寶鋼不銹鋼煉鋼工程工藝創新實踐

蔣為民

(寶鋼集團規劃發展部，上海200122)

摘要：介紹寶鋼不銹鋼事業部不銹鋼工程的工藝創新實踐，論述了不銹鋼冶煉工藝選擇的依據，同時分析了寶鋼不銹鋼煉鋼工程工藝創新的特點：第一次將不銹鋼生產線和碳鋼生產線布置在同一個主廠房內，采用了鐵水罐噴吹脫磷工藝，為不銹鋼生產線提供脫磷鐵水，并設置了強攪拌型真空吹氧脫碳裝置(SS—VOD)，在滿足常規不銹鋼冶煉需要的同時，也為寶鋼生產超低碳、超低氮不銹鋼以及超純鐵素體不銹鋼創造了條件。

關鍵詞：不銹鋼；三步法冶煉；二步法冶煉

中圖分類號：TG335文獻標志碼：B文章編號：1008—0716(2009)06—0043—04

0 概述

　不銹鋼材料是非常重要的基礎原材料，它的特性決定了不銹鋼材料的特殊用途。近10年，全球不銹鋼粗鋼產量一直呈逐年增長趨勢，增長速率約5．56％。

　 過去的8年，我國的不銹鋼產能經歷了跨越式發展，由2000年的約50萬t增加到現在的875萬t^[1]，我國不銹鋼產能的增長是全球增長的關鍵因素。伴隨著不銹鋼冶煉工藝的不斷進步和新鋼種的開發，不銹鋼的應用范圍越來越廣。

　 隨著我國不銹鋼產業發展，寶鋼工程公司完成了多項不銹鋼工程，涵蓋不銹鋼冶煉、板坯連鑄、大方坯連鑄、不銹鋼熱軋、不銹鋼冷軋和不銹鋼帶鋼處理線，涉及原料到冷軋產品的每個工藝環節。本文將以寶鋼不銹鋼分公司項目為載體，論述不銹鋼冶煉工藝的創新實踐。

1 不銹鋼精煉機理

　不銹鋼分鉻系和鉻鎳系不銹鋼，通常鉻含量為13％～18％。在不銹鋼液脫碳過程中，不可避免地涉及到鋼液中碳和鉻競爭氧化問題，這是不銹鋼冶煉和一般鋼液脫碳過程的區別所在。

　 當熔池中同時存在鉻和碳的時候，氧化的特征表現為兩者的競爭氧化。這兩個主要的化學反應如下^[2]：

　 n[C] n[O]=n{CO}，K₁=P_CO ⁿ／(a_[C]ⁿ a_[O]ⁿ ) (1)

　 m[Cr] n[O]=(Cr_mO_n)，K₂=a_(CrmOn)／(a_[Cr]^ma_[O]ⁿ) (2)

　 公式(1)，(2)相減，可得，

　 n[C] (Cr_mO_n)=m[Cr] n{CO}，K₃=(a[Cr]^mP_COⁿ)／(a_[C]ⁿa_(CrmOn)) (3)

　由公式(3)可知，要“降碳保鉻”，就要控制反應的熱力學條件，使反應向右進行。

　由于鎳的存在，將對碳鉻平衡關系產生一定的影響，國內學者在深入研究Simkovich等學者的試驗基礎上，將C、Cr、Ni、鋼液溫度和P_CO的關系表述如下：

　0．46ω_[C] 0．023 7ω_[Ni]－0．047 6ω_[Cr] lgω_[C]－1．5lgω_[Cr]－2lgP_CO=24 300／T－16．07 (4)

　此式可以作為高鉻鋼液碳鉻競爭氧化的理論基礎，成為工程設計、計算相關不銹鋼冶煉工藝參數的理論依據。

　遵循不銹鋼精煉機理，創造良好的“降碳保鉻”的熱力學條件，即在鉻氧化的臨界值下，提高熔池溫度，降低P_CO值。

　遵循不銹鋼精煉機理也是我們創新實踐的理論基礎。

2 不銹鋼冶煉工藝路線的創新實踐

2．1項目背景

　寶鋼股份不銹鋼分公司不銹鋼工程建于2001年8月，分兩期建設，同時與碳鋼煉鋼工程聯合建設，冶煉設施和板坯連鑄機布置在一個主廠房內。不銹鋼年產鋼水150萬t，于2005年全部建成投產。產品涉及AISl304、304L、316、316L、420、430、409、409L等。

