Процесс CLU для производства нержавеющей стали: эффективное удаление углерода и легирование

Особенности производства нержавеющей стали и роль процесса CLU

Производство нержавеющей стали включает базовые операции: удаление углерода (C), деоксидацию, десульфурацию, которые комбинируют с легированием твердыми материалами и контролем азота (N₂). Эти задачи решаются по-разному в разных процессах.

Процесс CLU (Creusot-Loire Uddeholm) аналогичен процессу AOD (аргон-кислородная декарборизация). Использует жидкую сталь из Электродуговой печи (ЭДП) или других первичных печей. Главный стимул разработки — замена дорогого и дефицитного аргона (Ar) на перегретый пар как разбавляющий газ. Пар применяли в производстве нержавейки с начала 1970-х на заводе Uddeholms Degerfors (Швеция). В Франции параллельно развивался процесс в группе Creusot-Loire. Название — Creusot Loire Uddeholm (CLU).

Конвертер и история внедрения

Изначально CLU использовал доннодувной конвертер (в отличие от боководувного AOD). Сейчас существуют и боководувные варианты CLU.

Первый коммерческий завод CLU построен Uddeholm в 1973 г. В 1973–2003 гг. на заводе Degerfors в 80-тонном конвертере производили нержавейку, используя перегретый пар, Ar, N₂, O₂ и сжатый воздух. Конвертер работал 30 лет как CLU до консервации в 2003 г. Поперечное сечение доннодувного конвертера CLU — на рис. 1.

Рис. 1. Поперечное сечение конвертера CLU

Технология получила умеренное распространение: всего 7 заводов использовали перегретый пар промышленно. Samancor (ЮАР) применяет для производства среднеуглеродистого феррохрома. Acerinox Columbus Stainless (Мидделбург, ЮАР) выбрала CLU для двух 110-тонных конвертеров. В 1995–2002 гг. использовали пар, но в 2002 г. сняли паровое дутье: рынок обеспечил достаточно Ar, износилось котельное оборудование. В 2008 г. паровое дутье восстановили — теперь два конвертера работают на паре одновременно. Мотивация: снизить пиковые потребности в Ar и общий расход Ar под местное предложение.

Принцип процесса CLU

Как и AOD, CLU использует технику разбавления. Декарборизация должна проходить при пониженном парциальном давлении CO, так как равновесие Cr–C в ване сильно зависит от pCO в пузырьках газа при декарборизации. Рис. 2 показывает равновесие Cr–C при двух температурах и давлениях.

Рис. 2. Равновесие углерод–хром при двух температурах и давлениях

Инертный газ снижает pCO в ване, позволяя удерживать более высокое содержание Cr при более низком C. Изначальный стимул — дешевый инертный газ для снижения pCO и уменьшения потребности в дорогом Ar.

Период декарборизации: дуют смесь O₂ + пар. Фундамент использования пара — реакция диссоциации:

H₂O (g) + 241,9 кДж/моль = H₂ (g) + ½ O₂ (g)

Пар диссоциирует в стали: H₂ работает как промывочный газ (как Ar в AOD), O₂ — как окислитель/рафинирующее средство. Диссоциация эндотермична — забирает тепло из ваны, помогая температурному контролю.

Creusot-Loire рассматривали донные наплавленные штуцеры с топливной защитой, позволяющие дуть чистый O₂ и применять современные методы рафинирования углеродистой стали — высокая скорость при высоких начальном C и Si.

1 кг перегретого пара заменяет: 1,25 н.м³ Ar (или N₂) по газу, 0,625 н.м³ O₂ по окислителю, 10 кг шпата по охлаждающей способности. Пар בעיקר заменяет тактические охлаждающие добавки при работе конвертера у предела мощности. Также для охлаждения при отсутствии/логистических проблемах с обычными охлаждающими добавками.

H₂ из пара растворяется в стали как N₂, но удаляется очень быстро — до уровней ниже критических для нержавейки. Даже если H₂ проблематичен для многих сталей, для нержавеющей — нет. При отливании типичных марок (304) H₂ = 5–6 ppm независимо от CLU или AOD. Литье обычных нержавеек допустимо до >10 ppm.

Преимущества и особенности процесса

Главное преимущество: более низкая рабочая температура в конвертере (на 50–100 °C ниже AOD). Дополнительные потери Cr компенсируют доп. добавкой ферросилиция (Fe-Si) для шлакового восстановления.

Другие ключевые преимущества:

• Возможность температурного контроля во время декарборизации без охлаждающих добавок — через соотношение O₂/пар.
• Низкая стоимость разбавляющего газа — существенное снижение себестоимости нержавейки.
• Применение дешевого феррохрома (Fe-Cr) с высоким Si и C.
• Низкая температура и донное дутье → выше ресурс облицовки, ниже затраты на огнеупоры.

Десульфурирующие условия сопоставимы с AOD. С точки зрения десульфурации, высокий Si в ЭДП — преимущество, но требует доп. известка для поддержания щелочности шлака.

Для удаления растворенного H₂ в конце рафинирования вдувают ~1,5 н.м³ Ar на тонну стали.

Окисление Cr выше, чем в AOD, при продолжении декарборизации ниже 0,18% C. Несмотря на повышенное потребление Si, есть экономия за счет меньшего расхода дорогого Ar. Использование пара на всем периоде может дать нежелательный H₂ без должного контроля. Необходимы устоявшиеся практики и механизмы контроля доз пар, Ar, N₂.

Типичные параметры процесса

Таблица 1 — типичные параметры для марок 304 и 409.

Таблица 1. Типичные параметры и условия для марок 304 и 409
Параметр	Ед. изм.	Марка 304	Марка 409
Целевой углерод	%	0,03	0,01
Целевой азот	ppm	350	100
Углерод в загрузке	%	1,65	0,96
Кремний в загрузке	%	0,20	0,13
Кислород	н.м³/т	27,7	22,4
Азот	н.м³/т	13,5	1,7
Пар	н.м³/т	10,4	6,0
Водород	ppm	5,9	3,8
Аргон	н.м³/т	7,0	17,1
Кремний (восстановление)	кг/т	15,5	15,9