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機(jī)械社區(qū)
標(biāo)題:
不銹鋼冶煉工藝設(shè)備和工藝路線的選擇
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天上一顆星
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2008-3-21 16:11
標(biāo)題:
不銹鋼冶煉工藝設(shè)備和工藝路線的選擇
摘要:通過對國內(nèi)外主要不銹鋼冶煉方法和工藝路線的詳細(xì)論述、分析和比較,，提出了在不同的生產(chǎn)規(guī)格,、產(chǎn)品大綱,、原料及動力供應(yīng)條件下，如何選擇合理經(jīng)濟(jì)的不銹鋼冶煉工藝路線,，以及相應(yīng)的工藝設(shè)備,。
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0前言
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中國從1989年到1999年間,，歷年不銹鋼粗鋼產(chǎn)量為25～30萬t，不銹鋼鋼材產(chǎn)量20～ 26萬t一直徘徊不前,。從1999年開始,，我國不銹鋼表觀消費量、進(jìn)口量和產(chǎn)量均迅速上升,。不銹鋼表觀消費量從1999年150萬t猛增到2003年的420萬t,，年增長率45 %，成為世界上繼美國之后第二消費大國,。自產(chǎn)不銹鋼鋼材從1999年26萬t猛增到2003年的177. 8萬t.年增長率145 %.4年增長了6. 8倍,，成為世界上不銹鋼產(chǎn)能增長最快的國家。不銹鋼的進(jìn)口量從1999年的125萬t增長到2003年的296萬t,，進(jìn)口平均增長率為34. 2%,，中國成為世界上最大的不銹鋼進(jìn)口國。
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鑒于目前國內(nèi)不銹鋼缺口較大,，銷售市場前景看好,，企業(yè)紛紛投資建設(shè)不銹鋼鋼廠。由于不銹鋼鋼種繁多,，鋼材用途廣泛,，原料各異，形成了不同的冶煉工藝路線,，本文試圖從上述幾個因素探討合理的冶煉工藝路線,，供建設(shè)廠家參考。
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1 不銹鋼的涵義和鋼種分類
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不銹鋼一般是不銹鋼和耐酸鋼的總稱,�,！ �
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不銹鋼鋼種繁多，性能各異,，見于各種教科書中的分類不下五六種之多,，但日常習(xí)慣和工程習(xí)慣分為兩類，一類按鋼的組織結(jié)構(gòu)分類,，即奧氏體不銹鋼,、馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼,、雙相(奧氏體+鐵素體)不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼;另一類是參照美國USI和日本JIS標(biāo)準(zhǔn),，通常稱為200 ,300和400系列不銹鋼。
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不銹鋼材由于其獨特的耐蝕性,、抗腐性和耐酸性,，廣泛應(yīng)用于建筑、廚房,、電氣,、運輸和工業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域,。最近，考慮到環(huán)保效果和水質(zhì)保潔等因素,，上下水管道及水處理裝置己逐漸接受不銹鋼水管,，又稱之為水管的“綠色革命”。隨著壽命成本概念的推出和應(yīng)用,，橋梁,、高速公路、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施中也開始更多地采用不銹鋼和不銹鋼筋,。
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不銹鋼冶煉工藝路線選擇在很大程度上取決于冶煉不銹鋼的主要原料,，主要包括不銹鋼返回廢鋼、普通廢鋼,、高爐鐵水,、含鉻鐵水、鉻礦石和合金,。
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2 不銹鋼主要冶煉工藝設(shè)備的配置
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2.1 初煉爐
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無論哪種工藝路線.都要配置初煉爐,。只是在一步法生產(chǎn)時.初煉爐還要完成精煉爐的精煉任務(wù)。
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初煉爐只起熔化初煉作用,，負(fù)責(zé)向精煉爐提供初煉鋼水,，或稱之為不銹鋼母液。視原料條件和規(guī)格不同可以選擇感應(yīng)爐,、電爐或轉(zhuǎn)爐,。
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以返回廢鋼作為主原料時，感應(yīng)爐和電爐均可作為初煉爐,，而感應(yīng)爐一般用于小規(guī)模生產(chǎn)。
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以普通廢鋼作為主原料時,，選擇電爐作為初煉爐,，熔化廢鋼和合金。
