薛 志，郭偉達(dá)，李強(qiáng)篤，高志濱
（萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司 煉鋼廠，山東 萊蕪 271104）
摘 要：從氧槍噴頭參數(shù)設(shè)計(jì)、底吹供氣系統(tǒng)優(yōu)化、鋼包加蓋、納米包襯、動(dòng)態(tài)脫氧、分段式自動(dòng)控制模型等方面介紹了新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用對(duì)轉(zhuǎn)爐冶煉帶來的效率、成本等方面的影響，通過優(yōu)化頂?shù)讖?fù)吹效果、鋼包系統(tǒng)升級(jí)改造、開發(fā)動(dòng)態(tài)脫氧方案、分段式自動(dòng)控制模型等措施實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐高效低成本冶煉，使萊鋼轉(zhuǎn)爐工序成本達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。
關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐；氧槍噴頭；鋼包；成本
1 前 言
高效、低成本、智能化代表著現(xiàn)代轉(zhuǎn)爐煉鋼的發(fā)展方向。轉(zhuǎn)爐冶煉效率不斷提高，生產(chǎn)周期逐漸縮短，成本控制、能源消耗等逐步降低，智能化程度逐年提高。隨著一鍵式煉鋼、自動(dòng)出鋼等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)以及機(jī)械手臂、智能機(jī)器人的應(yīng)用，現(xiàn)代化煉鋼正步入快速發(fā)展通道。
萊鋼銀山型鋼煉鋼廠有 3 座 120 t 轉(zhuǎn)爐與 1 座150 t脫磷爐，主要冶煉各類中高碳鋼、高強(qiáng)鋼、H型鋼、船板鋼、耐磨鋼以及其他各種高規(guī)格品種鋼。在轉(zhuǎn)爐工序智能化程度逐年提高的同時(shí)，仍存在冶煉周期長(zhǎng)、出鋼溫度高、脫氧劑使用不規(guī)范、生產(chǎn)成本高等現(xiàn)象，造成轉(zhuǎn)爐工序成本控制差。因此，需要采取一定的措施降低轉(zhuǎn)爐消耗，提高生產(chǎn)效率，控制生產(chǎn)成本。針對(duì)這一狀況，萊鋼銀山型鋼煉鋼廠在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，深入研究智能控制系統(tǒng)、低溫出鋼關(guān)鍵技術(shù)以及頂?shù)讖?fù)吹效果優(yōu)化技術(shù)，確定了轉(zhuǎn)爐工序的優(yōu)化方案。
2 關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)
2.1 頂?shù)讖?fù)吹效果優(yōu)化
頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐在冶煉中能夠取得更好的冶煉效果，具有過程操作平穩(wěn)、噴濺返干少、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)。如何優(yōu)化氧槍及底吹系統(tǒng)，促使頂?shù)讖?fù)吹效果最大化，是冶煉效果好壞的關(guān)鍵。
2.1.1 氧槍噴頭選擇
根據(jù)激光測(cè)厚儀測(cè)量結(jié)果，測(cè)算整個(gè)爐役爐容比變化規(guī)律，結(jié)合實(shí)際操作情況，設(shè)計(jì)多種參數(shù)的氧槍噴頭，在整個(gè)爐役不同階段選擇不同參數(shù)氧槍噴頭，達(dá)到穩(wěn)定操作、降低消耗的目的。根據(jù)激光測(cè)厚結(jié)果計(jì)算爐容比變化規(guī)律如圖1所示。
2.1.2 底吹系統(tǒng)優(yōu)化
