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)近五年來中國(guó)轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，并對(duì)目前存在的問題和今后的發(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3524．7萬噸和3665．7萬噸，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6886萬噸，預(yù)處理比例達(dá)到50％[3]。經(jīng)過多年的實(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)均已超過國(guó)外同類鋼廠水平[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，國(guó)內(nèi)大力開展濺渣護(hù)爐技術(shù)的研究開發(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萬爐以后，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，完好無缺，說明爐渣蘑菇頭對(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，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。
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