不锈钢的几种冶炼方法介绍

不锈钢是铬含量为10％～30％的合金钢，铬是主要的耐蚀成分。不锈钢具有漂亮的外观，闪闪发光，经久耐用。通过改变铬的含量，并添加其他合金元素，诸如镍、钼、锰、铜、钛、铌等等，即可形成奥氏体、铁素体、马氏体、双相和沉淀硬化不锈钢，并具有不同的显微组织、物理、化学和力学性能，以适应特殊的应用要求。
    上世纪50年代，采用电炉“一步法”生产不锈钢，包括冶炼、脱氧、合金化、吹氧脱碳等。这种方法的生产率不高。此后，又采用了BOF、电炉冶炼、钢包处理。
    上世纪60年代，通过提高温度和降低一氧化碳分压来提高铬的收得率，从而开发了精炼工艺，诸如AOD(氩氧脱碳)，采用电炉冶炼，提高了不锈钢生产的经济性。
    当今，68．7％的不锈钢是采用AOD转炉生产的，19．5％是通过BOF转炉－VOD(真空吹氧脱碳)、6．8％是通过VOD、5％是采用转炉生产的，即所谓“二步法”和“三步法”。
    1．AOD精炼法
    AOD是一种转炉，通过转炉侧面的风口喷吹氧气、氮气、氩气、空气和二氧化碳气，并从炉顶氧枪喷吹氧气、氩气和氮气。这种方法可以利用大量的废钢和高碳铬铁。初始碳含量为3％，冶炼后可降至0．015％。经电炉冶炼的钢水通过钢包送入AOD炉，向熔池喷吹氧气和氩气，降低碳含量，增加铬的氧化。为了确保快速脱碳，降低铬损，节省氩气，吹炼初期应采用低的氩氧比。随着碳含量的降低，提高氩氧比。添加氧化物(如硅铁)、熔剂(如石灰和萤石)，通过加强吹氩搅拌，将氧化铬转化为金属，以生产低硫不锈钢。如生产AISI304，典型的消耗量是：氩气约12Nm3／t钢，氮气约10Nm3／t钢，氧气约＞6Nm3／t钢，石灰约5kg／t钢，晶石约3kg／t钢，铝约2kg／t钢，还原用硅约8kg／t钢，脱碳金属料约135kg／t，从装料到出钢的时间通常为60min左右。采用AOD法，铬的收得率约为96％，锰为88％，总的金属收得率为95％。
    2．KAWASAKI－BOP和KAWASAKI－OBM－S法
    KAWASAKI－BOP转炉类似于从炉顶氧枪吹氧的BOF氧气转炉，有7个可以吹氧的底部风口，用丙烷气冷却风口(气体裂化)。通过转炉的风口还可喷吹石灰粉。
    Kawasaki－OBM－S转炉是由奥钢联开发的，是BOP法的发展，风口安装于转炉的侧面或底部，还装有顶部氧枪。顶部气体采用氧气、氮气和氩气，通过底部风口喷吹氧气、氮气、氩气和烃类气体。天然气和丙烷用于风口保护和提高耐火材料的寿命。用这种转炉精炼AISI304，典型消耗量是：氧气29Nm3／t钢，氮气约为13Nm3／t钢，氩气约为16．5Nm3／t钢，用于还原的硅约为11kg／t钢，石灰约为50kg／t钢，白云石20kg／t钢，萤石约为8kg／t钢。
    3．CREUSOTLOIREUDDEHOLM(CLU)法
    这种转炉法采用蒸汽作为稀释气体，而不是通常所用的氩气。此工艺是由瑞典的Uddeholm和法国的CreusotLoire共同开发的。这种转炉从底部吹氧气、蒸汽、氮气和氩气，同时，从炉顶吹氧气、氮气和氩气。脱碳时，开始吹氧气－蒸汽混合气体。由于蒸汽和熔融金属的吸热反应而且铬损较AOD法大得多，因此，该工艺的效率较低。采用这种转炉，耗氩量降低，但耗硅量却很高，而且钢中氢含量增加。目前的趋势是用更多的氩气来取代蒸汽，以提高这种转炉的效率。
    用这种转炉生产AISI304，耗氧量约为2Nm3／t钢，氮气约为13．5Nm3／t钢，蒸气为10．4Nm3／t钢，氩气为7Nm3／t钢，还原用硅约为15．5kg／t钢，氢含量为5．9×10－6。
    4．金属精炼法(MRP)
