如何建立高效低成本洁净钢平台-太原

如何建立高效低成本洁净钢平台刘浏钢铁研究总院2009年8月·太原前言洁净化是现代钢铁材料发展的主要潮流，洁净钢生产是当代炼钢技术发展的重大方向。欧美国家采用传统流程生产洁净钢，其特点是以炉外精炼作为控制钢水洁净度的主要手段，采用铁水脱硫预处理-转炉冶炼-炉外精炼工艺。日本开发的洁净钢生产新流程强调采用全量铁水“三脱”预处理工艺，实现转炉少渣冶炼，通过铁水预处理控制钢水洁净度，达到降低成本和提高效率的目标。目前，世界金融危机使全球钢铁业进入萧条时期，如何降低洁净钢制造成本、降低能耗和减少制造过程中的环境污染成为今后全球钢铁业市场竞争的焦点。为此，迫切需要建立起高效低成本洁净钢生产技术平台。本文对如何建立高效低成本洁净钢生产平台提出具体的看法。汇报内容•洁净钢与洁净钢制造平台•两种洁净钢制造流程•传统流程的基本矛盾•建立高效低成本洁净钢平台的关键技术•结论提高钢材洁净度是钢铁技术发展的方向钢材洁净度的预测与实际水平比较/10-6钢类代表钢种技术特点洁净度要求10-6性能指标SBrEL/%超低碳钢IF钢同时要求降低钢中的碳、氮和含氧量，提高产品成型性[C]20,[N]20,[S]50,T.O20,dS50m105~170280~3182.540低碳铝镇静钢TIRP钢准确控制成份、夹杂物，严格控制组织结构，保证板材表面质量[C]=0.2,[Si]=1.5,[Mn]=1.54508000.926低合金高强度钢X80X100尽可能降低硫含量，提高钢水洁净度，严格控制钢中夹杂物[S]10,[P]80[O]20,[N]50,[H]155069021高级电工钢35W230要求同时降低C、N含量和S含量，精确控制成份，提高磁场强度，降低铁损[C]24,[S+N]30[Si]2.6~2.9%[S]10,[N]25P1.5/50(W/kg)2.20B50(T)1.68典型高品质钢种的性能与洁净度要求实际水平33255200.555国内最高水平1010505~8250.5100关于“质量过剩”的讨论：•没有质量过剩只有产品差异；•“质量过剩”的观念应转变为保证质量、降低成本、提高市场竞争力；•今后的发展不应以降低产品质量为前提，而应以大幅度降低生产成本作为主攻目标。生产工艺与钢材洁净度随着社会的发展进步，市场对钢材洁净度的要求日益增加。超纯净、高均匀度和高性能是21世纪钢铁产品质量发展的主要技术方向，为了提高钢材的各种性能，延长服役寿命，提高强度，要求钢材的杂质含量（S、P、N、O、H）和夹杂物总量越低越好。典型钢种的纯净度水平（×10-6）典型国外厂家超纯净钢生产工艺与技术水平（×10-6）洁净钢与洁净钢制造平台洁净钢并非特指某一类具体的钢种，而是代表实际生产过程中控制钢水洁净度所能达到的工艺水平。因此，洁净钢不是一个钢种的概念，而属于生产工艺范畴，反映出洁净钢具体的生产工艺和制造水平。元素年代极限浓度钢种技术突破C19621977199180206电工钢深冲钢极低碳钢采用RH/DH工艺提高RH循环流量提高RH界面反应速度S19651978199850103低温用钢管线钢压力容器钢KR铁水脱硫LF炉工艺优化转炉低[S]与精炼优化P196519771993150306耐热钢,低温钢9%Ni钢超低温钢转炉大渣量脱磷LD-AOD多级脱磷T.O19681978199830104高强度厚板高碳线材轴承钢RH/DHVAD采用脱磷铁水工艺进步与洁净度水平的提高（×10-6）钢材洁净度水平预测两种洁净钢制造流程•传统洁净钢制造流程•日本洁净钢制造新流程•21世纪的新型炼钢厂•两种洁净钢生产流程的比较主要技术问题：•工艺流程长•钢水质量不稳定•生产成本高•渣量大，能耗、铁耗高•CO2排放量大传统洁净钢制造流程传统洁净钢制造流程可以生产出高洁净度钢水，但由于工艺流程长，生产工艺的波动造成钢水质量不稳定；钢水提纯主要依靠炉外精炼，造成能耗高、成本高、CO2排放量高。