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礦熱爐與AOD爐雙聯(lián)法冶煉不銹鋼的設計

文檔作者：王哲袁守謙邢曼華文檔來源： 1．西安建筑科技大學 2．徐州金象冶金有限公司，		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月03日
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· 38· 重型機械 2010 No．4
· 設計計算·
礦熱爐與AOD爐雙聯(lián)法冶煉不銹鋼的設計
王 哲 ，袁守謙 ，邢曼華
(1．西安建筑科技大學，陜西西安710055；
2．徐州金象冶金有限公司，江蘇徐州221300)
摘要：根據(jù)國內(nèi)外冶煉不銹鋼工藝的發(fā)展趨勢和不銹鋼廠與鎳鐵合金廠的生產(chǎn)工藝特點，以及
徐州金象冶金有限公司的實際條件，確定了一套節(jié)約能耗、減少成本的生產(chǎn)工藝：立窯燒結(jié)一
25 000 kVA的礦熱爐一酸性爐襯AOD爐一堿性爐襯AOD爐一澆鑄或連鑄進行不銹鋼生產(chǎn)，經(jīng)分析表
明，此工藝具諸多優(yōu)點，對鎳鐵行業(yè)的發(fā)展提供重要參考。
關鍵詞：不銹鋼；鎳鐵合金；礦熱爐；氬氧精煉爐；工藝方案
中圖分類號：TF742．2 文獻標識碼：A 文章編號：1001—196X(2010)04—0038—04
Design for smelting stainless steel with duplex-melting process of
submerged arc furnace and AOD furnace
WANG Zhe ，YUAN Shou．qian ，XING Man—hua
(1．Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China；
2．Xuzhou Jinxiang Metallurgical Co．，Ltd．，Xuzhou 221300，China)
Abstract：According to the developmental tendency of smehing stainless steel at home and abroad and the production
engineering feature of stainless steel factory and ferro—nickel factory，as well as actual condition of
Xuzhou Jinxiang Metallurgical Co．，Ltd．It makes sure a production engineering of smelting stainless steel with
duplex-mehing process of submerged arc furnace and argon oxygen deearburizing furnace of saving energy ex
penditure and reducing cost：vertical kiln sintering-25 000 kVA submerged arc furnace·-AOD of acid·-proof lin--
ing—A0D of alkali·proof lining—stainless steel production of moulding or continous casting，the analysis shows
that the produciton engineering has many advantages and provides important reference for the development of
