低成本冶炼不锈钢：创新工艺 高炉将“有所作为”
进入21世纪以来，我国不锈钢工业发展迅速，不锈钢粗钢产量从2000年的52万吨增加到2012年的1608万吨，几乎占世界不锈钢产量的一半。同时，我国现有的国情是铬镍匮乏，不锈钢废料匮乏，如何解决不锈钢生产原料供应问题，实现不锈钢低成本冶炼成为行业关注的焦点。
我国不锈钢原料将长期依赖国际市场，主要以铬铁矿和硫化镍（或红土镍矿）的形式进口。鉴于不锈钢冶炼技术的进步，各种镍铬原料均可作为冶炼不锈钢的原料，不锈钢冶炼原料制备技术的创新将是降低不锈钢生产成本的重要研究方向。
含铬原料制备技术开发
对于含铬原料，最初采用中低碳铬铁，随着VOD/AOD精炼技术的进步，大量采用高碳铬铁作为原料。但由于埋弧炉生产高碳铬铁，要求铬铁矿块度为10mm~70mm，铬比（Cr2O3/FeO）大于2.5，埋炉冶炼耗电高达/t~/t。因此，埋弧炉铬铁合金的生产受到资源条件和能源结构的严重制约，以细矿为原料，以煤代替电的铬铁生产工艺的发展引起了人们的注意。
转炉熔体还原工艺
熔融还原技术是基于直接还原、喷射冶金、转炉复合吹瓶和煤气化（原料棒）技术的高度集成技术，其基本原理是将氧化矿或预还原氧化矿和还原剂（碳）喷入碳饱和铁水中进行直接还原。
结果表明，顶吹氧与底吹气混合、渣量大、炉渣成分适宜、焦矿配比合适，可提高炉渣氧化铬的还原率。由于转炉熔体还原法必须依靠大型钢铁企业集团，生产的不锈钢母液铬含量低，铬回收率低，投资大，尚未得到广泛推广，目前仅在日本川崎钢铁公司应用。
熔融色素高炉冶炼
理论和实践表明，随着铁水铬含量的增加，工艺难度增加，铁水磷含量的控制难度增加。针对不锈钢冶炼的需要，在工艺技术上可以解决在高炉中冶炼含铬18%的铁水，并控制铁水的磷含量。
含镍原料制备技术开发
虽然硫化镍矿占我国镍资源的85%左右，但经过多年的开采，要想进一步提高产能已经非常困难。近年来，我国利用进口红土镍矿生产含镍生铁，在满足不锈钢生产中对镍的需求方面发挥了重要作用。
在红土镍矿的处理中，各种工艺各有特点。总的来说，湿法冶金工艺不是很成熟，高炉法对红土矿石的适应性差，回转窑电炉工艺长，能耗高，尤其是功耗高，因此国内很多单位都在开发新的红土镍矿冶金技术。主要工艺思路包括含碳球团法-磁选富集法、氯化偏析法、红土镍矿预脱硅法和一些湿法冶金工艺，大部分尚未达到工业化应用水平，仍有待探索。
最近，我国出现了以红土镍矿为主要原料的镍铁-不锈钢一体化工艺，基本模式为高炉工艺对应200系列不锈钢，回转窑电炉工艺对应300系列不锈钢。该工艺的竞争力在于从红土镍矿到不锈钢制品的生产要素的最佳组合，而传统的火法冶金工艺仍采用红土镍矿冶炼技术。
现有的红土矿石处理工艺是要对红土矿石进行全面处理，为了降低能耗，增加经济性，首先要解决的就是选矿问题。
鉴于红土矿中镍的直接富集难度大，必须对高炉法和RKEF（回转窑埋弧炉）工艺进行充分处理，冶炼温度高，渣量大，能耗高。如果在全处理条件下可以降低处理温度，则可以进一步降低能耗，提高经济性。日本大江山冶炼厂采用回转窑高温还原焙烧生产粒状铁，被公认为最经济的红土镍矿加工方法。基本工艺流程如下：将红土矿石细磨，与碳质还原剂和熔剂石灰石混合，然后制成球团，通过预热器送入回转窑。在回转窑中，球团逆着煤燃烧产生的热空气移动，球团经过干燥、脱水、还原和金属颗粒的生长。金属在回转窑中半熔化条件下形成，回转窑排出的半熔产品经水淬精制，再通过消除和磁选机分离镍铁颗粒作为生产不锈钢的原料。
综上所述，为了解决我国不锈钢生产的原料问题，除了发展无镍（如400系列）或低镍（如200系列）不锈钢品种外，还应该从铬铁矿和镍矿的资源条件入手，采用成熟的现代冶金技术， 并开展不锈钢原料制备技术的集成创新，从而降低不锈钢原料成本，提高不锈钢行业的竞争力。高
