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现代钢铁企业炼钢工艺流程概述

2021-12-25

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述



国内大型钢铁厂遵循“工艺现代化、流程高效化、效益最佳化”的设计理念,构建了基于动态精准生产体系的高效率、低成本、高质量洁净钢生产体系。今天就带大家一起了解一下先进的炼钢工艺技术。



炼钢简介

现代钢铁厂工艺流程概述


现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图1)

红框内为炼钢厂

钢与生铁的区别:


铁和钢最根本的区别是含碳量,理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢,它的熔点在1450-1500℃,而生铁的熔点在1100-1200℃。在钢中,随着碳含量的增加,其强度、硬度增加,而塑性和冲击韧性降低。


现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图2)


现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图3)


炼钢的定义:用氧化方法去除生铁和废钢中的杂质,加入适量的合金元素,使之成为具有高的强度、韧性或其他特殊性能的钢,这一工艺过程称为“炼钢”。

含碳量≤2.0%的铁碳合金,铁碳相图中2.0%C的意义。高温:奥氏体,热加工性能好;常温:以珠光体为主 。

 

为什么炼钢:生铁无法广泛应用。含碳高:高温下无奥氏体;性能不良:硬脆、韧性差、焊接性能差,不能加工;杂质多:S、P、夹杂物含量高。

 

钢中常见元素 :五大元素:C、Mn、S、P、Si(必须要求)。其他元素:V、Cr、Ni、Ti、Cu 等(根据钢种)。存在原因: ①工艺限制:S、P无法完全脱除;②原料残余:废钢残余Cu、Zn;③改善性能:Mn提高强度 Al细化晶粒。元素含量: ①国标要求:GB;②企业标准:企业自定;③其它国家标准:SWRCH82B(日本)。




炼钢工艺流程

炼钢“全三脱”工艺流程配有4座300t KR脱硫站、2座300t脱磷转炉、3座300t脱碳转炉;脱磷工位和脱碳工位采用“2+3”双高跨布置,便于“半钢”铁水倒运;精炼配有2座300t双工位RH炉、2座300t CAS炉和1座300t LF炉;连铸采用4台双流板坯连铸机。工艺特点:采用先进的“一罐到底”、“全三脱”技术,钢水100%精炼工艺处理,铸机高拉速,打造高效快节奏的洁净钢生产平台。“全三脱”工艺流程如图1所示。
现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图4)


转炉炼钢工艺技术

把铁水与废钢混合,倒入转炉中然后吹氧,炉温大约上升到1600℃ , 炉内反应非常剧烈,象火山爆发一样,将碳与主要杂质迅速烧掉(铁水中的锰和硅被氧化,铁水中的碳也被氧化成二氧化碳)。整个过程仅约30分钟,而且不再添加任何燃料,就可炼一炉钢,甚至可做到“负能炼钢”用这种方法炼钢,质量可以与平炉炼出的钢相媲美,所需时间却只有平炉的1/10,效率很高。转炉炼钢已经成为现代钢铁生产的主要工艺。增加炉外精炼后的产品质量进一步得到提高。

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图5)


现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图6)

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图7)

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图8)

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图9)

炉外精炼工艺技术

精炼工艺是将转炉炼的钢液在精炼装置中进行的脱气、脱氧、脱硫、去除夹杂物、合金成分微调、温度精确等一系列钢水质量优化的工作。通过钢水的二次精炼工艺,可以提高钢水的质量、满足不同钢种的特殊要求。因此精炼是现代化钢厂建设和生产序列的核心部分。

精炼是钢厂开发新品种,提升市场竞争力的必要手段、是生产节奏的缓冲器,对于钢厂生产节奏的控制,产品质量的保证都起到了不可替代的作用。

精炼工艺配置分为三类:LF炉工艺、CAS工艺、RH工艺。

目前精炼工艺路线主要分为以下4类:

1) LF精炼工艺:对于低氧、低硫的钢种,如低合金钢、低牌号管线钢,需经LF钢包精炼炉处理后送往连铸机。

2)RH精炼工艺:对于低碳钢、超低碳钢和对气体含量控制要求较高的钢种,需经RH处理后送往连铸。

3)LF+RH双重处理工艺:对某些有特殊质量要求的钢种,如高牌号管线钢、高强钢,需经LF钢包炉和RH真空脱气装置双重处理。

4)CAS精炼工艺:作为LF精炼的并列或替代工艺路线,除脱硫功能外,CAS可完成LF的大部分功能。

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图10)

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图11)

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图12)


板坯连铸工艺技术

连铸:将装有精炼好钢水的钢包运至回转台,回转台转动到浇注位置后,将钢水注入中间包,中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。结晶器是连铸机的核心设备之一,它使板坯成形并迅速凝固结晶。拉矫机与结晶振动装置共同作用,将结晶器内的板坯拉出,经过扇形段冷却,火焰切割成一定长度的板坯。