    这种转炉是由曼内斯曼•德马克开发的，该工艺包括含铬、镍熔融金属的装料，采用氧和惰性气体脱碳。通过转炉底部的风KJ替地吹气，氧气未经惰性气体稀释，只是吹氧后再吹惰性气体，降低一氧化碳分压，加快脱碳率，提高铬的收得率，降低耗硅量和渣中的氧化铬。MRP－L转炉是一种改进型，氧气从炉顶吹入，惰性气体从转炉底部的多孔塞吹入并可取代底部风口。该工艺可采用比AOD法更高的喷吹率，而且风口侵蚀少。在转炉中的熔融金属的中间碳达到一定水平后，转入脱碳。
    5．克虏伯复合吹炼法(KCB－S)
    该工艺由克虏伯开发，是BOF转炉的改进型，通过氧枪和转炉侧壁的风口进行复合吹炼，同时，导入工艺气体以提高脱碳率。与AOD法相比，冶炼305钢的冶炼时间缩短。吹炼开始时，同时从炉顶氧枪和侧壁风口吹纯氧，吹氧达到一定温度后，加入铁合金和废钢。碳含量达到临界值后降低工艺气体的氧含量，加入惰性气体，如氮气或氩气，比例为4∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶4，逐渐降低碳含量。碳含量达到0．15％时，中断氧枪，只从风口导入工艺气体。达到目标碳含量时，加硅以降低渣中的氧化铬，加石灰和熔剂，降低溶解氧含量，优化脱硫。
    6．氩气二次精炼法(ASM)
    该工艺由德国MANGHH开发，风口位于转炉的底部，吹氧气、氮气和氩气。这种转炉是在配有炉顶氧枪的ASM－L转炉的基础上稍加改进而成。
    7．住友顶底复吹法(STB)
    该工艺是被住友金属工业公司概念化的工艺。该工艺克服了单从顶部或单从底部吹气的困难，将二者结合起来，有助于降低风口的侵蚀，通过炉顶氧枪加大富氧气体的吹量，提高了脱碳率，缩短了脱碳时间。
    8．顶底复吹氩法(TMBI)
    该工艺为AlleghenyLedlum公司所采用，类似于BOF转炉，底部装有风口，吹入惰性气体，为氩气或氮气。吹炼初始，先从炉顶吹入混合气体，作为中间转炉，加铬以后再转入另一座转炉。该工艺主要用于生产铁素体不锈钢。
    9．RUHRSTAHL－HEREUSOB法
    该工艺由新日本钢铁公司开发，高炉铁水直接送入BOF炉，进行铬合金化和吹炼，在不锈钢二次精炼炉RH－OB中进行终脱碳，直至碳含量降至0．5％～0．6％。
    10．AOD／VCR法
    大同钢公司和新日本钢铁公司进行试验，应用转炉上方真空的概念，缩短脱碳时间，减少铬的氧化，并将氩气消耗量降至低。在AOD炉中将碳含量降至0．085％～0．10％，取样、用真空盖定位，进行脱碳，加硅，还原氧化铬。该工艺降低了氩气和硅的消耗量，在送进AOD炉前，在钢包内先行脱硫。该工艺的问题是耐火材料消耗量较高，不能熔炼废钢，维护成本较高。
    11．真空吹氧脱碳法(VOD)
    该工艺是生产不锈钢合适的真空法之一，被认为是生产低碳、低氮、低氩不锈钢的有效方法。钢包中的钢水经过处理，碳含量降至1％左右。该工艺从真空度为100～250torr(1torr＝133．322Pa)的炉顶氧枪吹氧，硅首先被氧化，接着是碳被氧化。在熔池达到一定温度和硅含量时，一氧化碳开始生成，脱碳开始。监测CO∶CO2值，熔池碳含量达到0．08％时，该比值快速升高。此后，脱碳率下降，与氧气流速无关。停止吹氧，转炉压力降低，吹氩搅拌，以加强溶解氧和残余碳的反应。加铝、还原硅，同时，加石灰和萤石以更有效地脱硫。
    12．精炼法的选择
    精炼法的选择取决于投资费用、运行成本、原料、物流、下游设备的利用以及所生产不锈钢的种类。在此基础上，精炼法可分为二步法或三步法。废钢成本高，则利用高碳铬铁，提高脱碳率；碳钢废钢用作冷却剂。铁合金或不锈钢废钢太贵的地方可代之以铬矿石。氩气成本高，可采用真空法，并安装钢包炉。