節能型不銹鋼冶煉工藝設計

莫冰洋

（江蘇德龍鎳業有限公司，江蘇 鹽城 224631）

早在上世紀末，我國就開始了對不銹鋼冶煉工藝的發展，到今天已經將近三十年了，在發展的過程中我國不銹鋼冶煉工藝得到了極大的發展。尤其是在近些年，我國的不銹鋼產業極大發展，年均產量增速超過了30%，我國粗鋼產量已經達到世界一半的產量值，而對應的生產企業也從原來的上鋼、大鋼發展到更多興起新秀百花齊放的局面。隨著我國鋼鐵產業空間發展，不銹鋼產能也不斷增加，但市場需求增速緩慢，這就導致了我國不銹鋼行業面臨著產能過剩的尷尬局面。企業競爭不斷加劇，生產成本高、效率低的企業必將在激烈競爭中被淘汰，因此，這就需要鋼鐵生產企業加大對不銹鋼節能冶煉工藝的研究力度，改進傳統的不銹鋼冶煉方法，追求節能、高產量的生產工藝。本文所研究的節能型不銹鋼冶煉工藝同傳統不銹鋼冶煉工藝相比，其在能源消耗和成本控制上都有著巨大的優勢，為不銹鋼節能生產發展提供了新的方向[1]。

不銹鋼同其它鋼鐵材料相比在大氣、酸、鹽等具有腐蝕性介質中有著較好的化學穩定性，被廣泛地應用在各個生產領域中。我國對不銹鋼生產的研究起步較晚，在2000年才結束了不銹鋼產量長期維持30萬噸等狀態，隨后得到極大的發展，不銹鋼已經成為了世界前列，占全球不銹鋼產量的一半還多，到2020年我國不銹鋼的產量將超過三千萬噸。隨著我國不銹鋼產量不斷增加，如果對冶煉工藝進行優化，從而研究出新型的節能不銹鋼冶煉工藝，提升鋼鐵企業的核心競爭力變得尤為重要[2]。

1 不銹鋼冶煉技術的發展歷程

1.1 不銹鋼冶煉技術演變

在上個世紀初，英國學者謝菲爾德冶煉出了第一爐商品級的不銹鋼，從此不銹鋼就進入了人們的生活。隨著不銹鋼冶煉技術繼續發展，到了上世紀40年代，美國人希爾蒂繼續對Cr-C溫度平衡進行研究，從而發展出了在高溫條件下脫碳保鉻理論，為不銹鋼冶煉技術理論奠定了夯實的基礎，在這個基礎上開始了降低液化碳的分壓對生產不銹鋼生產物化反應造成影響的研究，進一步推動了不銹鋼冶煉技術的發展。到上世紀60年代，德國的威騰公司研制出了真空法（VOD），美國的聯合碳化物公司研究出了稀釋法（AOD），這兩種方法都極大減少了不銹鋼冶煉所耗成本，提升了不銹鋼的產量和效率，推動了不銹鋼的大規模生產。

1.2 我國的不銹鋼冶煉工藝設備

在進行不銹鋼冶煉的過程中對工藝的選擇同鋼材種類和原材料有著密切聯系，其中原材料包括廢鋼、鉻礦石、鎳礦等材料。不銹鋼冶煉使用的設備包括初煉設備和精煉設備，其中初煉設備是指電弧爐、非真空感應爐等設備，精煉設備主要有：鋼包型精煉設備、轉爐型精煉設備等設備。

通常，如果選用的不銹鋼冶煉材料如果為廢鋼，初煉設備就需要使用電弧爐加精煉設備，這種方式屬于短流程工藝；如果選用的不銹鋼冶煉材料為鐵水，初煉設備就使用轉爐加精煉設備；如果原料為廢鋼加鐵水，初煉設備就需要使用（電弧爐+轉爐）+精煉設備的工藝；如果選用紅土鎳礦作為不銹鋼冶煉原料，初煉設備應該使用（干燥窯+回轉窯+礦熱爐+轉爐）+精煉設備的工藝[3]。

