不锈钢系列报告：不锈钢冶炼工艺介绍.pdf

请 务必认真阅读最后一页免责说明 大有期货 投研中心 工业品 研究 组 黄科 从业资格证号： F3067764 投资咨询证号： Z0014875 Tel:0731-84409090 E-mail:huangkedayouf 不锈钢冶炼工艺介绍 不锈钢 系列报告 摘要 ： 不锈钢厂冶炼工艺的选择需要综合考虑多重影响因素，涉及生产规模、产品大纲、原料供应条件等多个方面。冶炼设备的选择搭配与不锈钢品种和原材料有关 ，原材料主要包括 ：废钢、铁水、铬矿石、镍矿石等。 传统的不锈钢冶炼工艺主要包括一步法、二步法和三步 法 ， 其中二步法约点全球不锈钢产能的 70%。 RKEF 工艺的兴起与完善，使我国摆脱“贫镍”困境 ，不锈钢产量得到迅猛增长，而 RKEF 一体化 模式 更是刷新了全球不锈钢成本低点。 由于印尼原矿出口限制，印尼国内镍铁、不锈钢产能快速增长，且 相较于中国 ， 成本优势明显，对中国不锈钢 产业 形成一定 竞争 压力。 展望将来，随着我国废不锈钢资源日益丰富，生产过程中废钢成本的下降 或推动不锈钢成本低点回归中国。 风险提示 ：印尼矿业政策变 动 ；印尼镍铁、不锈钢产能投放不及预期。 2020 年 1 月 15 日 专题 报告 镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 1/10 正文 目录 一、根据原料及钢种选择冶炼设备 . 2 二、不锈钢主要传统冶炼工艺 . 2 2.1 一步法 . 2 2.2 二步法 . 3 2.3 三步法 . 3 三、 RKEF 一体化冶炼工艺 . 4 3.1 RKEF 工艺 . 4 3.2 RKEF 工艺优劣势 . 6 3.3 RKEF 一体化不锈钢生产工艺 . 6 四、 RKEF 成本优势助推印尼不锈钢产业崛起 . 7 五、风险提示 . 9 图表 目录 图表 1： EAF+AOD 二步法工艺流程图 . 3 图表 2：三步法工艺流程图 . 4 图表 3：三步法工艺流程图 . 5 图表 4： RKEF 一体化不锈钢生产工艺流程图 . 7 图表 5： 2018 年印尼 RKEF 完全生产成本（含镍量 10%镍铁） . 8 图表 6：江苏地区 RKEF 完全生产成本（含镍量 10%镍铁） . 8 fWdYqVtVlUlWkW8ZMBrRpM8OaOaQsQqQnPoOeRmMsRiNoPtNaQnMpPuOqQmRwMrNrQ镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 2/10 不锈钢厂冶炼工艺的选择需要综合考虑多重影响因素，涉及生产规模、产品大纲、原料供应条件等多个方面。通常来说不锈钢冶炼工艺路线的确定，首先应从产品大纲为出发，以原料组成和不锈钢精炼机理为依据，选择合适的不锈钢冶炼工艺路线。不锈钢冶炼过程一般包括以下几个阶段：熔化期 -氧化期 -还原期 -精炼期 -连铸，不锈钢冶炼设备分为初炼设备和精炼设备两大类 ，初炼设备包括 ：电弧炉 (EAF)、非真空感应炉 (一般用于小规模生产 )、矿热炉、转炉。精炼设备主要包括钢包型精炼设备 (真空精炼炉 VOD、钢包精炼炉 LF 等 )、转炉型精炼设备 (氩 氧精炼炉 AOD 等 )以及 RH 功能扩展型精炼设备三大类。 一、 根据原料及钢种选择冶炼设备 不锈钢冶炼设备的选择搭配与不锈钢品种和原材料有关 ，原材料主要包括 ：废钢、铁水、铬矿石、镍矿石等 。 原料为不锈废钢，通常采用电弧炉 +精炼设备的短流程工艺 ； 原料为含镍铁水，采用转炉 +精炼设备的工艺； 原料是废钢和铁水 ，采用电弧炉 +转炉 +精炼设备的工艺 ； 400 系列不锈钢的冶炼原料主要是铬矿石，以熔融还原转炉 +脱碳转炉作为初炼设备，再到精炼设备； 新兴的 RKEF 工艺，则是以红土镍矿为原料，初炼设备采用干燥窑 +回转窑 +矿热炉 +转炉，再到精炼设备的工艺流程 。 