對(duì)于1座轉(zhuǎn)爐來說，底吹噴嘴數(shù)量及其布置方式的選擇決定著轉(zhuǎn)爐是否取得最好的熔池?cái)嚢栊Ч妥疃痰娜鄢鼗靹驎r(shí)間。關(guān)于底吹噴嘴在轉(zhuǎn)爐的布置主要有2種方式：一是對(duì)稱底吹噴嘴布置方式，即所有的底吹噴嘴均布置在 1 個(gè)對(duì)稱軸上；二是非對(duì)稱底吹噴嘴布置方式，即所有的底吹噴嘴沒有1個(gè)對(duì)稱軸。一些研究表明，在1個(gè)給定的轉(zhuǎn)爐爐型中，如果采用非對(duì)稱的底吹噴嘴布置方式，并且選用合適的底吹噴嘴數(shù)量，可明顯縮短熔池混勻時(shí)間［1］。
萊鋼銀山型鋼有限公司煉鋼廠 4# 脫磷爐原底吹模式為8噴嘴對(duì)稱底吹布置方式，通過自主開發(fā)大流量強(qiáng)對(duì)流供氣模型，在原有 8 個(gè)底吹槍基礎(chǔ)上，去掉出鋼側(cè) 2 個(gè)底吹，提高其它 6 支槍供氣流量，實(shí)現(xiàn)吹煉過程大流量強(qiáng)對(duì)流供氣模式，并在全國(guó)首次應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐實(shí)際生產(chǎn)。對(duì)優(yōu)化底吹模式前后 6 個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，通過分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的底吹模式對(duì)降低轉(zhuǎn)爐渣料消耗、提高脫碳效率、縮短冶煉周期等都有明顯的提高。底吹布置優(yōu)化見圖2，優(yōu)化前后對(duì)比情況見表1、表2。
2.2 鋼包系統(tǒng)升級(jí)改造
轉(zhuǎn)爐降低出鋼溫度，若要保證精煉爐進(jìn)站溫度合適，在其他環(huán)節(jié)不變的情況下，必須降低過程溫度。
2.2.1 鋼包加蓋技術(shù)
鋼包內(nèi)鋼液溫度的降低（即熱損失）大致有從鋼液表面散熱、通過內(nèi)襯從外殼散熱和因內(nèi)襯蓄熱而產(chǎn)生的熱損失 3 個(gè)方面。根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算，它們?cè)跓釗p失中所占的比例分別為：鋼渣面散熱29%～32%，外殼散熱 24%～29%，內(nèi)襯蓄熱 47%～40% 。由此看出，鋼包加蓋后若不考慮鋼渣面向大氣中散熱，則這部分熱量中的一部分首先要被包蓋吸收，一直到包蓋與鋼液面上部的空間達(dá)到熱平衡，才能起到保溫作用。達(dá)到熱平衡的時(shí)間越短，保溫效果越好。鋼包通過其頂部開口向空氣中的輻射散熱速度是非?？斓?。研究表明，1個(gè)120 t鋼包空包開始后，第1個(gè)20 min內(nèi)由包襯向空氣輻射的熱損失將導(dǎo)致下一爐出爐鋼水冷卻15 ℃，而這種熱損失的40％發(fā)生在空包開始后的第1個(gè)5 min內(nèi)。為了彌補(bǔ)溫降損失，銀山型鋼煉鋼廠在3座120 t轉(zhuǎn)爐，1座150 t脫磷爐出鋼位置增加在線鋼包烘烤裝置，以提高從轉(zhuǎn)爐進(jìn)精煉爐的出鋼下限溫度。同時(shí)在精煉冶煉完成后在鋼水表面覆蓋一層覆蓋劑以達(dá)到保溫作用。由于鋼水溫度的降低，不僅縮短了爐襯壽命，提高了鋼鐵料和耐材、煤氣消耗，而且對(duì)精煉電耗消耗巨大，同時(shí)也對(duì)連鑄澆鑄質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。鋼包加蓋示意圖如圖3所示。
2.2.2 納米材料包襯應(yīng)用
