不銹鋼的幾種冶煉方法介紹 m! A. }, e* ^% R. I
不銹鋼是鉻含量為10%~30%的合金鋼,鉻是主要的耐蝕成分。不銹鋼具有漂亮的外觀,閃閃發光,經久耐用。通過改變鉻的含量,并添加其他合金元素,諸如鎳、鉬、錳、銅、鈦、鈮等等,即可形成奧氏體、鐵素體、馬氏體、雙相和沉淀硬化不銹鋼,并具有不同的顯微組織、物理、化學和力學性能,以適應特殊的應用要求。
- l9 M6 ^7 Q* N: K, Y8 I W 上世紀50年代,采用電爐“一步法”生產不銹鋼,包括冶煉、脫氧、合金化、吹氧脫碳等。這種方法的生產率不高。此后,又采用了BOF、電爐冶煉、鋼包處理。2 K1 L5 c7 o1 i2 L$ q; {
上世紀60年代,通過提高溫度和降低一氧化碳分壓來提高鉻的收得率,從而開發了精煉工藝,諸如AOD(氬氧脫碳),采用電爐冶煉,提高了不銹鋼生產的經濟性。8 m6 K8 @# J* f2 X. O- w) {; L
當今,68.7%的不銹鋼是采用AOD轉爐生產的,19.5%是通過BOF轉爐-VOD(真空吹氧脫碳)、6.8%是通過VOD、5%是采用轉爐生產的,即所謂“二步法”和“三步法”。# I/ y6 P9 p3 I* V. Y
1.AOD精煉法
* X- \4 Z; j3 R0 W3 V0 I AOD是一種轉爐,通過轉爐側面的風口噴吹氧氣、氮氣、氬氣、空氣和二氧化碳氣,并從爐頂氧槍噴吹氧氣、氬氣和氮氣。這種方法可以利用大量的廢鋼和高碳鉻鐵。初始碳含量為3%,冶煉后可降至0.015%。經電爐冶煉的鋼水通過鋼包送入AOD爐,向熔池噴吹氧氣和氬氣,降低碳含量,增加鉻的氧化。為了確保快速脫碳,降低鉻損,節省氬氣,吹煉初期應采用低的氬氧比。隨著碳含量的降低,提高氬氧比。添加氧化物(如硅鐵)、熔劑(如石灰和螢石),通過加強吹氬攪拌,將氧化鉻轉化為金屬,以生產低硫不銹鋼。如生產AISI304,典型的消耗量是:氬氣約12Nm3/t鋼,氮氣約10Nm3/t鋼,氧氣約>6Nm3/t鋼,石灰約5kg/t鋼,晶石約3kg/t鋼,鋁約2kg/t鋼,還原用硅約8kg/t鋼,脫碳金屬料約135kg/t,從裝料到出鋼的時間通常為60min左右。采用AOD法,鉻的收得率約為96%,錳為88%,總的金屬收得率為95%。
' s n; c; k/ t4 ?$ z) t 2.KAWASAKI-BOP和KAWASAKI-OBM-S法
# T, y/ r+ u- Z KAWASAKI-BOP轉爐類似于從爐頂氧槍吹氧的BOF氧氣轉爐,有7個可以吹氧的底部風口,用丙烷氣冷卻風口(氣體裂化)。通過轉爐的風口還可噴吹石灰粉。
& B% D9 w; d3 I W3 p& q; z Kawasaki-OBM-S轉爐是由奧鋼聯開發的,是BOP法的發展,風口安裝于轉爐的側面或底部,還裝有頂部氧槍。頂部氣體采用氧氣、氮氣和氬氣,通過底部風口噴吹氧氣、氮氣、氬氣和烴類氣體。天然氣和丙烷用于風口保護和提高耐火材料的壽命。用這種轉爐精煉AISI304,典型消耗量是:氧氣29Nm3/t鋼,氮氣約為13Nm3/t鋼,氬氣約為16.5Nm3/t鋼,用于還原的硅約為11kg/t鋼,石灰約為50kg/t鋼,白云石20kg/t鋼,螢石約為8kg/t鋼。" B6 Q6 A$ I0 d! S. B% B! P& |
3.CREUSOTLOIREUD?DEHOLM(CLU)法
( Q$ ~; p) U: F7 T 這種轉爐法采用蒸汽作為稀釋氣體,而不是通常所用的氬氣。此工藝是由瑞典的Udde?holm和法國的CreusotLoire共同開發的。這種轉爐從底部吹氧氣、蒸汽、氮氣和氬氣,同時,從爐頂吹氧氣、氮氣和氬氣。脫碳時,開始吹氧氣-蒸汽混合氣體。由于蒸汽和熔融金屬的吸熱反應而且鉻損較AOD法大得多,因此,該工藝的效率較低。采用這種轉爐,耗氬量降低,但耗硅量卻很高,而且鋼中氫含量增加。目前的趨勢是用更多的氬氣來取代蒸汽,以提高這種轉爐的效率。
8 i+ a8 u* }2 t1 f 用這種轉爐生產AISI304,耗氧量約為2Nm3/t鋼,氮氣約為13.5Nm3/t鋼,蒸氣為10.4Nm3/t鋼,氬氣為7Nm3/t鋼,還原用硅約為15.5kg/t鋼,氫含量為5.9×10-6。
+ T6 K* T9 ^# h7 d 4.金屬精煉法(MRP)9 d9 f& U. _4 @( A U7 \. D
