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中國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的進(jìn)步

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中國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的進(jìn)步

中國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的進(jìn)步

劉 瀏

(鋼鐵研究總院)

摘 要 本文在分析國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐煉鋼的技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,總結(jié)了國(guó)內(nèi)在鐵水脫硫預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐長(zhǎng)壽工藝與長(zhǎng)壽復(fù)吹技術(shù)、高效冶煉工藝等方面的經(jīng)驗(yàn),并提出今后的技術(shù)發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞 煉鋼 轉(zhuǎn)爐 鐵水預(yù)處理

1 前 言

目前,轉(zhuǎn)爐煉鋼法仍是世界上最主要的煉鋼生產(chǎn)方法。由于中國(guó)勞動(dòng)力便宜,廢鋼資源緊缺,電價(jià)昂貴等資源、社會(huì)特點(diǎn),進(jìn)一步促進(jìn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展。根據(jù)2001年的統(tǒng)計(jì),轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量為1.18億噸,占當(dāng)年全國(guó)鋼產(chǎn)量1.37億噸的86%[1],也說(shuō)明轉(zhuǎn)爐煉鋼是中國(guó)目前最主要的煉鋼方法。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,2003年人均GDP首次突破1000美元,達(dá)到1090美元,中國(guó)經(jīng)濟(jì)的繁榮和旺盛的市場(chǎng)需求促進(jìn)了中國(guó)鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展,同時(shí)也促進(jìn)了轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的不斷進(jìn)步。

本文總結(jié)近五年來(lái)中國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展,并對(duì)目前存在的問(wèn)題和今后的發(fā)展方向提出具體的看法。

2 中國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼的生產(chǎn)概況

根據(jù)2001年國(guó)內(nèi)大中型鋼鐵企業(yè)統(tǒng)計(jì):國(guó)內(nèi)共有轉(zhuǎn)爐223座,轉(zhuǎn)爐公稱噸位總計(jì)為10960噸。國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)狀況詳見(jiàn)表l。

表1 2001年國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)狀況統(tǒng)計(jì)

從表1中可以看出,我國(guó)大、中、小型轉(zhuǎn)爐的爐型結(jié)構(gòu)基本合理,其中大型轉(zhuǎn)爐19座,其公稱噸位總計(jì)為4180噸,占國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐公稱噸位總量的38.1%;中型轉(zhuǎn)爐42座,其公稱噸位總計(jì)為3981噸,占36.3%;小型轉(zhuǎn)爐162座,公稱噸位總計(jì)為2800噸,占25.6%。

從實(shí)際生產(chǎn)能力分析,小型轉(zhuǎn)爐仍是目前國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)的主體。其鋼產(chǎn)量在2003年達(dá)到8425萬(wàn)噸,占全國(guó)當(dāng)年轉(zhuǎn)爐鋼總產(chǎn)量的51%;而大、中型轉(zhuǎn)爐產(chǎn)量分別為3524.7萬(wàn)噸和3665.7萬(wàn)噸,分別占當(dāng)年全國(guó)轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量的21.7%和22.5%。

從生產(chǎn)品種上分析,小型轉(zhuǎn)爐以生產(chǎn)普碳鋼建筑材為主,主要和小方坯連鑄機(jī)配合生產(chǎn),通常未采用鐵水預(yù)處理、計(jì)算機(jī)終點(diǎn)控制和爐外精煉等先進(jìn)工藝裝備。中型轉(zhuǎn)爐是今后我國(guó)鋼鐵生產(chǎn)的主力爐型,承擔(dān)著增加鋼產(chǎn)量和擴(kuò)大轉(zhuǎn)爐鋼品種的雙重任務(wù),其品種范圍包括熱軋帶鋼(與薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線配套)、中厚板、各類(lèi)優(yōu)質(zhì)碳素鋼(如重軌、硬線)、特殊鋼(包括彈簧、齒輪、軸承、冷鐓等鋼種)和高附加值鋼鐵產(chǎn)品(如不銹鋼、冷軋硅鋼等)。大型轉(zhuǎn)爐主要生產(chǎn)熱軋帶鋼。目前,國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)大、中型轉(zhuǎn)爐均采用了鐵水脫硫預(yù)處理、爐外精煉、計(jì)算機(jī)終點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制等先進(jìn)技術(shù),裝備精良,工藝流程先進(jìn),是我國(guó)鋼鐵工業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)力的代表。

表2給出目前國(guó)內(nèi)大、中、小型轉(zhuǎn)爐技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的比較。

