首鋼京唐公司全三脫冶煉技術(shù)

1、 “全三脫”冶煉技術(shù)2011年5月1前言 自從首鋼京唐公司鋼鐵廠項目開展可行性研究以來，社會各界就給予了高度重視，尤其是對其“全三脫”冶煉工藝，更是備受矚目。國內(nèi)知名冶金專家對煉鋼工藝都提出了寶貴意見，并提出了各自的先進理念。京唐公司煉鋼作業(yè)部在廣泛聽取各方建議的基礎(chǔ)上，做了大量的分析研究工作，最終采用了許多國際先進的工藝技術(shù)，如轉(zhuǎn)爐干法除塵、高爐供轉(zhuǎn)爐鐵水運輸?shù)摹耙还薜降住奔夹g(shù)、“全三脫”冶煉工藝、高效連鑄機、大型精煉設(shè)備采用國產(chǎn)化等。2一、概述二、傳統(tǒng)與“全三脫”流程潔凈鋼生產(chǎn)特點三、京唐采用“全三脫”工藝存在的難點四、“全三脫”冶煉工藝生產(chǎn)實踐五、典型鋼種生產(chǎn)六、難點問題解決情況七、輔原

2、料消耗情況八、結(jié)論3一、概述1、轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)進步分析1）煉鋼轉(zhuǎn)爐功能的解析-集成方面的創(chuàng)新 20世紀50年代以前，長期以來總以為一種工藝、一個裝置的功能越多越好，而忽視整個制造流程生產(chǎn)的總體發(fā)展趨勢。例如平爐就是一個實例，平爐確實有很多功能，一度曾是主要的煉鋼方法，但由于其冶煉周期過長、能耗高，很難與新興的連續(xù)鑄鋼工藝經(jīng)濟地匹配起來，因而，隨著全連鑄體制鋼廠的推行，平爐煉鋼工藝趨向萎縮。4 隨著科學(xué)研究的不斷深化，鋼鐵制造流程的不斷創(chuàng)新，逐步認識到必須注意對煉鋼爐的功能進行解析與集成，淘汰一些不適合煉鋼爐承擔(dān)的功能（例如脫硫功能等），開發(fā)、集成一些優(yōu)化的功能（例如快速脫碳、快速升溫等）。 5

3、煉鋼爐的功能優(yōu)化應(yīng)遵循以下原則: 遵循物理化學(xué)原理來優(yōu)化選擇化學(xué)冶金功能，兼顧質(zhì)量、成本和效率； 優(yōu)化煉鋼過程的時間節(jié)奏和溫度制度，保持物質(zhì)流順暢、高效率； 以功能-結(jié)構(gòu)-效率的連鎖優(yōu)化促進與前后工序在動態(tài)運行過程中的協(xié)調(diào)等。 可以清楚地看出，現(xiàn)代氧氣轉(zhuǎn)爐的功能將定位在以脫碳、升溫為主和適度的脫磷上。其它功能應(yīng)分別分解到鐵水預(yù)處理裝置或二次冶金裝置分擔(dān)。6 2）鐵水預(yù)處理與全量鐵水在線 “三脫”處理的技術(shù)效果與經(jīng)濟效益 鐵水預(yù)處理工藝對現(xiàn)代氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼廠而言，尤顯重要。其重要性已從原來冶煉一些對含硫量要求特別嚴的鋼種開始，發(fā)展成為煉鐵煉鋼凝固過程優(yōu)化不可分割的重要環(huán)節(jié)。由于轉(zhuǎn)爐預(yù)處理鐵水進行脫

4、磷工藝的開發(fā)，正在形成一種全量鐵水進行“三脫”處理的技術(shù)進步模式。全量鐵水“三脫”的概念是所有進入轉(zhuǎn)爐煉鋼的鐵水都要經(jīng)過“三脫”預(yù)處理。 72、關(guān)于鐵水“全三脫”工藝的價值 1）建立起高效、低成本的潔凈鋼生產(chǎn)工藝平臺，提高產(chǎn)品競爭力； 2）可以使用較高含P的礦石，鐵水含磷可以放到0.10.15，有利于降低礦石采購成本； 3）有利于脫碳轉(zhuǎn)爐使用錳礦，還原成鋼水Mn，可以降低合金成本； 4）脫碳轉(zhuǎn)爐渣可為脫磷轉(zhuǎn)爐使用，并少加石灰； 5）加快轉(zhuǎn)爐（大型）冶煉節(jié)奏，適合于現(xiàn)代高拉速板坯鑄機匹配運行，提高生產(chǎn)效率； 6）有利于運行過程時間緊湊，實現(xiàn)節(jié)能。 不能將其價值局限在冶煉超低磷鋼。83、“全三脫”

