熱軋帶肋鋼筋轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝高效低成本生產(chǎn)實踐

惠澤洲，喬 明

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟(jì)南 271104）

1 前言

熱軋帶肋鋼筋是萊鋼傳統(tǒng)產(chǎn)品，在用戶中具有較高的聲譽(yù)。近年來其他鋼企生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，受眾多因素影響，萊鋼熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)成本核心競爭力已明顯不足，對萊鋼熱軋帶肋鋼筋市場競爭力造成一定影響。在保證萊鋼熱軋帶肋鋼筋產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)上，降低熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)成本，對于提高萊鋼熱軋帶肋鋼筋市場競爭力意義重大。

2 生產(chǎn)條件

2.1 連鑄機(jī)裝備工藝條件

萊鋼煉鋼廠現(xiàn)有3座50 t頂吹轉(zhuǎn)爐，1座60 t頂吹轉(zhuǎn)爐，2 座50 t LF，1 座60 t LF，1 臺帶鋼坯連鑄機(jī)，2臺小方坯連鑄機(jī)，1臺矩形坯連鑄機(jī)。小方坯連鑄機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：機(jī)型為全弧形STEEL-STEK小方坯連鑄機(jī)；流數(shù)4 機(jī)4 流；鑄坯斷面160 mm×160 mm；定尺范圍5.5～10.0 m；速度范圍1.6～2.8 m/min；鑄機(jī)圓弧半徑8 m；中間包滿包容量22 t；結(jié)晶器型式為弧形管式；銅管長度850 mm；結(jié)晶器振動裝置全板簧振動機(jī)構(gòu)；鑄坯冷卻方式為全水冷卻；拉矯機(jī)為五輥三驅(qū)動。

2.2 工藝流程及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

50 t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬→連鑄鋼包回轉(zhuǎn)臺→中間包→結(jié)晶器→二次冷卻區(qū)→拉矯機(jī)→火焰切割→冷床。

萊鋼老區(qū)熱軋帶肋鋼筋年產(chǎn)量為180 萬t。噸鋼硅錳加入量為19.65 kg，釩氮合金加入量為0.49 kg。轉(zhuǎn)爐終點碳平均為0.085%，終點殘錳回收率平均為40.16%。

3 存在問題

（1）受入爐原料條件波動和轉(zhuǎn)爐爐容比小等因素影響，轉(zhuǎn)爐冶煉前期溢渣量大，過程返干嚴(yán)重，脫磷效率低。

（2）轉(zhuǎn)爐終點碳溫命中率低，鋼水氧化性強(qiáng)，合金回收率低；受合金加入量大、合金價格高、成分控制標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)性差等原因影響，熱軋帶肋鋼筋合金成本高。

（3）出鋼過程鋼包內(nèi)鋼水動力不足，鋼水成分均勻性差，初煉鋼水成分控制精度低，精煉工序成分微調(diào)成本高。

4 技術(shù)方案優(yōu)化

4.1 轉(zhuǎn)爐終點精準(zhǔn)控制技術(shù)

4.1.1 轉(zhuǎn)爐入爐熱平衡精準(zhǔn)控制技術(shù)

高爐容積小、入爐原料品位質(zhì)量差、煉鋼工序鐵水預(yù)處理能力不足等因素，導(dǎo)致老區(qū)轉(zhuǎn)爐入爐鐵水成分及溫度波動嚴(yán)重，轉(zhuǎn)爐熱平衡控制差，轉(zhuǎn)爐冶煉過程溢渣嚴(yán)重，終點溫度控制精度不高。2019年轉(zhuǎn)爐終點溫度不達(dá)標(biāo)點吹爐次比例為18.36%，對轉(zhuǎn)爐終點溫度精準(zhǔn)控制影響較大。萊鋼煉鋼廠根據(jù)轉(zhuǎn)爐冶煉需求，結(jié)合鐵水實際情況制定入爐鐵水控制標(biāo)準(zhǔn)（見表1），實施脫硫站鐵水在線溫度調(diào)控、選擇性脫硅工藝和入爐鐵水分級控制，在國內(nèi)率先進(jìn)行了高標(biāo)準(zhǔn)的廢鋼分類儲存、廢鋼數(shù)量和結(jié)構(gòu)比例精準(zhǔn)計量，實現(xiàn)入爐鐵水熱量按需控制，并借鑒煙氣分析熔池溫度預(yù)報曲線建立入爐原料熱平衡靜態(tài)模型，實現(xiàn)入爐原料品位和信息精準(zhǔn)控制和入爐熱平衡精準(zhǔn)預(yù)報，為轉(zhuǎn)爐輔料和冷料加入提供指導(dǎo)。

表1 入爐鐵水分級控制標(biāo)準(zhǔn)

4.1.2 轉(zhuǎn)爐輔料分批、低堿度爐渣操作模型

（1）轉(zhuǎn)爐最佳爐渣模型建立。爐渣堿度和渣中（FeO）是衡量爐渣的關(guān)鍵指標(biāo)，也是影響冶金效果的主要因素，通過研究轉(zhuǎn)爐各階段爐內(nèi)爐渣組分對各反應(yīng)速率影響，得出不同條件下爐渣主要組分控制范圍值，見表2。

