世界上大多數(shù)聯(lián)合鋼鐵企業(yè)普遍采用高爐一氧氣轉(zhuǎn)爐(BF-BOF)的方法生產(chǎn)粗鋼。
高爐生產(chǎn)率受原料質(zhì)量和過(guò)程控制的雙重影響， 而轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率主要受煉鋼廠設(shè)計(jì)能力(包括物流水平)和冶煉鋼種的影響，入爐原料質(zhì)量影響在其次。
因此，一段時(shí)期內(nèi)，高爐生產(chǎn)率仍有提升空間，而轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率提高有限，從而造成了高爐與轉(zhuǎn)爐產(chǎn)量的不匹配。
因此，煉鋼工作者面臨著尋找其他方法提高轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)率的問(wèn)題。其中一種方案是采用“直吹”方法(即一次拉碳法)，省去轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)參數(shù)檢測(cè)的時(shí)間，本文探討了該方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
目前，日本和歐洲的煉鋼-廠普遍采用快速出鋼程序，取樣和檢測(cè)時(shí)間約為 13min。生產(chǎn)時(shí)主要通過(guò)液態(tài)集熱方法用副槍測(cè)溫、測(cè)碳，轉(zhuǎn)爐不需移動(dòng)，在直立狀態(tài)就可測(cè)量。硫和磷成分連續(xù)穩(wěn)定地滿足標(biāo)準(zhǔn)要求是快速出鋼成功的根本保證。這種方法能節(jié)省實(shí)驗(yàn)室分析時(shí)間約 3-6min。它們只需按生產(chǎn)程序出鋼即可。
北美的煉鋼廠普遍采用簡(jiǎn)化的快速出鋼法，少數(shù)有副槍，其他采用投彈式熱電偶和氧傳感器，將帶有保護(hù)層的線圈纏繞在重型鑄鐵彈上，然后被扔進(jìn)轉(zhuǎn)爐內(nèi)，電線很長(zhǎng)可以讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，吹氧停止后讀數(shù)非常準(zhǔn)確。有些工廠也使用吹煉期間的讀數(shù)，如果硫、磷和其他殘存元素符合標(biāo)準(zhǔn)要求，則可立即出鋼。對(duì)于有兩座轉(zhuǎn)爐的車間，其中一座爐子維修和換襯時(shí)可采用這種方法，能使產(chǎn)量損失最小。
1 印度波卡羅(Bokaro)鋼鐵公司
隸屬于印度鋼鐵管理局的波卡羅鋼鐵公司第二煉鋼廠，采用 BOF-LF 精煉-連鑄工藝生產(chǎn)滿足顧客嚴(yán)格質(zhì)量要求的各級(jí)別鋼種。該廠年產(chǎn)鋁脫氧低碳板坯約 300 萬(wàn)噸。
主要生產(chǎn)鋼種有 LPG、EDD、WTCR、SAILMA、HSFQ 和 IS2062 等。該廠主要設(shè)備有 2500t 混鐵爐，帶有底吹設(shè)備的兩座 300t 氧氣轉(zhuǎn)爐，兩座 300t 精煉爐，兩臺(tái)雙流板坯連鑄機(jī)。
復(fù)吹轉(zhuǎn)爐所用原料主要為來(lái)自混鐵爐的高爐鐵水 260-270t，以及 35-40t 的廢鋼，具體廢鋼量根據(jù)高爐鐵水硅含量確定。造渣料為石灰(約 12t)，輕燒白云石(約 7-8t)，生白云石(約 5-6t)，吹煉時(shí)間約 16-17min，正常出鋼需要 8-9min。平均出鋼溫度在 1660-1680℃。
生產(chǎn)工藝流程為:高爐→混鐵爐→裝入廢鋼→裝入鐵水→吹氧→出鋼→連鑄→板坯。
堿性氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼是用高純度氧氣氧化入爐料中的碳、硅、硫和磷。轉(zhuǎn)爐車間處理一爐 270-280t 鋼至少需要大約 45-50min。在吹煉開(kāi)始和脫碳末期通過(guò)爐底吹入氬氣或氮?dú)鈹嚢枞鄢亍Ｍㄟ^(guò)爐底氣體復(fù)吹，造渣、CO 泡沫及反應(yīng)接近平衡等條件都很容易實(shí)現(xiàn)。