5、冶煉工藝技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展簡況 根據(jù)所用的不同容器，鐵水脫磷可分為兩類：一種是在鐵水包或魚雷車中進行脫磷，另一種就是在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行鐵水預(yù)處理脫磷。與混鐵車內(nèi)或鐵水包中進行的鐵水預(yù)處理相比，在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行脫磷預(yù)處理的優(yōu)點是轉(zhuǎn)爐的容積大、反應(yīng)速度快、效率高、可節(jié)省造渣劑的用量，吹氧量較大時不易發(fā)生嚴重的噴濺現(xiàn)象，也不存在魚雷車和鐵水包中脫磷時溫降大、處理時間長等問題，有利于生產(chǎn)超低磷鋼，尤其是中高碳的超低磷鋼。因此，近年來在轉(zhuǎn)爐內(nèi)進行鐵水脫磷的工藝技術(shù)得到了較大的發(fā)展。9 我們把通過轉(zhuǎn)爐進行鐵水脫硅、脫磷預(yù)處理，再通過轉(zhuǎn)爐進行鐵水脫碳精煉的工藝稱為轉(zhuǎn)爐兩步煉鋼工藝，即一座轉(zhuǎn)爐進行鐵水脫磷操作，另一座轉(zhuǎn)爐接

6、受來自脫磷爐的低磷鐵水進行脫碳操作。該工藝20世紀90年代產(chǎn)生于日本，現(xiàn)在日本住友金屬和歌山廠、川崎制鐵水島廠、NKK 福山廠、新日鐵室蘭廠以及韓國浦項光陽廠等均采用轉(zhuǎn)爐兩步煉鋼法冶煉工藝進行大規(guī)模生產(chǎn)。轉(zhuǎn)爐兩步煉鋼工藝，日本住友和歌山廠稱SRP法、新日鐵室蘭廠稱LD-ORP法、NKK 福山廠稱LD-NRP法。典型的兩步煉鋼工藝流程為高爐鐵水一鐵水脫硫預(yù)處理一轉(zhuǎn)爐脫磷一轉(zhuǎn)爐脫碳一二次精煉一連鑄。10 寶鋼從2002年開始進行了BRP(Baosteel BOF Refining Process)技術(shù)研究，即寶鋼轉(zhuǎn)爐脫磷一脫碳兩步煉鋼工藝技術(shù)研究。主要是低磷和極低磷鋼，包括管線鋼、IF鋼、簾線鋼、

7、石油鉆桿鋼等鋼種，脫磷爐停吹磷的質(zhì)量分數(shù)平均在0.015% 以下，最低達到0.003%，成品磷的質(zhì)量分數(shù)低于0.006%，進行少渣吹煉時，脫磷和脫碳后的總渣量小于60 kgt。114、首鋼京唐公司“全三脫”工藝簡介 首鋼京唐公司現(xiàn)有2座5500m3高爐，高爐轉(zhuǎn)爐界面采用“一罐到底”技術(shù)運輸鐵水，運輸鐵水罐容量為300噸。煉鋼廠配有4個300tKR脫硫站、2座300t脫磷爐、3座300t脫碳爐；精煉配有RH、CAS、LF爐，連鑄采用雙流板坯連鑄機，工藝流程如下圖。1213 脫硫工藝是采用脫硫效率高且脫硫效果穩(wěn)定的機械攪拌KR法，脫磷工藝是采用轉(zhuǎn)爐法。工藝布局特點是轉(zhuǎn)爐采用雙高跨布置，即分為脫磷預(yù)

