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中國工程院院士 殷瑞鈺
鋼鐵行業正面臨轉型升級的重任,轉型升級的內涵豐富,就鋼鐵生產技術而言,各工序都需要兼顧前瞻性和可操作性的藍圖作為指引。近日,在河北省唐山市召開的"2014年全國煉鋼-連鑄生產技術會"上,中國工程院院士殷瑞鈺在報告中詳細介紹了新世紀我國煉鋼-連鑄取得的成就和技術進步情況,并為我國煉鋼-連鑄技術的發展指明了方向。
新世紀以來,中國煉鋼-連鑄技術在一系列措施支撐下,主要技術經濟指標有了長足的進步。煉鋼廠各工序與煉鋼-熱軋生產體制結構進一步優化。以連鑄為中心的生產技術方針有了新的內涵,引領了高效率、低成本潔凈鋼生產技術的發展。一批煉鋼工藝與裝備技術的開發應用,已成為新的亮點;鋼渣、含鐵塵泥處理再資源化技術有了進步。
新世紀中國煉鋼-連鑄取得的成就
各項技術經濟指標取得進步。近年來我國煉鋼生產、設備主要情況見附表。
年 份
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2000
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2005
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2010
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2011
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2012
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2013
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粗鋼產量/萬t
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12850
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35579
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63874
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70197
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73104
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77904
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連鑄坯產量/萬t
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11218
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34505
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62673
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69047
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72007
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76624
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連鑄比/%
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87.30
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96.98
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98.12
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98.36
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98.50
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98.36
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電爐鋼產量/萬t
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2020
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4179
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6632
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7094
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6477
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電爐鋼比例/%
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15.72