納米氧化鋁微孔絕熱板是利用納米技術(shù)開發(fā)的一種節(jié)能環(huán)保型超級(jí)絕熱材料，具有優(yōu)良的絕熱性能，并且質(zhì)輕環(huán)保、耐高溫，節(jié)能降耗效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)絕熱材料。鋼包包襯采用納米氧化鋁微孔絕熱板，在1 000 ℃工況時(shí)，具備最低的導(dǎo)熱性能。通過鋼包測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用納米氧化鋁微孔絕熱板包襯鋼包表面溫度較低，過程熱量損失較小，能夠有效的降低過程溫降。采用納米氧化鋁微孔絕熱板包襯鋼包與正常包襯鋼包測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)比較見表3。
2.3 動(dòng)態(tài)脫氧工藝開發(fā)應(yīng)用
2.3.1 Al的脫氧能力
在煉鋼生產(chǎn)中，最常用的脫氧元素是 C、Mn、 Si、Al等。Al是一種極強(qiáng)的脫氧元素，常用作終脫氧劑。若單獨(dú)使用Al進(jìn)行脫氧，當(dāng)W［Al］＜1×10-4 時(shí)，脫氧產(chǎn)物為液態(tài)的FeO·Al2O3；反之，脫氧產(chǎn)物 為固態(tài)的Al2O3，很容易上浮［2］。相同條件下，各元素脫氧能力如圖4所示。
2.3.2 動(dòng)態(tài)脫氧公式推導(dǎo)
目前，銀山型鋼煉鋼廠冶煉SPHC等低碳鋼種時(shí)采用Al脫氧，使用脫氧劑為鋁錳鐵，其主要成分見表4。
通過使用副槍 TSO 探頭測(cè)量出鋼前鋼水氧含量，對(duì)轉(zhuǎn)爐鋁錳鐵加入量與終點(diǎn)氧含量進(jìn)行對(duì)比，通過多爐次試驗(yàn)總結(jié)分析，形成散點(diǎn)圖見圖5。
根據(jù)終點(diǎn)氧含量與鋁錳鐵加入量關(guān)系，推導(dǎo)鋼種脫氧劑加入公式如下：
Y=（0.136 9X+310.53）×55%/WAl。 （1）
其中：Y為鋁錳鐵加入量；X為終點(diǎn)氧含量；WAl為鋁錳鐵Al含量。
把公式（1）推廣到其他鋼種中，假設(shè)其他合金加入量一定的前提下，含鋁脫氧劑加入量公式如下：
Y=（aX+b）×C。 （2）
其中：Y為含鋁脫氧劑加入量；X為終點(diǎn)氧含量；a為鋼種系數(shù)；b為鋼種常數(shù)；C為脫氧劑系數(shù)，C=測(cè)算脫氧劑Al含量/實(shí)際脫氧劑Al含量。
注：公式僅適用于測(cè)算轉(zhuǎn)爐且公式與含 Al 脫氧劑成分及生產(chǎn)情況密切相關(guān)。
2.3.3 脫氧劑自動(dòng)控制程序開發(fā)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，制作動(dòng)態(tài)脫氧自動(dòng)控制程序與轉(zhuǎn)爐副槍二級(jí)連接，副槍TSO測(cè)量完畢后，采集終點(diǎn)氧含量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果反饋給一級(jí)進(jìn)行合金稱量，出鋼時(shí)自動(dòng)加入。
2.4 全程無干預(yù)智能煉鋼系統(tǒng)開發(fā)
2.4.1 分段式自動(dòng)控制模型的建立
轉(zhuǎn)爐渣可以分為初渣、脫磷渣與固磷渣3種爐渣。初渣化渣能力較強(qiáng)，在冶煉初期1～3 min以內(nèi)形成，由鐵酸鈣、硅酸鐵、RO相等渣相組成。初渣中的 SiO2與石灰塊外圍的 CaO 晶?；蛘邉倓偮淙氤踉械腃aO起反應(yīng)，生成固態(tài)化合物CaO·SiO2、3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等，這些固態(tài)化合物的熔點(diǎn)分別為1 500、1 480、2 130 ℃?？梢钥闯觯挥凶畲罂赡艿匦纬傻腿埸c(diǎn)的3CaO·SiO2，冶煉初期才能在較低的溫度下，形成的爐渣流動(dòng)性才更好；脫磷渣根據(jù)終點(diǎn)氧含量與鋁錳鐵加入量關(guān)系，推導(dǎo)鋼種脫氧劑加入公式如下：
