广西柳钢中金不锈钢有限公司 广西玉林 537624
摘要：以柳钢中金60吨AOD炉冶炼200系不锈钢生产操作实践为依据，探索以红土镍矿冶炼的铁水为原料生产低成本铬锰不锈钢的炼钢操作工艺。本文介绍柳钢中金用AOD炉冶炼低成本200系铬锰不锈钢的操作工艺。
关键词：不锈钢；AOD；低成本；200系
1、前言
200系列不锈钢是在二战时期，作为300 系列不锈钢的代用品在美国首先开发成功的。当时，由于战争的原因，作为战略物资的镍被各有关国家严格控制，美国的镍供应量严重不足。为了解决在镍供应量严重不足的情况下，不锈钢的生产和供应问题，美国开发出了这种以锰代镍的奥氏体不锈钢新钢种系列。二战结束后，美国镍的供应状况逐步改善，300 系列不锈钢的生产不再受原料紧张的制约，因此，200系列不锈钢在美国并没有发展起来。几位当初参与开发 200 系列不锈钢的印度人，回到印度后，从印度是一个锰资源相对丰富、镍资源缺乏的国情出发，将在美国开发的 200 系列钢种的不锈钢品种带回印度。造成了在美国开发、在印度结果的历史现象。80年代以后随着高Mn、高N合金技术的开发，进一步提高强度、非磁性等功能，随着Ni的价格攀升，促进了低Ni钢种的发展，但一般用于中性干燥环境中的结构支撑领域，如照明设备、电信杆、汽车框架等普通用途。近来在东南亚尤其是中国出现了大量使用一些新的更加经济的铬锰钢钢种的现象。
不锈钢冶炼工艺改革的显著标志是AOD法的广泛采用，它使不锈钢的原料适应性增加，成本降低，质量改进，产量提高。正是由于AOD精炼工艺的显著优点使其迅速成为不锈钢生产的主要方法，其产量已占世界不锈钢总产量的75％左右[1，2]。柳钢中金公司主要以红土镍矿为原料生产低成本200系不锈钢，经过3年多的实践探索，目前工艺成熟、质量稳定。柳钢中金炼钢厂目前主要的炼钢设备为三座AOD炉，公称容量为60吨。柳钢中金结合自身的装备水平及原料铁水特点摸索出整套适应性很强的AOD炉冶炼低成本200系铬锰不锈钢操作工艺。
2、AOD冶炼基本反应
2.1在AOD炉内，吹炼前期的主要任务是脱碳（氧化），后期主要任务为还原。因此不同时期的反应都是在同一个炉内发生。基本化学反应方程式主要有：
① 2[C ] +O2=2CO
② [Si ] +O2=（SiO2）
③ 2[S]+2（CaO）+Si=SiO2+2（CaS）
④ 2（Cr2O3）+3Si=3（SiO2）+4[Cr]
⑤ 2（MnO）+Si=（SiO2）+2[Mn ]
根据方程式计算吹炼所需的氧气量及还原剂的使用量：
① 氧化1kg的碳需消耗氧气0.933立方
② 燃烧1kg纯硅需消耗氧气0.8立方
③ 脱硫1kg需消耗72%硅铁0.608kg
④ 还原1kg的铬需消耗72%硅铁0.561kg
⑤ 还原1kg的锰需消耗72%硅铁0.3535kg
根据以上计算，结合现场AOD炉的装入量确定冶炼过程所需供氧量。
3、AOD冶炼操作实践
3.1AOD冶炼前准备
3.1.1了解炼钢母液C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni等基本元素以及微量元素（铅Pb、锡Sn、砷As、锑Sb、铋Bi、钨W、钴Co）的含量。
3.1.2微量元素管控范围：
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3.1.3根据出钢量确定装入量，提前关注镍铁水和铬铁水成分及温度，如无法确定以上信息，及时反馈给调度和值班主任。
3.1.4根据母液重量，C、Si含量和温度，计算出母液热量，预算化钢结束C、Si含量和要求化钢温度，计算出化钢期冷料加入量、石灰投入量和硅铁补加量。