高炉LF转炉冶炼铁水脱硫RHCC流程特点•采用全量铁水脱硫预处理工艺•采用传统转炉炼钢工艺•采用LF炉还原精炼工艺•采用RH真空精炼工艺•采用全连铸工艺日本洁净钢制造新流程洁净钢生产新流程转炉“三脱”高炉少渣冶炼RHCC铁水罐“三脱”一罐到底日本学者认为：传统的洁净钢生产流程存在着生产成本高、能耗高、CO2排放量大和产品质量不稳定等缺点。为改进这些缺点，提出采用分阶段冶炼工艺，并经过20年的发展完善，形成了洁净钢制造新流程。流程特点•采用高炉低硅冶炼和铁水脱硅预处理，严格控制硅含量；•采用铁水脱硫和脱磷预处理工艺;•采用转炉少渣冶炼工艺；•采用定碳出钢和RH-KTB技术；•采用全连铸工艺。主要技术优点：（1）减少渣量，比传统流程减少渣量40~60%；（2）缩短转炉冶炼周期30~50%；（3）减少吨钢铁耗15~20kg；（4）减少吨钢铝耗1.5~2kg，铁合金消耗3~10kg。21世纪的新型炼钢厂——日本住友和歌山厂•100%铁水“三脱”预处理•100%快节奏生产，周期20分钟•100%钢水真空处理•100%连铸坯热装直轧(≥850℃)技术特点工厂配置：年产钢量420万吨(实际产量)•采用1座210吨转炉进行铁水“三脱”•采用2座210吨转炉少渣炼钢（二吹一）•采用2座RH-KTB真空精炼•采用3台铸机实现全连铸生产和歌山厂的基本经验全量铁水“三脱”预处理工艺优化KR脱硫预处理工艺：•控制搅拌时间10~13min；•控制粉剂消耗7kg/t钢；•提高处理温度≥1360℃；KR脱硫率稳定在90%以上。优化转炉铁水脱磷预处理工艺：•控制炉渣碱度1.8~2.0,保证处理终点[P]≤0.025%；•采用底吹强搅拌,底吹供气强度为0.4Nm3/t.min;•铁水初始[Si]从0.2%提高到0.6%;•入炉废钢比从12%提高到18%;•降低处理终点温度至1300~1320℃.和歌山厂的基本经验全流程高效快节奏生产（1）提高供氧强度达到5Nm3/t.min。（2）采用非对称氧枪，降低粉尘发生量20%。（3）采用快速出钢技术，取消终点副枪取样测温。快速出钢比例达到96%。（4）提高动态控制精度，当[C]0.2%时，[C]控制精度为0.005%，T为2.2℃；当[C]≥0.2%时,[C]为0.01%，T为4.1℃。全流程时间匹配快速出钢技术快速出钢比例脱碳炉冶炼周期/min加废钢兑铁吹氧出钢倒渣补炉139511总计20和歌山厂的基本经验快速周转提高热效率（1）提高铁水温度采用新工艺铁水到转炉的运输距离从2000m缩短到800m，混铁车的运转次数从2.2次/车·天提高到3.4次/车·天，铁水平均温度从1310℃提高到1356℃，增加46℃。（2）增加脱碳炉冷却能随转炉作业率的提高，平均日产炉数从17炉提高到45炉，弥补了脱碳炉与传统转炉冷却能的差异。项目冷却能损失/%提高供氧强度增大耐火材料辐射损失2.4减少铁氧化热损失3.0提高出钢[C]热损失1.8总计7.2脱碳炉与传统转炉冷却能的差异和歌山厂的基本经验降低洁净钢生产成本和歌山厂采用新工艺后和传统转炉炼钢相比：•降低炼钢能耗66%；•降低石灰消耗25%；•降低铁损29%；•降低锰铁合金消耗48%；•降低渣量33%；•增加粉尘回收利用率60%。结论：洁净钢生产成本大幅度降低两种洁净钢生产流程的比较将传统洁净钢流程与日本洁净钢生产新流程相比较，可以看出新流程具有明显的技术经济竞争力。