炉冶炼镍铬铁水具有竞争力
在高炉中冶炼铬含量高（如Cr>30%）的铁水很难熔炼，但冶炼铬含量低于20%的铁水在技术上是可行的，与使用铬铁合金相比具有明显的经济性，可直接冶炼成400系列不锈钢。如果能提高铁水的镍含量，磷含量能控制在0.035%以内，18%Cr-8%的镍水铁可以在高炉中冶炼，脱碳后经济性进一步提高，直接熔炼成300系列不锈钢。因此，高炉冶炼含铬或镍铬铁的铁水将彻底改变不锈钢冶炼的原料结构，实现不锈钢的低成本生产。基于上述目标，提出了一种高炉生产镍铬铁水的工艺方案（见附图）。
该工艺以硫化镍精矿和铬铁矿为主要原料，必要时加入一部分铁矿石。镍精矿经氧化焙烧后转化为氧化镍矿，铬铁矿可作为廉价铬矿粉对含碳球团进行高温预还原，然后进入高炉。分批生产8%Cr-8%镍水铁的目标成分，通过一系列工艺措施实现高炉正常生产。
含镍原料的选择和预处理。红土矿石一般含镍量为1%~2%，对于铁含量超过40%的红土矿石，含镍量为1%~3%的铁水可在高炉中冶炼;对于铁含量低于25%的红土矿石，很难进行高炉冶炼，通常采用RKEF工艺进行冶炼，铁水的镍含量一般不超过15%。为了在高炉中冶炼含镍量高达8%的铁水，在红土矿石中富镍的工艺工业化之前，可以通过氧化焙烧得到氧化镍精矿作为高炉冶炼的原料。
硫化镍矿一般含镍量在1%左右，浮选后可得到含镍量在7%以上的镍精矿，氧化焙烧和尾气制产后，镍精矿或再生镍精矿的含硫量降至0.5%以下，可作为熔融含镍铬铁矿高炉冶炼的原料。镍精矿或再生镍精矿的镍含量和脉石组成差异很大，可根据市场情况选择。
这
硫化镍精矿氧化焙烧已实现工业化生产，国内某公司以再生镍精矿为原料，在沸炉中焙烧生产氧化镍，产品为含镍71.5%~72.2%镍、含硫0.47%~0.67%的氧化镍矿，但因当时没有市场对氧化镍的需求而停产。
含铬原料的选择
传统的铬铁生产工艺需要高铬铁比的高品位块矿，但对于熔融镍铬的高炉冶炼，由于生产铬含量低（Cr约20%）的铁水，使用低铬铬铁比铬铁矿更有优势。同时，建议使用廉价的铬铁矿粉，以含碳球团的形式进行预还原，以进一步降低高炉冶炼的焦比和燃料比，有利于高炉运行和铁水磷含量的控制。对于高炉冶炼熔融镍铬的其他原料的选择，必须考虑铁水磷含量的控制要求，如低磷焦炭、熔剂和铁矿石的选择。通过合理选择原料和工艺设计，可在高炉中冶炼出18%Cr-8%的镍水铁。
需要解决的关键问题
镍铬铁水高炉冶炼是一项系统工程，涉及原料的选择和预处理、高炉冶炼渣系统的优化、铁水磷含量的控制以及后续炼钢工艺的调整。
含镍铬原料的选择主要考虑原料的品位和互补性。镍精矿一般SiO2含量较高，而再生镍精矿很少含有脉石。铬铁矿的主要脉石成分是MgO和Al2O3，铁矿石的脉石含量相对较低。因此，从高炉冶炼渣量的角度来看，需要综合考虑各种原料的配合，同时研究炉料进入高炉前的预处理过程。
由于原料条件的特点，与传统的炼铁工艺相比，含镍铬铁的高炉熔炼的炉渣组成差异很大，这突出表现为炉渣中MgO和Al2O3含量高。
对于铁水含磷量的控制，除了选择低磷原料燃料外，冶炼工艺的优化也非常重要。例如，使用铬铁矿预还原不仅可以提高高炉冶炼的效率，还可以降低焦炭比，有利于磷的控制。利用高空气温度，减少炉渣量，还可以降低焦炭比，有利于降低铁水的磷含量。同时，为了扩大原料选择的范围，高炉镍铬铁脱磷工艺的研究也值得关注。
与普通铁水相比，镍铬铁水的成分具有镍铬含量高、硅碳含量高等特点，生产不锈钢时必须适当调整冶炼工艺。同时，根据炼钢过程中各种合金元素的行为，可以综合考虑高炉冶炼过程中贵重元素的合金化。
按目前镍和高碳铬铁市场价格计算，制备1吨18%Cr-8%镍水铁的原料成本约为1.45万元。当铁水的这一组分在高炉中冶炼时，在生产能耗和资源综合利用方面可能具有更大的竞争优势，值得进一步分析和优化