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不锈钢生产工艺


不锈钢生产工艺

不锈钢的一般制造工程如下:

区分 一般钢 不锈钢

原料 铁矿石

铁水 高炉

炼钢 LD AOD VOD

热轧 不需要 热轧退火

冷轧 TANDEM 压延 (连续压延)

SCRAP,Cr-合金

,Ni电炉 合金

热 轧 后 固 溶 化 Z-MILL 压延 热处理酸洗 (REVERSING(压延)

一、炼钢制造工程:

精练方法比较: 区分 精炼方式 脱碳阶段 生产性 适用范围 世界使用率 二、热轧: AOD 稀释气体脱碳法 100ppm 高 泛用 70% VOD 震动脱碳法 50ppm 低 高纯度钢,极低 C,N 钢 20%

热轧有两种方式:热连轧和可逆式轧制。 1) 热连轧:热连轧产品是以板坯(主要为连铸坯)为原料,经加热后由粗轧机组及精轧机 组轧制成带钢,从单一方向一次成型; 2) 可逆式轧制:热连轧产品是以板坯(主要为连铸坯)为原料,经加热后由粗轧机组及精 轧机组轧制成带钢,精轧机采用的是可逆式炸机,经过多次往复轧制成型,一般采用炉卷轧 机。 炉卷轧机关键在于卷取机和卷取热加热炉, 适用于产量要求不是那么高的板带生产线或 者特殊钢带生产线。 三、冷轧: 一般而言,用来生产不锈钢的冷轧机主要是采用二十辊轧机。因其具有良好的刚度,在生

产不锈钢过程中有广泛的应用。
AOD 精炼技术的发展

(1)脱碳工艺的改进

新日铁光制铁所当 w([C])≥0.7%时,在 60 t AOD 采用纯氧吹炼,温度>1 580℃时,w(Cr)20%, 首先氧化碳,当 w([C])≤0.7%,采用 O2;Ar(N2)连续变化方式脱碳,当 w([C])≤0.10%用纯氩吹炼, 用钢中余氧及渣中的 Cr2O3 进一步脱碳。 光制铁所采用这种方法,前期氧利用率与传统方法一致, 但脱碳速度得到提高,氧枪没有出现熔损加大问题,后期氧利用率 CRE 提高 6%,结果 FeSi 消耗降 低了 0.7 kg/t。

(2)深脱硫工艺按照传统的 AOD 操作,脱碳终了加入 FeSi 进行 Cr2O3 的还原操作,然后扒去 85% 以上的渣子再加入 CaO、 CaF2 及粉状 FeSi 或 CaSi 进行脱硫的精炼操作,这样对成本、 精炼时间、 操作条件都十分不利。 新日铁光制所采用 Al 代替 FeSi 进行脱硫,取得满意的效果,w(S)<10×10-6, 还原精炼时间缩短 5~17 min,如下图。

渣子碱度要求 CaO+MgOΠSiO2+Al2O3=2.8~3.5

(3)以 N2 代 Ar 及供氧强度的提高 Ar 作为 AOD 精炼的主要气体,因其价格较高,在不锈钢精炼 时用 N2 代 Ar,其代 Ar 率达到 20%~40%,对于 w([N])为 400×10-6~800×10-6 的钢可以在脱碳 一期、 二期代 Ar,产品 w([N])要求 1 500×10-6~2 500×10-6,脱碳期全部用 N2 代 Ar,产品 w([N]) 要求 3 000×10-6,可以全程用 N2 代 Ar。 日本太平洋金属八户厂在生产 304 钢时代 Ar 率达到 80%, 产品 w([N])<580×10-6,小于该钢允许 w([N])650×10-6 的要求。AOD 供氧强度提高:供氧强度 Nm3/mint 是提高脱碳速度,缩短精炼时间,废钢加入量多少及降低成本的关键工艺参数。 经过不 断研究,供氧强度已由过去 0.8 Nm3/mint 提高到 1~1.5Nm3/mint, 有顶枪时应大于 2Nm3Πmin t。 供氧强度提高后,熔池温度的控制,国际上普遍采有加入 5%~10%的清洁废钢或铁合金的办法,