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11.75
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10.38
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10.11
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8.86
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轉爐鐵水預處理比/%
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25.30
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51.72
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65.60
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69.45
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63.70
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鋼水精煉比/%
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22.5
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66.74
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72.52
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70.14
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大型轉爐/座
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300 t
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3
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3
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10
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10
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11
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100~299 t
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27
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91
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218
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260
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299
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轉爐爐齡/爐
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2688
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5647
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10880
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11887
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12774
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≥50t電爐/座
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16
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44
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80
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77
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72
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注:表中粗鋼產量、連鑄坯產量、連鑄比、電爐鋼產量和電爐鋼比例為全國數據,其他各項數據為重點統計企業數據。2013年為快報數據。
中國煉鋼工序與體制結構進一步優化。
這主要表現在兩個方面,即新建和改造了一些以流程優化為特點的具有代表性的煉鋼廠和推進煉鋼--軋鋼一體化的鋼軋廠建設。
新建和改造了一些以流程優化為特點的具有代表性的煉鋼廠。
這些煉鋼廠都以流程優化(動態-有序、緊湊-連續)為指導思想,采用優化適用工序技術,集成為新一代鋼鐵生產流程中全新的煉鋼工序工藝與裝備技術。與傳統鋼廠區別的創新亮點主要有:
一是采用與推進鐵水包多功能化(俗稱"一包到底")技術,即鐵水包從煉鐵廠準確計重接鐵→最短運輸距離(靠總圖設計優化和改造)送到鋼廠→進行鐵水高溫預脫硫→直接兌入轉爐冶煉。
這一工藝大大減少了傳統工藝倒罐的時間、熱損失與對環境的污染,穩定了入爐鐵水的成分、溫度和重量,總圖布置更加緊湊,降低了投資與運行成本。鐵水包多功能化技術在首鋼京唐、重鋼長壽新區、沙鋼、新余鋼廠都已成功應用,并且形成了總圖布置、運輸周轉形式多樣、各具特點的流程網絡格局。有的布置從煉鐵出鐵場到鋼水鐵水預處理工位僅200米~300米,促進了煉鐵-煉鋼工序界面的緊湊高效銜接,"界面技術"的優化問題已引起了業界的普遍重視。
二是研發和采用以轉爐預脫磷、預脫硅為特點的全新高效、少渣、低耗煉鋼新工藝。
這種基于鐵水包多功能化,實現在鐵水罐中高溫、高活度狀態鐵水預脫硫,在渣鐵充分分離的條件下,在熱力學、動力學條件優越的預處理轉爐中進行預脫磷、預脫硅,再去脫碳轉爐中進行脫碳、升溫。高效少渣煉鋼的全新工藝是對傳統轉爐工藝的進一步創新。應當著重指出的是,這不是為超低磷鋼定制的特殊工藝,而是一種實現轉爐煉鋼高效、優質、低耗、低成本、少排放的新工藝,目前主要適用于一些薄板作業線。這一全新工藝在我國有兩種典型代表,即以曹妃甸首鋼京唐鋼鐵公司煉鋼廠為代表的鐵水罐多功能化→專用脫磷爐→專用脫碳爐→RH→高拉速板坯連鑄機全新工藝流程和鐵水預脫硫→轉爐雙渣、留渣少渣煉鋼→精煉→連鑄工藝流程。
首鋼京唐公司煉鋼廠的全新轉爐煉鋼工藝投產4年多來,通過不斷優化,實現了高效"層流"運行,已可穩定做到KR法鐵水預脫硫后87%以上包次[S]≤0.001%,鐵水包日周轉次數月均4.3次;脫磷爐半鋼[P] ≤0.034%、[C]≥3.425%,脫磷爐周期≤28min;脫磷爐+脫碳爐石灰消耗≤25kg/t(脫碳爐≤11kg/t);脫碳爐平均冶煉周期≤32min(最短25min),脫碳爐爐齡穩定在7000爐~7500爐、[C][O] ≤0.0023;碳、溫雙命中率≥97%;一次倒爐率≥95%;可以穩定生產[S]+[P]+[O]+[N]+[H]≤120×10-6的各類鋼種,顯示出比傳統工藝更明顯的質量優勢和效率。
近幾年來,在傳統總圖布置的鋼廠中,許多鋼廠已開展了鐵水預脫硫基礎上的"轉爐留渣(有的廠如遷鋼、首秦為全留渣)雙渣少渣煉鋼"新工藝的開發與工程化,取得了大幅度降低渣料消耗、鋼鐵料消耗,渣量減少、鋼水質量提高并有效降低煉鋼成本的良好效果。已有十幾個鋼廠不同程度地實現了工程化,一般企業都形成了前期脫磷渣控制和脫磷后充分倒渣,實現前期脫磷階段內溫度、氧壓、底吹氣量控制及脫碳階段少渣煉鋼,出鋼后安全留渣的系統技術,渣料消耗和渣量可大幅度降低30%~40%,取得良好的經濟效益。首鋼遷鋼與首秦這一少渣煉鋼工藝應用的比例已高達65%~80%。但如何真正在較大范圍內成為改變傳統工藝的規范化新工藝,還應在細化操作、提高效率、進一步降耗與安全應用方面付出更多的努力和積累經驗。
煉鋼--軋鋼一體化的鋼軋廠是新世紀中煉鋼廠體制結構優化的一個亮點。
新世紀以來,我國一些鋼廠建立了煉鋼--軋鋼一體化的鋼軋廠。其特點是以鋼廠的連鑄機與軋鋼機生產對應匹配,實現鋼的流量、質量、能量、信息的一體化銜接,這不僅體現了以產品生產為核心的物質流優化,而且體現了以鑄坯熱送熱裝為特點的能量流優化和信息流協同化,從而解決了過去煉鋼廠與軋鋼廠在產量匹配,熱能、質量傳遞等多方面間歇-停頓(甚至矛盾)等問題,大大提高兩大生產單元之間生產的協同、順行,具有優質、高效、低耗的明顯優勢,已成為各鋼廠體制優化選擇的方向。
以連鑄為中心的煉鋼廠生產技術方針有了新的內涵,特別是高效恒拉速/高拉速連鑄技術成為新世紀煉鋼生產優化中最核心的技術,引領了高效率、低成本潔凈鋼系統生產技術的發展,成為了"以連鑄為中心,煉鋼為基礎,設備為保證"技術方針的升級版。
在上世紀90年代,中國鋼鐵工業的發展得益于以"連鑄為中心"技術方針的實施與推動,當時的標志是實現全連鑄煉鋼廠、全連鑄鋼鐵公司,以此帶動了轉爐煉鋼、二次精煉、鐵水預處理技術的發展,淘汰了模鑄、混鐵爐、平爐、小電爐等落后工藝/裝備,使煉鋼廠的結構得到重構性優化。全連鑄工藝的實施也推動軋制技術的升級--連軋機技術得到了普遍采用,淘汰了初軋/開坯軋機、橫列式棒材軋機、復二重線材軋機,基本淘汰了"兩火"成材的軋制工藝,也加快了步進式加熱爐等節能加熱爐的發展和普及。
現在,全國鋼廠(不包括機械制造系統鋼產量)的連鑄比已達到了99%以上。與此同時,以"連鑄為中心"方針的價值沒有變化,但其技術內涵和工程集成內涵進入到一個新的層次。隨著冶金流程工程學的理論研究的深化,人們對連鑄工序的功能定位更為清晰,認識到連鑄機既有凝固器功能,又有成型器、節能器和質量保證器的功能。因此,在煉鋼爐-爐外處理裝置-連鑄機三位一體全連鑄煉鋼廠高效連鑄技術的基礎上,又發展了新一代的連鑄技術---高效恒拉速/高拉速連鑄技術。
新一代以高效恒拉速/高拉速為核心的技術有著豐富的內涵,大體可以從幾個方面來認識:
全流程層次上的工藝技術。
高效恒拉速/高拉速連鑄技術:包括煉鋼廠內的恒拉速/高拉速連鑄為核心的"專線化"生產技術,以動態GANTT(甘特)圖為特征的"層流化"運行技術。
恒拉速的意義在于反映了連鑄工藝和鑄坯質量的本質要求,即在整個連鑄生產中實現穩定熱交換過程和凝固過程,穩定煉鋼廠中多工位/裝置之間的物質流甚至能量流、信息流,穩定輸出鑄坯的熱流和信息流。
