某鋼廠搬遷升級改造項目煉鋼工程設(shè)計特點

魚洋洋

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京100176）

0 概述

老廠異地搬遷改造是企業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)品升級換代和綠色可持續(xù)發(fā)展的主要途徑。 按照深化鋼鐵行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和鋼鐵行業(yè)高端化、 精品化、綠色發(fā)展的轉(zhuǎn)型要求，某鋼廠實施了戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移搬遷工程，由省會中心城市搬遷至新廠區(qū)。 項目占地2537.3 畝，設(shè)計產(chǎn)能226 萬噸合格鋼材。

鋼鐵企業(yè)搬遷是個高度復雜的系統(tǒng)工程，一個完整的新建項目規(guī)劃設(shè)計流程（如圖1 所示）是項目順利進行和實施的重要保障。 本文按照項目規(guī)劃設(shè)計流程，結(jié)合該鋼廠搬遷升級改造項目的產(chǎn)品和環(huán)保定位，對該搬遷項目的產(chǎn)品規(guī)格種類、生產(chǎn)工藝流程、核心設(shè)備配置、生產(chǎn)車間布置進行了分析和闡述。 本著綠色環(huán)保和高智能化的原則，確定了超高功率直流電弧爐＋LF 精煉爐＋RH 真空精煉爐＋方坯連鑄的短流程特優(yōu)鋼冶煉生產(chǎn)工藝，經(jīng)過精心設(shè)計、施工和調(diào)試，目前煉鋼工序已經(jīng)順利投產(chǎn)。

圖1 項目設(shè)計工作流程

1 產(chǎn)品定位及工藝路線

1.1 產(chǎn)品定位

該企業(yè)搬遷前產(chǎn)品是優(yōu)特鋼中小規(guī)格棒材，為進一步優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提升產(chǎn)品檔次，新廠的產(chǎn)品拓展了原產(chǎn)品的規(guī)格、型號和品種，棒線下限規(guī)格從φ13 mm 下探到φ5.0 mm，上限規(guī)格從φ180 mm延伸到φ260 mm，實現(xiàn)了優(yōu)特鋼線材、大中小規(guī)格棒材、扁鋼、方坯全品類覆蓋；鋼種從現(xiàn)有的齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、易切削、非調(diào)質(zhì)鋼、管線鋼、錨鏈鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼等基礎(chǔ)上，又擴展了冷鐓鋼、硬線鋼（預應(yīng)力鋼絲、鋼絞線、簾線用鋼）等。

1.2 工藝路線

依據(jù)上述產(chǎn)品定位，考慮到優(yōu)特鋼的生產(chǎn)特點、搬遷后的環(huán)保要求及其他成熟工藝要求，該項目的推薦工藝路線如圖2 所示。

圖2 項目工藝路線

（1）設(shè)置廢鋼加工工序。 對外購的廢鋼進行破碎和剪切處理，達到入爐的尺寸及重量要求。

（2）煉鋼部分采用短流程工藝。 即采用電爐＋LF爐＋RH 爐＋方坯連鑄，考慮到特鋼對鑄坯的要求較高，還配置了鑄坯精整設(shè)施。

（3）軋鋼部分采用高線、小棒、中棒和大棒四條生產(chǎn)線。 高線生產(chǎn)φ5 mm～25 mm 盤條，小棒生產(chǎn)φ13 mm～60 mm 圓鋼，中棒生產(chǎn)φ40 mm～120 mm圓鋼，大棒生產(chǎn)φ80 mm～260 mm 圓鋼。各條軋線既有重點生產(chǎn)規(guī)格，又有部分搭接。 后部再根據(jù)市場對產(chǎn)品的需求，另行配置了精整、探傷、熱處理、銀亮等鋼材深加工的精整設(shè)施。

