第十六届全国不定形耐火材料学术会议在浙江长兴成功举办
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中国炼钢—连铸技术进步与新命题

2014年08月11日 09:49 殷瑞钰/文

导读:近日,在河北省唐山市召开的“2014年全国炼钢-连铸生产技术会”上,中国工程院院士殷瑞钰在报告中详细介绍了新世纪我国炼钢-连铸取得的成就和技术进步情况,并为我国炼钢—连铸技术的发展指明了方向。

  连铸耐火材料技术已能满足我国连铸技术发展的需要。

  上世纪90年代首先在青岛引进的连铸耐火材料三大件配方、生产的工艺和装备技术,经过消化再创新,已完全变为自主技术主导的局面。包括不定形耐火材料在内的应用及维护,各种结构与材质复合的钢包、中间包耐火材料都具有优良的性能,已经可以立足国内,成为炼钢-连铸高效生产的重要支撑条件。主要有以下功能型产品:

  以功能化复合技术为基础发展了系列高服役安全性、长服役寿命的连铸三大件产品,如复合无碳低膨胀内衬材料的免预热长水口,高抗侵蚀性渣线设计的长寿命浸入式水口,铝镇静钢、合金钢等钢种连铸用复合结构防堵塞浸入式水口,适应不同钢种连铸的多种低碳材质棒头的整体塞棒等。以适应高速连铸技术发展为目的开发出了快换式定径水口、快换式浸入式水口、薄板坯连铸用浸入式水口等。在连铸技术发展的推动下,国产连铸三大件的制造水平、产品服役可靠性、服役寿命已达到或接近国际先进水平。

  以节能降耗和适应品种钢、洁净钢连铸为目的发展了以新型高效隔热材料为背衬材料的钢包保温技术、刚玉-尖晶石预制块或机压不烧砖无碳钢包衬技术、低碳镁碳砖技术等,在延长钢包包龄、减少耐火材料对钢液污染、减小钢液温降、降低外壳温度和热疲劳损伤、提高现场施工效率和改善操作环境等方面都显示出较好的效果。连铸中间包耐火材料实现了全碱性化、长寿化和功能化,采用碱性干式料的中间包可以连续浇钢20h~50h,采用镁质挡渣堰、中间包气幕挡墙等技术有效减少钢液中夹杂物数量。钢包、中间包耐火材料技术的发展为高效连铸发展提供了支持。

  连铸保护渣基本实现了以国内企业为主,外资在中国的合资、独资企业共同供货,满足各类钢种铸坯生产需要的目标,还有不少出口。保护渣研究(包括配方系列、生产应用中对铸坯质量影响,传热与拉速振动对应的润滑消耗协调关系等)正在日趋活跃,保护渣系列标准已逐步建立。但是,还应在研发与生产体制结合、资金投入等多方面进一步努力,更好地提高国产保护渣的生产与应用水平。

  相关检测装备技术已全面用于连铸生产各个方面,并有出口。除前面提到的结晶器系统有关检测装备技术外,如钢包下渣监测与控制,铸坯测温,辊缝测量、表面质量监测等技术与装备均可基本立足国内。钢包下渣振动监测仪已可出口。

  通过以上几个方面的分析可清楚地看到,以连铸为中心的技术内涵更为深入具体,不仅是全面的、不断创新的重点,而且具有带动炼钢厂各工位技术优化的引领作用。

  一批炼钢工艺与装备技术的研发应用,已成为新的亮点。

  转炉干法除尘与煤气回收利用国产化技术产业化并迅速推广应用,已达到国际先进水平,有力地提高了"负能炼钢"的水平。

  到上世纪末,我国转炉只有宝钢二炼钢引进了干法除尘,由于昂贵的投资和应用中故障频发,国内一直未能推广。10年前,国内转炉钢厂鉴于除尘环保要求提高和国内已掌握了干法除尘的基本设计、设备制造技术,因此新建和改造的转炉纷纷选择干法除尘工艺与装备。虽然前两年的应用并不顺利,但大多数企业还是看准了这个方向,并迅速掌握了生产应用与工艺紧密配合的关键技术,还大胆地改进了电除尘设备的设计。首钢京唐公司在世界上率先采用300吨级转炉的干法除尘技术;宣钢150吨级自主设计制造应用的转炉干法除尘设备平稳运行连续3年无泄爆事故,除尘效果良好,还提高了煤气回收的数量和质量,达到了世界先进水平。

  转炉滑动水口出钢技术逐渐在转炉钢厂推广应用。

  这一技术由2002年转炉炼钢厂厂长考察团在德国萨茨吉特钢厂所见,回来后福建三明钢铁公司炼钢厂于2006年首先研发,申请专利并用于生产,显示了良好的挡渣效果,可大幅度降低出钢脱氧过程中的合金消耗,并降低精炼工序的负荷。该技术很快受到生产板材和高合金比钢种为主的钢厂的关注和采用,取得了良好的效益。目前较先进的钢厂滑板寿命已可达24次~26次,一般的寿命也在10次以上,可以和板坯连铸机的连浇炉数匹配,更换时间最短可小于10分钟,钢包内渣层厚度可降至25mm~40mm。