二、 不锈钢主要传统冶炼工艺 2.1 一步法 早期的一步法工艺是指在电炉内完成废钢熔化、脱碳、还原和精炼等工序，将炉料一步冶炼成不锈钢。早期一步法对原料要求严格 (需 添加 不锈钢废钢、低碳铬铁和金属铬 )，生产中原材料、能源介质消耗高，冶炼周期长，生产率低，适用产品品种也较少。为了克服以上缺陷，新一步法应运而生，新一步法使用铁水代替废钢并加入合金在 AOD(氩氧精炼炉 )炉中进行不锈钢冶炼，较原有流程取消了电炉环节，且目前我国废不锈钢资源短缺、价格较高，新的一步法有效降低了生产成本，被较为广泛的镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 3/10 运用于 400 系列不锈钢的生产。 2.2 二步法 20 世纪 70 年后期， AOD 和 VOD 两大精炼设备的出现，对不锈钢冶炼工艺的选择产生了重大影响， VOD 炉是在真空环境下进行吹氧脱碳， AOD 炉是用氩 气和氮气这些稀释气体来脱碳。将这两种精炼设施的任何一种与电炉相配合，就形成了不锈钢的二步法生产工艺，所以二步法不锈钢代表工艺路线为电弧炉 AOD（氩氧精炼炉）、电弧炉 VOD（真空精炼炉）。 采用电炉与 VOD 搭配的二步法炼钢工艺比较适合小规模、多品种兼容的不锈钢生产，电弧炉 AOD 工艺是当前不锈生产的主流工艺，约占世界不锈钢产能的 70%左右。在二步法中，电弧炉主要用于熔化废钢和合金原料，生产不锈钢预熔体，再进入到 AOD 炉中冶炼成合格的不锈钢钢水。在冶炼过程中可以大量使用高碳铬铁、镍铁代替价格高昂的废不锈钢， 因而显著降低了原料成本，且生产周缩短，效率提高 ,其投资建设成本虽高于一步法但少于三步法。主要缺点在于冶炼过程中氩气、硅铁等消耗量较大，且不能用于超低碳、低氮不锈钢的生产 。 图表 1： EAF+AOD 二步法工艺流程图 数据来源： 大有期货投研中心，中国特钢协会不锈钢分会 2.3 三步法 基本工艺流程为初炼炉复吹转炉 /AOD 炉 VOD 真空精炼装置，其特点是电炉作为熔化设备，只负责向转炉提供含有铬、镍的半成品钢水，复吹转炉主要作用是通过吹氧实现快速脱碳，以达到最大回收铬的目的。 VOD 真空吹氧负责进一步脱碳、脱镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 4/10 气和成分微调。三步法较二步法明显的变化在于增加了深脱碳环节，适用于生产超低碳或超低氮不锈钢，生产节奏快，炉龄提高，整个流程更均衡和易于衔接，且可以使用铁水为原料，原料选择相对灵活，专业不锈钢生产企业及联合钢厂都可采用，但设备投资规模大，生产成本较高 。 图表 2： 三步法工艺流程图 数 据来源： 大有期货投研中心，中国特钢协会不锈钢分会 三类传统工艺选择原料时基本上都需要用到铁水，铁水可来自于高炉普碳铁水，再加入镍板、镍豆等，也可以直接使用含镍铁水。按照当前铁水成本和镍板价格测算，8 个镍点的 含镍铁水成本超过 11000 元 /吨，显著高于镍铁价格，因此在原料构成中，普碳铁水更多是起到调节的作用，使用含镍铁水来生产不锈钢才是主流的选择。红土镍矿生产镍铁的方法有湿法和火法两种，火法冶炼工艺更加成熟，因而得到广泛运用。火法冶炼镍铁工艺又可分为高炉冶炼和电炉冶炼，由于高炉冶炼污染严重、能耗高，当前我国镍铁冶炼工艺已基本完成高炉工艺向电炉工艺的升级换代，同时传统的电炉工艺（烧结机 -矿热炉）也逐步退出，新型的电炉工艺 RKEF 成为主流工艺。 三、 RKEF 一体化冶炼工艺 3.1 RKEF 工艺 RKEF 是 Rotary Klin Electric Furnace 的首字母缩写，始于 20 世纪 50 年代的新喀多里尼亚，译为回转窑 -矿热炉。 