隨著我國不銹鋼冶煉工藝的發展，先后經過了一步法、二步法以及三步法的發展過程。由于這三種方法精煉效果具有區別，需要根據實際情況選擇冶煉方法。如果需要生產一般品種的不銹鋼，可以使用一步法或者二步法不銹鋼冶煉工藝。如果對不銹鋼的要求較高，此時就需要使用三步法不銹鋼冶煉工藝。當前，我國對兩步法不銹鋼冶煉工藝使用最多，占到了70%。

2 對傳統不銹鋼冶煉技術的分析

2.1 傳統不銹鋼冶煉方法

上文中已經提到，我國傳統不銹鋼的冶煉工藝分為三步法，其中第一步需要應用電爐熔煉廢鋼等方式，再對這些材料進行進一步精煉從而生產出不銹鋼。一步法生產工藝有著冶煉周期長、生產效率低的缺點，并且生產成本居高不下，廢鋼質量不能保證，一步法在當前不銹鋼工業化生產中已經很少使用。

第二步則將電爐當作初練爐，將初練剛睡定為廢鋼、其他合金材料等，通過加入初練鋼水到精煉爐中進行精煉的方式，從而冶煉出質量合格的不銹鋼水。其中既可以使用電爐作為不銹鋼冶煉的初煉爐，也能使用轉爐作為初煉爐，通常如果廢鋼為不銹鋼冶煉的主要材料可以使用電爐，如果將高爐鐵水作為金屬材料可以使用轉爐。

三步法不銹鋼冶煉工藝是在二步法上發展而來的，主要是在二步法的基礎上加設了真空吹氧精煉爐，即使用的是初煉爐-AOD爐-真空吹氧精煉爐冶煉工藝，該方法需要增加真空吹氧精煉爐的應用，從而進行超低碳和超低氮生產。

2.2 傳統不銹鋼工藝中的缺陷

當前，我國使用較多的不銹鋼冶煉工藝為二步法和三步法，占到了我國不銹鋼產量的百分之九十之多，但是傳統的不銹鋼冶煉技術使用的鉻鎳合金通常為市面上出售或者自行生產的冷態鑄錠，這就需要為鉻鎳合金冶煉配置相應的合金融化設施，這種方式不僅大大增加了對生產設備的投資，耗電量居高不下，同時在進行鉻鎳合金冶煉、鑄錠、再融化等階段的過程中存在著嚴重的能源浪費現象。中間生產過程所消耗的成本都想轉移到不銹鋼中，使不銹鋼生產企業在競爭愈加激烈的今天更加艱難，傳統的不銹鋼冶煉工藝已經無法滿足當前企業發展，急需加大對節能型不銹鋼冶煉工藝設計的研究力度，下面將對一種新型的節能不銹鋼冶煉工藝進行簡要的分析。

3 節能型不銹鋼冶煉工藝設計

3.1 節能型不銹鋼冶煉工藝概況

本文所研究的節能型不銹鋼冶煉工藝從礦到成品的整個過程，以及中間生產中的各個環節都完成最低化消耗能源，最低化應用成本的目標，本文將300系不銹鋼的冶煉作為研究案例，通過使用鉻礦和紅土鎳礦，將其作為原始的冶煉材料，分別對兩種材料進行冶煉，進而生產出鉻鐵水與鎳鐵水，再將二者通過相應的配比直接熱裝到AOD冶煉爐中，從而冶煉出質量合格的不銹鋼液，同時也能加設真空吹氧精煉。

