CN101445845A - 利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不锈钢冶炼工艺技术，特别是一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺。本发明具有如下的优点：采用各品位的红土镍矿通过高炉和矿热炉冶炼得到不同成份的镍铁水，取消电弧炉做为熔化设备，利用铁水的化学热来熔化全部或部份铬、锰合金，利用底吹氩氧转炉脱磷来提高铬铁水脱磷效率和铬的收得率，从而生产如下系列及牌号的产品：200系列：201、202、J4等；300系列：304、304L、316、321、329等；同时整个生产流程中各环节有机结合，各种能源如煤气、蒸汽、余热等被充分利用和循环使用，能耗低，二次废气排放量少、生产成本和原材料成本低；投资、占地少。

Description

利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺

技术领域

本发明涉及一种不锈钢冶炼工艺技术，特别是一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺。

背景技术

红土镍矿是一种含有镍、铬的铁矿，其占世界镍资源的70％。红土镍矿床中，不同矿床位置的红土镍矿，各化学成分的构成也会变化而不同，而不同成份的红土镍矿其冶炼处理的方法也不同。

红土镍矿床的最上层是一种含镍铬褐铁矿，这种含镍铬褐铁矿成份为：TFe：48～52％，Ni：0.5～1％，Cr₂O₃：2～5％，MgO：0.5～5％。由于含镍量低，现有技术中，利用这种矿石通过高炉冶炼生产出低镍铬高炉铁水，并铸成低镍铬生铁块，其成份为：C：4.0～4.5％，Si：0.8～1.2％，Ni：1.4～1.8％，Cr：4.0～4.5％，S：≤0.08％，P：≤0.06％，可以做为200系列低奥氏不锈钢的主要原材料。而下层硅镁镍矿、绿脱石、蛇纹石含镍相对较高，一般在1.5～3，现有技术中，利用这种矿石通过矿热炉生产出含镍量较高的镍铁并铸成镍铬生铁块，作为300系列不锈钢的主要原材料。

目前不锈钢的冶炼工艺主要是电弧炉+AOD炉，配好合金成份的各种废料、高碳铬铁、镍铬生铁或镍板在电弧炉内熔化成不锈钢母液，再兑入AOD炉进行不锈钢成品冶炼。然而，在此过程中，需根据所生产的具体系列的不锈钢选用含镍量不同的镍铬生铁，再根据该系列不锈钢、该种镍铬生铁设置专门的具体生产工艺以对应利用该种镍铬生铁以对应生产该系列的不锈钢。

现有技术中，这种利用含镍铬铁矿生产不锈钢的生产工艺存在有如下不足之处：一是镍铬高炉铁水和精炼镍铁水铸成块，再加到电弧炉进行熔化，增加了熔炼成本；二是镍铁生铁、高碳铬铁、镍铁等合金在电炉中熔化，造成合金损耗高；三是二次熔炼设备的重复投入；四是增加二次排放，污染环境；五是现有的铬、镍合金生产和不锈钢生产是各自独立的，铬、镍合金的生产也不是完全适合于不锈钢生产的需要，尤其是以含镍铬褐铁矿为原料的低镍铬生铁和以红土镍矿为原料的精炼镍铁只能各自对应用于生产200系列低奥氏不锈钢和300系列不锈钢，而难以相互交叉进行使用，必须针对不同的镍铬生铁分别专设不锈钢生产工艺和生产装置，所以不是最经济的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，而提供一种低耗能、低排放、低成本，可直接利用各种品位的红土镍矿做为基本原料，以高炉、矿热炉和底侧吹氩氧转炉做为不锈钢生产的基本设备，以生产多种系列奥氏体不锈钢的利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺。

本发明的目的是通过以下方式来实现的：

一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其组成要点在于，包括如下步骤：

1、含镍铬高炉铁水的生产制备

选用红土镍矿中含铁较高的褐铁矿TFe：≥40％，Ni：0.8～1.5％，Cr₂O₃：2～6％与焦粉和熔剂烧结后，与焦炭等冶炼辅料进入高炉冶炼，得到含镍铬高炉铁水。

