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1、不 锈 钢 高纯度冶炼与夹杂物控制 钢铁研究总院 刘浏 2013年6月太钢 不锈钢产品与质量控制 不锈钢生产工艺流程 不锈钢冶炼技术 不锈钢精炼技术 钢中夹杂物控制 最新技术进展 主要内容 不锈钢生产与消费 19952009年世界不锈钢产量 （1）随着市场繁荣，世界不锈钢消 费量逐年增长，至2006年国际不锈钢粗 钢产量达到峰值2838万吨，不锈钢的年 均消费量增长6.7%。 （2）从世界范围看（19932002年 ）不锈钢的消费量始终低于生产量，说 明不锈钢产能已经过剩。 （3）2001年世界人均不锈钢消费量 9.2kg，2005年升高到14.05kg，平均每 年增长率为8.8%，高于世界不
2、锈钢消费 量的增长量。说明世界不锈钢产量仍然 有较大的增长空间。 （4）不锈钢的生产与消费一般随世界 镍资源价格的波动而发生周期性变化。 2006年以后由于金融危机的影响，不锈 钢产量下滑，但长远看不会影响世界不 锈钢增长的总趋势。 世界 美国 日本 19932002年世界不锈钢粗钢产量、表观消费量 世界主要国家和地区不锈钢板卷分行业消费情况 世界欧洲 不锈钢主要消费领域 世界不锈钢分行业消费情况 不锈钢广泛应用于社会各个领域,由于 各国经济发展状况不同,主要包括： 家电和食品机械等领域约占2637%; 电子设备和自动化约占1734%; 工业机械约占1022%; 建筑领域约占1118%； 管材
3、主要用于交通、能源领域，约占 815%。 2008年日本不锈钢产品结构 不锈钢的产品结构 日本不锈钢的产品结构： 2008年日本热轧不锈钢钢种比例 结 构 特 点 发达国家不锈钢生产以板材为主， 占6575%;其次为管材和线材; 不锈钢产品以300系和400系为主体, 很少生产200系; 400系不锈钢生产比例不断提高。 2008年1-9月美国不锈钢产品消费结构 不锈钢产品与工艺特点 Cr含量对钢材耐蚀性能的影响 Cr对钢在稀硝酸(32%)中的耐蚀性 1. 概述：不锈钢具有不锈和耐蚀特性及其它优良性能，在各工 业部门和日常生活中得到广泛而大量的应用。自20世纪初，不锈 钢问世至今已近100年历
4、史。不锈钢的发明是冶金史上的重大成 就，为近代工业发展和科学进步奠定重要的物质基础，逐步形成 马氏体不锈钢（包括沉淀硬化不锈钢）、铁素体不锈钢、奥氏体 不锈钢和奥氏体+铁素体双相不锈钢四大类产品。 2. 不锈钢的成份特点 含铬高：不锈钢的不锈耐蚀性主要是由于钢的表面形成富铬氧 化膜（钝化膜），一般铬含量12%以上使钢具有不锈钢性。 合金比高：不锈钢往往含有1335%的Cr、49%的Ni以及Ti、 Al、Mo、Nb等其它微合金元素。 不锈钢品种不同，对钢的洁净度要求完全不同：如超纯铁素体 不锈钢要求严格控制钢中C、N含量，但在双相钢中则要求尽可 能精确控制钢中具有较高的N含量。 3. 不锈钢生产
5、的冶炼特点 由于不锈钢含有大量Cr，因此冶炼中必须严格控制C-Cr反应平 衡，实现脱碳保铬。 由于不锈钢合金比高，要求冶炼工艺设备必须具备较强的合金 熔化能力，保证具有足够的热源熔化合金和实现高温冶炼。 由于不锈钢种类繁多，质量控制严格，因此要求不锈钢冶炼工 艺必须具有广泛的品种适应能力，适应多品种生产。 奥氏体不锈钢洁净度要求 C对304L不锈钢耐蚀性的影响 （65%HNO3） 奥氏体不锈钢是不锈钢中最重要的钢类，其产量和使用量超过不锈 钢总量的50%。和其它不锈钢相比奥氏体不锈钢具有以下优点： 在多种腐蚀介质中具有优秀的耐蚀性； 综合力学性能良好； 工艺性能和可焊性能优良； 具有非铁磁性和
