鎳鐵水為主原料的300系列不銹鋼初煉工藝技術分析

李 沖

（響水恒生不銹鋼有限公司，江蘇 鹽城 224631）

不銹鋼類型較多，其中含有鉻、鉬與鎳等重金屬元素，在冶煉期間原料結構較為復雜，流程較長，生產(chǎn)成本較高。近年來，資源短缺成為全球性問題，隨著資源供需矛盾的進一步激化，為了節(jié)約更多不銹鋼冶煉成本，開始以鎳鐵水為原料，用紅土鎳礦替代價格較高的鉻、鎳合金等進行冶煉300系列不銹鋼，現(xiàn)已在國內(nèi)廣泛應用，占不銹鋼總產(chǎn)量的60%，使資源短缺問題得到一定緩解。

1 鎳鐵水成分與煉鋼工序特點

1.1 成分特點

鎳鐵水主要由Si、P和S構成，上述元素含量對后續(xù)不銹鋼路線選擇具有決定性作用。在以鎳鐵水為原料的生產(chǎn)工藝中，該原料源于小高爐與礦熱爐中的紅土鎳礦，將其稱為粗鎳鐵水。其中，前者主要生產(chǎn)低鎳粗鎳鐵水，鎳品位約為1.5%，后者用于生產(chǎn)高鎳粗鎳鐵水，品位約為10%。根據(jù)鐵水成分可知，在粗鎳鐵水中Si含量相對較高，可使后期冶煉時間得以縮短，且冶煉操作更加穩(wěn)定。為達到目標成分，還需要將粗鎳鐵水中的硅脫離出來，例如，在生產(chǎn)磷含量、硫含量較低的不銹鋼產(chǎn)品時，需要對鐵水中S、P含量進行脫除。站在工藝配置的立場上看，應帶有鎳鐵水的精煉設施。在以往的不銹鋼生產(chǎn)中，主要原料為固態(tài)冷，但當前以鎳鐵水為原料進行冶煉的方式，可將該原料的物理熱充分發(fā)揮出來，有效減少能量損失。

1.2 煉鋼工序特點

根據(jù)上文研究可知，鎳鐵水中的P、S與Si含量較高。在不銹鋼冶煉期間，應先對其進行磷和碳的脫離，幫助AOD冶煉減輕負擔。對此，配置LD轉(zhuǎn)爐完成冶煉目標。以300系不銹鋼為例，利用轉(zhuǎn)爐進行脫硅與脫碳處理。轉(zhuǎn)爐的主要原料為鎳生鐵、鎳鐵水，為避免鎳鐵水中鎳含量的稀釋，結合冶煉鋼種的相關要求，將適當量的低鎳生鐵加入其中。在冶煉期間吹氧進行碳與硅的脫離，再加入石灰造渣，將渣體堿度控制在1.2左右，融入石灰石后調(diào)整溫度，并在終點位置利用高碳出鋼，使后續(xù)熱量需求得到切實保障。此外，在轉(zhuǎn)爐出鍋之前還應將熔化母液兌入其中，在強烈的底吹攪拌下，促進高碳鉻鐵內(nèi)Si含量提升，使轉(zhuǎn)爐內(nèi)富鉻渣得以還原[1]。

2 以鎳鐵水為原料的煉鋼工藝流程

2.1 鐵水預處理

高爐生產(chǎn)出的鎳鐵水中硅含量通常較高，如若直接倒入堿性爐襯AOD爐內(nèi)很容易形成大量酸性渣，使爐襯受到侵蝕，由此縮短爐齡，在無形中增加生產(chǎn)成本。在冶金熱力學原理引導下，在脫磷之前先要進行脫硅處理，應將硅質(zhì)量分數(shù)降低到0.2%以內(nèi)，由此營造良好的脫磷環(huán)境。在實際應用中，為保護AOD爐襯不受損壞，節(jié)約成本投入，可在投入到堿性AOD爐內(nèi)之前，先對鎳鐵水進行預處理，將磷與硅脫離出來。該項技術的操作要求如下：

（1）因AOD爐內(nèi)脫磷熱力學條件不充分，導致鋼水中磷元素脫離難度增加，且一旦操作不當很容易縮短爐襯使用壽命。對此，應對投入到爐內(nèi)的不銹鋼母液質(zhì)量嚴格要求，務必滿足鋼水終點成分中磷含量的要求，使300系列成品中磷含量控制在0.035%以內(nèi)。

（2）對多種冶煉鋼種提供恰當?shù)某鯚捘敢?，要求成分與溫度均為最佳，可確保后續(xù)AOD精煉工序中熱量充足，使鉻鐵合金料需求得到滿足。

（3）在預處理期間，各項操作應與后期精煉工序相符合，可動態(tài)調(diào)整母液成分與成品產(chǎn)量，充分符合生產(chǎn)變化。

2.2 核心技術

該工藝的核心在于預處理轉(zhuǎn)爐的應用，包括兩方面內(nèi)容，一是轉(zhuǎn)爐爐型選擇，包括修路方式、耐火材料等等，二是相關工藝參數(shù)，如底吹參數(shù)、供養(yǎng)制度以及原料加料制度等等，具體如下。