ferro-nickel alloy industry．
Key words：stainless steel；ferro—nickel alloy；submerged arc furnace；AOD；technological process solution
1 前言
目前不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)多采用三步法(初煉
爐一轉(zhuǎn)爐-VOD／RH)或者二步法(電爐一A0D
爐)生產(chǎn)不銹鋼。這兩種工藝在第一步都需將室
溫下的鎳鐵合金和高碳鉻鐵加熱至1 500℃左右
收稿日期：2010—05—26；修訂日期：2010—06—21
作者簡介：王哲(1982一)，男，碩士，徐州金象冶金有限公司
工程師。
之后再進入精煉爐精煉，而化鐵過程需消耗大量
電能，高電耗成本使投放市場的不銹鋼產(chǎn)品降低
了競爭力。
在國內(nèi)，鎳鐵合金作為一種新興產(chǎn)品，是國
內(nèi)不銹鋼廠在尋找純鎳的替代產(chǎn)品時出現(xiàn)的一種
生產(chǎn)成本低于純鎳、質(zhì)量滿足不銹鋼生產(chǎn)要求、
并含有一定量生鐵的鐵合金。礦熱爐冶煉出的鎳
鐵合金含有較高的潛熱，目前這部分熱量并未被
利用，本文根據(jù)國內(nèi)外生產(chǎn)不銹鋼工藝的發(fā)展趨
勢和不銹鋼廠與鎳鐵合金廠的生產(chǎn)工藝特點及公
2010 NO．4 重型機械 ·39·
司的實際條件，以節(jié)約能耗、降低成本、提高產(chǎn)
品質(zhì)量和增加產(chǎn)品附加值為目的，設計確定了一
套節(jié)約能耗，減少成本的生產(chǎn)工藝。
2 方案的提出
2．1 設計思想
徐州金象冶金有限公司現(xiàn)有2 x 25 000 kVA
礦熱爐生產(chǎn)鎳系鐵合金。工藝流程如下：
(1)不銹鋼生產(chǎn)：立窯燒結(jié)一礦熱爐一酸性
爐襯AOD爐一堿性爐襯AOD爐一模鑄或連鑄。
(2)不銹鋼基料生產(chǎn)：立窯燒結(jié)一礦熱爐一
堿性爐襯A0D一澆鑄或連鑄。
該工藝利用礦熱爐生產(chǎn)出來的鎳鐵，通過熱
送，先進行脫硅處理，再進行不銹鋼的精煉，最
后生產(chǎn)出合格的不銹鋼或不銹鋼基料，既節(jié)約生
產(chǎn)與運輸成本，生產(chǎn)控制方面也十分靈活。礦熱
爐一酸性爐襯的AOD爐一堿性爐襯的AOD爐，
此工藝比起上述兩種工藝省去了化鐵這一個工
藝，使每生產(chǎn)一噸不銹鋼成本大大下降? 。
2．2 設計原則
本設計方案在徐州金象冶金有限公司目前已
有的設備上增加了幾套設備，設計年產(chǎn)4萬t不
銹鋼鋼坯。該工藝優(yōu)點是采用礦熱爐冶煉鎳鐵合
金與氬氧精煉爐冶煉不銹鋼相結(jié)合的新工藝，降
低能耗。本方案以生產(chǎn)304不銹鋼為主要目的，
可根據(jù)市場變化來確定生產(chǎn)的產(chǎn)品，例如在不銹
鋼市場波動很大的時候可以生產(chǎn)低磷的不銹鋼基
料，不銹鋼基料是低磷、低硫、低碳、低硅的不
銹鋼生產(chǎn)原料，不銹鋼廠用此產(chǎn)品可省去脫硅、
脫碳等過程，此產(chǎn)品在寶鋼、太鋼等大型鋼廠非
常受歡迎。在降低生產(chǎn)成本的同時降低運輸與銷
售成本。
礦熱爐冶煉的鎳鐵合金的成分中，硅含量非
常高，若鎳鐵直接進入堿性爐襯的AOD爐，會
產(chǎn)生大量的酸性渣，侵蝕爐襯將十分嚴重，爐齡
會大大縮短，爐齡高低不但決定了不銹鋼生產(chǎn)技
術的先進性，而且也是控制成本的一個途徑。為
了在脫磷之前將硅含量達到要求、保護爐襯及降
低成本，在進人堿性AOD爐之前，先將鎳鐵水
進行預處理，即脫硅、脫碳、脫磷。為了節(jié)約投
資成本，減少后期的維修費用，從長遠考慮，將
酸性爐襯的AOD爐與堿性爐襯的AOD爐設計為
