不锈钢CLU工艺：高效脱碳与合金化技术

不锈钢生产CLU工艺概述

不锈钢生产基本特征包括脱碳（C）、脱氧和脱硫。生产中这些操作通常与固体材料合金化及氮（N₂）控制结合。不同不锈钢生产工艺以不同方式满足这些要求。

CLU工艺类似AOD（氩氧脱碳）工艺制造不锈钢。CLU指克鲁索-卢瓦尔-乌德霍尔姆（Creusot-Loire Uddeholm）不锈钢生产工艺。同样使用电弧炉（EAF）或其他同类初级炼钢炉的液态钢。开发CLU工艺主要动力是用过热蒸汽作稀释气体替代AOD工艺用的氩气（Ar）。过热蒸汽作工艺气体用于不锈钢生产始于1970年代初，在瑞典乌德霍尔姆斯·德格福斯钢厂开发。法国克鲁索-卢瓦尔集团有类似开发。该工艺命名为克鲁索-卢瓦尔-乌德霍尔姆（CLU）工艺。

转炉形式演变

CLU工艺最初用底吹转炉，区别于侧吹AOD转炉。但目前也有采用侧吹转炉的CLU工艺。

首个商业化CLU工艺厂1973年由乌德霍尔姆建成。1973-2003年，乌德霍尔姆斯·德格福斯钢厂用80吨转炉，以过热蒸汽、Ar、N₂、氧（O₂）和压缩空气作工艺气体生产不锈钢。该转炉作为CLU工艺运行30年，2003年退役。CLU底吹转炉剖面见图1。

图1 CLU转炉剖面

多年来技术有适度推广。工业上共有七家工厂用过热蒸汽作工艺气体。南非Samancor Ferro metals用此法生产中碳铬铁（Fe-Cr）。南非Acerinox Columbus Stainless选用此工艺为其两座110吨转炉。1995-2002年Columbus Stainless精炼过程中转炉吹蒸汽。2002年决定拆除蒸汽吹吹能力，因市场能提供足够Ar满足本地需求，且原锅炉设备磨损。2008年重新引入转炉蒸汽吹吹，可同时操作两座转炉吹蒸汽。据Columbus Stainless管理层，重装蒸汽吹吹能力主要动机是降低Ar消费峰值，减少总Ar消耗，更好匹配本地市场Ar供应。

CLU工艺原理

同AOD工艺一样，CLU工艺也采用稀释技术。基于原理：脱碳应在降低一氧化碳（CO）分压下进行，因钢液中碳-铬平衡高度依赖脱碳时气泡中CO分压。图2显示两种不同温度压力下碳-铬平衡。

图2 两种温度压力下碳-铬平衡

使用惰性气体降低钢液中CO分压，允许较高铬（Cr）含量与较低碳（C）含量平衡。开发CLU技术初衷是用更便宜惰性气体吹扫降低CO分压，减少对大量昂贵且稀缺Ar的需求。

脱碳期吹入氧-蒸汽混合物。蒸汽在转炉中使用的基础在于蒸汽还原反应：

H₂O(g) + 241.9 kJ/mol = H₂(g) + 0.5 O₂(g)

蒸汽在钢液中解离，氢（H₂）像AOD中Ar一样作冲洗气，氧（O₂）作精炼介质。蒸汽解离过程吸热，从钢液吸热，有助于控制钢液温度。

克鲁索-卢瓦尔也研究带燃料保护的喷嘴，允许吹纯O₂并采用现代技术精炼碳钢。 thus精炼可从极高初始C和硅（Si）含量高速进行。

1 kg过热蒸汽可替代1.25 Nm³ Ar（或N₂）、0.625 Nm³ O₂（工艺气体折算）和10 kg废钢（冷却能力折算）。过热蒸汽主要替代战术冷却剂，用于转炉接近最大产能运行的策略。在合适冷却剂不可用或物流难处理时，过热蒸汽也可用于冷却。

蒸汽产生的氢（H₂）以类似N₂方式溶解于钢中。但去除极快，可降至不锈钢关键水平以下。虽H₂对许多钢种有害，但对不锈钢无问题。标准不锈钢304级转炉出钢时H₂水平5-6 ppm（百万分之一）正常，无论CLU或AOD工艺。常见不锈钢浇铸可在10 ppm以上进行。

优势及其他工艺特性

CLU工艺主要优势是转炉操作温度较低（比AOD工艺低50-100℃）。此工艺可能导致额外铬损失，可通过额外加入硅铁（Fe-Si）进行渣还原抵消。其他主要优势：

• 通过调节O₂与蒸汽比率，在脱碳期间控制温度（无需冷却添加剂）。
• 稀释气体成本低，显著降低不锈钢生产成本。
• 工艺使用高Si、高C含量的低价铬铁（Fe-Cr）。
• 低操作温度和底吹结构导致炉衬寿命更长、耐火材料成本更低。

脱硫条件与AOD工艺大致相同。从脱硫角度，高Si含量对电弧炉操作有利。但液钢高Si含量须额外加石灰维持渣碱度最优。

精炼期结束为消除钢中溶解H₂，每吨钢吹入约1.5 m³ Ar。

脱碳继续至0.18% C以下时，Cr氧化比AOD工艺高。虽工艺Si需求增加，但因减少高价Ar消耗仍节约成本。全程使用蒸汽若控制不当可能导致精炼钢中不良H₂含量。故须建立合适工艺实践，纳入控制机制调节蒸汽、Ar、N₂用量。

典型工艺参数

不锈钢304和409级CLU工艺典型参数条件见表1。