攀钢半钢炼钢技术进步文档格式.docx
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精炼
130tLF炉4座
加热;
成分微调;
造渣精炼。
130tRH真空3套
脱气;
去除夹杂;
成分微调。
连铸
1#板坯连铸机
全弧型2机2流,断面200mm×
(750~1350)mm。
2#板坯连铸机
直弧型单流铸机,断面200mm×
(900~1350)mm,液压振动,漏钢预报,动态二冷。
1#大方坯连铸机
全弧型6机6流,断面280mm×
380(325)mm,结晶器电磁搅拌,液压振动,动态二冷,凝固末端轻压下。
2#大方坯连铸机
全弧型4机4流,断面360mm×
450mm,结晶器电磁搅拌、液压振动,动态二冷,凝固末端轻压下。
3#方圆坯连铸机
全弧型6机6流,断面200mm×
200mm,结晶器电磁搅拌、液压振动,动态二冷。
攀钢炼钢厂原设计3座120t转炉,年产钢150万吨,钒渣8.9万吨,通过二期技改(新建2座120t提钒转炉)和三期建设(增加2座120t炼钢转炉),钢产量和钒渣产量大幅度提高,2010年炼钢产量、钒渣产量分别达到547万吨、25.4万吨,大大超过原设计产量,并于2004年5月实现了全连铸。
攀钢投产以来历年钢产量、钒渣产量、连铸坯产量和连铸比的增长情况分别见图1~图3。
图1攀钢钢产量增长趋势图
图2攀钢钒渣产量增长趋势图
图3连铸坯产量和连铸比增长趋势图
鉴于攀钢厂区受地理条件的限制,难以进一步增大钢产量,同时为了不断满足用户需求,对生产品种不断拓展,积极开发生产高洁净度、高附加值产品,目前已从投产初期的30多个品种拓展到200多个品种。
已能够批量生产优质家电用钢、耐候钢、高级别石油套管等高品质和高附加值产品,并在2006年率先在国内实现350km/h高速客运专线重轨钢的批量生产,京津高速铁路用钢轨全部由攀钢提供,最高时速达到394km/h,至此形成高速轨、重轨、家电产品等品牌产品。
2009年,攀钢又开发出电工钢、帘线钢、高级别石油管坯钢等高端产品,钢的洁净度有了进一步提高,[P]≤0.010%,[S]≤0.004%,[H]≤1.5×
10-6,T[O]≤0.0011%,非金属夹杂A类、B类、D类≤1.0级,C类和Ds≤0.5级。
攀钢2010年部分品种钢生产情况见图4。
图4攀钢炼钢厂2010年主要钢产品情况
随着设备装备水平的提高,炼钢技术也得到不断进步,这不仅仅反映在产量上有了很大的提高,而且在品种、质量、节能降耗等方面也有了显著的进步,技术经济指标得到不断优化。
近几年的主要技术经济指标优化情况见图5。
图5主要技术经济指标
3半钢炼钢的技术进步
3.1铁水预处理
攀西地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿资源,攀钢采用高炉流程冶炼钒钛磁铁矿,生产含钒钛生铁。
攀钢于1994年和1995年分别建成铁水脱硫车间和两座120t提钒转炉,从而形成了独具特色的含钒钛铁水二步预处理工艺。
3.1.1含钒钛铁水脱硫技术研究与实践
攀钢含钒钛铁水的特点是含有一定量的V、Ti,但Si、Mn含量较低,而硫含量却较高,见表2。
表2攀钢含钒钛铁水成分及温度
C/%
Si/%
Mn/%
P/%
S/%
V/%
Ti/%
温度/℃
4.10~4.5
0.12~0.2
0.1~0.25
0.04~0.08
0.04~0.120
0.28~0.34
0.12~0.20
1250~1340
