煉鋼最優(yōu)工序能耗的研究與實踐

韓志顏

（河鋼樂亭鋼鐵有限公司， 河北 唐山 063016）

近年來，國家大力倡導節(jié)能環(huán)保河鋼樂亭鋼鐵有限公司（以下簡稱公司），公司也將加大能源管控力度。今后鋼鐵工業(yè)增產(chǎn)所需的能源，主要靠企業(yè)內(nèi)部挖潛來解決，節(jié)能減排任務(wù)十分艱巨。

1）由于使用無保溫層的鋼包和傳統(tǒng)的燒嘴燃燒方式來烘烤鋼包，鋼包保溫及蓄熱效果較差，導致能耗較高。

2）由于LF精煉鋼水原始條件和回收澆余量不穩(wěn)定，精煉鋼水不回收澆余爐次給電升溫時電弧電流波動很大，導致能耗較高。

3）由于工藝制度不完善，鋼水在轉(zhuǎn)爐—LF精煉—連鑄各工序的溫度控制水平較低，導致能耗較高。

4）公司煤氣平衡后，煤氣熱值下降，影響鋼包烘烤效果，鋼包狀況（尤其隔爐包、備用包）差異較大，各工序溫降波動大，不利于鋼包鋼水溫度的預(yù)測和及時采取措施，導致能耗較高。

1 總體思路

從設(shè)備管理、工藝管理、生產(chǎn)管理三個方面采取措施如下:

1）對設(shè)備進行升級改造。針對鋼包保溫及蓄熱效果較差導致能耗較高的問題，通過對鋼包增加保溫層和烘烤器蓄熱式改造來提高鋼包的節(jié)能效率。

2）針對LF精煉爐常規(guī)控制下電弧電流波動很大導致能耗較高的問題，通過對精煉爐電極智能控制系統(tǒng)進行升級改造提高其電熱效率。

3）針對工藝制度不完善鋼水在轉(zhuǎn)爐—LF精煉—連鑄各工序的溫度控制水平較低導致能耗較高的問題，通過優(yōu)化各工序溫度制度，制定控制措施，通過開發(fā)以“LF精煉精確控溫為核心”的工藝減少工藝穩(wěn)定性對工序能耗的影響。

4）針對現(xiàn)有生產(chǎn)組織模式蹲鋼時間長、鋼包周轉(zhuǎn)率低，導致能耗較高的問題，通過對“煉鋼生產(chǎn)組織四原則”的深入研究并運用目標管理，縮短蹲鋼時間并提高鋼包周轉(zhuǎn)率，實現(xiàn)煉鋼工序能耗最小。

2 鋼包保溫層及鋼包烘烤器升級改造

2.1 改造背景

鋼包在投入使用前的蓄熱和在投入使用后的降溫，直接影響煉鋼整個工序的鋼水溫度變化。鋼包蓄熱不好，鋼水過程溫降較大，造成精煉工序升溫時延長，用電量增加。使用無保溫層的鋼包和傳統(tǒng)的燒嘴燃燒方式來烘烤鋼包，溫度損失較大。針對提高鋼包的保溫性能和烘烤的初始溫度，詳細分析了鋼包自身的形狀特點和砌筑特點，結(jié)合鋼包烘烤器的現(xiàn)場使用情況，制定了鋼包增加保溫層和烘烤器蓄熱式改造兩項措施來提高鋼包的節(jié)能效率。

2.2 實施情況

1）鋼包保溫層升級改造。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，確定好硬質(zhì)纖維絕熱板的規(guī)格尺寸；按要求粘貼絕熱板，縫隙用高溫膠泥填平；烤包位每隔半小時在包殼的不同部位測溫，記錄升溫情況；投入使用后跟蹤測量包襯溫度和鋼水溫降。

2）鋼包蓄熱器升級改造。采用蓄熱式燃燒方式；采用混合煤氣為燃料；采用小型一體化蓄熱式燒嘴，只對空氣進行單預(yù)熱。

2.3 改造效果

鋼包保溫層及鋼包烘烤器升級改造的效果主要表現(xiàn):鋼包保溫層使用的硬質(zhì)纖維絕熱板具有較低的導熱率，包殼表面溫度同比，包殼下降20° ～50°；用保溫層鋼包鋼水過程溫度溫降明顯低于無保溫層鋼包包殼溫度，為過程溫度控制提供了有利條件；鋼水待澆時間越長保溫層越能顯示其優(yōu)越性，鋼水溫度同比，溫降速率降低0.3℃/min。

