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材料冶金
传统不锈钢冶炼技术的不足与节能型改造
2020-06-27136

摘要:近些年随着我国经济不断发展,生产建设也取得了极大的进步,这就造成对不锈钢的需求逐年增加。钢铁企业在保证不锈钢产量供应的过程中,既要保证正常生产,也要不断追求节能高效发展,对传统的不锈钢冶炼工艺进行改进,研究更加节能、高效的不锈钢冶炼工艺。本文对传统的不锈钢冶炼工艺进行了简要的阐述,分析了其中的缺陷,同时探讨了节能型不锈钢冶炼工艺,希望能够为不锈钢节能生产研究做出贡献。

关键词:红土镍矿;铬粉矿;矿热炉;不锈钢;节能生产;

早在上世纪末,我国就开始了对不锈钢冶炼工艺的发展,到今天已经将近三十年了,在发展的过程中我国不锈钢冶炼工艺得到了极大的发展。尤其是在近些年,我国的不锈钢产业极大发展,年均产量增速超过了30%,我国粗钢产量已经达到世界一半的产量值,而对应的生产企业也从原来的上钢、大钢发展到更多兴起新秀百花齐放的局面。随着我国钢铁产业空间发展,不锈钢产能也不断增加,但市场需求增速缓慢,这就导致了我国不锈钢行业面临着产能过剩的尴尬局面。企业竞争不断加剧,生产成本高、效率低的企业必将在激烈竞争中被淘汰,因此,这就需要钢铁生产企业加大对不锈钢节能冶炼工艺的研究力度,改进传统的不锈钢冶炼方法,追求节能、高产量的生产工艺。本文所研究的节能型不锈钢冶炼工艺同传统不锈钢冶炼工艺相比,其在能源消耗和成本控制上都有着巨大的优势,为不锈钢节能生产发展提供了新的方向[1]。

不锈钢同其它钢铁材料相比在大气、酸、盐等具有腐蚀性介质中有着较好的化学稳定性,被广泛地应用在各个生产领域中。我国对不锈钢生产的研究起步较晚,在2000年才结束了不锈钢产量长期维持30万吨等状态,随后得到极大的发展,不锈钢已经成为了世界前列,占全球不锈钢产量的一半还多,到2020年我国不锈钢的产量将超过三千万吨。随着我国不锈钢产量不断增加,如果对冶炼工艺进行优化,从而研究出新型的节能不锈钢冶炼工艺,提升钢铁企业的核心竞争力变得尤为重要[2]。

1 不锈钢冶炼技术的发展历程

1.1 不锈钢冶炼技术演变

在上个世纪初,英国学者谢菲尔德冶炼出了第一炉商品级的不锈钢,从此不锈钢就进入了人们的生活。随着不锈钢冶炼技术继续发展,到了上世纪40年代,美国人希尔蒂继续对Cr-C温度平衡进行研究,从而发展出了在高温条件下脱碳保铬理论,为不锈钢冶炼技术理论奠定了夯实的基础,在这个基础上开始了降低液化碳的分压对生产不锈钢生产物化反应造成影响的研究,进一步推动了不锈钢冶炼技术的发展。到上世纪60年代,德国的威腾公司研制出了真空法(VOD),美国的联合碳化物公司研究出了稀释法(AOD),这两种方法都极大减少了不锈钢冶炼所耗成本,提升了不锈钢的产量和效率,推动了不锈钢的大规模生产。

1.2 我国的不锈钢冶炼工艺设备

在进行不锈钢冶炼的过程中对工艺的选择同钢材种类和原材料有着密切联系,其中原材料包括废钢、铬矿石、镍矿等材料。不锈钢冶炼使用的设备包括初炼设备和精炼设备,其中初炼设备是指电弧炉、非真空感应炉等设备,精炼设备主要有:钢包型精炼设备、转炉型精炼设备等设备。