RKEF 的主要工艺流程为：原料场筛分、破碎镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 5/10 和混匀配料回转窑矿热炉铁包脱硫精炼转炉浇铸。主要设备一般为：回转干燥窑，预还原回转窑，矿热电炉。此外， RKEF 工艺系统中还包括烟尘制粒、烟气处理、煤粉制备、供电、供水、自控、通信、土建、综合维修等系统。从成本投入来说，回转窑和矿热炉是最主要的部分，约占比 40%，燃煤电厂投资成本约占 30%，公用系统投资成本不到 10%。 图表 3： 三步法工艺流程图 数据来源： 大有期货投研中心， 我要 不锈钢网 具体工艺流程如下： （ 1）红土镍矿在原料堆厂进行破碎筛分，装载机自原料堆取料，经过板式给料机、胶带输送机将红土镍矿运往干燥主厂房。 （ 2）原矿一般含水 30-40%，直接用装入矿热炉冶炼，能耗巨大且易发生爆炸事故，须通过干燥窑处理将含水降至 20-22%左右，干燥窑一般利用回转窑烟气为热源，不足部分由煤粉燃烧补充。干燥窑烟气经电收尘收集后，由排烟风机和烟囱排入大气，烟尘用气力输送到烟尘制粒系统。 （ 3）将干燥矿石、还原煤、烟尘粒等原辅料混合加入回转窑，混合物料在回转窑内脱水、预热、焙烧及部分还原产出高温焙砂（ 700-800），焙砂经热料输送系统镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 6/10 输送到电炉熔炼系统。回转窑产生的烟气接入干燥窑用于湿矿干燥脱水，以充分利用烟气预热。 （ 4）矿热 电炉一般采用交流电进行冶炼，产出粗制镍铁和炉渣。精制镍铁含有硫磷等杂质，须放入中间包进行脱硫、脱磷等处理，才能得到可用于不锈钢生产的镍铁原料。电炉渣经水淬后运往渣场堆存。电炉煤气经冷却、净化后直接送回转窑煤气燃烧器作燃料。 3.2 RKEF 工艺优劣势 RKEF 工艺的优势在于 ：原料选择面比较宽广；镍铁品位高于高炉法和烧结矿 -矿热炉工艺，且有害元素更少；可实现废气粉尘循环利用，环保成本较低；焙砂热 料入炉较烧结矿 -矿热炉工艺下的冷料入炉，可有效降低能源和还原剂的消耗 主要 不足在于 ：生产过程中电力和焦炭消耗仍然很大； 在 RKEF 工艺下， 红土镍矿中钴元素不能有效回收利用；矿石含镍品位的高低对火法工艺的生产成本影响较大，矿石镍品位每降低 0.1%， 则 生产成本大约增加 3-4%。 3.3 RKEF 一体化不锈钢生产工艺 随着冶金科学技术的进步，最初的 RKEF 工艺吸纳了包括自动化、清洁生产在内的众多先进技术成果，在设计制造、安装调试和生产操作上日益成熟，逐渐成为世界上生产镍铁的主流工艺技术。 2004 年乌克兰的帕布什镍 铁厂改进了 RKEF 技术，用低品位的红土镍矿生产镍铁，取得了引人注目的经济效益。早在 2006 年国内企业就有相关尝试，但早期技术生产的镍铁含镍量较低，仅能用于生产质量要求相对较低的民用不锈钢，且存在污染大、能耗高问题。随着技术工艺的改进， RKEF 工艺经过两次技术革新后，产出的镍铁品质提升，用镍铁生产不锈钢的技术条件也更加成熟。得益于镍铁生产技术的快速发展，中国不锈钢产量有了爆发式的增长，并于 2010 年转变为净出口国。 2010 年中国青山集团旗下的鼎信实业 创造性地将 RKEF 与 AOD 流程结合形成不锈钢冶炼一体化流程，将不锈钢冶炼成本降低 20%以上，吨钢能耗减少 50%以上，不仅奠定了青山集团的行业霸主地位，也使得中国不锈钢产业具备了明显的成本优势。RKEF+AOD 一体化工艺流程主要有：红土镍矿 -干燥窑 -回转窑 -矿热炉 -转炉 -精炼设镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 7/10 备的工艺 。 