安徽工业大学冶金与资源学院李杰：不锈钢二步法与三步法工艺流程解析

安徽工业大学冶金与资源学院李杰：不锈钢二步法与三步法工艺流程解析

安徽工业大学冶金与资源学院

李杰 2009年2月

不锈钢两步法：

是指初炉熔炼—精炼炉脱碳的工艺过程，常见的有初炉—AOD炉

初炼精炼炉-MRP转炉初炼精炼炉-VOD炉等

不锈钢三步法：

在二步法基础上增加深脱碳设备，通常包括：初炼炉—AOD—（LF）

VOD初炼精炼炉MRP(LF)VOD初炼精炼炉MRP(LF)RH等

一次精炼炉可以是电炉，也可以是转炉；精炼炉一般是指主要除碳的炉子。

具备所需功能的设备，如 AOD VOD RH-OB (KTB) CLU MRP

其他不以脱碳为主要功能的设备，如LF钢包炉、钢包吹炼

在划分两步法或三步法工艺时，氩气、粉末喷涂等不计入其中的一个步骤。

此外，在专用炉中熔化铬铁的操作不包含在其中的步骤中。

1.1 一次炉-AOD工艺

AOD是世界范围内冶炼不锈钢的主要方法，占世界不锈钢产量的%。

70-80%。

主要特点是：（1）可利用大量廉价的高碳铬铁、粗氩、粗氮气；

（2）工艺稳定，效率高，产品质量好；（3）炉龄150～300次，

高于VOD法；（4）脱硫效率高于VOD法，可达90%以上；（5）

铬回收率为95-99%，高于VOD法；（6）除不锈钢外，还适用于硅

钢、工具钢及其他高合金钢；（7）投资少，约为VOD法的1/3。

回顾AOD工艺要点：

AOD法吹入的氧气和氩气的配比一般分为三个阶段。

：是

（否

)=3:1，将碳氧化至0.3%左右，第二阶段O

：Ar=2：1或1：

1将碳氧化至0.1%左右，第三阶段O

：Ar=1:3，将碳氧化为

约0.03%左右.最后用纯氩气吹3～5分钟，使钢水中溶解氧继续脱碳。

还可减少Fe-Si的还原量。

脱碳后，如果不是用于冶炼含钛不锈钢，又不需要进行脱硫操作，一般

采用AOD单渣法，无需结渣，直接进入还原期。

1710-1750℃，为控制出钢温度，利于炉衬寿命，脱碳后期

需要添加该钢种的干净废钢作为冷却液。然后加入 Fe-Si、Si-Cr、Al

当还原剂、石灰、造渣材料准备好，而且成分和温度合适时，就可以生产钢铁了。

AOD炉冶炼时间一般为90分钟左右，煤气消耗量取决于原料状况和最终成品

碳含量不同，一般氩气消耗量为12~23Nm

/吨，氧气为15～

25牛米

/吨。硅铁用量8-20Kg/吨，石灰40-80Kg/吨，冷却剂

钢水的3-10％。

改进型AOD工艺：基本特征更接近C-Cr-T平衡曲线

AOD改进工艺第一段脱碳采用纯O，当[C]≥0.7%时

此时不会发生吹气

铬的氧化会导致

/Ar=4/1 同理。60吨AOD供O

速度

/h 增加至

/h，增加了脱碳速度0.02%/min，Ar消耗量

减少2.8 Nm

/t，冶炼时间缩短3分钟。

AOD改进工艺将钢水碳含量在0.11～0.7％范围内分阶段降低。

/Ar 改变

持续减少 O

/Ar，脱碳效率提高6%，硅铁使用量降低0.7Kg/t。

AOD改进工艺在钢水碳含量≤0.11%时采用吹纯氩，以提高脱碳速度。

钢水温度由原来的1-4℃/min升温过程改为降低

低3-6℃/分钟。

顶底复吹AOD法

传统AOD法脱碳期间的氧效率（单位供氧量/脱碳量）仅为70%左右。

约30%的氧气被铬等金属的氧化所消耗。

复吹AOD法。目前，新建AOD设备均配备顶吹氧气系统。

该方法的特点是当[C]≥0.5%时，在第一级脱碳时从底部风枪送入一定比例的氧气。

氩气混合气、氧气以一定的速度从顶部氧枪吹入，软吹或硬吹，