8、處理轉(zhuǎn)爐跨和脫碳轉(zhuǎn)爐跨。2009年5月23日京唐公司煉鋼投產(chǎn)后，隨即轉(zhuǎn)爐進行了“全三脫”冶煉工藝試驗，經(jīng)過不斷摸索、改進，“全三脫”比例已達到80以上，“全三脫”工藝生產(chǎn)穩(wěn)定、順行，生產(chǎn)出的鋼水純凈度較高，與常規(guī)冶煉相比，“全三脫”冶煉消耗較低，初步實現(xiàn)了低成本生產(chǎn)潔凈鋼的目標(biāo)。14 二、傳統(tǒng)流程與“全三脫”流程潔凈鋼生產(chǎn)特點 1、傳統(tǒng)流程 傳統(tǒng)潔凈鋼生產(chǎn)流程（如圖2）可以生產(chǎn)出高潔凈度鋼水，但由于鋼水提純主要依靠爐外精煉，造成工藝流程長，生產(chǎn)工藝波動造成鋼水質(zhì)量不穩(wěn)定；能耗高、成本高、CO2排放量高。15圖2傳統(tǒng)潔凈鋼生產(chǎn)流程16傳統(tǒng)流程存在的基本矛盾：1）煉鋼回硫，需LF爐二次脫硫；2）低

9、碳脫磷，造成鋼、渣過氧化；3）鋼水過氧化，增大脫氧劑消耗；4）脫氧產(chǎn)生大量夾雜，需長時間“軟吹”；5）爐渣利用效率低，難以實現(xiàn)渣循環(huán)。17 傳統(tǒng)流程存在的上述基本矛盾造成該流程生產(chǎn)潔凈鋼存在以下缺點： 1）由于鋼水提純依賴爐外精煉，造成生產(chǎn)批量小，不能大批量生產(chǎn)潔凈鋼； 2）由于流程存在回硫、低碳脫磷和鋼水過氧化等問題，造成磷、硫和鋼中夾雜物控制不穩(wěn)定； 3）由于渣量大，不能形成渣循環(huán)，造成生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低。182、“全三脫”新流程 “全三脫”流程是潔凈鋼生產(chǎn)新流程的理論基礎(chǔ)，其特點是在最佳的熱力學(xué)條件下單獨進行脫硫、脫硅、脫磷、脫碳等反應(yīng)，大幅度提高反應(yīng)效率，以達到提高生產(chǎn)效率、降低生

10、產(chǎn)成本和提高鋼水潔凈度的目標(biāo)。潔凈鋼生產(chǎn)新流程以鐵水預(yù)處理作為鋼水提純的重點，轉(zhuǎn)爐成為潔凈鋼生產(chǎn)的主體。通過減少渣量和實現(xiàn)爐渣循環(huán)降低生產(chǎn)成本。19 流程特點： 1）采用鐵水高效脫硫工藝和廢鋼處理技術(shù)，嚴格控制轉(zhuǎn)爐回硫； 2）采用轉(zhuǎn)爐脫硅、脫磷工藝，實現(xiàn)高碳脫磷; 3）采用脫碳爐少渣冶煉工藝，避免爐渣污染; 4）高碳出鋼，真空下冶煉低碳鋼，避免鋼水過氧化； 5）減少渣量，脫碳爐渣作為脫磷劑返回脫磷爐. 新流程實現(xiàn)高效低成本穩(wěn)定大批量生產(chǎn)潔凈鋼，20 開發(fā)目標(biāo)是： 1）轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)效率提高1倍； 2）轉(zhuǎn)爐直接生產(chǎn)S+P100 10-6的潔凈鋼； 3）轉(zhuǎn)爐潔凈鋼生產(chǎn)成本低于傳統(tǒng)工藝普通鋼。213、兩種

