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低成本生产不锈钢母液新工艺
CompanyDocumentnumber：
WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
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3
1.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
ANewProcessforProducingStainlessSteelMasterAlloysatLowerCost
LiYiwei1，DuHongjin1，JiangMin1，ZhangKai1，ZhouYusheng2，
ZhengShaobo3，XuJianlun3
1.StainlessSteelBranch,BaosteelGroup；2.BaosteelTechnologyCenter；3.SchoolofMaterialScienceandEngineering,ShanghaiUniversity
Abstract:
Anewprocessofproducingstainlesssteelmasteralloyscontaining>25%CrwithlowercostisbeingdevelopedbyStainlessSteelBranch,BaosteelTechnologyCenterandShanghaiUniversity.Thetwostepsprocesswillincludethepre-reductionoflumpsoffinechromiteorebymeansofarotaryhearthfurnaceandthefinalreductioninamelting-reductionshaftfurnace.
Keywords:
stainlesssteelmasteralloys;pre-reduction;rotaryhearthfurnace;melting-reducingshaftfurnace
1．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仅为65万吨，到2003年突破420万吨，年均增长率达到%。
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年我国进口不锈钢万吨，2002年进口万吨。
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．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：
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％，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Cr>25％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Cr2O3>40%，同时铬铁矿中的TCr+TFe最好也较高，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/Fe<2，最好Cr/Fe比达左右。
（3）Al2O3含量要低，SiO2含量要高。
由于铬铁矿中MgO和Al2O3含量比较高，而焦炭和煤粉的灰分中也含一定量的Al2O3。
势必造成炉渣中含Al2O3超过20％，从以往的实践经验看，高铝渣粘度大、熔点高，会给配渣带来极大的困难。
因此，要获得较理想的冶炼指标，必须控制渣量，而选择的铬铁矿中要求Al2O3～10％，SiO2>6%。
（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1100～1200℃。
（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1600～2000℃，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10~30%，而70~90%的铬矿粉粒度<10mm，不能直接进入炉。
在国际市场上，块矿的货源少、价格高，而铬矿粉货源相对充足，价格也比块矿便宜15～20％。
南非的Bushveld复合UG-2精矿粉就是性价比比较高的含铬原料[8、9]，其特点是易熔化和易还原。
这种矿是与铂族贵金属共生矿，提取贵金属后的尾矿含铬25％左右，价格在10～20美元／吨。
通过浮选可将Cr2O3富集到40％以上，粒度小于1mm，是新工艺理想的铬矿原料。
采用价廉物美的铬粉矿进行预还原造块或球团是实现低成本生产不锈钢母液工艺的物质基础，而南非的UG-2精矿粉是可以作为新工艺主要原料的最好选择。
此外，津巴布韦、印度、越南和澳大利亚等铬铁矿也能满足此工艺的要求。
3．工艺流程
低成本生产含铬铁水工艺流程如图1所示。
该工艺的关键技术有两方面，一是采用转底炉对铬矿粉团块或球团进行预还原技术，另一方面是熔化－还原竖炉终还原技术。
图1低成本生产含铬铁水工艺流程
转底炉预还原铬矿粉团块或球团技术
国内外对铬矿粉的处理方法主要有冷固结压块、预还原热固结球团和烧结三种。
这三种技术都是最早用于铁合金行业冶炼高碳铬铁，它是作为矿热炉的原料予以研究开发与应用的，目的就是为了开发利用粉矿资源和节能降耗。
国内的铁合金企业为了充分利用铬矿粉，通常配备了制备含铬冷固结团块的设备，一般使用0～5mm的粉矿，粘接剂有水玻璃、消石灰、糖浆等，用压块机制成块后直接进矿热炉生产高碳铬铁或硅铬合金，可以获得良好的冶炼指标和经济效益。
为了加速铬铁矿的还原，可在冷固结团块中加入适量的焦粉，生产含碳的冷固结团块。
球团和团块的最大区别是它们对原料粒度要求的不同，球团要求铬铁矿和焦炭的粒度<200目均大于65％以上，因此矿粉和焦炭需要碾磨加工。
上世纪八十年代，浙江冶金研究所进行过冷固结含碳铬矿球团的试验研究，依设计的比例，将印度铬矿、焦粉、粘结剂和还原促进剂混匀后，在φ500mm圆盘造球机中成球，球团粒度可达φ10～14，烘干后球团抗压强度为4～10kg/球。
含碳热固结铬矿球团比其它的造块方法效果更加显着，预还原热固结铬矿球团技术的开发应用较广，如南非具有专利的SRC法。
七八十年代我国在这方面进行过开发研究的单位有北京钢铁研究总院、湖南省冶金研究所、浙江省冶金研究所、吉林铁合金厂和湖南铁合金厂，经回转窑1270～1400℃焙烧出来的成品球团金属化率在50～60％，抗压强度>40～50Kg/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％，铬回收率提高1～2％，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%与普通烧结矿60%的指标接近，低温还原粉化指标为%，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.2Pre-reductionlumpsoragglomerationoffinechromiteorepowderbyrotaryhearthfurnace
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。
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5~15%（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．经济效益估算
球团矿主要原料－南非UG2矿选用的价格为2000～2004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%。
UG2球团矿生产的合金铁水的成本在不同的富氧率下，消耗指标有差异，因而成本也不同。
通过4种方案的计算，遵循谨慎原则，以成本最高的方案（富氧率20％）作为计算的基数。
采用“竖炉铬铁合金铁水＋高炉铁水”生产不锈钢母液与用“铬铁合金＋高炉铁水”两种生产方式的原料成本比较见表1。
表1“两步法新工艺”与传统工艺制备不锈钢母液成本比较（元）
Table1.Costcomparisonbetweennewtwo-stepprocessandtraditionalprocessinproducingstainlesssteelalloys（CNY）
序号
消耗原料
单价
新建铬铁冶炼竖炉
外购铬铁合金
单耗
单位成本
单耗
单位成本
1
铬铁合金铁水（25%）
2521
2
铬铁合金（50%）
4896
3
普通高炉铁水
1024
通过计算得出结论，用竖炉合金铁水（铬25%）代替外购铬铁合金生产不锈钢，不锈钢母液的原料成本可以在原有基础上降低330元/吨。
按每吨钢水节约成本300元计，如果该工艺能够推广使用，以不锈钢公司产能150万吨计算，每年可以节约成本亿元。
5．结论
采用铬矿粉冷固结含碳团块或球团—转底炉预还原—熔化-还原竖炉终还原两步法生产含铬（>25%）铁水工艺路线，与传统不锈钢母液制备工艺相比具有明显优势。
（1）省去了碳素铬铁生产工序，直接生产不锈钢母液，可以降低不锈钢生产成本，节约能源，减少污染。
（2）原料的适应性强，对铬矿的要求比矿热炉低，可以充分利用有限的国内铬矿和国外廉价的铬矿粉资源。
（3）以煤代电，合理利用一次能源。
（4）在调整球团铬铁比的过程中，可以利用钢铁企业的含铁粉尘、污泥，有利于冶金环保和循环经济的发展。
（5）采用两步法新工艺制备不锈钢母液（含铬25％），原料成本可以降低300元／吨左右，经济效益显着。
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