连铸是把高温液态钢水变成固态板坯的过程。


现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图13)

现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图14)


循环利用技术创新


热态脱硫渣循环利用工艺

为了提高脱硫剂利用率、降低钢铁料消耗、降低处理过程温降、提高冶炼效率和降低脱硫渣量,提出了KR脱硫渣热态返回KR再利用工艺。
“脱硫渣热循环法”是在进行下一炉铁水预处理时,将脱硫精炼后排出的钢渣(脱硫渣)在高温状态下直接再利用的方法。刚刚处理后的脱硫渣为凝结粒的状态,但其后温度下降,使凝结粒崩散,形成新的未反应面。反复使用脱硫渣,
有效利用未反应面,可最大限度地发挥渣的脱硫能力。同时,由于是对高温状态下的渣进行再利用,还可回收排渣时释放的热量,有利于节约资源,降低环境负荷。
因此,热态脱硫渣返回利用后,脱硫渣复合少量脱硫剂使用,脱硫剂消耗可降低30%-40%,可将脱硫剂消耗量控制在1.8-3.0kg/t,铁水温降相对减少10-15℃,总渣量可减少30%-40%,同时,还可降低铁损,减少对环境的污染。

液态脱碳渣返回利用的工艺

转炉热态渣返回脱磷炉利用的工艺流程如图2所示,脱磷炉加废钢、兑铁水后,开始进行脱磷吹炼,吹炼结束后,P2O5质量分数较高的脱磷渣(ω(P2O5)=6%-8%)倒掉,半钢(ω[P]semi≈0.03%)倒入半钢包,半钢由半钢包兑入脱碳炉,进行吹氧脱碳冶炼。脱碳炉冶炼结束后,钢液出钢至钢包进入精炼冶炼,P2O5质量分数较低的脱碳渣(ω(P2O5)≈1.5%)倒入渣罐,液态渣经由渣罐兑入脱磷炉后,开始溅渣操作,液态渣溅干后,开始加废钢和兑铁水,进入下一次转炉双联操作。
现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图15)

转炉除尘灰利用工艺技术开发


采用冷固结技术生产线后,转炉干法除尘灰从2012年11月后实现100%返回到转炉冶炼过程中再利用,其中在2013年达到月产能13285t,产能较2012年炼钢部接手前月产9588t提高3697t,且原料地仓抽测粉末化率从之前的26%,降低到目前稳定控制在10%以下,有效减轻了转炉干法除尘系统的设备运行负荷,减少了冒烟的次数,使冷固球团生产线成为国内第一家采用全干法除尘灰运用冷固结技术压球符合转炉入炉炉料的要求,是国内运用干法除尘灰压球的示范线。
通过对冷固球团生产工艺进行改造后,冷固球的抗压强度由改造前的1041N提升至改造后的1100N,强度提升5.7%,同时,入原料仓的地仓粉末化率下降明显,从攻关前的26.12%左右下降至目前的9.07%。

大型转炉粗灰自循环技术研究

炼钢300t转炉一次除尘粗灰原设计是通过蒸发冷却器排灰系统经刮板机、斗式提升机循序排至积灰罐仓;经真空吸排车吸出,运至冷固球混合细灰等添加粘合剂压制成球烘干;在通过汽车将成品球运至炼钢辅原料地下料仓储存,根据生产需要,通过辅原料皮带倒运至炉顶辅料料仓,在经过振动给料机进入辅原料溜管加入转炉。通过工艺开发和设备改造,实现了大型转炉粗灰自循环,工艺应用后,大大减少了粗灰的倒运成本。

钢包铸余渣、钢液返回利用工艺

铁水在脱磷炉中经过脱磷吹炼后,半钢倒入半钢包中,RH/LF/CAS钢包铸余由钢包倾倒至半钢包中,每个半钢包接收3-4炉铸余,之后通过半钢包,将铸余和精炼渣倒入脱碳炉,如图3所示。
现代钢铁企业炼钢工艺流程概述(图16)
热态精炼渣及铸余返回半钢包工业生产投入运行后,实现钢包铸余以液态形式安全地回收利用。钢包钢水直接倒入半钢包中,解决重型废钢的问题;钢包留钢可提高高级别品种钢的质量;高碱度的钢渣得以循环使用;铸余实现高温液态返回转炉,达到节能的目的。铸余返回半钢包,每月可回收600t,减少格栅48个。


