建设高效低成本洁净钢平台的关键技术-1008

建设高效低成本洁净钢平台的关键技术刘浏钢铁研究总院2010年10月前言建设高效低成本洁净钢平台是市场和时代发展的要求，是洁净钢生产领域的重大技术革命。其目标是实现转炉直接冶炼洁净钢，并使转炉生产效率提高1倍，洁净钢生产成本低于传统转炉普通钢。分析阐述了支持高效低成本洁净钢平台建设的三项核心技术：转炉高效化生产、转炉洁净钢生产和洁净钢低成本制造工艺，提出加速我国高效低成本洁净钢平台建设的具体建议。技术革命与技术革新•技术革命首先是思想理念的深刻变革。•技术革命是在全新的技术理念指导下进行整个工艺技术的变革。•技术革新仅是对整体技术中的某一局部进行改革，提高效率。转炉代替平炉是技术革命，采用全新的技术理念对炼钢整体技术进行改造；连铸取代模铸也是技术革命，采用新的连续化生产理念完全改变了传统的间断式生产方式。同样，建立高效低成本洁净钢平台也是洁净钢生产的重大革命，采用高效化、洁净化和低成本的理念去改造整体的洁净钢生产工艺。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。洁净钢与洁净钢制造平台洁净钢平台不是一个单纯的技术名词，而是集设备、工艺、生产管理与质量控制为一体的生产实体，是洁净钢生产的制造平台。洁净钢也并非特指某一类具体钢材，而是反映该生产实体或制造平台所具备的钢材洁净度制造水平。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。洁净钢生产技术理念的变革建设高效低成本洁净钢平台必须彻底改变传统的技术理念，逐步建立起洁净钢生产的新理念。炼钢生产的核心工艺传统理念新理念提高钢水纯净度在同一反应器内耦合进行按反应规律分阶段进行脱磷低碳脱磷高碳脱磷脱硫造好渣即炼好钢少渣,防止炉渣污染控制钢中夹杂物脱氧后炉外精炼处理降低钢水氧化性温度控制温度补偿加快节奏减少温降提高生产效率扩大装入量加快生产节奏提高产品稳定性进一步提高反应效率尽量减少钢水污染日本学者的技术理念20世纪90年代中期，日本炼钢工作者根据分阶段冶炼的技术思想，对洁净钢生产流程进行合理解析与集成，发展了以铁水预处理为主体的洁净钢生产新流程，逐步取代了以炉外精炼为主体的传统流程。在此基础上，首次提出了“建设大批量低成本超纯净钢制造平台”的技术理念。日本学者的定义（1）超纯净钢的概念：钢中非金属夹杂与全部杂质元素的总和(S+P+N+T.O+H)≤100-6。（2）大批量理念：一是实现转炉直接生产超纯净钢；二是实现转炉超纯净钢生产高效化，使1座转炉钢产量接近或达到传统2座转炉生产能力。（3）低成本理念：指转炉生产超纯净钢的生产成本低于传统转炉生产普通钢的生产成本。和歌山厂的技术理念：采用最新的工艺和装备技术，实现高效率、高质量和高稳定性生产各种高品质钢材。高生产率高效转炉技术，吹炼时间9min，实现一座转炉生产二座转炉的产量高质量全量钢水进行铁水脱硫、脱磷RH和RH喷粉处理环境保护少渣操作（简化精炼过程）高生产率高效转炉技术，吹炼时间9min，实现一座转炉生产二座转炉的产量高质量全量钢水进行铁水脱硫、脱磷RH和RH喷粉处理环境保护少渣操作（简化精炼过程）设计理念指导思想学习借鉴日本先进的工艺技术与理念，在国内建设高效低成本洁净钢制造平台应明确以下三个目标：实现转炉大批量、稳定生产洁净钢，控制钢中全部杂质元素总量(S+P+T.O+N+H)≤10010-6；进一步提高转炉生产效率，缩短冶炼周期，加快生产节奏，使一座转炉的产量达到传统工艺二座转炉的生产能力；降低生产成本，与传统流程生产普通钢的生产成本基本持平。必须指出，“高效低成本洁净钢平台”中高效、低成本与洁净钢三个基本理念并非相互独立、互不相连；而是相互依存、共同发展。如在以铁水预处理为主体的洁净钢生产新流程中存在着脱碳炉热量不足的矛盾，只有通过加快生产节奏、缩短辅助时间、减少炉衬散热和实现少渣冶炼才能完全解决，而少渣冶炼又成为降低洁净钢生产成本、减少铁耗的关键技术。