3.1.5根据兑入的母液量，确认配料是否需要更改，这里主要的问题是母液兑入的准确数量及是否有冻包情况。
3.1.6微量元素或单元素过高的，及时上报相关领导或兑掺以降低其含量。
3.1.7兑钢前如需炉后加钢砂等炉料，应提前开气并适当烘烤。
3.1.8兑钢前，炉底加入部分石灰以减轻兑钢对炉底的冲刷。兑钢后如果温度合适尽快加入计算得出的石灰量，根据兑入粗钢水的温度，选择合适的时间和温度加入冷料。
3.1.9兑钢过程中应时刻关注中心管气体流量和压力情况，如有异常应立即停止兑钢操作并检查。
3.1.10风枪结瘤情况（一般5-8cm即可，建议在还原扒渣时观察）直观地反应了风枪的冷却效果，也就是“冶炼工艺”一项中“环缝压力”的设定值。
3.2化钢过程控制
3.2.1根据兑入母液Si含量及温度，适当提高母液温度后再加入冷料，避免低温吹不起来或炉后风枪回火。
3.2.2加料时不能过快，避免温度骤降，确保炉内物料熔化完全，温度达到1450℃左右后再加料。但不能太高，温度过高时加入冷料易喷溅。
3.2.3根据冷料加入量，初步估算化钢所需吹氧量，为后续操作做好准备。化钢配料就应考虑氧化期的热量平衡，确保合适的终点温度。
3.2.4化钢过程，如果冷料过多，可以加入部分冷料后排渣，但后续加料过程中应补加石灰以保证炉渣碱度。
3.2.5为保证金属回收率，在整个化钢过程中应避免造成金属氧化。适当提高化钢温度（1500℃），确保化钢结束Si含量为0.20%左右，适当的炉渣碱度（1.2）和适当的还原搅拌（2min）有利于提高金属回收率。
3.2.6如果钢水中含碳高，剧烈的氧化还原反应加上产生大量的CO，使渣中的CO来不及释放，则容易产生喷溅，应避免高碳低硅时剧烈反应。特别是新炉，应避免喷溅。因新炉炉膛较小，如果喷溅的高碳冷钢挂在炉壁上，可能造成还原碳高。
3.2.7如遇喷溅情况，应立即提起顶枪并调小风枪压力至0.4MPa，避免大压力搅拌加剧喷溅。实在控制不住，就把小流量氧气开起来，风枪露出钢水后立即关气。
3.2.8倒炉时，应注意周边情况，防止钢渣喷溅伤人以损害设备。若喷溅严重，炉子放平后应去周边检查是否有设备损坏。
3.2.9若炉口冒白烟或蓝色火苗，则可能是有冷料尚未熔化完全，或被石灰包裹。此时应摇炉至冶炼位，继续升温熔化物料，不可倒炉测温或查看炉内情况，避免钢渣溅出伤人。
3.2.10注意炉渣情况，在拉渣前判断渣中金属氧化物和钢水Si成分，避免氧化渣拉出去造成成本浪费或者氧化渣拉不出去要加硅铁还原，浪费时间。
3.2.11化钢渣应要求炉前工尽量扒干净，避免留渣量过多造成配料成分偏差（渣中金属氧化物）、吹碳渣稀或还原碱度偏低。
3.2.12炉内如有异常情况，如漂浮物体、火苗在渣面燃烧等，则需要注意炉内有未熔化完全的合金料，或金属氧化物过高等情况。
3.2.13炉前在放渣过程中，配气员应随时观察监控，注意渣包情况，以防渣包装满流出或穿包烧坏设备。
3.2.14化钢结束，钢水成分要求：
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3.3吹碳过程控制
3.3.1配料时看清钢样编号和各元素成分，避免错误配料造成后期成分误差。
3.3.2若开吹条件跟预期有较大差异，应及时配入冷却剂消耗热量、或直接氧化部分金属来弥补热量，以保证合适的吹碳终点温度和出钢温度。
3.3.3拉完渣立即摇炉至冶炼位，加入整个吹碳期间石灰加入量的30%。后续为不影响吹碳效果，陆续加入其它剩余石灰，确保炉渣碱度不低于2.3（由CaO-SiO2二元相图可知）。石灰投入总量因根据还原渣碱度来控制，要求还原渣碱度控制在1.8-2.2之间。
3.3.4吹碳期间，应把握好加料时机，原则是多次少量。避免一次加入过多冷料，温度骤降，造成金属过氧化。
