新三洲特鋼煉鋼廠降成本實(shí)踐

(江蘇省無錫市新三洲特鋼 康建光）

        我國(guó)是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，2021年，全國(guó)鋼產(chǎn)量10.3億噸，超過世界鋼產(chǎn)量的50%。鋼鐵行業(yè)工藝流程長(zhǎng)、產(chǎn)污環(huán)節(jié)污染物排放量大,其中二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放總量在工業(yè)行業(yè)中均居前三位，推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放是推動(dòng)行業(yè)綠色發(fā)展的必經(jīng)之路。同時(shí)鋼鐵行業(yè)是我國(guó)重要的CO2排放源.作為典型的資源能源密集型產(chǎn)業(yè),鋼鐵行業(yè)加快低碳轉(zhuǎn)型、盡早實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰并有效降碳,既是行業(yè)自身高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在需要,也是支撐落實(shí)國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的客觀要求。

        在裝備、資金不占優(yōu)勢(shì)的情況下，如何在這次綠色革命的進(jìn)程中搶占先機(jī)，技術(shù)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的綠色健康發(fā)展，是絕大部分中小型鋼鐵企業(yè)面臨的嚴(yán)峻課題。

        無錫新三洲特鋼作為城市鋼廠，在限制污染物排放、保護(hù)周邊環(huán)境方面面臨更大的挑戰(zhàn)。自2018年開始，新三洲特鋼充分利用北京科技大學(xué)包燕平教授研發(fā)平臺(tái)，在產(chǎn)能嚴(yán)格控制的情況下，以高效、低耗、低排為目標(biāo)，通過一系列技術(shù)優(yōu)化和改革，開發(fā)了“高效、低耗、低成本煉鋼新工藝”，提高了冶煉效率、降低了噸鋼鐵耗、減少了污染物排放，煉鋼成本降低至同行業(yè)內(nèi)的最低水平，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)的綠色健康良性發(fā)展。

1.基于少渣冶煉的快速脫磷技術(shù)

        目前，轉(zhuǎn)爐煉鋼方式是我國(guó)鋼鐵企業(yè)的主要煉鋼流程。國(guó)內(nèi)的鋼鐵企業(yè)，每生產(chǎn)1t鋼水需要消耗35～50kg石灰，8～30kg鎂球或輕燒自云石，并且會(huì)產(chǎn)生70～120kg轉(zhuǎn)爐鋼渣。由于轉(zhuǎn)爐鋼渣經(jīng)濟(jì)價(jià)值低，數(shù)量龐大，綜合利用率低，因此大量鋼渣無法得到有效利用，儲(chǔ)存未利用的鋼渣浪費(fèi)了大量土地資源，并對(duì)渣場(chǎng)周邊的土壤、水源造成了一定程度的污染。因此降低造渣材料的消耗、實(shí)現(xiàn)少渣高效冶煉己成為轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的重要發(fā)展方向，對(duì)鋼鐵行業(yè)節(jié)約能源、降低污染物排放等具有重要意義。

        無錫新三洲特鋼在少渣冶煉方面的技術(shù)突破集中在三個(gè)方面，一方面通過適當(dāng)提高轉(zhuǎn)爐廢鋼比，減少熔池中磷元素的整體數(shù)量，為降低鋼渣堿度提供了有利條件，通過鋼渣堿度控制，減少渣量。廢鋼比由15%提高到35%，熔池中磷元素的整體數(shù)量下降23.5%，鋼渣堿度能夠降低15%。其次，在造渣過程中通過配加多元少渣劑并配合規(guī)定時(shí)間內(nèi)的小批量多批次造渣操作，在吹煉3～4min內(nèi)將熔劑全部加入，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐冶煉前期的快速成渣，充分利用冶煉前期熔池低溫的脫磷條件，達(dá)到快脫磷、早脫磷的目的，其中前期脫磷溫度控制在1400~1450℃，在冶煉前期控制熔池溫度穩(wěn)定緩慢上升，并保證前期快速成渣，在轉(zhuǎn)爐冶煉前期脫除熔池中大部分的磷元素。最后，在冶煉過程中采用“全程化渣”操作，采用低—高—低—高—低的變壓變槍供氧工藝的控制，在冶煉中后期有效避免回磷問題，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐少渣冶煉。其中石灰消耗降低至16-18kg/t，鎂球消耗降低至6kg/t，總渣量減少至55-60kg/t。

