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  • 多位一體不銹鋼冶煉在太鋼的生產與實踐

    通過分析太鋼不銹鋼原料鉻鎳生鐵、高碳鉻鐵、鐵水等的特性以及研究了原料中Si、C元素優化使用,采用中頻爐、電弧爐、轉爐、AOD等工序進行多種組合,開發了300400系鋼種多條不同組合的不銹鋼工藝路線,形成了多位一體不銹鋼生產工藝。生產實踐表明,400系不銹鋼采用180t轉爐脫磷鐵水+50t中頻爐熔化高碳鉻鐵預熔液兌入AOD冶煉的工藝,鉻收得率提高2.47%,硅鐵消耗降低5.5kg/t,石灰消耗降低10kg/t,300系不銹鋼采用160t電弧爐+2×50t中頻爐熔化預熔液兌入AOD冶煉工藝,鉻收得率提高2.2%,電極消耗降低1.8kg/t,大幅降低了冶煉成本。

    不銹鋼指在大氣和酸、堿、鹽等腐蝕性介質中呈現鈍態、耐蝕而不生銹的含鉻合金鋼,其中Cr含量10.5%~30%。因其優異的耐腐蝕性和優良的綜合性能,廣泛應用于各工業和民用領域。2018年全球不銹鋼粗鋼產量5070t,中國不銹鋼產量達2670t,占全球產量的52.3%,中國不銹鋼表觀消費量為2210t。

    隨著低品位紅土鎳礦生產鎳生鐵的礦熱爐一回轉窯(RKEF)工藝的快速發展,我國不銹鋼原料逐漸轉變為以鉻鎳生鐵、高碳鉻鐵為主,由于原料中含有較高的硅、磷、碳等元素,致使不銹鋼生產和使用受到制約。為此,太鋼根據市場原料變化,增加了中頻爐熔化設備,開發了多位一體不銹鋼生產工藝。

    1主要設備狀況及生產能力

    太鋼煉鋼二廠北區不銹鋼生產線于2006年底投產,原設計產能為150t,經過改造,增加了350t中頻爐,1180tAOD爐、1180tVOD爐和1臺直弧型板坯連鑄機,2018年不銹鋼產量達320t,主要設備及工藝參數如表1.

    2不銹鋼生產工藝流程

    太鋼煉鋼二廠北區不銹鋼生產線原設計主要工藝流程為鐵水半熱裝工藝,如圖1所示。

    2.1鉻系不銹鋼生產工藝流程

    國內越來越多的不銹鋼生產企業利用碳鋼系統的高爐供應部分鐵水給不銹鋼系統,利用鐵水預處理脫磷冶煉不銹鋼,可提高鋼水質量,有效降低成本。太鋼分別利用轉爐脫磷和鐵水三脫預處理脫磷裝置,結合中頻爐熔化高鉻,開發了以下三條鉻系不銹鋼生產工藝路線。具體如下:(1180t轉爐鐵水脫磷→180tAOD冶煉180tLF/VOD→連鑄;(2180t轉爐鐵水脫磷+50t中頻爐感應熔化高鉻→180tAOD冶煉→180tLF/VOD→連鑄(3160t鐵水三脫預處理→180tAOD冶煉→180tLF/VOD→連鑄。

    2.2鎳系不銹鋼生產工藝流程

    2008年開始,我國逐步開發了以廉價的低鎳紅土鎳礦為原料的燒結一高爐工藝生產高磷鉻鎳生鐵和回轉窯一礦熱電爐(RKEF)工藝生產鉻鎳生鐵,降低了含鎳原料的價格。鉻鎳生鐵雖然價格低廉但存在雜質元素(C、Si、P、S等)高的缺點.典型鉻鎳生鐵成分如表2。

    為此,太鋼分析研究了鉻鎳生鐵原料特性,開發了電弧爐高效脫磷技術、AOD高效還原脫硫技術、電弧爐前期渣在線還原利用技術及AOD高效脫碳脫硅技術,形成了鎳系不銹鋼生產專有技術及多條不銹鋼生產工藝流程。主要工藝流程有:

    1160t電弧爐熔化鉻鎳生鐵脫磷→160t電弧爐冶煉→180tAOD180tLF/LTS→連鑄;

    250t中頻感應爐熔化高鉻+160t電弧爐熔化鎳生鐵→180tAOD180tLF/LTS→連鑄;

