GOR轉爐冶煉不銹鋼的工藝

　　GOR轉爐是多種能源介質復合吹煉的底吹轉爐，通過安裝在轉爐底部的三個套管式噴嘴向熔池吹入可調成份的氧氣、氮氣、氬氣、天然氣（或其它碳氫化合物）的混合氣體。與其它生產不銹鋼的轉爐相似，這種工藝冶煉不銹鋼也分為三個吹煉階段：第一階段吹氧，由碳氫化合物保護噴嘴；第二階段吹入氧、氬（或氮）、碳氫化合物和它們的混合氣體；第三階段向轉爐熔池吹入純氬或氮氣。


　　根據鋼種不同，編制了專門用于某一鋼種的控制程序，自動控制冶煉過程。在GOR轉爐精煉過程中，要加入脫氧劑及合金化材料，這一作業通過"散料供應系統"來實現。

　　中國不銹鋼的生產能力迅速增長，預期不銹鋼生產領域的競爭將比普通鋼領域的競爭更加殘酷。奉勸投資者慎重決策。理論上GOR轉爐在降低投資和冶煉成本方面有一定的優勢，但是與成熟的AOD轉爐相比，這種工藝也有明顯的缺撼。


　　任何一種工藝技術都有其適宜的使用條件，不存在適合任何環境的完美的工藝技術。結合中國不銹鋼生產的特殊的原料條件和市場條件，慎重選擇最適宜的冶煉工藝是重要的。

　　原料條件

　　冶煉工藝的選擇，最重要的條件之一是原料。中國由于不銹廢鋼資源少，鎳價高，原料條件與國外有大的差別。為了使這種工藝適合中國的原料條件，還需要對這種工藝進行完善和開發。


　　1 GOR轉爐對初始鋼水的要求

　　對化學成分的要求是：「P」＜0．03％；「S」＜0．045％；「C」不限制；「Si」＜0．2％；「Mn」＜1．0％；「Cr」、「Ni」比鋼種要求的范圍略低（也可部分加入轉爐內）。溫度沒有要求，只要能順利兌入轉爐即可。這里要討論的是初始鋼水中的〔C〕含量問題。從這種工藝本身來講，對〔C〕含量沒有要求。但是，在烏克蘭考察的兩個不銹鋼生產工廠，全部由電爐供應初始鋼水，電爐原料中有大比例的返回料，實際上初始鋼水的碳含量一般不超過1．5％。


　　2 中國冶煉不銹鋼的原料條件

　　1) 固體爐料為主的不銹鋼生產廠

　　固體爐料先由電爐（或者感應爐）熔化，由于中國不銹鋼資源緊缺、鎳價高，電爐爐料中大量配入高碳鉻鐵（碳含量8．5％）和低鎳的生鐵（含鎳＜3％，碳含量4．2％）。在冶煉300系列不銹鋼時，原料的配碳量一般為2．0％～2．5％，也有的高達3％。電爐冶煉過程中，為了控制鉻的氧化損失，除了選擇合適的鉻鐵加入時機外，還要求不要大量的吹氧，因此電爐生產的初始鋼水的碳含量為2．0％左右。在冶煉J系列不銹鋼時，配料時大量使用含碳為4．8％的鎳－鉻生鐵和高碳鉻鐵，爐料中的含碳量為3．5％～4．2％。電爐生產的初始鋼水的碳含量一般情況下都大于3％。

　　2) 采用高爐鐵水的不銹鋼生產廠，這種工廠有兩種工藝路線

　　高爐鐵水經過脫硫、脫硅、脫磷處理后，兌入到GOR轉爐中。鐵水的預處理可以在盛鐵水的容器中進行，也可以在頂吹轉爐進行，還可以在GOR轉爐（做為底吹轉爐使用）中進行。也有的不銹鋼生產廠希望通過控制原料的條件和高爐的生產過程，生產出磷和硫含量都合格的含鉻的鐵水，直接做為初始鋼水使用。這種生產路線一般還需要建設容量較小的、用于熔化返回料和合金的電爐（或感應爐），以解決熱量平衡問題。


　　建設容量與GOR轉爐噸位相匹配的電爐生產初始鋼水。合理的確定加入爐料的順序和操作工藝，電爐可以高效的生產出適合于GOR爐冶煉的初始鋼水。

　　這兩種工藝生產的初始鋼水的含碳量與使用固體爐料的電爐生產的初始鋼水的碳含量相似或稍高些。

　　3 根據工廠的實際情況選擇最適合的工藝路線

　　采用什么樣的工藝路線，應該具體情況具體分析，沒有固定的模式，但是對項目進行技術經濟的論證是必要的。在日益激烈的不銹鋼市場競爭中，投資省、質量好、品種多、成本低是在競爭中取勝的基礎，其中成本低尤其重要。我們曾經為河北和山西各一個小鋼鐵廠做過以高爐鐵水為原料生產不銹鋼的技術方案論證，主觀上認為利用小高爐生產的鐵水煉不銹鋼可以節約能源、降低成本，實際論證的結果與主觀愿望相違，項目沒有繼續操作。從上面的論述中可以看到：烏克蘭的原料條件與我國的原料條件有懸殊的差別，如何使GOR轉爐工藝適合中國的原料條件，需要中國的冶金專家與烏克蘭的專家共同工作。