2.基于少渣冶煉的低鐵耗操作工藝

        降低轉(zhuǎn)爐噸鋼鐵耗的主要手段包括增加廢鋼比，避免噴濺損失、減少鋼渣鐵珠量，降低鋼渣(FeO)含量。在優(yōu)化了脫磷造渣工藝后實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐的少渣冶煉，降低了渣量以及渣中鐵珠量。但是由于高廢鋼比條件下會(huì)出現(xiàn)鋼水終點(diǎn)溫度不能保證的情況，如果通過后吹提高鋼水溫度，會(huì)造成渣中(FeO)含量過高，并且導(dǎo)致鋼水過氧化嚴(yán)重、鋼中夾雜物升高、合金收得率下降合金成本升高、爐況惡化。

        為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉，避免后吹導(dǎo)致的生產(chǎn)、質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的低鐵耗操作，新三洲特鋼建立了全過程熱量控制的系統(tǒng)思維，將熱量高效利用貫穿于整個(gè)“低鐵耗冶煉”操作中。首先，在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中冶煉造渣僅局限于脫磷，通過北科大的研究并經(jīng)新三洲現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，針對(duì)螺紋鋼等P≤0.045%要求的鋼種，在轉(zhuǎn)爐高廢鋼比冶煉的條件下鋼渣堿度控制在1.8-2.2之間，可以滿足脫磷的需要。最關(guān)鍵的是煉鋼石灰的利用率必須達(dá)到90%以上，轉(zhuǎn)爐前期造渣料熔化充足。根據(jù)鐵水Si成分的變化，石灰加入量能夠穩(wěn)定控制在16-18kg/t。通過少渣冶煉能夠大大減少造渣料熔化吸收的熱量以及鋼渣熱量，多余熱量可以根據(jù)轉(zhuǎn)爐熱平衡，充分利用下部廢鋼斗和高位廢鋼料倉組合的廢鋼加入方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，即使用鋼鐵料代替?zhèn)鹘y(tǒng)冶煉模式下冶煉過程使用冷卻劑進(jìn)行熱量平衡的操作，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐溫度的穩(wěn)定控制，達(dá)到降低鐵耗的目的。其次，摒棄傳統(tǒng)的造渣一批、二批操作模式，要求在C-O反應(yīng)達(dá)到中期之前按照多批次、小批量的原則（石灰每批料≤120Kg、鎂球每批料≤150Kg）加完所有渣料（石灰及鎂球），減少冶煉中期化渣的壓力，縮短化渣時(shí)間、減少冶煉周期，高溫鋼水在爐內(nèi)停留時(shí)間縮短，鋼水輻射等熱損失大大降低，由此節(jié)省的熱量可以利用廢鋼進(jìn)行平衡，進(jìn)一步降低了鐵耗。最后，通過轉(zhuǎn)爐熱平衡的準(zhǔn)確計(jì)算，保證鋼水溫度合格率達(dá)到了95%以上，有效避免了后吹導(dǎo)致的鋼鐵料損失，同時(shí)降低了鋼渣氧化鐵含量以及鋼水氧含量，減少了合金燒損，出鋼過程熱量損失減少，出鋼溫度降低能夠進(jìn)一步提高廢鋼比，降低噸鋼鐵耗。根據(jù)新三洲煉鋼廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年轉(zhuǎn)爐鋼鐵料消耗1051Kg/t（其中鐵耗743Kg/t）、渣中（FeO）穩(wěn)定控制在25%以下。渣料和鋼鐵料成本與同行業(yè)相比分別降低15元/噸和31元/噸。