同一爐型。
在設計礦熱爐原料時，燒結(jié)礦采用料斗直接
上料，其入爐溫度大概在700—800℃ ，每噸成
品鎳鐵的電耗從之前的8 500 kW降到6 700 kW，
成本下降了10％。
礦熱爐采用布袋除塵，減少污染的同時還能
回收含鎳粉塵。氬氧精煉爐的鐵水由礦熱爐熱
送，以節(jié)省熱損失。
2．3 生產(chǎn)原料、輔料及產(chǎn)品品種、產(chǎn)量
(1)主要原料：鎳礦、高碳鉻鐵、不銹鋼回
爐料；
(2)輔料：焦粉、精洗煤、二級冶金焦、石
灰、脫硫劑、脫磷劑、鉻礦；
(3)鎳鐵年產(chǎn)量3萬t；不銹鋼基料0．1萬t；
年產(chǎn)不銹鋼2．8萬t。產(chǎn)品規(guī)格及成分如表1
所示。
表1 產(chǎn)品規(guī)格及成分 ％
規(guī)格 C Mn Si P S Cr MO Ni
304 ≤ 0．08 ≤ 2．00 ≤ 1．00 ≤0．04 ≤ 0．04 18～20 8～l1
3O4L ≤ 0．03 ≤ 2．o0 ≤ 1．00 ≤ 0．04 ≤ 0．04 18～20 9～13
316 ≤ O．O8 ≤ 2．O ≤ 1．00 ≤ 0．04 ≤ 0．04 16～18 2 一-3 10—14
316L ≤0．03 ≤2．0 ≤0．75 ≤0．04 ≤0．O3 16～18 2～3 l0—14
基料 ≤0．08 ≤O．8 ≤0．04 ≤0．04 15—20
2．4 工藝流程
2．4．1 立窯燒結(jié)
將紅土鎳礦與焦末或精煤通過滾筒混料機均
勻混合后，進入立窯燒結(jié)。
2．4．2 25 000 kVA礦熱爐冶煉
燒結(jié)后的成品熱送至礦熱爐中。兩臺礦熱爐
相隔2．5 h分別出鎳鐵水，出鐵水前在包內(nèi)加入
一定量的脫硫劑，出鐵溫度不能低于1 450℃ ；
鎳鐵水量：4～5 t(Ni：12％)。
2．4．3 酸性爐襯AOD爐
將礦熱爐所出4～5 t鎳鐵水用平板小車，從
一號車間通過鐵軌運到二號車間之后扒渣，在酸
· 40· 重型機械 2O10 No．4
性AOD爐中加入部分石灰后，將鎳鐵水倒入酸性
AOD爐中，通人氧氣后，進行脫硅脫碳處理，總
的操作時間為60 min，需將碳硅降到0．5％左右，
冶煉前鎳鐵品質(zhì)詳見表2，經(jīng)過吹氧冶煉后鎳鐵
品質(zhì)詳見表3，氧化si需耗氧氣1．14 kg／kg，脫
硅率達到9o％ 。
表2 冶煉前鎳鐵品質(zhì) ％
Ni si： P C S
1O ～12 ≤3 0．040 —0．047 ≤3 0．04～0．1
表3 冶煉后鎳鐵品質(zhì) ％
Ni Si： P C S
1O～12 ≤O．5 O．O40～0．047 ≤O．5 0．04 —0．1
酸性AOD爐整個脫硅過程需耗氧氣量
140 In ，按AOD爐子供氣參數(shù)最大瞬時流量為
800 Nm ／h計算，通氧時間為30～40 min。冶
煉完成之后扒渣，然后將鎳鐵水倒入鋼包之中
進人下一道工序，此時，鋼包里的鐵水已經(jīng)達
到不銹鋼基料所要求的品質(zhì)質(zhì)量，若冶煉不銹
鋼則需進人堿性爐襯AOD爐。
2．4．4 堿性爐襯AOD爐工序
在堿性AOD爐里提前加入墊底冷料(高碳鉻
鐵和石灰)，將酸性爐襯AOD爐生產(chǎn)出來的高溫
鎳鐵水兌人其中，搖直爐體，吹人氬氧混合氣體，
進人氧化期。開始吹煉時，采用Ar：0：=1：3進行
吹煉，此時硅、錳被氧化冒出很濃的紅煙。當紅
煙消失，火焰露頭，說明硅錳基本氧化完畢，碳
開始氧化。當碳焰收縮變軟時，鋼液中的碳大約
為0．2％左右，可取樣分析，并變換氬氧比例，用
Ar：0 =1：2及Ar：02=1：1吹煉。當碳焰收縮分
叉，在爐口周圍有微薄的紅煙冒出，碳含量大約
為0．05％ ～0．08％。如吹煉超低碳不銹鋼時，再
變換氬氧比例，使Ar：0：=2：1甚至Ar：0 =3：1
繼續(xù)吹煉，當爐口碳焰很少，冒出的火焰發(fā)白時，