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以高爐鐵水作為主原料時,，選擇LD ,OTB ,AOD ,K-OBM-S等轉(zhuǎn)爐作為初煉爐,，用于脫磷和初脫碳，以及熔化少量廢鋼和合金,。若原料中廢鋼量和合金比例較大時,，仍然要選擇電爐熔化合金和廢鋼，但此時電爐根據(jù)需要,，還可以提供混勻不銹鋼母液成分和溫度的功能,。若原料中合金大量來源于礦石時，如鉻礦,、錳礦和鎳礦,，可采用轉(zhuǎn)爐作為初煉爐還原礦石中合金元素,。如日本川崎就采用了鉻礦石還原獲得金屬鉻。
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一般認(rèn)為,，轉(zhuǎn)爐作為初煉爐是不經(jīng)濟(jì)的,。因為它需要高爐鐵水提供母液和熱量來源，必然延長工藝路線,，一次性投資增加,。只有在電力匱乏的情況下，或者采用電爐作為初煉爐時電力成本難以接受時,，可以考慮選用轉(zhuǎn)爐作為初煉爐,。
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2.2 精煉爐
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精煉爐的功能主要是降碳保鉻，同時伴隨脫硫的過程,。生產(chǎn)不銹鋼最為常用的精煉爐是轉(zhuǎn)爐,，主要有AOD ,K-BOP ,K-OBM-S ,M RP ,CLU ,KCR-S等。
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AOD,，全稱Argon-Oxygen DecarburizationConverter,，通常稱為氬氧爐。AOD是最為常用的精煉爐,，不銹鋼精煉爐中約有70%為AOD,，大量使用在二步法和三步法冶煉工藝中。傳統(tǒng)的AOD是在轉(zhuǎn)爐下部安裝側(cè)吹風(fēng)嘴,，噴吹氧氣和氬氣,，進(jìn)行脫碳和精煉。目前在AOD轉(zhuǎn)爐的基礎(chǔ)上增加頂槍,，噴吹氧氣和混合氣體,，稱之為AOD-L精煉爐，可以加快脫碳速度.縮短冶煉周期和提高生產(chǎn)能力,。日本大同(Daido)制鋼公司在AOD轉(zhuǎn)爐的基礎(chǔ)上增加真空系統(tǒng).定義為AOD-VCR精煉爐,，可以用于生產(chǎn)低碳不銹鋼。還可以降低氬氣和硅鐵消耗,，縮短冶煉周期,。
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K-BOP是川崎制鋼公司(Kawasaki Steel Corporation)在頂吹堿性氧氣轉(zhuǎn)爐BOF基礎(chǔ)上增加了底吹噴嘴，可以噴吹氧氣和冷卻介質(zhì)甲烷.還可以噴吹石灰,。
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K-OBM-S是由奧鋼聯(lián)公司(VA1)在K- BO P基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展的技術(shù),，它在頂吹堿性氧氣轉(zhuǎn)爐BOF基礎(chǔ)上增加了底吹噴嘴或側(cè)吹噴嘴。實際上K- BO P和K-OBM-S最初都是頂?shù)讖?fù)吹堿性氧氣轉(zhuǎn)爐,，最近K-OBM-S又增加使用了側(cè)吹噴嘴,，與AOD-L非常類似。K- BOP和K-OBM-S可以適用于現(xiàn)有的頂?shù)讖?fù)吹堿性氧氣轉(zhuǎn)爐，經(jīng)局部改造后生產(chǎn)不銹鋼,，當(dāng)然僅有設(shè)備是不夠的,，還要摸索一套冶煉工藝模型。
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GOR是烏克蘭在頂?shù)讖?fù)吹堿性氧氣轉(zhuǎn)爐上開發(fā)的,，底吹噴嘴采用天然氣或碳?xì)浠衔镞M(jìn)行保護(hù),，與K- BO P和K-OBM-S相當(dāng)。
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M RP是Metal Refining Process的縮寫,，由曼內(nèi)斯曼德馬克胡金根廠(Mannesmann Demag Hut-tentechnik)在底吹轉(zhuǎn)爐基礎(chǔ)上發(fā)展的,，早期通過底吹噴嘴交替噴吹氧氣和惰性氣體。后期又增加了頂槍,，頂部噴吹氧氣,，底吹噴吹惰性氣體，形成MRP-L型精煉爐,。
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CLU是由U ddeholm of Belgium and CreusotLoire of France聯(lián)合開發(fā)的,，類似于AOD，但底吹稀釋氣體改成了水蒸汽,，并且是從底部吹入,。
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KCB-S是Krupp combined blowingstainless的縮寫，由Krupp Stahl AG在AOD爐的基礎(chǔ)上增加了頂吹,，與AOD- L非常相當(dāng),。
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2.3真空吹氧精煉爐
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真空吹氧精煉爐(主要有VOD和RH-OB/ RH-KTB等)的功能是在真空狀態(tài)下進(jìn)一步脫碳，完成最終成分的微調(diào),、純凈度的控制,。該法最初用于生產(chǎn)超低碳、超低氮的不銹鋼,，當(dāng)Ar氣氣源不能保證或不夠充足時,，也常在二步法后增設(shè)真空吹氧精煉爐，從而降低Ar氣消耗,，達(dá)到同樣的精煉效果,。
