王新華1，2，李金柱1，劉鳳剛3
( 1． 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100083; 2． 首鋼總公司，北京100043;3． 首鋼股份公司煉鋼廠，河北遷安064404)
摘 要: 對(duì)中國(guó)鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展時(shí)期需重點(diǎn)關(guān)注的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝技術(shù)進(jìn)行了分析論述，認(rèn)為: 1) 較低底吹攪拌強(qiáng)度的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐應(yīng)將底吹元件減少至4～6支，并采取根據(jù)鋼水碳氧積對(duì)底吹元件“動(dòng)態(tài)維護(hù)”等措施，提高熔池實(shí)際攪拌效果，而大量生產(chǎn)低碳、超低碳鋼品種的鋼廠應(yīng)將底攪強(qiáng)度逐步增加至0．1～0．15 m3 /( t·min) ; 2) 隨鋼鐵工業(yè)去產(chǎn)能逐步深入，會(huì)有相當(dāng)數(shù)量轉(zhuǎn)爐富余、閑置，有條件鋼廠應(yīng)利用其進(jìn)行鐵水脫磷預(yù)處理，采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝技術(shù)。為此，脫磷轉(zhuǎn)爐須采用大底吹攪拌強(qiáng)度，并注意解決脫碳轉(zhuǎn)爐熱量不足問(wèn)題; 3) 應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉控制技術(shù)研發(fā)，具備條件鋼廠可嘗試首先取消“TSO”測(cè)定，由爐氣分析系統(tǒng)承擔(dān)碳含量控制任務(wù)，在此基礎(chǔ)上逐步對(duì)爐氣分析控制系統(tǒng)改進(jìn)完善，最終由其承擔(dān)轉(zhuǎn)爐冶煉控制任務(wù); 4) Simense VAI、Dofasco 公司等開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)出鋼技術(shù)，將轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)提高到新水平，建議國(guó)內(nèi)高水平鋼廠加快采用轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)出鋼技術(shù)。
關(guān)鍵詞: 轉(zhuǎn)型發(fā)展; 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐; 脫磷預(yù)處理; 爐氣分析; 自動(dòng)出鋼
1 概述
中國(guó)鋼鐵工業(yè)經(jīng)過(guò)近20 年快速增長(zhǎng)之后，進(jìn)入了轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展時(shí)期，目前面臨著化解過(guò)剩產(chǎn)能的巨大壓力。據(jù)中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)［1］，2014 年國(guó)內(nèi)粗鋼產(chǎn)能為11．3億t; 國(guó)務(wù)院“關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見(jiàn)”提出［2］，從2016 年開(kāi)始用5 年時(shí)間再壓減粗鋼產(chǎn)能1～1．5億t; 中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)［3］，2016 年粗鋼產(chǎn)量或?qū)⒔档椭?．83億t，2020 年降低至7．02億t， 2025 年至6．24億t，2030 年至5．6億t。
20 世紀(jì)70 年代后期至90 年代末，美、英、德、日等國(guó)都經(jīng)歷了鋼鐵工業(yè)轉(zhuǎn)型和化解過(guò)剩產(chǎn)能的時(shí)期。以日本為例， 1973 年粗鋼產(chǎn)量達(dá)到峰值1． 19億t( 包括2 089萬(wàn)t 電爐鋼) ， 1999 年粗鋼產(chǎn)量降低至9 419萬(wàn)t( 包括2 983萬(wàn)t 電爐鋼) ，如只考慮高爐-轉(zhuǎn)爐流程鋼廠，此期間新日鐵、川崎制鐵、NKK、住友金屬、神戶制鋼等企業(yè)鋼產(chǎn)量合計(jì)減少了30 %以上。圖1［4］為住友金屬和歌山鋼鐵廠歷年來(lái)鋼產(chǎn)量變化情況，在20 世紀(jì)60 年代日本鋼鐵快速發(fā)展時(shí)期，該廠鋼產(chǎn)量增加至900 萬(wàn)t /年以上，70 年代后鋼產(chǎn)量逐步降低，5座高爐有3 座先后被關(guān)閉，2個(gè)煉鋼廠變?yōu)橐粋€(gè)廠生產(chǎn)，鋼產(chǎn)量最終縮減至425 萬(wàn)t /年左右。與和歌山鋼鐵廠相同，日本大多數(shù)高爐-轉(zhuǎn)爐流程鋼廠，如新日鐵公司的室蘭、名古屋、八幡鋼鐵廠，川崎制鐵公司的千葉、水島鋼鐵廠，NKK 公司的京濱鋼鐵廠等，都有類似關(guān)停部分生產(chǎn)設(shè)施大幅縮減產(chǎn)能的經(jīng)歷。
中國(guó)鋼鐵工業(yè)在今后10～15 年間要大幅縮減過(guò)剩產(chǎn)能，除部分競(jìng)爭(zhēng)力落后鋼廠被淘汰之外，大多數(shù)鋼廠須采取關(guān)停部分生產(chǎn)設(shè)施縮減產(chǎn)量的舉措，低開(kāi)工率、低負(fù)荷生產(chǎn)有可能成為“常態(tài)”，而在鋼鐵工業(yè)粗放式快速增長(zhǎng)期間采用的許多工藝技術(shù)會(huì)變得不再適用，需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)完善或開(kāi)發(fā)新的工藝技術(shù)。本文以復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹優(yōu)化、“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝、轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉控制、轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)出鋼為例，對(duì)新發(fā)展時(shí)期需重點(diǎn)關(guān)注轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝技術(shù)進(jìn)行了分析討論。
2 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼底吹工藝優(yōu)化
頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼是20 世紀(jì)80 年代開(kāi)發(fā)成功的重要煉鋼工藝，在主要由熔池上方氧槍供氧吹煉的同時(shí)，由爐底噴管吹入一定量氣體( Ar，N2，CO2，O2) 攪拌金屬熔池，可顯著改善熔池成分和溫度的均勻性，減少噴濺，加快脫磷、脫碳化學(xué)反應(yīng)，降低冶煉終點(diǎn)鋼水氧含量和爐渣FetO 含量。
復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹氣體對(duì)鋼液的攪拌強(qiáng)度以單位質(zhì)量鋼液吹入氣體流量表示，圖2［5］為主要復(fù)吹煉鋼工藝所采用的底吹攪拌強(qiáng)度及其對(duì)應(yīng)的熔池混勻時(shí)間?？梢钥吹剑瑥?fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼可采用的底吹強(qiáng)度范圍很大，對(duì)熔池的攪拌混合作用隨底吹流量增加而增強(qiáng)，如當(dāng)?shù)状祻?qiáng)度由0． 04m3 /( t·min) 增加至0． 5 m3 /( t·min) 時(shí)，熔池混勻時(shí)間可由50 s 大幅縮短至25 s 左右。