1.3 搬遷工程設(shè)計指標

電爐設(shè)計指標如表1 所示，全廠總體設(shè)計指標如表2 所示。

表1 電爐設(shè)計指標

表2 全廠設(shè)計指標

2 煉鋼工序設(shè)備配置及核心設(shè)備選型

2.1 設(shè)備配置

經(jīng)過計算，最終確定的短流程冶煉工藝及其設(shè)備配置如圖3 所示。

2.1.1 電爐工序配置

煉鋼配置：經(jīng)產(chǎn)量計算，需配置2 座130 t 的電爐，3 座130 tLF 精煉爐，2 座130 tRH 精煉爐。

2.1.2 連鑄工序配置

連鑄配置：連鑄機配置常規(guī)設(shè)計是按2 座電爐配三臺連鑄機，但研究發(fā)現(xiàn)，這種配置不能滿足特鋼產(chǎn)品的多變化、鋼水純凈度高、連澆爐數(shù)低（4～6 爐）和生產(chǎn)準備時間長（最長180～240 min）的特點。 為了最大潛力發(fā)揮電爐能力，同時保障連鑄機有穩(wěn)定的生產(chǎn)拉速。 最終其配置原則為： 2 座電爐配置2臺連鑄機，另建2 臺連鑄機作為熱備機。 另外對于特鋼生產(chǎn)最重要的專業(yè)化一對一生產(chǎn)，也要求配置4 臺連鑄機，來滿足后續(xù)軋鋼的工藝要求。

2.2 核心設(shè)備選型

不同的供應(yīng)商的設(shè)備優(yōu)缺點各有不同，經(jīng)分析和對比多個設(shè)備供應(yīng)商后，對搬遷新建項目主要的設(shè)備選型進行了確定。

2.2.1 電爐選型

該搬遷項目的最大特點是采用電爐短流程冶煉工藝，廢鋼預熱體現(xiàn)了低能耗和綠色環(huán)境當前兩大電爐發(fā)展趨勢。 典型的爐型有：TENOVA 的CONSTEEL 水平連續(xù)加料預熱電爐、Primetals-Quantum 電弧爐、SPCO-ECOARC 電弧爐和SMSSHARC。

圖3 項目設(shè)備配置

經(jīng)綜合研判，最終選擇西馬克雙豎井廢鋼預熱超高功率直流電弧爐。 該電爐采用廢鋼預熱全廢鋼冶煉，閉爐門操作、泡沫渣技術(shù)、底攪拌等技術(shù)，復合噴吹供氧、 二次燃燒等技術(shù)，實現(xiàn)煉鋼高效、節(jié)能、環(huán)保冶煉。

2.2.2 連鑄的選擇

2.2.2.1 連鑄機斷面的選擇

連鑄機斷面的選擇直接決定著生產(chǎn)效率和實物質(zhì)量，鑄坯斷面的配置，既要兼顧生產(chǎn)效率，又要滿足優(yōu)特鋼大壓縮比的要求。 為滿足棒材軋制壓縮比不小于7 的要求，各連鑄機斷面的選擇如下：

（1）小棒要和高線兼顧共用，所以1號方坯連鑄機鑄坯規(guī)格為200 mm ×200 mm 和150 mm ×150 mm；

（2） 中棒線坯料依然沿用原廠的斷面，所以2號方坯連鑄機鑄坯規(guī)格為300 mm×340 mm；

（3）大棒為了更大的壓縮比，所以與其配套的3號方坯連鑄機鑄坯規(guī)格為410 mm×530 mm，4號方坯連鑄機鑄坯規(guī)格為460 mm×610 mm。

2.2.2.2 連鑄機形式選擇

立式連鑄機由于其垂直布置的特點，具備一系列弧形連鑄機不具備的先天優(yōu)勢，可生產(chǎn)高端鋼種。 考慮到新廠的產(chǎn)品定位，因此決定建設(shè)一臺立式連鑄機（4號連鑄機），服務(wù)于優(yōu)特鋼大棒的生產(chǎn)，從裝備水平上提升一個檔次。 該立式連鑄機澆注斷面規(guī)格為460 mm×610 mm，是目前世界范圍內(nèi)最大的大方坯連鑄機。

立式連鑄機的主要優(yōu)勢：鑄坯內(nèi)部鑄造組織完全對稱，不存在內(nèi)外弧差別；其垂直布置的特點有利于夾雜物上浮和氫的逸散，凝固析出的氫聚合成為氫分子上浮逸出，減小氫對鑄坯的危害；另外，立式連鑄機鋼水靜壓力比弧形鑄機大的多，對于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量有明顯提高。