3.基于連鑄高拉速的低溫控制技術(shù)

        溫度是煉鋼的生命線，所有溫度控制的目標(biāo)是確保連鑄工序生產(chǎn)穩(wěn)定順行。理論的轉(zhuǎn)爐出鋼溫度=鋼種液相線溫度+過熱度+各過程溫度損失。在工藝確定的情況下，“過程溫度損失”能夠通過以下措施進(jìn)行調(diào)整：最大化的鋼包周轉(zhuǎn)率保證紅包出鋼、周轉(zhuǎn)鋼包全程加蓋保溫、轉(zhuǎn)爐合金烘烤、智能底吹氣控制等，通過這些措施能夠相對(duì)比較容易地減少鋼水周轉(zhuǎn)過程中的熱量損失。然而，如何降低連鑄過程中對(duì)鋼水過熱度的要求是十分困難的，受限于生產(chǎn)場(chǎng)地和資金投入，中間包離子加熱等方式對(duì)于中小型鋼鐵企業(yè)是難以實(shí)現(xiàn)的。因此，新三洲特鋼開發(fā)了以及連鑄高拉速的低溫控制技術(shù)，通過大幅提高連鑄拉速，降低中間包鋼水過熱度的要求。通過對(duì)連鑄機(jī)二冷噴淋架、導(dǎo)向輥、拉矯電機(jī)、火切機(jī)等設(shè)備的改造，結(jié)合結(jié)晶器銅管、二冷配水曲線及水嘴選型等工藝的優(yōu)化，新三洲特鋼裝備的弧形半徑8m的5機(jī)5流150方連鑄機(jī)拉速可以穩(wěn)定控制在5.0-5.5m/min，單流拉速突破6.0m/min，即單包澆注時(shí)間控制在14min以內(nèi)，澆注過程鋼水過熱度控制在10-13℃，同時(shí)通過嚴(yán)格的調(diào)度組織（鋼包周轉(zhuǎn)和生產(chǎn)時(shí)序控制），轉(zhuǎn)爐出鋼溫度最低實(shí)現(xiàn)1585℃，正常情況下控制在1610℃，較一般建筑鋼筋生產(chǎn)企業(yè)的出鋼溫度降低40℃以上，使得轉(zhuǎn)爐及中間包耐材、合金輔料、鋼鐵料成本得到大幅度降低。

4.低鐵耗操作模式下供氧及濺渣制度優(yōu)化穩(wěn)定爐況

        保證轉(zhuǎn)爐低鐵耗生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須保證兩個(gè)重點(diǎn)，一是避免冶煉終點(diǎn)鋼水過氧化，二是鋼水溫度滿足連鑄機(jī)正常生產(chǎn)的要求。因此，在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，必須達(dá)到2個(gè)方面的控制要求，其一是確保在正常的供氧時(shí)間內(nèi)廢鋼完全熔化，廢鋼熔化會(huì)經(jīng)歷碳傳質(zhì)過程控制的溶解熔化和傳熱過程控制的熔化兩個(gè)過程，尤其在前期溫度較低時(shí)，廢鋼熔化受制于碳元素的傳質(zhì)過程，若要加快廢鋼的熔化速度，必須促進(jìn)碳元素的傳質(zhì)過程，增加鋼水的攪拌強(qiáng)度。新三洲特鋼為了實(shí)現(xiàn)廢鋼的快速熔化，對(duì)氧槍槍頭進(jìn)行了特殊的設(shè)計(jì)，通過調(diào)整喉口尺寸和傾角，保證氧氣射流具備足夠的沖擊深度，同時(shí)也滿足了化渣的需要。在采用新型氧槍的基礎(chǔ)上，采用低—高—低—高—低的變壓變槍供氧制度，避免了高供氧強(qiáng)度情況下的噴濺問題。其二是確保全程化渣，多批量小批次的快速加料模型配合吹煉過程槍位調(diào)整實(shí)現(xiàn)了前期早成渣、過程不返干的造渣模式，有效控制了冶煉中期返干造成大幅溫度損失的問題。針對(duì)鐵水Si低情況下開發(fā)了保碳劑，在低硅條件下保證了造渣料的充分、快速熔化，保證了前期造成渣、快成渣的要求。