2、不锈钢母液的生产制备

将步骤1所生产的镍铬高炉铁水兑入由底吹转炉或侧吹氩氧转炉作为的初炼炉吹炼，脱硅、脱碳、脱磷后得到不锈钢母液。

3、精制镍铁水的生产制备

较高镍品位的红土镍矿(Ni：1.5～3％，TFe：10～40％)，经去除结晶水等处理，送至矿热炉冶炼，得到粗制镍铁，脱硅、脱磷后得到精制镍铁水，其含C：≤1.5％，Ni：8～25％，P≤0.045％。

4、不锈钢的生产制备

根据不同牌号的不锈钢所要求的镍、铬及其他成份的不同，将步骤2生产的不锈钢母液和步骤3生产的精炼镍铁水加入氩氧转炉中进行冶炼，冶炼成200系列和300系列不锈钢。

这样，就把有色冶金和黑色冶金有机的结合在一起，避免了现有技术单一的铁合金生产、单一的不锈钢生产所带来的后道工序重复设置、重复加工。在生产中，可以根据所要生产的不锈钢成份要求，调整不锈钢母液、精制镍铁水的混合兑入比例乃至于从最初调整不同品位红土镍矿与其他配入矿(例如：富集氧化镍精矿粉等矿)等的配比得到不同成份的含镍铬高炉铁水和精制镍铁水，达到不同成份的不锈钢生产的可能；同时，可以利用高炉生产镍铬铁水和矿热炉生产的镍铁水化学热，来熔化合金料块(例如：高碳铬铁和电解锰等)或其他钢铁料块，取消了大部份合金和钢铁料二次熔炼，省节大量能源，减少二次废气的排放、降低合金的损耗、降低二次熔炼设备和相关配套设备的投资。

本发明的目的还可以通过以下途径来实现。

对于不锈钢产品中所需的更多含量铬合金的添加有如下两种方式可供选择：

一种是在步骤2中的脱硅、脱碳、脱磷后，利用铁水的化学热熔化根据不锈钢的成分要求所加入的高碳铬铁块；

另一种是在不锈钢的生产制备步骤前增加一高碳铬铁水的生产制备步骤，将高碳铬铁加入中频炉中熔炼并获得高碳铬铁水，并根据不同牌号的不锈钢所要求的镍、铬及其他成份的不同，将该步骤以及上述步骤2、步骤3分别生产的高碳铬铁水、不锈钢母液、精制镍铁水按一定比例兑入精炼GOR炉或AOD炉中冶炼成不锈钢成品。

这样，可以生产特殊含铬量高的不锈钢。而中频炉做为合金熔化设备，它有着合金损耗小，二次废气排放量少、熔炼成本低以及投资、占地少的特点。在本技术方案中选用中频炉不但保留了其上述优点，而且还产生了如下出乎意料的效果：低镍铬高炉铁水中的铬含量低，因此在利用低镍铬高炉铁水生产不锈钢的生产流程中如何保铬是关键。镍铬褐铁矿，通过加生石灰、焦粉、白云石等烧结后，在高炉中冶炼，得到低镍铬的高炉铁水，铁水直接兑入底吹转炉或侧吹转炉进行脱Si、脱碳，通过转炉吹入的惰性气体来降低CO分压，达到脱碳保铬功效，而且碳还可以脱得足够低，这样又为后加高碳铬铁水并保留其所含的硅直接作为还原材料而无需另加硅铁或硅铁粉等还原材料的流程创造了条件，而后加高碳铬铁水又为熔炼炉的介入提供了可能。当铁水C：2.0％左右，温度在1600℃，加入中频炉熔化的高碳铬铁水，利用高碳铬铁水中的1.5～5％左右的Si，加上底吹转炉或底侧吹转炉良好的动力学条件，使炉渣中的Cr₂O₃得到充分的还原，炉渣中的Cr₂O₃含量一般可控制在0.9％以下，这样，不需要任何还原剂，使得冶炼不锈钢母液钢水铬的收得率在99.5％以上。而以高碳铬铁水中所含的硅直接作为还原材料，不但使流程紧凑，而且减少了还原材料成本、降低了熔炼成本并提高了生产效率。中频炉作为的熔炼炉具有发热快、熔炼周期短、热效率高等优点，但因其特性不便附加冶炼任务，现代炼钢中存在着往往对其不予考虑的技术偏见。然而将其应用在本发明中，在直接利用低镍铬高炉铁水作为初炼炉的原料、并对其先脱硅脱碳再后加高碳铬铁水进行还原反应的流程中与底吹转炉或侧吹转炉组合成生产不锈钢母液的初炼装置，不但用其所长、避其所短，而且还与整个工艺流程有机融合，达到了既保铬、又降低能耗、降低生产成本的发明效果。

