中国炼钢-连铸的技术进步及命题-殷瑞钰

中国炼钢-连铸的技术进步及命题作者：殷瑞钰信息来源：时间：2014-07-21新世纪以来，中国炼钢-连铸技术在一系列措施支撑下，主要技术经济指标有了长足的进步。炼钢厂各工序与炼钢-热轧生产体制结构进一步优化。以连铸为中心的生产技术方针有了新的内涵，引领了高效率、低成本洁净钢生产技术的发展。一批炼钢工艺与装备技术的开发应用已成为新的亮点；钢渣、含铁尘泥处理再资源化技术取得进步。在此基础上，今后技术进步新命题的核心应该是“建设以恒拉速/高拉速连铸为核心的高效率、低成本洁净钢生产体系和过程能量高效转换、充分利用的能量流体系”。在此基础上，以信息化、智能化为手段，进行集成性的整体优化。1新世纪以来中国炼钢-连铸取得的成就1.1各项技术经济指标取得进步从2000年到2012年中国粗钢年产量增加了60254万t，占同期世界年钢产量增量的84.98%。新世纪以来不仅钢产量大幅度增长（见B08版表1所示），同时一些反映炼钢科技水平的指标，例如装备大型化、连铸比、精炼比、铁水预处理比和转炉炉龄等均取得了长足的进步，说明中国钢产量的增长是有坚实的科技发展支撑的。1.2中国炼钢工序与体制结构进一步优化这主要表现在两个方面：即新建和改造了一些以流程优化为特点的具有代表性的炼钢厂和推进炼钢-轧钢一体化的钢轧厂建设。1.2.1新建和改造了一些以流程优化为特点的具有代表性的炼钢厂这些炼钢厂都以流程优化（动态-有序、紧凑-连续）为指导思想，采用优化适用工序技术，集成为新一代钢铁生产流程中全新的炼钢工序工艺与装备技术。与传统钢厂区别的创新亮点主要有：1）采用与推进铁水包多功能化（俗称“一包到底”）技术，即铁水包从炼铁厂准确计重接铁→最短运输距离（靠总图设计优化和改造）送到钢厂→进行铁水高温预脱硫→直接兑入转炉冶炼。这一工艺大大减少了传统工艺倒罐的时间、热损失与对环境的污染，稳定了入炉铁水的成分、温度和重量，总图布置更加紧凑，降低了投资与运行成本。铁水包多功能化技术在首钢京唐、重钢长寿新区、沙钢、新余钢厂都已成功应用，并且形成了总图布置、运输周转形式多样、各具特点的流程网络格局，有的布置从炼铁出铁场到钢水铁水预处理工位仅200-300m，促进了炼铁-炼钢工序界面的紧凑高效衔接，“界面技术”的优化问题已引起全国广大钢厂和设计院、研究院乃至高等院校的重视。2）研发和采用以转炉预脱磷、预脱硅为特点的全新高效、少渣、低耗炼钢新工艺这种基于铁水包多功能化实现在铁水罐中高温、高活度状态铁水预脱硫，渣铁充分分离的条件下，在热力学、动力学条件优越的预处理转炉中进行预脱磷预脱硅，再去脱碳转炉中进行脱碳、升温，高效少渣炼钢的全新工艺是对传统转炉工艺的进一步创新。应当着重指出的是，这不是为超低磷钢定制的特殊工艺，而是一种实现转炉炼钢高效、优质、低耗、低成本、少排放的新工艺，目前主要适用于一些薄板作业线。和日本一样，这一全新工艺在我国有两种典型代表，即以曹妃甸首钢京唐钢铁公司炼钢厂为代表的铁水罐多功能化→专用脱磷炉→专用脱碳炉→RH→高拉速板坯连铸机全新工艺流程和铁水预脱硫→转炉双渣、留渣少渣炼钢→精炼→连铸工艺流程。近几年来，在传统总图布置的钢厂中，许多钢厂已开展了铁水预脱硫基础上的“转炉留渣（如迁钢、首秦为全留渣）双渣少渣炼钢”新工艺的开发与工程化，取得了大幅度降低渣料消耗、钢铁料消耗和渣量减少，钢水质量提高并有效降低炼钢成本的良好效果，已有十几家钢厂不同程度地实现了工程化，一般企业都形成了前期脱磷渣控制和脱磷后充分倒渣，实现前期脱磷阶段内温度、氧压、底吹气量控制及脱碳阶段少渣炼钢，出钢后安全留渣的系统技术，渣料消耗和渣量可大幅度降低30%-40%，取得良好的经济效益。首钢迁钢与首秦这一少渣炼钢工艺应用的比例已高达65%-80%。但如何真正在较大范围内成为改变传统工艺的规范化新工艺，还应在细化操作，提高效率，进一步降耗与安全应用方面进一步付出努力和积累经验。