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1、低成本生产不锈钢母液新工艺低成本生产不锈钢母液新工艺李一为1，杜洪缙1，姜敏1，张恺1，周渝生2，郑少波3，徐建伦31. 宝钢不锈钢分公司；2. 宝钢技术中心；3. 上海大学材料与工程学院摘要：宝钢股份不锈钢分公司与宝钢技术中心、上海大学合作开发低成本生产含铬25%不锈钢母液新工艺，该工艺采用转底炉预还原冷固结铬矿粉团块或球团，再经熔化还原竖炉终还原二步法。关键词：不锈钢母液；预还原；转底炉；熔化还原竖炉A A NewNew ProcessProcess forfor ProducingProducing StainlessStainless SteelSteel MasterMaster A
2、lloysAlloys atat LowerLower CostCostLi Yiwei1，Du Hongjin1，Jiang Min1，Zhang Kai1，Zhou Yusheng2，Zheng Shaobo3，Xu Jianlun31. Stainless Steel Branch, Baosteel Group；2. Baosteel Technology Center；3. School of Material Science and Engineering, Shanghai UniversityAbstract:Abstract: A new process of produci
3、ng stainless steel master alloys containing 25% Cr with lower cost is being developed by Stainless Steel Branch, Baosteel Technology Center and Shanghai University. The two steps process will include the pre-reduction of lumps of fine chromite ore by means of a rotary hearth furnace and the final re
4、duction in a melting-reduction shaft furnace. KeyKey words:words: stainless steel master alloys; pre-reduction; rotary hearth furnace; melting-reducing shaft furnace1 1 前言前言随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，我国的不锈钢消费需求与日俱增。由于不锈钢在汽车车辆工业、水工业、建筑业、家电业、环保工业、食品业、医疗业、工业设施等领域的需求量大幅度上升，近十年间，我国不锈钢表观消费量增长迅速，1995年不锈钢表观消费量
5、仅为 65 万吨，到 2003 年突破 420 万吨，年均增长率达到 26.3%。据估计，今年中国不锈钢消费量有望达到 550 万吨，2010 年有望达到 650 万吨。但是国内不锈钢自给率尚不到 30%，每年仍须大量依靠进口，2001 年我国进口不锈钢 161.3 万吨，2002 年进口 237.83 万吨。中国这个巨大市场和高达 200 万吨以上的进口空间，吸引了国内外业界对我国不锈钢市场的觊觎和青睐，由此引发了不锈钢生产线的扩建、新建热。2005 年 6 月 30 日宝钢股份不锈钢分公司年产 150 万吨不锈钢扩建工程投产、太钢将扩建至年产 100 万吨，从而使我国不锈钢产能在 2006