基本生產(chǎn)過(guò)程為:從混鐵爐取鐵水→裝入廢鋼→兌入鐵水→首次吹煉→取樣→補(bǔ)吹(需要時(shí)) →出鋼→除渣。然后下一爐鋼再重復(fù)這一過(guò)程。
上述轉(zhuǎn)爐煉鋼每一工序所需時(shí)間見(jiàn)表 1。
時(shí)間長(zhǎng)短根據(jù)入爐原料的成分和溫度、爐型以及所煉鋼種的成分和溫度而變化。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼主要的基本操作步驟見(jiàn)表2。
完成所有這些生產(chǎn)工序所花的總時(shí)間稱為一個(gè)冶煉周期。提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵是減少冶煉周期時(shí)間。影響冶煉周期時(shí)間的因素有:轉(zhuǎn)爐容量、車間物流、產(chǎn)品化學(xué)成分、鐵水化學(xué)成分和溫度以及采用的冶煉方法。
任何減少冶煉周期時(shí)間提高生產(chǎn)率的方法都需要改變上述 1-2 個(gè)因素。傳統(tǒng)出鋼生產(chǎn)是在吹煉終點(diǎn)檢測(cè)熔池的溫度和溶解氧含量，出鋼前取鋼樣和渣樣。在這種情況下，從吹煉完成到開(kāi)始出鋼的時(shí)間間隔約需 10-14min，有時(shí)需要等到化驗(yàn)室化驗(yàn)結(jié)果出來(lái)后才出鋼，以保證獲得滿意的化學(xué)成分含量。
轉(zhuǎn)爐具有優(yōu)越的脫磷能力。如果入爐鐵水磷含量低且均勻，出鋼檢測(cè)所需試樣取樣后即可出鋼。任何成分的微小調(diào)整均可在鋼包內(nèi)進(jìn)行。
2 波卡羅第二煉鋼廠直吹生產(chǎn)實(shí)踐
為提高工廠產(chǎn)量，波卡羅鋼鐵公司首先采取了縮短冶煉周期的方法。經(jīng)過(guò)研究分析之后發(fā)現(xiàn)，縮短從吹煉結(jié)束到出鋼之間的時(shí)間間隔，從而縮短轉(zhuǎn)爐冶煉周期是可行的。因?yàn)槿绻淖內(nèi)霠t原料尺寸或者改造車間物流，都需要較大的投資和較長(zhǎng)的時(shí)間。
為了縮短從吹煉結(jié)束到出鋼之間的時(shí)間間隔，需要采用新的煉鋼工藝。用靜態(tài)模型計(jì)算了所要達(dá)到的終點(diǎn)溫度和成分。靜態(tài)模型保持質(zhì)量和能量平衡，給出了初始條件(廢鋼和鐵水的溫度和成分)以及吹煉終點(diǎn)時(shí)的熔池和爐渣條件，能夠指導(dǎo)操作工人獲得冶煉所需要的總氧量和造渣劑量，以達(dá)到吹煉終點(diǎn)要求。預(yù)定的氧量一旦達(dá)到，則停止吹煉。
除了裝料模型，操作工人還可根據(jù)爐口火焰顏色變化、煙氣系統(tǒng)冷卻回路中蒸汽流量的明顯下降等信號(hào)，來(lái)判斷脫碳是否完成。
由于靜態(tài)裝料模型未考慮生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以其預(yù)測(cè)終點(diǎn)的能力有限。
初始條件中的不確定性(如鐵水的質(zhì)量、溫度和成分，廢鋼的質(zhì)量和形狀，造渣劑的加入等)和氧槍效率的變化也影響終點(diǎn)參數(shù)的準(zhǔn)確度。氧槍的高度和流量在一爐鋼內(nèi)都是變化的，而且在不斷的使用過(guò)程中，氧槍會(huì)被磨損，隨著耐火材料的不斷侵蝕，轉(zhuǎn)爐容量也會(huì)發(fā)生變化。
第二煉鋼廠生產(chǎn)工藝調(diào)整為，將預(yù)定的氧量由原先的首次吹煉和補(bǔ)吹(見(jiàn)表 2 中的第 8-11 項(xiàng)) 改變成一次性吹入爐中，且不增加其他工序。
研究表明，這一改變將冶煉周期時(shí)間降低 15%-20%。本文稱為“直吹煉鋼”，其工藝過(guò)程為: 吹煉→取樣測(cè)溫→出鋼→倒渣。
3 直吹法優(yōu)缺點(diǎn)分析
直吹除了對(duì)生產(chǎn)率有直接影響外，對(duì)其他方面影響的優(yōu)缺點(diǎn)分析如下:
3.1 優(yōu)點(diǎn)
1)由于省去中間倒渣環(huán)節(jié)，節(jié)省了和爐渣一起流出的鋼水，一定程度上提高了產(chǎn)量。