3.2 節能型不銹鋼冶煉工藝流程

本節能型不銹鋼冶煉工藝的冶煉流程圖見下圖1。其中鉻鐵水的冶煉主要以鉻礦粉為生產原料，并且粉礦較塊礦價格低廉，儲量極為豐富。在使用本工藝進行不銹鋼冶煉的過程中粉礦需要先潤磨與造球，才能入爐生球。得到的生球再通過皮帶傳送進入到豎爐中，經過焙燒后的生球成為熟球，熟球再同焦炭、硅石等材料進入到熱料罐內處理，熱料罐經過料車送到礦熱爐車間，經由加料天車送入到熱爐料倉內，最終實現熱裝。在進行連續冶煉以后，礦熱爐固定時間出鐵，鐵水在出軌小車軌道上進行運輸，才能完成冶煉。

圖1 節能型不銹鋼冶煉工藝流程圖

圖中的鎳鐵水冶煉需要生產原料為紅十鎳礦，這是一種非結晶類的礦物，含有較多的水分，含水率達到了30%上下。要確定滿足密閉礦熱爐冶煉的相關要求，還要對原材料作脫水的處理工作，將完成脫水后的原材料送回到轉窯當中，焙燒混合料并經過還原處理后再將其送到熱料罐中，冶煉成為鐵水再熱兌。將這些原料放入車間后，通過加料天車兌入AOD，最后得到不銹鋼液，將其吊到大包回轉臺處理，形成鑄壞。

3.3 節能型不銹鋼冶煉工藝設備選取

本文以年產量為七十噸的t300系不銹鋼為例子，需要配備一條年產量為24萬噸的高碳鉻鐵生產線和年產量為45萬噸的鎳鐵生產線，需要兩臺70噸AOD與一臺板壞連鑄機的配置。

3.3.1 對鉻鐵水冶煉的分析

鉻鐵水冶煉需要使用鉻礦粉造球和礦熱爐冶煉兩個系統，這個冶煉過程包括：鉻礦粉配料、潤磨、造球、篩分、豎爐焙燒、礦熱爐冶煉。在冶煉的過程中為了保證造球和冶煉高碳鉻鐵符合相應標準，對鉻礦粉的選擇要保證其粒度1mm以下＞80%，最大粒度2 mm，水分不超過8%，此外，其它的要求見下表1。

表1 鉻粉礦技術要求

（1）要確保較好的成球效果，就要對潤磨機有一定的要求，同時減少膨潤土用量，加設潤磨機，分別為兩臺MR3562潤磨機，單臺產量約60 L／h。

（2）對造球機的要求。選用4臺的圓盤造球機，單臺產量約40t/h，成品球含水量約12%。

（3）礦熱爐不要求較高的球團強度，因此不會設高爐高，可選用4臺圓形豎爐，單臺產量約25t/h。

3.3.2 對鎳鐵水冶煉的分析

鎳鐵水冶煉中使用的主要工藝有紅土鎳礦的干燥、焙燒預還原及礦熱爐冶煉。

（1）對干燥窯的要求。紅土鎳礦到廠后，要經過自然晾曬后才能進入干燥系統，按紅土鎳礦含水35%和干燥產物物理含水10%計算，選用8臺的圓筒干燥機。

（2）對回轉窯的要求。進行了干燥處理的紅土鎳礦以及焦炭、生石灰等材料，應用皮帶作用將其放置在回轉窯進行焙燒、預還原。選用8臺45MVA回轉窯，可滿足生產需求。

4 結束語

綜上所述，與傳統不銹鋼冶煉工藝比較，本文上述所剖析的冶煉工藝無論是在冶煉技術上，還是在生產成本中都有了極大的進步。

第一，本工藝使用了從礦到成品的聯合冶煉的方式，去除了其中的中間環節，對于冶煉成本控制有了巨大的好處，有效降低了不銹鋼冶煉成本。

第二，該工藝還應用了先進的鉻、鎳鐵水冶煉工藝并將兩者結合，冶煉過程中應用的所有物料均要熱裝到礦熱爐進行冶煉后，才能大大降低了冶煉所消耗的能源。

這種節能型的不銹鋼冶煉工藝有了巨大的進步，對于企業今后的發展提供了便利，并且還需要進一步加大對本工藝的完善與改進。