6、良好的低温性能。 奥氏体不锈钢的缺点：强度、硬度偏低，不适用于承载较重负荷及对 硬度和耐磨性有要求的设备部件。 碳的危害：碳是强烈形成并稳定和扩大奥氏体相区的元素，利于提高 不锈钢强度。但碳常被视为有害元素，如碳与铬形成Cr23C6碳化物， 使耐晶间腐蚀性能下降。一般要求C0.03%或0.02%。 硫的危害：降低不锈钢热塑性，影响热加工性能和耐蚀性。形成MnS 夹杂易溶于酸性氯化物溶液，导致耐点蚀和缝隙腐蚀性能显著下降。 磷的危害：显著降低铬、镍奥氏体不锈钢耐各种浓度硝酸腐蚀的性能 ，提高固溶态晶间腐蚀的敏感性。 铬、镍含量对钢在 5%H2SO4中的耐蚀性影响 Mn/S比对不锈钢耐点蚀性的影响
7、不同P的00Cr18Ni14Mo2钢在尿素生 产实际介质中挂片7000h的实验结果 1-敏化处理， 2-1050固溶 处理， 3-1300固溶 处理 50g/l FeCl36H2O,35 铁素体不锈钢洁净度要求 铁素体不锈钢系指Cr含量在1130%，具有体心立方晶体结构，在使用 状态下以铁素体组织为主的不锈钢。 铁素体不锈钢具有不锈性和耐一般腐蚀性能外，还具有耐氯化物应力 腐蚀、耐点蚀、耐缝隙腐蚀等优良性能。是一种节镍型不锈钢，具有强 度高、冷加工硬化倾向低、导热系数高、线膨胀系数低等优点。 过去由于铁素体不锈钢低温韧性差，对晶间腐蚀较敏感，使其应用范 围较窄。通过严格控制钢中C、N等间隙元素
8、含量，解决了上述问题。 随C、N量的增加铁素体不锈钢冲击韧性下降，特别是Cr1518%更为 明显，控制C+N200ppm可保证钢材的冲击韧性； 随C、N量的增加铁素体不锈钢脆性转变温度升高，缺口敏感性恶化； 随C、N量的增加铁素体不锈钢腐蚀速率升高，降低C+N量可解决； C+N量超过0.008%，在5%NaCl中锈点显著增加。 C、N量对铁素体不锈钢脆 性转变温度的影响 C、N与Cr对铁素体不锈钢冲击 韧性的影响 冲击韧性好 冲击韧性差 在65%沸腾的HNO3中C+N量对 铁素体不锈钢耐蚀性的影响 在5%NaCl中(35)C+N量对铁 素体不锈钢锈蚀性的影响 双相不锈钢洁净度要求 Cr对含Ni
9、5.5%和7%的两种双 相不锈钢耐点蚀性能的影响 50,10%FeCl3 6H2O,24h 在80,3.5%NaCl中氮对双相 不锈钢点蚀电位的影响 氮对双相不锈钢点蚀速率的影响 氮对双相不锈钢临界缝隙腐蚀 温度的影响 6%FeCl3溶液 奥氏体+铁素体双相不锈钢具有+双相组织结构，兼有奥氏体和铁素 体不锈钢的特点：与铁素体不锈钢相比双相不锈钢韧性高、脆性转变温 度低，耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高；但同时又保留了铁素体 不锈钢导热系数高、线膨胀系数小，具有超塑性等优点。和奥氏体不锈 钢相比强度提高，耐应力腐蚀、腐蚀疲劳等性能明显改善。 双相不锈钢分为： 铬镍系双相不锈钢，包括Cr-Ni1
10、8-5、22-5、25-5三类。 铬锰氮系双相不锈钢，包括Cr-Mn-N18-8-5和18-14(Cr-Mn)两类。 70年代后铬镍双相不锈钢发展以提高钢中Cr+3.3Mo和N含量为主要特征 ： （1）双相不锈钢随Cr含量升高腐蚀速度降低，含Ni7%优于5.5%； （2）提高N具有以下优点： N形成并稳定扩大奥氏体相区； 提高N可明显提高双相不锈钢的点蚀电位； 提高N大幅度降低双相不锈钢的孔蚀速度； 提高N明显提高临界缝隙腐蚀温度。 不锈钢生产工艺流程 全废钢电炉不锈钢生产流程 全铁水转炉不锈钢生产流程 铁水-废钢不锈钢混合生产流程 不锈钢冶炼流程分类 不锈钢冶炼工艺流程可根据冶炼原料的差别分