2)傳統(tǒng)工藝中的補(bǔ)吹(倒渣后)有時(shí)產(chǎn)生過(guò)吹。而在直吹時(shí)不會(huì)發(fā)生，所以氧槍壽命長(zhǎng)。
3)理論上，爐渣中 FeO 含量低，鋼水收得率高，轉(zhuǎn)爐壽命長(zhǎng)(FeO 對(duì)爐襯產(chǎn)生化學(xué)侵蝕)。
4)在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝中，一個(gè)冶煉周期有兩次燃燒，而直吹工藝只有一次燃燒。其優(yōu)點(diǎn)如下: 固定煙罩和活動(dòng)煙罩壽命較高;
因?yàn)槿紵到y(tǒng)減少了一段，因而煤氣回收系統(tǒng)負(fù)荷減小; 轉(zhuǎn)爐煤氣(可燃)回收量有一定程度提高; 鋼液與耐火材料的接觸時(shí)間減少。
3.2 缺點(diǎn)
1)由于出鋼溫度較高，化學(xué)成分有時(shí)偏差較大，增大鋼水二次精煉壓力。另外，出鋼溫度高，回硫機(jī)率增大，脫磷困難。
2)在整個(gè)吹煉期間保持高溫度梯度比較困難。
3)造渣劑消耗有一定增加。
4)直吹冶煉時(shí)鋼液中氧含量較高，需要更多的脫氧劑。
5)直吹最大的缺點(diǎn)是鋼液溫度高，爐渣與爐襯接觸時(shí)間長(zhǎng)，這會(huì)降低爐襯使用壽命。但也存在另一個(gè)相反的因素是渣中 FeO 含量低，從而減輕了對(duì)爐襯的侵蝕。
4 直吹實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果
波卡羅鋼鐵公司第二煉鋼廠全面開(kāi)展了直吹煉鋼生產(chǎn)。
在直吹之前的生產(chǎn)中，操作工人需要在開(kāi)吹之前確定吹氧進(jìn)度，吹煉期間何時(shí)及加入多少造渣劑以滿足終點(diǎn)溫度和成分要求。傳統(tǒng)生產(chǎn)在首次吹煉結(jié)束后，氧槍提起，轉(zhuǎn)爐傾斜取樣、檢驗(yàn)溫度和成分，以確定實(shí)際吹煉達(dá)到的程度，然后再補(bǔ)吹以調(diào)整溫度和成分，從而達(dá)到出鋼要求。
由于試樣在獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行光譜分析，化學(xué)成分分析需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間約 12-13min。因而，為調(diào)整溫度和成分而進(jìn)行的補(bǔ)吹，將會(huì)造成鐵合金損失或其他負(fù)作用，如降低爐襯使用壽命等。
該廠在實(shí)施直吹后，轉(zhuǎn)爐冶煉所需要的全部氧量一次吹入熔池。首次吹煉之后的倒渣、取樣和測(cè)溫全部省掉。采用計(jì)算機(jī)靜態(tài)控制，極大地提高了終點(diǎn)溫度和成分的命中率。實(shí)施直吹工藝后，冶煉周期各工序時(shí)間如表 3 所示。轉(zhuǎn)爐車間生產(chǎn)率提高了 25%。
每天冶煉爐次從 21.3 爐提高到 26.5 爐，2012-2013 年間日產(chǎn)最高可達(dá)到 29.2 爐。
該廠產(chǎn)量提高的最大原因是，從吹煉結(jié)束到出鋼乏間時(shí)間的縮短。
現(xiàn)在在波卡羅鋼鐵公司第二煉鋼廠采用直吹工藝的爐數(shù)平均達(dá)到 90%以上。補(bǔ)吹已降到 5%以下。而在實(shí)施直吹工藝之前，補(bǔ)吹比例在 20%以上。
采用直吹工藝后，終點(diǎn)目標(biāo)完成好，熔池不再發(fā)生過(guò)吹，出鋼時(shí)爐渣中的 FeO 含量不再增加。
5 結(jié)論
波卡羅鋼鐵公司第二煉鋼廠實(shí)施直吹工藝后，產(chǎn)量提高 25%，另外終點(diǎn)目標(biāo)命中率得到改善，減少了一次補(bǔ)吹。
缺點(diǎn)是原來(lái)通過(guò)管理提升得到改善的爐襯壽命，由于實(shí)施直吹工藝而有部分被抵消。由于熔池氧化氣氛濃厚，金屬消耗增加。
根據(jù)以上分析，每個(gè)工廠具體情況不同，在聯(lián)合鋼鐵廠實(shí)施直吹工藝，需要綜合考慮車間物流，產(chǎn)量提高幅度所需要匹配的上下游工序。
冀公網(wǎng)安備13050002001422號(hào)