这样初炼炉(电炉)的冶炼时间及电耗也得到了改善。

(4)AOD+顶枪(AOD-CB 法)(KCB-S 法)

日本大同特殊钢公司星崎工场,依据不同元素与氧反应产生的热量及相对成本进行比较,发 现只有碳生成 CO 后再氧化为 CO2 时,其反应热最高,相对成本最低。 这是钢水中 Si、 Cr、 Mn、 Al、 Fe 氧化结果所不如。 于是发明了 AOD-CB 工艺,与传统工艺相比,升温速度由 7℃Πmin 提高到 17.5℃ /min。CRE 提高 5%,脱碳速度由 0.055%Πmin 提高到 0.087%Πmin,电耗降低 78 kWhΠt,FeSi 减 少 25%,时间减少 11 min,炉龄达到 235 炉。顶吹工艺有软吹硬吹两种方式,硬吹即进入熔池的氧 全部与钢水进行反应,软吹即 60%进行反应,40%与 CO 进行二次燃烧生产 CO2。硬吹工艺比传统的 AOD 工艺其脱碳时间缩短 44%。 软吹可缩短 31%,但是软吹可以提高废钢加入量,降低 FeSi 消耗及 电耗。日本往友金属和歌山工厂 90 t AOD 在 1982 年即进行复吹技术,精炼时间缩短 20 min,FeSi 降到 7.5 kgΠt,氩耗降到 11.3 Nm3/t。由于顶吹氧突出的优点,新建或改造 AOD 都把顶吹作为必 备的工艺手段。

(5)AOD-VCR 法(V-AOD 法)

AOD 精炼工艺在生产 w([C])≥300×10-6 的不锈钢时,优越性十分突出,但是生产 w([C+N]) ≤300×10-6 时就非常困难,其结果是精炼时间长,氩气消耗高,炉衬寿命低,FeSi 消耗高。 经济性 差。日本新日铁光制铁厂,日本大同特殊钢公司经过研究开发了 AOD+真空的精炼方法,大同制钢 于 1990 年在涩川厂投产 20 t AOD-VCR,1992 年在知多厂投产 70 t AOD-VCR,光制铁厂于 1996 年 投产 60 t V-AOD。 其工艺技术为,当钢中 w([C])>0.1%时按传统工艺由底侧处风枪吹入 O2/Ar(N2), 当 w([C])<0.1%时停止吹氧改由 Ar(N2),同时将真空罩套在 AOD 炉帽上,真空度为 2.0~2.67 kpa, 底吹 Ar/(N2)流量为 20~30 Nm3/min,在强大的搅拌下,钢水中的余氧及渣中的氧化物,进行脱碳, 经过 10~20 min,熔池温降 50~70℃,钢中 w([C+N])达到 100×10-6 以下。 不同钢种应用 AOD-VCR 的碳、氮浓度见表 3。AOD-VCR 其底吹搅拌能力是 SS-VOD 的 13~20 倍,是 VODC 的 32~44 倍,因 此创造了脱碳、 脱氮动力学及热力学条件,若达到同样[C]、 [N]质量分数,SS-VOD 需 40 min 以上。 若要求 w([C])≤150×10-6,w([N])≤300×10-6,采用 AOD—VCR 比 AOD 可以缩短精炼时间 21%。

(6)使用不同原料的 AOD 精炼工艺

HM-AOD 法:用经过脱磷,脱硅的铁水直接入 AOD 的精炼方法,要求铁水 w(P)≤0.015%,w(Si)≤ 0.20%,铁水温度> 300℃。第一阶段 CRE 达到 90%与 LD-AOD 比,生产成本降低 4%。用液态 FeCr、 FeNi 直接生产不锈钢方法:日太平洋公司八户工场为了节约原料,降低能耗研制这种方法。通过 调查不同炉型的热效率发,电弧炉为 47%,LD 为 68%,相反 AOD 则为 0%,所以把初炼炉定为 AOD。 通 过把液态 FeCr、 FeNi 兑入 AOD-CB 中进行炼取得了明显效果,铬回收率达到 99%,脱碳速提高 0.018% Πmin,升温提高 20%~70%,FeSi 耗减少 10%~15%,以 N2 代 Ar 率达到 84%。