（1）轉(zhuǎn)爐結構。采用頂?shù)讖痛凳睫D(zhuǎn)爐，爐容比為0.97:0.6，復吹式吹煉可為脫硅操作提供良好的環(huán)境，促進硅分離效率提升，還可使熔池攪拌速度更強，加速鋼-渣界面的反應效率，使吹煉反應保持穩(wěn)定。在出鋼口位置出鋼，爐座與本體可相互分離，并配備兩個備用爐殼。當爐襯無法繼續(xù)使用后，可將其剔除，更換新的爐殼，由此節(jié)約以往轉(zhuǎn)爐修復時間，促進工藝運行效率提升。爐襯中的耐火材料為堿性，工作層中用鎂碳磚，永久層采用鎂磚，堿性爐襯與惰性氣體一同配合工作，在預處理工序中實現(xiàn)脫磷目標。轉(zhuǎn)爐利用氧槍噴渣工藝，可有效延長爐襯應用時長，使其超過1000爐。在爐殼上帶有U型脫圈，可用于爐殼更換，將螺栓與U型脫圈相連接，在替換爐殼過程中將螺栓拆卸開來，便可將爐殼運走，再利用起重機將爐殼運輸?shù)骄S修區(qū)。轉(zhuǎn)爐傾動裝置采用全懸掛形式，此類裝置的質(zhì)量較輕、結構較為緊湊、安全性較強，且占地面積較小[2]。

（2）工藝參數(shù)。在轉(zhuǎn)爐吹煉開始后，鎳鐵水中的裝入量為轉(zhuǎn)爐出鋼量均值的65%~70%之間，可為硅脫離操作提供充足的反應空間，當鐵水內(nèi)硅含量降低到規(guī)定界限后，可根據(jù)冶煉產(chǎn)品的相關規(guī)定，將部分廢鋼與合金料添加到轉(zhuǎn)爐內(nèi)，將中頻爐熔化后加入合金料，當廢鋼與剩余合金料都冷卻完畢后，對轉(zhuǎn)爐溫度進行調(diào)節(jié)，為后期磷脫離操作營造更加便利的環(huán)境，當添加量為轉(zhuǎn)爐出鋼量均值的30%~35%后，再開展脫磷、脫硅操作。頂?shù)撞捎密洿捣绞?，吹煉氧氣壓力范圍?.8MPa~1.2MPa之間，吹氧流量值為210m3/min，氮氣壓力值為1.0MPa，流量值為20m3/min，供氣強度可變換范圍在0.018m3/（t·min）~0.18m3/（t·min）之間。

2.3 工藝內(nèi)容

2.3.1 鎳鐵合金熱力學性質(zhì)

鐵硅鐵合金屬于新產(chǎn)品之一，主要作用在于鉻礦熔融硅熱法對母液中原料進行冶煉。結合鋼液碳含量相關要求，對溶體內(nèi)溶解度的影響進行分析，確保冶煉產(chǎn)品主元素成分要求得到滿足。根據(jù)溶體中硅與碳含量間的關系曲線可知，不同合金體系中硅含量與碳析出效果具有較大影響，這與SiC中組合元素不同息息相關。根據(jù)初步試驗探究結果可知，如若鎳鐵內(nèi)硅含量超過10%，則碳含量便會滿足不銹鋼中鋼水成分規(guī)定。針對不同的Ni/Fe來說，與多種溫度條件相比，溶體內(nèi)硅含量與溶解度間的影響規(guī)律相關，需要對SiC的熱力條件展開深入探究。

2.3.2 “乳化”與“分相”行為探究

在還原反應期間，鎳硅鐵合金溶體中的脫硅速率不斷增加，對成品生產(chǎn)速度具有決定作用。為節(jié)約鉻損失率，促進硅利用率提升，在鐵合金生產(chǎn)期間通常開展“逆流操作”，分成初脫硅與終脫硅兩個階段，前者是高硅溶體與Cr之間產(chǎn)生的液—液反應；后者是對沒有充分熔化的鉻與溶體之間開展固—液反應。值得強調(diào)的是，在不同工藝中，硅熱還原在速度限制方面有所區(qū)別，應采用新的思路與方式創(chuàng)建熱冶金反應模型，使冶煉操作更加科學高效。在不銹鋼母液生產(chǎn)中，優(yōu)先選用搖包作為反應器。在兩液相面無反應的情況下，搖包的應用有助于二相界面之間的傳質(zhì)量。但從其他方向來看，界面?zhèn)髻|(zhì)期間可能引發(fā)馬拉哥尼效應，這對兩相混勻產(chǎn)生較大影響，強化傳質(zhì)過程。對此，在搖包反應器應用中，針對“乳化”與“分相”行為進行探究不但可強化冶金反應，還可有效規(guī)避鋼—渣夾帶造成的損失。