国内高效低成本洁净钢平台的建设目标高效低成本洁净钢平台关键技术洁净钢制造平台高效化生产转炉洁净化低成本制造高速吹炼供氧时间≤10min,冶炼周期≤20min自动吹炼与快速出钢缩短辅助时间转炉“三脱”少渣冶炼高碳出钢少渣冶炼合金元素熔融还原(Cr、Mn)矿负能生产C、T命中率≥90%,一次点测出钢终点Cr、Mn=1%核心技术关键技术技术指标减少热停时间沸腾出钢与炉渣改质烟尘、炉渣循环利用加废钢1min,兑铁3min,出钢5min转炉作业率≥95%半钢[P]≤0.025%,[S]≤0.005%转炉终点(S+P+H+N)≤10010-6[C]≥0.08%,[O]≤35010-6[N]≤1010-6,渣中TFe≤3%总渣量≤60kg/t全工序负能生产废弃物利用率≥80%转炉高效化生产（1）高速吹炼•实现全量铁水“三脱预处理”•脱碳炉高效供氧•快速出钢（2）缩短辅助时间（3）加快生产节奏实现全量铁水“三脱”预处理JFE福山厂采用双联工艺后冶炼周期和作业率的变化高速吹炼技术的基础在于实现全量铁水“三脱”预处理，简化转炉冶炼功能，将脱硫、脱硅和脱磷转移到铁水预处理过程中实现，转炉只承担脱碳升温的任务。简化转炉冶炼功能可大幅度减轻造渣脱磷、脱硫的工艺负荷，有利于实现少渣冶炼和提高供氧强度，并使终点控制更加稳定。日本JFE福山厂两座300吨转炉采用脱磷-脱碳双联工艺后，吹炼时间平均缩短2min，终点操作时间缩短1min，冶炼周期从29min降至26min，作业率提高4%。日本和歌山厂采用脱磷炉和脱碳炉双联冶炼，实现100%铁水“三脱”预处理，1座210吨转炉的年产量达到420万吨。日本和歌山钢厂工艺流程脱碳炉高效供氧脱碳炉少渣冶炼提高供氧强度有利于缩短供氧时间。提高供氧强度的困难在于：成渣困难，随供氧强度提高熔池脱碳速度加快，炉渣返干倾向趋于严重；粉尘量增大，增加了吹炼铁耗；成渣较晚时会影响熔池的脱磷、脱硫效率。解决的方法是采用非对称氧枪，在提高供氧强度后避免造成氧射流相互干涉，并通过喷孔夹角变化解决化渣与脱碳的矛盾。冶金效果：•供氧强度从2.6提高到5.0Nm3/min，供氧时间从19min减少到9min；•提高供氧强度造成烟尘发生量增加，采用非对称喷嘴后烟尘量降低20%。非对称氧枪的开发常规氧枪非对称氧枪相同喷孔直径和夹角由于热点重叠引起金属喷溅不同喷孔直径和夹角避免热点重叠减少金属喷溅通过小喉口减少中心射流冲击能通过外侧大喷孔增大射流搅拌能减少金属喷溅强搅拌供氧时间与烟尘发生量变化终点控制技术“三脱”铁水少渣冶炼、高速吹炼使熔池反应更趋于平衡，有利于提高终点控制精度和命中率:温度控制精度达到3.8℃，[C]的控制精度≤0.01%，磷的控制精度低碳钢为0.00145%，对高碳钢为0.00151%。锰的控制精度为0.0093%。氧的控制精度对低碳钢有明显提高。总之，采用“三脱”铁水少渣冶炼后吹炼更加稳定，终点控制精度和命中率大幅度提高。终点C的控制终点O的控制终点P的控制终点Mn的控制终点温度的控制快速出钢为了缩短冶炼周期，住友公司开发出少渣冶炼快速出钢技术。该项技术与传统转炉动态控制技术相比主要特点是：•减少副枪检测次数，传统转炉采用两次副枪检测直接出钢的工艺技术，采用少渣冶炼快速出钢技术后只需要副枪动态检测一次，直接出钢；•和传统转炉相比，缩短终点操作时间1min，副枪探头消耗减少50%以上；•显著提高终点控制精度和命中率；•控制稳定，快速出钢成功比例高达96%。传统工艺与少渣冶炼工艺快速出钢技术比较传统转炉快速出钢技术少渣冶炼快速出钢技术控制目标[C]%控制精度控制目标[C]%控制精度[C]/%T/℃[C]/%T/℃0.080.010120.20.0052.20.08~0.20.02012≥0.20.0104.10.20.05012快速出钢比例缩短辅助时间通常转炉冶炼周期包括吹炼时间和辅助时间（包括兑铁、出钢、溅渣、等待等）两部分。长期以来，国内钢厂偏重于提高供氧强度缩短吹炼时间，却往往忽视了缩短辅助时间的重要性。辅助时间的延长对于炉衬散热和炉体侵蚀均具有极大的危害作用。脱碳炉与传统转炉冷却能的差异转炉作业率对炉衬侵蚀量的影响转炉作业率对脱碳炉热量的影响项目冷却能损失/%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，弥补了脱碳炉的热损失。生产周期加废钢兑铁水吹炼出钢溅渣倒渣等待吹炼/辅助脱磷炉201295/219:11和歌山脱碳炉20/21050211:1脱磷炉332486/3101:3京唐脱碳炉42/71275381:2.5常规40251784311:1.35提高转炉炉龄护炉操作是转炉炼钢正常生产的基本保证，为了提高转炉效率，必须提高转炉炉龄。日本少渣冶炼护炉工艺：日本一直未采用溅渣护炉技术，提高转炉炉龄的技术对策是：加快生产节奏，实现少渣