Y=（0.136 9X+310.53）×55%/WAl。 （1）
其中：Y為鋁錳鐵加入量；X為終點(diǎn)氧含量；WAl為鋁錳鐵Al含量。
把公式（1）推廣到其他鋼種中，假設(shè)其他合金加 入量一定的前提下，含鋁脫氧劑加入量公式如下：
Y=（aX+b）×C 。（2）
其中：Y為含鋁脫氧劑加入量；X為終點(diǎn)氧含量；a為 鋼種系數(shù)；b為鋼種常數(shù)；C為脫氧劑系數(shù)，C=測(cè)算脫氧劑Al含量/實(shí)際脫氧劑Al含量。
注：公式僅適用于測(cè)算轉(zhuǎn)爐且公式與含 Al 脫氧劑成分及生產(chǎn)情況密切相關(guān)。
2.3.3 脫氧劑自動(dòng)控制程序開發(fā)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，制作動(dòng)態(tài)脫氧自動(dòng)控制程序與轉(zhuǎn)爐副槍二級(jí)連接，副槍TSO測(cè)量完畢后，采集終點(diǎn)氧含量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果反饋給一級(jí)進(jìn)行合金稱量，出鋼時(shí)自動(dòng)加入。
2.4 全程無干預(yù)智能煉鋼系統(tǒng)開發(fā)
2.4.1 分段式自動(dòng)控制模型的建立
轉(zhuǎn)爐渣可以分為初渣、脫磷渣與固磷渣3種爐渣。初渣化渣能力較強(qiáng)，在冶煉初期1～3 min以內(nèi)形成，由鐵酸鈣、硅酸鐵、RO相等渣相組成。初渣中的 SiO2與石灰塊外圍的 CaO 晶?；蛘邉倓偮淙氤踉械腃aO起反應(yīng)，生成固態(tài)化合物CaO·SiO2、3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等，這些固態(tài)化合物的熔點(diǎn)分別為1 500、1 480、2 130 ℃?？梢钥闯觯挥凶畲罂赡艿匦纬傻腿埸c(diǎn)的3CaO·SiO2，冶煉初期才能在較低的溫度下，形成的爐渣流動(dòng)性才更好；脫磷渣主要作用是脫P(yáng)，其特點(diǎn)是爐渣氧化性強(qiáng)，堿度高，脫磷效率高；固磷渣的主要組成是3CaO·SiO2相以及少量2CaO·SiO2、CaO·SiO2相，該渣相的特點(diǎn)是溶解在其中的P含量非常高，渣中FeO含量較低使得鋼渣具有較高的P分配比，該爐渣主要存在于冶煉末期、收渣時(shí)。
因此要有效脫除鋼水中的P元素，不僅需要高堿度、高FeO的爐渣，還需要促進(jìn)終渣中3CaO·SiO2的生成。通過以上爐渣物相的分析，控制終渣較低FeO、合適的爐渣堿度以及降低終點(diǎn)鋼水溫度，都可以促進(jìn)終渣中固磷的3CaO·SiO2有效生成。
根據(jù)以上P元素平衡機(jī)理分析，結(jié)合新區(qū)轉(zhuǎn)爐操作實(shí)際，按以下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，分5個(gè)階段控制：
初渣期 1～3 min；脫磷期3～7 min；返干期7～11 min；固磷期：11～14 min；收渣期14 min～終點(diǎn)。
各個(gè)時(shí)期反應(yīng)特點(diǎn)如下。
初渣期：以保證快速成渣為主，前期堿度控制在1.0～2.0，采用低槍位、大氧壓模式，強(qiáng)化攪拌，快速升溫。
脫磷期：保證溫度在 1 350～1 450 ℃，氧化鐵含量在20%左右，適當(dāng)延長(zhǎng)脫磷期的時(shí)間，同時(shí)控制前期噴濺。所以，此階段要在4 min左右降壓，冷料要均勻配加到位。
返干期：控制碳氧反應(yīng)速度，增加冷料攝入頻率和攝入量，緩解強(qiáng)烈的碳氧反應(yīng)，增加渣中氧化
鐵含量，控制中期返干。