步骤1中的含低镍铬的褐铁矿，经过筛选，将混杂在褐铁矿中的镁橄榄石等含铁品位低的块矿挑选出，做为步骤3生产高镍精制镍铁原料处用。

上述筛选后剩余的高铁品位褐铁矿还可以按比例配入富集的氧化镍精矿粉，再配入焦粉和熔剂后烧结，以提高镍的品位。

上述富集镍精矿粉的成份范围：TFe：40～60％，Ni：4～7％，Cr₂O₃：1～2％

烧结以及烧结后的处理可以是：

加水造球后烧结，烧结矿经破碎筛分后，大于10mm的烧结矿送至高炉高位矿槽，小于10mm的粉矿返送回烧结配料室再进行配料，矿槽中的烧结矿、熔剂、焦炭按上料制度进入高炉冶炼。

上述烧结矿铁、镍、铬成份配比为：铁：40～55％，镍：0.5～3％，铬：2～10％。

高炉冶炼所得含镍铬高炉铁水的成分范围：

 

C％	Si％	Mn％	Cr％	Ni％	P％	S％
							4.3～4.5	0.3～1.2	0.3～1	2～7	1～6	≤0.07	≤0.15

虽然高炉采用铁品位较高的褐铁矿和杂质较少的富集镍精矿入炉，但铁的品位还不是很高，所以影响高炉运行的主要是入炉品位低以及矿中的Cr2O3，所以有以下的技术难点：

1、入炉品位低，渣量大，给高炉顺行造成威胁。

2、由于铁水含铬会显著性的提高铁水凝固点的温度且降低了铁水流动性，如高炉炉况不能顺行，极易发生高炉炉缸堆积，引起高炉炉况不顺和高炉炉缸冻结的重大工艺事故。因此，如何提高含铬铁水的出铁温度，改善含铬铁水的流动性，让铁水能顺利从高炉炉缸流出是解决高炉冶炼含镍铬铁水工艺的关键。

所以，针对以上的技术难点，采用以下措施：

1)、高风温

高风温是降低燃料消耗、降低生产成本的有效措施，且热风温度提高100℃，高炉风口理论燃烧温度提高80℃，能提高高炉炉缸温度，对冶炼含镍铬铁水有利。在如何提高热风炉风温上，除厂内部加强烧炉操作水平外，在工艺上，可以考虑将高热值的焦炉煤气引入高炉热风炉伴烧，提高热风炉拱顶温度，提高热风温度。

