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不銹鋼的幾種冶煉方法介紹

不銹鋼是鉻含量為10％～30％的合金鋼，鉻是主要的耐蝕成分。不銹鋼具有漂亮的外觀，閃閃發光，經久耐用。通過改變鉻的含量，并添加其他合金元素，諸如鎳、鉬、錳、銅、鈦、鈮等等，即可形成奧氏體、鐵素體、馬氏體、雙相和沉淀硬化不銹鋼，并具有不同的顯微組織、物理、化學和力學性能，以適應特殊的應用要求。
    上世紀50年代，采用電爐“一步法”生產不銹鋼，包括冶煉、脫氧、合金化、吹氧脫碳等。這種方法的生產率不高。此后，又采用了BOF、電爐冶煉、鋼包處理。
    上世紀60年代，通過提高溫度和降低一氧化碳分壓來提高鉻的收得率，從而開發了精煉工藝，諸如AOD(氬氧脫碳)，采用電爐冶煉，提高了不銹鋼生產的經濟性。
    當今，68．7％的不銹鋼是采用AOD轉爐生產的，19．5％是通過BOF轉爐－VOD(真空吹氧脫碳)、6．8％是通過VOD、5％是采用轉爐生產的，即所謂“二步法”和“三步法”。
    1．AOD精煉法
    AOD是一種轉爐，通過轉爐側面的風口噴吹氧氣、氮氣、氬氣、空氣和二氧化碳氣，并從爐頂氧槍噴吹氧氣、氬氣和氮氣。這種方法可以利用大量的廢鋼和高碳鉻鐵。初始碳含量為3％，冶煉后可降至0．015％。經電爐冶煉的鋼水通過鋼包送入AOD爐，向熔池噴吹氧氣和氬氣，降低碳含量，增加鉻的氧化。為了確保快速脫碳，降低鉻損，節省氬氣，吹煉初期應采用低的氬氧比。隨著碳含量的降低，提高氬氧比。添加氧化物(如硅鐵)、熔劑(如石灰和螢石)，通過加強吹氬攪拌，將氧化鉻轉化為金屬，以生產低硫不銹鋼。如生產AISI304，典型的消耗量是：氬氣約12Nm3／t鋼，氮氣約10Nm3／t鋼，氧氣約＞6Nm3／t鋼，石灰約5kg／t鋼，晶石約3kg／t鋼，鋁約2kg／t鋼，還原用硅約8kg／t鋼，脫碳金屬料約135kg／t，從裝料到出鋼的時間通常為60min左右。采用AOD法，鉻的收得率約為96％，錳為88％，總的金屬收得率為95％。
    2．KAWASAKI－BOP和KAWASAKI－OBM－S法
    KAWASAKI－BOP轉爐類似于從爐頂氧槍吹氧的BOF氧氣轉爐，有7個可以吹氧的底部風口，用丙烷氣冷卻風口(氣體裂化)。通過轉爐的風口還可噴吹石灰粉。
    Kawasaki－OBM－S轉爐是由奧鋼聯開發的，是BOP法的發展，風口安裝于轉爐的側面或底部，還裝有頂部氧槍。頂部氣體采用氧氣、氮氣和氬氣，通過底部風口噴吹氧氣、氮氣、氬氣和烴類氣體。天然氣和丙烷用于風口保護和提高耐火材料的壽命。用這種轉爐精煉AISI304，典型消耗量是：氧氣29Nm3／t鋼，氮氣約為13Nm3／t鋼，氬氣約為16．5Nm3／t鋼，用于還原的硅約為11kg／t鋼，石灰約為50kg／t鋼，白云石20kg／t鋼，螢石約為8kg／t鋼。
    3．CREUSOTLOIREUDDEHOLM(CLU)法
    這種轉爐法采用蒸汽作為稀釋氣體，而不是通常所用的氬氣。此工藝是由瑞典的Uddeholm和法國的CreusotLoire共同開發的。這種轉爐從底部吹氧氣、蒸汽、氮氣和氬氣，同時，從爐頂吹氧氣、氮氣和氬氣。脫碳時，開始吹氧氣－蒸汽混合氣體。由于蒸汽和熔融金屬的吸熱反應而且鉻損較AOD法大得多，因此，該工藝的效率較低。采用這種轉爐，耗氬量降低，但耗硅量卻很高，而且鋼中氫含量增加。目前的趨勢是用更多的氬氣來取代蒸汽，以提高這種轉爐的效率。
    用這種轉爐生產AISI304，耗氧量約為2Nm3／t鋼，氮氣約為13．5Nm3／t鋼，蒸氣為10．4Nm3／t鋼，氬氣為7Nm3／t鋼，還原用硅約為15．5kg／t鋼，氫含量為5．9×10－6。
