韩全军1.2 成国光1
(1北京科技大学;2舞阳钢铁有限责任公司)
摘 要 本文简要介绍了不锈钢的发展历史和前景,同时介绍了不锈钢的生产工艺
。结合生产实践论述了舞钢引进奥钢联VOD 设备和技术试生产三炉不锈钢(304)的工艺流程,对舞钢今后生产和开发不锈钢产品提出了一些建议。
关键词 不锈钢 V OD 生产 流程
Study of Steel mak i ng Process for 0Cr 18N i 9Sta i n less Steel
H an Q uan jun
1.2
and Cheng Guoguang
1
(1Beijing U n iversity of Science and T echno logy ;2W uyang Iron and Steel Co .L td )
Abstract T h is article b riefly describes the developm en t h isto ry and the p ro spect of the stain less -steel ,and acco rding to the p roducti on experience discu sses the VOD equ i pm en t i m po rted from VA I and the p roducti on p rocesses of the th ree heats of stain less -steel (304),pu ts fo rw ard som e suggesti on s to develop and p roduce the new stain less -steel in the fu tu re .
Keyword Stain less -steel ,VOD ,P roducti on ,P rocess
1 前言
20世纪80年代以来,世界钢总产量增长缓
慢,而不锈钢的生产一直持续快速增长,估计2010年将达到2000万t ,占世界总粗钢产量的2%强。近几年我国不锈钢生产的发展缓慢,与我国钢产量大幅度增加相比,不锈钢产量在总产量中所占比例逐年下降,只占约0.3%,远远不能满足不锈钢消费逐年增加的需要。目前我国不锈钢年消费总量约为65万t 左右,人均消费量仅约为0.5kg 年。资料显示,近10年来发达国家不锈钢人均消费量显著增长,日本、瑞典、德国、意大利等达到10～15kg 年,美国约为8kg 年,英国约为7kg 年,奥地利最高,达25kg 年。世界不锈钢人均消耗量约为2kg 年,今后世界不锈钢的消耗量将以较高的速度增长。我国不锈钢生产在企业规模、专业化生产、产量、质量、品种和工艺技术等各方面与工业发达国家相比都有很大差距,不能满足我国国民经济发展和人民生活水平提高的需要。为了优
化产品结构,舞钢投资引进德国先进的技术,2004年新建了90t 双盖双工位VOD 真空设备,为完善VOD 工艺设备的功能实践,争取早日开发新的市
场空间,舞钢进行了三炉奥氏体不锈钢的0C r 18N i 9(304)生产,现将其生产过程简要介绍
如下。
2 生产简要工艺流程
舞钢公司现有从奥钢联引进的具有国际先进生产水平的90t 超高功率电弧炉和双工位VOD 抽真空设备,生产0C r 18N i 9的简要工艺流程为:
90t U H P 电弧炉→L F →VOD →加合金和还
原剂(冷却废钢)→VD →模铸3 VOD 设备简介
VOD (V acuum O xygen D ecarbu rizati on )真
空吹氧脱碳法,是现今世界范围内第二位的不锈钢冶炼手段,可以冶炼超低碳、高难度、高纯度的不锈钢产品。为原西德维腾特殊钢厂
・8・ 第12卷第2期
2006年4月
宽厚板
W I D E AND H EAV Y PLA T E
V o l .12.N o.2
A p ril 2006
(Edelstah l w erk W itten )于1967年所发明,第一
台容量为50t 。现全世界共有近百台,其容量为5～150t 。我国第一台容量为13t ,于1982年在大连钢厂投产。VOD 主要装备有:钢包、真空罐、氧、加料系统、测温取样系统、真空系统和控制系统。图1为VOD 工作状态示意图
。
图1 VOD 工作状态示意图
VOD 的简要工作原理为:用真空装置降低CO 分压进行脱碳。它的主要优点为:
1)降碳保铬效果好。通过控制真空度,可在铬
几乎不被氧化的情况下脱碳。脱碳后用于还原渣中 2)由于是在钢包中精炼,精炼后不吸收氮、 碳,更适合冶炼超低碳、超低氮不锈钢; 3)脱氧效果好。4 不锈钢生产的核心技术 不锈钢冶炼工艺的特殊性主要表现在以下几个方面: 1)钢中合金含量高,总量为13%～30%;2)合金元素中铬含量很高,而碳含量很低(0.01%～0.08%); 3)铬比铁易于氧化,铬的氧化物熔点高,渣子 粘稠; 4)合金元素价格昂贵,提高C r 、N i 、M o 的收 得率十分重要; 5)近年来由于对表面质量要求日益提高,故 对夹杂和氧、硫等杂质的洁净化要求也日益提高; 6)不锈钢脱磷问题仍未解决。 总之,不锈钢冶炼的核心技术可归纳为4个字:降碳保铬。即如何在降碳的同时尽量减少铬的烧损。 在一般不锈钢的成分范围内,可认为在Fe -C r -C -O 构成的四元体系中基本的反应式为: C r 3O 4(s )+4[C ]=3[C r ]+4{CO }(g ) 若取一氧化碳的分压为一个大气压,即Pco =1atm ,实用的热力学计算式为: 1g [%C r ][%C ]=-13800 T +8.76式中:T 为绝对温度K ;[%C r ]和[%C ]分别为熔池中C r 和C 的重量百分浓度。 