先进不锈钢生产：从电弧炉到现代氧基技术

不锈钢制造工艺

不锈钢含10%~30%铬。亦含不同量镍、钼、铜、硫、钛、铌等。

1970年前不锈钢生产主要通过电弧炉(EAF)。吨氧用于炼钢后，EAF不锈钢工艺改变。氧气可提高脱碳速率，通过喷吹高氧势实现，但伴随铬大量氧化入渣不利反应。这需要明确还原期用硅铁还原渣中氧化铬。

随氩氧脱碳(AOD)转炉工艺成功开发，不锈钢生产始于双联工艺。虽AOD转炉双联工艺最突出，但目前仍有多种双联工艺制造不锈钢。这些工艺中，EAF或类似炉熔化废钢、铁合金及其他原料生产液态钢。此液钢含大部分铬镍及其他合金元素，作为转炉炉料。转炉用于达成低碳不锈钢。EAF-AOD双联工艺多功能性促使炼钢人重新审视不同转炉熔炼不锈钢，推动多种双联工艺转炉开发。

常规转炉(BOF)炼不锈钢开发始于1950年代末1960年代初。1960年代中期，部分钢厂用现有BOF转炉部分脱碳后真空脱碳制低碳不锈钢。这些称三联工艺，因涉及三单元：EAF、预吹转炉、真空脱碳单元终精炼。钢经终脱碳、终修整、均匀化、夹杂上浮后包送浇铸。几乎所有三联工艺中，浇铸包真空处理为铸造前最后步骤。图1展示双联三联工艺路线对比。

随着这些发展，现有不同工艺制造不锈钢。可用工艺分三组：转炉工艺、转炉真空工艺、真空工艺。

生产不锈钢一般原则

不锈钢脱碳须最小化铬氧化。公认向不锈钢喷吹氧气氧化铬铁混合物。溶解碳还原形成铬铁氧化物实现脱碳。脱碳序列：

3O₂(g) + 4Cr = 2Cr₂O₃

Cr₂O₃ + 3C = 2Cr + 3CO(g)

脱碳发生在上升气泡表面，气泡源自吹入惰性气体或被还原氧化铬颗粒表面生成CO。

脱碳涉及最小化铬氧化技术。三基本技术：温度、稀释、真空。

• 温度技术用于双联工艺开发前EAF不锈钢炼制。温度升高平衡特定铬含量下碳含量降低。但导致操作困难和高成本。
• 稀释技术用于AOD和所有转炉工艺。吹入惰性气体(氩或氮)降低浴中CO分压，允许更高铬含量与更低碳含量平衡。
• 对金属浴施加真空也移除CO，允许高铬含量与低碳含量平衡。碳含量低时特别有效。

仔细控制反应生成渣重要。未被碳还原铬氧化物进入渣形成复杂尖晶石。后续处理(称还原)需回收氧化铬、铁、锰等。还原步骤有效性取决多因素：渣碱度温度、转炉混合条件、固体添加剂溶解动力学。

工艺路线选择

不锈钢制造有许多不同工艺路线。须基于决定投资运行成本多因素选择。路线选择受原料可用性、目标产品、下游加工、现有车间物流、资本经济学影响。工艺路线一定灵活性也可取，因这些因素随时间变化。一般不锈钢工艺流程可分双联或三联。双联工艺(EAF炼钢后转炉精炼)原料选择灵活性倾向较高。三联工艺(EAF炼钢、转炉精炼后真空系统精炼)常用于最终产品极低碳氮规格。三联工艺总周期倾向长于双联(额外转炉至真空单元转移)。也倾向稍高耐火成本(两炉脱碳)。

为最大灵活性，车间应有工艺流程可兼容双联三联路线。这提供原料、生产能力、工艺流程最大灵活性。此时仅因经济/质量理由需真空精炼产品用三联路线。

稀释精炼工艺

转炉脱碳采用稀释原理。按用气体不同有不同转炉。转炉也分侧吹或底吹。侧吹转炉用户称侧吹导致更高碳去除效率(氧与碳反应量/总吹入气量)范围0.1~0.005%碳，因惰性气泡停留时间更长，改善脱硫范围0.005%~<0.001%硫，因混合改善。最流行转炉稀释工艺：