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VOD和 RH-OB/ RH-KTB是在VD真空爐和RH真空爐的基礎(chǔ)上增加了一套氧槍。RH-OB在真空室側(cè)壁上安裝氧槍,，而VOD和RH-KTB則在真空室頂部安裝了氧槍，目的都是向真空室內(nèi)的鋼水噴吹氧氣,。
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2.4各種精煉設(shè)備的比較
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各種精煉設(shè)備的比較如表1所示,。
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表1 各種精煉設(shè)備的比較
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工藝設(shè)備 噴嘴安裝位置 底吹或側(cè)吹介質(zhì) 頂吹介質(zhì) 投資
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AOD 側(cè)部 O2、N2,、Ar,、Air、CO2 O2,、N2,、Ar 1
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KCB-S 側(cè)部 O2,、N2、Ar O2,、N2,、Ar 1
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K-BOP/K-OBM-S 底部或側(cè)部 O2、N2,、Ar,、碳?xì)浠衔?nbsp; O2、N2,、Ar 1.3~1.5
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MRP,，ASM 底部 O2、N2,、Ar 1
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CLU 底部 O2,、H2O(蒸汽)、N2,、Ar O2,、N2、Ar 1
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GOR 底部 O2,、N2,、Ar、碳?xì)浠衔?nbsp; O2,、N2,、Ar 1.3~1.5
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AOD-VCR 側(cè)部 O2、N2,、Ar 1.1~1.2
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VOD/SSVOD 底部 O2,、Ar O2 1.1~1.2
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2008-3-21 16:14
標(biāo)題:
不銹鋼冶煉工藝設(shè)備和工藝路線的選擇
3 不銹鋼冶煉工藝路線
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生產(chǎn)不銹鋼的冶煉生產(chǎn)工藝可分為一步法、二步法和三步法,。
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3.1一步法
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一步法是指在一座電爐內(nèi)完成廢鋼熔化,、脫碳、還原和精煉等工序,，將爐料一步冶煉成不銹鋼,。隨著爐外精煉工藝的不斷發(fā)展，一步法冶煉生產(chǎn)工藝由于冶煉周期長,，作業(yè)率低,，生產(chǎn)成本高，被逐步淘汰,，目前工業(yè)化生產(chǎn)中己難見其蹤,，僅僅偶見于小規(guī)模的生產(chǎn)廠。許多廠電爐己演進(jìn)為初煉爐，承擔(dān)熔化廢鋼和合金料的任務(wù),。
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3.2二步法
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二步法主要是以電爐為初煉爐熔化廢鋼及合金料,，生產(chǎn)不銹鋼初煉鋼水，然后在不同的精煉爐(如AOD ,CLU,、K-OBM,、KC B、MRP,、GOR ,VOD等)中進(jìn)行精煉成合格的不銹鋼鋼水,。初煉爐可以是電爐或轉(zhuǎn)爐。二步法中精煉爐又可分為在常壓和真空狀態(tài)下的精煉,，從而形成EAF一轉(zhuǎn)爐(AOD ,CLU ,K-OBM ,KCB ,M RP ,GOR)二步法工藝和EAF-真空吹氧(RH-OB ,RH- KTB,VOD)二步法工藝,。
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3.3三步法
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三步法的基本工藝流程是初煉爐一AOD爐-真空吹氧精煉爐。初煉爐只起熔化初煉作用,，初煉爐可以是電爐或轉(zhuǎn)爐,，負(fù)責(zé)向AOD等精煉爐提供初煉鋼水。AOD爐的功能主要是快速脫碳,，并避免鉻的氧化,，與AOD爐具有同樣功能的冶煉設(shè)備常用的還有K-OBM-S ,K-TBOP ,MRP ,CLU ,KCB-S等。最后由真空吹氧精煉爐(VOD ,RH-OB ,RH-KTB等)完成最終成分的微調(diào),、純凈度的控制,。該法可用來生產(chǎn)超低碳、超低氮的不銹鋼,。