2.3.3 溶體沉淀脫磷、脫磷渣的選擇

在不銹鋼產(chǎn)品中，磷屬于有害雜質(zhì)之一，鋼水還原脫磷技術雖然較多，但均未在工業(yè)領域得到廣泛應用。主要是因不銹鋼水成分與冶煉工藝不符合還原脫磷的條件。與之相反，在鐵合金生產(chǎn)期間應用工業(yè)化技術，特別是在Mn系、Cr系鐵合金來說，在合金內(nèi)硅含量較高的情況下，脫磷效果將更加顯著。以300系列不銹鋼為原料的溶體，站在理論角度來看，還原脫磷工藝較為適用。對于鐵合金還原脫磷技術來說，將還原脫磷變成沉淀脫磷效果更佳。一般情況下，可將溶體內(nèi)的磷看成是CaSi合金反應的產(chǎn)物。但與高硅相比仍與熱力學條件相反，反應公式如下：

鎳鐵合金內(nèi)硅含量與脫磷效果具有直接影響。在硅含量不斷提升的情況下，脫磷率會發(fā)生較大改變。究其原因，在Ca-Si-P體系內(nèi)產(chǎn)生許多復雜磷化合物，需要通過深入探究的方式，明確沉淀脫磷產(chǎn)物對溶體反應產(chǎn)生的影響。同時，與煉鋼過程中產(chǎn)生的沉淀脫氧相似，脫磷產(chǎn)物也需要頂渣吸收，并嚴格控制磷容量中的頂渣成分，達到最佳脫磷效果[3]。

3 以鎳鐵水為原料的煉鋼成果

在冶煉后期無需吹氧，通過強烈底吹N2攪拌熔池，依靠高碳鉻鐵水內(nèi)的Si元素還原渣內(nèi)的Cr2O3，通過充分攪拌，渣中雜質(zhì)小于3%時擋渣出半鋼，內(nèi)部Cr元素收得率大于97%。在煉鋼工藝應用后，不銹鋼母液與“二步法”電弧爐相比，母液成分大致相同，且不會對AOD爐的精煉產(chǎn)生額外負擔，還可縮短冶煉周期，由此可節(jié)約更多冶煉工序成本。再將半鋼倒入精煉轉(zhuǎn)爐后，使不銹鋼得到充分冶煉，最后將母液吹煉脫碳獲得成品，為不銹鋼冶煉工藝提供充足的技術支持?，F(xiàn)階段，針對300系列不銹鋼冶煉情況，將鎳生鐵作為主要原料，要求將磷的質(zhì)量分數(shù)控制在0.06%~0.15%之間，但電弧脫磷率一般在50%左右，操作不夠穩(wěn)定，冶煉周期隨之延長，與正常相比超出30%，且磷含量較高，低鎳生鐵無法大規(guī)模應用。該項目所用的熱態(tài)鎳鐵水可有效替代傳統(tǒng)的冷態(tài)加工方式，不但使母液成分能夠充分滿足后續(xù)精煉要求，還可利用轉(zhuǎn)爐為脫硅提供更加充足的反應空間，最大限度的避免噴濺情況產(chǎn)生，使傳統(tǒng)脫硅、脫磷等動力學條件得到充分滿足。

在經(jīng)濟效益方面，對兩種典型原料在冶煉條件相同情況下，在生產(chǎn)不銹鋼時的成本投入情況進行對比，包括冶煉工序費用與原料成本。兩種原料分別為紅土礦鎳鐵水與全冷料。根據(jù)生產(chǎn)成本對比可知，紅土礦鎳鐵水的原料價格為10700~11300元，配料成本均值為11000元，冶煉操作成本為500~600元之間，共計11550元左右；全冷料的主材與配料成本為11895元，冶煉操作成本為561元，共計12456元?？梢姡罢吲c后者相比更具成本優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在電力消耗方面，只有中頻爐熔化部分合金料，無法電弧爐冶煉，因此在成本方面具有較大優(yōu)勢，可取得更加理想的經(jīng)濟效益。

4 結論

綜上所述，根據(jù)當前不銹鋼產(chǎn)品結構可知，國內(nèi)300系列不銹鋼的產(chǎn)量占總量的60%。在資源日益匱乏的當代，應不斷探索新的冶煉原料，將高品位紅土鎳礦引入其中，與傳統(tǒng)全冷料相比在成本方面更具優(yōu)勢，可在很大程度上滿足國內(nèi)對鎳的需求。在工藝流程中采用轉(zhuǎn)爐先行脫硅、脫碳，并根據(jù)流程能量平衡原則，在熔化部分合金后再倒入AOD爐中，由此達到鋼水成分目標，有效緩解鎳鐵資源的匱乏情況，依靠節(jié)能減排的新工藝與新技術，引導鐵合金行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。