2)、大富氧

富氧不但能提高铁水产量，实践证明，高炉富氧1％，能提高风口前理论燃烧温度30℃，能提高高炉炉缸温度，对冶炼含镍铬铁水有利。

3)、为改善渣铁的流动性，必须配加少量的熔剂(萤石，白云石)，防止高炉炉缸堆积，引起高炉炉况不顺。

4)、加强炉外放渣工作

高炉入炉品位低，渣量大，要想用大风量，提高产量，必须加强放渣工作，为高炉炉缸空出冶炼空间，确保高炉炉况稳定顺行。

在步骤2中所述的底吹转炉或侧吹转炉可以是AOD转炉，但最好优选为是带顶枪的GOR底吹转炉。

GOR底吹转炉是多种能源介质复合吹炼的底吹转炉，通过安装在转炉底部的三个套管式喷嘴向熔池吹入可调成份的氧气、氮气、氩气、天然气(或其它碳氢化合物)的混合气体，达到脱磷(吹氧阶段)、深度脱硫、脱碳的目的。GOR底吹转炉在降低投资和冶炼成本方面具有优势，现有技术中，一般将它作为得到不锈钢水的精炼转炉，而不是将它如本发明般作为得到不锈钢母液的初炼炉，GOR底吹转炉所具有的深度脱硫、脱碳又能保铬、动力学条件好等综合特性与本发明对初炼炉的要求非常吻合，这种非常规的应用即可充分发挥其综合特性、又能全面满足流程所提出的要求。

当含镍铬高炉铁水的磷含量超过不锈钢成品要求时，应采用以下工艺：含镍铬高炉铁水倒入底、侧吹转炉后，在脱碳过程中，加入冶金石灰、氧化铁皮等脱磷剂，将含镍铬高炉铁水的磷脱至规定范围内后，将炉渣扒尽，直接加入高碳铬铁水继续冶炼不锈钢。

在冶炼过程中，可以根据冶炼期间钢水碳含量和温度不同，调整氧气和隋性气体的比例。顶枪的功能在于冶炼前期的脱碳与过程的CO二次燃烧，加快脱碳速度和升温速度，缩短冶炼时间，同时增加高碳铬铁的加入量。

不锈钢母液的生产制备步骤中所得不锈钢母液的成份：

 

C％	Cr％	Ni％	P％	S％
					0.3～2.0	2～20	1～5	≤0.06	≤0.15

步骤3中的脱硅、脱碳的优选工艺是：先在酸性炉衬的GOR转炉中进行脱硅，再兑入到碱性炉衬的GOR转炉中进行脱磷、脱碳。

在不锈钢的生产制备步骤后，根据所炼不锈钢品种不同的质量要求，决定是否经过VOD炉再进一步精炼。

综上所述，本发明相比现有技术具有如下的优点：采用各品位的红土镍矿通过高炉和矿热炉冶炼得到不同成份的镍铁水，取消电弧炉做为熔化设备，利用铁水的化学热来熔化全部或部份铬、锰合金，利用底吹氩氧转炉脱磷来提高铬铁水脱磷效率和铬的收得率，从来生产如下系列及牌号的产品：200系列：201、202、J4等300系列：304、304L、316、321、329等；同时整个生产流程中各环节有机结合，各种能源如煤气、蒸汽、余热等被充分利用和循环使用，能耗低，二次废气排放量少、生产成本和原材料成本低；投资、占地少。如果高炉提供普通的铁水，该流程可生产400系列铬不锈钢。

附图说明

附图1是介绍一种利用红土镍铁直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺用于生产201、304不锈钢的生产流程图。

下面结合附图对本发明进行更详尽的描述。

具体实施方式

最佳实施例：

一种利用红土镍铁直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺用于生产201、304不锈钢的生产实例：

1、主要设备：

高炉铁水制备：1台180m2烧结机+1座600m3高炉

不锈钢母液制备：1台80吨GOR转炉

精炼镍铁水制备：1座75m*4.85m回转窑+25000KVA矿热炉+2台15吨GOR精炼炉。

不锈钢生产：1台80吨的GOR转炉

2、成品化学成份

201不锈钢的化学成份％：

C≤0.15，Si≤1.0，Mn：5.50～7.50，P≤0.06，S≤0.03，Cr：16～18，Ni：3.5～5.5，N：≤0.25

304不锈钢的化学成份％：

C≤0.07，Si≤1.0，Mn：≤2.0，P≤0.045，S≤0.03，Cr：17～19，

Ni：8.0～10.0

3、主要工艺流程

1)含镍铬高炉铁水水制备

选用红土镍矿中含铁品位较高的含镍褐铁矿，经自然干燥后，输送到搅拌机搅拌后进入配料系统参与配料，由plc控制各圆盘给料机及皮带进行红土镍矿、生石灰、焦炭、白云石、返矿(其中红土镍矿配比约为70％，生石灰约为8％白云石约2％，焦炭4％，返矿约16％)的下料，配好得了通过配料皮带将料输送到一次混合机、二次混合机进行加水、混匀、造球，然后输送到混合料仓。