近兩年來,這一技術在板坯、方矩坯連鑄機上被廣泛推廣應用,煉鋼、精煉、連鑄各工位的定時、定溫、定質、定量的等節奏高效化生產也緊密與之配合,實現了動態-有序-協同-連續運行,全廠設備協同、順暢運轉方面也進一步優化,許多鋼廠連鑄恒拉速率保持在90%以上,首鋼遷鋼板坯鑄機已經常年保持在97%左右的高水平運行。一些鋼廠還特別在提高各鋼種、不同斷面鑄坯鑄速和組織"專線化"高效生產方面進行了有益的嘗試,取得了顯著的進步,向高效恒拉速/高拉速連鑄系統技術優化的方向邁進了一大步。現在厚度≥200mm板坯連鑄拉速達到2.2m/min~2.5m/min、150mm×150mm方坯拉速≥3.0m/min的技術都已在不同的鋼廠生產中實現,人們逐漸對高效恒拉速/高拉速連鑄的引領優化作用形成了共識,進一步推動了煉鋼廠各工序技術及互相銜接的界面技術的迅速優化與發展。
寶鋼多年來實施的爐機匹配、品種專一的"專線化"生產,進一步發揮了高效恒拉速/高拉速連鑄技術的優勢。唐鋼二鋼軋廠用55噸(70噸)轉爐與6流165mm×165mm鑄機、螺紋鋼(直徑>20mm)熱軋機進行專業化生產,實現鑄坯100%在800℃以上直接熱裝運行,也是值得推廣的。
近終型-緊湊型連鑄-連軋技術:發展以薄板坯連鑄為核心的連鑄-連軋一體化、高拉速、節能化技術是高效恒拉速/高拉速技術在近終型連鑄生產中的體現,并推動了鋼-軋一體化體制的建設與發展,為半無頭軋制技術優化和大規模、高效、低成本生產以熱代冷薄規格帶材產品打下了良好的基礎。唐鋼FTSC(薄板坯連鑄連軋)鑄機80mm厚度板坯拉速≥6.0m/min的技術已實現了多品種生產的工程化,具有重要的意義。
不斷完善連鑄機多爐連澆、高效化穩定生產技術。
高效連鑄技術的涵義中包括了高連澆率的內容。新世紀以來,國內各廠積累了不少經驗,大大提高了多爐連澆的生產水平。現在普通板坯連鑄連澆爐數超過10爐/次,薄板坯連鑄更是超過20爐/次,而不少鋼廠的小方坯鑄機連澆以天計,甚至有以周為計劃的。除了確保鋼水及時供應和穩定成分、質量、溫度外,在工藝、生產組織及裝備上,為適應不同訂單要求和長時間連澆的要求,各企業還開發了以下各種多爐連澆、穩定拉速和生產的技術:相關、相近鋼種合理組織多爐連鑄技術,異鋼種多爐連澆技術,板坯鑄機在線調寬連鑄技術,快速更換中間包滑板、水口和快速更換中間包技術。
這些技術的開發和應用都有效地提高了多爐連澆的生產水平,是鑄機高效化生產的亮點之一。
點、位性裝備技術的持續優化。
結晶器技術:結晶器技術主要包括結晶器結構與冷卻優化技術、結晶器振動技術,結晶器檢測技術三大方面。結晶器結構設計優化及冷卻優化是為提高連鑄生產效率和鑄坯質量從未間斷過的工作,各廠都有不少新的成果。近幾年來大型板坯和大型方坯最具特色的一項技術是大倒角非均勻性冷卻結晶器(有時還與倒角二冷導輥相結合)的研發和應用。結晶器振動則主要集中在非正弦振動的設計優化上,全數字液壓和電動缸驅動的非正弦振動還顯示出調節靈活快速、波形精度高等優點。而結晶器主要參數監測和控制技術則包括結晶器熱流成像(還可配合保護渣加入調整)、黏結性漏鋼預警與控制、結晶器鋼水液面監測與控制的各類技術。實踐證明,在這個領域我國自主研發和引進裝備再創新的成果已達到世界一流水平。
中間包流場優化、長壽技術:中間包流場優化、長壽技術主要包括中間包大容量化基礎上的流場擋堰、墻、防濺墊的設置優化以及中間包耐材質量優化與復合修砌噴補等技術,目標是保證鋼水在中間包內得到進一步凈化和流場的穩定。與此同時,應該認識到大容量中間包在提高拉速、降低出鋼溫度方面的重要作用,首鋼京唐公司的中間包容量達80噸,約占鋼包容量的25%以上。
輥列優化技術:輥列優化技術是鑄機設計的核心技術,尤其是大板坯連鑄機和特大圓、方、矩形連鑄機,對保證鑄坯和鑄機裝備運行安全穩定性至關重要。對這項技術過去我們掌握不夠全面和深刻,因而重復引進不斷出現。新世紀以來,一些設計院所經歷了進一步探索、研發和樣機試驗等過程,自主開發和通過消化吸收再創新,已基本掌握各類鑄機多點彎曲、動態輕壓下、多點或連續矯直的全系列的輥列優化核心技術。
二次冷卻技術:包括二冷噴嘴的結構和布置優化,帶有鑄坯表面、角部溫度反饋控制和中間包鋼水溫度前饋控制的二冷自動控制模型的研發,已能適應各類鋼種、斷面優質鑄坯生產的要求。
連鑄電磁冶金技術:這是和二冷、扇形段輥列優化和動態輕壓下一樣并密切配合保證鑄坯表面和內部質量的核心裝備技術。上世紀90年代之前,這一技術最具代表性的電磁攪拌(結晶器、二冷初段與末端)裝置主要依靠引進。新世紀以來,這種情況有了根本性轉變。這一領域的自主研發進步突飛猛進,到2011年電磁攪拌國產裝備技術由于在中空水冷繞線結構、布線技術、變頻技術、輥子材質與結構等系統技術上已全面趕上并領先國際主要廠商,在國內市場的占有率已超過90%,即全國3500流(臺)在用的電磁攪拌裝置中,國產的超過3100流(臺),尤其是最近幾年鋼鐵企業長期積累的經驗與制造商的研發相結合,不但已實現了電磁制動、中間包鋼水電磁感應加熱裝備與工藝技術的產業化,還研發了結晶器鋼水攪拌/制動復合技術,磁約束結晶器技術、電磁水口技術等新技術,大大推動了我國和世界連鑄電磁冶金技術的進步。
連鑄相關技術完善發展,實現了與連鑄生產高水平的配套銜接。
平面布置優化技術。
平面布置優化是充分發揮以連鑄為中心的技術方針優勢的重要基礎。對煉鋼廠來說,除了前面已詳細分析過的以鐵水包多功能化為核心的煉鐵-煉鋼平面布置、界面銜接優化外,還有兩個布置也至關重要,即煉鋼-精煉-連鑄平面布置和連鑄-加熱爐-熱軋機平面布置。
多年來各廠的實踐證明,優化的平面布置技術可使物質流的輸送順暢高效,能量流的傳遞簡捷低耗。煉鋼-精煉-連鑄的平面布置中,精煉設備的放置位置是關鍵,可以減少天車調運次數及距離。而連鑄機出坯線應該直接對準軋鋼加熱爐進坯線,這樣最有利于無缺陷鑄坯向軋鋼的高溫輸送。武鋼四煉鋼RH裝置鋼包車在線卷揚提升的布置方式、重鋼等一些新建廠和唐鋼二鋼軋改造實現鑄坯出坯到軋鋼加熱爐的輥道直接輸送的方式都取得了良好的效果。