　 本項目的創新實踐，集中體現在以下幾個方面：①采用高爐鐵水作為不銹鋼爐料，冶煉不銹鋼；②不銹鋼生產線和碳鋼生產線聯合建在同一主廠房內；③不銹鋼冶煉工藝路線，對爐料和產品的適應性高度靈活；④副原料和鐵合金上料公用同一個上料系統。

2．2不銹鋼冶煉工藝路線創新實踐的原則

　 確定不銹鋼冶煉的工藝路線，首先應以產品大綱為出發點，以不銹鋼冶煉的原料組成和不銹鋼精煉機理為依據，選擇合適的不銹鋼冶煉工藝路線。對于大型不銹鋼企業而言，其工藝路線的靈活性應能滿足原料價格大幅波動的需要，適時更新原料配比方案，選擇最佳的爐料配比方案，同時冶煉設備應能滿足不同爐料配比的冶煉工藝。在確定工藝路線的同時，也應關注開發新型不銹鋼鋼種的需求，為節約資源創造良好的條件。

　 該項目建于全流程的鋼鐵聯合企業，為降低原料成本和鋼水有害元素的含量，采用高爐鐵水冶煉不銹鋼，形成具有寶鋼特色的不銹鋼冶煉工藝路線。

　 核心冶煉設備的配置為：①2座鐵水罐脫磷站；②2座120 t AC EAF；③2座135 t AOD—L；④1座120 t SS—VOD／LTS。

　 不銹鋼冶煉工藝流程見圖1。

2．3采用鐵水冶煉不銹鋼的優勢

　采用鐵水冶煉不銹鋼基于以下考慮：①不銹鋼廢鋼資源的缺乏和配料成本；②能耗及能源成本；③鋼水有害殘余元素的控制。

　 以2004年和2005年原料價格和冶煉304不銹鋼為例，鐵水和廢鋼配料成本相比，噸鋼約降低300元。視冶煉鋼種不同，與全廢鋼冶煉工藝相比，噸鋼能耗成本約降低100～150元。

　由于鐵水脫磷技術的采用，入爐配料更加清潔，鋼中有害元素含量更低，見表1^[3]。

2．4工藝流程的靈活性

　 在固態和液態多物料流前提下，選配的工藝路線，對工藝節點的剛性連接和柔性連接的考慮就顯得尤為重要。

2．4．1鐵水脫磷工藝的選擇

　 在電爐冶煉之前，為爐料準備環節，包括固態爐料配料和鐵水脫磷處理。固態爐料配料和傳統電爐—AOD工藝相同，鐵水脫磷預處理工藝則面臨轉爐脫磷和鐵水罐脫磷工藝的選擇問題。由于本項目與碳鋼煉鋼項目聯合建設，采用轉爐脫磷工藝，還是采用鐵水罐脫磷工藝，成為鐵水脫磷工藝選擇的焦點問題。對不銹鋼冶煉特點和整體工藝銜接的分析如下：

　 (1)根據300和400系列不銹鋼冶煉的配料特點，鐵水需求量波動很大，約50～90 t／爐，轉爐脫磷工藝難以適應；如采用轉爐脫磷，由于轉爐容量大，而且處理量基本相同，鐵水將分罐兩次或兩次以上兌入電爐，這會導致鐵水物流和鐵水溫降的問題。