1.2.2炼钢-轧钢一体化的钢轧厂是新世纪中炼钢厂体制结构优化的一个亮点新世纪以来，我国一些钢厂建立了炼钢-轧钢一体化的“钢轧厂”。其特点是以钢厂的连铸机与轧钢机生产对应匹配，实现钢的流量、质量和能量、信息的一体化衔接，这不仅体现了以产品生产为核心的物质流优化，同时也体现了铸坯热送热装为特点的能量流优化和信息流协同化，从而解决了过去炼钢厂与轧钢厂在产量匹配，热能、质量传递等多方面间歇-停顿（甚至矛盾）等问题，大大提高两大生产单元之间生产的协同、顺行，具有优质、高效、低耗的明显优势，已成为各钢厂体制优化选择的方向。1.3高效恒拉速/高拉速连铸技术，炼钢生产优化中最核心的技术以连铸为中心的炼钢厂生产技术方针有了新的内涵，特别是高效恒拉速/高拉速连铸技术成为新世纪炼钢生产优化中最核心的技术，引领了高效率、低成本洁净钢系统生产技术的发展，成为“以连铸为中心，炼钢为基础，设备为保证”技术方针的升级版。在90年代，中国钢铁工业的发展得益于以“连铸为中心”技术方针的实施与推动，当时的标志是实现全连铸炼钢厂、全连铸钢铁公司，以此带动了转炉炼钢、二次精炼、铁水预处理技术的发展，淘汰了模铸、混铁炉、平炉、小电炉等落后工艺/装备，使炼钢厂的结构得到重构性优化。全连铸工艺的实施也推动轧制技术的升级——连轧机技术得到了普遍采用；淘汰了初轧/开坯轧机、横列式棒材轧机、复二重线材轧机，基本淘汰了“两火”成材的轧制工艺，也加快了步进式加热炉等节能加热炉的发展和普及。现在，全国钢厂（不包括机械制造系统钢产量）的连铸比已达到了99%以上。与此同时，以“连铸为中心”方针的价值没有变化，但其技术内涵和工程集成内涵进入到一个新的层次。随着冶金流程工程学理论研究的深化，对连铸工序的功能定位更为清晰，认识到连铸机既有凝固器功能，又有成型器、节能器和质量保证器的功能。因此，在炼钢炉-炉外处理装置-连铸机三位一体全连铸炼钢厂高效连铸技术的基础上，又发展了新一代连铸技术——高效恒拉速/高拉速连铸技术。新一代以高效恒拉速/高拉速为核心的技术有着丰富的内涵，大体可以从几个方面来认识：1.3.1是全流程层次上的工艺技术1）高效恒拉速/高拉速连铸技术：包括炼钢厂内的恒拉速/高拉速连铸为核心的“专线化”生产技术，以动态GANTT图为特征的“层流化”运行技术。恒拉速的意义在于反映了连铸工艺和铸坯质量的本质要求：即在整个连铸生产中实现稳定热交换过程和凝固过程；稳定炼钢厂中多工位/装置之间的物质流甚至能量流、信息流；稳定输出铸坯的热流和信息流。高效恒拉速连铸技术是炼钢厂生产过程动态-有序-协同-连续运行之源。两年来这一技术不但在板坯、方矩坯连铸机上被广泛地应用，在炼钢、精炼、连铸各工位定时、定温、定质、定量的等节奏高效化生产也紧密与之配合，实现了动态-有序-协同-连续运行，全厂设备协同、顺畅运转方面也得到进一步优化，许多钢厂连铸恒拉速率保持在90%以上，现在厚度≥200mm板坯连铸拉速达到2.2-2.5m/min，150mm×150mm方坯拉速≥3.0m/min的技术都已在不同的钢厂生产中实现，并逐渐对高效恒拉速/高拉速连铸的引领优化作用形成了共识，进一步推动了炼钢厂各工序技术及互相衔接的界面技术的迅速优化与发展。宝钢多年来实施的炉-机匹配，品种专一的“专线化”生产，进一步发挥了高效恒拉速/高拉速连铸技术的优势。唐钢二钢轧厂用55t（70t）转炉与6流165mm×165mm铸机与螺纹钢（＞?0mm）热轧机之间进行专业化生产，实现铸坯100%在800℃以上直接热装运行，也是值得重视并推广的。2）推动近终型-紧凑型连铸-连轧技术：发展以薄板坯连铸为核心的连铸-连轧一体化、高拉速、节能化技术是高效恒拉速/高拉速技术在近终型连铸生产中的体现，并推动了钢-轧一体化体制的建设与发展，为半无头轧制技术优化及大规模、高效、低成本生产“以热代冷”薄规格带材产品打下了良好的基础。唐钢FTSC铸机80mm厚度板坯拉速≥6.0m/min的技术已实现了多品种生产的工程化。1.3.2不断完善连铸机多炉连浇、高效化稳定生产技术高效连铸技术的涵义中包括了高连浇率的内容。