3 精煉爐電極智能控制系統(tǒng)升級改造

3.1 改造背景

在鋼水精煉生產(chǎn)過程中，由于受鋼水渣層厚度、底吹氬流量、電壓波動、液壓伺服系統(tǒng)及控制調(diào)節(jié)比例閥放大板的精度與零漂變化等因素影響。精煉爐電極調(diào)節(jié)難以用數(shù)學模型描述，而且電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有高度的非線性、時變性和相當?shù)膹?fù)雜性。近年來國內(nèi)大力采用智能控制技術(shù)來解決這一問題，從而使常規(guī)控制下電弧電流波動很小，電能消耗也大大減少。

為改變精煉爐現(xiàn)有電極控制系統(tǒng)啟動電弧不平穩(wěn)及電耗高等情況，對精煉爐電極控制系統(tǒng)進行升級改造，更換現(xiàn)有鋼包精煉爐調(diào)節(jié)器硬件，并對電極升降調(diào)節(jié)器軟件進行改進，工藝參數(shù)進一步優(yōu)化，克服現(xiàn)有調(diào)節(jié)器的弱點，提高其電熱效率。

3.2 應(yīng)用原理

電極智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用自動啟動冶煉功能。使用功率圓圖來設(shè)定工作點，達到電爐變壓器合理有效地向電爐內(nèi)輸入有效功率P。通過功率圓圖，選取電爐的工作設(shè)定點，即阻抗設(shè)定點，有效地發(fā)揮變壓器的有效功率，縮短冶煉時間，提高其電熱效率，降低電耗。

三相交流精煉爐是一個非對稱、非線性和具有自由中性點的星形用電設(shè)備，原系統(tǒng)采用電流設(shè)定，通過檢測三相電流反饋來控制電極的升降，存在電流檢測失真，電流穩(wěn)定性差及電弧斷弧等情況。本系統(tǒng)通過設(shè)定不同變壓器檔位、不同加熱曲線及不同電抗器檔位等參數(shù)查表給出阻抗給定值，通過實際弧壓及弧流計算出反饋阻抗，形成一個阻抗控制器。實際精煉中，此設(shè)定值基本對應(yīng)變壓器額定電流，實現(xiàn)弧功率最大化，達到最快升溫效果。在參數(shù)調(diào)整中，根據(jù)具體升溫要求，調(diào)整阻抗設(shè)定參數(shù)，實現(xiàn)梯度升溫結(jié)構(gòu)。阻抗控制器具有死區(qū)補償，伺服閥零偏調(diào)整等功能，達到了更高的控制精度。

3.3 實施情況

通過調(diào)研與分析，決定將原有電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)升級改進為電極智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)。具體實施過程為:第一，精煉爐安裝電極智能調(diào)節(jié)器。第二，制定檢驗智能調(diào)節(jié)器使用效果的試驗方案:（使用新系統(tǒng)與舊系統(tǒng)每分鐘耗電量進行對比）。第三，投入后，具備每十天切換精煉爐新舊兩套電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并記下各個時間段的用電時間與耗電量。

3.4 改造效果

經(jīng)試驗，精煉爐使用電極智能調(diào)節(jié)系統(tǒng)后平均每分鐘耗電量減少13 kW·h，精煉爐冶煉一爐鋼平均給電11 min，理論計算可節(jié)電在0.95 ～1.29 kW·h/t之間。

試驗成功后，精煉爐一直使用該系統(tǒng)，同時進行參數(shù)細化調(diào)試，從結(jié)果以及現(xiàn)有的工況條件看，節(jié)能效果較為明顯，采用新系統(tǒng)后，電極調(diào)節(jié)明顯平穩(wěn)，電流由原來的±10%波動改善到±3%，弧光熱輻射極大減少，提高了電熱效率[1]。

4 提高煉鋼-連鑄鋼水過程溫度控制水平

目前開澆點測溫度合格率僅為57.93%，因溫度影響的事故時常發(fā)生，造成生產(chǎn)中斷，影響開澆爐次的質(zhì)量缺陷和煉鋼工序能耗增加。

4.1 影響開澆爐次中包溫度技術(shù)分析

根據(jù)冶金理論和生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，影響開機爐次中包溫度合格率的因素包括如下幾個方面:包況（空包時長）；連鑄中包烘烤時間和溫度；中包烘烤?；鸬介_澆時間；精煉時間；出站溫度；是否回收澆余；是否加蓋；待澆時間；澆鋼時間；鋼種等。待澆時間與溫度合格率的關(guān)系見圖1。

