十年來,我國轉爐煉鋼生產流程工藝與裝備技術的進步幅度是明顯的。而未來,這種生產流程結構不盡合理的現象亦會逐步改變。
近年來,我國轉爐鋼產量占粗鋼總產量的比例日益增強,2003年我國轉爐鋼比為82.4%,到2013年這一比例已增至93%,而近十年來,世界轉爐鋼與電爐鋼比例基本保持在7:3的平均水平,我國與之相比轉爐鋼比過高。未來我國這種鋼鐵生產流程結構不盡合理的現象會隨著我國資源條件、市場需求變化和綠色低碳環境的需求而逐步改變。相比較而言,近十年來,我國轉爐生產流程工藝與裝備技術的進步幅度更加明顯。
1、轉爐煉鋼技術發展現狀
目前,轉爐煉鋼仍是世界上最主要的煉鋼方法,其鋼產量占世界鋼總產量的65%以上。由于我國廢鋼資源短缺,電力缺乏,電價偏高,因此電爐鋼的產量增長受到一定程度的制約,而隨著生鐵資源的充裕也給轉爐鋼產量的增長提供了良好條件。因此,轉爐鋼產量近年來獲得了快速增長。2905年我國轉爐鋼產量為3.14億噸,到2013年提高到7.65億噸。隨著轉爐鋼產量的增加,轉爐煉鋼生產工藝技術也得到迅速發展。轉爐煉鋼技術進步主要體現在以下幾個方面。
1.1、轉爐裝備日趨大型化
2001年我國100噸以上大型轉爐只有30座,產能為3602萬噸。至2013年增長到345座,產能超過5.08億噸,13年間大型轉爐的生產能力增長了14倍。其中300噸轉爐從3座增加到11座,產能從678萬噸增長到2759萬噸以上。
從數量上來看,我國現有轉爐中以100-199噸的轉爐數量最多,而200噸及以上的轉爐數量最少,我國仍然保有一定數量的30噸以下的轉爐。因此,淘汰落后產能任務艱巨。目前,我國100噸及以上轉爐的產能約占全部轉爐產能的67.5%。隨著淘汰落后產能力度的加大,我國轉爐將進一步朝著大型化方向發展。
1.2、轉爐生產工藝進一步優化
提高鋼材潔凈度是21世紀鋼材質量發展的重大技術方向。為提高鋼材質量且擴大冶煉鋼種,我國大、中型轉爐煉鋼廠都相繼增建了鐵水脫硫裝置和二次精煉裝置。近年來新建的轉爐煉鋼廠大多配置了鐵水脫硫裝置,并根據冶煉鋼種的要求配置了相應的爐外精煉裝置,一般多采用LF精煉,有些轉爐煉鋼廠還配置了Ⅵ)精煉裝置,從而為高附加值鋼種的生產提供了有利條件。
我國自主設計建設的京唐公司300噸轉爐采用了國際上最先進的脫磷爐與脫碳爐分工、聯合生產的工藝,京唐公司是國際上最早采用這一先進工藝的300噸轉爐大型煉鋼廠。經過近兩年的技術攻關,脫磷爐生產周期28min,脫碳爐32min;單爐班產爐數從7-8爐次提高至16爐次,轉爐生產效率提高1倍,出鋼溫度平均降低20℃。鐵水“三脫”預處理比例達到90%;月平均轉爐終點[P]為0.006%,P+S]為150×10-6;和爐外精煉相匹配可穩定生產[P+S50×10-6的高潔凈鋼。石灰總消耗量從傳統流程的50kg/t,下降到24.3kg/t,煉鋼總渣量由110kg/t下降到的47kg/t,鋼鐵料消耗降低9.lkg/t,比傳統轉爐煉鋼成本降低37.39元/t鋼,標志著我國大型轉爐煉鋼技術已接近國際領先水平。
與此同時,國內一些鋼鐵企業也在積極嘗試頂底復吹轉爐雙渣、留渣工藝的探索試驗,追求低成本、高效化、穩定性生產潔凈鋼水的目標,以解決鋼鐵企業不具備脫磷爐與脫碳爐分跨布置聯合煉鋼的問題。