混合料仓内混合料由圆辊给料机、九辊布料器将料平铺到已经布好的铺底料层上。随着烧结机台车的移动进行两段点火(第二段点火温度为900℃)抽风烧结，最终在烧结机尾部倒数第二个风箱位置完成烧结，烧结完成后烧结矿随台车输送到烧结机尾经单辊破碎机进行破碎后，冷却完成后进入椭圆振动筛进行筛分，其中10～20mm的作为铺底料返回烧结，6mm以下作为返矿返回配料室参与配料。其余烧结矿作为成品供高炉炼铁使用。

烧结矿和焦碳按一定的装料制度装入高炉内，炼得到含镍铬铁水，各种矿与含镍铬铁水成份为：

红土镍矿化学成份：

得到高炉的含镍铬铁水化学成份：

 

C％	Si％	Mn％	Cr％	Ni％	P％	S％
							4.5	0.45	0.6	5.0	2.1	0.06	0.10

2)不锈钢母液制备

将65吨含镍铬高炉铁水兑入80吨的GOR转炉进行吹炼，并加入1.6吨石灰，采用顶、底复合吹炼，底吹供氧强度1m3/min.t，顶吹供氧强度为2m3/min.t，并分批加入高碳铬铁共10吨，当钢水碳为2.0％左右，加入10吨高碳铬铁水，停止吹氧，吹氩搅拌，出钢。不锈钢母液成份如下表：

 

C％	Si％	Mn％	Cr％	Ni％	P％	S％
							2.0	0.15	0.4	16.5	2.1	0.06	0.10

3)精制镍铁水制备

准备好的主原料如：矿石、石灰石、.还原剂进行混匀，破碎，筛分，由运输皮带运至焙烧、干燥车间的料仓，并按一定比例配料进入回转窑。

还原焙烧和炉料干燥在回转窑中进行。焙烧温度应为950～1000℃。焙烧阶段氧化铁和氧化镍被分解.还原，石灰石完全分解。

在回转窑的干燥区，炉料被加热到120℃，在这里炉料表面的水分将挥发掉。

在回转窑的加热区炉料将被加热到700℃，在这里炉料内的结晶水将被去除。

在回转窑的焙烧区，炉料将被加热到950～1000℃。

焙烧后的镍渣热送进矿热炉，矿热炉的变压器功率为25MVA。从回转窑中排出的镍渣通过溜槽加入到矿热炉中。使用电能对镍渣进行冶炼，还要在炉料中加入还原剂。

矿热的出渣进程和出粗制的镍铁水的过程是通过出渣口和出铁口进行的。粗制镍铁水出炉的温度大约1300～1400℃，炉渣出炉的温度大约1500～1550℃。

粗制镍铁水的精炼分为两个阶段进行，先在酸性炉衬的GOR转炉中进行脱硅，再兑入到碱性炉衬的GOR转炉中进行脱磷、脱碳。

精制的镍铁水的成份为：

Ni：20％，Si：0.25～0.35％，P≤0.045

4)不锈钢生产

将不锈钢母液、精制钢铁水、高碳铬铁水按以下比例加入GOR转炉中，经过精炼可以得到201、304的不锈钢。

不锈钢母液:精制镍铁水:高碳铬铁水＝95％:8％:2％

304不锈钢母液:精制镍铁水:高碳铬铁水＝50％:35％:20％

本实施例未述部分与现有技术相同。

Claims (12)