攀钢含钒钛铁水其物理性质的最大特点是熔化性温度偏高,粘度也较大。
铁水中[Ti]、[V]对粘度、熔化性温度及凝固点温度的影响见图6~图8。
图6不同含钛量时铁水粘度与温度的关系图7铁水熔化性温度、凝固点与含钛量的关系
从图6~图8可看出,含钒钛铁水粘度、熔化性温度及凝固点随铁水中[V]、[Ti]的增加而增加。
含钒钛铁水的这些性质,在一定程度上恶化了脱硫反应动力学条件。
V、Ti对脱硫热力学的影响主要表现在它们能降低[S]的活度。
[1]
图8铁水熔化性温度、凝固点与含钒量的关系
攀钢自1978年开始研究含钒铁水喷粉法脱硫工艺,1987年在炼铁3#高炉建成脱硫站,1992年6月建成现有的Ⅰ、Ⅱ部两套顶喷粉脱硫装置,设计脱硫能力229.6万t/a,2003年脱硫处理量达到400万吨。
2004年12月建成1套美国ESM公司的脱硫装置(Ⅲ部脱硫),设计年处理铁水100万吨,2007年、2008年又建成Ⅳ、Ⅴ部脱硫,合计脱硫能力达600万吨。
攀钢脱硫工艺采用混合喷吹和复合喷吹两种方式,相关技术指标见表3。
攀钢采用喷粉脱硫工艺,可使铁水中[S]由0.04%~0.10%下降到0.01%,甚至0.005%以下。
表3攀钢铁水脱硫技术指标
铁水量
/t
脱硫剂配比
/%
脱硫剂单耗
/kg.(tFe)-1
脱硫效果/%
温降
/℃
工艺特点
[S]0
[S]f
η
140
AD
M-4
10.5
9
0.060
0.015
82
83
20~30
15~25
常规脱硫、混喷
CaO+Mg
Mg0.8
CaO3.5
0.06
0.09
85
10~15
复喷
3.1.2铁水提钒工艺技术研究
铁水提钒是通过选择性氧化将铁水中的钒氧化分离而进入渣相的冶金过程。
攀钢炼钢投产后,先是采用雾化提钒工艺,后来为了提高提钒处理能力和钒渣、半钢质量,于1995年建成投产两座120t提钒转炉,淘汰了雾化提钒工艺。
两座120t提钒转炉年设计产标准钒渣11万t,2010年产量达25.4万吨。
通过多年的试验研究和生产实践,攀钢掌握了转炉提钒的工艺操作,并形成了特有的工艺技术,见表4、表5。
转炉提钒具有生产率高、钒氧化率高、钒收得率高等优点,铁水[V]由0.31%下降到0.036%,钒渣中(V2O5)达16.57%,V氧化率88.4%,V回收率达80.1%。
表4攀钢转炉提钒主要指标
半钢质量
钒渣成分
钒氧化率
%
钒回收率
[C]/%
[V]/%
T终/℃
V2O5/%
CaO/%
TFe/%
3.61
3.02~3.98
0.036
0.010~0.056
1368
1350~1431
16.57
13.46~20.51
2.08
0.47~5.6
25.76
20.2~39.3
88.4
79.1~94.2
80.1
表5攀钢转炉提钒工艺技术
工艺技术
技术特点
渣态调整工艺技术
渣中适量的SiO2可改善钒渣流动性,加快钒的氧化,稳定钒尖晶石,同时可降低钒渣中的金属铁。
多炉出钒渣及挡渣出半钢技术
促进钒尖晶石的长大,减少钒渣的流失,提高钒渣回收率。
铁矿石作冷却剂的工艺技术
采用铁矿石代替复合球作冷却剂,降低实物钒渣的产渣率,提高钒渣V2O5含量及降低渣中MFe。
专用提钒氧枪提钒供氧工艺
专用339氧枪配合“低-高-低”枪位控制,取得了良好的吹钒效果。
提高提钒转炉炉龄技术
攀钢提钒转炉炉龄控制在7000炉以上,国内外同行业提钒转炉炉龄一般在2000~3000炉。
深吹半钢开炉工艺
半钢温度控制在1450~1520℃,半钢碳控制在2.0%以上,避免了钒渣(CaO)超标。
