某鋼廠搬遷升級改造項目煉鋼工程設計特點

魚洋洋

（中冶京誠工程技術有限公司，北京100176）

0 概述

老廠異地搬遷改造是企業實現產品升級換代和綠色可持續發展的主要途徑。 按照深化鋼鐵行業供給側結構性改革和鋼鐵行業高端化、 精品化、綠色發展的轉型要求，某鋼廠實施了戰略轉移搬遷工程，由省會中心城市搬遷至新廠區。 項目占地2537.3 畝，設計產能226 萬噸合格鋼材。

鋼鐵企業搬遷是個高度復雜的系統工程，一個完整的新建項目規劃設計流程（如圖1 所示）是項目順利進行和實施的重要保障。 本文按照項目規劃設計流程，結合該鋼廠搬遷升級改造項目的產品和環保定位，對該搬遷項目的產品規格種類、生產工藝流程、核心設備配置、生產車間布置進行了分析和闡述。 本著綠色環保和高智能化的原則，確定了超高功率直流電弧爐＋LF 精煉爐＋RH 真空精煉爐＋方坯連鑄的短流程特優鋼冶煉生產工藝，經過精心設計、施工和調試，目前煉鋼工序已經順利投產。

圖1 項目設計工作流程

1 產品定位及工藝路線

1.1 產品定位

該企業搬遷前產品是優特鋼中小規格棒材，為進一步優化產品結構、提升產品檔次，新廠的產品拓展了原產品的規格、型號和品種，棒線下限規格從φ13 mm 下探到φ5.0 mm，上限規格從φ180 mm延伸到φ260 mm，實現了優特鋼線材、大中小規格棒材、扁鋼、方坯全品類覆蓋；鋼種從現有的齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、合金結構鋼、易切削、非調質鋼、管線鋼、錨鏈鋼、優質碳素結構鋼等基礎上，又擴展了冷鐓鋼、硬線鋼（預應力鋼絲、鋼絞線、簾線用鋼）等。

1.2 工藝路線

依據上述產品定位，考慮到優特鋼的生產特點、搬遷后的環保要求及其他成熟工藝要求，該項目的推薦工藝路線如圖2 所示。

圖2 項目工藝路線

（1）設置廢鋼加工工序。 對外購的廢鋼進行破碎和剪切處理，達到入爐的尺寸及重量要求。

（2）煉鋼部分采用短流程工藝。 即采用電爐＋LF爐＋RH 爐＋方坯連鑄，考慮到特鋼對鑄坯的要求較高，還配置了鑄坯精整設施。

（3）軋鋼部分采用高線、小棒、中棒和大棒四條生產線。 高線生產φ5 mm～25 mm 盤條，小棒生產φ13 mm～60 mm 圓鋼，中棒生產φ40 mm～120 mm圓鋼，大棒生產φ80 mm～260 mm 圓鋼。各條軋線既有重點生產規格，又有部分搭接。 后部再根據市場對產品的需求，另行配置了精整、探傷、熱處理、銀亮等鋼材深加工的精整設施。

1.3 搬遷工程設計指標

電爐設計指標如表1 所示，全廠總體設計指標如表2 所示。

表1 電爐設計指標

表2 全廠設計指標

2 煉鋼工序設備配置及核心設備選型

2.1 設備配置

經過計算，最終確定的短流程冶煉工藝及其設備配置如圖3 所示。

2.1.1 電爐工序配置

煉鋼配置：經產量計算，需配置2 座130 t 的電爐，3 座130 tLF 精煉爐，2 座130 tRH 精煉爐。

2.1.2 連鑄工序配置

連鑄配置：連鑄機配置常規設計是按2 座電爐配三臺連鑄機，但研究發現，這種配置不能滿足特鋼產品的多變化、鋼水純凈度高、連澆爐數低（4～6 爐）和生產準備時間長（最長180～240 min）的特點。 為了最大潛力發揮電爐能力，同時保障連鑄機有穩定的生產拉速。 最終其配置原則為： 2 座電爐配置2臺連鑄機，另建2 臺連鑄機作為熱備機。 另外對于特鋼生產最重要的專業化一對一生產，也要求配置4 臺連鑄機，來滿足后續軋鋼的工藝要求。

2.2 核心設備選型

不同的供應商的設備優缺點各有不同，經分析和對比多個設備供應商后，對搬遷新建項目主要的設備選型進行了確定。

2.2.1 電爐選型

該搬遷項目的最大特點是采用電爐短流程冶煉工藝，廢鋼預熱體現了低能耗和綠色環境當前兩大電爐發展趨勢。 典型的爐型有：TENOVA 的CONSTEEL 水平連續加料預熱電爐、Primetals-Quantum 電弧爐、SPCO-ECOARC 電弧爐和SMSSHARC。