11、潔凈鋼生產(chǎn)新流程的技術(shù)評價 將傳統(tǒng)潔凈鋼流程與日本潔凈鋼生產(chǎn)新流程相比較，可看出新流程在潔凈鋼生產(chǎn)方面具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟競爭力，具體數(shù)據(jù)如下表（兩種流程比較）：2223三、京唐采用“全三脫”工藝存在的難點 1、干法除塵 干法除塵是來自歐洲的先進環(huán)保工藝，該技術(shù)在常規(guī)轉(zhuǎn)爐的應(yīng)用目前是比較成熟的，特別是在國外，但是在國內(nèi)也還存在除塵系統(tǒng)發(fā)生“卸爆”多和除塵不穩(wěn)等問題。兩步煉鋼技術(shù)是來源于日本的先進冶煉工藝，但是日本全部采用的是濕法除塵技術(shù)。 京唐轉(zhuǎn)爐“全三脫”冶煉采用干式除塵是世界第一家。轉(zhuǎn)爐“全三脫”工藝在脫碳轉(zhuǎn)爐吹煉“全三脫”鐵水時，與常規(guī)轉(zhuǎn)爐不同的是：吹煉前期沒有Si、Mn氧化煙氣，直接產(chǎn)生

12、碳氧化煙氣；24 脫碳轉(zhuǎn)爐不加廢鋼，導(dǎo)致熔池溫度快速上升，含有大量CO的煙氣迅速產(chǎn)生。合理控制前燒期確保產(chǎn)生足量的“不可爆氣體”煙氣會變得困難，這將是造成轉(zhuǎn)爐開吹“卸爆”的根源。 寶鋼二煉鋼廠吹煉由魚雷罐處理的“全三脫”鐵水時“卸爆”顯著增多的事實已經(jīng)證明了我們的分析和擔(dān)憂。這首先是技術(shù)問題，同時也是實踐問題，需要從理論和實踐兩個方面入手，如果解決不好將會制約整個生產(chǎn)的順行和達產(chǎn)、達效。252、自動化煉鋼 對于京唐雙聯(lián)冶煉工藝，因工藝的特殊性，國內(nèi)及歐洲還未涉足雙聯(lián)工藝冶煉自動控制技術(shù)，日本較多的鋼鐵企業(yè)采用雙聯(lián)冶煉工藝生產(chǎn)模式，在自動化控制方面具有一定水平，但技術(shù)保密，不對外進行技術(shù)輸出，因

13、此無法實現(xiàn)依靠外部量來實現(xiàn)雙聯(lián)冶煉工藝的自動化控制技術(shù)。 因此，京唐需要完全自主開發(fā)“全三脫”自動化煉鋼技術(shù)。263、其它 1）少渣濺渣技術(shù)。由于脫碳爐采用少渣冶煉工藝，渣量只有40Kg/t以下，因此，如何保證濺渣效果，確保爐襯厚度保持在合理范圍是一個難點； 2）熱量問題。由于在轉(zhuǎn)爐工序多一次鐵水倒運，因此，當(dāng)產(chǎn)量不足時，存在熱量不足問題。27四、“全三脫”冶煉工藝生產(chǎn)實踐1、KR脫硫項目脫硫劑消耗(Kg/t)終點S( %)0.005比例脫硫前溫度脫硫后溫度處理溫降周期(min)攪拌頭壽命范圍5.18.400.00898.51307146712831434125938.4283次平均6.070

14、.0021421.41393.727.7表2 京唐公司KR法某月脫硫主要技術(shù)參數(shù)28 京唐公司鐵水100%經(jīng)KR脫硫，為了保證鋼水的純凈度和滿足連鑄工藝要求，KR脫硫后，鐵水中的S含量要求全部0.005，實際0.005的比例達到98.5，平均終點S含量為0.002%以下，深脫硫可達到0.001以下，脫硫劑消耗和綜合指標(biāo)達到國內(nèi)先進水平。同時為生產(chǎn)潔凈鋼創(chuàng)造了有利條件。292、脫磷、脫碳、常規(guī)冶煉基本工藝制度 項目裝入制度造渣制度供氧制度底吹模式脫磷鐵水：288噸廢鋼：36噸石灰：根據(jù)Si含量配加堿度：1.82.2控制氧槍：4孔脫磷專用氧槍供氧強度：1.32.0Nm3/t.min底吹：16支強度

