紅鋼50噸轉(zhuǎn)爐降低出鋼溫度生產(chǎn)工藝優(yōu)化與實(shí)踐*

金 勇，和 浩，樊昆祥，楊冠龍，茶維杰

（紅河鋼鐵有限公司，云南 蒙自 661100）

轉(zhuǎn)爐出鋼溫度是冶煉過程中影響各種消耗最重要的一個(gè)指標(biāo)，也是煉鋼工序一個(gè)系統(tǒng)性的指標(biāo)，較高的出鋼溫度不但增加金屬損耗，同時(shí)也影響轉(zhuǎn)爐爐襯壽命，不利于轉(zhuǎn)爐爐齡的進(jìn)一步提高。某煉鋼廠擁有2座50 t轉(zhuǎn)爐、3臺(tái)連鑄機(jī)，具備年產(chǎn)200萬(wàn)t鋼綜合生產(chǎn)能力。主要生產(chǎn)HPB300普碳鋼、HRB400E低合金鋼、18Cr和22MnCr等鋼種。2019年，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度平均控制為1 669.42℃，與同行業(yè)相比溫度水平偏高。為了進(jìn)一步降低出鋼溫度、減少金屬損耗及提高轉(zhuǎn)爐爐襯壽命，本文主要從提高轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C含量、縮短出鋼時(shí)間、提高合金烘烤溫度、提高鋼包烘烤溫度及減少鋼包周轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)、實(shí)行“低溫快鑄”生產(chǎn)組織模式等方面開展研究，最終實(shí)現(xiàn)降低出鋼溫度、降低生產(chǎn)成本的目的。

1 現(xiàn)有工藝及鋼種冶煉控制分析

某煉鋼廠主要采用鐵水罐加廢鋼再受鐵工藝路線，具體工藝路線為：鐵水罐加廢鋼（約3 t）→鐵水罐加廢鋼烘烤→高爐受鐵→煉鋼廠原料跨→廢鋼鐵進(jìn)轉(zhuǎn)爐→鐵水進(jìn)轉(zhuǎn)爐冶煉→吹氬站吹氬（氮）→方坯連鑄機(jī)→鋼坯→軋鋼。該工藝可以大幅度提高廢鋼加入量，緩解廢鋼配斗量。

1）影響出鋼溫度理論分析。轉(zhuǎn)爐出鋼溫度計(jì)算公式為[1-2]：

其中：T出：為出鋼溫度，℃；T液為鋼種液相線溫度，℃；△T過程為過程溫降，℃；△T過熱度為過熱度，℃；△T1為吹煉終點(diǎn)至出鋼畢溫降，℃；△T2為出鋼畢至吹氬畢溫降，℃；△T3為吹氬畢至開澆溫降，℃；△T4為開澆至澆畢溫降，℃。

其中：T液主要取決于鋼種化學(xué)成分；△T過熱度目前尚無(wú)法理論測(cè)算，主要取決于鋼種化學(xué)成分和鑄坯斷面尺寸，一般控制在（15～20）℃；△T1為吹煉終點(diǎn)至出鋼畢溫降，主要與出鋼時(shí)間、合金溫度及加入量和鋼包溫度及保溫效果等有關(guān)；△T2主要與吹氬時(shí)間及鋼包保溫效果有關(guān)；△T3主要與待澆時(shí)間及鋼包、鋼包覆蓋劑保溫效果有關(guān)；△T4為開澆至澆畢溫降，主要與澆鑄時(shí)間及中間包、中間包覆蓋劑保溫效果有關(guān)。

從式（1）、式（2）及以上分析可知，控制T出主要在于控制△T過程，溫差越大，熱損失也越大，紅鋼煉鋼廠結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，主要從合理的出鋼時(shí)間、提高出鋼口與鋼包使用壽命、提高合金與鋼包烘烤溫度和調(diào)整合金工藝、開展低溫快鑄等方面采取措施，最大限度地降低△T1、△T2和△T3，減少接觸介質(zhì)與鋼水的溫差及接觸時(shí)間，從而達(dá)到降低△T過程的目的。

