李 冲

（响水恒生不锈钢有限公司，江苏 盐城 224631）

不锈钢类型较多，其中含有铬、钼与镍等重金属元素，在冶炼期间原料结构较为复杂，流程较长，生产成本较高。近年来，资源短缺成为全球性问题，随着资源供需矛盾的进一步激化，为了节约更多不锈钢冶炼成本，开始以镍铁水为原料，用红土镍矿替代价格较高的铬、镍合金等进行冶炼300系列不锈钢，现已在国内广泛应用，占不锈钢总产量的60%，使资源短缺问题得到一定缓解。

镍铁水主要由Si、P和S构成，上述元素含量对后续不锈钢路线选择具有决定性作用。在以镍铁水为原料的生产工艺中，该原料源于小高炉与矿热炉中的红土镍矿，将其称为粗镍铁水。其中，前者主要生产低镍粗镍铁水，镍品位约为1.5%，后者用于生产高镍粗镍铁水，品位约为10%。根据铁水成分可知，在粗镍铁水中Si含量相对较高，可使后期冶炼时间得以缩短，且冶炼操作更加稳定。为达到目标成分，还需要将粗镍铁水中的硅脱离出来，例如，在生产磷含量、硫含量较低的不锈钢产品时，需要对铁水中S、P含量进行脱除。站在工艺配置的立场上看，应带有镍铁水的精炼设施。在以往的不锈钢生产中，主要原料为固态冷，但当前以镍铁水为原料进行冶炼的方式，可将该原料的物理热充分发挥出来，有效减少能量损失。

根据上文研究可知，镍铁水中的P、S与Si含量较高。在不锈钢冶炼期间，应先对其进行磷和碳的脱离，帮助AOD冶炼减轻负担。对此，配置LD转炉完成冶炼目标。以300系不锈钢为例，利用转炉进行脱硅与脱碳处理。转炉的主要原料为镍生铁、镍铁水，为避免镍铁水中镍含量的稀释，结合冶炼钢种的相关要求，将适当量的低镍生铁加入其中。在冶炼期间吹氧进行碳与硅的脱离，再加入石灰造渣，将渣体碱度控制在1.2左右，融入石灰石后调整温度，并在终点位置利用高碳出钢，使后续热量需求得到切实保障。此外，在转炉出锅之前还应将熔化母液兑入其中，在强烈的底吹搅拌下，促进高碳铬铁内Si含量提升，使转炉内富铬渣得以还原[1]。

高炉生产出的镍铁水中硅含量通常较高，如若直接倒入碱性炉衬AOD炉内很容易形成大量酸性渣，使炉衬受到侵蚀，由此缩短炉龄，在无形中增加生产成本。在冶金热力学原理引导下，在脱磷之前先要进行脱硅处理，应将硅质量分数降低到0.2%以内，由此营造良好的脱磷环境。在实际应用中，为保护AOD炉衬不受损坏，节约成本投入，可在投入到碱性AOD炉内之前，先对镍铁水进行预处理，将磷与硅脱离出来。该项技术的操作要求如下：

（1）因AOD炉内脱磷热力学条件不充分，导致钢水中磷元素脱离难度增加，且一旦操作不当很容易缩短炉衬使用寿命。对此，应对投入到炉内的不锈钢母液质量严格要求，务必满足钢水终点成分中磷含量的要求，使300系列成品中磷含量控制在0.035%以内。

（2）对多种冶炼钢种提供恰当的初炼母液，要求成分与温度均为最佳，可确保后续AOD精炼工序中热量充足，使铬铁合金料需求得到满足。

（3）在预处理期间，各项操作应与后期精炼工序相符合，可动态调整母液成分与成品产量，充分符合生产变化。

该工艺的核心在于预处理转炉的应用，包括两方面内容，一是转炉炉型选择，包括修路方式、耐火材料等等，二是相关工艺参数，如底吹参数、供养制度以及原料加料制度等等，具体如下。