　　關于爐齡

　　科學的講，我們所追求的是每噸鋼耐火材料的費用最低。這取決于每一噸鋼的耐火材料的消耗量和耐火材料的單價。GOR轉爐的爐體工作層用鎂鈣磚修砌，爐底工作層用鎂碳磚。使用的耐火材料的平均單價與AOD爐相近。


　　爐齡與初始鋼水的條件、冶煉的鋼種、采用的工藝技術、操作的水平等多種因素相關。GOR轉爐與同噸位的AOD轉爐相比，每砌一個爐子大約多用1／2的耐火材料。例如，60t的AOD爐砌一個爐子用100t耐火材料，而砌一個60t的GOR轉爐要用150t的耐火材料。GOR轉爐每一個爐役要更換1～2次爐底，這也增加了耐火材料的消耗。這樣對比，當AOD爐爐齡為100爐時，GOR轉爐爐齡要達到150爐，噸鋼的耐火材料費用相似。


　　目前烏克蘭的GOR轉爐使用低質量的耐火材料，冶煉鋼種又比較復雜（特別是碳含量低于0．03％的鋼占一定比例），爐齡很低，最高爐齡為120爐。從目前中國的GOR轉爐的生產情況看，正常生產時的爐齡為150～200爐，爐底的壽命為80～100爐。由于耐火材料消耗占不銹鋼冶煉成本的比例較大，在選擇冶煉工藝前，應該認真分析耐火材料費用。


　　轉爐生產效率

　　由于GOR轉爐采用碳氫化合物做為底吹噴嘴的冷卻氣體，相對于AOD轉爐來講，可以加大供氧強度，從而提高脫碳速度，縮短冶煉時間。從這個角度講，GOR轉爐生產效率比AOD轉爐高。


　　但是，目前投產的GOR轉爐都采用在爐座上修爐的方式，而相似噸位的AOD爐多采用整體更換爐體的方式。AOD爐的烘爐作業不占用爐座。從這點上對比，AOD爐的效率高。在GOR轉爐停爐以后，要在爐座上進行拆爐、砌爐、烘爐等作業，這個作業大約需要3天時間。更換爐底的作業大約需要4h。


　　一座GOR轉爐不能保證不銹鋼冶煉車間的連續生產，在轉爐修爐期間，車間將停產，這是不經濟的。所以西南不銹鋼公司正在建設第二座GOR轉爐。建設中的兩個不銹鋼冶煉車間，也采用了建設多座爐子的方案。從配合連鑄機連續澆鑄和提高生產效率的角度出發，建設三吹二的GOR轉爐冶煉車間是經濟的。


　　由于GOR轉爐的冶煉周期比AOD爐的冶煉周期大約短20～30min，所以在車間設計時，要考慮供應初始鋼水的電爐能力的匹配。烏克蘭的GOR轉爐冶煉車間用兩座電爐配合一座GOR轉爐生產。在有鐵水熱裝條件時，建設三座電爐和三座GOR轉爐的不銹鋼冶煉車間（其中轉爐三吹二），是一種好的選擇。總之，由于國情不同，建設方案的論證還要依靠中國的冶金專家來進行。


　　頂吹氧槍

　　除了烏克蘭冶金學院冶煉試驗廠的1噸GOR轉爐以外，其它生產中的GOR轉爐都沒有裝備頂吹氧槍。增加頂吹氧槍涉及到頂吹氧量和底吹氧量的比例、熔池的氧化性等問題，所以在GOR轉爐上增加頂吹氧槍需要對控制系統軟件進行再開發。


　　GOR轉爐工藝對使用頂吹氧槍不感興趣的原因有三個：一是這種工藝供氧強度高，足以應付含碳量在4．0％～5．0％的初始鋼水；二是頂吹氧槍將增加建設費用（設小高跨）；三是開發這種工藝的烏克蘭不銹鋼冶煉車間的初始鋼水碳含量不高。對于AOD轉爐來講，頂槍工藝已經成熟，增加頂槍后，可以有效的提高脫碳速度，從而減少吹煉時間，提高生產效率。


　　關于冷卻噴嘴的碳氫化合物

　　理論上講，任何一種碳氫化合物都能用來冷卻底吹噴嘴。這種冷卻機理在中國已經淘汰的氧氣側吹轉爐上得到過很好的應用。但是，由于GOR轉爐的爐底噴嘴供應氣體的種類多，供應量要求精密的計量和控制，所以控制系統要復雜得多。