2）紅鋼鐵水情況及冶煉控制。①鐵水情況及終點(diǎn)C含量情況。某廠入廠鐵水成分中鐵水P、S含量偏低，這有利于提高終點(diǎn)C含量，從而降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度（表1～表2）；②冶煉終點(diǎn)控制情況。碳是轉(zhuǎn)爐煉鋼重要的發(fā)熱元素。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，終點(diǎn)碳在0.24%以下時(shí)，每增減碳0.01%，則出鋼溫度也要相應(yīng)減增（2～3）℃[3]。因此，終點(diǎn)碳含量控制偏高，可以降低出鋼溫度（圖1）。

表1 入廠鐵水成分表Tab.1 Composition of molten iron enter into the process

表2 終點(diǎn)碳控制情況Tab.2 Control situation of end point carbon %

圖1 終點(diǎn)溫度對(duì)C含量的影響Fig.1 Effect of end point temperature on C content

結(jié)合煉鋼終點(diǎn)溫度對(duì)碳含量的影響分析（圖1）和轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C控制情況（表2）可以看出，紅鋼煉鋼終點(diǎn)C<0.05%所占比例為23.10%，同時(shí)煉鋼終點(diǎn)C含量控制波動(dòng)較大，不利于鋼水化學(xué)成分控制。這兩個(gè)因素不僅影響鋼水質(zhì)量，也不利于轉(zhuǎn)爐降低鋼鐵料消耗。因此，在保證鋼種成品成分C含量合格的前提下，需要提高煉鋼終點(diǎn)C含量，從而進(jìn)一步降低出鋼溫度、降低生產(chǎn)成本。

2 紅鋼煉鋼生產(chǎn)工藝優(yōu)化與實(shí)踐

2.1 改進(jìn)轉(zhuǎn)爐氧槍及槍位控制

某煉鋼廠50 t轉(zhuǎn)爐冶煉過程中出現(xiàn)了供氧時(shí)間長(zhǎng)、噴濺大、脫磷率偏低等問題，這導(dǎo)致終點(diǎn)拉后吹，終點(diǎn)C含量偏低。經(jīng)分析認(rèn)為，這與氧槍噴頭工藝參數(shù)有較大關(guān)系[2]，氧槍噴頭夾角變小，可以提高熔池氧氣的穿透深度，從而提高一倒升溫速度，減少一倒溫度不合格導(dǎo)致的拉后吹現(xiàn)象。為了解決存在的問題，某煉鋼廠引進(jìn)了11°夾角的氧槍噴頭，相比原來(lái)11.45°的夾角減少了0.45°；其次是改進(jìn)轉(zhuǎn)爐槍位控制[4]，主要是改進(jìn)操作方式：在吹煉后期逐步降低槍位，一倒前在最低槍位深吹30 s以上（表3）。通過改進(jìn)轉(zhuǎn)爐氧槍及槍位控制后，終點(diǎn)C含量≧0.05%所占比例為86.54%，與原工藝方法相比終點(diǎn)C含量明顯提高，終點(diǎn)C＜0.05%占比降低了9.64%（表4）。

表3 槍位控制參考表Tab.3 Reference of nozzle control

表4 工藝改進(jìn)后與原工藝終點(diǎn)C對(duì)比Tab.4 Comparison on C content at the end point between the improved process and the original process %

2.2 合理的出鋼時(shí)間

轉(zhuǎn)爐出鋼口是轉(zhuǎn)爐爐體重要組成部位，是冶煉終點(diǎn)合格鋼水流出的必經(jīng)通道，它的使用維護(hù)效果對(duì)鋼水質(zhì)量控制、溫度損失、成本控制等有著重要的影響。如鋼流形狀不好、散流和流鋼時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)造成合格鋼水二次氧化嚴(yán)重、溫降大等造成鋼水質(zhì)量問題。轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)鋼水通過出鋼口流出轉(zhuǎn)爐進(jìn)入鋼包，此過程的熱量傳輸主要包括轉(zhuǎn)爐內(nèi)剩余鋼水與爐襯的熱傳導(dǎo)和熱輻射、鋼流與空氣熱輻射和對(duì)流、鋼包內(nèi)鋼水與鋼包耐材的熱傳導(dǎo)以及與空氣的熱輻射。通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)137爐進(jìn)行了跟蹤數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)（圖2），可以看出，出鋼時(shí)間和鋼水溫降為正相關(guān)關(guān)系，隨著出鋼時(shí)間的延長(zhǎng)，鋼水溫降也隨著增大。從跟蹤樣本爐數(shù)看，平均出鋼時(shí)間為189 s，最高出鋼時(shí)間達(dá)到了272 s，出鋼時(shí)間在（180～210）s之間的爐次較多，出鋼時(shí)間可以進(jìn)一步優(yōu)化。研究表明，影響出鋼時(shí)間的關(guān)鍵因素為出鋼口內(nèi)徑大小[5-6]。通過增加出鋼口直徑（表5）措施，使平均出鋼時(shí)間與擴(kuò)徑前相比縮短了30 s。