• AOD转炉工艺——详见单独文章。
• K-BOP和K-OBM-S——川崎制铁K-BOP始于常规顶吹氧BOF。改装七个OBM(Q-BOP)型底部吹嘴。吹嘴可吹氧配丙烷冷却。石灰粉也可经吹嘴喷吹。Voest Alpine Industrieanlagenbau(现西门子VAI)开发K-OBM-S工艺从川崎K-BOP演变。K-OBM-S始于转炉底部吹嘴。部分装置为侧吹反应器。故K-OBM-S转炉为顶枪吹氧配底部/侧吹吹嘴。极似现代AOD。但K-OBM-S用烃类(天然气/丙烷)保护吹嘴，有助延长耐火寿命。
• 金属精炼工艺(MRP)转炉——曼内斯曼德马格胡特特尼克(现SMS西马克)开发。含铬镍液态钢装入MRP转炉。用氧和惰性气脱碳。早期开发阶段气体交替通过转炉底部吹嘴吹入。氧吹入熔池不与惰性气稀释。所需氧吹后仅吹惰性气。氧吹后惰吹循环称循环精炼或脉冲，开发者称纯惰性气冲洗可达低CO分压、更快脱碳、更低铬氧化和硅消耗还原。原版转炉现演变为MRP-L工艺：所有氧顶吹、惰性气通过底部多孔元件注入。底部吹嘴可通过可更换底部轻松更换。底部吹嘴减少转炉侧壁侵蚀可能。近年MRP-L单元作为三联工艺一部分与真空单元耦合，制造需更低碳氮不锈钢。
• 克鲁索-卢瓦尔-乌德霍尔姆(CLU)转炉——CLU工艺类似AOD制造不锈钢。也用EAF液钢。开发主要动力是用蒸汽代替氩作稀释气。转炉底吹区别于侧吹AOD。1973年首座CLU商业厂建成。脱碳期注入氧蒸汽混合物。工艺能效低因蒸汽熔池反应吸热。脱碳继续<0.18%碳时铬氧化高于AOD。虽原目标减少氩消耗可达，但还原步骤硅需求增加不必然总成本节约。全程用蒸汽发现导致精炼钢不良氢含量。故演变出工艺使用各量蒸汽、氩、氮。
• 克虏伯组合吹炼-不锈钢(KCB-S)工艺——AOD出现前已用BOF转炉顶枪生产不锈钢。AOD后克虏伯钢铁改装转炉使枪和吹嘴组合吹炼精炼不锈钢。工艺名KCB-S。工艺气体同时引入帮助提高脱碳速率。顶枪和浴面下吹嘴吹炼达极高脱碳速率。脱碳速率增加使精炼时间比常规AOD单独减少达30%。EAF液钢装入转炉。吹炼开始纯氧同时通过枪和侧壁吹嘴注入。达工艺温度后吹炼中多次添加：石灰、铁合金、废钢。达临界碳水平后用氮氩等惰性气降低工艺气氧含量。追求更低碳用氧/惰性气比4:1、2:1、1:1、1:2、1:4。达0.15%碳停用枪，仅吹嘴引入工艺气。达目标碳水平停止氧吹，加硅铁还原渣中氧化铬达硅规格。石灰熔剂配硅铁降低溶解氧含量增强脱硫。
• 氩二次熔炼(ASM)转炉——德国MAN GHH开发。类似AOD，但吹嘴在容器底部。用顶吹氧时称ASM-L工艺。
• 住友顶底吹(STB)转炉——住友金属工业开发STB。克服纯顶吹或纯底吹缺点结合两概念。也试克服AOD当时两缺点：吹嘴侵蚀、氧流速限制。顶枪额外富氧气缩短脱碳时间。
• 顶混底惰(TMBI)转炉——转炉配底部吹嘴仅注入氩氮惰性气。大部分工艺气体经顶枪引入。顶枪可引入所需气体混合物。工艺称顶混底惰(TMBI)。类似其他转炉组合吹气工艺。Allegheny Ludlum厂用此工艺配无芯感应炉熔化碳钢废钢供无铬铁水BOF转炉。
• 转炉真空联合装置——上述转炉工艺缺点：极低碳氮残余不锈钢难生产。随目标碳氮降低脱碳期变长、铬氧化氩消耗增加。部分钢厂尝试脱碳极晚期对转炉施加真空克服此缺点。概念也由Leybould-Heraus推广作AOD或VOD替代。对转炉施加真空概念由Daido在Shibukawa和Chita厂安装AOD/VCR、日本制铁光厂追求。AOD-VCR常规AOD运行至0.08%~0.10%C。停机取样装真空盖。盖密封转炉锥体约半高法兰。抽真空用于剩余脱碳和还原。脱硫在AOD装包前转包进行。相对转炉工艺主要优势：减少氩硅消耗。缺点：耐火消耗增加、熔废钢能力降低、蒸汽生产维护成本增加。比独立转炉VOD单元，AOD-VCR运行成本更高(硅、耐火、氩)、生产率更低、氮含量更高。资本成本可能略低于两独立单元。