最近，Kishimoto 等［6］對(duì)日本復(fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)進(jìn)行了分析評(píng)述，文中給出了日本51 座復(fù)吹轉(zhuǎn)爐的底吹噴管類型、底吹氣體種類和底吹攪拌強(qiáng)度。圖3 為據(jù)其數(shù)據(jù)得出的日本復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹攪拌強(qiáng)度的分布情況，在統(tǒng)計(jì)的51 座轉(zhuǎn)爐中，只有8 座轉(zhuǎn)爐底吹強(qiáng)度在0． 05 ～ 0． 10 m3 /( t·min) ，大部分轉(zhuǎn)爐底吹攪拌強(qiáng)度在0． 1 ～ 0． 2 m3 /( t·min)( 33 座轉(zhuǎn)爐) ，另有10 座轉(zhuǎn)爐底吹強(qiáng)度在0． 3 ～0． 5 m3 /( t·min) ，所統(tǒng)計(jì)51 座轉(zhuǎn)爐底吹強(qiáng)度平均為0． 178 m3 /( t·min) 。
近15 年來(lái)國(guó)內(nèi)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼發(fā)展很快，目前大中型轉(zhuǎn)爐絕大多數(shù)采用了復(fù)合吹煉工藝，在自主開(kāi)發(fā)雙環(huán)縫型底吹噴管、底吹元件保護(hù)( 形成爐渣蘑菇頭) 、底吹與轉(zhuǎn)爐爐齡同步等方面都取得了很大成績(jī)［7-8］。但是，與日、韓等國(guó)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐相比，國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐底吹強(qiáng)度明顯偏低，除少數(shù)轉(zhuǎn)爐能達(dá)到0． 10 m3 /( t·min) ，絕大多數(shù)鋼廠實(shí)際采用的底吹強(qiáng)度僅在0． 05 m3 /( t·min) 左右。
除了底吹攪拌強(qiáng)度弱以外，國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐底吹元件數(shù)量也顯著多于日、歐、韓等國(guó)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐。國(guó)外底吹氣體為Ar、N2、CO2的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐( 包括大型轉(zhuǎn)爐) ，普遍采用4 支底吹噴管，而國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐除個(gè)別鋼廠采用4 支底吹噴管外，大多采用8～12 支底吹噴管工藝［9］，某大型轉(zhuǎn)爐甚至采用了16 支底吹噴管。與日、歐、韓等國(guó)轉(zhuǎn)爐相比，國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)爐底吹總流量就低，加之底吹噴管數(shù)多，單支噴管氣體流量顯著低于日、歐、韓等國(guó)鋼廠，因此容易堵塞( 尤其在爐役中后期) 。
圖4 為國(guó)內(nèi)某鋼廠210 t 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)鋼水碳氧積平均值在不同爐齡范圍的分布情況，該廠轉(zhuǎn)爐采用12 支底吹噴管，底吹攪拌強(qiáng)度在0． 05m3 /( t·min) 左右，爐齡控制在6 500爐左右，以生產(chǎn)低碳、超低碳鋼為主。由圖4 可以看到，爐齡低于2 000爐時(shí)，碳氧積尚可在0． 002 5以下; 當(dāng)爐齡增加至2 000 ～ 3 000爐時(shí)，碳氧積上升至0． 003 0以上;而在爐役中后期( 4 000爐以上) ，碳氧積大幅增加至0． 003 5以上。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水碳氧積隨爐齡增長(zhǎng)而顯著提高的現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)鋼廠普遍存在，寶鋼、鞍鋼、馬鋼、鞍鋼等對(duì)此都有報(bào)道［10-13］。
國(guó)內(nèi)鋼廠之所以普遍采用較弱底吹強(qiáng)度和較多底吹噴管工藝，主要是為了減輕對(duì)底吹噴管及周邊耐材的沖刷浸蝕，以使?fàn)t底與轉(zhuǎn)爐爐齡壽命達(dá)到“同步”。在采用濺渣護(hù)爐技術(shù)后，國(guó)內(nèi)復(fù)吹轉(zhuǎn)爐實(shí)現(xiàn)了高爐齡和超高爐齡( 6 000 ～ 15 000爐) ，且即便在爐役后期，儀表顯示仍有一定底吹氣體流量，許多鋼廠以此為依據(jù)，宣稱實(shí)現(xiàn)了底吹與轉(zhuǎn)爐高爐齡、超高爐齡“同步”。須指出的是，絕大多數(shù)情況下，盡管底吹仍保持有一定流量，但實(shí)際攪拌效果已經(jīng)大幅度減弱了。
在鋼鐵業(yè)粗放式快速發(fā)展時(shí)期，大多數(shù)鋼廠屬于“產(chǎn)量效益”型企業(yè)，多產(chǎn)鋼即可多獲得利潤(rùn)。盡管大多數(shù)鋼廠在轉(zhuǎn)爐爐齡超過(guò)4 000 ～5 000爐后，如進(jìn)一步提高爐齡其噸鋼耐材成本即會(huì)增加，且底吹攪拌效果降低還會(huì)增加合金消耗，降低鋼的潔凈度等，但由于高爐齡、超高爐齡有利于增產(chǎn)，而在粗放式快速增長(zhǎng)時(shí)期增產(chǎn)獲得的收益更大，大多數(shù)鋼廠因而選擇了犧牲底吹攪拌效果以維持高爐齡或超高爐齡的策略。
鋼鐵工業(yè)進(jìn)入轉(zhuǎn)型發(fā)展期后，低開(kāi)工率、低負(fù)荷生產(chǎn)逐步成為常態(tài)，高產(chǎn)量不再等于高收益( 甚至相反) ，經(jīng)營(yíng)環(huán)境的重大改變促使鋼鐵企業(yè)對(duì)以往復(fù)吹轉(zhuǎn)爐工藝進(jìn)行反思。日、歐、韓等國(guó)高水平鋼廠均高度重視轉(zhuǎn)爐底吹攪拌效果，為此甚至不采用濺渣護(hù)爐工藝，爐齡大多低于5 000 爐，德國(guó)蒂森-克虜伯等鋼廠轉(zhuǎn)爐爐齡甚至低于2 000爐。
近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多鋼廠開(kāi)始采取措施增強(qiáng)轉(zhuǎn)爐底吹攪拌效果，如首鋼遷安鋼鐵公司將其210 t 轉(zhuǎn)爐的底吹元件數(shù)目由12 支減少至4 支，為適應(yīng)底吹噴管數(shù)目減少后單支噴管氣體流量增加，將底吹噴管由雙環(huán)縫型改為三環(huán)縫型和集束管型。此外，遷鋼還采取了其稱之為“動(dòng)態(tài)維護(hù)”技術(shù)加強(qiáng)底吹噴管的管理維護(hù)，其關(guān)鍵是根據(jù)終點(diǎn)鋼水碳氧積數(shù)據(jù)對(duì)底吹工藝進(jìn)行調(diào)整，既要獲得良好底吹攪拌效果，又要防止?fàn)t底過(guò)度損耗，取得了令業(yè)內(nèi)同行矚目的效果。
圖5 為首鋼遷鋼轉(zhuǎn)爐爐齡6 000 爐時(shí)的爐內(nèi)爐底照片，爐底4 個(gè)底吹風(fēng)口依舊清晰可見(jiàn)。圖6 為2016 年上半年遷鋼1 號(hào)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水碳氧積隨爐齡變化情況，可以看到，通過(guò)實(shí)施“動(dòng)態(tài)維護(hù)”，整個(gè)爐役期間鋼水碳氧積均控制在0． 002 3以下。尤其在爐役中后期( 3 000 ～ 6 000 爐) ，碳氧積較爐役前期非但沒(méi)有增加，反而有所降低，仍可控制在0． 002 1以下。
圖7 為遷鋼公司轉(zhuǎn)爐底吹工藝優(yōu)化前后終點(diǎn)鋼水碳-氧含量之間關(guān)系的比較，其中共統(tǒng)計(jì)了11 500爐數(shù)據(jù)( 爐齡: 1 ～ 6 450爐) 。由于數(shù)據(jù)點(diǎn)多，為了更清楚地顯示新舊工藝碳-氧關(guān)系的不同，作圖時(shí)采用了微軟EXCEL 軟件中的移動(dòng)平均分析方法，即按鋼液碳含量由低向高排序，對(duì)每20 個(gè)碳含量所對(duì)應(yīng)的氧含量取一平均值，然后將所有平均值相連成曲線。