AOD 吹炼过程中加铬矿石法:日本往友金属和歌山厂采用脱磷,脱硅铁水兑入 AOD 中,同时加入铬 矿,最大加入量为 50 kgΠt,铁水中的碳可以还原 40%~80%的氧化铬,其余加入 FeSi 还原,不足的 铬用 FeCr 调整,实践证明生产成本明显降低。

(7)不同能源介质的 AOD—TH 法

日本大同特殊钢采用顶枪油+氧烧咀产生 2 600℃高温,升温速度提高 140%,Cr 损失明显减少。

(8)AOD 精炼方法在不锈钢脱磷研究方面也取得进步。目前正在开展的工作还有溅渣护炉,风 口喷粉(石灰、 Fe2O3)技术,风口蘑菇头的控制技术,风口不规则形状的研究,侧吹流体力学的研究, 使炉体几何尺寸、风口位置、供气等达到优化。

不锈钢冶炼工艺技术简介 不锈钢有许多优良的性能,外观精美,使用寿命长,可以 100%回收利用,因此得以广泛 应用。 不锈钢冶炼工艺技术的进步,特别是 20 世纪 60 年代以后,炉外精炼和连续铸锭技术的 使用,进一步促进了不锈钢的快速发展,改善了不锈钢的质量,提高了成材率,降低了生产 成本。 中国从 20 世纪 50 年代初开始生产不锈钢,当时用 3t 电弧炉冶炼,没有炉外精炼设备和 连铸, 年产量仅为几百吨到几千吨, 质量、 品种和成本均不能满足要求。 世纪 80 年以来, 20 太原钢铁公司和钢铁研究总院等单位率先在中国开发 AOD 炉外精炼工艺技术。随后,各特 殊钢厂先后占安装了 18-40tAOD 和 15-60tVOD 炉外精炼装置, 精炼比也得以显著提高。 1985 年以前, 中国不锈钢的铸锭一直采用落后的模铸。 太钢 1280 立式连铸机于 1985 年投产后, 上钢三厂、重庆特钢和上钢五厂相继有板坯、方坯连铸机投生产。1989 年,成都无缝钢管 厂不锈钢管坯水平连铸机的投产, 结束了我国不锈钢铸锭完全采用模铸的历史。 但由于种种 原因,中国不锈钢年产量一直在 30 万 t 左右徘徊,不锈钢冶炼工艺技术的进展缓慢,严重 制约了中国不锈钢的发展。2000 年以来,国家对钢铁行业结构进行了调整,采取一系列鼓 励不锈钢行业发展的政策措施,使中国不锈钢炼钢生产实现跨越式发展,从 1999 年的 35 万 t 增长到 2003 年的 177.8 万 t, 年均增长率约 50%, 成为世界名名列第 4 位的不锈钢炼钢 生产大国。 AOD 炉装备和工艺的发展 AOD 炉是精炼不锈钢的主要设备,目前世界上约有 1-175tAOD 炉 155 台,其中 1/2 在不 锈钢厂,其余在铸造厂。AOD 精炼的不锈钢产量约占世界不锈钢 80%以上。 中国第一台 18tAOD 炉自 1983 年 9 月投产以来, 目前约有 1-40tAOD 炉 20 多座, 其中 18t 以上 AOD 炉共 8 台(包括太钢 3x40t、大连 1x40t、浦东 1x30t、上钢五厂 1x18t、长城 118t 和宜达 lx18t 等) 。2004 年,上钢五厂 60tAOD 炉和上钢一厂 120tAOD 炉的投产使中国 AOD 炉装备水平有了明显的提高。 太钢是中国最早采用 AOD 炉生产不锈钢的企业, 目前 AOD 炉已累计生产不锈钢 200 多万 t,积累了许多经验。为了进一步扩大生产能力,太钢对 18tAOD 炉实施两次技术改造。经过 第一次改造,AOD 炉容由 18t 扩至 40t,生产能力由 16 万 t 提高到 40 万 t。2004 年实施第 二次改造,炉容进一步扩大至 45t,增设顶吹氧枪,缩短了冶炼时间;引进奥钢联专家自动