表2

分析表2可以看出,目前國(guó)內(nèi)小型轉(zhuǎn)爐的強(qiáng)化冶煉指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。小轉(zhuǎn)爐通

3常采用高速供氧技術(shù)強(qiáng)化冶煉,供氧強(qiáng)度一般在3.5Nm/t.min以上,其中濟(jì)鋼、萊蕪

鋼廠等十余家鋼廠的供氧強(qiáng)度超過(guò)4.0Nm3/t.min,使吹氧時(shí)間縮短到11~13min,平均冶煉周期達(dá)到24.7min。在此基礎(chǔ)上加快生產(chǎn)節(jié)奏,使日歷作業(yè)率平均達(dá)到85%以上,最高達(dá)到97.7%。并采用適當(dāng)擴(kuò)大裝入量的方法,降低爐容比,提高單爐產(chǎn)量,使轉(zhuǎn)爐的利用系數(shù)平均達(dá)到64.872 t/t·d,最高達(dá)到96·236 t/t·d。相比之下,國(guó)內(nèi)大、中型轉(zhuǎn)爐的冶煉強(qiáng)度雖然已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,但與國(guó)內(nèi)小轉(zhuǎn)爐相比尚有較大的差距。 3 鐵水脫硫預(yù)處理技術(shù)的進(jìn)步

采用鐵水預(yù)處理工藝,是改善轉(zhuǎn)爐鋼水質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的重要保證,也是現(xiàn)代化鋼鐵廠的基本標(biāo)志之一。近幾年,國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐廠開(kāi)始大量推廣采用鐵水預(yù)處理技術(shù),積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。1991年國(guó)內(nèi)鐵水預(yù)處理量?jī)H為69萬(wàn)噸,鐵水預(yù)處理比僅為1.82%;至2001年,鐵水預(yù)處理量達(dá)到3200萬(wàn)噸,預(yù)處理比例為26.1%;預(yù)計(jì)到2005年,鐵水預(yù)處理量將超過(guò)6886萬(wàn)噸,預(yù)處理比例達(dá)到50%[3]。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐,在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)特點(diǎn)不斷改進(jìn)、優(yōu)化和創(chuàng)新,使不少鋼廠鐵水脫硫工藝達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。如武鋼二煉鋼KR法脫硫工藝攪拌頭壽命超過(guò)500次,處理溫降≤28℃,脫硫用石灰粉劑消耗僅為

4.69kg/t鋼,脫硫成本僅為20元/t鐵[4],上述指標(biāo)均已超過(guò)國(guó)外同類(lèi)鋼廠水平[5]。

最近幾年,國(guó)內(nèi)大力發(fā)展鎂脫硫鐵水預(yù)處理工藝,先后引進(jìn)了美國(guó)、歐洲和俄羅斯的鐵水脫硫于藝,比較了混合噴吹法、復(fù)合噴吹法和純鎂噴吹法三種工藝。實(shí)踐證明,采用噴鎂脫硫工藝優(yōu)于以KR法為代表的石灰劑脫硫方法,主要的優(yōu)點(diǎn)是:渣量小,處理溫降低,鐵損少。在三種鎂脫硫工藝中,純鎂噴吹工藝略顯優(yōu)勢(shì),其主要優(yōu)點(diǎn)是:

(1)硫效率高。純鎂噴吹法脫硫效率>95%,而復(fù)合噴吹法約為80%,混合噴吹法脫硫效率不穩(wěn)定;

(2)處理時(shí)間短。純鎂噴吹純處理時(shí)間為5~8min,而復(fù)合噴吹法約為l0min;

(3)處理溫降小。純鎂噴吹處理過(guò)程溫降平均為8.12℃,而復(fù)合噴吹法溫降約為8.14℃;

(4)鐵損低。純鎂噴吹的平均鐵損為7.1kg/t,而復(fù)合噴吹法為10~12kg/t。

由于純鎂噴吹工藝具有上述優(yōu)點(diǎn),可使噸鐵處理成本降低到15元以下。

今后幾年,國(guó)內(nèi)鐵水脫硫技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步普及,主要的技術(shù)發(fā)展方向是:

(1)為了擴(kuò)大鐵水預(yù)處理能力,實(shí)現(xiàn)100%鐵水脫硫預(yù)處理,需要進(jìn)一步提高脫硫速度,縮短處理周期。

(2)改進(jìn)扒渣工藝。目前,國(guó)內(nèi)采用脫硫預(yù)處理鐵水煉鋼的轉(zhuǎn)爐廠回硫現(xiàn)象十分嚴(yán)重,通常達(dá)到200~300%,回硫的主要原因是鐵水帶渣、輔料含硫過(guò)高和廢鋼造成的。因此,改進(jìn)扒渣工藝,在保證扒渣效果的前提下,進(jìn)一步降低鐵損是至關(guān)重要的。

(3)努力降低鐵水脫硫預(yù)處理成本,使脫硫成本<15元/t鐵。

4 轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的進(jìn)步

近幾年國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)進(jìn)步很快,主要是推廣采用了以下先進(jìn)技術(shù)。

4.1長(zhǎng)壽轉(zhuǎn)爐技術(shù)

自1997年以來(lái),國(guó)內(nèi)大力開(kāi)展濺渣護(hù)爐技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和推廣應(yīng)用工作,使轉(zhuǎn)爐爐齡大幅度提高,如圖1所示[6]。至2002年國(guó)內(nèi)95.2%的轉(zhuǎn)爐采用了濺渣護(hù)爐技術(shù),大型轉(zhuǎn)爐平均爐齡達(dá)到10181.5爐,中型轉(zhuǎn)爐平均爐齡達(dá)到15298.2爐,部份小型轉(zhuǎn)爐鋼廠的平均爐齡也已達(dá)到10316爐。由于爐齡的提高,給工廠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益,表3給出武鋼、萊鋼、三明鋼廠在爐齡超過(guò)萬(wàn)爐以后,隨著爐齡的增長(zhǎng),技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化情況[7]。從表中可以看出,隨著爐齡延長(zhǎng)到3萬(wàn)爐以上,爐役期產(chǎn)鋼量同步增長(zhǎng),耐火材料消耗和噸鋼成本也相應(yīng)逐年降低。

圖1 表3

國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐的基本經(jīng)驗(yàn)概括為:

(1)根據(jù)冶煉鋼種和生產(chǎn)工藝的差別,選擇正確的濺渣工藝;

(2)提高N2壓力,優(yōu)化濺渣工藝;

(3)正確選擇開(kāi)始濺渣的時(shí)機(jī),實(shí)現(xiàn)爐襯零浸蝕;

(4)濺渣與補(bǔ)爐相結(jié)合,嚴(yán)格控制濺渣后的轉(zhuǎn)爐爐型;

(5)加強(qiáng)煙罩水冷爐口等設(shè)備維護(hù),延長(zhǎng)其壽命。

4.2長(zhǎng)壽復(fù)吹工藝

轉(zhuǎn)爐濺渣后爐齡大幅度提高,如何實(shí)現(xiàn)全程復(fù)吹,提高底吹噴嘴的壽命是全世界鋼鐵廠

急待解決的重大技術(shù)難題。為了解決這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐廠發(fā)明了爐渣蘑菇頭保護(hù)底吹透氣磚的先進(jìn)技術(shù),使底吹噴嘴的一次壽命與爐齡同步,并保證復(fù)吹比100%。表4給出爐渣透氣蘑菇頭與金屬蘑菇頭的技術(shù)比較[8],從表中可以看出,爐渣蘑菇頭以氧化物為主,體積大,透氣性良好。經(jīng)水模實(shí)驗(yàn)證明,在相同的氣量下,由爐渣蘑菇頭噴射出來(lái)的細(xì)小氣泡攪拌熔池,可使熔池混勻時(shí)間縮短40~50%[9]。圖2給出武鋼二煉鋼爐齡達(dá)到30368爐時(shí),出鋼后的爐底照片。此時(shí)爐底厚約400mm,四支底吹噴嘴清晰可見(jiàn),完好無(wú)缺,說(shuō)明爐渣蘑菇頭對(duì)底吹噴嘴的保護(hù)效果極佳。

表4,圖2,3

全爐役期內(nèi)底吹噴嘴的工作狀況,可采用連續(xù)測(cè)定終點(diǎn)鋼水[C]·[O]濃度積來(lái)衡量:對(duì)于頂吹轉(zhuǎn)爐,由于熔池缺乏攪拌,[C]·[O]一般大于0.003;而對(duì)于正常狀態(tài)下的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐,碳氧濃度積[C].[O]≤0.0028。圖3給出整個(gè)爐役期內(nèi)(30,368爐),終點(diǎn)鋼水氧含量的變化趨勢(shì)。說(shuō)明在整個(gè)爐役期內(nèi)采用長(zhǎng)壽復(fù)吹工藝都能獲得良好的冶金效果。