首鋼遷鋼公司以生產(chǎn)汽車(chē)、家電、硅鋼等冷軋薄板產(chǎn)品為主，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水碳含量絕大多數(shù)在0． 025 % ～ 0． 050 %。由圖7 可以看到，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0． 025 % ～ 0． 050 %，底吹工藝優(yōu)化后鋼水終點(diǎn)氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了250 × 10 － 6 以上，僅鋼水氧含量降低一項(xiàng)，噸鋼即可減少0． 8 kg左右脫氧用鋁，降低成本8 元/t 左右。除此之外，遷鋼底吹工藝優(yōu)化后，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)爐渣TFe 質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均降低了4 %以上，脫磷效率有明顯提高，爐身部位耐材侵蝕減輕( 因此取消了噴補(bǔ)) ，更重要的是汽車(chē)板、家電板等產(chǎn)品品質(zhì)有了顯著提升。
遷鋼公司通過(guò)減少底吹元件數(shù)目和根據(jù)鋼水碳氧積動(dòng)態(tài)調(diào)整底吹工藝的技術(shù)，取得了上述令人矚目成績(jī)。但是，由于底吹流量仍較低，冶金效果與國(guó)外采用較大底吹強(qiáng)度的鋼廠仍有差距。JFE、新日鐵、加拿大Dofasco 等鋼廠復(fù)吹轉(zhuǎn)爐采用更大底吹攪拌強(qiáng)度( 大于0． 2m3 /( t·min) ) ［14-16］，吹煉終點(diǎn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0． 035 %左右時(shí)，鋼液氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)能控制在500 ×10 － 6以下，因此在降低成本、提高鋼品質(zhì)、生產(chǎn)高品質(zhì)鋼材方面可獲得更大收益。國(guó)內(nèi)以生產(chǎn)低碳、超低碳鋼鋼材品種為主的高水平鋼廠應(yīng)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，將底吹攪拌強(qiáng)度逐步增加至0． 10～ 0． 15 m3 /( t·min) ( 甚至更高) ，并解決底吹強(qiáng)度增加引起的爐底侵蝕加劇等問(wèn)題。
3 “脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝技術(shù)
20 世紀(jì)80 年代初期，日本鋼鐵企業(yè)開(kāi)發(fā)成功鐵水脫硅、脫磷、脫硫預(yù)處理工藝技術(shù)( “三脫”預(yù)處理) ［17-19］，首先在高爐出鐵溝( 或魚(yú)雷罐、鐵水罐內(nèi)) 對(duì)鐵水進(jìn)行脫硅預(yù)處理，再在魚(yú)雷罐或鐵水罐內(nèi)分別進(jìn)行脫硫和脫磷預(yù)處理( 或同時(shí)脫磷脫硫預(yù)處理) ，然后在轉(zhuǎn)爐進(jìn)行冶煉。該工藝大幅提高了脫磷、脫硫效率，減少了煉鋼熔劑消耗和爐渣量。但是，由于脫磷預(yù)處理在鐵水罐或魚(yú)雷罐內(nèi)進(jìn)行，罐內(nèi)凈空不足使脫磷反應(yīng)效率受到很大影響。
20 世紀(jì)80 年代后期，隨著日本鋼鐵業(yè)去產(chǎn)能進(jìn)程發(fā)展，許多鋼廠開(kāi)始利用富余或閑置的轉(zhuǎn)爐進(jìn)行鐵水脫磷預(yù)處理。1989 年新日鐵名古屋鋼鐵廠開(kāi)發(fā)了“LD － OＲP”煉鋼工藝［18］，將原第一煉鋼廠轉(zhuǎn)爐用于鐵水脫磷、脫硅、脫硫預(yù)處理，處理后鐵水由第二煉鋼廠轉(zhuǎn)爐進(jìn)行煉鋼。住友金屬鹿島鋼鐵廠一煉鋼廠、NKK 福山鋼鐵廠三煉鋼廠、川崎制鐵京濱鋼鐵廠等則利用其原有3 座或2 座轉(zhuǎn)爐中富余出的一座轉(zhuǎn)爐進(jìn)行鐵水脫磷、脫硅預(yù)處理( 該轉(zhuǎn)爐簡(jiǎn)稱為脫磷轉(zhuǎn)爐) ，處理后鐵水由另外轉(zhuǎn)爐煉鋼( 稱之為脫碳轉(zhuǎn)爐) 。目前，日本鋼鐵企業(yè)廣泛采用了“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝，其中除少數(shù)脫磷轉(zhuǎn)爐為新建( 新日鐵住金和歌山鋼鐵廠［4］，神戶加古川鋼鐵廠［20］，JFE福山鋼鐵廠［21］) ，絕大多數(shù)脫磷轉(zhuǎn)爐為消減產(chǎn)能后富余或閑置的煉鋼轉(zhuǎn)爐。
采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝的益處主要有: 1) 有利于生產(chǎn)低磷、超低磷鋼，如抗酸管線鋼、優(yōu)質(zhì)厚板等; 2) 脫碳轉(zhuǎn)爐冶煉任務(wù)變得簡(jiǎn)單( 主要是脫碳、升溫) ，吹煉終點(diǎn)命中率提高;3) 轉(zhuǎn)爐冶煉周期縮短，更易與快速爐外精煉、連鑄相匹配; 4) 煉鋼熔劑消耗和爐渣量大幅減少。首鋼京唐公司在國(guó)內(nèi)鋼企中率先采用了此煉鋼工藝，目前應(yīng)用比率在35 % ～ 40 %。
圖8 為首鋼京唐公司脫磷轉(zhuǎn)爐和脫碳轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)［P］含量分布情況。該廠高爐鐵水磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0． 11 %左右，經(jīng)脫磷轉(zhuǎn)爐冶煉，w( P) 平均降低至0． 033 %左右，再經(jīng)脫碳轉(zhuǎn)爐冶煉，鋼水w( P)平均降低至0． 010 % 左右，顯著低于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝生產(chǎn)鋼水的［P］含量。在冶煉抗酸管線鋼等超低磷鋼種時(shí)，通過(guò)適當(dāng)增加脫碳轉(zhuǎn)爐石灰用量，采用合理氧槍槍位與供氧強(qiáng)度等，可以穩(wěn)定地將鋼水w( P) 降低至0． 008 %以下。
圖9 為首鋼京唐公司脫碳轉(zhuǎn)爐冶煉周期( 出鋼－ 出鋼時(shí)間) 分布情況，為了對(duì)比也給出了同期傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝的冶煉周期( 鐵水未經(jīng)脫磷預(yù)處理) 。經(jīng)脫磷轉(zhuǎn)爐處理后的鐵水，碳、硅、磷含量降低，脫碳轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)間可縮短，加之脫碳轉(zhuǎn)爐不裝廢鋼，因此其冶煉周期較常規(guī)轉(zhuǎn)爐冶煉減少了5 min 左右。采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝，脫碳轉(zhuǎn)爐冶煉周期短，因此更容易與快速爐外精煉和高拉速連鑄相匹配，實(shí)現(xiàn)“轉(zhuǎn)爐－ 精煉－ 連鑄”產(chǎn)線快節(jié)奏運(yùn)行。韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司光陽(yáng)鋼鐵廠增設(shè)了脫磷轉(zhuǎn)爐，每天冶煉50 爐以上，主要用于其快節(jié)奏煉鋼產(chǎn)線( 板坯連鑄通鋼量: 約4． 5 t /( min·流) ) 。由于生產(chǎn)節(jié)奏快，鋼水溫降少，該廠生產(chǎn)超低碳鋼，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度可低至1 650 ℃。
近年來(lái)，由于鐵礦石磷含量逐步提高以及鋼廠“回吃”鋼渣等原因，鐵水磷含量呈增加趨勢(shì)。另一方面，國(guó)內(nèi)鋼鐵業(yè)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展，必須進(jìn)一步節(jié)能、降耗，減少爐渣等固體廢棄物排放，提高綠色化生產(chǎn)水平。鑒于“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝能夠大幅減少原材料消耗，降低爐渣排放量，并能夠提高鋼材品質(zhì)，隨著鋼鐵工業(yè)去產(chǎn)能逐步深入，國(guó)內(nèi)有條件的鋼廠應(yīng)利用富余、閑置的轉(zhuǎn)爐進(jìn)行鐵水脫磷預(yù)處理，采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”先進(jìn)煉鋼工藝技術(shù)。
采用轉(zhuǎn)爐鐵水脫磷預(yù)處理工藝，底吹攪拌強(qiáng)度須遠(yuǎn)大于常規(guī)復(fù)吹煉鋼轉(zhuǎn)爐，以新日鐵住金公司和歌山鋼鐵廠的脫磷轉(zhuǎn)爐為例［22］，該轉(zhuǎn)爐底吹攪拌強(qiáng)度高達(dá)0． 38 m3 /( t·min) 。本節(jié)以下對(duì)脫磷轉(zhuǎn)爐必須采用強(qiáng)底吹攪拌的原因加以分析討論。
