不锈钢冶炼工艺及发展
我国已成为不锈钢消费和生产大国。 不锈钢生产需要根据不同品种、类型的原材料来组织。 目前，我国不锈钢生产的发展方向是提高质量、降低成本、节能减排，同时不断优化原材料和技术装备的匹配。 本文对不锈钢的几种典型冶炼工艺进行对比分析。
不锈钢以其优异的耐腐蚀性能和优异的综合性能，越来越多地应用于各种工业和民用领域。 我国不锈钢生产起步较晚，结束于2000年，长期徘徊在30万吨左右，呈现跨越式、快速发展的态势。 2017年，全球不锈钢粗钢产量4808万吨，中国不锈钢产量达到2577.37万吨，占全球产量的54%。 随着产能的增加，迫切需要通过优化工艺流程、降低原材料成本来提高企业的市场竞争力。
1 不锈钢冶炼的发展
20世纪初，英国谢菲尔德成功冶炼铸造出第一批商业级不锈钢，不锈钢进入人们的视线。 到了20世纪40年代，美国人通过Cr-C温度平衡研究，提出了高温条件下脱碳保铬理论，为不锈钢冶炼奠定了理论基础。 在此基础上，他进一步研究了减少液化碳分压对不锈钢生产物理化学反应的影响，带动了不锈钢冶炼技术的进步。 到了20世纪60年代中后期，德国威滕公司埃德尔工厂成功开发了真空法VOD，美国联合碳化物公司的稀释法AOD，大大降低了不锈钢冶炼成本，提高了不锈钢生产效率，并实现了不锈钢的大规模生产。 成为可能。
2 不锈钢冶炼设备
不锈钢冶炼工艺的选择与钢种和原材料有关。 这些原材料主要包括：废钢、铁水、铬矿、镍矿合金等。
不锈钢冶炼所用设备分为初级冶炼设备和精炼设备两大类。 主要冶炼设备包括：电弧炉（EAF）、非真空感应炉（一般用于小规模生产）、矿热炉、转炉等。 精炼设备主要有钢包型精炼设备（VOD、SS-VOD、VOD-PB等）、转炉型精炼设备（AOD、VODC、VCR、CLU、KCB-S、KOBMS、K-BOP、MRP- L、GOR等）和RH功能扩展精炼设备（RH-OB、RH-KTB、RH-KPB等）。
一般来说，冶炼原料为废钢时，初级冶炼设备采用电弧炉+精炼设备的短流程工艺；
当原料为铁水时，一次精炼设备采用转炉+精炼设备的工艺；
当原料为废钢+铁水时，一次精炼设备采用电弧炉+转炉+精炼设备的工艺；
当原料为铬矿时，一次精炼设备采用熔炼还原转炉+脱碳转炉+精炼设备的工艺（该工艺目前日本川崎制钢所选用）；
我国以红土镍矿为原料时，初级精炼设备采用干燥窑+回转窑+潜热炉+转炉+精炼设备的工艺流程。
3 不锈钢冶炼工艺路线
目前生产不锈钢的冶炼工艺主要分为一步法、两步法和三步法。
3.1 一步熔炼工艺
早期的一步式不锈钢冶炼工艺是指在电炉中完成废钢熔化、脱碳、还原和精炼过程，将炉料一步熔炼成不锈钢。 这种仅采用电炉冶炼不锈钢的一步法冶炼生产工艺，由于冶炼周期长、开工率低、生产成本高，已逐渐被淘汰。 随着炉外精炼技术的不断发展和AOD炉的广泛应用，目前不少不锈钢厂家采用部分低磷或脱磷铁水替代废钢，以铁水和合金为原料进入AOD不锈钢熔炼炉，形成一种新型的一步法冶炼工艺。
与早期的一步熔炼工艺相比，新型一步熔炼工艺在生产过程中省去了电炉的熔炼环节。 其优点包括：一是减少投资； 第二，降低生产成本； 第三，高炉铁水冶炼降低了原料和能源成本。 消耗，提高钢水纯净度； 第四，废钢比例低，适应现有废钢市场； 五是冶炼400系不锈钢特别经济。
但新型一步法对原料条件和产品方案有一定要求：首先要求AOD炉内铁水含磷量小于0.03%，因此铁水脱磷工艺必须添加到冶炼过程中； 第二，新型一步法以合金为原料添加到AOD炉中，AOD炉中添加过量的高碳合金会影响整个冶炼过程的热平衡，不适用于成分复杂、合金含量高的不锈钢品种。
新型一步法不锈钢生产工艺目前广泛应用于400系列不锈钢的生产。 我国作为发展中国家，废钢资源匮乏，是镍极度贫乏的国家。 此外，400系列不锈钢越来越多地应用于日常生活和工业生产中。 这些客观条件使得新型一步法不锈钢冶炼越来越受欢迎。 被许多制造企业使用。
3.2 两步冶炼工艺
两步工艺路线为EAF→AOD、EAF→VOD（电弧炉→VOD真空精炼炉）。 EAF→AOD工艺产能约占全球不锈钢产能的70%。 电弧炉主要用于熔化废钢及合金原料，生产不锈钢预熔体。 不锈钢预熔液然后进入AOD炉熔炼成合格的不锈钢钢水。 。