3.2转炉炼钢
攀钢高炉使用钒钛磁铁矿冶炼,高炉炉温控制较低,脱硫能力差,生产的钒钛铁水含硫高,一般达到0.06~0.10%,同时,为了保证钒资源的有效利用,在炼钢之前进行了提钒处理。
含钒铁水经脱硫提钒后获得的半钢碳含量为3.2%~3.8%,温度1320~1380℃,硅、锰发热成渣元素含量均为痕迹,与普通铁水相比,半钢呈现出“三低一高”的特点:
碳低、温低、发热元素低、硫高,给炼钢的品种开发带来了极大困难。
3.2.1半钢炼钢造渣工艺技术研究
攀钢炼钢主要采用提钒之后的半钢,半钢中[Si]、[Mn]等成渣、发热元素含量很低甚至微量,因此必须通过外加含SiO2的酸性材料来保证形成具有相应功能的炉渣,而外加材料的熔化需要一定的时间和热量。
因此,半钢炼钢成渣的热力学条件和动力学条件均比普通铁水炼钢时依靠Si、Mn氧化成渣的条件差,初期渣形成困难,炼钢热源不足,终点氧化性高。
攀钢在投产初期先后试用过的酸性造渣材料有河砂、火砖块、辉绿岩、玄武岩等,通过综合对比,由于火砖块能解决使用河砂炉口粘结严重,处理困难,辉绿岩、玄武岩降温严重等问题,并且来源方便,因此在投产初期一直使用火砖块。
1978~1979年间,针对用火砖块造渣对炉龄、粘枪、喷溅的影响不能满足生产要求的问题,攀钢同北钢院合作,对半钢冶炼过程和终渣作了大量岩相鉴定、分析、测试。
结果是:
与首钢终点渣相比熔点低100℃左右(我厂终点渣熔点1250℃左右),由于渣中Al2O3高,在渣中钒、钛氧化物的作用下炉衬侵蚀严重。
为了解决以上问题,攀钢于1980年9月采用荷花池安山岩(结晶水少)进行了代替火砖块试验,1981年上半年取消了火砖块造渣,正式采用酸性材料安山岩,助熔剂为锰矿,后又于1985年采用石英砂取代安山岩[2]。
随着铁水预脱硫、活性石灰造渣技术的实施及品种结构的变化,转炉炼钢工艺出现了新的特点和问题,主要表现在:
渣量减少,脱磷难度增加;
活性石灰较普通石灰熔解速度快,前期冶炼的炉渣碱度偏高,前期成渣时间晚、过程冶炼炉渣返干和终点钢渣理化性能差;
造渣辅助材料种类多,缺少足够的高位料仓来满足生产优化要求。
针对以上问题和技术难点,于1998开始进行了复合造渣剂试验研究,通过采取活性石灰造渣、多组元造渣工艺、降低炉渣碱度、适量留渣操作等措施,攀钢传统的半钢炼钢工艺得到了改进和完善,取得了良好的效果:
(1)缩短了初期渣形成时间。
初期渣的形成时间由原来的6.1min缩短至4.5min,提前1~2min,冶炼过程顺行,石灰消耗降低5~8kg/t钢,并取消了萤石的使用。
(2)有效抑制了终点钢、渣的氧化性。
终点钢水氧活度平均降低(100~300)×
10-6,终渣TFe平均降低3%~6%。
(3)提高了冶炼过程的脱磷效果。
造渣工艺优化后的渣、钢间的(P)/[P]分配比由原来的45.41提高到50.16,提高了4.75[3]。
铁水脱硫能力的增加和活性石灰、复合造渣剂的推广应用,攀钢基本上实现了少渣炼钢,并取得了较好的冶金效果,见表6。
表6少渣炼钢的冶金效果
渣料消耗/kg.t钢-1
冶金效果
活性石灰
复合造渣剂
高镁石灰
脱磷率/%
磷分配比
脱硫率/%
硫分配比
25~28
15~17
24~26
82~90
47~65
12~40
5~7
3.2.2半钢炼钢高效供氧技术研究
投产初期,攀钢炼钢氧枪采用的是拉瓦尔单孔喷头和3孔喷头,3孔喷头又分为高压和低压二种,即336和338。
从应用情况看,3孔喷枪使用效果不理想,主要体现在:
(1)供氧量低,纯吹氧时间长,尽管出钢量仅为100吨左右,但纯吹氧时间却长达22~23min;
(2)喷溅、粘枪率仍然较严重,分别达到20%、15%;
(3)化渣能力不强。
鉴于3孔氧枪的缺点,攀钢于1974年对4孔氧枪喷头进行了研究,通过增加喷孔数量,适当缩小喉口直径和出口直径,扩大喷孔与氧枪中心线的夹角,采用0.85~0.90MPa较低的工作氧压,基本解决了半钢炼钢化渣困难的问题,冶炼过程的喷溅、粘枪现象也有较大改善。
在435型氧枪喷头取得较好冶金效果的基础上,攀钢根据原有的氧枪枪体条件,设计了535型氧枪喷头。
与435型喷头相比较,535型喷头增加了1个中孔,在缓和周边孔所造成的负压影响的同时,也使喉口面积增加了8.16%,氧气流量达到20000Nm3/h,同时将周边孔的夹角增加到13度,以增强氧枪的化渣能力。
采用535型氧枪喷头后,由于喷孔夹角增大,半钢炼钢初期渣形成困难的问题得到了较好解决,供氧量的提高使供氧时间缩短1~2min。
2004年,随着攀钢全连铸工艺的实现,对转炉冶炼周期提出了更高的要求,因此,对535型氧枪喷头再次进行了优化改进,取消原535型喷头中孔,改为周边5孔布置,喷孔夹角由13度改为15度,供氧流量由原20000Nm3/h提高到23000Nm3/h[4]。
同时,利用新转炉建设的有利条件,采用了高供氧强度设计,氧枪喷头直接使用536型,供氧流量达到30000Nm3/h。
攀钢供氧相关参数见表7。
表7攀钢氧枪喷头工艺参数
喷头型式
单孔
336
338
433
435
535
535-15
536
工艺参数
喉口直径/mm
36.5
38.0
33.4
35.0
36.0
喷孔夹角/度
8
10
13
15
16
供氧强度/Nm3.(min.t)-1
2.92
1.79
2.50
2.78
3.19
4.17
供氧时间/min
22
22.5
22.3
19.8
20.1
19.08
16.41
12.81
3.2.3顶底复合吹炼技术的改进及优化
攀钢于1984年起就进行了转炉顶底复合吹炼技术的研究,1985年10月,在1#炉进行了顶底复合吹炼试验,并逐步推广至2#、3#炉,供气强度0.02Nm3/min.t。
为适应冷轧钢种和低碳钢日益增多的需要,攀钢于1996年科技立项,在炼钢转炉基础自动化改造的同时对复吹供气系统进行了改进,1#、2#、3#转炉分别于1997年1月、6月、7月改造完毕。
底吹采用定向多微管型供气元件,供气强度由原0.02Nm3/min.t提高到0.03~0.06Nm3/min.t[5]。
随着转炉溅渣护炉技术的应用,转炉炉龄得到了大幅度提高,而复吹寿命仍然较短,复吹炉龄与转炉炉龄不同步的问题日益突出。
2005年炼钢转炉炉龄达到7000多炉,而复吹炉龄只有2000炉左右,加之复吹供气系统设备陈旧、供气不稳定,造成复吹透气砖堵塞,转炉复吹的冶金效果得不到充分体现,严重影响了炼钢的技术经济指标。
2007年,攀钢借鉴国内外复吹炉龄同步实现的研究方向,结合攀钢半钢炼钢的实际困难,通过采用更新复吹系统硬件设施,在优化冶炼操作工艺、炉渣结构的条件下,重点研究炉体和透气砖的维护,同时对透气砖的供气强度、底部供气模式等工艺进行优化,提高透气元件的基础炉龄,以及开发透气砖的在线热更换技术,达到提高复吹比的目的。
优化改进后透气砖的供气强度可达0.08Nm3/min.t,并取得了较好的冶金效果:
(1)在终点钢水相同[C]含量的条件下,复吹炉次的终渣(TFe)含量降低2~5%。
