測和控制吹氧量。2.2.2.頂?shù)讖?fù)合吹煉法以轉(zhuǎn)爐為初煉爐給VOD提供粗煉鋼水是不銹鋼生產(chǎn)的又一途徑。轉(zhuǎn)爐,特別是頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐,去碳速度快,可以兩次造渣,因此可以提供溫度高、含碳量低的初煉鋼液,從而減輕VOD去碳負(fù)擔(dān),縮短精煉時(shí)間,實(shí)現(xiàn)以最低的成本冶煉不銹鋼。2.2.3粗脫碳的工藝與頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐和AOD相比,VOD設(shè)備復(fù)雜,冶煉費(fèi)用高,脫碳速度慢,初煉爐需要進(jìn)行粗脫碳,生產(chǎn)效率低。優(yōu)點(diǎn)是在真空條件下冶煉,鋼的純凈度高,碳氮含量低,一般C+N<0.02%,而AOD法則在0.03%以上,因此VOD法更適宜冶煉C、N、O含量極低的超純不銹鋼。VOD法吹煉不銹鋼鉻的回收率一般為98.5%~99.5%。2.3不銹鋼的二次精制AOD(ArgonOxygenDecarburization)氬氧精煉法由美國的聯(lián)合碳化物公司與Josly公司合作于1968年發(fā)明的。AOD爐二次精煉工藝的誕生為大量生產(chǎn)高質(zhì)量的不銹鋼開辟了道路。據(jù)美國普萊可斯公司統(tǒng)計(jì),2006年全球68.7%的不銹鋼,是用普萊可斯許可的AOD生產(chǎn)的。2.3.1脫碳的反應(yīng)AOD精煉工藝是把電爐粗煉好的鋼水倒入AOD內(nèi),用一定比例的氧和氬的混合氣體從爐體下部側(cè)部吹入爐內(nèi),在O2-Ar氣泡表面進(jìn)行脫碳反應(yīng)。由于Ar對所生成的CO的稀釋作用降低了氣泡內(nèi)的CO分壓,因此促成了脫碳,防止了鉻的氧化。2.3.2脫碳、含煤調(diào)濕風(fēng)冷水鋼水回收利用,增加還原時(shí)間和排除爐渣AOD法一般為電爐→AOD爐雙聯(lián)工藝。電爐爐料以廢不銹鋼、車屑和高碳鉻鐵合金為主。爐料成分除了碳、硅、硫外,應(yīng)接近鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)成分。電爐鋼水還原和成分調(diào)整后,達(dá)到1500℃左右出鋼。對電爐渣的處理,有少數(shù)鋼廠是隨鋼水倒入鋼水包,以提高鉻的回收率(可達(dá)到99.5%),并減少電爐冶煉時(shí)間。但是這種方法需要AOD爐增加還原時(shí)間和排除爐渣,因此增加冶煉時(shí)間。電爐鋼水倒入AOD爐后首先吹入氬氧混合氣體進(jìn)行脫碳。脫碳后期為了控制出鋼溫度并有利于爐襯壽命,需添加清潔的本鋼種廢鋼冷卻鋼水。脫碳終了后根據(jù)冶煉鋼種不同可以進(jìn)行扒渣處理。隨后加入硅鐵、硅鉻、鋁等還原劑和石灰造渣材料調(diào)整成分,溫度合適即可出鋼。另外,AOD法的一項(xiàng)十分重要的技術(shù)進(jìn)展就是移植了頂吹氧的轉(zhuǎn)爐經(jīng)驗(yàn),提高了脫碳初期的升溫速度和鋼水溫度。按照傳統(tǒng)的AOD操作,脫碳終了加入硅鐵進(jìn)行Cr2O3的還原操作,然后扒去85%以上的渣子再加入CaO、CaF2及粉狀FeSi粉或CaSi進(jìn)行脫硫的精煉操作,這樣對成本、精煉時(shí)間、操作條件都十分不利。新日鐵光制所采用Al代替FeSi進(jìn)行脫硫,取得滿意的效果,[S]<0.001%,還原精煉時(shí)間可以大大縮短。2.3.3氣重?cái)嚢鑦od(1)因?yàn)槭谴等霘怏w進(jìn)行精煉,所以設(shè)備投資比VOD法少2倍以上;(2)工藝容易掌握,易冶煉超低碳不銹鋼;(3)與電爐相比,鋼的質(zhì)量高。(4)由于氬氣的強(qiáng)攪拌作用,硫含量很低,可生產(chǎn)S≤0.001%超低硫不銹鋼。(5)由于電爐粗鋼水碳含量可以在2%以上,可以大量使用高碳鉻鐵,鉻的總回收率可以在98%以上。(6)與VOD相比,生產(chǎn)成本較低。AOD幾乎可以生產(chǎn)所有牌號(hào)的不銹鋼,但是因脫氫比較困難,大鍛件的鋼錠不宜生產(chǎn),對(C+N)≤0.020%的超純鐵素體鋼也不能生產(chǎn)。表1為工業(yè)發(fā)達(dá)國家近年來不同冶煉工藝生產(chǎn)不銹鋼情況。