　　爐底噴嘴的中心管道要供應氧氣、氮氣、氬氣及這些氣體按不同比例混合后的氣體；外層管道的環縫要供應氮氣、氬氣、氣態的碳氫化合物及它們的混合氣體。從安全的角度出發，使用的碳氫化合物要求在使用條件下（溫度、壓力條件下）呈氣體狀態。


　　對于國內條件來講，只有天然氣和液化石油氣可供選擇。所以必須考慮建設項目所在地的天然氣或液化石油氣的供應條件和價格。在吹煉的第一階段，GOR轉爐采用碳氫化合物冷卻噴嘴，不需要氮氣和氬氣冷卻噴嘴。一般來講，GOR轉爐的氬氣消耗量比AOD轉爐的氬氣消耗量低。節省的數量根據冶煉鋼種不同而有差別。另外，GOR轉爐通過向熔池中吹氮氣，可以精確的控制鋼液中的氮含量，在冶煉J系列不銹鋼時，只用少量的氬氣。


　　配氣系統和自動控制系統

　　GOR轉爐技術轉讓方提供技術設計、關鍵環節的施工設計、控制軟件的編制、安裝和試車指導等服務，不供應任何硬件。

　　與成熟的AOD轉爐工藝比較，GOR轉爐的配氣系統占地面積比較大，每一個爐子的配氣系統的柵欄內面積為18m×6m。配氣系統的流量計、壓力表、閥門、閥門控制器均為通用產品，可以根據施工設計的訂貨清單在市場上訂購，也可以由專業生產公司成套供應。AOD轉爐則有自己的專用閥門和控制器。


　　GOR轉爐自動控制系統的PLC可編程序控制器、編程器、工業控制機等硬件均由用戶按照施工設計的選型表提供的具體型號在市場上購買。以WinCC為平臺軟件，烏克蘭專家編制工藝控制軟件，控制軟件裝入計算機的同時對建設不銹鋼冶煉車間的操作工人和技術人員進行培訓，并進行模擬操作。控制軟件以光盤的形式提供給用戶，在用戶建設新的GOR轉爐時，可以節省費用。


　　成熟的AOD轉爐工藝提供專門的計算機硬件系統和軟件系統，整體性好，占用很小的操作空間。

　　兩種工藝各有優點和缺點，AOD爐的上述兩個系統整體性和集成性好。GOR爐的這兩個系統則具有直觀、便于檢修和不依賴軟件供應商提供任何硬件的優點。從控制思路上來講，兩種工藝不同。AOD轉爐控制軟件從初始鋼水兌入轉爐以后就實行全過程的自動化控制。這種工藝軟件很成熟，只要原料穩定，一般技工經培訓后就可以獨立操作。而GOR轉爐在吹煉的第一階段允許人工干預，也可以說在這一階段是粗放的自動控制。當鋼水中的碳含量降低到0．25％時，轉入第二階段吹煉，此時進入自動控制狀態。這種方式的優點是：比較適用于原料條件復雜多變的工廠。


　　出鋼口

　　GOR轉爐有出鋼口，而AOD轉爐一般沒有出鋼口。多一個出鋼口有利于轉爐出鋼時的鋼渣分離，準確的控制進入鋼包的爐渣量，這對鈦等容易氧化的合金元素的合金化有利。但是增加出鋼口以后使砌爐工作復雜了。另外，出鋼后要及時清理好出鋼口，否則粘稠的爐渣可能堵住出鋼口。


　　其它方面的比較

　　GOR轉爐底吹噴嘴接近爐中心線，吹煉時爐體的振動小。反之AOD爐吹煉時，爐前平臺感到明顯的振動。

　　在轉爐傾動速度相同時，AOD爐從開始傾動爐子到噴嘴完全露出液面的時間比GOR轉爐短，這是由噴嘴安裝位置決定的。

　　底吹碳氫化合物烘爐方便，烘爐的熱效率高。但是對于碳氫化合物價格高的地區要做經濟比較。

　　GOR轉爐的軟件費用低廉，西南不銹鋼的項目，只收取了成本費用，由此節省投資。另外投資節省的主要原因在于：全部硬件都由用戶自己在市場上采購，機械設備全部由國內的機械廠制造，從而降低了制造費用。


　　兩種工藝都有很好的售后服務。GOR轉爐采用的是賣方操作或賣方指導操作轉爐，冶煉20爐不同鋼種的不銹鋼，在這個過程中可以驗證合同保證值，也培訓了用戶的操作人員。


　　由于中國冶煉不銹鋼的爐料中的碳含量高，GOR轉爐吹煉的第一階段，爐氣中的CO高達87％～93％，在第二階段平均為40％～45％。所以在工廠設計時，應該考慮煤氣回收。AOD爐由于冷卻噴嘴的惰性氣體的稀釋作用，降低了回收煤氣的價值。雖然至今還沒有回收煤氣的GOR轉爐，但是這是容易實現的。