(2)在终点钢水[C]0.03%~0.05%范围内,复吹炉次相同碳含量条件下钢水终点钢水氧活度降低(80~150)×
10-6,终点钢水[C]%.[O]%积为0.00256。
(3)合金Mn收得率提高2~5%,Si收得率提高3~5%。
(4)透气砖在线热更换技术的应用,实现了透气转与炉龄的同步。
3.2.4半钢炼钢脱氧工艺技术的研究
1990年,随着攀钢喂线技术投入使用,脱氧工艺逐步形成了较为特殊的SiC或P1脱氧剂(CaC2为基体)预脱氧、Si、Mn脱氧合金化、喂铝线终脱氧方式。
与其它一些钢厂的脱氧工艺相比较,攀钢脱氧工艺的主要特点在于预脱氧环节,国内外预脱氧的脱氧剂普遍采用金属型预脱氧剂,而攀钢则采用非金属型的预脱氧剂,该工艺在提高合金元素收得率、降低生产成本上有其独特优势。
Pl和SiC脱氧剂都属于非金属脱氧剂,攀钢从1990年开始研究用于转炉钢水的预脱氧,首先在连铸钢种上应用,后来逐步推广到攀钢大部分的钢种上(低碳铝镇静钢、普碳钢、车轴钢、重轨钢等)。
攀钢采用Pl和SiC预脱氧制度确实使钢液的氧活度降低到了较低水平,对提高钢水质量、新产品的开发以及解决钢水浇注变流起了很大作用,也使攀钢的Si、Mn回收率(与国内相同的钢种相比)分别提高了约5个百分点,Al的回收率也有所提高,但在应用过程中也存在一些问题:
(1)Pl脱氧剂易受潮发生粉化,影响脱氧效果的稳定。
(2)SiC脱氧产物是酸性SiO2,降低了钢渣的碱度,易使钢水回硫、回磷。
(3)Pl脱氧剂有增碳现象,对某些低碳钢不适用[6]。
20世纪90年代末期,金属型复合脱氧剂得到了广泛使用。
金属型复合脱氧剂的脱氧能力强,反应迅速,脱氧形成的复合夹杂物易于上浮。
采用金属型脱氧剂,能够简化脱氧工艺,实现机械加入,减轻工人劳动强度。
复合脱氧的机理在于脱氧产物为复合产物,其活度比单一元素的脱氧产物活度低,因而降低与之平衡的含氧量,即若有两个或两个以上脱氧元素存在,会提高它们单独存在时的脱氧能力,因此出现了铝锰铁、铝硅铁、铝铁、硅铝钡等多种复合脱氧剂。
攀钢从1998年开始在连铸低碳铝镇静钢上进行铝锰铁试验并推广应用,结果证明:
用铝锰铁脱氧合金化生产低碳铝镇静钢,脱氧效果好,在出钢过程随钢流加入8kg/t的FeMnAl合金,可把钢中氧降低至很低的水平,氧脱出率达96.8%;
简化了脱氧合金化工艺,能稳定控制钢中酸溶铝、锰的回收率,锰的回收率达86%,酸溶铝的回收率20.62~36.5%,有利于提高钢种炼成率;
使用FeMnAl脱氧,解决了非金属预脱氧剂生产低碳铝镇静钢在多炉连浇时大包、中包水口发生堵塞变流的问题,对提高连铸坯品质具有较好效果。
攀钢于2001年在重轨、低合金钢等钢种上采用了硅钙钡脱氧剂,取得了较好的使用效果:
在BaCaSi加入量为1.5~2.0kg/t情况下,钢中Si、Mn控制正常,收得率分别达到89%、95%;
钢中氧能降至较低水平,重轨钢氧活度小于20×
10-6,低合金钢氧活度小于25×
10-6,钢渣TFe从11.3~23.34%降低至2.76~4.67%[7]。
为进一步降低生产成本,2007年进行了铝铁代替铝锰铁试验,试验结果表明:
工艺顺行,铝铁合金不增碳,锰收得率平均为88.23%,铝收得率平均为21.43%,脱氧合金化成本较铝锰铁有较大幅度降低。
随着用户对钢质量的要求越来越高,对钢渣的脱氧和改性被提到很重要的位置。
未经处理的钢包渣(FeO+MnO)含量在8%~15%,且碱度较低。