圖2 出鋼時(shí)間與溫降關(guān)系圖Fig.2 Relation diagram for steel tapping time and temperature drop of Honghe Steel plant

表5 出鋼口工藝參數(shù)Tab.5 Process parameters of steel tapping outlet

2.3 引進(jìn)合金在線烘烤，提高合金烘烤溫度

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，合金在出倉(cāng)后到加入鋼包的時(shí)間較長(zhǎng)，一般需要（8～11）min，整個(gè)過程中合金料因長(zhǎng)時(shí)間的放置大幅降溫，增加出鋼溫降。為此引進(jìn)了合金在線烘烤裝置，并對(duì)合金在線烘烤情況進(jìn)行了數(shù)據(jù)跟蹤統(tǒng)計(jì)（表6）。結(jié)果表明，冶煉低合金鋼時(shí)，合金加入量（1.3～2）t/爐，烘烤時(shí)間9 min，平均合金烘烤溫度456℃，比未使用合金在線烘烤高287℃；冶煉普碳鋼時(shí)，合金加入量（0.3～0.5）t/爐，烘烤8 min，合金平均溫度達(dá)到458℃，比未使用合金在線烘烤高279℃。

表6 合金在線烘烤與未烘烤情況對(duì)比表Tab.6 Comparison between on-line baking and no baking situation of alloy

隨著合金烘烤溫度的上升，在出鋼過程中加入合金后鋼水溫降進(jìn)一步降低，為降低出鋼溫度提高了有力的條件。同時(shí)，由于出鋼溫度的下降，轉(zhuǎn)爐吹損也在一定程度上也得到了下降，轉(zhuǎn)爐爐齡也明顯提高。

2.4 提高鋼包烘烤溫度

為提高鋼包烘烤溫度采取的主要措施為：①將普通式燒嘴改進(jìn)為蓄熱式燒嘴，煤氣燃燒效率提高到90%以上，火焰溫度提高到1 150℃以上；②減少鋼包爐下待鋼時(shí)間，從而延長(zhǎng)在線烘烤時(shí)間，做到待鋼時(shí)間不超過60 s；③嚴(yán)格按照鋼包烘烤曲線組織烘烤。新砌鋼包砌筑完畢后自然晾置1 d以上，從室溫烘烤至400℃，升溫8 h，保溫4 h；（400～600）℃，升溫 8 h，保溫 8 h；（600～900）℃以上，升溫12 h，保溫16 h，900℃以上保溫時(shí)間根據(jù)鋼包周轉(zhuǎn)情況，鋼包烘烤時(shí)間不超過2 d。通過以上3項(xiàng)措施的實(shí)施，鋼包烘烤溫度有了明顯提升。

2.5 提高鋼包使用壽命

針對(duì)鋼包使用壽命變短的原因，采用局部強(qiáng)化砌筑法，在上述兩個(gè)位置分別加砌上寬、下寬和高分別為400 mm、1 000 mm和600 mm的梯形強(qiáng)化層（圖3），該方法既不顯著增加生產(chǎn)成本，也不影響鋼包有效使用容積，通過改造后的鋼包平均使用壽命達(dá)到86次。

圖3 鋼包局部強(qiáng)化砌筑Fig.3 Partial strengthening masonry of steel ladle

2.6 減少鋼包周轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)

通過調(diào)整生產(chǎn)組織模式，結(jié)合爐機(jī)匹配模式情況，持續(xù)優(yōu)化鋼包周轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)（表7），減少空包裸露時(shí)間，相當(dāng)于間接延長(zhǎng)了在線烘烤時(shí)間。鋼包熱周轉(zhuǎn)效率的提升，使鋼包溫度平均大于800℃，保證了出鋼。