這種轉爐是由曼內斯曼•德馬克開發的,該工藝包括含鉻、鎳熔融金屬的裝料,采用氧和惰性氣體脫碳。通過轉爐底部的風口交替地吹氣,氧氣未經惰性氣體稀釋,只是吹氧后再吹惰性氣體,降低一氧化碳分壓,加快脫碳率,提高鉻的收得率,降低耗硅量和渣中的氧化鉻。MRP-L轉爐是一種改進型,氧氣從爐頂吹入,惰性氣體從轉爐底部的多孔塞吹入并可取代底部風口。該工藝可采用比AOD法更高的噴吹率,而且風口侵蝕最少。在轉爐中的熔融金屬的中間碳達到一定水平后,轉入脫碳。
5 X/ |( m9 Q* o8 n2 G0 k 5.克虜伯復合吹煉法(KCB-S)
\, W$ L g: L+ r1 M; q 該工藝由克虜伯開發,是BOF轉爐的改進型,通過氧槍和轉爐側壁的風口進行復合吹煉,同時,導入工藝氣體以提高脫碳率。與AOD法相比,冶煉305鋼的冶煉時間縮短。吹煉開始時,同時從爐頂氧槍和側壁風口吹純氧,吹氧達到一定溫度后,加入鐵合金和廢鋼。碳含量達到臨界值后降低工藝氣體的氧含量,加入惰性氣體,如氮氣或氬氣,比例為4∶1,2∶1,1∶1,1∶2和1∶4,逐漸降低碳含量。碳含量達到0.15%時,中斷氧槍,只從風口導入工藝氣體。達到目標碳含量時,加硅以降低渣中的氧化鉻,加石灰和熔劑,降低溶解氧含量,優化脫硫。
! U, Q+ _* L* | 6.氬氣二次精煉法(ASM)
2 I8 L" F9 F- i% @0 e- K' h! T, q 該工藝由德國MANGHH開發,風口位于轉爐的底部,吹氧氣、氮氣和氬氣。這種轉爐是在配有爐頂氧槍的ASM-L轉爐的基礎上稍加改進而成。
8 T( m% @; Z2 [4 [/ B5 e. ? 7.住友頂底復吹法(STB)
* r H+ J( M& ` 該工藝是被住友金屬工業公司概念化的工藝。該工藝克服了單從頂部或單從底部吹氣的困難,將二者結合起來,有助于降低風口的侵蝕,通過爐頂氧槍加大富氧氣體的吹量,提高了脫碳率,縮短了脫碳時間。" f0 l3 R* u) b8 l$ ?* o1 O1 v
8.頂底復吹氬法(TMBI)
/ m" _6 I. q" U' _3 b+ X3 @2 p 該工藝為AlleghenyLedlum公司所采用,類似于BOF轉爐,底部裝有風口,吹入惰性氣體,為氬氣或氮氣。吹煉初始,先從爐頂吹入混合氣體,作為中間轉爐,加鉻以后再轉入另一座轉爐。該工藝主要用于生產鐵素體不銹鋼。
& A, l8 D+ u3 } G 9.RUHRSTAHL-HEREUSOB法9 F( `* k( l! T# y- I; y. C
該工藝由新日本鋼鐵公司開發,高爐鐵水直接送入BOF爐,進行鉻合金化和吹煉,在不銹鋼二次精煉爐RH-OB中進行最終脫碳,直至碳含量降至0.5%~0.6%。
$ {+ y& h0 }5 _6 m; n8 _ 10.AOD/VCR法
! ^4 Y1 V+ J; I1 N5 R 大同鋼公司和新日本鋼鐵公司進行試驗,應用轉爐上方真空的概念,縮短脫碳時間,減少鉻的氧化,并將氬氣消耗量降至最低。在AOD爐中將碳含量降至0.085%~0.10%,取樣、用真空蓋定位,進行脫碳,加硅,還原氧化鉻。該工藝降低了氬氣和硅的消耗量,在送進AOD爐前,在鋼包內先行脫硫。該工藝的問題是耐火材料消耗量較高,不能熔煉廢鋼,維護成本較高。
$ G$ j) z: g* q4 J! J D' q 11.真空吹氧脫碳法(VOD)
* y7 e- n5 \! @ 該工藝是生產不銹鋼最合適的真空法之一,被認為是生產低碳、低氮、低氬不銹鋼的最有效方法。鋼包中的鋼水經過處理,碳含量降至1%左右。該工藝從真空度為100~250torr(1torr=133.322Pa)的爐頂氧槍吹氧,硅首先被氧化,接著是碳被氧化。在熔池達到一定溫度和硅含量時,一氧化碳開始生成,脫碳開始。監測CO∶CO2值,熔池碳含量達到0.08%時,該比值快速升高。此后,脫碳率下降,與氧氣流速無關。停止吹氧,轉爐壓力降低,吹氬攪拌,以加強溶解氧和殘余碳的反應。加鋁、還原硅,同時,加石灰和螢石以更有效地脫硫。8 |8 l0 g7 V0 w# E, D
12.精煉法的選擇5 N9 _; q3 ^) T' z% M9 @
精煉法的選擇取決于投資費用、運行成本、原料、物流、下游設備的利用以及所生產不銹鋼的種類。在此基礎上,精煉法可分為二步法或三步法。廢鋼成本高,則利用高碳鉻鐵,提高脫碳率;碳鋼廢鋼用作冷卻劑。鐵合金或不銹鋼廢鋼太貴的地方可代之以鉻礦石。氬氣成本高,可采用真空法,并安裝鋼包爐。
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