工艺技术的创新


脱磷转炉底吹快换技术

为了提高脱磷炉底吹效果,进一步降低半钢终点磷含量,在脱磷转炉进行转炉底吹枪在线更换试验工作,3-4月份共更换3支底吹枪,更换后冶炼效果良好,其中半钢磷含量较之前降低0.002%,半钢磷含量≤0.035%的比例稳定控制在80%以上,脱磷炉底吹快换工艺逐步成熟。同时脱碳炉采用少渣冶炼,全三脱工艺石灰消耗降低至22kg/t。
通过系列技术措施及设备改造,本炉役半钢磷含量逐渐降低,重要的是半钢磷含量的波动明显变小,为脱碳炉少渣冶炼打下良好基础。
在半钢磷含量稳定控制在较低水平的条件下,围绕脱碳炉少渣冶炼开展如下工作:1)结合脱磷炉滑板挡渣工艺,严格控制半钢下渣量;2)优化脱碳炉留渣工艺的留渣量,减少升温硅铁的使用量,脱碳炉石灰消耗降至12kg/t钢。

转炉CO2-O2混合喷吹技术

本文对CO2气体在转炉炼钢过程的作用进行了热力学分析,通过在300t脱磷转炉和脱碳转炉上,进行CO2和O2混合喷吹工业试验,验证了CO2气体的冶金效果。试验炉次半钢脱磷率比原工艺提高了6.99%,渣中TFe降低0.64%,烟尘量降低2.65%。常规冶炼试验发现:顶吹氧气中混入5%-10%的CO2,可以用于转炉炼钢,同时不影响转炉冶炼节奏。转炉终渣TFe降低3.59%,终点碳氧积下降0.0001,碳氧积分布更为稳定,试验工艺与原工艺相比,炉气中CO含量提高2.66%,增加煤气回收量5.24Nm3/t 钢。

降低转炉出钢温度技术

转炉出钢温度为1678℃,明显高于国内外同行业先进企业控制水平,对冶炼成本及钢水质量、生产稳定性,都造成较大影响,钢包蓄热低以及生产节奏慢是导致出钢温度高的主要原因。针对影响京唐公司转炉出钢温度高的原因,确立了增加钢包加盖项目、加快生产节奏、提高产线生产效率以及推广RH单工位生产模式,来达到降低过程温度损失,从而带动转炉出钢温度的降低。
通过攻关,2017年转炉出钢温度逐月下降,2017年9月降低至1652℃,较攻关前降低26℃,出钢温度的降低为提高废钢加入量、增加坯产量提供了保证,通过提高废钢加入量,板坯产量明显升高。

转炉低氧控制技术

随着RH强制脱碳工艺推进,汽车板品种相应开展降低转炉终点氧含量控制攻关,结合降低转炉碳氧积、降低转炉出钢温度等控制工作,IF钢转炉终点氧含量由年初的550ppm逐步降低至460ppm。

 IF钢顶渣改质技术

高质量钢板在生产时,顶渣TFe含量一般都严格控制,比如宝钢一般将其控制在5%左右,奥钢联林茨厂将TFe平均含量控制在10%左右。对于顶渣TFe波动的问题,通过一系列措施可将顶渣氧化性降低到4%以下。

提高钢包自开率技术

为了提高加盖钢包自开率,避免由于钢包不自开导致铸坯裸浇造成的经济损失,保证重点品种钢的冶炼,经过1年多的实践摸索和技术研究,找到了加盖钢包自开率下降原因,制定了提高加盖钢包自开率的具体措施,有效提高了加盖钢包自开率。
重点对水口结瘤物的结瘤机理及对自开的影响进行分析,分析了钢包加盖后自开率下降的原因,通过规范钢包烧眼、引流砂加砂操作,规范钢包翻渣、处理包沿操作,规范钢包的倒包、试滑操作,缩短双精炼加盖钢包的出钢到开浇时间等攻关措施。通过上述对现场工艺和引流砂质量的改进等措施,钢包不自开炉数由攻关前的8-9炉/月,降低至2炉/月以内。

夹杂物个性化控制技术

根据实际的钢液条件,计算钙处理控制窗口,用于指导不同S、T.O条件下的合理喂钙量。通过优化处理工艺,钢中钙含量由原工艺的30-40ppm降低至10-20ppm,铸坯中夹杂物类型为MgOAl2O3-(CaO)-CaS低熔点和高熔点相复合的夹杂物,B类夹杂≤2.0的一检合格率由96.5%提高至97.5%,夹杂物引起的探伤不合格率由10%降至1.5%以下,提高了管线钢的产品质量。