        部分鋼鐵企業(yè)實(shí)行低鐵耗生產(chǎn)工藝后，由于終點(diǎn)控制不穩(wěn)定（如廢鋼不能完全熔化、溫度不夠進(jìn)行嚴(yán)重后吹、后期返干磷高進(jìn)行加石灰吊槍處理等），影響了一次命中率，后吹頻率增加，導(dǎo)致鋼渣氧化鐵含量過高，濺渣護(hù)爐效果減弱，爐況嚴(yán)重惡化，部分企業(yè)轉(zhuǎn)爐爐齡由正常的20000爐降低至10000爐以下。新三洲特鋼經(jīng)過近2年的實(shí)踐探究，確定了不同冶煉階段不同爐渣作用的控制模式（如前期高磷容量脫磷渣、中期適當(dāng)高FeO泡沫渣、濺渣護(hù)爐高M(jìn)gO低FeO爐渣），成功開發(fā)了用于鐵水Si低情況下快速成渣的非CaF、NaO系的保碳劑和針對(duì)嚴(yán)重后吹情況下的爐內(nèi)噴粉集成技術(shù)，使得低鐵耗操作導(dǎo)致終點(diǎn)控制不穩(wěn)定（FeO高、MgO低、爐渣稀）從而使?fàn)t況惡化的問題得到了有效解決。經(jīng)過實(shí)踐，新三洲煉鋼廠于2021年10月7日和11月15日進(jìn)行爐役檢修的2座轉(zhuǎn)爐爐齡分別達(dá)到了19562爐和19451爐，爐役期間鐵耗分別達(dá)到743Kg/t和745Kg/t。

5.硅碳合金替代硅鐵的合金優(yōu)化工藝

        轉(zhuǎn)爐低鐵耗生產(chǎn)工藝模式的運(yùn)行難點(diǎn)是冶煉終點(diǎn)鋼水溫度的穩(wěn)定控制，如果鋼水溫度過低，無法滿足連鑄機(jī)生產(chǎn)要求而進(jìn)行后吹，就會(huì)導(dǎo)致鋼水過氧化嚴(yán)重，后續(xù)出鋼合金化過程增碳劑及合金的收得率產(chǎn)生較大波動(dòng)。進(jìn)而造成出鋼后氬站鋼水必須進(jìn)行大幅度的成分調(diào)整，在沒有精煉爐進(jìn)行節(jié)奏和溫度調(diào)節(jié)的情況下，轉(zhuǎn)爐--連鑄正常的生產(chǎn)節(jié)奏被打亂。由此造成的不良后果是在氬站補(bǔ)加增碳劑或合金后由于需要保證連鑄機(jī)的上鋼時(shí)間，被迫縮短鋼包在氬站的底吹攪拌時(shí)間，造成鋼水成分的不均勻，對(duì)最終的產(chǎn)品質(zhì)量造成不利影響。為了保證出鋼過程中鋼水成分的穩(wěn)定控制，減少合金的損耗。新三洲特鋼在傳統(tǒng)的增碳劑+硅鐵合金+硅錳合金的基礎(chǔ)上，使用5-7mm的硅碳合金（成分和粒度有別于普通SiC）代替硅鐵合金，與MnSi合金一起進(jìn)行轉(zhuǎn)爐出鋼合金化。硅碳合金能夠?qū)︿撍M(jìn)行一定的預(yù)脫氧處理，降低鋼水氧化量，進(jìn)而減少了后續(xù)加入的增碳劑和硅錳合金的燒損，穩(wěn)定了增碳劑和合金的收得率，同時(shí)能夠起到一定的增碳和增硅作用?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，連鑄坯Si成分要求0.4-0.5%時(shí)出鋼過程加入4.5Kg/t的硅碳合金，既實(shí)現(xiàn)了鋼水的預(yù)脫氧又可以完全替代FeSi合金進(jìn)行硅含量調(diào)整，合金成本能夠降低4元/噸。