表2 轉(zhuǎn)爐爐渣性質(zhì)模型

根據(jù)冶煉成本最低，爐內(nèi)快速反應(yīng)，操作易于控制的原則，結(jié)合萊鋼轉(zhuǎn)爐實際，建立轉(zhuǎn)爐爐渣性質(zhì)最佳模型。

（2）轉(zhuǎn)爐操作模型優(yōu)化。按照爐渣性質(zhì)最佳模型要求，根據(jù)爐內(nèi)反應(yīng)氧量供需量和入爐熱平衡靜態(tài)控制模型確定的轉(zhuǎn)爐輔料、冷料量，對轉(zhuǎn)爐操作模型進(jìn)行優(yōu)化。通過實施冶煉過程均勻布料技術(shù)，即開吹按爐渣堿度模型和熱平衡需求加入定量輔料和冷量，達(dá)到冶煉起始溫度恒定；硅錳氧化期根據(jù)硅、錳氧化速率，分批加入剩余輔料，達(dá)到爐渣堿度按需控制；冶煉中期通過均勻布料裝置，將剩余冷料均勻加入爐內(nèi)，達(dá)到爐內(nèi)溫度均勻上升和爐內(nèi)爐渣氧化性恒定，實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐各階段爐渣堿度和渣中（FeO）按需精準(zhǔn)控制和全程熔池溫度均勻上升。

4.1.3 轉(zhuǎn)爐終點碳、錳提升技術(shù)

轉(zhuǎn)爐終點由于熔池中碳含量降低，碳氧反應(yīng)減緩，生成的CO 氣體減少，熔池攪拌能力下降，導(dǎo)致熔池氧化性增加，對轉(zhuǎn)爐終點錳元素回收和碳含量提升影響較大。通過調(diào)整轉(zhuǎn)爐終點槍位、氧壓平衡熔池碳氧反應(yīng)，降低轉(zhuǎn)爐終渣FeO含量。

（1）轉(zhuǎn)爐終點槍位、氧壓調(diào)整。根據(jù)弗林納公式看出，轉(zhuǎn)爐終點熔池氧流穿透深度在0.4～0.7 m時，在爐底不受侵蝕的前提下實現(xiàn)熔池動力最佳，碳氧反應(yīng)平衡，使轉(zhuǎn)爐終點碳氧積得到有效降低，轉(zhuǎn)爐終點熔池穿透深度取決于轉(zhuǎn)爐終點槍位和氧氣壓力，根據(jù)力的平衡原理，考慮壁面效應(yīng)，結(jié)合轉(zhuǎn)爐終點熔池最佳需氧量，確定轉(zhuǎn)爐終點最佳槍位和氧壓控制值。

結(jié)合最佳槍位和氧壓控制值、實際操作情況、生產(chǎn)組織及氧槍安全等因素，對轉(zhuǎn)爐終點槍位及氧壓進(jìn)行調(diào)整（見表3）。

表3 轉(zhuǎn)爐終點槍位及氧壓優(yōu)化方案（喉口Φ26.9 mm）

（2）轉(zhuǎn)爐終點殘錳提升控制方案。①冶煉前根據(jù)入爐鐵水硅、錳含量確定冶煉前期硅、錳氧化結(jié)束時間。②轉(zhuǎn)爐第一批石灰量按爐渣堿度2.0計算加入，第一批白云石加入量為總量的4/5，冶煉至硅、錳氧化結(jié)束時間的3/4時加入剩余石灰量的1/2，并將氧流量減少5%～8%，槍位降低50～200 mm。③硅、錳氧化期結(jié)束后將氧流量及槍位恢復(fù)正?？刂?，并加入剩余石灰和燒結(jié)礦。④冶煉至終點前1 min加入剩余白云石，并將槍位降低150～400 mm。

通過轉(zhuǎn)爐終點殘錳提升控制方案實施，改善爐內(nèi)氧化氣氛和爐渣成分，減少冶煉過程錳元素氧化量，增加轉(zhuǎn)爐終點錳元素還原量，提高轉(zhuǎn)爐終點鋼水錳元素，降低合金成本。

4.2 動態(tài)經(jīng)濟(jì)合金化控制模式

4.2.1 熱軋帶肋鋼筋最佳成分控制標(biāo)準(zhǔn)建立

通過系統(tǒng)分析熱軋帶肋鋼筋各元素對軋材性能影響，根據(jù)各類合金市場價格確定熱軋帶肋鋼筋成分最佳控制標(biāo)準(zhǔn)。熱軋帶肋鋼筋主要元素對性能貢獻(xiàn)值及成本對照見表4。