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3.4不同冶煉工藝路線的優(yōu)缺點比較
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不同冶煉工藝路線的比較如表2所示,。
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表2 不同冶煉工藝路線的比較
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工藝路線 鋼種
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適應(yīng)性 入爐
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原料 生產(chǎn)率 Ar氣
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消耗 耐火材
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料消耗 生產(chǎn)
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成本 工程投資
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一步法 差 苛刻 低 無 較高 高 最低
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二步法 EAF-轉(zhuǎn)爐 一般 適應(yīng)性強(qiáng) 高 高 低 低 低
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EAF-真空吹氧爐 一般 適應(yīng)性強(qiáng) 低 低 較高 最高 較高
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轉(zhuǎn)爐-轉(zhuǎn)爐 一般 適應(yīng)性強(qiáng) 高 高 低 低 高
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三步法 強(qiáng) 適應(yīng)性強(qiáng) 高 小 高 高 最高
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目前世界上大多數(shù)不銹鋼廠采用電爐一AOD爐二步法生產(chǎn)不銹鋼，其產(chǎn)量約占世界不銹鋼總產(chǎn)量的70%,，采用電爐一轉(zhuǎn)爐一VOD三步法生產(chǎn)不銹鋼,，其產(chǎn)量約占世界不銹鋼總產(chǎn)量的20%，而采用其它方法生產(chǎn)不銹鋼,，其產(chǎn)量約占世界不銹鋼總產(chǎn)量的10%,。
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4 不銹鋼冶煉生產(chǎn)工藝路線的選擇
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不銹鋼冶煉生產(chǎn)工藝的選擇取決于很多因素，首要因素是操作成本,，它受到生產(chǎn)規(guī)模,、產(chǎn)品大綱、原材料供應(yīng),、后續(xù)工藝,、現(xiàn)有車間狀況和動力供應(yīng)狀況的影響。由于各種因素隨著市場迅速變化,，生產(chǎn)工藝選擇應(yīng)該具有一定的靈活性。
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一般情況下，三步法的生產(chǎn)成本要高于二步法,，但由于上述各種因素的綜合影響,，最后要根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模產(chǎn)品方案及原料條件等實際情況，具體分析,，合理選擇,。
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4.1 生產(chǎn)規(guī)模
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不銹鋼的生產(chǎn)規(guī)模對冶煉生產(chǎn)工藝的選擇，具有制約作用,。生產(chǎn)規(guī)模小,，一般年產(chǎn)3萬t不銹鋼，不銹鋼返回廢鋼有可靠保證的,，可以選用一步法冶煉生產(chǎn)工藝,。
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不銹鋼的生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到5萬t以上，不銹鋼的冶煉生產(chǎn)工藝不宜采用一步法,，應(yīng)該選用二步法或三步法組織生產(chǎn),。
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4.2 產(chǎn)品大綱
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產(chǎn)品大綱中對少生產(chǎn)(C+ N) > 250～300ppm的不銹鋼，可選用二步法組織生產(chǎn),。若生產(chǎn)規(guī)模大,，產(chǎn)品范圍寬，考慮到生產(chǎn)節(jié)奏和能源供應(yīng)等因素,，宜配置三步法冶煉生產(chǎn)工藝路線的設(shè)備,，其中分產(chǎn)品按照二步法或三步法組織生產(chǎn)。