4.3復(fù)吹轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉技術(shù)

國(guó)內(nèi)小型轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉的基本經(jīng)驗(yàn)歸納為:提高供氧強(qiáng)度,縮短吹氧時(shí)間;加快生產(chǎn)節(jié)奏,提高轉(zhuǎn)爐作業(yè)率;適當(dāng)擴(kuò)大裝入量,提高轉(zhuǎn)爐利用系數(shù)。借鑒小轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉的成功經(jīng)驗(yàn),在大、中型轉(zhuǎn)爐上推廣轉(zhuǎn)爐高效冶煉技術(shù),可以獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。制約轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉的因素主要包括爐容比、成渣速度、吹煉平穩(wěn)性和終點(diǎn)控制水平。如圖4所示,隨著轉(zhuǎn)爐供氧強(qiáng)度的提高,爐氣發(fā)生量大幅度增加,爐內(nèi)泡沫渣的高度可以按下式計(jì)算: 公式1

提高供氧強(qiáng)度,使吹煉過(guò)程渣液面高度上漲,嚴(yán)重時(shí)溢出爐口,成為高效供氧的限制環(huán)節(jié)。為了解決這一問(wèn)題,應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步減少渣量,改進(jìn)化渣工藝,實(shí)現(xiàn)提前化渣。采用復(fù)吹工藝提高吹煉前期熔池的攪拌強(qiáng)度,可以加快石灰的熔解,提高前期成渣速度,達(dá)到減少噴濺的目的,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)吹煉。采用復(fù)吹技術(shù)后,終點(diǎn)碳氧反應(yīng)趨于平衡,如圖5所示,終點(diǎn)碳、溫波動(dòng)較小,有利于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)終點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制,進(jìn)一步縮短后期操作時(shí)間。

圖4,5

本鋼煉鋼廠150噸轉(zhuǎn)爐采用復(fù)吹轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉工藝,在爐容比僅為0.67的條件下,使供氧強(qiáng)度提高到3.7Nm3/t.min,冶煉周期平均縮短22min。表5給出150噸轉(zhuǎn)爐采用強(qiáng)化冶煉工藝前、后冶煉周期的變化情況。

表5 150噸轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉前、后周期時(shí)間對(duì)比/min

本鋼150噸轉(zhuǎn)爐采用復(fù)吹轉(zhuǎn)爐強(qiáng)化冶煉工藝后獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益:

(1)幅度提高了鋼產(chǎn)量,年增產(chǎn)鋼量100萬(wàn)噸:

(2)高了鋼水質(zhì)量,終點(diǎn)鋼水[C][O]≤0.0023,終點(diǎn)磷平均為0.0042%,平均脫磷率達(dá)到90.3%;

(3)降低了生產(chǎn)成本,平均出鋼碳為0.06%的工藝條件下,終渣FeO平均降低到12.75%,鋼中殘錳高于0.08%,平均降低生產(chǎn)成本7.5元/t鋼;

(4)實(shí)現(xiàn)負(fù)能煉鋼,采用強(qiáng)化冶煉工藝之前,本鋼煉鋼工序能耗為23.5kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t,采用強(qiáng)化冶煉工藝之后,工序能耗降低到﹣0.66 kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t。

4.4今后轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展

為了滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求,要求國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展,重點(diǎn)解決以下問(wèn)題:

(1)全面推廣鐵水脫硫預(yù)處理工藝,基本實(shí)現(xiàn)100%鐵水脫硫;

(2)盡快解決目前轉(zhuǎn)爐回硫較嚴(yán)重的問(wèn)題,充分發(fā)揮鐵水預(yù)處理的效果;

(3)在大、中型轉(zhuǎn)爐上推廣高效復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉技術(shù),進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)能力;

(4)開(kāi)發(fā)和推廣轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)吹煉技術(shù)。

5 結(jié) 論

(1)轉(zhuǎn)爐煉鋼是目前中國(guó)最主要的煉鋼方法,轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的進(jìn)步對(duì)我國(guó)煉鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用;

(2)近五年來(lái),鐵水脫硫預(yù)處理工藝和以長(zhǎng)壽復(fù)吹轉(zhuǎn)爐高效復(fù)吹工藝為代表的轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)得到迅速的發(fā)展,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益;

(3)今后要進(jìn)一步發(fā)展完善鐵水脫硫和轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù),促進(jìn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)的繁榮。

參考文獻(xiàn)

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