脫磷轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程，脫磷反應(yīng)或可在鐵水熔池內(nèi)部、渣-鐵界面、泡沫渣內(nèi)金屬液滴表面等處進(jìn)行，其中熔池內(nèi)部脫磷反應(yīng)及其標(biāo)準(zhǔn)自由能變化可由式(1) 、(2) 表示［23-24］，自由能變化則可由式(3) 計(jì)算:
脫磷轉(zhuǎn)爐鐵水［C］質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3． 2 % ～4． 2 %，鐵液中氧活度a［O］主要被［C］控制，可表示為［24］:
式中，a( P2O5) 為脫磷反應(yīng)產(chǎn)物P2 O5的活度; f［P］與f［C］分別為鐵液中［P］與［C］的活度系數(shù); a［O］為鐵液中［O］的活度。
高碳鐵液中［P］和［C］的活度系數(shù)可分別由式(7) ［25］和式(8) ［24］算出( 忽略其它組元影響) ，取脫磷反應(yīng)產(chǎn)物P2O5活度為1( 熔池內(nèi)無(wú)爐渣) ，將式(6) 和以上相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式(3) ，計(jì)算得出溫度1 320 ～ 1 360 ℃，w( C) = 3． 2 % ～ 4． 2 % 條件下，式( 1 ) 所示熔池內(nèi)部脫磷反應(yīng)ΔG 值在672 700 ～ 742 400 J /mol，表明脫磷轉(zhuǎn)爐金屬熔池內(nèi)部，由于鐵水［C］含量高，［O］含量低，加之無(wú)堿性渣存在，脫磷反應(yīng)基本上無(wú)法進(jìn)行。
但是，由于脫磷轉(zhuǎn)爐采用頂吹氧方式，即便熔池［C］含量高，也可以通過(guò)調(diào)整氧槍槍位和供氧參數(shù)等將熔池上方爐渣中FetO 控制在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍( 10 % ～ 15 %) ，在渣－ 鐵界面或泡沫渣內(nèi)金屬液滴表面發(fā)生如式( 9) 所示的脫磷反應(yīng)，其標(biāo)準(zhǔn)自由能和自由能變化分別見(jiàn)式(10) ［23-24］和式(11) ，式中γP2O5和NP2O5分別為渣中P2O5活度系數(shù)與摩爾分?jǐn)?shù); γFeO和NFeO分別為渣中FeO 的活度系數(shù)與摩爾分?jǐn)?shù)。
首鋼京唐公司脫磷轉(zhuǎn)爐爐渣堿度w( CaO) /w( SiO2) 在1． 8 ～ 2． 2 內(nèi)，F(xiàn)et O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10 % ～15 %，NFeO在0． 08 ～ 0． 13，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)在2． 5 %～ 8 %，N( P2O5) 在0． 015 ～ 0． 05。
煉鋼爐渣中P2O5活度系數(shù)可由式( 12) ) ［23］計(jì)算，根據(jù)首鋼京唐公司脫磷轉(zhuǎn)爐爐渣成分，取w( CaO) = 40 %，w ( MgO) = 7． 5 %，N( FeO) 為0． 14，N( P2O5) 為0． 028，γFeO值選取3［24］。將以上數(shù)據(jù)與式(7) 和式(12) 計(jì)算出的f［P］和γ( P2O5) 帶入式( 11) ，由此計(jì)算出式( 9) 所表示的渣－ 鐵間脫磷反應(yīng)自由能變化值在－ 74 800 ～ － 88 700J /mol，表明反應(yīng)可以進(jìn)行。
由以上分析可知，在轉(zhuǎn)爐脫磷預(yù)處理冶煉中，金屬熔池內(nèi)部基本不能脫磷，因此必須采用大底吹氣體流量，加強(qiáng)對(duì)熔池的攪拌，促進(jìn)熔池內(nèi)部［P］向渣－ 鐵界面?zhèn)鬏?，并在渣?鐵界面發(fā)生脫磷反應(yīng)，從而獲得高脫磷效率。
國(guó)內(nèi)鋼廠如采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”工藝，該工藝難以支持脫碳轉(zhuǎn)爐高溫出鋼是應(yīng)予以重視的另一問(wèn)題，這主要是因?yàn)榻?jīng)脫磷轉(zhuǎn)爐冶煉后，鐵水碳、硅、磷、錳含量降低，而為獲得高脫磷效率又須將脫磷轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度控制得較低，由此造成脫碳轉(zhuǎn)爐冶煉較高出鋼溫度鋼種時(shí)熱量不足，而必須加入煤、焦、SiC、SiFe 等提溫材料。首鋼京唐公司以生產(chǎn)低碳、超低碳鋼種為主，“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”工藝應(yīng)用比率在35 % ～ 40 %，脫碳轉(zhuǎn)爐熱量不足是影響該工藝應(yīng)用比率進(jìn)一步提高的主要問(wèn)題。
為更好地說(shuō)明“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”工藝難以支持高出鋼溫度這一問(wèn)題，以下對(duì)脫碳轉(zhuǎn)爐熱量平衡進(jìn)行簡(jiǎn)要計(jì)算，其中所選用的反應(yīng)熱效應(yīng)見(jiàn)表1［26］，相關(guān)物質(zhì)比熱數(shù)據(jù)見(jiàn)表2［27-28］。根據(jù)首鋼京唐公司脫碳轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計(jì)算中石灰加入量取20 kg /t，輕燒白云石加入量取9． 5 kg /t，鐵礦石加入量為7． 5 kg /t，爐渣量為50． 5 kg /t，w( C) 由3． 3 %去除至0． 04 %，w( Si) 由0． 017 % 去除至0． 005 %以下，w( P) 由0． 032 % 去除至0． 009 %，w( Mn) 由0． 024 %降低至0． 022 %，吹煉終點(diǎn)爐渣FetO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22 %( 其中FeO 和Fe2O3比率分別為85 %和15 %) ，煙塵量為鐵水量的1． 5 %( 其中FeO 和Fe2O3比率分別為77 %和20 %) ，脫磷鐵水裝入脫碳轉(zhuǎn)爐后溫度為1 270 ℃。
圖10 為上述熱量平衡計(jì)算得出的脫碳轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水溫度與轉(zhuǎn)爐冶煉熱損失率關(guān)系，可以看到，熱損失率在4 % ～ 5 % 情況下時(shí)，如不添加提溫劑( 煤、焦炭、碳化硅、硅鐵等) ，脫碳轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水溫度僅能達(dá)到1 660 ℃左右。目前國(guó)內(nèi)鋼廠生產(chǎn)LCAK、IF 等低碳、超低碳鋼品種，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)溫度大多控制在1 680 ℃以上，如采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”工藝，將會(huì)遇到脫碳轉(zhuǎn)爐熱量不足而必須加入提溫劑的情況。
新日鐵住金公司名古屋鋼鐵廠、浦項(xiàng)鋼鐵公司光陽(yáng)鋼鐵廠等大規(guī)模采用了“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝，且主要用于低碳、超低碳鋼種生產(chǎn)，脫碳轉(zhuǎn)爐基本不需加入提溫劑，主要是因?yàn)槠浜罄m(xù)ＲH 精煉和連鑄生產(chǎn)節(jié)奏快，鋼水溫降少，脫碳轉(zhuǎn)爐出鋼溫度因而可降低至1 650 ℃ 左右( 甚至更低) 。如新日鐵住金公司名古屋鋼鐵廠、JFE千葉鋼鐵廠等采用ＲH-OB、ＲH-KTB 工藝， IF 鋼真空精煉時(shí)間可控制在25 min 以內(nèi)，浦項(xiàng)鋼鐵公司光陽(yáng)鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐出鋼結(jié)束至連鑄開(kāi)澆時(shí)間則可以控制在50 min 以內(nèi)。由于精煉速度快，這些鋼廠大多采用單工位ＲH 精煉，精煉過(guò)程鋼水溫降很少甚至不降低。國(guó)內(nèi)鋼廠在快節(jié)奏精煉和連鑄生產(chǎn)方面與日、韓鋼廠尚有差距，今后更多鋼廠采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”煉鋼工藝，加快精煉和連鑄生產(chǎn)節(jié)奏，降低脫碳轉(zhuǎn)爐出鋼溫度是必須加以重視的問(wèn)題。