    350t中頻感應爐熔化高鉻+50t中頻感應爐熔化鎳生鐵+160t電弧爐熔化鎳生鐵→180tAOD180tLF→連鑄。

    3多位一體不銹鋼高效冶煉工藝技術

    3.1以鐵水為主原料的鉻系不銹鋼高效冶煉技術

    3.1.1以轉爐脫磷鐵水為原料的鉻系不銹鋼生產技術

    太鋼新不銹鋼工程投產初期,鉻系不銹鋼生產工藝路線為脫磷鐵水-電弧爐-AOD,工藝路線長,鉻收得率低,通過工藝優化,開發了以轉爐脫磷鐵水為原料的新的AOD一步法鉻系不銹鋼生產工藝針對超低碳氮鐵素體不銹鋼的生產,充分利用鐵水脫磷轉爐脫碳速度快的特點,提出了“脫碳任務再分配”的理念,即由“AOD+OD兩步法脫碳”演變為“BOF+AOD+VOD三步法脫碳”,形成了新的超純鐵素體不銹鋼生產工藝,轉爐(BOF)完成鐵水預處理脫磷和AOD大部分脫碳任務,顯著改善了AOD的脫碳保鉻條件,提高了AOD生產效率。轉爐鐵水預處理時間比鐵水三脫預處理縮短了3035min,AOD精煉時間縮短了10-12min;中高鉻鐵素體不銹鋼的C+N總含量小于170×106.

    3.1.2轉爐+中頻爐雙聯生產鉻系不銹鋼技術

    煉鋼二廠北區鉻系不銹鋼生產,采用轉爐脫磷鐵水,AOD冶煉過程中高碳鉻鐵全部在冶煉前期加入,高碳鉻鐵加入量大,吹氧脫碳過程鉻燒損嚴重,導致AOD還原硅鐵消耗偏高,鉻收得率偏低。為此,太鋼開發了轉爐+中頻爐雙聯不銹鋼母液生產鉻系不銹鋼工藝技術,利用中頻爐熔化高碳鉻鐵,熔化過程不會造成鉻元素損失,中頻爐熔化鉻鐵合金溶液兌入AOD冶煉,AOD人爐溫度提高,滿足吹氧脫碳保鉻溫度條件,可減少AOD吹煉元素燒損,提高鉻收得率2.47%,硅鐵消耗降低5.5kg/t,石灰消耗降低10kg/t;同時AOD每爐可加入10-15t鉻不銹鋼廢鋼,提高了AOD單爐產量,降低了噸鋼步驟費用,工藝優化前后指標對比見表3.

    3.2以鉻鎳生鐵為主原料的鎳系不銹鋼低成本冶煉技術

    高磷鉻鎳生鐵具有較大的價格優勢,在鎳系不銹鋼中大量使用可降低不銹鋼成本,但其中含有較高的PSi、S、C等殘余元素,含鉻鎳鐵水脫磷、高效脫硫、合理利用鎳生鐵中硅等成為不銹鋼冶煉的難題。針對存在的問題,分析了不銹鋼原料鉻鎳生鐵、高碳鉻鐵、鐵水等原料特性,研究了原料中Si、C元素優化使用,利用中頻爐、電弧爐、AOD等工序進行多種組合,開發了鎳系不銹鋼低成本冶煉一系列相關技術,實現了低成本不銹鋼的生產。

    3.2.1電弧爐含鉻鎳鐵水脫磷技術

    由于不銹鋼生產流程中AOD及后續工序沒有脫磷能力,高磷鉻鎳生鐵的使用使得原料中磷含量大幅提高,為保證成品磷符合產品要求,必須在電弧爐或轉爐工序完成脫磷工作,而鋼水中鉻較磷易氧化,如何實現脫磷保鉻是一個冶煉難題。通過試驗摸索,采用CaO-CaF2-Cr03渣系脫磷,電弧爐脫磷渣系成分如表4.利用電弧爐脫磷動力學條件實現了電弧爐高磷鉻鎳鐵水脫磷,鉻收得率達到80%以上,脫磷率達到50%。圖2308爐使用電弧爐含鉻鎳鐵水脫磷技術生產脫磷前后鉻和磷含量的對比情況。

    開發了電弧爐熔化鉻鎳生鐵脫磷技術及電弧爐雙聯法冶煉不銹鋼預熔液生產鎳系不銹鋼工藝路線,脫磷電弧爐主要進行含鉻、鎳原料的熔化、脫硅、脫碳、脫磷,另一座電弧爐半熱裝脫磷鋼水進行不銹鋼母液的冶煉,然后再在AOD中進行精煉,冶煉過程中各工序鋼水成分如表5。