在两步法工艺中，如果进入电炉的原料磷含量较高，则必须在电炉和AOD炉之间增加不锈钢预熔体的脱磷步骤。 目前，较常用的预熔脱磷工艺有转炉脱磷和铁水罐顶喷淋脱磷。 两步法采用高炉铁水作为不锈钢冶炼的主要原料时，如果高炉含磷量较高，还需要增加脱磷步骤。
两步不锈钢冶炼工艺广泛用于生产各种系列的不锈钢。 其优点是：电炉对原材料要求不高，生产周期比一步法工艺略短，灵活性好。 除超低碳、含氮不锈钢外还可生产。 95% 不锈钢品种。
但两步法在介质消耗、品种规划等方面仍需注意以下三点：一是随着近年来冶炼技术的进步和操作水平的提高，两步熔炼过程中氩气等介质的用量显着减少。 但与一步法和三步法相比，氩气等介质的消耗量还是稍大一些； 其次，当AOD炉脱碳达到终点时，钢水中的氧含量较高，必须添加硅铁来降低钢水中的氧，因此硅铁的消耗量较高； 第三，目前还不能用于生产超低碳氮不锈钢，且钢中气体含量较高。
3.3 三步冶炼工艺
三步法的基本工艺流程为：一次精炼炉→双吹转炉/AOD炉→真空精炼装置。 三步法是冶炼不锈钢的先进方法。 产品质量好，适合专业厂家及钢联企业不锈钢生产。
三步不锈钢法是在两步法的基础上增加了深度脱碳环节。 其冶炼工艺的优点是：一是各环节分工明确，生产节奏快，操作优化； 二是产品质量高，氮、氢、氧及夹杂物含量低，可生产的品种范围广； 第三，可以用铁水冶炼，对原料的要求不高，原料的选择灵活。
但三步不锈钢冶炼工艺分步实现冶金功能，会对生产投资产生以下影响：一是增加了工艺环节，导致投资和生产成本较高； 其次，真空设备系统复杂，维护量大。
目前，世界上生产不锈钢的冶炼工艺主要采用两步法和三步法。 其中以EAF+AOD或EAF+VOD两步工艺应用最为广泛，约占70%，三步工艺约占20%。 随着低磷铁水在不锈钢生产中的广泛应用，一步法不锈钢冶炼新工艺也被越来越多的不锈钢生产企业采用。 为了适应不锈钢市场的激烈竞争，提高产品质量，降低生产成本，我国各企业根据自身实际情况选择合适的不锈钢冶炼工艺。
4 国内不锈钢生产企业冶炼工艺路线选择
确定不锈钢冶炼工艺路线，首先应以产品大纲为出发点，根据不锈钢冶炼的原料成分和不锈钢精炼机理，选择合适的不锈钢冶炼工艺路线。 不锈钢生产企业的原材料条件、生产规模、产品方案、运行成本、工人操作习惯等因素都会影响不锈钢冶炼生产工艺的选择。 由于原材料、运行成本和产品计划等因素受市场波动影响较大，因此现代不锈钢冶炼车间生产工艺的选择应具有一定的灵活性，能够根据市场情况调整生产工艺和产品计划。市场状况。
我国大型不锈钢生产企业大多是综合性钢铁企业，如太钢、酒钢等，既生产不锈钢又生产碳钢。 对于这些联合钢铁企业来说，工艺设备的配置可以满足多样化工艺路线和不同原料配比的要求。 原材料的范围比较广。 铁水、废钢供应充足，可满足需求。 可以选择最好的原材料。 配比计划。 这些企业在不锈钢冶炼工艺路线的选择上有较大的灵活性。
我国不锈钢废钢资源短缺。 以废钢为主要原料的不锈钢冶炼工艺，配料成本较高。 另外，全废钢冶炼能耗较高，且废钢质量差，给钢水中带来很多有害元素。 我国不锈钢产量不断增加，企业倾向于使用脱磷高炉铁水来冶炼不锈钢。 特别是对于综合性钢铁企业来说，利用碳钢系统的高炉向不锈钢冶炼系统供应部分铁水，可以有效降低吨钢原材料成本。 同时，不锈钢生产过程中普遍采用脱磷处理设施。 脱磷处理设施的应用，不仅可以减少不锈钢生产的原材料需求，还可以降低生产成本，使高炉铁水、普通废钢、高磷生铁和高磷合金都可以用于不锈钢生产。大量用于生产不锈钢。
4.1太钢不锈钢冶炼工艺
太钢拥有炼钢三厂、炼钢二厂南区、炼钢二厂北区三个不锈钢冶炼车间。
三炼钢厂采用的冶炼工艺为短流程工艺：EAF→AOD，主要生产双相不锈钢、耐热钢、高合金不锈钢和高附加值不锈钢；
二炼钢厂南区采用的冶炼工艺为长流程：铁水预处理→K-OBM-S炉→VOD→LF炉，主要用于生产铁素体和马氏体不锈钢；
二炼钢北区采用的冶炼工艺为：脱磷转炉→AOD→LF炉/VOD电炉→AOD→LF/VOD。 二炼钢北区工艺路线灵活，可采用新型一步法、两步法或三步法生产不锈钢。