11、为：废钢电炉流程、铁水转 炉流程和废钢-铁水混合流程。 废钢电炉 流程 全铁水转炉 流程 铁水+废钢 流程 选择流程的原则： （1）对原材料适应 性强 （2）对不锈钢产品 的适应性强 （3）生产成本低 （4）生产效率高 （5）具备合理的规 模 全废钢不锈钢生产流程 传统流程，工艺成熟； 采用不锈钢返回料作原料，降低生产成本； 生产规模小，一般为4060万吨/年； 铁素体、奥氏体不锈钢采用“二步法”生产工艺，超纯铁素体不锈钢采用“三步 法”生产工艺。 技 术 特 点 全铁水转炉不锈钢冶炼流程 采用电炉熔化合金的全铁 水不锈钢冶炼工艺流程 全铁水不锈钢冶炼工艺流程的主要特点是以铁水为主要原料，配加
12、合金直接 生产各种牌号不锈钢的冶炼工艺。通常分为以下两种类型： （1）采用电炉熔化合金的全铁水不锈钢冶炼工艺； （2）采用转炉熔化合金的全铁水不锈钢冶炼工艺。 全铁水不锈钢冶炼工艺的主要缺点是：冶炼过程热量不足，不能大量使用不 锈钢返回料冶炼不锈钢（返回料的使用比例10%）。 铁水+废钢不锈钢生产流程 铁水+废钢不锈钢生产流程其主要优点是对不锈钢原料供应具有较大的灵活 性，可根据市场镍价和不锈钢返回料价格的波动及供应情况灵活的调整铁水和不 锈钢返回料的比例。其主要特点是同时配备转炉和电炉进行不锈钢冶炼，采用转 炉进行铁水脱磷处理，采用电炉熔化合金和返回料。其缺点是工艺流程长，投资 大，生产成本
13、较高。 目前我国宝 钢不锈钢分厂、 太钢不锈钢新区 均采用该工艺流 程，其特点是利 用转炉进行铁水 “三脱”，脱磷 后半钢碳含量高 ，兑入电炉内熔 化合金，铬收得 率较高。 不锈钢不同冶炼工艺路线的比较 EAF- AOD EAF- VOD BOF- VOD 较强 较强 较强 EAF-AOD- VOD 低 全铁水转炉冶炼不锈钢的应用概况 世界铁水冶炼不锈钢主要厂家一览表 世界不同生产工艺 不锈钢产量比较 不同厂家的实际生产水平 不锈钢冶炼技术 不锈钢冶炼工艺方法 采用侧吹氧的工艺方法 采用底吹氧的工艺方法 采用底吹搅拌的工艺方法 不锈钢冶炼工艺的评价与选择 不锈钢脱碳精炼热力学 脱碳热力学： 高
14、铬铁水的脱碳可用下式表示： 脱碳动力学： 脱碳速度与温度的关系为： 在高碳区碳的直接氧化和间接氧 化同时发生，供氧强度是反应的限制 性环节。在低碳区，脱碳反应为间接 氧化，碳的扩散是反应的限制性环节 。脱碳的动力学公式为： S：反应面积；V：钢水体积； D：钢液中碳的扩散系数 热力学研究结论： 钢液中碳铬平衡决定于钢中铬含量，在 一定温度下随铬含量升高平衡碳含量增大; 提高反应温度使碳铬平衡常数减小有利 于抑制铬的氧化; 降低CO分压使反应平衡常数减小,有利于 保铬脱碳反应进行; 提高熔池传质速度可提高脱碳反应速度, 促进脱碳反应平衡。 不锈钢脱碳精炼指数（DOS） 在碳的传质为反应的限制性环
15、节时： 假设铬氧化量取决于氧流量（QQ2），则铬 氧化物的形成速率（DWCr2O3）为： 则不锈钢精炼指数DOS（不锈钢冶炼中碳 、铬间氧的分配）定义为： 研 究 结 论 不锈钢冶炼过程中铬的损失(Cr/C)随 DOS精炼指数的降低而减小; 降低供氧强度有利于减小DOS指数; 加强熔池搅拌,提高熔池传质速度可促进 碳氧反应平衡,有利于减小DOS指数; 在不锈钢冶炼过程中,控制熔池升温速度 和脱碳速度可减少铬的氧化。 不锈钢冶炼工艺方法 目前，国际上已经开发成功十几种不锈钢冶炼技术。 不锈钢冶炼技术分为： 以侧吹为主的VOD或VOD-L冶炼工艺； 以转炉为基础的K-BOP、MRP等工艺； 以顶底侧吹为特点的KCB-S和GOR工艺。 冶炼工艺选择的原则： （1）脱碳速度快，生产效率高 （2）C-Cr平衡值低，终点C低 （3）喷嘴寿命长，炉龄高 （4）生产成本低 （5）合金熔化能力强，热效率高 AOD 1967年，美国乔斯林钢公司建设了世界上 第一台AOD炉冶炼不锈钢获得成功。至1992 年，全世界已有70多家钢厂、54家铸造厂购买 了AOD设备。西方国家从19831991年用 AOD生产的不锈钢占世界总产量的75.6%，成 为世界上不锈钢生产的主