反应生成的CO发生二次燃烧，放出的热量约有75-90%传递至熔池。

钢水加热速度由通常的127℃/%C提高到195℃/%C，脱碳速度由

0.055%/分钟增加到0.087%/分钟。

1.2 初炉-VOD工艺

主要特征

VOD法在真空条件下采用吹氧脱碳，适用于冶炼超低碳氮不锈钢。

碳≤30ppm、氮≤50ppm（AOD法碳≤、氮≤）；

 氢气1-3ppm、氧气30-60ppm（AOD法氢气3-5ppm、氧气40-60ppm）；

 EAF-VOD法铬回收率（90～95%）低于EAF-AOD法铬回收率（95～99%）；

 脱硫效果比AOD法差，VOD法脱硫率为30～70%，AOD法脱硫率为60～

90%；

 炉龄较低，一般≤50次。

VOD流程要点回顾

 电弧炉炼钢的原料、操作与普通电弧炉炼钢方法基本相同。

当温度达到1580℃时开始氧脱碳，[C]由0.8～1.5%降低到≤0.3%。

还原渣中的氧和铬的氧化物，再加入高碱度炉渣，可使炼钢后S≤0.004%。

 进入VOD炉的钢水条件为：碳≤0.3%、硅≤0.3%，并除去炉渣。

 真空度达到150°后，开始吹氧，继续提高真空度。

为了减少溅出量，应适当增加氧枪的高度。

 在脱碳终了时，钢中氧的扩散成为脱碳反应速度的限制因素。

因此应降低供氧量，加强氩气搅拌，VOD炉脱碳率约为

0.02%/分钟。

当L接近脱碳结束时，停通氧气，用氩气搅拌，以促进真空[C]脱碳[O]。

脱碳终点由尾气成分、尾气流量、真空度、耗氧量决定。

冶炼超低碳不锈钢时，加强氩气搅拌，控制温度，以降低

较低的最终碳含量可减少成本的增加和精炼时间的延长。

采用强烈搅拌的VOD法，称为SS-VOD法。

结果全部以 50ppm 为界（甚至），SS-VOD 采用多个底袋通风

用砖或φ2-4mm不锈钢管吹氩，氩气流量是通常的10~20倍。

Ar、C含量可降低至30-10ppm，适用于超低碳不锈钢的冶炼。

以及超纯铁素体不锈钢。

1.3芬兰公司利用铬矿粉冶炼不锈钢工艺

包括两家公司：-

（114万吨）和-（即60万吨），

其不锈钢总产量仅次于蒂森（221万吨）。

不锈钢厂位于芬兰北部，每年生产26万吨铬铁和60万吨不锈钢。

不锈钢。

不锈钢生产工艺的特点是：

 采用烧结球团矿热熔炼炉生产铬铁矿；

 电弧炉&LD转炉——AOD不锈钢冶炼工艺；

 炉卷轧机热轧不锈钢卷；

 轧机对不锈钢卷进行冷轧。

选矿烧结炉铬铁热铁

LD转炉电炉

AOD连铸

芬兰公司的不锈钢卷生产流程

板坯

加热炉

冷坯

粗轧机 炉卷轧机

（1）铬铁生产工艺

铬铁年产量为26万吨，占世界铬铁产量的5.5%。

铬铁的生产工艺非常独特，铬矿粉在球磨机中磨细，然后脱水。

铬矿球团是通过烧结圆柱体生产的。

在矿热炉中冶炼成铬铁。

矿热炉使用的烧结球团不易破碎、结块或塌陷。

提高铬回收率，降低能耗，每吨铬铁能耗仅为

，降低铬铁成本。

铬铁生产工艺流程为：

含铬

26%铬矿→球团→带式烧结机→配矿、计算

70%球团矿、30%铬矿→加热至600-700℃→埋弧矿

将铬铁在热炉中冶炼成52%的Cr、7%的C和3%的Si。

（2）不锈钢冶炼工艺

将不锈钢回料与含Ni废钢在60t电弧炉中熔化。

矿热炉生产的液态铬铁在LD转炉中吹炼，然后加入到容量

在90吨AOD炼钢中，进入AOD炉的钢水含碳量为1.2-1.5%，温度为

在1550℃进行吹氩氧、成分调整。

钢水温度约为1650℃，连续铸成平板。

1.4 瑞典两步法

瑞典 AB 是全球领先的工具制造商