15、：0.20.3 Nm3/t.min脫碳半鋼鐵水：318噸石灰：根據(jù)P含量配加堿度：3.54.5控制氧槍：6孔脫碳專用氧槍供氧強度：3.23.6Nm3/t.min底吹：8支強度：0.080.20 Nm3/t.min常規(guī)鐵水：288噸廢鋼：36噸石灰：根據(jù)Si含量配加堿度：3.23.8控制氧槍：6孔脫碳專用氧槍供氧強度：3.23.6Nm3/t.min底吹：8支強度：0. 080.2 Nm3/t.min表3 脫磷、脫碳、常規(guī)冶煉基本工藝制度303、入爐鐵水情況 項 目C/%Si/%P/%Mn/%T/ 脫磷爐范圍3.85.10.340.500.0820.1010.140.7112751424平均4.7

16、080.4170.0910.2391361脫碳爐范圍3.04.000.130.0080.0450.010.1912871380平均3.5470.0460.0220.0601336常規(guī)范圍4.24.90.330.540.0780.1000.140.7012811449平均4.6870.4270.0860.1911386表4 脫磷爐、脫碳爐、常規(guī)轉(zhuǎn)爐某月入爐鐵水和終點情況314、脫磷爐指標(biāo) 圖3 脫磷爐終點C、溫控制情況 由圖3可知，脫磷爐終點C控制比較穩(wěn)定，基本集中在3.33.6%，脫磷爐終點溫度基本控制在13401380，平均為1348，與工藝要求保持一至。32圖4 終點P控制情況 當(dāng)鐵水Si

17、0.4%時，脫磷爐終點P可比較穩(wěn)定的控制在0.03%的水平，平均P為0.026%，可為后道工序創(chuàng)造較好條件。 當(dāng)鐵水Si0.4%，終點P明顯提高，集中在0.020.045的水平，平均為0.037%，可見，鐵水質(zhì)量對脫磷爐終點控制影響很大。335、脫碳爐指標(biāo) 圖5 脫碳爐終點C、溫控制情況 目前，低碳鋼比例在55%以上，終點C比較低。采用加快鋼包周轉(zhuǎn)速度等措施，轉(zhuǎn)爐終點溫度降低，按照不同鋼種，不同工藝路線，不同要求控制溫度，目前平均為1670。34 圖6 脫碳爐終點P控制情況 脫碳爐終點P在0.0040.009%，平均為0.007%，如有特殊要求，可將P控制在0.004%以下水平，可以滿足各類鋼

18、種的生產(chǎn)。35 五、典型鋼種生產(chǎn) 1、管線鋼 管線鋼工藝路線是：KR脫硫“全三脫”冶煉LF精煉RH精煉連鑄，轉(zhuǎn)爐底吹效果較好，終點C、P 控制理想；過程泡沫渣控制良好，終點N含量較低；采用爐后大渣量渣洗，進站S含量較低。LF爐采用極低硫鋼冶煉模式， Cu、Ni、Mo合金化在轉(zhuǎn)爐內(nèi)完成，Cr合金化在出鋼過程完成，Nb、V在LF完成；夾雜物評級合格滿足管線鋼要求。成品C、S、P、N成分控制良好。36圖7 管線鋼主要成分控制情況372、汽車板 SDC04、SDC06成分控制難點在C和N，目前生產(chǎn)的成分控制滿足高品質(zhì)汽車板的要求。中包熔煉成份C含量最低4ppm，平均22.6ppm，標(biāo)準(zhǔn)差7.2ppm。

19、中包熔煉成份N含量最低10ppm，平均24.3ppm，標(biāo)準(zhǔn)差7.8ppm。 圖8 汽車板C、N控制情況38六、難點問題解決情況1、干法除塵工藝 通過分析蒂森鋼廠提供的轉(zhuǎn)爐煙氣成分曲線圖，發(fā)現(xiàn)在曲線圖上的開吹階段存在一段約1.5分左右的完全燃燒煙氣段，由此得到啟示，控制開吹階段的煙氣完全燃燒并產(chǎn)生一段“不可爆”煙氣是控制“卸爆”的關(guān)鍵。 在分析的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定脫碳轉(zhuǎn)爐開吹操作條件，包括供氧、槍位、煙罩、風(fēng)機速度等，初步找到了能產(chǎn)生約1.5分鐘的“不可爆氣體”煙氣的操作條件，并繪制出了轉(zhuǎn)爐煙氣曲線，通過大量的數(shù)據(jù)分析，形成可行性報告，為下一步的工作提供了理論參考。39 通過不斷的現(xiàn)場總結(jié)，摸索出