4 轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉過(guò)程技術(shù)
目前國(guó)內(nèi)100 t 以上轉(zhuǎn)爐絕大多數(shù)已采用副槍動(dòng)態(tài)控制技術(shù)，吹煉中首先通過(guò)數(shù)學(xué)模型確定所需要渣料、冷卻劑、氧氣用量，在吹煉臨近結(jié)束前2～3 min 降下副槍測(cè)定熔池溫度、碳含量并提取鋼水試樣( 簡(jiǎn)稱為“TSC”測(cè)定) ，繼而根據(jù)“TSC”測(cè)定結(jié)果進(jìn)行必要調(diào)整至吹煉終點(diǎn)，吹煉結(jié)束后再次降下副槍測(cè)定鋼液溫度、碳含量并提取鋼水試樣( 簡(jiǎn)稱為“TSO”測(cè)定) 。
副槍動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)命中率，但該技術(shù)也存在諸多不足: 1) 在75 %左右吹煉時(shí)間內(nèi)( “TSC”測(cè)定前) ，爐內(nèi)反應(yīng)狀況不明( 熔池成分、溫度、脫碳速度等) ; 2) 由于爐料質(zhì)量、成分、冷卻能等方面的誤差( 尤其是廢鋼) ，相當(dāng)數(shù)量爐次“TSC”測(cè)定結(jié)果偏離目標(biāo)，此情況下多采取“過(guò)吹”去碳保終點(diǎn)溫度的策略，造成鋼水［O］和爐渣FetO 含量提高; 3) 副槍設(shè)備維護(hù)和測(cè)頭費(fèi)用增加生產(chǎn)成本; 4) “TSC”測(cè)定時(shí)需降低供氧強(qiáng)度，吹煉結(jié)束后“TSO”測(cè)定需1 min 左右時(shí)間，等待試樣化學(xué)分析結(jié)果則需更多時(shí)間，增加了轉(zhuǎn)爐冶煉周期。
1990 年日本NKK 公司［29］報(bào)道了其福山鋼鐵廠250 t 轉(zhuǎn)爐利用爐氣分析進(jìn)行吹煉控制的技術(shù)。如圖11 所示，該廠采用質(zhì)譜儀對(duì)吹煉過(guò)程爐氣進(jìn)行快速準(zhǔn)確分析，根據(jù)爐氣中CO、CO2、O2成分和爐氣流量等變化，對(duì)熔池［C］、［O］、溫度、噴濺等進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將其與副槍動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)結(jié)合，取得了很好控制效果。但是，在其后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，由于控制精度較副槍系統(tǒng)低，該項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用得較慢，即便是后來(lái)配備爐氣分析控制系統(tǒng)的鋼廠( 包括許多國(guó)內(nèi)鋼廠) ，大多是將其與副槍動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)配合，轉(zhuǎn)爐吹煉控制以副槍系統(tǒng)為主，爐氣分析系統(tǒng)的預(yù)測(cè)結(jié)果作為參考，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮的作用不大。
近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)通訊、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展，轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉控制誤差大幅縮小，歐、美許多鋼廠開(kāi)始采用該項(xiàng)技術(shù)，其目的也不再局限于將爐氣分析做為副槍動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的補(bǔ)充或參考，而是要取代現(xiàn)有的副槍動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，加拿大Dofasco 公司［30］、意大利ILVA Taranto 公司［31-32］等在該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用方面取得了很好的結(jié)果。
加拿大Dofasco 公司隸屬于阿賽洛-米塔爾集團(tuán)，年產(chǎn)450 萬(wàn)t 左右板材，包括汽車(chē)板、鍍錫板、管線鋼板等，其320 t KOBM 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐原裝備有副槍動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)。鑒于副槍控制系統(tǒng)在設(shè)備故障率( 約20 %) 、控制精度( 補(bǔ)吹和過(guò)吹比率) 、測(cè)頭成本、操作環(huán)境( 人工更換副槍測(cè)頭) 等方面問(wèn)題，該廠2005 年開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)爐氣分析吹煉控制系統(tǒng)( 離線運(yùn)行) ，2006 年3 月開(kāi)始工業(yè)試驗(yàn)，5月份投入實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行，2007 年7 月將副槍拆除，由爐氣分析控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)爐吹煉進(jìn)行控制。
圖12［30］為Dofasco 公司轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉控制系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)在硬件配置方面具有2個(gè)特點(diǎn): 1) 爐氣采樣點(diǎn)不在轉(zhuǎn)爐煙罩上方附近“熱端”，而是放在爐氣冷卻、除塵后“冷端”，因而顯著降低了采樣頭價(jià)格和維護(hù)成本。爐氣由爐口運(yùn)行至取樣點(diǎn)時(shí)間為7 s，Dofasco 公司認(rèn)為其對(duì)控制影響很小; 2) 爐氣分析沒(méi)有采用質(zhì)譜儀，而是采用了較低價(jià)格的遠(yuǎn)紅外氣體分析儀，Dofasco公司認(rèn)為其對(duì)爐氣CO、CO2、O2等分析能夠滿足吹煉控制精度的要求。
Dofasco 公司爐氣分析控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型也與傳統(tǒng)模型所不同，以往爐氣分析控制模型大多基于碳的質(zhì)量平衡計(jì)算，即根據(jù)爐氣中CO和CO2成分，由式( 13) 計(jì)算出各時(shí)間段( Δt) 的脫碳量( Δ［C］) ，再由( 14) 式計(jì)算出熔池適時(shí)碳含量［C］t 。下述2 式中，Q為爐氣流量，k1和k2分別為CO 和CO2轉(zhuǎn)換為C 的換算系數(shù)，［C］0為金屬爐料帶入的碳含量( 即初始碳含量) 。
Dofasco 公司認(rèn)為［30］，由于廢鋼、鐵水等爐料帶入碳量的不確定性，采用上述質(zhì)量平衡方法計(jì)算出的鋼液碳含量誤差太大。例如當(dāng)裝入量為300 t 時(shí)，帶入碳量通常在11 000 kg 以上，30 kg碳量的誤差( 誤差2． 7 %) 看起來(lái)能夠接受，但是由( 14) 式得到的終點(diǎn)［C］即會(huì)發(fā)生0． 01 % 的誤差，對(duì)于以低碳、超低碳鋼為主要產(chǎn)品的鋼廠，此誤差是不能接受的。為此，Dofasco 公司采用了與大多數(shù)鋼廠所不同的控制策略，不再主要依據(jù)碳的質(zhì)量平衡計(jì)算鋼液［C］、溫度等，而是將數(shù)學(xué)模型重點(diǎn)放在吹煉后期，由該時(shí)間段爐氣成分變化預(yù)測(cè)鋼液［C］、溫度等，對(duì)吹煉終點(diǎn)進(jìn)行控制。