3不銹鋼研磨工藝的發(fā)展3.1鐵水回收和脫硫技術(shù)Witton公司和聯(lián)合碳化物公司相繼發(fā)明VOD和AOD精煉法之后,EAF-VOD或EAF-AOD生產(chǎn)不銹鋼的二步法取代了電爐單煉法。近十年來,二步法有了新發(fā)展,例如開發(fā)出KMS-S+K-OBM-S、MRP(金屬精煉法)等新工藝,同時(shí)德國、日本又相繼開發(fā)開發(fā)出三步法的生產(chǎn)工藝。不銹鋼二步法是指初煉爐熔化結(jié)合精煉爐脫碳的工藝流程。初煉爐可以是電爐,也可以是轉(zhuǎn)爐;精煉爐一般指以脫碳為主要功能的裝備,如AOD、VOD、RH-OB(KTB)、K-OBM-S、MRP-L等。轉(zhuǎn)爐冶煉不銹鋼技術(shù)可以分作兩大類,第一類是以鐵水為原料,不用電弧爐化鋼,在轉(zhuǎn)爐內(nèi)用鐵水加鉻礦或鉻鐵合金直接熔融還原、初脫碳,在經(jīng)真空處理脫碳精煉;第二類是采用部分鐵水冶煉。先用電爐熔化廢鋼和合金,然后與三脫處理后的鐵水混合,再倒入轉(zhuǎn)爐進(jìn)行吹煉。世界上先后采用轉(zhuǎn)爐鐵水冶煉不銹鋼的廠家共有10余家,目前仍繼續(xù)生產(chǎn)的僅有4家,它們是新日鐵八幡、川崎千葉、巴西阿謝西塔和中國太鋼。需要說明的是,其它停下來的廠家都不是因?yàn)楣に嚮虍a(chǎn)品質(zhì)量原因。轉(zhuǎn)爐鐵水冶煉不銹鋼的工藝技術(shù)是成熟可靠的。表2為不同轉(zhuǎn)爐主要參數(shù)比較。采用轉(zhuǎn)爐鐵水冶煉不銹鋼的優(yōu)點(diǎn)如下;(1)原料中有害雜質(zhì)少;(2)轉(zhuǎn)爐中可實(shí)現(xiàn)熔融還原鉻礦;(3)氬氣消耗低;(4)利用廉價(jià)鐵水,節(jié)約電能,緩解廢鋼資源緊張;(5)轉(zhuǎn)爐爐襯壽命長;(6)有利于連鑄匹配;(7)產(chǎn)品范圍廣,特別適于生產(chǎn)超低碳、氮和鉻不銹鋼;(8)利于降低成本。3.2不銹鋼步法結(jié)構(gòu)三步法是冶煉不銹鋼的先進(jìn)方法,冶金質(zhì)量好,有利于初煉爐—精煉爐—連鑄機(jī)之間的匹配,適用于專業(yè)化的生產(chǎn)廠家,也適用于聯(lián)合鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)不銹鋼和特殊鋼。不銹鋼三步法則是在二步法的基礎(chǔ)上增加深脫碳的裝備。三步法的基本步驟是:初煉爐→轉(zhuǎn)爐→VOD(或RH)。通常的三步法有初煉爐→AOD→VOD→(LF)→CC,初煉爐→MRP-L→VOD→(LF)→CC等多種形式。第一步,初煉爐只起熔化和合金化作用,為第二步的轉(zhuǎn)爐冶煉提供液態(tài)金屬。第二步是快速脫碳并防止鉻的氧化。第三步是在VOD或RH-OB、RH-KTB的真空條件對鋼水進(jìn)一步脫碳和調(diào)整成分。3.3不銹鋼兩步法的特點(diǎn)不銹鋼二步法中多使用AOD爐與初煉爐配合,可以大量使用高碳鉻鐵,效率高,冶金質(zhì)量好,經(jīng)濟(jì)可靠,投資少,可以與連鑄相配合。其不足之處是風(fēng)口附近耐火材料的壽命低,深脫碳有困難,不利于經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)超低碳不銹鋼。不銹鋼三步法冶煉工藝的每一步都有明確的目標(biāo),使操作最優(yōu)化,產(chǎn)品質(zhì)量高,氮、氫、氧及夾雜物的含量低,品種范圍廣,可以生產(chǎn)低C和超低C不銹鋼、超純鐵素體不銹鋼、控氮或含氮不銹鋼、超高強(qiáng)不銹鋼等。其最大特點(diǎn)是可以使用鐵水,在原料選擇的靈活性、節(jié)能和工藝優(yōu)化等方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。三步法的生產(chǎn)節(jié)奏快,轉(zhuǎn)爐的爐齡高,整個(gè)流程更均衡和易于銜接。但三步法增加了一套精煉設(shè)備,成本較高。因此,三步法適合于大量生產(chǎn)不誘鋼的專業(yè)不銹鋼廠,或者既生產(chǎn)不銹鋼,又生產(chǎn)其他合金鋼的轉(zhuǎn)爐特殊鋼廠。4與連鑄相配合(1)VOD和AOD是冶煉不銹鋼的主要裝備。(2)不銹鋼二步法中多使用AOD爐與初煉爐配合,可以大