4.2 酒钢不锈钢冶炼工艺
酒钢不锈钢炼钢车间冶炼生产工艺配置为：1座铁水罐顶喷淋脱磷站、1座脱磷转炉、1座EAF、2座AOD、2座LF精炼炉。 其产品覆盖面广，包括200系列、300系列、400系列不锈钢。
酒钢不锈钢炼钢车间主要采用以下两种工艺进行不锈钢冶炼：工艺一是铁水罐顶喷淋脱磷→EAF→AOD→LF，为两步生产工艺，主要用于生产200系列和300系列。系列不锈钢； 第二道工艺为脱磷转炉→AOD→LF，是一种新型一步法生产工艺，主要用于生产400系列部分钢种。
4.3 青拓集团RKEF和AOD双流程
青拓集团勇于尝试国外先进技术。 2010年，在福建鼎新率先建成并投产国内第一条RKEF生产线。 RKEF（回转窑+电炉）工艺采用富镍含铁氧化镍矿石生产含镍生铁（镍铁），与一般传统工艺（烧结+电炉）相比具有显着优势。 整个生产过程全封闭，能耗和粉尘排放极少。 生产过程中吨铁电耗降低1500度，粉尘排放减少80%。
镍铁生产传统上是矿业公司的领域，而不锈钢生产一直是钢铁公司的领域。 青山集团的跨界思维将镍铁生产与不锈钢冶炼工艺相结合，创造出一套独特的RKEF+AOD双不锈钢冶炼工艺。 青拓集团在国内率先采用该工艺技术，以红土镍矿为主要原料冶炼不锈钢。 ，从红土镍矿→冶炼→连铸→热轧不锈钢带，熔融镍铁不经冷却直接送入AOD炼钢炉。 两次热装、热送改变了不锈钢生产的传统模式，节省了大量的时间。 能源，大大提高不锈钢的炼钢速度，减少原材料的损失，产生巨大的经济效益。 实现不锈钢连续化、一体化生产的历史性突破，大幅减少污染物排放，吨钢能耗降低约50%。 该技术于2014年获得国家发明专利，属全球首创。
青拓集团在福建宁德建成国内第一条RKEF镍铁生产线、全球第一条RKEF+镍铁热喂生产线，用于生产镍含量8%以上的300系列不锈钢； 建成了国内最大的高炉+镍铁。 热喂生产线用于生产镍含量大于1%的200系列不锈钢。 这种在镍资源利用方面的工艺创新和产品开发的结合，使青拓集团在全球不锈钢行业的竞争力中处于领先地位。
5 熔融还原技术的应用
由于原材料成本约占不锈钢生产成本的70%左右，而原材料中铬、镍的成本又占很大比例，因此采用铬矿石或镍矿石代替铬或镍铁合金，直接冶炼不锈钢是降低不锈钢原材料成本的有效途径。 日本川崎制钢公司研发了转炉熔炼还原技术来制备母液。 到1994年，成功实现了不锈钢的工业化生产，形成了独特的不锈钢冶炼工艺。 然而，该工艺不适用于300系列不锈钢的生产。
该工艺采用两台上下双吹转炉，以铬矿为原料代替高碳铬铁直接冶炼不锈钢。 主要包括：STAR竖式高炉冶炼、还原和炼钢过程中产生的含铬粉尘以及转炉生产再生金属时产生的炉渣。 第一次SR-KCB（熔炼还原铬矿）、第二次DC-KCB（顶部和底部双吹转炉脱碳）和VOD炉深度脱碳。 成分为：铬矿230-280kg/t，废钢190-130kg/t，再生金属250-250kg由STAR提供，其余为铁水出口。 该工艺的优点是：提高了主要原料选择的灵活性，直接在转炉内使用铬矿或铬矿粉，使用大量废钢； 节省电能； 提高生产力并降低生产成本； 提高产品质量； 减排，环境可控。
国内铬矿冶炼法生产不锈钢正处于还原机理研究和工业试验阶段。 在还原机理研究领域，有研究推测铬矿石的还原分为两个阶段。 第一阶段通过CO气体间接还原铬矿石； 第二阶段，铬矿石逐渐溶解到渣相中，直接被固体碳熔化还原。 这两个反应与温度密切相关。 试验条件下，铬矿在CaO-SiO-MgO-A1O渣体系中的溶解反应是整个过程的限制环节。 迄今为止，对于铬矿冶炼还原的机理尚未达成共识，研究成果的应用存在局限性。
另外，在工业试验方面，据报道，1992年在15t转炉上进行了铁浴熔炼还原制备不锈钢母液的工业试验。 试验原料为含碳铬矿球和氧化镍矿，精炼Cr13和两种不锈钢母液。 Cr熔炼还原率为0.16~0.25(Cr)/min，铬收率85%，磷含量超标。 2000年，进行了高炉直接冶炼不锈钢母液的工业试验，共生产出含（Cr）5%～21.3%的不锈钢母液近千吨。