化控制系统,提高了冶炼控制精度;降低氨气消耗,加大了除尘风机的除尘能力,改善了环 境质量。经过两次改造,太钢 AOD 炉装备水平达到国际先进水平。此外,太钢还计划实施 日元贷款环保项目,6 座 18t 化钢电炉将被改造成一座 90t 超高功率化钢电炉,这不但消除 了化钢速度慢的生产瓶颈,也使生产能力进一步提高到 50 万 t,大大改善了环境质量,实 现了真正的清洁生产。 近年来,中国 AOD 生产的操作技术取得了明显的成绩,主要进展如下: (1)炉衬寿命的提高 AOD 炉的炉衬寿命是 AOD 生产的主要技术经济指标,经过多年来的技术攻关,特别是在 改进操作工艺(例如,降低电炉出钢时的硅含量,改进 AOD 造渣制度,脱碳期碱度从 0.5 提高到 1.0,还原期碱度从 0.8-1.0 提高到 2.0-3.5 以及采用优质耐火材料改进筑炉工艺等 方面做了不少工作,AOD 炉衬寿命普遍有了提高。太钢 AOD 炉炉衬寿命平均达 110 次,最 高 130 次,其中使用太钢自产耐火材料的平均寿命达 92 次。 (2)脱硫工艺的改进 中国 AOD 炉大多采用单渣法吹炼工艺。为降低钢中 S 含量,采用快速脱 S 工艺,精炼期 渣中碱度控制在 2.5 左右,钢包添加 SiCa,利用出钢时强烈搅拌作用脱硫,使钢中残留适量 钙。 改进 AOD 工艺后, 脱硫率在 70%以上。 目前, 太钢不锈钢中硫含量稳定在 0.005%以下, 平均 0.0034%。 (3)含 N 不锈钢冶炼 含 N 不锈钢中的氮合金化主要有两条途径: 一是加人氮化锰、 氮化铬等合金进行合金化, 二是用氮气直接合金化,后者具有较低的生产成本。AOD 炉可以用氮气直接合金化,因而, 冶炼不锈钢具有很大的优势。太钢在 18t 和 40tAOD 炉中应用氮在不锈钢中的溶解、脱除理 论, 建立了氮合金化工艺模型, 冶炼中不需要在线分析钢中氮含量就能较为精确地控制成品 中的氮含量,控制精±0.0135%。目前,太钢已用氮气直接合金化的方法应用该模型批量生 产 OCr19Ni9N、OCr19Ni9NbN、1Cr17Mn6Ni5N、00Cr18Ni5Mo3Si2N 和 00Cr22Ni5Mo3N 等含 氮不锈钢钢种。2003 年,生产各类含 N 不锈钢 3.5 万 t,取得了明显的经济效益。 (4)AOD 除尘灰的利用 AOD 炉冶炼时的粉尘量为钢产量 0.7%-1.0%,一般 AOD 粉尘中含 Cr2O315%,NiO4%, CaO26%,Fe27%,MgO15%以及其它物质,粉尘粒度≤20μm,粉尘中 Cr2O3 和 NiO 是贵重 金属氧化物。若不回收,不仅造成资源浪费,也会污染环境。因此,如何回收 AOD 粉尘中 的 Cr、Ni 二物是各不锈钢炼钢厂的重要课题。 太钢经研究采用的回收工艺是按还氧化物所需的 sic 量与粉尘混合成型,经 200℃干燥后 送至中频感应炉进行熔还原,铸成高 C 镍铬合金(Cr13%-Ni6%) ,再送回电炉冶炼,用这 种方法回收的 AOD 炉粉尘已取得较好的经济效益。 铁水冶炼不锈钢技术的进展 中国是一个发展中的国家。废钢,特别是不锈钢废钢的积蓄量很少,因此,开发用全部铁 水或部分铁水冶炼不锈钢是中国不锈钢厂的目标, 世界上有 3 家工厂用铁水冶炼不锈钢, 包 括日本新日铁八幡厂、JFE 集团川崎千叶厂以及巴西 Acesita 厂。中国太钢于 2003 年建成一 条以铁水为主要原料的三步法生产工艺即铁水预处理脱硅脱磷-30tUHP 电炉预熔合金 -75tK-OBM-S 复吹转炉脱碳-80tVOD 精炼 80tLF 炉精炼—立弯式方板坯连铸机。 其关键设备铁 水预处理从日本 JFE 集团川崎引进, 75tK-B0M-S 转炉从奥钢联引进, 80tVOD 从达涅利引进, 这条生产线的设计不锈钢产量 55t。 该转炉冶炼不锈钢有以下特点: (1)原料灵活,既可以用 EAF 预熔合金(15-30t)+部分脱磷铁水(30-50t) ,也可全部用