由于煉鋼生產結構的優化完善,鋼材潔凈度生產水平大幅度提高,也使轉爐鋼的生產品種逐步擴大,許多市場需要的高品質鋼,如高速鐵路用鋼軌鋼,汽車用IF鋼、先進高強度鋼板、高牌號取向和無取向電工鋼板,高強度造船板、橋梁板和容器板及X80級油氣輸送管線鋼,高品質軸承、齒輪和非調質鋼,高強鋼絲如簾線鋼、彈簧鋼絲等產品,都已在轉爐鋼廠穩定生產,成為近幾年鋼鐵產品結構優化的主要基礎。
1.3、轉爐全自動吹煉技術迅速發展
隨著轉爐大型化全自動吹煉技術在國內迅速推廣,大于100噸轉爐采用以副槍為基礎的動態控制技術,小于100噸轉爐則采用投擲式測頭與煙氣分析(或兩者相結合)的方式,進行冶煉終點的動態控制,有的已實現“一鍵式”控制不倒爐出鋼的自動煉鋼。隨著國內轉爐全自動吹煉技術的推廣與完善,不倒爐出鋼比例和自動化煉鋼水平有了大幅度提高,一批先進轉爐終點控制精度([C]為±0.02%,溫度為±12℃)的雙命中率可達80%-93%,轉爐生產率大大提高,消耗降低的效果十分明顯。
1.4、“負能”煉鋼技術取得重大進展
2005年以后,我國轉爐煉鋼廠高度重視“負能”煉鋼技術,實現“負能”煉鋼的鋼廠日益增多。特別是100噸以上的大、中型轉爐,95%以上的轉爐都實現了轉爐工序“負能煉鋼”。回收轉爐煤氣和蒸汽是實現轉爐冶煉能耗“負值”的主要手段。
我國“負能煉鋼”技術的迅速發展得益于以下三方面:
一是煉鋼工藝結構的優化。隨著國內新建100噸以上大、中型轉爐的增多,配備了煤氣、蒸汽回收與余熱發電等設施,為“負能煉鋼”打下設備基礎;二是“負能煉鋼”工藝不斷完善,多數鋼廠已掌握“負能煉鋼”的基本工藝;三是2005年,國家統計局將電力折算系數調整為電熱當量值(即1kWh=0.1229kg)替換原來沿用的電煤耗等價值(即1kWh=0.404kg)。煉鋼能耗統計值降低,利于實現“負能煉鋼”。重點企業轉爐煤氣噸鋼回收量由2010年的平均81m3/t提高到2014年的106m3/t。近幾年,我國轉爐蒸汽回收量有很大提高,但蒸汽回收量和壓力差別較大;先進的回收量已達到100kg/t以上、壓力可達2.5-4MPa,用于鋼水真空處理、發電或并入蒸汽管網。
1.5、轉爐使用壽命進一步提高
爐齡是轉爐煉鋼的重要技術指標,提高爐齡在降低生產成本的同時,也提高了轉爐生產效率。濺渣護爐的基本原理是利用高速氮氣將成分調整后的剩余爐渣噴濺在爐襯表面,形成濺渣層。濺渣層抑制了爐襯表層的氧化,減輕了高溫爐渣對磚表面的沖刷侵蝕。采用濺渣護爐工藝后,當爐襯殘磚厚度侵蝕至500mm左右時,爐壁冷卻與爐內鋼渣對爐襯的導熱基本實現了動態平衡。此時,爐襯與濺渣層的結合層很難被進一步熔損。在濺渣條件下爐襯基本為“零熔損”,即隨爐齡增加,爐襯厚度基本保持不變。國內鋼廠據此研發出了長壽轉爐生產工藝,進而使轉爐爐齡達到30000爐以上,爐役期和產鋼量同步增長,耐火材料消耗和噸鋼成本也相應降低。
2、我國轉爐煉鋼發展存在的問題
1)我國小型轉爐目前還有相當大的比例,與精煉、連鑄的匹配關系還有待優化。
2)轉爐煉鋼原料質量有待提高。我國轉爐煉鋼用石灰的含硫量比較高,許多鋼廠達0.06%甚至更高,這不僅影響轉爐鋼的性能,而且冶煉過程中產生的二氧化硫對環境也會造成嚴重污染。
3)我國轉爐煉鋼自動化控制水平,特別是動態控制水平需要進一步提升。目前,歐洲大部分鋼鐵企業轉爐煉鋼生產都實現了快速出鋼,即大部分爐次終點不倒爐、不取樣而直接出鋼。國內企業的控制水平與先進指標還有一定差距。