通常,如果选用的不锈钢冶炼材料如果为废钢,初炼设备就需要使用电弧炉加精炼设备,这种方式属于短流程工艺;如果选用的不锈钢冶炼材料为铁水,初炼设备就使用转炉加精炼设备;如果原料为废钢加铁水,初炼设备就需要使用(电弧炉+转炉)+精炼设备的工艺;如果选用红土镍矿作为不锈钢冶炼原料,初炼设备应该使用(干燥窑+回转窑+矿热炉+转炉)+精炼设备的工艺[3]。

随着我国不锈钢冶炼工艺的发展,先后经过了一步法、二步法以及三步法的发展过程。由于这三种方法精炼效果具有区别,需要根据实际情况选择冶炼方法。如果需要生产一般品种的不锈钢,可以使用一步法或者二步法不锈钢冶炼工艺。如果对不锈钢的要求较高,此时就需要使用三步法不锈钢冶炼工艺。当前,我国对两步法不锈钢冶炼工艺使用最多,占到了70%。

2 对传统不锈钢冶炼技术的分析

2.1 传统不锈钢冶炼方法

上文中已经提到,我国传统不锈钢的冶炼工艺分为三步法,其中第一步需要应用电炉熔炼废钢等方式,再对这些材料进行进一步精炼从而生产出不锈钢。一步法生产工艺有着冶炼周期长、生产效率低的缺点,并且生产成本居高不下,废钢质量不能保证,一步法在当前不锈钢工业化生产中已经很少使用。

第二步则将电炉当作初练炉,将初练刚睡定为废钢、其他合金材料等,通过加入初练钢水到精炼炉中进行精炼的方式,从而冶炼出质量合格的不锈钢水。其中既可以使用电炉作为不锈钢冶炼的初炼炉,也能使用转炉作为初炼炉,通常如果废钢为不锈钢冶炼的主要材料可以使用电炉,如果将高炉铁水作为金属材料可以使用转炉。

三步法不锈钢冶炼工艺是在二步法上发展而来的,主要是在二步法的基础上加设了真空吹氧精炼炉,即使用的是初炼炉-AOD炉-真空吹氧精炼炉冶炼工艺,该方法需要增加真空吹氧精炼炉的应用,从而进行超低碳和超低氮生产。

2.2 传统不锈钢工艺中的缺陷

当前,我国使用较多的不锈钢冶炼工艺为二步法和三步法,占到了我国不锈钢产量的百分之九十之多,但是传统的不锈钢冶炼技术使用的铬镍合金通常为市面上出售或者自行生产的冷态铸锭,这就需要为铬镍合金冶炼配置相应的合金融化设施,这种方式不仅大大增加了对生产设备的投资,耗电量居高不下,同时在进行铬镍合金冶炼、铸锭、再融化等阶段的过程中存在着严重的能源浪费现象。中间生产过程所消耗的成本都想转移到不锈钢中,使不锈钢生产企业在竞争愈加激烈的今天更加艰难,传统的不锈钢冶炼工艺已经无法满足当前企业发展,急需加大对节能型不锈钢冶炼工艺设计的研究力度,下面将对一种新型的节能不锈钢冶炼工艺进行简要的分析。

3 节能型不锈钢冶炼工艺设计

3.1 节能型不锈钢冶炼工艺概况

本文所研究的节能型不锈钢冶炼工艺从矿到成品的整个过程,以及中间生产中的各个环节都完成最低化消耗能源,最低化应用成本的目标,本文将300系不锈钢的冶炼作为研究案例,通过使用铬矿和红土镍矿,将其作为原始的冶炼材料,分别对两种材料进行冶炼,进而生产出铬铁水与镍铁水,再将二者通过相应的配比直接热装到AOD冶炼炉中,从而冶炼出质量合格的不锈钢液,同时也能加设真空吹氧精炼。

3.2 节能型不锈钢冶炼工艺流程

本节能型不锈钢冶炼工艺的冶炼流程图见下图1。其中铬铁水的冶炼主要以铬矿粉为生产原料,并且粉矿较块矿价格低廉,储量极为丰富。在使用本工艺进行不锈钢冶炼的过程中粉矿需要先润磨与造球,才能入炉生球。得到的生球再通过皮带传送进入到竖炉中,经过焙烧后的生球成为熟球,熟球再同焦炭、硅石等材料进入到热料罐内处理,热料罐经过料车送到矿热炉车间,经由加料天车送入到热炉料仓内,最终实现热装。在进行连续冶炼以后,矿热炉固定时间出铁,铁水在出轨小车轨道上进行运输,才能完成冶炼。