鋼中碳含量大約在0．03％ 以下。吹煉至終點時，
立即加入硅鐵、電解錳及石灰組成的還原料，同
時吹人氬氣攪拌6～8 min，還原渣堿度控制在1．5
左右。吹氬結(jié)束后取鋼水樣分析C、Mn、P、S、
Si、Cr、Ni等，出鋼前根據(jù)化驗結(jié)果對鋼水成分
進行調(diào)整，調(diào)整之后扒去部分渣，立即出鋼。304
不銹鋼的出鋼溫度大約在1 575 oC。
2．4．5 澆鑄或連鑄生產(chǎn)
出鋼：將鋼水倒人鋼包中，通過行車將鋼包
運到澆鑄車間進行澆鑄。
2．5 工序時間的確定
通過礦熱爐出鐵時間來調(diào)整整個工藝的順序
時間，使生產(chǎn)連續(xù)且保持最高的生產(chǎn)效率。礦熱
爐每2．5 h出一次鐵，出鐵量在4～5 t，AOD爐
的裝載量為8 t，酸性AOD至堿性AOD的整個
冶煉工序的時間約為1．5 h，生產(chǎn)過程中若礦熱
爐出鐵時間提前，可以將鐵水澆鑄成鎳鐵錠，為
后面的工藝準備冷料。
3 主要設備的選擇與設計
3．1 立窯
立窯的直徑為3．8 rn，用于生產(chǎn)燒結(jié)鎳礦，
Et產(chǎn)燒結(jié)礦500～700 t。
隨著硫化鎳資源和高品位紅土鎳礦資源的逐
漸減少，大量品位為l％左右的紅土鎳礦的開發(fā)
日益為人們所關注 J。在紅土鎳礦處理方面，
比較成熟的冶煉方法包括 J：回轉(zhuǎn)窯干燥預還
原一電爐熔煉法、燒結(jié)一鼓風爐硫化熔煉法、燒
結(jié)一高爐還原熔煉法及還原焙燒一氨浸法和高壓
酸浸法。其中燒結(jié)一鼓風爐硫化熔煉法是一種經(jīng)
典工藝，在前蘇聯(lián)和北歐使用較多，如列Et鎳廠
兩臺11．7 m 鼓風爐、一臺20 m 鼓風爐，年產(chǎn)
6 000 t的低冰鎳；烏法列伊鎳公司6臺20 m 鼓
風爐處理含鎳0．76％ 的氧化鎳礦200萬t。燒
結(jié)一高爐還原熔煉工藝是具有中國特色的獨創(chuàng)工
藝。隨著國家產(chǎn)業(yè)政策的調(diào)整，大量500 m。以
下的煉鐵高爐被淘汰。被淘汰的高爐又被用于紅
土鎳礦的處理，生產(chǎn)含鎳3％ 一5％的含鎳生鐵。
從技術層面講，燒結(jié)～高爐還原熔煉工藝存在著
高爐體積利用率低、焦炭消耗量大、燒結(jié)污染嚴
重、鎳生鐵含磷高及鎳回收率低等缺點。
3．2 礦熱爐
兩臺25 000 kW 的礦熱爐用于生產(chǎn)鎳鐵合
金。一臺礦熱爐平均日產(chǎn)量45 t。礦熱爐生產(chǎn)鎳
鐵成分見表4。
3．3 酸性爐襯AOD爐
由表4可知礦熱爐冶煉出的鎳鐵中Si含量較
高，控制進入AOD爐的原料中si含量非常重要，
2010 No．4 重型機械 ·41·
最好在進入堿性AOD爐之前先進行脫硅處理，將
si含量降到0．6％以下。采用酸性爐襯的轉(zhuǎn)爐工
藝或者酸陛爐襯的AOD爐進行脫硅，脫硅率可達
95％ ，由于此工藝環(huán)節(jié)主要進行氧化脫硅，生成
爐渣以酸性硅酸鹽為主，所以為保證爐齡選擇以
硅碳磚為主的酸性爐襯，8 t酸性爐襯AOD爐用
于脫硅、脫碳、脫磷。
為了便于維修與更換AOD爐各個配件，將酸
性爐襯的AOD爐與堿性爐襯的AOD爐的爐體設
計為同一尺寸。AOD爐的主要參數(shù)見表5。
表5 AOD爐的主要參數(shù)
爐體容量／t 8
最大出鋼量／t 10
型式 爐體可更換型
爐殼外徑／mm 4)2 800
爐體高度／mm 3 4o0
爐容比／(m ／t) ≤0．7
爐殼材質(zhì) 16Mn鋼
3．4 堿性爐襯AOD爐
8 t堿性爐襯AOD爐通過氧化過程、還原過
程與脫硫反應生產(chǎn)出合格不銹鋼。堿性AOD爐
爐襯的蝕損，主要是化學和機械沖刷，氧化一還
原作用使爐襯耐火材料中的氧化物解體?；瘜W侵
蝕中，渣中的SiO，含量在鉻還原階段突然增高，