    3.2.2中頻爐+電弧爐雙聯冶煉不銹鋼預熔液工藝

    傳統鎳系不銹鋼采用電弧爐-AOD工藝路線,電弧爐中加入鉻鎳生鐵、高鉻、渣鋼等難熔固體原料,通電時間長,電極消耗高,鉻收得率低,電弧爐冶煉時間95min以上,電弧爐與AOD生產節奏不匹配。

    太鋼開發了中頻爐+電弧爐雙聯熔化預溶液兌AOD冶煉不銹鋼工藝,電弧爐與中頻爐分別熔化不同種類爐料,中頻爐熔化高碳鉻鐵,鉻鐵沒有燒損,冶煉時間為70min,電弧爐主要熔化鉻鎳生鐵,電弧爐裝入量減少50t,電弧爐冶煉時間縮短為60min,電弧爐+中頻爐雙聯工藝技術的實施,實現了高碳鉻鐵與鉻鎳生鐵分工序熔化,縮短了電弧爐冶煉時間,實現了電弧爐與AOD節奏匹配。與原工藝相比,鉻回收率提高2.2%,電極消耗降低1.0kg/,大幅降低了不銹鋼冶煉成本。電弧爐雙聯工藝與常規工藝電弧爐人AOD成分及鉻收得率如表6。

    3.2.3電弧爐前期渣在線還原利用技術

    原工藝電弧爐原料主要為鉻鎳生鐵、高碳鉻鐵、廢不銹鋼等高鉻原料,電弧爐冶煉過程吹氧助熔,鉻元素燒損嚴重,電弧爐前期渣中Cr2O3含量較高(實測6%~10%)。一直以來,電弧爐冶煉不銹鋼都是將前期渣通過出渣門排人渣罐,在排渣過程中,不可避免在渣中會帶入一定量的鋼水,致使鉻收得率較低。

    太鋼開發了電弧爐前期渣在線還原利用技術,電弧爐前期渣不再排入渣罐,而是排入中頻爐鉻鐵熔液的預熔包內,通過電弧爐出鋼時鋼流混沖攪拌,使高碳鉻鐵的硅與電弧爐前期渣中Cr2O3充分反應,還原渣中鉻,出鋼后利用鋼包大流量底吹氬氣進行強攪拌,實現鋼水中硅進一步與渣中Cr2O3反應,渣中C2O3含量由7.3%降低為2.5%,提高了鉻收得率,電弧爐前期渣與還原渣成分見表7。

    3.24AOD高效還原技術

    鉻鎳生鐵中硫含量較高,由于鉻鎳生鐵、不銹鋼渣鋼等原料使用量的不斷加大,使AOD入爐不銹鋼母液中硫含量不斷增加,達到0.06%以上,不銹鋼母液硫含量的升高給AOD脫硫帶來了困難,為此太鋼開發了AOD高效還原技術,通過選用合理的不銹鋼脫硫渣系,匹配還原渣堿度、還原時間以及還原期氬氣流量等參數,開發AOD二次造渣脫硫工藝,實現了不銹鋼快速脫硫,AOD出鋼硫含量穩定控制在0.005%以下,脫硫率達到95%以上。圖3為冶煉304不銹鋼20171~12AOD鋼水人爐、出鋼硫含量及脫硫率。

    3.2.5雙中頻爐+電弧爐三聯冶煉不銹鋼母液技術

    近兩年來,電弧爐電極價格快速升高到15-19萬元/,電弧爐工序成本升高近一倍,降低電弧爐電極消耗可顯著降低生產成本。因此利用現有中頻爐設備,開發了雙中頻爐+電弧爐三聯法冶煉不銹鋼母液生產鎳不銹鋼工藝。采用一個中頫爐熔化高碳鉻鐵,另一個中頻爐熔化鉻鎳生鐵,兩個中頻爐熔化后的預熔液兌入電弧爐,電弧爐前期即可形成熔池,可提前吹氧脫硅,充分利用氧化放熱,降低電弧爐電耗及電極消耗,同時早期形成熔池,可減少電弧爐送電、吹氧過程對原料中鉻、鎳元素燒損。實際生產中,電弧爐熔化原料由120t減少為80t,鎳鋼電極消耗由2.28kg/t降低至1.52kg/t。

    4結論

    1)太鋼充分利用現有裝備及廉價原料特性,開發了多位一體不銹鋼生產工藝,掌握鉻系不銹鋼、鎳系不銹鋼低成本生產關鍵技術,提高了產品競爭力。

    2)太鋼開發了廉價鉻鎳生鐵使用技術及工藝路線,實現了鉻鎳生鐵的大量使用,純鎳使用量大幅下降,鉻鎳收得率明顯提升,降成本效果顯著。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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