圖13［30］為Dofasco 公司KOBM 轉(zhuǎn)爐吹煉過(guò)程吹入氧氣流量與爐氣中CO、CO2含量變化情況，可以看到，在臨近吹煉結(jié)束前2 ～ 3 min 時(shí)間段，由于脫碳速度降低，爐氣成分開(kāi)始急劇變化，CO 含量下降，CO2含量增加，爐氣成分這一變化與鋼液碳含量、脫碳速率變化等密切相關(guān)。
Dofasco 公司的爐氣分析吹煉控制系統(tǒng)在吹煉開(kāi)始后即根據(jù)爐氣成分變化對(duì)熔池［C］含量等進(jìn)行計(jì)算，但是并不參與控制。當(dāng)模型計(jì)算出w( C) 降低至0． 10 % 時(shí)，爐氣分析控制系統(tǒng)開(kāi)始參與并接管控制直至吹煉結(jié)束。由于此時(shí)爐氣成分主要取決于鋼液碳含量、供氧參數(shù)、鋼液溫度，爐料帶入碳量誤差所造成得影響顯著減小。
傳統(tǒng)的爐氣分析吹煉控制精度低，除爐料帶入碳量誤差大原因之外，轉(zhuǎn)爐爐口－ 煙罩間吸入空氣是另一重要原因。Dofasco 公司爐氣分析控制模型中設(shè)置了專門(mén)模塊，計(jì)算吸入的空氣量和其對(duì)爐氣CO、CO2含量的影響，顯著提高了系統(tǒng)控制精度。
Dofasco 公司采用轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉控制系統(tǒng)后，副槍已完全停用，全部爐次實(shí)現(xiàn)了終點(diǎn)不取樣直接出鋼。表3［30］為新系統(tǒng)與原副槍動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)在作業(yè)率、后吹率等方面的比較，表4［30］為新舊系統(tǒng)鋼水碳含量、溫度控制精度的比較。
圖14［31］為意大利ILVA Taranto 公司采用的轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉控制系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)與Dofasco 公司爐氣分析控制系統(tǒng)相比，采集的信息量更多，除爐氣成分、流量之外，還包括轉(zhuǎn)爐爐口熱輻射、爐口和煙道內(nèi)爐氣溫度等，其控制模型也不僅對(duì)吹煉過(guò)程鋼水［C］、溫度進(jìn)行計(jì)算預(yù)報(bào)，還能給出吹煉過(guò)程廢鋼熔化率、渣料溶化、爐渣SiO2、FeO 含量等變化。應(yīng)該指出，隨著信息、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展，愈來(lái)愈多相關(guān)數(shù)據(jù)信息，例如爐氣成分、流量、溫度、氧槍冷卻水溫差、氧槍振動(dòng)、吹煉過(guò)程聲音等，會(huì)用于轉(zhuǎn)爐吹煉控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼高度自動(dòng)化、智能化控制。
表5［31］ 為ILVA Taranto 公司副槍“TSC”、“TSO”測(cè)定結(jié)果與爐氣分析控制系統(tǒng)預(yù)測(cè)結(jié)果的比較，可以看到，兩者測(cè)定結(jié)果相差很小。
國(guó)內(nèi)已有一些轉(zhuǎn)爐具有爐氣分析控制系統(tǒng)，其中一部分為中小轉(zhuǎn)爐鋼廠，由于不適合安裝副槍而采用了爐氣分析控制技術(shù)，而大中型轉(zhuǎn)爐鋼廠的爐氣分析系統(tǒng)則主要作為輔助控制手段，其計(jì)算結(jié)果用于與副槍動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行比較或作為參考，在該項(xiàng)技術(shù)方面研發(fā)投入與歐美鋼廠相比有較大差距。
目前國(guó)內(nèi)鋼廠采用副槍動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)命中率多在92 % ～ 96 %，仍具有較大提升空間，而降低副槍測(cè)頭和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用對(duì)鋼廠降本增效也有很重要意義。在計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)通訊、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)迅猛發(fā)展和轉(zhuǎn)爐爐氣分析系統(tǒng)控制精度顯著提高的形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)鋼廠應(yīng)加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)爐爐氣分析控制技術(shù)的研發(fā)和在更大范圍推廣采用該項(xiàng)技術(shù)，具備條件的鋼廠可嘗試首先取消副槍的“TSO”測(cè)定，副槍“TSC”測(cè)定主要用于終點(diǎn)溫度控制，終點(diǎn)［C］控制由爐氣分析控制系統(tǒng)承擔(dān)，在此基礎(chǔ)上逐步對(duì)爐氣分析控制系統(tǒng)改進(jìn)完善，最終由其承擔(dān)轉(zhuǎn)爐冶煉控制任務(wù)( 取消副槍) 。
5 轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)( 無(wú)人) 出鋼技術(shù)
國(guó)務(wù)院《中國(guó)制造2025》文件中指出要“加快機(jī)械、航空、船舶、汽車(chē)、輕工、紡織、食品、電子等行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的智能化改造，提高精準(zhǔn)制造、敏捷制造能力。統(tǒng)籌布局和推動(dòng)智能交通工具、智能工程機(jī)械、服務(wù)機(jī)器人、智能家電、智能照明電器、可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”。文件中雖然沒(méi)有明確點(diǎn)出中國(guó)鋼鐵工業(yè)，但相對(duì)于機(jī)械、航空、船舶等工業(yè)部門(mén)，鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境更艱苦，更急需提高自動(dòng)化、智能化控制水平。
中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)遲京東［33］ 在“2015 冶金創(chuàng)新論壇暨鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)交流研討會(huì)”上指出了國(guó)內(nèi)鋼鐵生產(chǎn)效率方面的問(wèn)題: “鋼協(xié)會(huì)員企業(yè)2014 年人均產(chǎn)鋼317 t，其中虧損前10 名企業(yè)為225 t。而日本、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家鋼鐵工人勞動(dòng)生產(chǎn)率2012 年就分別達(dá)到613，576，483，656 t，其中美國(guó)鋼鐵公司、日本新日鐵公司和韓國(guó)浦項(xiàng)鋼鐵公司分別達(dá)到827，1954，1131 t”。
近年來(lái)煉鋼生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化控制技術(shù)發(fā)展很快，如新日鐵公司報(bào)道［34］，其煉鋼轉(zhuǎn)爐操作工定員減少至2． 5 ～ 3 人/爐，爐外精煉工序降至1～ 2 人/爐，板坯連鑄定員減至3 ～ 4 人/鑄機(jī)，Siemens VAI 公司、Dofasco 公司等開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)無(wú)人出鋼技術(shù)，更是將轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化、智能化控制提高到更高階段。
圖15［35］為Siemens VAI 公司2007 年時(shí)所具備的轉(zhuǎn)爐煉鋼自動(dòng)化控制技術(shù)示意圖，包括氧氣量與氧槍自動(dòng)控制、渣料加入自動(dòng)控制、副槍測(cè)定、吹煉終點(diǎn)自動(dòng)控制、爐體傾動(dòng)自動(dòng)控制、出鋼下渣監(jiān)測(cè)與擋渣自動(dòng)控制、爐下鋼包車(chē)運(yùn)行自動(dòng)控制等，但當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)爐出鋼仍為人工控制模式，為了解決這一問(wèn)題，該公司開(kāi)發(fā)了其稱之為“VAI －CON Tap”的轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)“無(wú)人”出鋼技術(shù)［35］。