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最終產(chǎn)品中若要求(C+ N) ≤250～300ppm,，如S44700,S44800等超低碳( 0. 01%),、超低氮( 0. 02%)鐵素體不銹鋼，必須選用三步法工藝流程,，在真空吹氧精煉爐中完成最終成分的微調(diào)和脫氣處理,。
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4.3原材料供應(yīng)
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不銹鋼冶煉的原材料，主要是金屬料和合金,。金屬料包括返回廢鋼,、普通廢鋼和高爐鐵水。合金主要包括高,、中,、低碳鉻鐵，電解鎳鐵,，金屬鎳或NiO,硅鐵,，錳鐵。含鉻鐵水和鉻礦石具有金屬料和合金的雙重性質(zhì),。不同的金屬料將會采用不同的冶煉生產(chǎn)工藝,。
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金屬料采用返回廢鋼或普通廢鋼時,，一般選用電弧爐作為初煉爐，熔化廢鋼和合金料產(chǎn)生不銹鋼母液,，生產(chǎn)不銹鋼,。典型的冶煉生產(chǎn)工藝是選用EAF- AOD二步法或選用EAF- AOD一VOD三步法組織生產(chǎn)。我國的太鋼不銹一煉鋼,、寶鋼五鋼公司和大連特鋼等企業(yè)均采用該生產(chǎn)工藝,。
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金屬料采用高爐鐵水時，由于硅,、硫,、磷含量高，高爐鐵水必須首先進(jìn)行三脫處理,，獲得低硫,、磷不銹鋼母液，再經(jīng)過精煉爐精煉,。精煉爐目前大多選用AOD轉(zhuǎn)爐或頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐,，如果要冶煉低[ C]或低[N]不銹鋼，在后步工序還要配置RH-OB或VOD進(jìn)行真空精煉,。如果要冶煉Cr-Ni系或Cr-Nr-Mo系不銹鋼,，還需要配置電弧爐熔化鉬鐵和鎳鐵。典型的冶煉生產(chǎn)工藝是:
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EAF(熔化合金)——
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高爐鐵水一 鐵水預(yù)處理－ 頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐一 真空精煉,。
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日本川崎鋼鐵公司的K-BOP法采用了高爐鐵水一鐵水預(yù)處理一頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐LD-OBM一真空精煉VOD,。日本新日鐵公司室蘭制鐵所的RH-OB法.即采用高爐鐵水一鐵水預(yù)處理－頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐一RH- OB真空精煉。我國太鋼二鋼廠采用了:
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EAF(熔化合金)——
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高爐鐵水一 鐵水預(yù)處理－頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐一 K-OBM-S-VOD真空精煉,。
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金屬料采用部分鉻礦石時,，一般以高爐鐵水作為主原料，鉻礦石主要是通過在轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行還原,，提供金屬鉻,，降低不銹鋼生產(chǎn)成本。由于鉻礦石加入數(shù)量,、加入時機(jī)以及還原工藝國內(nèi)尚未完全掌握,，世界上僅日本川崎鋼鐵公司千葉廠采用該冶煉生產(chǎn)工藝。
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金屬料采用部分鉻鐵水+廢鋼時,，冶煉生產(chǎn)工藝可采用礦熱爐一EAF–AOD二步法或選用礦熱爐一EAF-AOD-VOD三步法,。它通過礦熱爐冶煉鉻礦石.生成含鉻鐵水。電爐作為初煉爐熔化廢鋼和合金料,，熔化半鋼與含鉻鐵水混勻,，制成不銹鋼母液。該工藝在國外鮮,，但在我國的寶鋼一鋼公司己經(jīng)成功采用,，杭鋼亞通特鋼公司也采用了該工藝路線,。該工藝可以適用于鐵合金廠的改造或在鐵合金廠附近建設(shè)的不銹鋼工廠內(nèi)使用。
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4.4 現(xiàn)有車間狀況和動力供應(yīng)狀況
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新建不銹鋼廠,，可以根據(jù)需要確定合理,、經(jīng)濟(jì)的工藝路線。但對于舊廠改擴(kuò)建,，必須結(jié)合現(xiàn)有車間狀況和動力供應(yīng)狀況。
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原車間沒有熔化電爐或感應(yīng)爐,，又沒有充足的電力供應(yīng),，卻有高爐和轉(zhuǎn)爐設(shè)施，可選擇高爐鐵水一鐵水預(yù)處理－頂?shù)讖?fù)合吹煉轉(zhuǎn)爐一真空精煉組成的典型冶煉生產(chǎn)工藝,。這將是我國部分轉(zhuǎn)爐工廠經(jīng)過工藝和設(shè)備改造后生產(chǎn)不銹鋼的便利途徑,。