钢铁及不锈钢生产企业，年产钢20多万吨，其中90%为不锈钢

该公司不锈钢冶炼采用两步工艺，其工艺流程为：

超高功率电弧炉（75T/70MVA）—LF—AOD—CC。

LF炉对于稳定温度和成分，保证连铸顺利进行起着至关重要的作用。

该公司连铸产量占93%，其余7%为大型锭模。

连续铸造。连续铸造一般可用连铸机进行。北欧不锈钢制造商认为

不锈钢长材年产量应大于20万吨，电炉容量应在75吨左右。

应该。

三步法的基本步骤是：

一次炉—MRP（或AOD）—VOD（或RH-OB）—LF—CC

第一步：初级炉主要用于熔炼和合金化，这是第二步

MRP转炉或AOD炉提供液态金属；

第二步：快速脱碳并防止铬氧化；

步骤3：将钢水置于VOD、RH-OB或RH-KTB真空条件下。

进行深脱碳及成分调整。

2.1川崎铬矿双转炉不锈钢冶炼工艺

开发出以南非铬矿、熔融还原为特征的产品

不锈钢生产工序于1994年在川崎千叶工厂投入生产。

正常生产，可降低能耗和成本，适合铬不锈钢的大规模生产

钢。

该过程主要包括：

 铬矿转炉冶炼还原；

 顶底双吹转炉脱碳；

VOD炉深度脱碳；

 STAR熔融还原炉处理炼钢产生的含铬粉尘。

川崎制钢不锈钢生产流程示意图

（1）熔融还原转炉（SR-KCB）

川崎不锈钢工艺的核心是转炉熔融还原工艺。

主要特点如下：

 采用顶底复吹转炉，炉底设8个双层管风口，底吹氧气

空气流量：0.5～1.2Nm

/薄荷。

由于底吹对熔池有强烈的搅拌作用，可获得较高的铬回收率

并熔化大量废钢。

 采用大容量转炉，使炉子能容纳大量的炉渣。

 采用大流量供氧（950Nm

/min)，从而限制铬的还原

此外还采用了二次燃烧技术。

 使用专用水冷喷枪将铬矿喷入炉内。采购自南非

铬矿石粒度为38～500m，若采用传统顶部给料工艺，

大量的铬矿会被吹出炉外，川崎制钢专门开发了装料喷雾系统。

采用喷枪将铬矿喷入熔池，铬矿回收率高达97%以上。

（2）强搅拌顶底吹转炉（DC-KCB）

熔融还原转炉生产的碳饱和钢含有约9-13％的Cr。

在随后的脱碳工序中，川崎钢铁公司采用了强搅拌氧气顶吹和底吹

该炉在吹炼初期供给大量氧气，升温迅速，并改进了氧气喷嘴设计。

此设计避免了因供氧量较大而造成飞溅的增加。

脱碳速度较AOD炉高，当碳还原为氧化态时，通常需要降低氧比(用Ar、N

气体稀释）并增加

搅拌熔池的方法。川崎制钢仅采用顶吹N

天然气、铬

氧化明显减少。

（3）VOD炉深脱碳

川崎制钢之所以选择VOD炉，是因为它具有深度除碳的特点。

由于VOD炉中的渣钢反应是在真空室内进行的，因此脱硫和夹杂

控制杂质，满足冶炼高洁净度不锈钢的需要。

抑制 3(MgO) + 2Al = 3Mg + Al

在反应中，Mg，

铝尖晶石夹杂物是通过降低铝的活度和增加铝的含量而产生的

活性；在真空下强烈搅拌时用硅脱氧，在大气下弱搅拌时用硅脱氧

添加铝脱氧；控制渣钢反应强度等措施。

和

MgAl尖晶石夹杂物的改性、冷轧过程中冶炼引起的表面改性

表面缺陷几乎完全消除。

（4）STAR熔融还原炉处理含铬烟尘

STAR炉为带有两排风口的焦床熔融还原炉。

利用不锈钢冶炼产生的烟气和部分炉渣为原料，生产含铬生铁，用于

用于冶炼不锈钢的转炉。

2.2曼内斯曼-德马格不锈钢三步生产工艺

德国曼内斯曼-德马格公司开发的不锈钢工艺是基于MRP的。

三步积分法：

初炼炉-MRP转炉（金属）-VOD精炼

初炼钢水由超高功率电炉或转炉供给；

MRP转炉炉衬寿命大于1000次；

MRP精炼法炉底装有套筒喷嘴，中心管喷出精炼气体。