6、 年达到年产 250 万吨以上，这也是我国由钢铁大国迈向钢铁强国的重大举措。目前国际上不锈钢生产能力已大于市场容量，国内市场份额的竞争将十分激烈。随着我国加入 WTO 后，国内贸易保护政策的逐步取消，不锈钢生产厂家将面临残酷的市场竞争压力。市场竞争的本质是产品成本的竞争，因此，在不锈钢质量符合国际标准的前提下，生产成本的降低将是在竞争中获胜的关键。为此，我国的不锈钢生产企业必须开发适合国情，并能降低生产成本新的不锈钢生产工艺，提升企业的市场竞争能力和技术创新能力，参与国际竞争。作者曾从不锈钢母液制备工艺角度以及对不同工艺的比较，提出过竖炉型熔融还原法冶炼不锈钢母液的新工艺1。国外竖炉工业试验以
7、及上海一钢公司 255m3高炉工业试验的研究结果表明2-6，用传统炼铁高炉冶炼含铬25%的合金铁水虽然在技术上是可行的，但是在经济上却难以体现出效益。因此，本文从降低不锈钢母液生产成本的角度出发，提出两步法生产含铬（25%）铁水工艺，该工艺技术路线是铬矿粉冷固结含碳团块或球团转底炉预还原熔化-还原竖炉终还原。2 2 铬矿原料的选择铬矿原料的选择不锈钢生产中废钢及金属铬、镍等原材料占成本的 70%7，而我国废钢及铬镍金属资源短缺。因此，一条新的工艺路线必须首先从主要原料的选择、供应上加以考虑。目前，世界铬矿主要产地有南非、印度、哈萨克斯坦、土耳其、津巴布韦等国。我国铬铁矿资源的分布的基本特点是：
8、矿床规模小、富矿少，贫矿多，并且分布零散。在已探明的 56 处矿区中，尚没有储量在 500 万吨以上的大型矿区。目前我国铬铁矿主要分布在西藏、新疆和甘肃。从数量上来说只占世界储量数量的 0.16，基本上属于贫铬矿资源国家。分布地区交通不方便、运输困难。因此，我国铬铁矿 90%以上要依靠进口，随着国内新一轮不锈钢产业的投资，铬矿资源的供需矛盾将十分突出，大量进口含铬资源将成为我国不锈钢今后发展的必然趋势。为了能够在熔化还原竖炉内冶炼出含 Cr25廉价的合金铁液，通常要求铬铁矿能尽量地满足以下条件：（1）较高的含铬量。一般要求铬铁矿中 Cr2O340%，同时铬铁矿中的 TCr+TFe 最好也较高，
9、从而有利于减少入炉的脉石量，相应地减少渣量。可提高生产效率、降低燃料消耗、节约成本。（2）低的 Cr/Fe 比。这一点正好与矿热炉冶炼高碳铬铁的选矿要求相反。从铬铁矿的冶炼性能来看，一般含 Fe 高的铬铁矿，熔化温度低，还原性好，适合在竖炉型反应器内冶炼。另外，由于带入一定的铁，从而可减少铁矿的加入量，有利于降低成本。因此，要求Cr/Fe6%。（4）矿石的还原性要好。铬铁矿还原性的好坏直接决定了熔化还原竖炉的炉缸负担、燃料消耗和生产效率。希望铬铁矿中氧化铬的开始还原温度能在 1000左右，而大量还原温度在 11001200。（5）铬铁矿软熔温度要低。铬铁矿的软熔温度都比较高，通常在 16002
10、000，这么高的软熔温度会给冶炼带来极大的困难。因此，希望通过铬铁矿的预处理，将其软熔温度降低到 1500以下。分析世界上主要铬矿产地的铬矿成分，可以发现南非的铬铁矿比较符合上述条件。其主要特征是 TCr 相对较高，而 Cr/Fe 比较低，一般在 1.5 左右，脉石及杂质含量相对较少。在一般开采得到的原生铬矿中，粒度可以满足竖炉直接入炉冶炼要求的块矿只占总量的 1030%，而 7090%的铬矿粉粒度4050Kg/球。含碳铬矿预还原球团在芬兰的肯米已实现了工业化生产，在冶炼高碳铬铁中取得了良好的经济效益。该工艺与传统的块矿冶炼相比，可以节电 30，冶炼用焦减少45，矿热炉生产效率提高 60，铬回
11、收率提高 12，电炉烟气量减少约 20。我国在铬矿粉的烧结技术方面也积累了大量的经验，由于铬矿粉矿相结构的特殊性，采用一般常规烧结工艺进行造块很难达到理想的效果。研究结果表明熔剂的加入量和粒度对铬粉矿烧结有重大的影响，配碳量是控制烧结气氛和烧结温度的关键。前苏联在上世纪五十年代曾经做过大量铬粉矿烧结试验，但由于烧结温度过高（1500），造成大量炉篦烧坏，因此没有实现工业化生产。最近湖南湘乡铁合金厂使用越南铬精矿进行烧结，实现了工业化生产。烧结铬矿具有强度高、透气性好、还原性好等优点，适合竖炉冶炼不锈钢母液。丁伟中等人10进行过“用铬矿粉和含铁原料生产高炉用含铬烧结矿”的发明研究，结果表明：铬铁