（1）转炉结构。采用顶底复吹式转炉，炉容比为0.97:0.6，复吹式吹炼可为脱硅操作提供良好的环境，促进硅分离效率提升，还可使熔池搅拌速度更强，加速钢-渣界面的反应效率，使吹炼反应保持稳定。在出钢口位置出钢，炉座与本体可相互分离，并配备两个备用炉壳。当炉衬无法继续使用后，可将其剔除，更换新的炉壳，由此节约以往转炉修复时间，促进工艺运行效率提升。炉衬中的耐火材料为碱性，工作层中用镁碳砖，永久层采用镁砖，碱性炉衬与惰性气体一同配合工作，在预处理工序中实现脱磷目标。转炉利用氧枪喷渣工艺，可有效延长炉衬应用时长，使其超过1000炉。在炉壳上带有U型脱圈，可用于炉壳更换，将螺栓与U型脱圈相连接，在替换炉壳过程中将螺栓拆卸开来，便可将炉壳运走，再利用起重机将炉壳运输到维修区。转炉倾动装置采用全悬挂形式，此类装置的质量较轻、结构较为紧凑、安全性较强，且占地面积较小[2]。

（2）工艺参数。在转炉吹炼开始后，镍铁水中的装入量为转炉出钢量均值的65%~70%之间，可为硅脱离操作提供充足的反应空间，当铁水内硅含量降低到规定界限后，可根据冶炼产品的相关规定，将部分废钢与合金料添加到转炉内，将中频炉熔化后加入合金料，当废钢与剩余合金料都冷却完毕后，对转炉温度进行调节，为后期磷脱离操作营造更加便利的环境，当添加量为转炉出钢量均值的30%~35%后，再开展脱磷、脱硅操作。顶底采用软吹方式，吹炼氧气压力范围在0.8MPa~1.2MPa之间，吹氧流量值为210m3/min，氮气压力值为1.0MPa，流量值为20m3/min，供气强度可变换范围在0.018m3/（t·min）~0.18m3/（t·min）之间。

2.3.1 镍铁合金热力学性质

铁硅铁合金属于新产品之一，主要作用在于铬矿熔融硅热法对母液中原料进行冶炼。结合钢液碳含量相关要求，对溶体内溶解度的影响进行分析，确保冶炼产品主元素成分要求得到满足。根据溶体中硅与碳含量间的关系曲线可知，不同合金体系中硅含量与碳析出效果具有较大影响，这与SiC中组合元素不同息息相关。根据初步试验探究结果可知，如若镍铁内硅含量超过10%，则碳含量便会满足不锈钢中钢水成分规定。针对不同的Ni/Fe来说，与多种温度条件相比，溶体内硅含量与溶解度间的影响规律相关，需要对SiC的热力条件展开深入探究。

2.3.2 “乳化”与“分相”行为探究

在还原反应期间，镍硅铁合金溶体中的脱硅速率不断增加，对成品生产速度具有决定作用。为节约铬损失率，促进硅利用率提升，在铁合金生产期间通常开展“逆流操作”，分成初脱硅与终脱硅两个阶段，前者是高硅溶体与Cr之间产生的液—液反应；后者是对没有充分熔化的铬与溶体之间开展固—液反应。值得强调的是，在不同工艺中，硅热还原在速度限制方面有所区别，应采用新的思路与方式创建热冶金反应模型，使冶炼操作更加科学高效。在不锈钢母液生产中，优先选用摇包作为反应器。在两液相面无反应的情况下，摇包的应用有助于二相界面之间的传质量。但从其他方向来看，界面传质期间可能引发马拉哥尼效应，这对两相混匀产生较大影响，强化传质过程。对此，在摇包反应器应用中，针对“乳化”与“分相”行为进行探究不但可强化冶金反应，还可有效规避钢—渣夹带造成的损失。