20、了脫磷操作、脫碳操作的槍位控制、氧氣流量控制以及罩裙控制的模式，有效避免了脫碳操作開吹時因CO/O2達到臨界點造成的報警提槍。實現(xiàn)了脫磷操作、脫碳操作蒸發(fā)冷卻器進行自動噴水控制的模式，未發(fā)現(xiàn)干法除塵粗輸灰鏈發(fā)生堵塞的現(xiàn)象。目前兩步煉鋼干法除塵使用效果良好。40表5 2010年干法除塵系各月統(tǒng)泄爆次數(shù)月份123456789101112卸爆次數(shù)110100022000 表5表明，在“全三脫”冶煉條件下的干法除塵工藝已達到國際上常規(guī)冶煉采用干法除塵工藝的先進水平。 41圖9 2010各月煤氣含塵量（mg/Nm3）422、自動化煉鋼 京唐公司采用“全三脫”冶煉技術(shù)，同時還有部分爐次采用常規(guī)冶煉，在這種

21、多種工藝混合的情況下，自動化煉鋼的開發(fā)就顯得異常復(fù)雜。通過個方面努力，目前實現(xiàn)了模型指導(dǎo)煉鋼，基本達到半鋼“一鍵式”煉鋼的條件，雙命中率達到85%以上。 由于外方重新開發(fā)半鋼模型報價較高，適應(yīng)條件有限，并且維護較為困難。因此，京唐公司專門成立攻關(guān)組，開發(fā)了具有獨立自主知識產(chǎn)權(quán)的、具有京唐特色的自動化煉鋼控制系統(tǒng)。 自主研發(fā)模型經(jīng)過繼承、創(chuàng)新和融合，逐步是實現(xiàn)的新型工藝下的模型需求，取得良好的創(chuàng)新效果。43 1）模型繼承 以原有冶煉模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)常規(guī)冶煉過程控制，以調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為主要任務(wù)，做好兩步法模型準(zhǔn)備。以當(dāng)前副槍檢測系統(tǒng)、基礎(chǔ)自動化及設(shè)備為基礎(chǔ)，實現(xiàn)300噸轉(zhuǎn)爐常規(guī)冶煉自動化控制生產(chǎn)，并

22、根據(jù)工藝、設(shè)備、原材料完善系統(tǒng)，增強系統(tǒng)對外部條件的應(yīng)付能力。如：鐵水溫度、成分大幅度波動工藝狀況。 2）模型創(chuàng)新 以常規(guī)模型為基礎(chǔ)，在常規(guī)模型調(diào)試過程中，同時調(diào)試半鋼冶煉動態(tài)模型，單獨設(shè)置動態(tài)參數(shù)組。半鋼模型將以半鋼作為主原料，取消普通44 模型主原料計算模型，靜態(tài)模型以渣模型、熱平衡模型、氧平衡模型為主。渣模型以渣量及脫磷任務(wù)為計算依據(jù)進行計算。計算效果由生產(chǎn)工藝評價，并根據(jù)冶煉工藝要求調(diào)整。冶金模型同冶煉經(jīng)驗相結(jié)合方式，熱平衡、氧平衡采用模型計算，渣平衡以經(jīng)驗總結(jié)為主。 3）模型融合 經(jīng)過集成脫磷、脫碳、常規(guī)冶煉模型，實現(xiàn)系統(tǒng)對多種冶煉工藝的支持。根據(jù)京唐工藝特點及需求，優(yōu)化系統(tǒng)功能，完善模型對各種特殊工藝的處理過程、對品種鋼冶煉有針對性的控制過程。454）模型的應(yīng)用效果 首先在3#C實現(xiàn)了自主研發(fā)模型的在線預(yù)報，并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以看出，自主研發(fā)的模型更具有優(yōu)勢。 圖10 自動化煉鋼模型界面463、少渣濺渣與熱量問題的解決 通過改進砌筑方法、加強濺渣護爐，同時改進補爐料，目前脫碳爐爐齡可達到5500爐左右，預(yù)計2