圖16［35］為Siemens VAI 公司轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)出鋼控制示意圖，主要包括以下步驟: 1) 吹煉結(jié)束出鋼指令發(fā)出后，轉(zhuǎn)爐自動(dòng)傾動(dòng)至所定角度，期間對(duì)爐內(nèi)液面進(jìn)行攝像檢測(cè)，防止由爐口溢渣; 2)系統(tǒng)設(shè)有鋼包車(chē)定位和運(yùn)行控制系統(tǒng)，出鋼指令發(fā)出后，鋼包車(chē)自動(dòng)運(yùn)行到位，并在出鋼過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的位置調(diào)整; 3) 出鋼過(guò)程合金、脫氧劑、熔劑等自動(dòng)加入; 4) 出鋼臨近結(jié)束時(shí)，遠(yuǎn)紅外下渣監(jiān)測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)下渣時(shí)，快速啟動(dòng)氣動(dòng)擋渣裝置進(jìn)行擋渣; 5) 出鋼結(jié)束，轉(zhuǎn)爐自動(dòng)傾動(dòng)回位，鋼包車(chē)自動(dòng)運(yùn)行開(kāi)出; 6) 渣罐車(chē)自動(dòng)運(yùn)行到位，轉(zhuǎn)爐自動(dòng)傾動(dòng)至倒渣位置進(jìn)行倒渣。
加拿大Dofasco 公司轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)大規(guī)模采用了全自動(dòng)無(wú)人出鋼技術(shù)，其控制系統(tǒng)與圖16 所示Siemens VAI 公司系統(tǒng)相似，但取消了熔池表面監(jiān)測(cè)裝置。2016 年2 月首鋼股份公司派員考察訪問(wèn)了該廠，在其轉(zhuǎn)爐主控室停留了一個(gè)半小時(shí)，目睹轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)3 個(gè)操作員工( 全部成員) 均在主控室內(nèi)，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、出鋼、鋼包車(chē)移動(dòng)、加入合金、擋渣、倒渣等全部自動(dòng)進(jìn)行。
6 結(jié)論
中國(guó)鋼鐵工業(yè)今后10 ～ 15 年間要大幅縮減產(chǎn)能，完成轉(zhuǎn)型升級(jí)，本文對(duì)這一重要發(fā)展時(shí)期需重點(diǎn)關(guān)注的轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝技術(shù)進(jìn)行了分析論述，主要包括:
1) 國(guó)內(nèi)采用較低底吹攪拌強(qiáng)度的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐( 0． 05 m3 /( t·min) 左右) ，應(yīng)將底吹原件數(shù)目減少至4 ～ 6 支，并采取根據(jù)鋼水碳氧積對(duì)底吹元件“動(dòng)態(tài)維護(hù)”等措施，提高對(duì)金屬熔池的實(shí)際攪拌效果。而大量生產(chǎn)低碳、超低碳鋼品種的鋼廠應(yīng)將底吹攪拌強(qiáng)度逐步增加至0． 10 ～ 0． 15m3 /( t·min) 或更高。
2) 隨著鋼鐵工業(yè)去產(chǎn)能逐步深入，會(huì)有許多煉鋼轉(zhuǎn)爐富余、閑置，有條件鋼廠應(yīng)利用其進(jìn)行鐵水脫磷預(yù)處理，采用“脫磷轉(zhuǎn)爐+ 脫碳轉(zhuǎn)爐”先進(jìn)煉鋼工藝技術(shù)。為此，脫磷轉(zhuǎn)爐須采用大底吹攪拌強(qiáng)度，并注意解決脫碳轉(zhuǎn)爐熱量不足問(wèn)題。
3) 近年來(lái)轉(zhuǎn)爐爐氣分析吹煉控制技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)內(nèi)鋼廠應(yīng)加強(qiáng)該項(xiàng)技術(shù)研發(fā)，具備條件鋼廠可嘗試首先取消副槍“TSO”測(cè)定，由爐氣分析系統(tǒng)承擔(dān)吹煉終點(diǎn)碳含量控制，在此基礎(chǔ)上逐步對(duì)爐氣分析控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)完善，最終由其承擔(dān)轉(zhuǎn)爐冶煉控制任務(wù)( 取消副槍) 。
4) Simense VAI 公司、Dofasco 公司開(kāi)發(fā)成功了轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)無(wú)人出鋼技術(shù)，轉(zhuǎn)爐傾動(dòng)、鋼包車(chē)運(yùn)行、出鋼、合金加入、下渣監(jiān)測(cè)與擋渣、倒渣等全部自動(dòng)進(jìn)行，將轉(zhuǎn)爐自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)提高到更高階段。建議國(guó)內(nèi)高水平鋼廠加快采用轉(zhuǎn)爐全自動(dòng)出鋼技術(shù)。
［參 考 文 獻(xiàn)］
［1］ 中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)． 中國(guó)鋼鐵工業(yè)發(fā)展報(bào)告( 2016 版)［EB/OL］． 2016-05-25． http: / /www． fmprc． gov． cn /ce /cebe /chn /zgggfz /zghgjj /t1366468． htm．
［2］ 國(guó)務(wù)院． 國(guó)務(wù)院關(guān)于鋼鐵行業(yè)化解過(guò)剩產(chǎn)能實(shí)現(xiàn)脫困發(fā)展的意見(jiàn)［EB/OL］． 2016-0201． http: / /www． gov． cn /zhengce /content /2016-02 /04 /content_5039353． htm．
［3］ 熊少翀． 中國(guó)鋼鐵產(chǎn)業(yè)現(xiàn)“弧頂”加“下降通道”走勢(shì)［EB /OL］． 2015-11-28． http: / /www． jiemian． com/article /455567．html．
［4］ 巖田勝吉． 和歌山制鐵所煉鋼節(jié)能技術(shù)的發(fā)展［C］/ /中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)煉鋼節(jié)能技術(shù)研討會(huì)． 萊蕪，2002．
［5］ EMI T． Whither BOF Steelmaking? —A Japanese Perspective［C］/ /The 3rd International Congress on the Science andTechnology of Steelmaking． Charlotte: AIST，2005: 269-275．
［6］ KISHIMOTO Y，SAITO N． Development and prospect ofcombined blowing converter in Japan［J］． Tetsu-to-Hagane，2014，1
00( 4) : 445-455．
［7］ LIU L，SU T． Technical progress of long life combined blowingconverter steelmaing in China［C］/ /The 10th Japan-ChinaSymposium on Science and Technology of Iron and Steel．Chiba: ISIJ-CSM，2004: 106-115．
［8］ LIU L，WANG L． Development and progress of slag splashingtechnique of BOF in China ［C］/ /The 5th InternationalCongress on the Science and Technology of Steelmaking，Dresden，2012．
［9］ 鐘良才，朱英雄，曾興富，等． 復(fù)吹轉(zhuǎn)爐熔池?cái)嚢杓夹g(shù)及應(yīng)用［J］． 煉鋼， 2016，32( 5) : 1-10．