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對于氬氣供應(yīng)不足，精煉爐不宜采用AOD爐,，而改為與AOD爐具有同樣功能的冶煉設(shè)備.如K-OBM-S ,K-BOP ,MRP ,CLU ,KCB- S等,。或采用初煉爐一AOD一真空吹氧精煉爐(VOD ,RH-OB ,RH-KTB等)三步法組織生產(chǎn),，以降低氬氣消耗,。
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5 結(jié)語
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通過上述分析，根據(jù)不銹鋼冶煉的生產(chǎn)規(guī)模,、產(chǎn)品大綱,、原材料供應(yīng)、現(xiàn)有車間狀況和動力供應(yīng)狀況,，對不銹鋼冶煉主要工藝設(shè)備和工藝路線的選擇,，提出如下建議(見表3)，供建設(shè)不銹鋼生產(chǎn)的廠家作為參考,。
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表3 工藝設(shè)備和工藝路線選擇方案
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工藝設(shè)備或路線 生產(chǎn)規(guī)模 產(chǎn)品大綱 主要原材料 現(xiàn)有車間狀況 動力供應(yīng)狀況
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小 大 常規(guī)
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碳氮 超低
# W& J' Y$ X8 t4 ^. P5 f
碳氮 高爐
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鐵水 鉻礦 廢鋼 轉(zhuǎn)爐廠 電爐廠 新建 電力
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匱乏 氬氣
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匱乏
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預(yù)
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處
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理 鐵水脫硅 ∨
% E' n9 i. }% k! ^1 R& y" i6 P
鐵水脫磷 ∨ ∨
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鐵水脫硫 ∨ ∨
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初
- _( I$ X7 g) z) C& B/ Z
煉
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爐 礦熱爐 ∨
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感應(yīng)爐 ∨ ∨
9 p' F" R1 ~) C7 d' i$ A
電弧爐 ∨ ∨ ∨ ∨ ★ ∨ ★ ∨ ∨ ★
( J5 O$ r" l) L, s8 O. _
轉(zhuǎn)爐 ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨
% g( `' `( [8 ]: M; E: z
精煉爐 AOD ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ★
- V/ r! s+ J D9 `" w2 m3 q
K-BOP ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ★
4 M$ V5 k) U: F5 f( |& h; r. D
K-OBM-S ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ★
4 w. L( P B7 S, K
MRP ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ★
; J2 {/ ~7 C) w) T
CLU ★ ∨ ∨ ∨ ∨
1 [1 H" l& z4 w. { Y1 }2 K$ F
KCB-S ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ∨ ★
% S) {' G4 g4 d2 A5 k* X# ]
真空爐 VOD ∨ ∨ ∨
4 m* {( O4 {. L& ?& h
RH-OB ∨ ∨ ∨
/ ~5 k7 N% r2 Z. ]/ M
RH-KTB ∨ ∨ ∨
6 |5 l( A/ D: N0 C
工藝線 一步法 ∨
( l- y6 w1 |; Y# j9 e' l
二步法 ∨ ∨ ★
* t: |5 b& \4 }7 @. |
三步法 ∨ ★ ∨ ∨
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注：（1）“∨”表示優(yōu)先選擇的設(shè)備或工藝,。（2）“★”表示次選的設(shè)備或工藝輔助設(shè)備。
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