国内外的大量研究结果表明,当渣中(FeO+MnO)超过3%时,对钢的纯净度和性能有不良影响,因此,进入20世纪80年代中期,一些大钢厂纷纷采用钢渣脱氧和改性技术,这样做的目的除减少对钢水的污染外,还能有利于吸附夹杂,同时也是冶炼低硫钢的条件。
2006年以来,攀钢通过开展钢包渣改质、LF炉精炼造渣以及钢包吹氩控制等为核心的工艺技术研究,钢包渣的氧化性得到了大幅度降低,同时脱硫率得到了显著提高,见表8。
表8钢包渣改性效果/%
钢包渣组成
脱硫效果
CaO
SiO2
FeO+MnO
转炉终点
成品
范围
46.82~59.66
10.10~21.78
0.94~2.72
0.0065~0.012
0.0021~0.0047
平均值
52.82
15.57
1.75
0.008
0.0034
3.2.5半钢冶炼热补偿技术的研究
攀钢由于特殊的工艺,转炉炼钢的主要原料是提钒后的半钢。
由于半钢的碳含量和温度低,S、P偏高,炼钢时常因热量不足造成多次补吹,且较多炉次是以终点“烧铁”来达到足够的出钢温度,造成终点钢水氧活度高,渣中TFe高,对冶炼钢种和转炉炉龄造成不利影响。
因此,为了弥补半钢热量的不足,攀钢在转炉炼钢热补偿技术方面开展了大量的工作,先后使用过焦炭、无烟煤、碳化硅等提温材料。
转炉使用焦炭、无烟煤均可提高温度30~40℃/t,但硫含量高,易使钢液回硫。
转炉使用碳化硅可提高温度30~40℃/t,由于考虑到碳化硅加入后将使碱度降低,影响硫、磷的去除,所以,规定了碳化硅加入量每炉不超过1t。
而在提钒出半钢时使用的半钢增碳剂虽可提高半钢碳含量0.06%,对半钢炼钢热源不足也起到了一定的缓解作用,但其针对性不强,且成本偏高。
针对以上提温材料存在的不足,2000年提出了炼钢转炉加发热值较高、对钢渣成分没有影响的类石墨进行热补偿的技术。
经典型试验和现场扩大使用取得了较好的效果,使用结果表明:
(1)炼钢转炉加类石墨补充热源的技术具有简单、方便,效果显著等优点;
(2)可补偿半钢炼钢的热源不足。
当吹炼前加入1t类石墨时,吹炼终点可补偿温度40.7℃;
(3)可改变炉渣组成,降低终渣FeO含量,从而提高钢质量[8]。
3.2.6半钢炼钢炉龄攻关
攀钢半钢冶炼所得的炉渣与普通铁水冶炼的炉渣相比,渣中含有2~5%的钒钛氧化物。
钒钛氧化物的存在,影响了炉渣的熔化性能:
钒钛转炉渣和普通转炉渣相比,熔化性温度偏低,钒钛转炉渣熔化性温度始终徘徊在1280~1370℃区间,根据实验室实测的结果,普通转炉终渣V2O5含量每增加1%,熔化性温度平均要下降27℃左右,不仅如此,含V、Ti转炉终渣与普通转炉渣相比,熔化曲线表现出明显的差异,其全熔化性温度比普通转炉渣低得多,初熔和全熔温度区间很小,这些给炉龄的提高带来了很大困难。
投产初期,转炉是用鞍山生产的小镁砖砌筑的炉衬,只炼了42炉,因衬砖蚀损严重不能继续使用。
后在炉衬车间建成后采用焦油白云石砖砌筑炉衬,但由于不烧焦油白云石砖含杂质高、体积密度低,以及炼钢造渣制度尚处于摸索阶段等原因,所以转炉炉龄一直很低。
1978年以前,炉龄始终在102~150炉之间波动。
而后从制砖工艺改进、转炉炉型改进、造渣制度优化等方面开展技术攻关,到1984年,最高炉龄已达662炉。
1980~1985年,炼钢转炉平均炉龄一直徘徊在500炉左右。
1987年开始实施技术攻关,先后经过4个阶段的攻关试验,通过改变炉衬砖大小、材质、砌筑方式、炉底形状和优化炼钢操作一系列措施,转炉炉龄由1990年的平均700炉提高到19
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