1、一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：

1)含镍铬高炉铁水的生产制备

选用红土镍矿中含铁较高的褐铁矿TFe：≥40％，Ni：0.8～1.5％，Cr₂O₃：2～6％与焦粉和熔剂烧结后，与焦炭等冶炼辅料进入高炉冶炼，得到含镍铬高炉铁水。

2)不锈钢母液的生产制备

将步骤1所生产的镍铬高炉铁水兑入由底吹转炉或侧吹氩氧转炉作为的初炼炉吹炼，脱硅、脱碳、脱磷后得到不锈钢母液。

3)精制镍铁水的生产制备

较高镍品位的红土镍矿(Ni：1.5～3％，Tfe：10～40％)，经去除结晶水等处理，送至矿热炉冶炼，得到粗制镍铁，脱硅、脱磷后得到精制镍铁水，其含C：≤1.5％，Ni：8～25％，P≤0.045％。

4)不锈钢的生产制备

根据不同牌号的不锈钢所要求的镍、铬及其他成份的不同，将步骤2生产的不锈钢母液和步骤3生产的精炼镍铁水加入氩氧转炉中进行冶炼，冶炼成200系列和300系列不锈钢。

2、根据权利要求1所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，在步骤2中的脱硅、脱碳、脱磷后，利用铁水的化学热熔化根据不锈钢的成分要求所加入的高碳铬铁块。

3、根据权利要求1所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，在不锈钢的生产制备步骤前增加一高碳铬铁水的生产制备步骤，将高碳铬铁加入中频炉中熔炼并获得高碳铬铁水，并根据不同牌号的不锈钢所要求的镍、铬及其他成份的不同，将该步骤以及上述步骤2、步骤3分别生产的高碳铬铁水、不锈钢母液、精制镍铁水按一定比例兑入精炼GOR炉或AOD炉中冶炼成不锈钢成品。

4、根据权利要求1所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，步骤1中的含低镍铬的褐铁矿，经过筛选，将混杂在褐铁矿中的镁橄榄石等含铁品位低的块矿挑选出，做为步骤3生产高镍精制镍铁原料处用。

5、根据权利要求4所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，筛选后剩余的高铁品位褐铁矿还可以按比例配入富集的氧化镍精矿粉，再配入焦粉和熔剂后烧结，以提高镍的品位。

6、根据权利要求5所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，富集镍精矿粉的成份范围：Tfe：40～60％，Ni：3～7％，Cr₂O₃：1～2％。

7、根据权利要求1或5所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，烧结以及烧结后的处理可以是，加水造球后烧结，烧结矿经破碎筛分后，大于10mm的烧结矿送至高炉高位矿槽，小于10mm的粉矿返送回烧结配料室再进行配料，矿槽中的烧结矿、熔剂、焦炭按上料制度进入高炉冶炼。

8、根据权利要求7所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，烧结矿铁、镍、铬成份配比为：铁：40～55％，镍：0.5～3％，铬：2～10％。

9、根据权利要求1所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，在步骤1中，将高热值的焦炉煤气引入高炉热风炉伴烧，提高热风炉拱顶温度，提高热风温度。

10、根据权利要求1所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，在步骤2中所述的底吹转炉或侧吹转炉或是AOD转炉或是带顶枪的GOR底吹转炉。

11、根据权利要求1所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，当含镍铬高炉铁水的磷含量超过不锈钢成品要求时，应采用以下工艺，含镍铬高炉铁水倒入底、侧吹转炉后，在脱碳过程中，加入冶金石灰、氧化铁皮等脱磷剂，将含镍铬高炉铁水的磷脱至规定范围内后，将炉渣扒尽，直接加入高碳铬铁水继续冶炼不锈钢。

12、根据权利要求1所述的一种利用红土镍矿直接生产奥氏体不锈钢的生产工艺，其特征在于，步骤3中的脱硅、脱碳的工艺是，先在酸性炉衬的GOR转炉中进行脱硅，再兑入到碱性炉衬的GOR转炉中进行脱磷、脱碳。

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