    4．金屬精煉法(MRP)
    這種轉爐是由曼內斯曼•德馬克開發的，該工藝包括含鉻、鎳熔融金屬的裝料，采用氧和惰性氣體脫碳。通過轉爐底部的風KJ替地吹氣，氧氣未經惰性氣體稀釋，只是吹氧后再吹惰性氣體，降低一氧化碳分壓，加快脫碳率，提高鉻的收得率，降低耗硅量和渣中的氧化鉻。MRP－L轉爐是一種改進型，氧氣從爐頂吹入，惰性氣體從轉爐底部的多孔塞吹入并可取代底部風口。該工藝可采用比AOD法更高的噴吹率，而且風口侵蝕少。在轉爐中的熔融金屬的中間碳達到一定水平后，轉入脫碳。
    5．克虜伯復合吹煉法(KCB－S)
    該工藝由克虜伯開發，是BOF轉爐的改進型，通過氧槍和轉爐側壁的風口進行復合吹煉，同時，導入工藝氣體以提高脫碳率。與AOD法相比，冶煉305鋼的冶煉時間縮短。吹煉開始時，同時從爐頂氧槍和側壁風口吹純氧，吹氧達到一定溫度后，加入鐵合金和廢鋼。碳含量達到臨界值后降低工藝氣體的氧含量，加入惰性氣體，如氮氣或氬氣，比例為4∶1，2∶1，1∶1，1∶2和1∶4，逐漸降低碳含量。碳含量達到0．15％時，中斷氧槍，只從風口導入工藝氣體。達到目標碳含量時，加硅以降低渣中的氧化鉻，加石灰和熔劑，降低溶解氧含量，優化脫硫。
    6．氬氣二次精煉法(ASM)
    該工藝由德國MANGHH開發，風口位于轉爐的底部，吹氧氣、氮氣和氬氣。這種轉爐是在配有爐頂氧槍的ASM－L轉爐的基礎上稍加改進而成。
    7．住友頂底復吹法(STB)
    該工藝是被住友金屬工業公司概念化的工藝。該工藝克服了單從頂部或單從底部吹氣的困難，將二者結合起來，有助于降低風口的侵蝕，通過爐頂氧槍加大富氧氣體的吹量，提高了脫碳率，縮短了脫碳時間。
    8．頂底復吹氬法(TMBI)
    該工藝為AlleghenyLedlum公司所采用，類似于BOF轉爐，底部裝有風口，吹入惰性氣體，為氬氣或氮氣。吹煉初始，先從爐頂吹入混合氣體，作為中間轉爐，加鉻以后再轉入另一座轉爐。該工藝主要用于生產鐵素體不銹鋼。
    9．RUHRSTAHL－HEREUSOB法
    該工藝由新日本鋼鐵公司開發，高爐鐵水直接送入BOF爐，進行鉻合金化和吹煉，在不銹鋼二次精煉爐RH－OB中進行終脫碳，直至碳含量降至0．5％～0．6％。
    10．AOD／VCR法
    大同鋼公司和新日本鋼鐵公司進行試驗，應用轉爐上方真空的概念，縮短脫碳時間，減少鉻的氧化，并將氬氣消耗量降至低。在AOD爐中將碳含量降至0．085％～0．10％，取樣、用真空蓋定位，進行脫碳，加硅，還原氧化鉻。該工藝降低了氬氣和硅的消耗量，在送進AOD爐前，在鋼包內先行脫硫。該工藝的問題是耐火材料消耗量較高，不能熔煉廢鋼，維護成本較高。
    11．真空吹氧脫碳法(VOD)
    該工藝是生產不銹鋼合適的真空法之一，被認為是生產低碳、低氮、低氬不銹鋼的有效方法。鋼包中的鋼水經過處理，碳含量降至1％左右。該工藝從真空度為100～250torr(1torr＝133．322Pa)的爐頂氧槍吹氧，硅首先被氧化，接著是碳被氧化。在熔池達到一定溫度和硅含量時，一氧化碳開始生成，脫碳開始。監測CO∶CO2值，熔池碳含量達到0．08％時，該比值快速升高。此后，脫碳率下降，與氧氣流速無關。停止吹氧，轉爐壓力降低，吹氬攪拌，以加強溶解氧和殘余碳的反應。加鋁、還原硅，同時，加石灰和螢石以更有效地脫硫。
    12．精煉法的選擇
    精煉法的選擇取決于投資費用、運行成本、原料、物流、下游設備的利用以及所生產不銹鋼的種類。在此基礎上，精煉法可分為二步法或三步法。廢鋼成本高，則利用高碳鉻鐵，提高脫碳率；碳鋼廢鋼用作冷卻劑。鐵合金或不銹鋼廢鋼太貴的地方可代之以鉻礦石。氬氣成本高，可采用真空法，并安裝鋼包爐。