圖3 項目設備配置

經綜合研判，最終選擇西馬克雙豎井廢鋼預熱超高功率直流電弧爐。 該電爐采用廢鋼預熱全廢鋼冶煉，閉爐門操作、泡沫渣技術、底攪拌等技術，復合噴吹供氧、 二次燃燒等技術，實現煉鋼高效、節能、環保冶煉。

2.2.2 連鑄的選擇

2.2.2.1 連鑄機斷面的選擇

連鑄機斷面的選擇直接決定著生產效率和實物質量，鑄坯斷面的配置，既要兼顧生產效率，又要滿足優特鋼大壓縮比的要求。 為滿足棒材軋制壓縮比不小于7 的要求，各連鑄機斷面的選擇如下：

（1）小棒要和高線兼顧共用，所以1號方坯連鑄機鑄坯規格為200 mm ×200 mm 和150 mm ×150 mm；

（2） 中棒線坯料依然沿用原廠的斷面，所以2號方坯連鑄機鑄坯規格為300 mm×340 mm；

（3）大棒為了更大的壓縮比，所以與其配套的3號方坯連鑄機鑄坯規格為410 mm×530 mm，4號方坯連鑄機鑄坯規格為460 mm×610 mm。

2.2.2.2 連鑄機形式選擇

立式連鑄機由于其垂直布置的特點，具備一系列弧形連鑄機不具備的先天優勢，可生產高端鋼種。 考慮到新廠的產品定位，因此決定建設一臺立式連鑄機（4號連鑄機），服務于優特鋼大棒的生產，從裝備水平上提升一個檔次。 該立式連鑄機澆注斷面規格為460 mm×610 mm，是目前世界范圍內最大的大方坯連鑄機。

立式連鑄機的主要優勢：鑄坯內部鑄造組織完全對稱，不存在內外弧差別；其垂直布置的特點有利于夾雜物上浮和氫的逸散，凝固析出的氫聚合成為氫分子上浮逸出，減小氫對鑄坯的危害；另外，立式連鑄機鋼水靜壓力比弧形鑄機大的多，對于鑄坯內部質量有明顯提高。

立式連鑄機的主要生產品種： 由于上述優勢，立式連鑄機可生產純凈度高、 組織均勻的軸承鋼、高品質的簾線鋼、彈簧鋼，實現高鐵軸承國產化，打破國外材料壟斷現狀；利用其規格大、質量好的優點可以生產大規格的大型裝備原材料，如工業齒輪、滲碳軸承、工業軸承、大規格曲軸，可以實現以軋代鍛，提高產品競爭力，替代進口；利用其不用矯直的優點生產高合金模具鋼、工具鋼等，以連鑄代替模鑄電渣熔鑄材，形成低成本、高質量的生產工藝路線。

3 工廠布置

工廠布置是設計工作的重要環節，物流走向則是衡量工廠布置是否合理的最重要因素之一。 生產工藝的物流走向直接決定了設備最大能力的發揮、生產成本的高低和企業競爭能力。

針對上述的主要工藝設備特點，從物流角度出發，研究了多達10 多種工廠布置方案，并結合原生產企業的習慣進行了充分論證。

3.1 連鑄機和軋鋼線的對應布置

連鑄機和軋機的布置緊密銜接，需統籌考慮。本項目共建有高線、大棒、中棒、小棒4 條軋線，以大棒軋線作為基準，其相互組合的布置主要有以下幾種：

大棒布置在端部，則有：高-小-中-大、大-中-小-高、小-高-中-大、大-中-高-小、大-高-小-中幾種布置方式。

大棒布置在中間，則有：高-大-中-小、小-中-大-高、高-大-小-中、中-小-大-高、高-小-大-中幾種布置方式。

通過對上述軋機的布置方案的對比分析，再結合連鑄機的布置原則（熱送距離最短，轉盤盡量少），最終形成軋鋼車間布置方案：軋線自西向東按高線、大棒、中棒、小棒順序布置。4號立式連鑄機和3號大方坯連鑄機對應大棒軋機緊湊布置，2號連鑄機對應中棒軋機緊湊布置，1號連鑄機對應小棒軋機緊湊布置。

