兰格视点：中国不锈钢冶炼工艺及发展

中国已成为不锈钢消费和生产大国，不锈钢需根据不同品种及原材料种类组织生产。目前，中国不锈钢生产发展方向是提高质量 、降低成本 、节能减排，同时在原材料和技术设备匹配上不断优化。

不锈钢因其优异的耐腐蚀性和优良的综合性能，日益广泛地应用各个工业领域和民用领域。我国不锈钢生产起晚，2000年结束长期徘徊在30万吨的状况，呈现出跨越式、跳跃性迅猛发展的态势。2020年全球不锈钢粗钢产量 5089万吨，中国不锈钢产量达3014万吨，占全球产量的 59.2%。随着产能的提升，如何通过优化工艺流程及降低原料成本，提升企业的市场竞争性力迫在眉睫。

1、不锈钢冶炼的发展

20世纪初英国的谢菲尔德成功冶炼浇铸第一炉商品级不锈钢，不锈钢从此进入人们视线 。到 20世纪40年代，美国人希尔蒂(D.C.Hilty)通过对 Cr-C温度平衡的研究，提出在高温条件下脱碳保铬理论，奠定了不锈钢冶炼理论基础 ，在此基础上进一步研究了降低液化碳的分压对不锈钢生产物化反应的影响，催生了不锈钢冶炼技术的进步。到 20世纪 60年代中后期 ，德国维腾公司 Edel工厂研制成功真空法 VOD，以及美国联合碳化物公司的稀释法 AOD，大大地降低了不锈钢冶炼成本，提高了不锈钢生产效率 ，使不锈钢大规模生产成为可能。

2、不锈钢冶炼设备

不锈钢冶炼工艺的选择与钢种和原材料有关 ，这些原材料主要包括 ：废钢 、铁水 、铬矿石 、镍矿合金等 。

不锈钢冶炼所用的装备分为初炼设备和精炼设备两大类 ，初炼设备包括 ：电弧炉(EAF)、非真空感应炉(一般用于小规模生产 )、矿热炉、转炉。精炼设备主要包括钢包型精炼设 备(VOD、SS—VOD、VOD—PB等 )、 转炉型精炼设 备 (AOD、VODC、VCR、CLU、KCB—S、KOBMS、K—BOP、MRP—L、GOR等)及RH功能扩展型精炼设备(RH—OB、RH—KTB、RH—KPB等 )三大类。

通常而言，冶炼原料为废钢时，初炼设备采用电弧炉 +精炼设备的短流程工艺 ；

原料是铁水时，初炼设备采用转炉 +精炼设备的工艺；原料是废钢 +铁水时 ，初炼设备采用电弧炉 +转炉 +精炼设备的工艺 ；原料是铬矿石 时，初炼设备采用熔融还原转炉 +脱碳转炉 +精炼设备的工艺(目前该工艺为日本川崎制铁选用 )；国内采用红土镍矿为原料时，初炼设备采用干燥窑 +回转窑 +矿热炉 +转炉+精炼设备的工艺。

3、不锈钢冶炼工艺路径

目前生产不锈钢的冶炼工艺主要分为一步法、二步法和三步法。

3.1一步法冶炼工艺

早期的一步法不锈钢冶炼工艺是指在一座电炉内完成废钢熔化、脱碳、还原和精炼等工序，将炉料一步冶炼成不锈钢。这种仅用电炉冶炼不锈钢的一步法冶炼生产工艺，由于冶炼周期长，作业率低，生产成本高，被逐步淘汰。随着炉外精炼工艺的不断发展以及AOD 炉的广泛应用，目前很多不锈钢生产企业采用部分低磷或脱磷铁水代替废钢，将铁水和合金作为原料进入AOD炉进行不锈钢的冶炼，由此形成了新型一步法冶炼工艺。