新世纪以来，国内各厂积累了不少经验，大大提高了多炉连浇的生产水平。现在普通板坯连铸连浇炉数超过10炉/次，薄板坯连铸更是超过20炉/次，而不少钢厂的小方坯铸机连浇以天计，甚至有以周为计划的。除了确保钢水及时供应及稳定成分、质量、温度外，在工艺、生产组织及装备上，为适应不同订单要求及长时间连浇的要求，各企业还开发了以下的各种多炉连浇、稳定拉速与生产的技术：◆相关、相近钢种合理组织多炉连铸技术；◆异钢种多炉连浇技术；◆板坯铸机在线调宽连铸技术；◆快速更换中间包滑板、水口和快速更换中间包技术。这些技术的开发和应用有效地提高了多炉连浇的生产水平，是铸机高效化生产的亮点之一。1.3.3点、位性装备技术的持续优化1）结晶器技术：结晶器技术主要包括结晶器结构与冷却优化技术、结晶器振动技术、结晶器检测技术三大方面。结晶器结构设计优化及冷却优化是连铸技术诞生以来为提高生产效率和铸坯质量从未间断过的工作，各厂都有不少新的成果。但近几年大型板坯和大型方坯最具特色的技术之一是大倒角非均匀性冷却结晶器（有时还与倒角二冷导辊相结合）的研发和应用。结晶器振动则主要集中在非正弦振动的设计优化上，全数字液压和电动缸驱动的非正弦振动还显示出调节灵活快速，波形精度高等优点。而结晶器主要参数监测和控制技术则包括结晶器热流成像（还可配合保护渣加入调整）、黏结性漏钢预警与控制、结晶器钢水液面监测与控制的各类技术。实践证明，在这个领域我国自主研发和引进装备再创新的成果已居世界一流水平。2）中间包流场优化、长寿技术：中间包流场优化、长寿技术主要包括中间包大容量化基础上的流场挡堰、墙、防溅垫的设置优化以及中间包耐材质量优化与复合修砌喷补等技术，目标是保证钢水在中间包内得到进一步净化和流场的稳定。与此同时，应该认识到大容量中间包在提高拉速，降低出钢温度方面的重要作用，京唐钢铁公司的中间包容量达80t，约占钢包容量的25%以上。3）辊列优化技术：辊列优化技术是铸机设计的核心技术，尤其是大板坯连铸机和特大圆、方、矩形连铸机，对保证铸坯和铸机装备运行安全稳定性至关重要。对这项技术过去我们掌握不够全面和深刻，因而重复引进不断出现。新世纪以来，几大设计院经历了进一步探索、研发和样机试验等过程，自主开发和再创新，已基本掌握各类铸机多点弯曲、动态轻压下，多点或连续矫直的全系列辊列优化核心技术。4）二次冷却技术：包括二冷喷嘴的结构和布置优化，带有铸坯表面、角部温度反馈控制和中间包钢水温度前馈控制的二冷自动控制模型的研发，已能适应各类钢种、断面优质铸坯生产的要求。5）连铸电磁冶金技术：这是和二冷、扇形段辊列优化及动态轻压下一样并密切配合保证铸坯表面和内部质量的核心装备技术。20世纪90年代之前这一技术最具代表性的电磁搅拌（结晶器、二冷初段与末端）装置主要依靠引进。新世纪以来，这一领域的自主研发技术突飞猛进，到2011年电磁搅拌国产装备技术由于在中空水冷绕线结构，布线技术、变频技术、辊子材质与结构等系统技术上已全面赶上并领先国际主要厂商，在国内市场的占有率已超过90%，即全国3500流（台）在用的电磁搅拌装置中，国产的超过3100流（台），尤其是最近几年钢铁企业长期积累的经验与制造商的研发相结合，不但已实现了电磁制动、中间包钢水电磁感应加热装备与工艺技术的产业化，还研发了结晶器钢水搅拌/制动复合技术，磁约束结晶器技术、电磁水口技术等新技术，大大推动了我国和世界连铸电磁冶金技术的进步。1.3.4连铸相关技术完善发展，实现了与连铸生产高水平的配套衔接1）平面布置优化技术。平面布置优化是充分发挥连铸为中心技术方针优势的重要基础。对炼钢厂来说，除了前面已详细分析过的以铁水包多功能化为核心的炼铁-炼钢平面布置、界面衔接优化外，还有两个布置也至关重要，即炼钢-精炼-连铸平面布置及连铸-加热炉-热轧机平面布置。多年来各厂实践证明，优化的平面布置技术可使物质流的输送顺畅高效，能量流的传递简捷低耗。炼钢-精炼-连铸的平面布置中，精炼