3.2 電爐的相對布置

2 座電爐的相對布置有兩種方案，一種是集中布置，一種是分開布置，考慮到特鋼生產的特點，為滿足一對一的專業化生產，最終選擇電爐分開布置。 其優缺點如表3 所示：

表3 不同布置的優缺點

3.3 電爐跨的布置

根據已選擇電爐的設備特點，其加料方向與出鋼方向在一條線上，這樣電爐跨布置有兩種方式，一種是與精煉連鑄車間平行，一種是與精煉連鑄車間垂直，考慮到環保要求及總圖條件，最終選擇丁字跨布置。 其優缺點如表4 所示。

表4 電爐跨不同布置優缺點

4 綠色環保及智能煉鋼工程

4.1 綠色環保工程

4.1.1 環境除塵系統

煉鋼在所有產塵點均設置了煙塵收集裝置，煙塵收集后進入各除塵系統處理后達標排。

（1）電爐除塵系統。 包括一次煙氣、屋頂罩二次煙氣、出鋼、出渣，并預留兌鐵煙塵收集點。

（2）精煉除塵系統。 包括LF 精煉爐、拆爐、中包傾翻、上料、扒渣、拆包、鋼包熱修、RH 喂絲、修爐、真空感應爐、中包傾翻及上料除塵點。

（3）鑄坯的火焰切割設置除塵系統。

（4）中間包澆筑設置除塵系統。

（5）地下料倉上料設置除塵系統。

4.1.2 電爐除塵系統煙氣捕集方式

電爐除塵系統煙氣捕集方式：一次煙氣采用燃燒沉降室＋急冷塔＋二次屋頂罩煙氣混合＋活性炭噴射＋火花捕集器。

電爐除塵系統特點： 電爐采用高效先進的煙氣處理及除塵系統，更加綠色環保。 主要包括以下特點：

（1）采用特殊設計的錐形屋頂罩，控制罩口流速，可有效捕集電爐加料及冶煉過程中產生的二次煙氣。

（2）采用專門的除塵罩捕集出鋼、出渣產生的煙氣，實現煙氣的全方位捕集。

（3）采用絕熱煙道和天然氣燒嘴，保證一次煙氣溫度在900 ℃以上； 采用急冷塔將一次煙氣急速冷卻至270 ℃；外加活性炭噴吹技術，可有效降低煙氣中的二噁英含量。

（4）除塵器入口采用火花捕集器，并增加混風閥，避免火星和高溫煙氣燒壞布袋。

（5）三臺風機圍繞混凝土進風箱布置，兩用一備，節省占地。

4.2 智能煉鋼工程

本次設計緊密融合大數據人工智能技術、無人操作技術，結合短流程特鋼的生產特點，按照高標準進行設計規劃。 主要包括以下內容：

4.2.1 煉鋼工程師站

建立煉鋼工程師工作站，有利于優化煉鋼系統的物質流、能量流、信息流等，為提高煉鋼系統的整體管理水平和控制能力創造了良好的硬件基礎。

煉鋼工程師工作站可實現了廢鋼配料天車、鋼包吊運天車以及鑄坯吊運天車的全程跟蹤和智能調度管理；對煉鋼車間內的鋼包采用視頻識別等先進的手段進行全程流轉跟蹤，保證鋼包的安全運行，提高煉鋼車間內的物流運輸效率。

4.2.2 自動無人駕駛天車

本項目對于電爐加廢鋼所用的100 t 天車，除了常規的人工操作外，此天車還配備了自動功能，對廢鋼料籃的起吊、調運、座包等操作可實現無人駕駛。

4.2.3 各工序二級控制模型

本項目所有的生產工序都配備了二級過程控制系統，部分關鍵工序如電爐、連鑄等，采用了國外進口成熟的二級過程控制系統，配備了成分預報，爐溫控制，質量跟蹤判定等先進的冶金模型，滿足煉鋼全流程動態生產管控的需求。

4.2.4 煉鋼MES 生產管理系統

本項目配備了MES 生產管理系統，實現銷售訂單接收轉換，動態排程、過程跟蹤、動態成本統計、庫存發貨等煉鋼全流程業務的動態管理。

5 結語

目前該項目的1號電爐及其附屬工藝生產設施已進入熱試投產階段。 從1號電爐生產系統熱試的情況看，電爐本體及豎井系統運行正常，點弧平穩、冶煉正常、熔化快，二次電流用到了85000 安培，二次電壓用到了750 伏，功率用到了120 MW（變壓器額定功率140 MVA），出鋼溫度1630 ℃。電爐配套的工藝設備運行正常。

1號電爐系統經過近2 個月的試生產，各項指標穩步提高，且已通過重點客戶的認證，基本達到設計指標。 隨著各環節的陸續投產，該項目已逐步釋放出設計產能。