真空精炼工艺

真空脱碳钢在德国开发。早期工艺含RH真空处理、DH真空处理、Allegheny真空精炼(AVR)作为双联工艺第二步。这些工艺涉及降低钢浴上方压力促进CO气体析出。进入真空工艺液态不锈钢通常含碳~0.5%或更低。多数真空工艺在室内带包料进行，而非稀释/转炉工艺用单独精炼容器。

1960年代中期，Allegheny Ludlum钢铁公司用真空脱碳概念开发Allegheny真空精炼工艺。AOD出现后变无竞争力停止。

早期真空处理作第二步双联工艺太慢、原料灵活性极有限。真空工艺跟不上EAF提高生产率，运行成本高。故后续发展聚焦用转炉脱碳EAF液钢作第二阶段，真空脱气作精整阶段。此类工艺称制造不锈钢三联工艺，因用三工艺达成成品化学成分。

日本制铁引入RH-OB工艺制造不锈钢。高炉铁水喂BOF转炉合金铬吹至0.5%~0.6%碳水平。终脱碳用RH-OB进行。日本制铁改装现有RH脱气器(用于碳钢)使氧真空下喷吹。

蒂森克虏伯德国1960年代中期开发真空氧脱碳(VOD)工艺。早期开发阶段VOD用于脱碳EAF熔融合金。后期BOF预脱碳后EAF-BOF-VOD三联工艺更高产。1970年代初川崎制铁用包底多孔塞改进VOD称强搅拌VOD(SS-VOD)。1988年比利时ALZ改装设施用三联工艺(EAF熔化、MRP-L转炉、VOD)制造不锈钢。

真空工艺主要优势：终脱碳低碳水平时氩消耗低、铬氧化低。后者导致从渣回收铬还原元素消耗低。真空工艺用包出钢消除转炉出钢夹带空气氮氧吸收。SS-VOD因包底多孔塞强搅拌，进一步增强在更高铬水平达更低碳氮氢水平能力。

VOD主要缺点：原料使用灵活性低于AOD或其他转炉工艺。

许多炼钢人也认识到真空工艺常运行成本高、难与常压转炉操作简易竞争。然而真空工艺、特别是SS-VOD，具有达更低碳氮水平不锈钢独特能力，AOD或其他转炉工艺难轻易实现。

直接不锈钢炼制

近年有努力用铬镍矿石炼不锈钢代替铁合金。日本多公司开发商业使用此类工艺。

直接不锈钢炼制工艺需较少废钢铁合金，当不锈钢废钢铁合金不足时可考虑。但需铬镍矿石，可用于有铁水一体化钢厂。工艺比其他工艺更资本密集。因此其他厂和地点实施可能受限。