3.3.5当钢中碳含量在1%左右时，取中间样送光谱分析。
3.3.6随碳含量降低，应减小供氧量并调整气体配比。避免金属过氧化造成终点温度和成分的偏差。
3.3.7高碳物料应尽可能在高碳期间加入，如需补加应保证熔化完全。因低碳期间，炉渣中有较多氧化铬，此时炉渣会发粘，加入高碳物料可能会被炉渣包裹住，造成还原期间熔化增碳。
3.3.8因炉前与光谱室距离较远，应适当提高取碳样时候的碳含量，以免因分析结果不及时造成过吹，造成成本浪费。
3.3.9若碳样分析结果显示氧化较多，需要投入比预期多的硅铁（即还原渣碱度比预期计算的要低很多），则可以在吹碳结束后补入适量活性钙用以补救。有条件的可以配入适量成品钢等冷却剂，以降低还原温度和出钢温度。
3.3.10吹碳末期，钢中残余氧含量较高，为减少还原硅铁用量以及提高终点碳的命中率，应使用纯惰性气体搅拌2分钟再投入还原硅铁及其他辅料。
3.4还原过程控制
3.4.1碳样结果出来后，根据吹碳效率，确定吹碳时间和用氧量。
3.4.2吹碳结束，惰性气体搅拌2分钟后投入还原硅铁及辅助材料。
3.4.3还原硅铁的计算，包括以下几方面：
① 吹炼产生的氧化铬，需要硅铁还原；
② 吹炼产生的氧化锰，需要硅铁还原；
③ 化钢残余氧化铬和吹碳终点钢中的氧需要硅铁还原；
④ 碳样之后吹炼产生的氧化物需要硅铁还原；
⑤ 合金硅含量需要硅铁加入；
⑥ 脱硫的氧需要硅铁加入。
3.4.4一般情况下，如果想要还原渣具有良好的流动性和吸附能力，辅助材料萤石的用量，可根据辅料质量和炉渣实际情况适量调整。（经验值：石灰投入量/（硅铁加入量+萤石）=2.5-3）
3.4.5还原时应控制气体压力，在保证充分搅拌的同时尽可能减少炉渣对炉衬的冲刷，因此时炉渣碱度骤然降低。
3.4.6还原压力控制：
1-15炉 0.75-0.80MPa
15-60炉 0.80-0.85MPa
60-90炉 0.85-0.95MPa（主要还是得看还原效果）
3.4.7为保证还原效果，要保证炉渣碱度在1.8-2.2之间，要有良好的流动性，要充分搅拌6分钟。
3.5精炼过程
3.5.1还原及脱氧效果较好，留渣量可以控制在3-4吨，精炼期间仅加部分萤石即可。如果还原不好，则应减少留渣量，精炼补加适当渣料，造较好的精炼渣。以保证精炼脱硫及脱氧的效果。
3.5.2因精炼期间渣量较还原少，因此精炼压力应低于还原压力，避免大搅拌造成二次氧化或卷渣。
3.5.3还原成分出来后，立即确认精炼补加合金料并及时投入，保证合金料有足够时间熔化完全，避免成分不均匀。
3.5.4精炼时间要保证4分钟以上，确保精炼效果（脱氧、脱硫、成分微调和吸附夹杂物）
3.5.5精炼要求出钢成分合格，钢水脱氧效果好，纯净度高。
3.6出钢过程控制
3.6.1出钢时要注意先慢后快再慢，时间控制在90秒以内，不可冲刷引流砂和包壁。
3.6.2若出钢温度较高，立即通知LF炉操作工准备成品钢降温。
4、结束语
中金自主集成的以铁水为主要原料适合红土镍矿铁水冶炼全新流程经过三年多的实践，形成了一整套相应的AOD冶炼不锈钢的生产工艺实践，在产量、品种、质量等方面均取得了显著效果。特别适应于生产低成本200系铬锰不锈钢，取得了巨大的社会效益。同时推动我国不锈钢生产工艺技术进步和产品结构调整，以及我国长流程钢铁企业新建和改造不锈钢厂都具有重要意义
参考文献：
[1] Choulet R J．Masterson I E．Secondary Steelmaking in Stainless Steel Refining．Iron＆Steelmaker，1993．20（5）：45
[2] 吴燕萍．AOD设备及工艺设计特点．中围冶金。2007（4）