立式連鑄機的主要生產(chǎn)品種： 由于上述優(yōu)勢，立式連鑄機可生產(chǎn)純凈度高、 組織均勻的軸承鋼、高品質(zhì)的簾線鋼、彈簧鋼，實現(xiàn)高鐵軸承國產(chǎn)化，打破國外材料壟斷現(xiàn)狀；利用其規(guī)格大、質(zhì)量好的優(yōu)點可以生產(chǎn)大規(guī)格的大型裝備原材料，如工業(yè)齒輪、滲碳軸承、工業(yè)軸承、大規(guī)格曲軸，可以實現(xiàn)以軋代鍛，提高產(chǎn)品競爭力，替代進口；利用其不用矯直的優(yōu)點生產(chǎn)高合金模具鋼、工具鋼等，以連鑄代替模鑄電渣熔鑄材，形成低成本、高質(zhì)量的生產(chǎn)工藝路線。

3 工廠布置

工廠布置是設(shè)計工作的重要環(huán)節(jié)，物流走向則是衡量工廠布置是否合理的最重要因素之一。 生產(chǎn)工藝的物流走向直接決定了設(shè)備最大能力的發(fā)揮、生產(chǎn)成本的高低和企業(yè)競爭能力。

針對上述的主要工藝設(shè)備特點，從物流角度出發(fā)，研究了多達10 多種工廠布置方案，并結(jié)合原生產(chǎn)企業(yè)的習慣進行了充分論證。

3.1 連鑄機和軋鋼線的對應(yīng)布置

連鑄機和軋機的布置緊密銜接，需統(tǒng)籌考慮。本項目共建有高線、大棒、中棒、小棒4 條軋線，以大棒軋線作為基準，其相互組合的布置主要有以下幾種：

大棒布置在端部，則有：高-小-中-大、大-中-小-高、小-高-中-大、大-中-高-小、大-高-小-中幾種布置方式。

大棒布置在中間，則有：高-大-中-小、小-中-大-高、高-大-小-中、中-小-大-高、高-小-大-中幾種布置方式。

通過對上述軋機的布置方案的對比分析，再結(jié)合連鑄機的布置原則（熱送距離最短，轉(zhuǎn)盤盡量少），最終形成軋鋼車間布置方案：軋線自西向東按高線、大棒、中棒、小棒順序布置。4號立式連鑄機和3號大方坯連鑄機對應(yīng)大棒軋機緊湊布置，2號連鑄機對應(yīng)中棒軋機緊湊布置，1號連鑄機對應(yīng)小棒軋機緊湊布置。

3.2 電爐的相對布置

2 座電爐的相對布置有兩種方案，一種是集中布置，一種是分開布置，考慮到特鋼生產(chǎn)的特點，為滿足一對一的專業(yè)化生產(chǎn)，最終選擇電爐分開布置。 其優(yōu)缺點如表3 所示：

表3 不同布置的優(yōu)缺點

3.3 電爐跨的布置

根據(jù)已選擇電爐的設(shè)備特點，其加料方向與出鋼方向在一條線上，這樣電爐跨布置有兩種方式，一種是與精煉連鑄車間平行，一種是與精煉連鑄車間垂直，考慮到環(huán)保要求及總圖條件，最終選擇丁字跨布置。 其優(yōu)缺點如表4 所示。

表4 電爐跨不同布置優(yōu)缺點

4 綠色環(huán)保及智能煉鋼工程

4.1 綠色環(huán)保工程

4.1.1 環(huán)境除塵系統(tǒng)