6.Ti替代N-V進(jìn)行HRB400E建筑鋼筋微合金化技術(shù)

        鈮對(duì)鋼的強(qiáng)化作用主要是細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化。鈮作為微合金化元素加入鋼中并不改變鐵的結(jié)構(gòu)，而是與鋼中的碳、氮結(jié)合形成穩(wěn)定的碳化物和碳氮化物，改變鋼的顯微結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過誘導(dǎo)析出和控制冷卻速度實(shí)現(xiàn)碳化物和碳氮化物的彌散分布，從而生產(chǎn)具有細(xì)晶化的鋼。

        但是鋼中添加Nb后會(huì)產(chǎn)生以下方面的不利影響：一是高拉速情況下（V:5.0-5.5m/min）鋼水在凝固過程中的高溫脆性區(qū)間在連鑄坯表面易產(chǎn)生橫裂紋；二是所生成的碳氮化物的不穩(wěn)定性導(dǎo)致鋼筋沒有屈服平臺(tái)；三是保證鋼材達(dá)到一定屈服強(qiáng)度使用的Nb合金的成本，相對(duì)于使用Ti合金要高。使用N-V合金可以有效解決上述問題，但是合金成本相對(duì)較高。

        新三洲煉鋼廠在北京科技大學(xué)包燕平教授團(tuán)隊(duì)的指導(dǎo)下，在連鑄坯中添加微量的Ti及其他稀土元素替代Nb和N-V進(jìn)行微合金化，解決低合金鋼高拉速條件下高溫脆性區(qū)的連鑄坯表面裂紋問題，改善鋼筋的強(qiáng)韌性，在確保抗震鋼筋性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了成本最優(yōu)。含鈦鋼內(nèi)部存在大量彌散細(xì)小的析出相，通過彌散細(xì)小的TiN阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)析出強(qiáng)化，并且通過TiN在加熱保溫過程中阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大和在軋過程中抑制奧氏體再結(jié)晶實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化，有效改善鋼材性能。新三洲煉鋼廠通過將Ti及其他稀土元素加工成包芯線，在氬站吹氬過程中在合適的鋼水溫度情況下通過喂絲機(jī)喂進(jìn)鋼水中，Ti元素的吸收率可以穩(wěn)定在60-70%。根據(jù)新三洲煉鋼廠的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，消耗3.0-3.3m/t的Ti包芯線可以保證連鑄坯的Ti含量控制在0.006-0.010%，在軋制φ25mm螺紋鋼拋鋼溫度860-880℃情況下，鋼筋屈服強(qiáng)度穩(wěn)定控制在430Mpa以上。相對(duì)于Nb或N-V進(jìn)行微合金化，合金成本降低30元/噸以上。

7.綜述

        無錫新三洲特鋼煉鋼廠充分利用北京科技大學(xué)包燕平教授科研團(tuán)隊(duì)的技術(shù)平臺(tái)，發(fā)揮自身的主動(dòng)創(chuàng)新能動(dòng)性，自主開發(fā)的“高效、低耗、低成本煉鋼新工藝”技術(shù)，為建筑鋼筋生產(chǎn)企業(yè)適應(yīng)當(dāng)前嚴(yán)格產(chǎn)能管控形勢(shì)下的低成本生產(chǎn)戰(zhàn)略提供了全方位的技術(shù)改進(jìn)方案。經(jīng)與江蘇省建筑鋼筋生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行成本對(duì)標(biāo)，煉鋼渣料、合金、耐材、鋼鐵料等綜合成本降低90-100元/噸。