　 (2)采用轉爐脫磷，也會對碳鋼煉鋼和連鑄節奏產生影響，造成液態物料折返，對碳鋼生產線產能造成制約。

　 (3)對冶煉不銹鋼而言，單一鋼種、準恒定鐵水比、快節奏冶煉工藝適合選配轉爐脫磷工藝；多鋼種、鐵水比波動大，則宜采用鐵水罐脫磷工藝。

　 基于上述分析，選定鐵水罐脫磷工藝，為電爐提供液態爐料。根據冶煉不銹鋼鋼種的配料計算，鐵水量可多可少，實現了鐵水和電爐之間的柔性連接。

2．4．2不銹鋼冶煉工藝的選擇

　 不銹鋼三步法冶煉是指電爐→AOD(或其他爐型轉爐)→VOD，二步法是指電爐→AOD(或其他爐型轉爐)或電爐→VOD。是否選擇三步法工藝關鍵取決于所冶煉的不銹鋼鋼種，如冶煉低碳、超低碳不銹鋼，從綜合指標和連鑄匹配節奏考慮，應選擇三步法工藝。本工程設置了電爐、AOD—L和SS—VOD，根據冶煉鋼種和原料現狀，該配置具有非常靈活的工藝路線選擇，見表2。

　 以304不銹鋼為例，三步法冶煉工藝控制節點見圖2。核心冶煉設備的主要技術參數見表3。

2．5工藝路線的創新特點

　 如上述，本項目不銹鋼冶煉工藝配置了鐵水罐脫磷裝置、電爐、AOD—L和強攪拌型SS—VOD／LTS(兼鋼包處理站)，具有如下創新特點：

　 (1)由于不銹鋼冶煉生產線設置了鐵水脫磷站、電爐、氬氧脫碳爐和雙工位VOD，對爐料的適應范圍廣，既可以在現有原料條件下使用液態原料，也可以在不銹鋼廢鋼市場較好的情況下，增加電爐爐料中不銹鋼廢鋼的使用比例；由于爐料成本占不銹鋼生產成本的。70％～80％，本工藝配置可根據原料市場的價格波動，優化爐料配比，降低爐料成本，從而降低不銹鋼生產成本。

　 (2)不銹鋼鋼液的脫磷一直是不銹鋼冶煉的難題，只有在配料時將磷控制在目標值以下，才能確保不銹鋼鋼水的最終質量。因此，傳統電爐工藝為保證鋼水最終磷含量，不得不在電爐配料中使用低磷爐料如低磷廢鋼或低磷生鐵。本工藝由于采用了脫磷鐵水，可以很好地控制不銹鋼鋼水中磷含量，不必尋求昂貴的低磷爐料，有較高的經濟效益。

　 (3)工藝流程組織靈活，既可采用三步法冶煉不銹鋼，也可采用二步法工藝或不經電爐工藝冶煉不銹鋼，保證了不銹鋼冶煉生產線的可靠性，同時可根據原料條件和生產鋼種以最低原料成本組合工藝流程。

　 (4)液態爐料的使用減少了固態鉻鐵熔化所需的能耗，在起始碳含量較高的情況下，可采用三步法工藝，由氬氧脫碳爐和VOD共同完成脫碳任務，節約傳統氬氧脫碳爐氬氣消耗，同時氬氧脫碳爐帶有頂吹氧槍，可提高供氧強度，加快高碳區域的脫碳速率，縮短冶煉周期，與連鑄生產容易匹配。

　 (5)雙工位強攪拌型VOD具有較強的脫氮能力，三步法時，可以盡可能降低氬氧脫碳爐的氬氣消耗量，鋼水純凈度高，內在質量好；自投產以來，已自主開發了超低碳、超低氮不銹鋼等鋼種，為拓展市場贏得了廣闊的空間。

3 結語

　 寶鋼不銹鋼分公司不銹鋼工程設計是一次全新的嘗試，首次在同一個主廠房內設置碳鋼生產線和不銹鋼生產線。周全的工程方案是引領整個工程實施成功的關鍵，大膽設計了世界上第一座不銹鋼碳鋼聯合鋼廠，明確提出了確保世界先進水平的總工藝路線和主體生產單元的工藝方案，尤其是高爐鐵水為原料的不銹鋼煉鋼工藝，為寶鋼集團成為不銹鋼精品基地打下了良好的基礎。

參考文獻

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[3]伏中哲，史國敏，朱孔林．高爐鐵水冶煉不銹鋼的新工藝技術[J]．上海金屬，2006(5)：20—26．