在氬氣的攪拌下與爐襯中的MgO發(fā)生反應，導
致浸入層鉻鎂磚的軟化。堿性AOD爐爐襯的損
耗在不銹鋼生產(chǎn)成本中也占很大的比例。目前爐
襯多采用鉻鎂磚，鉻鎂磚的價格相對較高，所以
選擇適合的爐襯和利用合理的生產(chǎn)方法是保證爐
齡和降低成本的一個重要的途徑。AOD爐在整
個精煉過程中，爐渣成分是變化的，有時是酸性
渣，有時是堿性渣。典型AOD爐爐渣成分列于
表6中。
表6 冶煉過程不同階段結(jié)束時的爐渣成分
階段組成 脫碳終渣 還原終渣 脫硫渣 中性渣
Cr20 ％ 40．2 15．2 0．7 1．5
Al2O3／％ 5．0 9．2 9．2 8．5
SiO ／％ 23．6 39．6 24．8 32．2
Ca0／％ 7．1 13．6 58．O 46．5
MgO／％ 8．1 13．1 5．5 7．1
ΣFeO／％ 6．3 1．4 0．5 0．5
Mn／％ 7．6 6．2 0．4 2．0
堿度
O．1～1．1 0．2 ～0．4 2．3 ～2．4 1．4～1．7
(CaO／SiO2)
表6中所列舉的四種渣，其中脫碳渣和還原
渣每爐次都會用到。脫硫渣用于精煉要求[S]≤
0．01％的鋼種，而中性渣則用于精煉已脫過硫的
鋼渣。
3．5 供氣氣站
根據(jù)公司不銹鋼產(chǎn)量水平，選擇建設一套供
氣氣站，采用氣體儲罐，分別儲藏氧氣、氬氣、
氮氣，以每月產(chǎn)鋼2 500 t、耗氧50 m ／t、耗氮
26 m ／t、耗氬19 m ／t計算。
3．6 除塵系統(tǒng)
AOD爐有兩種除塵方法，一種是直接滲風
法，風量較大；另一種是強制冷卻法，風量較小，
進入除塵器溫度穩(wěn)定，但投資費用較大。本方案
采用直接滲風法及二臺AOD爐合并一個除塵系統(tǒng)
治理煙塵，以經(jīng)濟合理的風量及價格來設計。本
設計中除塵器的型號LCMC96—7離線脈沖袋式除
塵器；濾袋規(guī)格 130 ITlIn×3 600 rain。
在AOD爐電爐上面設置旋轉(zhuǎn)式風冷狹縫吸
罩，AOD爐電爐加鐵水時，整個吸罩旋轉(zhuǎn)至爐
邊，正常熔煉時旋轉(zhuǎn)至電爐上方捕集煙氣。
4 設備與廠房投資估算
整個工藝所需新增設備與廠房等的投資預算
見表7。
表7 設備投資預算表 萬元
名稱 價格
兩臺AOD爐設備 150
輔助設備 285
廣房 200
總費用 635
5 結(jié)語
該工藝與目前傳統(tǒng)的不銹鋼冶煉工藝相比有
以下優(yōu)點：
(1)充分利用鎳鐵潛熱，生產(chǎn)工藝流程較短。
與電爐一A0D爐一V0D爐工藝和電爐一A0D爐
工藝相比，該工藝充分利用了礦熱爐冶煉的鎳鐵
水的熱量，鎳鐵水經(jīng)過鐵水預處理之后直接進人
AOD爐經(jīng)過氧化還原煉成合格不銹鋼。而電爐一
AOD爐一VOD爐工藝和電爐一AOD爐工藝在電
爐化鐵一個環(huán)節(jié)所需要的時間大約為2 h。
(下轉(zhuǎn)第45頁)
2010 NO．4 重型機械 ·45·
表2 剪切力P的計算值 kN
s，h 一0．2 —0．1 0 0．1 0．2 0．5 備注
諾沙利 0．758 5 O．718 7 0．686 5 0．659 7 0．625 7 0．585 4
kl=1．5
柯洛遼夫 0．684 5 0．633 8 0．592 9 0．559 0 0．5l5 8 0．464 7 k =0．7
矗 =1．2
村川正夫 k，：0．5～0．58
0．901 2 0．955 9 1．007 6 0．807 8 0．677 8 0．541 2
前田禎三 k =0．7
k1=1．5
本文 0．560 0 0．590 4 0．626 5 0．590 4 0．560 0 0．490 9 k =0．7
k =1．27
當0

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