12、矿和铁矿粉能够完全互熔，成品率较普通烧结矿高，转鼓指数 58.75%与普通烧结矿 60%的指标接近，低温还原粉化指标为 98.3%，远高于普通烧结矿的 75%。近十几年转底炉的发展引人瞩目，例如：90 年代德国德马克公司和美国 Inmetco 公司利用直径 16.7m 的转底炉进行含锌粉尘处理的工业试验，获得了很好的结果。Inmetco 公司的转底炉处理不锈钢粉尘，至今已运行了近 20 年，累计处理了 90 多万吨粉尘，有很成熟的工业生产经验11；1997 年美国在田纳西州的 Jackson 钢厂建成了一座转底炉处理含锌粉尘，至今运转良好；1999 年美国动力钢公司兴建的年产 50 万吨海绵铁
13、的转底炉已经投产；2000 年日本大同特钢公司和三井物产公司从美国 Inmetco 公司引进技术，为新日铁君津厂提供年处理 18 万吨粉尘的转底炉将生产用于高炉的金属化球团12、13。尽管目前还没有转底炉预还原铬矿粉团块或球团的工业试验，但以上事例说明转底炉已成为一种普遍接受的成熟的直接还原和含铁粉尘脱锌的生产设备，不锈钢母液生产新工艺采用转底炉技术进行铬矿粉团块或球团的预还原从工艺和技术上来说都是可行的。图 2 是转底炉预还原铬矿粉团块或球团的工艺示意图。图 2 转底炉预还原铬矿粉团块或球团工艺Fig. 2 Pre-reduction lumps or agglomeration of fi
14、ne chromite ore powder by rotary hearth furnace以转底炉预还原含碳铬矿团块或球团为原料进行竖炉冶炼不锈钢母液，具有以下优点：（1）金属化率高。转底炉预还原工艺可使含碳铬矿团块或球团中铁的金属化率达到75，铬的金属化率达到 35，从而减轻了竖炉的负荷，有利于提高竖炉的生产效率。（2）能耗低。熔化还原竖炉产生的煤气能供应给转底炉，预还原转底炉本身产生的烟气通过燃烧后一部分供给干燥工序，另外可通过余热发电回收能量。预还原产生的返煤粉碎后作为含碳团块的碳源，使燃料在流程中得到充分利用，提高了整个工艺的能量利用效率。（3）环境友好。该工艺除了排放一些 CO2
15、外，其它三废排放几乎为零。由于能源利用效率高，CO2的排放量比其它冶炼含铬合金铁液工艺少。另外，可以回收处理钢铁企业产生的含铁、铬、镍等粉尘、污泥、废料等，无论从经济上和环保观点来看，都具有重要意义。因此，在我国开发此项技术，特别是铬矿粉利用技术，符合我国的可持续发展战略和发展循环经济的总体目标。3.23.2 熔化还原竖炉熔化还原竖炉作为新工艺的关键设备，熔化还原竖炉是将普通高炉炉缸的熔融还原和废钢熔化炉的快速加热技术整合在一起，尽可能地采用当前炼铁领域的最新技术和装备，例如氧-煤喷枪技术、高富氧喷吹、干法除尘、脱湿鼓风、高风温热风炉、余热回收以及先进的耐火材料等等。这种整合创新的思路使熔化还
16、原竖炉具有以下特点。（1） 使用自产竖炉煤气加热球式热风炉产生 1250以上高风温是国内首创。（2） 采用引进氧-煤喷枪技术，富氧率能达到 515%（设计最大能力 20%），煤比达250kg/t（最大能力可达 400kg/t）。（3） 竖炉使用的是经预还原处理过的球团矿，其铁、铬的金属化率分别达 75和35，可以大大减少用于直接还原的能耗；球团矿入炉前的筛分，也有利于炉况顺行和降低焦比。4 4经济效益估算经济效益估算球团矿主要原料南非 UG2 矿选用的价格为 20002004 年 5 年的平均进口价格。高炉铁水的价格参照原一钢公司 2000 至 2004 年，5 年的平均实际成本；焦炭、煤粉的价格参照原一钢公司 2002 至 2004 年，3 年平均实际成本；辅助材料及燃料动力的价格参照原一钢公司近期实际成本。外购铬铁合金，铬含量为 50%；自产铬铁合金铁水，铬含量为25%。U