表7 鋼包周轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)優(yōu)化Tab.7 Optimization on number of turnovers of steel ladles

2.7 降低澆注溫降，實(shí)行“低溫快鑄”

1）做好澆注過程的保溫措施，降低澆注過程溫降。主要包括：通過對(duì)中間包在線烘烤器進(jìn)行改造，使底部烘烤溫度達(dá)到1 000℃以上，提高了中間包烘烤效果，減少了開澆鋼的溫降損失；澆注過程采用全程鋼包加蓋，減少過程中的溫度損失；嚴(yán)格落實(shí)鋼包加覆蓋劑、中間包澆注過程中的覆蓋劑使用情況，保證澆注過程中鋼水不裸露從而減少溫降；

2）實(shí)行“低溫快鑄”。首先，以優(yōu)化生產(chǎn)組織模式為依托，盡量按2+1模式，強(qiáng)化爐機(jī)匹配，圍繞連鑄“低溫快鑄”，倒逼轉(zhuǎn)爐提節(jié)奏，深入開展3#鑄機(jī)長(zhǎng)壽命中間包推廣應(yīng)用等措施，不斷提高生產(chǎn)作業(yè)率；其次，煉鋼廠調(diào)度室根據(jù)月度產(chǎn)量計(jì)劃，并根據(jù)每天實(shí)際完成情況，制定出每班、每臺(tái)鑄機(jī)的生產(chǎn)計(jì)劃，轉(zhuǎn)爐車間、連鑄車間嚴(yán)格按照生產(chǎn)計(jì)劃有條不紊的開展，確保生產(chǎn)穩(wěn)定順行；最后，確保連鑄機(jī)能夠進(jìn)行正常的澆注和提高連鑄機(jī)的拉坯速度。在保證鑄坯質(zhì)量的情況下，按照不超過連鑄機(jī)設(shè)計(jì)的最高上限提高拉速，有效縮短了冶煉周期。

3 降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度效果效益分析

通過以上技術(shù)措施的實(shí)施，2020年平均出鋼溫度相比2019年下降了11.76℃（圖3）。由于出鋼溫度的明顯下降，獲得了良好的指標(biāo)效益：實(shí)際降低鋼鐵料消耗2.68 kg/t，按照2020年產(chǎn)鋼153.49萬(wàn)t，鋼鐵料單價(jià)為2.60元/kg進(jìn)行計(jì)算，可降低生產(chǎn)成本為153.49×2.68×2.60=1 069萬(wàn)元；脫氧劑消耗同比下降了0.455 kg/t（鐵芯鋁下降0.144 kg/t，硅鋁鈣脫氧劑下降了0.311 kg/t），以2020年產(chǎn)鋼153.49萬(wàn)t，鐵芯鋁單價(jià)為11.67元/kg，硅鋁鈣脫氧劑單價(jià)為2.16元/kg進(jìn)行計(jì)算，可降低生產(chǎn)成本為 153.49×（0.144×11.67+0.311×2.16）=361萬(wàn)元。兩項(xiàng)相加合計(jì)降低生產(chǎn)成本為1069+361=1430萬(wàn)元。

圖4 平均出鋼溫度對(duì)比圖Fig.4 Comparison diagram of average steel tapping temperature

4 結(jié)語(yǔ)

1）降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度，有利于提高金屬收到率，平均每爐鋼增加150 kg，即降低鋼鐵料消耗2.68 kg/t，全年降低生產(chǎn)成本約1 430萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著；

2）降低轉(zhuǎn)爐出鋼溫度是煉鋼工序一個(gè)系統(tǒng)性指標(biāo)：首先，從實(shí)行“低溫快鑄”，倒逼轉(zhuǎn)爐縮短冶煉時(shí)間；其次，擴(kuò)大出鋼口直徑，縮短出鋼時(shí)間；最后，提高轉(zhuǎn)爐-連鑄生產(chǎn)組織銜接，并且確保合金烘烤溫度、鋼包烘烤溫度、中間包烘烤溫度、減少鋼包周轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)等措施，2020年平均出鋼溫度與2019年相比下降11.76℃。