图1 节能型不锈钢冶炼工艺流程图

图中的镍铁水冶炼需要生产原料为红十镍矿,这是一种非结晶类的矿物,含有较多的水分,含水率达到了30%上下。要确定满足密闭矿热炉冶炼的相关要求,还要对原材料作脱水的处理工作,将完成脱水后的原材料送回到转窑当中,焙烧混合料并经过还原处理后再将其送到热料罐中,冶炼成为铁水再热兑。将这些原料放入车间后,通过加料天车兑入AOD,最后得到不锈钢液,将其吊到大包回转台处理,形成铸坏。

3.3 节能型不锈钢冶炼工艺设备选取

本文以年产量为七十吨的t300系不锈钢为例子,需要配备一条年产量为24万吨的高碳铬铁生产线和年产量为45万吨的镍铁生产线,需要两台70吨AOD与一台板坏连铸机的配置。

3.3.1 对铬铁水冶炼的分析

铬铁水冶炼需要使用铬矿粉造球和矿热炉冶炼两个系统,这个冶炼过程包括:铬矿粉配料、润磨、造球、筛分、竖炉焙烧、矿热炉冶炼。在冶炼的过程中为了保证造球和冶炼高碳铬铁符合相应标准,对铬矿粉的选择要保证其粒度1mm以下>80%,最大粒度2 mm,水分不超过8%,此外,其它的要求见下表1。

表1 铬粉矿技术要求

(1)要确保较好的成球效果,就要对润磨机有一定的要求,同时减少膨润土用量,加设润磨机,分别为两台MR3562润磨机,单台产量约60 L/h。

(2)对造球机的要求。选用4台的圆盘造球机,单台产量约40t/h,成品球含水量约12%。

(3)矿热炉不要求较高的球团强度,因此不会设高炉高,可选用4台圆形竖炉,单台产量约25t/h。

3.3.2 对镍铁水冶炼的分析

镍铁水冶炼中使用的主要工艺有红土镍矿的干燥、焙烧预还原及矿热炉冶炼。

(1)对干燥窑的要求。红土镍矿到厂后,要经过自然晾晒后才能进入干燥系统,按红土镍矿含水35%和干燥产物物理含水10%计算,选用8台的圆筒干燥机。

(2)对回转窑的要求。进行了干燥处理的红土镍矿以及焦炭、生石灰等材料,应用皮带作用将其放置在回转窑进行焙烧、预还原。选用8台45MVA回转窑,可满足生产需求。

4 结束语

综上所述,与传统不锈钢冶炼工艺比较,本文上述所剖析的冶炼工艺无论是在冶炼技术上,还是在生产成本中都有了极大的进步。

第一,本工艺使用了从矿到成品的联合冶炼的方式,去除了其中的中间环节,对于冶炼成本控制有了巨大的好处,有效降低了不锈钢冶炼成本。

第二,该工艺还应用了先进的铬、镍铁水冶炼工艺并将两者结合,冶炼过程中应用的所有物料均要热装到矿热炉进行冶炼后,才能大大降低了冶炼所消耗的能源。

这种节能型的不锈钢冶炼工艺有了巨大的进步,对于企业今后的发展提供了便利,并且还需要进一步加大对本工艺的完善与改进。

参考文献

[1]郝祥寿.不锈钢冶炼工艺设备和工艺路线的选择[J].安徽冶金,2005(01):16—20.

[2]王哲,袁守谦,邢曼华.矿热炉与AOD炉双联法冶炼不锈钢的设计[J].重型机械,20lO(04):38—41.

[3]王景涛.矿热炉冶炼镍铁的生产实践[J].重工与起重技术,2011,(04):9—10.

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