在饱和氧的熔池中铬、碳和温度的关系如图2所示。 图2 饱和氧的熔池中铬、碳和温度的关系图 可以看出:对于C r =18%的不锈钢,若使C 降至0.12%以下,溶池温度可达到1825℃,炉衬将很快毁坏。这就是单炉法冶炼的 主要困难。 考虑到Pco 的影响,热力学计算式为:1g [%C r ][%C ]=-13800 T +8.76-0.9251g Pco 式中Pco 为气相中一氧化碳的分压,单位为atm 。 由此式可知减压操作有利于不锈钢冶炼,即可通过VOD 抽真空,降低气相总压强,从而提高C r 的收得率。 从图3中可以清楚地看出,18%C r 钢中C %、温度和Pco 的关系。 ・ 9・ 第2期 韩全军:0C r 18N i 9不锈钢的冶炼工艺研究 5 舞钢不锈钢的生产冶炼过程 VOD 法冶炼不锈钢生产过程分为两个步骤: 一是在电炉中熔化和初炼(初脱碳、脱硅、脱硫),使钢水含碳量和温度达到VOD 精炼的要求;二是将初脱碳后的钢液用VOD 法继续脱碳和还原精炼,生产出合格的不锈钢钢水 。 图3 18%C r 钢中C %、温度和Pco 的关系 5.1 电炉冶炼过程 通过查找资料和理论分析,我们认为在电炉熔炼过程中,应该达到两个目的。5.1.1 脱P 初炼炉出钢时,钢液中P 的含量应尽可能低,以满足不锈钢生产的需要。在氧化状态下,钢液中P 和铬有如下平衡关系: [%C r ]≤50Ε[%P ] 所以应该在未加高碳铬铁之前将钢液中的P 脱到较低的水平,这样保证铬合金加入后,能满足要求。 生产实践中,在加合金前通过多次造泡沫渣和流渣操作等措施,将P 含量控制在要求范围之内。 3炉304不锈钢出钢后取样P 含量见表1。 表1 不锈钢(304)出钢以后取样P 含量 炉 号 051015051090051135P 含量 %0.040 0.027 0.028 5.1.2 降碳保铬 理论表明,在大气压状态下,当氧气吹到炉内钢渣界面,立即发生三个重要化学反应: [C ]+{O }=CO (1)2[C r ]+3{O }= (3) 在快速熔化高碳铬铁的同时又尽可能减少铬的烧损,生产操作是较难控制的。因为铬铁的熔点较高,在使钢液保持铬含量一定的条件下,要使钢液中碳的浓度降低,必须迅速提高熔池温度来达到“去碳保铬”。 生产中当所需要加入的高碳铬铁全部加入,观察炉内形成良好的泡沫渣后,立即开始强制用炉门氧吹氧。由于钢液内Si 的氧化放热反应,熔池内的温度迅速升高到1600℃。电炉内脱碳过程见图4,电炉内的碳从2.3%降到0.7%,大约1.7t 的碳被脱出,消耗氧量: 1700kg ×0.933m 3 kg =1586m 3 图4 C C r Pco T 平衡图 在吹氧降碳保铬的过程中,有小部分的铬氧化进入渣中,渣中C r 2O 3大约为5%,通过加入500kg 的FeSi 来还原渣中的铬。出钢时钢渣混出,将 电炉内的钢液和渣出净。 在钢水包传递到L F 炉前,将钢包内的渣扒除至<15kg t 。出钢后钢水的成分控制见表2。 ・ 01・宽厚板 第12卷 C Si M n C r N i T ℃ ～0.70～0.10～0.85～18.00～7.01650 5.2 精炼过程 精炼工序相对比较简单,生产中当L F送电升温至钢包内的渣子熔化后,取样分析,根据分析结果调整钢液成分,使其满足下步VOD工序的要求。 用低碳铬铁或金属铬来调整钢中C r,成分大致控制见表3。 表3 调整钢中Cr成分控制 C Si M n C r N i T ℃ 0.700.100.8518.5～19.007.01650 5.3 VOD过程 VOD过程主要包含三个阶段:1)吹氧脱碳; 2)真空脱碳;3)调整阶段。VOD过程中同电炉一样,也存在方程(1)(2)(3),但不同的是,真空状态下,在Pco的分压抽至100m bar时,碳的氧化优先于铬的氧化,因此能在高铬的水平下脱碳,这在图4中可以证明。在生产实践中,最主要的难点是如何控制氧的喷吹量,达到正好降碳却不氧化铬。我们是通过二级系统和先进的多功能气体分析仪(M TA)来检测和控制吹氧量的。二级系统是通过将真空前的钢水成分样输入计算机,通过计算机自动计算所需要的吹氧量。而M TA的原理是通过测量分析废气中的4种气体CO、CO2、N2、O2的含量,观察计算机画面显示4种气体量的增减,定性地分析真空罐内钢液碳含量的变化情况,决定何时停止吹氧,然后在低真空度下继续抽真空脱碳至目标终点碳。M TA工作的原理如图5所示,100m bar真空度时氧化沿曲线A-C-E进行。在E点(碳含量约350×10-6)必须停止吹氧,否则铬就开始氧化了。由于渣中C r2O3的存在,所以可以在低压下不吹氧的情况下沿直线C-D和E-F进行,从而最终能在真空度至30m bar时碳含量达到200×10-6( D点)或100×10-6(F点)。 图5 V CD脱碳模式图 6 结束语 舞钢冶炼的3炉0C r18N i9(304)奥氏体不锈钢,成分合格,所轧钢板性能和内部质量基本满足标准及用户要求,表明该工艺和技术是可行的。舞钢应认真总结经验,查找不足,优化工艺,开发出更多质优价廉的不锈钢品种,尽快进入国内和国际不锈钢市场。 韩全军,男,1994年毕业于武汉科技大学钢铁冶金专业,高级工程师,北京科技大学冶金工程专业在读工程硕士。 收稿日期:2006-02-15 ・ 1 1 ・ 第2期韩全军:0C r18N i9不锈钢的冶炼工艺研究下载本文