4)我國轉爐煉鋼技術發展不平衡。無論是自動煉鋼水平、同樣爐齡復吹條件下的碳氧積水平、煤氣蒸汽回收量、對精煉工藝掌握的深度還是供氧強度與冶煉周期等主要技術經濟指標,先進與落后的鋼廠差距較大。
5)我國轉爐煉鋼終點鋼水氧含量普遍偏高,這大大增加了高品質鋼冶煉的難度。高效率低成本的轉爐脫[Si]和[P]工藝還未能全面推廣。我國先進企業全新流程在原料消耗與生產效率上與國外先進企業還有一定差距。
今后,我國鋼鐵企業還要進一步增強環保意識,進一步做好煉鋼節水、節能和生態環境保護等工作。
3、轉爐煉鋼技術發展趨勢
從國內外氧氣轉爐煉鋼科技創新的發展趨勢來看,以下幾個方面值得重點關注。
3.1、節能環保技術的發展
鋼鐵生產的技術進步必須與環境協調發展。重點研發各種工藝條件下優化“負能煉鋼”的工藝與裝備技術,必須采用各種綜合節能技術,實現“負能煉鋼”。雖然轉爐煉鋼是當代鋼鐵生產中耗能最少,且是唯一可以實現總能耗為“負值”的工序,但進一步降低工序能耗和物耗,更加高效地實現能源轉換和回收,更加有效地利用二次能源,開發低溫余熱回收利用新途徑等許多問題還要進行深入研究和優化。主要思路有:
1)流程優化應成為煉鋼廠進一步節能的重點
流程優化主要體現在緊湊、高效、自控三個方面。流程功能的解析、優化重組,實現轉爐煉鋼生產的緊湊化,即工序時間的最小化、銜接最優化,這是最有效的節能措施;高效化是轉爐煉鋼節能的重要措施;自動化是轉爐煉鋼節能的重要保證。
2)優化節能技術提高煉鋼能源轉換效率
煙氣能量的高效轉換及回收利用;連鑄坯熱送熱裝是銜接煉鋼、軋鋼兩大工序的重要節能措施;爐渣余熱回收和利用;冷卻水余熱回收利用技術是轉爐煉鋼廠進一步提高能源轉換與利用效率的難題。
3)進一步挖掘煉鋼工序的節能潛力
加大全過程保溫措施是轉爐鋼廠節能的重要基礎;以穩定的工藝操作,實現全廠低溫制度的運行,有效地節能降耗;在全鋼鐵企業能源高效轉換利用和構建能量流網絡以及優化的總體思路下,研究轉爐煉鋼廠進一步節能降耗的新措施。
為消除對大氣環境的污染,必須進一步做好煙塵處理,積極采用干法除塵技術,節約水資源。回收能源介質的高效利用都有許多項目需要認真研發。努力將煉鋼廠建設成為無污染、零排放的綠色工廠。
3.2、吹煉終點動態控制技術
終點控制是煉鋼操作的技術關鍵。國內鋼鐵企業多采用人工經驗控制,無法滿足潔凈鋼和高品質鋼種生產的質量要求。因此,盡快采取措施提高煉鋼終點的控制精度和命中率已成為當前國內煉鋼生產中迫切需要解決的技術問題。提高轉爐煉鋼終點控制水平的關鍵技術主要有以下兩點。
1)優化復吹工藝,促進鋼渣平衡,穩定終點操作;
2)采用計算機終點動態控制技術,實現不倒爐出鋼及提高出鋼口壽命,縮短出鋼時間,進而縮短轉爐輔助作業時間,也是提高轉爐生產效率的重要技術措施。
3.3轉爐高效吹煉工藝
近年來,國內各大鋼企陸續開展了提高轉爐生產效率,加大供氧強度,實現平穩吹煉的技術研究,并開發出一整套轉爐高效冶煉技術,使轉爐生產效率大幅提高。采用以下技術有利于進一步提高供氧強度,從而使轉爐生產效率得到提高。
1)提高我國轉爐底吹攪拌強度,優化底吹攪拌工藝,保證全爐役內底吹效果,并結合該工藝進行轉爐長壽技術研究;
2)大幅減少渣量,對于少渣冶煉轉爐,由于渣量減少可大幅提高供氧強度;
3)優化改進氧槍結構,加快研發集束氧槍在轉爐中應用、CO2和高比例CaCO3在轉爐生產中的應用等全新工藝與裝備,提高噴槍化渣速度,減少熔池噴濺和避免產生大量FeO粉塵是大幅提高供氧強度的關鍵。