图表 4： RKEF 一体化不锈钢生产工艺流程图 数据来源： 大有期货投研中心，中国特钢协会不锈钢分会 四 、 RKEF 成本优势助推印尼不锈钢产业崛起 中国是世界上最大的不锈钢生产国与消费国，也是最大镍消费国，但是我的镍矿资源较为稀缺，所以镍矿严重依赖进口，其中主要进口来源为印尼和菲律宾。印尼红土镍矿资源丰富，长期以来都是世界上最大镍矿生产国与出口国，为充分利用、保护本国矿产资源， 2014 年印尼政府出台原矿出口禁令，与此同时，为了保障原料供应以及降低成本，国内的青山集团等大型不锈钢厂便开始在印尼投资建厂，印尼的镍铁、不锈钢产能（以 RKEF 工艺为基础）迅速增长，预计在 2020 年印尼将初步具备 400 万吨不锈钢产能，且后期还将持续增长。 印尼国内镍矿充裕，价格较 低， 根据我的不锈钢网测算结果， 2018 年印尼地区RKEF 生产含镍量 10%的镍铁完全成本为 5416.2 元 /吨，而 我们测算 同期 国内成本相对偏低的江苏地区含镍量 10%镍铁 RKEF 完全成本 在 6500-7500 元 /吨， 印尼 镍铁生产成本远低于中国。 在 2017 年前后全球不锈钢成本低点便由中国转移至印尼，而印尼国内不锈钢消费能力有限，多余产量主要依靠对外出口来消化，将对中国生产的不锈钢产品市场份额形成一定冲击。也有市场观点认为，虽然现阶段中国的不锈钢成本优势不再，但随着国内废不锈钢资源日益丰富，预计 2025 年国内 300 系废钢的自给率将达到 40%左右，原料结构调整叠加成本下降或将助力中国重夺不锈钢成本优势。 镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 8/10 图表 5： 2018 年印尼 RKEF 完全生产成本（含镍量 10%镍铁） 项目 单位 吨耗 单价（人民 币） 成本 备注 镍矿 吨 9.42 197.2 1857.6 29 美元到料场 焦炭 吨 0.37 1316 486.9 冶炼用电 1*104 度 4023 0.42 1689.66 动力用电 1*104 度 324 0.42 136.08 其他用电 1*104 度 11 0.42 4.62 石灰石 吨 0.83 130 107.9 烟煤 吨 1.099 500 550 电极糊 千克 8 6 48 柴油 升 6 7 42 码头进厂运输 元 131.9 工人工资 元 56 后勤补贴 元 7 差旅费用 元 1.5 财务费用 元 30 折旧 元 200 检修费用 元 140 耐材费用 元 35 其它费用 元 20 煤气回收 Nm3 388 0.33 -128.34 热值 全部送回转窑 合计 5416.2 数据来源： 大有 期货投研中心 ，我的不锈钢网 图表 6：江苏地区 RKEF 完全生产成本（含镍量 10%镍铁） 数据来源： 大有期货投研中心， wind 6500700075008000850090002018-01-022018-02-022018-03-022018-04-022018-05-022018-06-022018-07-022018-08-022018-09-022018-10-022018-11-022018-12-022019-01-022019-02-022019-03-022019-04-022019-05-022019-06-022019-07-022019-08-022019-09-022019-10-022019-11-022019-12-022020-01-02元 /吨镍、不锈钢 专题 报告 研究创造价值，服务 铸就 品牌！ 9/10 五 、风险提示 印尼矿业政策 变 动 ； 印尼镍铁、不锈钢产能投放不及预期 。