表4 熱軋帶肋鋼筋主要元素對性能貢獻(xiàn)值及成本對照

根據(jù)熱軋帶肋鋼筋中各元素對屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)值和單位屈服強(qiáng)度成本，確定熱軋帶肋鋼筋成分控制標(biāo)準(zhǔn)管控思路為“提碳、降硅、控錳釩”，根據(jù)熱軋帶肋鋼筋成分工藝要求制定熱軋帶肋鋼筋最佳成分控制標(biāo)準(zhǔn)如表5。

表5 熱軋帶肋鋼筋最佳成分控制標(biāo)準(zhǔn)表（HRB400E-2）%

4.2.2 動態(tài)經(jīng)濟(jì)合金替代模型

硅錳平衡低價合金替代模型。為在保證實際生產(chǎn)中熱軋帶肋鋼筋硅錳成分達(dá)到最佳控制標(biāo)準(zhǔn)，通過平衡含錳、硅合金中硅錳元素比例，結(jié)合轉(zhuǎn)爐出鋼過程各元回收率制定硅錳平衡低價合金替代模型。

4.3 轉(zhuǎn)爐出鋼過程鋼水成分高效混勻技術(shù)

4.3.1 轉(zhuǎn)爐出鋼紊流工藝研究與實施

由于紊流對溶液中各溶質(zhì)的力呈各向異性，在外力相同情況下，溶液中溶質(zhì)的混勻程度好于對流，混勻時間比對流短，出鋼過程中通過在出鋼前期向鋼水中加入適量碳質(zhì)脫氧劑，出鋼過程中鋼水中產(chǎn)生的CO氣泡在上升過程中與出鋼口中的鋼流在鋼包中產(chǎn)生紊流（見圖1），實現(xiàn)出鋼過程鋼水各元素快速混勻。

圖1 出鋼模型示意圖

4.3.2 轉(zhuǎn)爐全程智能吹氬工藝

將吹氬起始時間由精煉到站調(diào)整到轉(zhuǎn)爐出鋼階段，使精煉吹氬工序工藝時間由10 min 減少到8 min 以下。由于出鋼過程吹氬時，鋼包底部氬氣流在出鋼鋼流沖擊和轉(zhuǎn)爐出鋼前期碳質(zhì)脫氧產(chǎn)生的CO 攪拌等多力作用下，鋼包攪拌由對流攪拌變?yōu)槲闪鲾嚢?，增?qiáng)鋼水均勻能力，全程吹氬工藝將前期底吹氬流量適當(dāng)降低（見表6），在保證鋼水成分均勻的基礎(chǔ)上，降低吹氬工序熱量損失，由于精煉工序等待時間縮短和吹氬過程底吹氬氣量減少，精煉工序溫降得到有效降低。

表6 底吹氬模型優(yōu)化

5 應(yīng)用效果和分析

5.1 轉(zhuǎn)爐終點控制質(zhì)量改善

通過實施入爐熱平衡精準(zhǔn)控制和轉(zhuǎn)爐輔料分批低堿度爐渣操作模式，轉(zhuǎn)爐冶煉過程爐內(nèi)溫度和爐渣氧化性實現(xiàn)按需控制，轉(zhuǎn)爐冶金效果明顯改善，轉(zhuǎn)爐終點溫度控制精度和脫磷率得到提高，轉(zhuǎn)爐終點碳溫雙命中率由80.20%提高到90.25%，渣中（FeO）由13.89%降至13.21%，轉(zhuǎn)爐終點碳和殘錳回收率分別提高至0.106%和46.5%，合金加入量大幅降低（見表7）。

表7 轉(zhuǎn)爐關(guān)鍵指標(biāo)對比

5.2 鋼種成分控制精度明顯提升

通過實施轉(zhuǎn)爐出鋼過程鋼水高效混均技術(shù)和熱軋帶肋鋼筋最佳成分控制標(biāo)準(zhǔn)的建立，熱軋帶肋鋼筋成分控制穩(wěn)定性明顯提高，其中錳元素控制精度提高12.8%，釩元素控制精度提高11.5%，熱軋帶肋鋼筋碳含量≥0.23% 比例由75.25% 提高至90.68%，產(chǎn)品質(zhì)量得到本質(zhì)化穩(wěn)定（見表8）。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著

高效低成本熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)工藝使轉(zhuǎn)爐終點控制精度提高，合金加入量減少，噸鋼成本降低3.8元；產(chǎn)品質(zhì)量本質(zhì)化穩(wěn)定，品牌創(chuàng)效能力明顯增強(qiáng)；轉(zhuǎn)爐輔料消耗降低，廢物外排壓力降低，實現(xiàn)高效低能耗綠色冶煉，為企業(yè)綠色發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

表8 熱軋帶肋鋼筋性能情況對比

6 結(jié)語

通過轉(zhuǎn)爐終點精準(zhǔn)控制、動態(tài)經(jīng)濟(jì)化合金化控制、出鋼過程鋼水成分高效混勻等關(guān)鍵技術(shù)的集成與創(chuàng)新，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)過程操作穩(wěn)定和終點控制質(zhì)量提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到本質(zhì)化穩(wěn)定，實現(xiàn)了熱軋帶肋鋼筋高效、低成本冶煉。