［10］ 楊文遠(yuǎn)，蔣曉放，王明林，等． 大型轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝參數(shù)優(yōu)化的研究［J］． 鋼鐵， 2010，45( 10) : 27-32．
［11］ 牛興明，魏春新，李超，等． 底吹透氣元件在線熱更換技術(shù)在260 t 轉(zhuǎn)爐的應(yīng)用［J］． 鞍鋼技術(shù)，2013( 3) : 45-48．
［12］ 韓寶，焦興利，鄧勇． 馬鋼新區(qū)300 噸轉(zhuǎn)爐提高IF 鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積合格率工藝實(shí)踐［J］． 安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33( 3) : 8-9．
［13］ 田勇，王鵬，張志文，等． 260 t 轉(zhuǎn)爐裸露可見(jiàn)底槍吹煉工藝及效果［J］． 鋼鐵，2016，32( 5) : 12-14．
［14］ KITAGAWA N，OSANAI H，SUITO M，et al． Development ofrefining process for production of high purity ultra-low-carbonsteel ( refining technology with converter and ladle) ［J］． Tetsuto-Hagane，1990，76 ( 11) : 1932-1939．
［15］ Kai T，Okohira K． Influence of bath agitation intensity onmetallurgical characteristics in top and bottom blown converter［J］． Tetsu-to-Hagane，1982，68( 14) : 1946-1954．
［16］ LIAO D，SUN S，PYKE N． Mn control at KOBM steelmaking［C］/ /AISTech 2006 Proceedings ( Volume 1 ) ． Cleveland，AIST，2006: 675-682．
［17］ SHIMA T． Advance and prospect of technologies on converter［J］． Tetsu-to-Hagane，1990，76( 11) : 1765-1769．
［18］ MATSUMIYA T，ICHIDA M． Ｒecent progress and topics iniron- and steelmaking technology in Japan［C］/ /The 10thJapan-China Symposium on Science and Technology of Iron andSteel． Chiba: ISIJ-CSM，2004: 1-11．
［19］ EMI T． Steelmaking technology for the last 100 years: towardhighly efficient mass production systems for high quality steels［J］． ISIJ International，2015，55( 1) : 36-66．
［20］ The Technical Society of ISIJ． Production and technology ofiron and steel in Japan during 2014［J］． ISIJ International，2015，55( 5) : 911-921．
［21］ The Technical Society of ISIJ． Production and technology of ironand steel in Japan during 2015［J］． ISIJ International，ISIJInternational，2016，56( 6) : 905-916．
［22］ UEKI T，F(xiàn)UJIWAＲA K，et al． High productivity operationtechnologies of Wakayama Steelmaking Shop［C］/ /The 10thJapan-China Symposium on Science and Technology of Iron andSteel． Chiba: ISIJ-CSM，2004: 18-19．
［23］ TUＲKDOGAN E T． Assessment of P2 O5 activity coefficients inmolten slags［J］． ISIJ International，2000，40( 10) : 964-970．
［24］ TUＲKDOGAN E T． Fundamentals of steelmaking ［M］．London: Institute of Materials，1996．
［25］ TＲUKIHASHI F，NAKAMUＲA M，OＲIMOTO T， et al．Thermodynamics of phosphorus for the CaO-BaO-CaF2 -SiO2and CaO-Al2O3 systems［J］． Tetsu-to-Hagane，1990，76( 10) :1664-1671．
［26］ 密執(zhí)安大學(xué)． 氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼原理［M］． 《氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼原理》翻譯組，譯． 北京: 冶金工業(yè)出版社，1974．
［27］ 王新華． 鋼鐵冶金( 煉鋼學(xué)［M］． 北京: 高等教育出版社，2007．
［28］ LEE Hae-Geon． Materials Thermodynamics［M］． Singapore:World Scientific Publishing Co，2012．
［29］ FUKUMI J，TAKI C，HATANAKA T，et al． Development ofrefining control system in combined blowing converter based onexhaust gas information ( Control of Converter Blowing) ［J］．Tetsu-to-Hagane，1990，76( 11) : 1956-1963．
［30］ SUN S，LIAO D，PYKE N，et al． Development of an offgas /model technology to replace sublance operation for KOBMendpoint carbon control at ArcelorMittal dofasco［J］． Iron ＆Steel Technology，2008，5( 11) : 36-42．
［31］ SCIPOLO V，MAIOLO J． Application of EFSOP holisticoptimizationTM technology to oxygen steelmaking［C］/ /AISTechProceedings． Pittsburg: AIST，2008．
［32］ CEＲIANI A，APＲILE G． Dynamic modeling of the BOF forendpoint prediction using EFSOP technology results andimplementation at Ｒiva Taranto［C］/ /AISTech Proceedings．Pittsburg: AIST，2010: 997-1003．
［33］ 遲京東． 2015 冶金創(chuàng)新論壇暨鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)交流研討會(huì)［C］/ /京津冀鋼鐵行業(yè)節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟等主辦． 北京，2015．
［34］ IWASAKI M，MATSUO M． Change and development of steelmakingtechnology［J］． Nippon Steel Technical Ｒeport，2011( 391) : 88-93．
［35］ HUBMEＲ Ｒ，HEＲZOG K． VAI-CON tap-the missing link inconverter steelmaking ［ C ］/ /AISTech Proceedings．Indianapolis: AIST，2007．