新型一步法冶炼工艺与早期一步法相比在生产流程上取消了电炉这一冶炼环节，其优点包括：一是降低投资；二是降低生产成本；三是高炉铁水冶炼降低了配料成本，降低了能耗，提高了钢水纯净度；四是废钢比低，适应现有的废钢市场；五是对于冶炼400系列不锈钢尤为经济。

但新型一步法对原料条件和产品方案具有一定要求：一是要求AOD入炉铁水磷含量低于0.03%以下，因此冶炼流程中须增加铁水脱磷处理环节；二是新型一步法中合金作为原料加入了AOD炉中，而AOD 炉中加入的高碳合金量过大会影响整个冶炼过程的热平衡，不适用于成分复杂、合金含量高的不锈钢品种。

新型一步法不锈钢生产工艺目前被广泛应用于生产400系列不锈钢。作为发展中国家，中国废钢资源缺乏，又是极度贫镍的国家，加之400系列不锈钢在日常生活和工业生产领域的应用范围越来越广，这些客观条件使得新型一步法不锈钢冶炼被越来越多的生产企业采用。

3.2 二步法冶炼工艺

二步法工艺路线为EAF→AOD、EAF→VOD（电弧炉→VOD真空精炼炉）。EAF→AOD工艺的产能约占世界不锈钢产能的70%左右，其中EAF炉主要用于熔化废钢和合金原料，生产不锈钢预熔体，不锈钢预熔体再进入到AOD炉中冶炼成合格的不锈钢钢水。

两步法工艺若电炉入炉原料磷含量较高，则需在电炉和AOD 炉间加入不锈钢预熔体脱磷的环节。目前较常采用的预熔体脱磷工艺有转炉脱磷和铁水罐顶喷脱磷。两步法采用高炉铁水作为不锈钢冶炼主原料时，若高炉磷含量高，则也需要加入脱磷的环节。

二步法不锈钢冶炼工艺被广泛应用于生产各系列不锈钢，其优点包括：电炉对原材料要求不高，生产周期相对于一步法工艺稍短，灵活性好，可生产除了超低碳、氮不锈钢外95%的不锈钢品种。

但二步法在介质消耗、品种方案等方面仍须注意以下三点：一是近年来随着冶炼工艺的进步和操作水平的提高，两步法冶炼工艺的氩气等介质消耗量明显减少，但相比一步法和三步法其氩气等介质消耗仍稍大；二是AOD炉脱碳到终点时，钢水中氧含量较高，须加入硅铁还原钢水中的氧，因此硅铁耗量高；三是目前还不能用于生产超低碳、氮不锈钢，且钢中含气量较高。

3.3三步法冶炼工艺

三步法的基本工艺流程为：初炼炉→复吹转炉/AOD炉→真空精炼装置。三步法是冶炼不锈钢的先进方法，产品质量好，适用于专业化的生产厂家，也适用于联合钢铁企业的不锈钢生产。

不锈钢三步法是在二步法的基础上增加了深脱碳的环节，其冶炼工艺优点为：一是各环节分工明确，生产节奏快，操作优化；二是产品质量高，氮、氢、氧和夹杂物含量低，可生产的品种范围广；三是可采用铁水冶炼，对原料的要求也不高，原料选择灵活。

不过，三步法不锈钢冶炼工艺将冶金功能分步实现，对生产投资会产生以下影响：一是增加了工艺环节，投资和生产成本较高；二是真空装备系统复杂，维护量大。

目前世界上生产不锈钢的冶炼工艺主要还是采用二步法和三步法，其中EAF+AOD 或EAF+VOD 的两步法工艺应用最为广泛，约占70%，三步法工艺约占20%。随着低磷铁水被广泛应用于不锈钢生产，新型一步法不锈钢冶炼工艺也被越来越多的不锈钢生产企业采用。为适应不锈钢市场的激烈竞争，提高产品质量同时也降低生产成本，我国各企业根据自身的实际情况选择合适的不锈钢冶炼工艺。