固磷期：進(jìn)一步強(qiáng)化返干期渣子的融化，以適當(dāng)軟吹為主，達(dá)到黃金3 min的目的，進(jìn)一步強(qiáng)化脫P(yáng)。在冶煉10～11 min時(shí)，均勻加入2批冷料，控制在500～600 kg，目的是緩解返干，控制此階段溫度均勻上升，防止回P；在測(cè)溫定碳之前1 min之內(nèi)保證300 kg冷料，目的是強(qiáng)化脫P(yáng)。從實(shí)踐看，此階段脫P(yáng)率60%左右，具有很好的效果。
收渣期：通過壓槍、提高氧壓，達(dá)到降低渣中FeO含量，使得鋼渣具有較高的P分配比。在測(cè)溫定碳之后壓槍時(shí)間延長(zhǎng)10 s左右，目的是進(jìn)一步還原渣中氧化鐵，起到固磷作用。
實(shí)施“4個(gè)2”控制方式：前期堿度1.2～2.0；控制前期氧化鐵20%左右；終點(diǎn)氧化鐵控制在12%以內(nèi)。
2.4.2 冶煉模式的智能選擇
通過研究模式的選擇條件，在副槍二級(jí)中增設(shè)模式智能選擇模塊，將模式根據(jù)不同的鐵水條件進(jìn)行分配，當(dāng)原料條件傳入二級(jí)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)鐵水硅、鐵水溫度的情況，對(duì)二級(jí)服務(wù)器中的模型進(jìn)行甄選識(shí)別，選擇能夠適用于當(dāng)前原料條件的最優(yōu)模型。模式的智能選擇原理如圖6所示。
3 效 果
1）自主設(shè)計(jì)的多種氧槍噴頭參數(shù)，根據(jù)爐容比變化進(jìn)行選取，并在全國(guó)首次開發(fā)使用大流量強(qiáng)對(duì)流底吹供氣系統(tǒng)，底吹供氣強(qiáng)度提高，對(duì)熔池的攪拌能力增強(qiáng)，充分發(fā)揮了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的冶金優(yōu)勢(shì)，取得了良好的冶金效果。
2）通過對(duì)鋼包等關(guān)鍵設(shè)備升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐出鋼溫度的大幅降低，平均降低約20 ℃，鋼水質(zhì)量得到有效提升，消耗明顯降低。
3）通過自動(dòng)控制程序，轉(zhuǎn)爐脫氧劑實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整、自動(dòng)加入，脫氧劑效果得到明顯改善，脫氧不足造成的精煉進(jìn)站氧含量高以及過分脫氧造成的脫氧劑浪費(fèi)現(xiàn)象均明顯減少，鋼水質(zhì)量提升的同時(shí)脫氧劑用量明顯降低。
4）根據(jù)P元素平衡機(jī)理分析，結(jié)合新區(qū)轉(zhuǎn)爐操作實(shí)際，按照初渣期、脫磷期、返干期、固磷期、收渣期 5 個(gè)階段節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)過程穩(wěn)定控制、快速去P的目的。
4 結(jié) 論
4.1 根據(jù)爐容比合理選擇氧槍噴頭參數(shù)能夠穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐過程操作，降低噴濺、返干現(xiàn)象；大流量強(qiáng)對(duì)流底吹供氣系統(tǒng)，能夠提高對(duì)熔池的攪拌能力，提高化渣效果。
4.2 根據(jù)鋼種推導(dǎo)脫氧劑加入公式，能夠明顯的提高脫氧效果和鋼水質(zhì)量，降低脫氧劑消耗。
4.3 分段式自動(dòng)控制模型能夠提高轉(zhuǎn)爐去磷效率，過程自動(dòng)控制穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：
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