煉鋼在所有產(chǎn)塵點均設(shè)置了煙塵收集裝置，煙塵收集后進入各除塵系統(tǒng)處理后達標排。

（1）電爐除塵系統(tǒng)。 包括一次煙氣、屋頂罩二次煙氣、出鋼、出渣，并預留兌鐵煙塵收集點。

（2）精煉除塵系統(tǒng)。 包括LF 精煉爐、拆爐、中包傾翻、上料、扒渣、拆包、鋼包熱修、RH 喂絲、修爐、真空感應(yīng)爐、中包傾翻及上料除塵點。

（3）鑄坯的火焰切割設(shè)置除塵系統(tǒng)。

（4）中間包澆筑設(shè)置除塵系統(tǒng)。

（5）地下料倉上料設(shè)置除塵系統(tǒng)。

4.1.2 電爐除塵系統(tǒng)煙氣捕集方式

電爐除塵系統(tǒng)煙氣捕集方式：一次煙氣采用燃燒沉降室＋急冷塔＋二次屋頂罩煙氣混合＋活性炭噴射＋火花捕集器。

電爐除塵系統(tǒng)特點： 電爐采用高效先進的煙氣處理及除塵系統(tǒng)，更加綠色環(huán)保。 主要包括以下特點：

（1）采用特殊設(shè)計的錐形屋頂罩，控制罩口流速，可有效捕集電爐加料及冶煉過程中產(chǎn)生的二次煙氣。

（2）采用專門的除塵罩捕集出鋼、出渣產(chǎn)生的煙氣，實現(xiàn)煙氣的全方位捕集。

（3）采用絕熱煙道和天然氣燒嘴，保證一次煙氣溫度在900 ℃以上； 采用急冷塔將一次煙氣急速冷卻至270 ℃；外加活性炭噴吹技術(shù)，可有效降低煙氣中的二噁英含量。

（4）除塵器入口采用火花捕集器，并增加混風閥，避免火星和高溫煙氣燒壞布袋。

（5）三臺風機圍繞混凝土進風箱布置，兩用一備，節(jié)省占地。

4.2 智能煉鋼工程

本次設(shè)計緊密融合大數(shù)據(jù)人工智能技術(shù)、無人操作技術(shù)，結(jié)合短流程特鋼的生產(chǎn)特點，按照高標準進行設(shè)計規(guī)劃。 主要包括以下內(nèi)容：

4.2.1 煉鋼工程師站

建立煉鋼工程師工作站，有利于優(yōu)化煉鋼系統(tǒng)的物質(zhì)流、能量流、信息流等，為提高煉鋼系統(tǒng)的整體管理水平和控制能力創(chuàng)造了良好的硬件基礎(chǔ)。

煉鋼工程師工作站可實現(xiàn)了廢鋼配料天車、鋼包吊運天車以及鑄坯吊運天車的全程跟蹤和智能調(diào)度管理；對煉鋼車間內(nèi)的鋼包采用視頻識別等先進的手段進行全程流轉(zhuǎn)跟蹤，保證鋼包的安全運行，提高煉鋼車間內(nèi)的物流運輸效率。

4.2.2 自動無人駕駛天車

本項目對于電爐加廢鋼所用的100 t 天車，除了常規(guī)的人工操作外，此天車還配備了自動功能，對廢鋼料籃的起吊、調(diào)運、座包等操作可實現(xiàn)無人駕駛。

4.2.3 各工序二級控制模型

本項目所有的生產(chǎn)工序都配備了二級過程控制系統(tǒng)，部分關(guān)鍵工序如電爐、連鑄等，采用了國外進口成熟的二級過程控制系統(tǒng)，配備了成分預報，爐溫控制，質(zhì)量跟蹤判定等先進的冶金模型，滿足煉鋼全流程動態(tài)生產(chǎn)管控的需求。

4.2.4 煉鋼MES 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

本項目配備了MES 生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)銷售訂單接收轉(zhuǎn)換，動態(tài)排程、過程跟蹤、動態(tài)成本統(tǒng)計、庫存發(fā)貨等煉鋼全流程業(yè)務(wù)的動態(tài)管理。

5 結(jié)語

目前該項目的1號電爐及其附屬工藝生產(chǎn)設(shè)施已進入熱試投產(chǎn)階段。 從1號電爐生產(chǎn)系統(tǒng)熱試的情況看，電爐本體及豎井系統(tǒng)運行正常，點弧平穩(wěn)、冶煉正常、熔化快，二次電流用到了85000 安培，二次電壓用到了750 伏，功率用到了120 MW（變壓器額定功率140 MVA），出鋼溫度1630 ℃。電爐配套的工藝設(shè)備運行正常。

1號電爐系統(tǒng)經(jīng)過近2 個月的試生產(chǎn)，各項指標穩(wěn)步提高，且已通過重點客戶的認證，基本達到設(shè)計指標。 隨著各環(huán)節(jié)的陸續(xù)投產(chǎn)，該項目已逐步釋放出設(shè)計產(chǎn)能。