2.3.3 溶体沉淀脱磷、脱磷渣的选择

在不锈钢产品中，磷属于有害杂质之一，钢水还原脱磷技术虽然较多，但均未在工业领域得到广泛应用。主要是因不锈钢水成分与冶炼工艺不符合还原脱磷的条件。与之相反，在铁合金生产期间应用工业化技术，特别是在Mn系、Cr系铁合金来说，在合金内硅含量较高的情况下，脱磷效果将更加显著。以300系列不锈钢为原料的溶体，站在理论角度来看，还原脱磷工艺较为适用。对于铁合金还原脱磷技术来说，将还原脱磷变成沉淀脱磷效果更佳。一般情况下，可将溶体内的磷看成是CaSi合金反应的产物。但与高硅相比仍与热力学条件相反，反应公式如下：

镍铁合金内硅含量与脱磷效果具有直接影响。在硅含量不断提升的情况下，脱磷率会发生较大改变。究其原因，在Ca-Si-P体系内产生许多复杂磷化合物，需要通过深入探究的方式，明确沉淀脱磷产物对溶体反应产生的影响。同时，与炼钢过程中产生的沉淀脱氧相似，脱磷产物也需要顶渣吸收，并严格控制磷容量中的顶渣成分，达到最佳脱磷效果[3]。

在冶炼后期无需吹氧，通过强烈底吹N2搅拌熔池，依靠高碳铬铁水内的Si元素还原渣内的Cr2O3，通过充分搅拌，渣中杂质小于3%时挡渣出半钢，内部Cr元素收得率大于97%。在炼钢工艺应用后，不锈钢母液与“二步法”电弧炉相比，母液成分大致相同，且不会对AOD炉的精炼产生额外负担，还可缩短冶炼周期，由此可节约更多冶炼工序成本。再将半钢倒入精炼转炉后，使不锈钢得到充分冶炼，最后将母液吹炼脱碳获得成品，为不锈钢冶炼工艺提供充足的技术支持。现阶段，针对300系列不锈钢冶炼情况，将镍生铁作为主要原料，要求将磷的质量分数控制在0.06%~0.15%之间，但电弧脱磷率一般在50%左右，操作不够稳定，冶炼周期随之延长，与正常相比超出30%，且磷含量较高，低镍生铁无法大规模应用。该项目所用的热态镍铁水可有效替代传统的冷态加工方式，不但使母液成分能够充分满足后续精炼要求，还可利用转炉为脱硅提供更加充足的反应空间，最大限度的避免喷溅情况产生，使传统脱硅、脱磷等动力学条件得到充分满足。

在经济效益方面，对两种典型原料在冶炼条件相同情况下，在生产不锈钢时的成本投入情况进行对比，包括冶炼工序费用与原料成本。两种原料分别为红土矿镍铁水与全冷料。根据生产成本对比可知，红土矿镍铁水的原料价格为10700~11300元，配料成本均值为11000元，冶炼操作成本为500~600元之间，共计11550元左右；全冷料的主材与配料成本为11895元，冶炼操作成本为561元，共计12456元。可见，前者与后者相比更具成本优势，主要体现在电力消耗方面，只有中频炉熔化部分合金料，无法电弧炉冶炼，因此在成本方面具有较大优势，可取得更加理想的经济效益。

综上所述，根据当前不锈钢产品结构可知，国内300系列不锈钢的产量占总量的60%。在资源日益匮乏的当代，应不断探索新的冶炼原料，将高品位红土镍矿引入其中，与传统全冷料相比在成本方面更具优势，可在很大程度上满足国内对镍的需求。在工艺流程中采用转炉先行脱硅、脱碳，并根据流程能量平衡原则，在熔化部分合金后再倒入AOD炉中，由此达到钢水成分目标，有效缓解镍铁资源的匮乏情况，依靠节能减排的新工艺与新技术，引导铁合金行业可持续发展。