  转炉计算机全自动炼钢水平大幅度提高,先进的大中型钢厂已达到国际先进水平。

  新世纪以来,以副枪检测为特点的计算机全自动炼钢技术首先在宝钢、武钢取得成果,终点碳、温双命中率平均达到90%以上。其后首钢迁钢、莱钢等十几个钢厂进一步形成了武钢首次命名的"一键式"计算机全自动炼钢正常生产的能力,宝钢和武钢无后吹的一次倒炉出钢率均超过90%。首钢京唐公司专用脱磷转炉+专用脱碳转炉的全新工艺更为高水平的计算机全自动化炼钢创造了良好的条件,取得了突出的成绩,2013年一次倒炉出钢率平均>95%,最高月份达97%,对稳定生产、提高效率、降低消耗有良好的作用。

  与此同时,武钢、马钢、三明钢铁等在无副枪条件的中小型转炉上利用投掷式探头终点测温定碳定氧或炉气分析定碳等方法,也开展了计算机全自动炼钢的生产,取得了一次倒炉出钢率超过80%的好成绩。

  真空精炼技术的创新与发展成为新世纪炼钢生产技术进步的突出亮点。

  这具体体现在4个方面:

  一是宝钢、武钢炼钢总厂、首钢京唐等重点大型企业真空精炼比都已超过70%。

  二是RH、VD、VOD等系统工艺、装备技术已可完全立足国内。仅宝钢从2004年起就在本公司、国内和国外钢厂推广了35套具有完全自主知识产权的RH装备技术,已经与国内其他公司一起主导了国内市场,并有出口。

  三是高效RH真空精炼技术工业化效果良好。这是"十一五"国家科技支撑项目"新一代可循环钢铁流程工艺技术"的一个研究课题,自主创新和集成了优化的平面或立面布置、多功能顶枪、快速合金加料、智能化控制等技术,大大提高了RH的生产效率与冶金效果。课题研究成果实现了在生产中的应用,精炼周期≤25min,生产效率提高20%,能稳定生产[C] ≤13×10-6 的IF钢和[S] ≤10×10-6的高牌号无取向硅钢,还实现了RH100%应用无铬耐材及长寿化。

  四是机械真空泵系统的钢水真空精炼装置从2011年起在国内快速实现产业化,取得了大幅度节能与优良冶金效果双赢的突出成绩。重钢转炉厂采用的200吨机械真空泵RH为世界上首台,运行良好,节能效果显著。初步资料显示,与同吨位蒸汽喷射泵RH相比,仅节能一项就降成本7元/吨以上;包钢一炼钢运行16年的VD于2012年改造成机械真空泵系统VD,运行稳定,扣除投资、折旧,效益也在4元/吨以上。包钢二炼钢2台210吨RH也正待改造,新区新建2×260吨RH全部采用机械真空泵系统。

  真空精炼技术的进步对我国钢铁产品结构优化与质量提高,尤其是高品质钢的低成本生产有重大意义。

  在真空精炼技术与装备飞速进步的同时,各种非真空精炼技术立足于充分发挥功能特点,适应各钢类洁净度的要求,降低生产成本,特别关注与炼钢炉、连铸机之间生产节奏的协调匹配等方面,无论是认识还是实践都有了长足的进步。各钢厂的吹氩喂丝工艺更加规范与优化。对LF的钢种适应性的认识逐步取得共识,精炼技术的高效化和数学模型、终点控制技术的研发应用也取得了很大的进步。

  从上世纪末以后的钢铁指标体系中已没有全行业铁水预处理比和钢水精炼比的统计,但从新世纪迅速建设的装备能力分析和前面附表所列的重点统计企业数据可见,从2012年起,我国铁水预处理比和除去单纯吹氩喂丝的钢水精炼比均已超过65%,这是我国钢铁生产水平全面提高和产品优质化发展的重要基础。

  电炉生产技术创新成果显著。

  上世纪90年代中期,冶金部曾组织过研讨电炉流程优化与发展的工作会议,旨在推动电炉生产高效化发展。当时提出电炉大型化、高效化,建设冶炼-精炼-连铸"三位一体"生产工艺体制,特别强调"以连铸为中心"的技术方针。当时,老的三段式冶炼的电炉冶炼周期≥3小时甚至≥4小时的低效生产状况难以满足连铸多炉连浇的要求,从而导致老三段的小电炉快速淘汰,大型超高功率电炉快速发展。进入新世纪后,我们又在2005年再次召开现代电炉流程优化与发展的研讨会,大力推动电炉生产发展与技术进步。在电炉大型化、高效化步伐迅速加快的同时,

"三位一体"工艺已成为电炉钢厂的主流工艺流程,并关注余热回收利用。新世纪以来,电炉炼钢的研发成果产业化亮点频现,主要有如下几个方面:

  供电优化与配料优化推动了电炉冶炼电耗大幅度下降和冶炼周期大幅度缩短。

  我国自主研发的电炉供电曲线实时监测与供电模型优化系统技术已在大中型电炉上迅速推广应用,使在全固体料条件下,经优化配料的电炉冶炼周期可缩短到1小时以下。不同钢厂的冶炼电耗降低幅度均超过30%,冶炼周期缩短到60分钟左右,优化了与连铸生产周期的匹配,有力地推动了我国电炉生产的发展。由于我国废钢相对短缺,特别是废钢价格上涨,配加部分热铁水的工艺已广泛地在我国电炉钢厂应用,也对降低电耗、缩短冶炼周期起到了很大作用。但电炉采用高铁水比冶炼,其总体能耗和环境负荷与全废钢冶炼相比是较高的,因此电炉生产采用过高的铁水装入比是不应提倡的。

  自主研发的集束氧枪装备和技术迅速主导了国内市场。

  新世纪以来,电炉化学能输入强度的提高已成为电炉高效生产的另一个特点。自主开发并应用的电炉集束氧枪技术大大提高了氧气的输入强度和利用效率,而且吹炼平稳,生产效率高。该技术很快占据了国内市场的主导地位。但是,电炉用氧量应注意不宜过度,特别在是当前产能过剩的背景下,更应注意用氧成本。

  电炉余热利用有了新进展。

  电炉余热利用主要有两种形式,一是烟气废钢预热,二是烟气余热转换成蒸汽利用。

  废钢预热的多种方式都在中国电炉钢厂使用过,且都是引进的,目前除Consteel工艺有十几台电炉投产外,其他方法都没有太多发展。

  莱钢特钢与北科大合作在60吨超高功率电炉上采用烟罩余热锅炉产生蒸汽供VD使用,在排除管道积灰等多方面有所改进,与较早投用的集束氧枪技术一起形成了电炉输入能量高效利用与工艺优化、余热利用相结合的电炉节能技术,已推广到了10台60吨~150吨电炉应用。

  电炉顶底复吹技术推动电炉生产高效化。

  上世纪90年代中期,我国电炉顶底复吹技术就在10吨电炉上实现工业化生产,但此后一直没有推广,原因之一是底吹枪寿命短制约了炉龄的延长。从2011年起,复吹技术再次研发并在西宁70吨电炉和天管150吨电炉上应用,随即快速推广到10台不同吨位的电炉上使用,对较高铁水比的电炉工艺起到提高效率、优质节能的良好作用。同时该技术结合耐材改进,实现了底吹枪龄与700炉~1000炉的炉衬寿命同步。

  从2011年起,我国电炉钢年产量就跃居世界第一,2012年产量近7000万吨,但因全国年产钢总量增长过快,电炉钢占比相对下降至10%左右,而且吨钢废钢用量也在不断下降。要真正加快电炉钢生产和高效节能,还有不少认识问题有待更新,不少技术工作有待开发、研究和集成创新。

  钢渣与含铁尘泥处理再资源化技术有了进步。

  进入新世纪后,钢渣水淬、风淬、闷渣、热泼、滚筒法等各种工艺装备竞相出现,在处理效率、处理特征、降低成本与减少环境污染等各个方面分别展示出各自的特点,使钢厂有较多的选择,并都注意到了渣内钢粒近零排放,游离CaO、MgO的有效控制并达标,以及提高效率,不产生再次污染等关键问题。目前大包采用的方法是热闷法、滚筒法、风淬法,水淬因安全顾虑一直只在济钢小转炉钢厂应用,热泼法则因二次污染问题正在逐渐淡出。近几年来宝钢创新的滚筒法钢渣处理装备推广应用较快,已有近40套在运行。值得注意的是钢渣细粉制备与应用的研究和实施已在一些钢厂中进行,正加强与建材行业的合作并有所推进。

  钢渣余热是钢厂余热的一个大项,已有一些钢厂开展了余热利用(产生热水、蒸汽回用)的研发,但尚须进一步完善,才能真正工程化、产业化应用并推广。

  在我国,炼钢-连铸产生的含铁尘泥利用率是很高的,应当说大多已在钢铁生产流程内循环再利用了。新世纪以来,随着废钢结构的变化(如汽车废钢增加),炼钢尘泥中Zn、Cu、V等有价值元素的回收利用的装备工艺研究也有了进展,如引进或国产的转底炉处理含铁尘泥,提取Zn、Cu、V等,已在某些钢厂开展探索性的应用。

  以上情况简要地概括了新世纪以来我国炼钢厂生产过程优化的主要成绩,也是炼钢厂对钢铁生产流程发展所起重要推动作用的体现,但在更加稳定、规范、精细化各个工位的工艺操作,进一步优化炼钢厂的制造流程内部与相邻厂的界面衔接技术,以提高效率、提高质量、节能减排等方面还有许多紧迫的任务等待我们去完成。

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