 FC结晶器应用技术

研究了结晶器单/双股流控制技术,临界吹氩量从14L/min降低至10L/min,为FC mol d使用奠定了基础。为充分发挥下磁场制动作用,增加水口角度和插入深度。
针对下磁场强度过大反而会增大上回流强度,将常规拉速下部线圈电流设定为500-600A。应用后,弯月面铜板温度增加了13℃,钩状坯壳(Hook)深度从2.3mm降至1.7mm,达到了日本JFE公司千叶厂的实际效果。
通过电流参数与拉速匹配、SEN浸入深度、SEN侧孔角度、Ar流量调整等工艺参数优化,将FC mol d的使用拉速范围,从之前“≥1.8m/ min使用”扩展到“≥1.5m/ min”使用,使用FC mol d后,3号铸机LCAK钢带出品率从0.69%降至0.35%。

板坯高拉速生产控制技术

目前,高效连铸技术已成为现代连铸生产发展的重要方向,而高拉速作为其主体技术,一方面可极大地减小建设投资,降低成本,提高产量;另一方面缩短了浇铸时间,带动炼钢、精炼节奏的加快,减少钢水被渣或者空气二次氧化的时间,提高钢水洁净度。
然而,随着拉速的提高,结晶器出口处坯壳厚度减薄,易引发漏钢事故;另一方面,保护渣消耗量随拉速的增加而降低,加之剧烈的液位波动,严重恶化了结晶器内部的传热和润滑状况,并且波动增大极易卷渣,引起轧板表面线状缺陷。针对以上问题,通过采用强冷结晶器、高拉速保护渣、电磁制动、非正弦振动及漏钢预报等技术,改善结晶器传热和润滑,防止漏钢,最终保证产品质量,拉速最高达到了1.8m/min。


MCCR工艺介绍


薄板坯连铸连轧工艺紧凑、自动化程度高,有助于实现智能化生产。我国的薄板坯连铸连轧生产线在采用先进技术的基础上,进行了一些技术创新,如优化漏钢预报系统、原有层流冷却系统基础上新增轧后超快速冷却系统、采用二次除鳞技术、铁素体轧制技术、半无头轧制技术、无头轧制技术等。薄板坯连铸连轧技术的不断进步为其产品开发提供了保障。

连铸连轧的定义:由连铸机生产出来的高温无缺陷坯,不需要清理和再加热(但需经过短时均热和保温处理)而直接轧制成材,这样把“铸”“轧”直接连成一条生产线的工艺流程就称为连铸连轧。


连铸和连轧紧凑联结的方法:连铸坯热装、直接轧制。连铸坯热装工艺是指连铸机生产的钢坯不经过冷却,在热状态下卷入加热炉加热,然后进行轧制的方法。连铸坯直接轧制工艺是指铸机出来的高温铸坯不再经过加热或只对边棱进行轻度的补充加热就直接送往轧机轧制成材。


连铸连轧的优点:1)简化生产工艺流程,生产周期短;2)占地面积少;3)固定资产投资少;4)金属的收得率高;5)钢材性能好;6)能耗少;7)工厂定员大幅降低;8)劳动条件好,易于实现自动化。


MCCR多模式连续铸轧生产线的工艺流程:大包回转台中包车→130/110高拉速薄板坯连铸机→摆动式铸坯除鳞机→摆动式铸坯分切剪→隧道式均热炉→粗轧前除鳞机→三机架粗轧机→转鼓式切头剪→感应加热装置→精轧前除鳞机→五机架精轧机→加强型层流冷却段→高速飞剪→两台地下卷取机。该生产线采用无头轧制技术,以优质、高强、薄规格产品为主导方向;以薄规格低碳软钢为主,替代传统冷轧中低端产品,也可为单机架冷轧提供薄规格基料,降低轧制成本;生产薄规格耐候钢和薄规格结构钢;开发高强度高性能薄规格热轧产品,具备生产1000MPa以上的3.0mm以下的薄规格高强热轧品种能力。首钢京唐MCCR多模式连续铸轧生产线最大的特点就是采用三种模式生产,即无头轧制/半无头轧制/单坯轧制:1)无头轧制模式生产0.8-2.0mm薄规格产品;2)半无头轧制模式生产2.0-4.0mm的一般薄规格产品;3)单坯轧制模式用于头尾坯轧制、单卷取机生产条件下维持生产,可生产1.5-12.7mm的大纲覆盖的全部产品。

大量的理论研究和生产实践已经证明,采用薄板坯连铸连轧工艺生产的优质薄规格热轧产品将取代大量的冷轧产品。一方面,传统热轧工艺生产的热轧带钢将从中间产品转变为最终成品;另一方面,采用薄板坯连铸连轧工艺大批量生产优质薄规格热轧产品将对现有冷轧产品的生产流程产生重大影响。采用薄板坯连铸连轧技术,进一步开发提高薄规格产品比例的技术以及建立薄规格产品标准体系是未来的发展方向。


来源:工匠人冶金科技发展中心