外管通有保护气体，中心管与外管的气流压力独立。

互相不影响，能以2Nm的速度通过炉底喷嘴

/t·min强度吹入精液

精炼气创造了有利的动力学条件。

3. 薄板坯短流程不锈钢生产

炼钢、轧钢设备均为原装。

新建CSP连铸机及隧道加热炉，设计产能100万吨。

该生产线用于由隧道炉加热的薄板坯和由传统步进炉加热的厚铸件。

钢坯交叉运行对产能影响很大，目前只能生产30万吨。

不锈钢。其中AISI 300系列不锈钢60%，400系列不锈钢

钢27%，硅钢13%。

AST利用CSP薄板坯生产线生产不锈钢和硅钢时，

降低拉拔速度时，不允许出现大于0.7mm的振痕和表面缺陷。

较高的加热温度要求大大降低了CSP的生产效率。

温度也应从 1150°C 升至 1250°C 或更高。

AST工厂的生产流程为：

电炉AOD

如果

CSP隧道炉

高压水除垢

传统的一步法铸造方坯炉

传统轧机

 180吨电弧炉出钢时间为110分钟，采用偏心底出钢。

出钢时剩钢量约30吨，出钢温度约1650℃。

AOD额定容量为140t，冶炼周期约70min。

AOD炉顶部装有3支氧枪，最大吹氧量为170Nm

/分钟，强

吹氧时可进行脱碳，弱吹氧可起到二次燃烧的作用。

二次燃烧升温速度为5℃/min。

AOD 分 4 个阶段注入，氧气与惰性气体的比例从 3:1 到

1:4 范围变化。

AOD吨钢耗氧、氩、氮分别为25m

、16米

，10米

，

每吨钢使用硅铁量为11kg，每吨钢加入的冷却废钢量为15kg。

方法工艺流程主要特点代表厂商

二

步

法律

EAF + AOD 废钢，氩气 瑞典

EAF + AOD/VCR 废钢、氩气、真空 日本知多工厂

EAF+VOD废钢、真空冶炼日本横滨工厂

EAF+RH-OB废钢、真空循环脱气日本三洋工厂

EAF + CLU 废料，瑞典蒸汽

电炉+MRP-L+VOD

电炉熔炼铬铁、脱磷铁水，

转炉脱碳

巴西阿塞西塔

EAF+ BOP + AOD 废料，液态铬铁 芬兰

三

步

法律

开关柜KCB+DC开关柜KCB+

视频点播

（KMS-S + K-OBM-S +

视频点播

用于铁水和转炉的铬矿

冶炼还原、转炉脱碳

日本川崎千叶工厂

K-BOP1 + K-BOP2 +

RH/KTB

用于铁水和转炉

预还原铬球

日本川崎千叶工厂

EAF+K-OBM-S+VOD废钢，复吹转炉脱碳阿尔茨海默氏症，比利时

EAF+AOD+VOD废钢冶炼

EAF + 复吹 AOD + VOD 顶底复吹 AOD 韩国浦项不锈钢

●表示优势

特点 两步法 三步法

大量使用高碳铬铁●● ●●

使用铁水、铬矿● ●●

超低碳氮钢种

冶金质量

炉龄● ●●

流程优化

生产效率

工序平衡与衔接

可靠性

●● ●●

投资

规模

从表中两种工艺的比较可以看出，三步法

各级碳含量约为1.8-2.0%、0.2-0.3%、0.08-0.01%。

由于AOD脱碳效率高，一般在第一步采用，当碳含量由1.8%降至0.2%时，AOD脱碳效率较高。

第三步，采用VOD工艺，因为VOD要求炉内含碳量小于0.6%，而碳含量

VOD的量由原来的0.2-0.3%下降到0.08-0.01%，这是VOD的经济合理范围。

如果炉内碳含量过高，会造成严重的喷溅，延长脱碳时间，对炉衬造成严重的损坏。

电弧炉熔炼

碳：1.8～2%

硅：＜0.2%

铬：17.5%

镍：6%

两步炼钢

电炉+复吹AOD

三步炼钢

（电炉+复吹AOD+VOD）

超低碳氮含量的传统钢材

碳 0.03%