脱磷铁水(65t)冶炼不锈钢; (2)转炉炉容较大,可以保证平稳操作而不产生飞溅; (3)带枪位控制的顶枪,可以获得高的脱碳速度以及 CO 后吹操作,以保证冶炼操作中的热 能需要; (4)底部风口冷却气体流量和压力可以单独控制,以保证最佳冷却和延长风口的使用寿命; (5)采用 VAI-CON-TEMP 连续测温装置; (6)采用气动挡渣器和 IRIS 测渣系统, 减少出钢时渣量过多, 以保证下工序 VOD 操作顺行; (7)采用先进的 LevelII 自动控制系统和软件模型,确保转炉冶炼不锈钢时的全自动控制, 提高不锈钢质量。 经过 1 年来的实践,太钢基本上掌握了 K-OBM-S 转炉不锈钢工艺,取得了以下成果: (1)K-OBIII-S 原设计产量为 35 万 t/a,2003 年 4 月投产以来,当年生产不锈钢 26.05 万 t, 2004 年安装 K-OBNI-S 转炉炉壳更换车,缩短了炉壳更换时间。完成改造后,不锈钢设计产 量为 55 万 t/a。 (2)炉衬寿命不断提高,从开始的 200 次左右提高到目前的近 700 次,炉底寿命也在不断 提高,从开始时的 50 次提高到目前的近 300 次(每个炉衬更换 2-3 次炉底) 。 (3)氢卸消耗大幅度降低,原设计冶炼 304 不锈钢氢气消耗为 8m3/t,现在底部风口全流程 以 N2 代 Ar,取得明显的经济效益。 (4)取消电炉熔化合金工序,实施了 100%脱磷铁水,铬铁全部加人转炉内冶炼 400 系列不 锈钢的二步法生产工艺流程,大幅度降低生产成本。 (5)由于采用脱 P 铁水冶炼不锈钢, 钢中 P 含量低于以废钢为主要原料冶炼的不锈钢, 钢中 As,Su,Cu 等有害元素也大大降低。 宝钢集团上钢一厂年产 72 万 t 以铁水和铬铁水为主要原料的一条不锈钢炼钢生产线已投 产。其工艺路线是铁水预处理-100tUHP 电炉预熔铬铁水和合金-120tVOD 精炼-120tVOD 精炼 -连铸。该生产线的转炉采用 AOD-L。这条生产线的投产进一步提高了中国用铁水冶炼不锈 钢的技术水平。 连铸技术的进展 中国不锈钢连铸技术起点较晚,直至 1985 年,太钢投产了中国第一台立式板坯不锈钢连 铸机。由于这台连铸机采用单炉连铸离线切割方式,钢包容量只有 18t,最高年产量仅 5.8 万 t,不能实现全连铸生产。1999 年,太钢决定对这台连铸机实施技术改造。其改造目的是 增加钢包和中间包容量,采用在线切割方式实现多炉连铸,改变二冷方式,提高铸坯质量。 2004 年,又决定对这台连铸机实施第二次技术改造。这次改造目的是增加铸坯厚度规格至 200mm, 提高铸坯质量, 降低铸坯修磨损失。 其主要内容是将结晶器振动方式改为 DYNAFLEX 液压振动,二冷系统实施动态冷却(DYNACS),安装 VAI 一 Q 质量控制专家系统,增设粒状保 护渣自动加人装置和铸坯打印机。 经过改造,太钢在连铸工艺方面取得了以下进展: (1)不锈钢连铸比明显提高。 立式连铸机的连铸比从 1999 年的 51.4%提高到 2003 年的 97.5%。 (2)连浇炉数明显提高。对于 304 钢种来说,连浇炉数在 6 炉以上,连铸坯收得率提高 2.37 个百分比,平均 96.97%。


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