技术经济指标传统洁净钢流程洁净钢新流程生产效率供氧时间(min)冶炼周期(min)日产炉数(炉/座)生产能力(t/公称t·年)12~1728~4525~30100009~1020~2545~6015000~20000洁净度%[P][S][H][N](P+S+H+N)0.005~0.0100.004~0.0080.000150.00150.01~0.0150.008~0.0200.008~0.0150.00030.00200.025~0.030消耗石灰(kg/t)氧耗(Nm3/t)钢铁料消耗(kg/t)锰铁消耗(kg/t)铝耗(kg/t)渣量(kg/t)60~70501085标准(1.0)2.5~3.5100~12030~354510650.5~1.050~70成本节铁(吨铁2000元计算)节约合金减少渣量提高生产效率标准标准标准标准-36元/t-20元/t-20元/t-24元/t传统洁净钢生产流程中的基本矛盾•炼钢回硫•低碳脱磷•铝脱氧与夹杂物控制•强还原精炼脱硫反应热力学：•炉渣硫容量CS决定了炉渣脱硫能力；•炉渣硫容量和钢水氧位决定了渣钢间硫的分配比;•炼钢过程[C]降低使氧位升高，硫分配比下降，易发生回硫。核心问题：•炼钢终点钢水氧位高，硫分配比低(2~5)，钢水易被炉渣污染造成回硫；•铁水脱硫后需采用高纯度原辅料才能有效避免钢水回硫；•为避免回硫增加了生产成本。炼钢脱硫反应工序铁水脱硫铁水脱磷脱碳LF精炼反应模式还原反应弱氧化还应氧化反应还原反应还原剂SiCFeAl氧势PO210-15~10-1610-13~10-1410-10~10-1110-12~10-13炉渣R3.5~6.02.5~3.53.0~5.06.0~7.0炉渣(T.Fe)2.0%5.0%18~25%1.0%(%S)/[%S]300~60020~302~6300~600[%S]0.001~0.0050.005~0.010.005~0.010.002~0.005各工序脱硫技术指标比较0.000.020.040.060.080.10012345678910Ls=(%S)/[%S][%C]迁钢本钢终点[C]对LS的影响210t转炉180t转炉炼钢回硫终点[C]对Ls的影响回硫是转炉炼钢的主要问题，不仅造成钢水质量波动，而且大幅度增加生产成本。回硫的原因：（1）铁水[S]低，回硫趋于严重。（2）转炉渣钢间硫分配比低，易回硫。（3）废钢和原辅材料加重脱硫负荷。解决措施：提高渣钢间硫的分配比是冶炼超低硫钢的技术关键。两种流程对硫的控制回硫的危害：（1）要求废钢、原辅材料硫低，增加生产成本。（2）需采用LF炉二次脱硫，增加成本。（3）LF炉脱硫生成大量Al2O3二次夹杂，难以碰撞聚合，上浮分离。3(CaO)+3[S]+2[Al]=3(CaS)+(Al2O3)0.000.020.040.060.080.100510152025不同碱度的理论线本钢迁钢2.02.53.0R=3.51600oCLs=(%S)/[%S][C],%180t转炉210t转炉石灰硫/%0.010.020.030.05终点[S]/%0.00250.0050.00750.0125回硫率/%(0.002%)125250375625回硫率/%(0.005%)-500150250石灰硫含量对回硫率的影响0.000.050.100.150.200.250.300.0000.0050.0100.0150.0200.0250.030本钢迁钢武钢[P],%[C],%转炉终点[C]-[P]关系吹炼终点[C]对Lp的影响炼钢脱磷的热力学条件：传统观点：高碱度高FeO炉渣；低温；大渣量。转炉脱磷规律•炼钢脱磷在高温下进行，反应温度≥1600℃；•只能在低碳([C]≤0.10%)条件下实现有效脱磷;•随着熔池[C]降低，渣钢间磷的分配比迅速升高;•提高碱度有利于降低P2O5，增大钢渣间磷分配比，提高脱磷率；•低碳脱磷使炉渣氧化性增强，在高氧位下实现脱磷；•高FeO渣中P2O5浓度始终保持较低的水平(1~2%)；•增大渣量，降低渣中P2O5含量才能实现深脱磷；•加强熔池搅拌有利于提高渣钢间磷的分配比。1.钢中[C]决定了转炉脱磷效率；2.受终点[C]含量的限制，超低磷钢生产很困难。炼钢脱磷反应结论核心问题：•实现高效脱磷如何避免钢的严重氧化；•如何实现转炉稳定大批量生产超低磷钢。180t210t80T渣量对炼钢脱磷的影响氧位对炼钢脱磷的影响低碳脱磷低碳脱磷是转炉炼钢的主要特征，为了保证脱磷，要求提高钢水氧位，使钢渣