薛 志，郭偉達，李強篤，高志濱
（萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司 煉鋼廠，山東 萊蕪 271104）
摘 要：從氧槍噴頭參數(shù)設(shè)計、底吹供氣系統(tǒng)優(yōu)化、鋼包加蓋、納米包襯、動態(tài)脫氧、分段式自動控制模型等方面介紹了新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用對轉(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)升級改造、開發(fā)動態(tài)脫氧方案、分段式自動控制模型等措施實施，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐高效低成本冶煉，使萊鋼轉(zhuǎn)爐工序成本達到國內(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、自動出鋼等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)以及機械手臂、智能機器人的應(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，仍存在冶煉周期長、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。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)激光測厚儀測量結(jié)果，測算整個爐役爐容比變化規(guī)律，結(jié)合實際操作情況，設(shè)計多種參數(shù)的氧槍噴頭，在整個爐役不同階段選擇不同參數(shù)氧槍噴頭，達到穩(wěn)定操作、降低消耗的目的。根據(jù)激光測厚結(jié)果計算爐容比變化規(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攪拌效果和最短的熔池混勻時間。關(guān)于底吹噴嘴在轉(zhuǎn)爐的布置主要有2種方式：一是對稱底吹噴嘴布置方式，即所有的底吹噴嘴均布置在 1 個對稱軸上；二是非對稱底吹噴嘴布置方式，即所有的底吹噴嘴沒有1個對稱軸。一些研究表明，在1個給定的轉(zhuǎn)爐爐型中，如果采用非對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噴嘴對稱底吹布置方式，通過自主開發(fā)大流量強對流供氣模型，在原有 8 個底吹槍基礎(chǔ)上，去掉出鋼側(cè) 2 個底吹，提高其它 6 支槍供氣流量，實現(xiàn)吹煉過程大流量強對流供氣模式，并在全國首次應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐實際生產(chǎn)。對優(yōu)化底吹模式前后 6 個月的數(shù)據(jù)進行收集，通過分析對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的底吹模式對降低轉(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)化前后對比情況見表1、表2。
2.2 鋼包系統(tǒng)升級改造
轉(zhuǎn)爐降低出鋼溫度，若要保證精煉爐進站溫度合適，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 個方面。根據(jù)數(shù)據(jù)計算，它們在熱損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到熱平衡，才能起到保溫作用。達到熱平衡的時間越短，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120 t鋼包空包開始后，第1個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5 min內(nèi)。為了彌補溫降損失，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)爐進精煉爐的出鋼下限溫度。同時在精煉冶煉完成后在鋼水表面覆蓋一層覆蓋劑以達到保溫作用。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，而且對精煉電耗消耗巨大，同時也對連鑄澆鑄質(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，具備最低的導(dǎo)熱性能。通過鋼包測溫數(shù)據(jù)對比發(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溫數(shù)據(jù)比較見表3。
2.3 動態(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是一種極強的脫氧元素，常用作終脫氧劑。若單獨使用Al進行脫氧，當(dāng)W［Al］＜1×10-4 時，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 探頭測量出鋼前鋼水氧含量，對轉(zhuǎn)爐鋁錳鐵加入量與終點氧含量進行對比，通過多爐次試驗總結(jié)分析，形成散點圖見圖5。
根據(jù)終點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=測算脫氧劑Al含量/實際脫氧劑Al含量。
注：公式僅適用于測算轉(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 脫氧劑自動控制程序開發(fā)
根據(jù)標(biāo)準，制作動態(tài)脫氧自動控制程序與轉(zhuǎn)爐副槍二級連接，副槍TSO測量完畢后，采集終點氧含量進行計算，計算結(jié)果反饋給一級進行合金稱量，出鋼時自動加入。
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，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 晶粒或者剛剛落入初渣中的CaO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的3CaO·SiO2，冶煉初期才能在較低的溫度下，形成的爐渣流動性才更好；脫磷渣根據(jù)終點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=測算脫氧劑Al含量/實際脫氧劑Al含量。
注：公式僅適用于測算轉(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 脫氧劑自動控制程序開發(fā)
根據(jù)標(biāo)準，制作動態(tài)脫氧自動控制程序與轉(zhuǎn)爐副槍二級連接，副槍TSO測量完畢后，采集終點氧含量進行計算，計算結(jié)果反饋給一級進行合金稱量，出鋼時自動加入。
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，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 晶粒或者剛剛落入初渣中的CaO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的3CaO·SiO2，冶煉初期才能在較低的溫度下，形成的爐渣流動性才更好；脫磷渣主要作用是脫P，其特點是爐渣氧化性強，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。
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鋼水溫度，都可以促進終渣中固磷的3CaO·SiO2有效生成。
根據(jù)以上P元素平衡機理分析，結(jié)合新區(qū)轉(zhuǎn)爐操作實際，按以下節(jié)點進行劃分，分5個階段控制：
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。
各個時期反應(yīng)特點如下。
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)延長脫磷期的時間，同時控制前期噴濺。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：進一步強化返干期渣子的融化，以適當(dāng)軟吹為主，達到黃金3 min的目的，進一步強化脫P。在冶煉10～11 min時，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；在測溫定碳之前1 min之內(nèi)保證300 kg冷料，目的是強化脫P。從實踐看，此階段脫P率60%左右，具有很好的效果。
收渣期：通過壓槍、提高氧壓，達到降低渣中FeO含量，使得鋼渣具有較高的P分配比。在測溫定碳之后壓槍時間延長10 s左右，目的是進一步還原渣中氧化鐵，起到固磷作用。
實施“4個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)不同的鐵水條件進行分配，當(dāng)原料條件傳入二級系統(tǒng)時，系統(tǒng)根據(jù)鐵水硅、鐵水溫度的情況，對二級服務(wù)器中的模型進行甄選識別，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)計的多種氧槍噴頭參數(shù)，根據(jù)爐容比變化進行選取，并在全國首次開發(fā)使用大流量強對流底吹供氣系統(tǒng)，底吹供氣強度提高，對熔池的攪拌能力增強，充分發(fā)揮了頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的冶金優(yōu)勢，取得了良好的冶金效果。
2）通過對鋼包等關(guān)鍵設(shè)備升級改造，實現(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）通過自動控制程序，轉(zhuǎn)爐脫氧劑實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整、自動加入，脫氧劑效果得到明顯改善，脫氧不足造成的精煉進站氧含量高以及過分脫氧造成的脫氧劑浪費現(xiàn)象均明顯減少，鋼水質(zhì)量提升的同時脫氧劑用量明顯降低。
4）根據(jù)P元素平衡機理分析，結(jié)合新區(qū)轉(zhuǎn)爐操作實際，按照初渣期、脫磷期、返干期、固磷期、收渣期 5 個階段節(jié)點進行劃分，實現(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；大流量強對流底吹供氣系統(tǒng)，能夠提高對熔池的攪拌能力，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 分段式自動控制模型能夠提高轉(zhuǎn)爐去磷效率，過程自動控制穩(wěn)定。
參考文獻：
［1］ 劉根來，張宏文 . 煉鋼原理與工藝［M］. 北京：冶金工業(yè)出版社，2004.
［2］ 包燕平，馮捷.鋼鐵冶金學(xué)教程［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2013.