圖1 待澆時間與溫度合格率的關(guān)系

從圖1中可見線性相關(guān)度為0.08，開機爐次待澆時間的延長與點測溫度合格率存在一定線性相關(guān)，待澆時間控制在20 min以下時，溫度合格率影響不大，但待澆時間不小于25 min時，溫度合格率為36.36%，明顯降低。

4.2 制定實現(xiàn)精煉精確控溫措施

1）生產(chǎn)組織。加強鋼包周轉(zhuǎn)信息傳遞，穩(wěn)定鋼包溫降，為操作工提供指導性強的出站溫度，提高溫度控制水平；嚴格控制開機爐次的待澆時間(出站到大包開澆時間)，執(zhí)行不大于20 min，因設(shè)備異常不能及時開機的需重新給電升溫處理。

2）精煉工序。規(guī)范開機爐次的冶煉時間為60 ～65 min，LF爐出站溫度統(tǒng)一規(guī)定為靜吹后測溫，開機出站溫度執(zhí)行產(chǎn)品制造卡要求；保證測溫的準確性，如果測溫槍有問題及時找自動化校槍；規(guī)范開機爐次氬氣攪拌操作，提高鋼水溫度均勻性作為控制中包溫度最關(guān)鍵的工序，既要保證鋼包內(nèi)鋼水溫度的均勻性，又要保證鋼包能充分吸熱，同時還要根據(jù)鋼包和節(jié)奏狀況，命中相應(yīng)的目標出站溫度；加強調(diào)度室、精煉、連鑄各工序信息溝通，根據(jù)開澆時間、中包烤包情況、包況以及要考慮到的過程溫降準確控制出站溫度。

3）連鑄工序。保證中包的烘烤效果和烘烤溫度，減少因烤包問題造成溫度的異常變化，如煤氣熱值低需提前通知精煉控制溫度，同時要適當增加烘烤時間，絕不冒險開澆。要求中包烘烤結(jié)束時間（?；饡r間）的溫度控制在1 150 ～1 200℃，正常中包烘烤時間控制在3.5 ～4.0 h；規(guī)范中包測溫操作，發(fā)現(xiàn)測溫有問題盡快補測；如果測溫槍有問題及時找自動化校槍，保證反饋給精煉的溫度準確性。

5 轉(zhuǎn)變生產(chǎn)組織模式

5.1 改善轉(zhuǎn)爐工序提供精煉工序的鋼水條件

精煉工序在技術(shù)上是鐵水脫硫預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐—精煉—連鑄的中心環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了100%的精煉率，煉鋼廠的煉鋼節(jié)奏、成本、質(zhì)量控制的重心由過去的轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)移到了現(xiàn)在的精煉工序。轉(zhuǎn)爐工序提供精煉工序的最佳鋼水條件是煉鋼企業(yè)科學探索的課題，不同的供鋼條件產(chǎn)生的煉鋼成本不同。以煉鋼“全成本”的理念科學調(diào)配轉(zhuǎn)爐工序、精煉工序的冶煉鋼水任務(wù)，保證各工序工藝條件的前提下的最低煉鋼成本。

5.2 縮短整個工序過程蹲鋼時間

LF精煉是轉(zhuǎn)爐與連鑄的中間工序，擔負著給連鑄機提供合格的鋼水溫度的任務(wù)。同一連鑄機同一鋼種需要精煉出站溫度的范圍是一定的，如果鋼水蹲鋼時間過長，過程溫降增大，精煉工序給電升溫時間延長，電耗增加。圖2為2018年某月LF精煉各組噸鋼電耗、有效進站溫度與蹲鋼時間的關(guān)系圖為便于作圖進站溫度值為實際值減去1 550℃），

圖2 LF精煉各組噸鋼電耗、有效進站溫度與蹲鋼時間的關(guān)系圖

5.3 制訂目標及措施

1）逐步將轉(zhuǎn)爐出鋼完畢至精煉開始冶煉的蹲鋼時間控制在18 min以內(nèi)。

2）錯開三座轉(zhuǎn)爐的出鋼時間，防止集中用車為LF精煉進站。

3）科學調(diào)配轉(zhuǎn)爐、精煉、連鑄的對應(yīng)供鋼路徑。

4）精煉鋼水澆余回收率95%以上。

5）建立煉鋼全流程合理的溫度制度，做到溫度與時間的有機統(tǒng)一，根據(jù)煉鋼-連鑄鋼水溫降的規(guī)律，制定出合理的溫度制度，提高煉鋼-連鑄工序溫度（尤其備用包、隔爐包鋼水溫度）現(xiàn)場控制水平，確保連鑄的穩(wěn)定拉速，實現(xiàn)了低成本煉鋼。