洁净钢生产新流程的研究与开发(刘浏原件).doc
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洁净钢生产新流程的研究与开发
刘浏
钢铁研究总院
1．前言
建设高效低成本洁净钢平台是市场和时代发展的要求，是洁净钢生产领域的重大技术革命。
其目标是实现转炉直接冶炼洁净钢，并使转炉生产效率提高1倍，洁净钢生产成本低于传统转炉普通钢。
本文系统介绍了钢铁研究总院与首钢合作研究开发的洁净钢生产新工艺流程在京唐钢铁公司的开发与应用情况，阐述了高效低成本洁净钢平台建设的三项核心技术：
洁净钢稳定化生产工艺、洁净钢高效化生产工艺、洁净钢低成本制造工艺。
2．传统洁净钢生产流程与主要问题
图1给出传统洁净钢生产流程示意图。
传统洁净钢生产流程的基本特征是：
钢水提纯主要依靠炉外精炼，精炼工艺流程长，生产波动大。
也是造成钢水质量不稳定，生产能耗高、成本高和CO2排放量高的主要技术原因。
CC
RH
LF
转炉冶炼
铁水脱硫
图1传统洁净钢生产流程示意图
传统流程的主要工艺特点是：
l采用全量铁水脱硫预处理工艺；
l采用传统转炉炼钢工艺脱磷、脱碳；
l采用LF炉还原精炼工艺进行深脱硫和脱氧，控制T.O含量；
l采用RH真空精炼工艺，降低钢中气体含量；
l采用全连铸工艺
深入分析传统流程中进行的脱磷、脱硫、脱碳、脱硅等反应过程可以看出，传统流程中存在以下基本矛盾：
（1）炼钢回硫，脱硫后的超低硫铁水（通常控制[S]≤0.005%）在转炉冶炼过程中大量回硫，通常不能满足连铸钢水对硫含量的基本要求，需通过LF炉进行二次脱硫。
（2）低碳脱磷，由于转炉中碳、磷反应平衡限制了转炉实现高碳脱磷的反应能力，钢水脱磷大多在[C]≤0.3%以下才能有效进行。
因此，稳定生产[P]≤0.015%的低磷钢水常常需要把钢水[C]降低到0.08%以下，造成炉渣和钢水的严重过氧化，出钢aO≥800´10-6。
（3）钢水过氧化，增大脱氧剂消耗使钢中脱氧产物形成的夹杂物大量增加，为夹杂物去除带来很大困难。
（4）脱氧产生的大量夹杂物，很难上浮去除，往往需要大幅度延长“软吹”时间。
延长“软吹”时间又由于炉渣和耐火材料的侵蚀以及完成脱硫任务等过程产生大量新的细小夹杂物，很难去除。
（5）渣量大，炉渣利用率低，难以实现炉渣循环利用。
转炉渣量随铁水[Si]波动通常为为100~120kg/t，炼钢产生的大量炉渣往往无法在炼钢生产过程中直接返回利用，造成大量炉渣外排，严重影响环境。
由于上述基本矛盾相互作用，使传统流程存在以下技术问题：
l钢水提纯过分依赖炉外精炼，造成生产批量小，不能大批量生产洁净钢；
l流程存在回硫、低碳脱磷和钢水过氧化等基本矛盾，造成磷、硫和钢中夹杂物控制不稳定，使整个工艺过程变为反复提纯又反复污染的不稳定反应过程；
l渣量大，不易形成渣循环，造成生产成本高，生产效率低；
l生产效率低，节奏慢，兑铁温度低，出钢温度高。
3．洁净钢生产新流程及其优点
洁净钢生产新流程的主要特点是将钢水提纯任务从炉外精炼转移到铁水预处理，解决了传统流程中低碳脱磷、钢渣过氧化和大量生成夹杂物难以去除等技术弊病。
实现了转炉大批量生产洁净钢并进一步提高洁净钢的生产效率，使洁净钢生产成本低于传统工艺普通钢的生产成本。
图2给出洁净钢生产新流程的工艺示意图。
图2洁净钢生产新流程的工艺示意图
洁净钢生产新流程具有以下技术特点[1~4]：
l采用铁水脱硫、转炉高铁水比冶炼和废钢处理技术，严格控制转炉回硫；
l采用转炉脱硅、脱磷工艺，实现高碳脱磷;
l采用脱碳炉少渣冶炼工艺，减少炼钢渣量;
l采用高碳出钢，避免钢水过氧化；
l减少渣量，脱碳炉渣作为脱磷剂返回脱磷炉。
洁净钢生产新工艺流程具有以下技术优点：
（1）大批量稳定生产洁净钢：
转炉直接生产洁净钢，终点[S+P]≤100´10-6
（2）提高洁净钢生产效率：
转炉吹炼时间缩短到10min，冶炼周期缩短到20min，1座转炉可达到传统2座转炉的生产能力。
（3）降低洁净钢生产成本：
和传统流程相比渣量减少40%，钢铁料消耗降低20kg/t，大幅降低脱氧剂和铁合金消耗。
4．京唐公司洁净钢生产新流程的开发目标与主要装备
4.1京唐公司洁净钢生产新流程的开发目标
京唐公司洁净钢生产新流程的建设理念是：
采用最新的工艺和装备技术，实现高效率、高质量和高稳定性生产各种高品质钢材。
具体开发目标与主要工艺措施如图3所示。
转炉高效吹炼技术，吹炼时间≤10min，转炉生产效率提高1倍
建设目标
全量铁水“三脱”处理，转炉钢水[S+P]≤150´10-6，比传统工艺降低100´10-6
渣量减少30%，脱碳炉渣和炼钢粉尘全部循环利用，简化精炼，成本低于传统转炉
环保与低成本
图3京唐钢铁公司炼钢厂建设目标与主要技术措施
4.2京唐公司洁净钢生产新流程的技术装备
京唐公司新建高效、低成本洁净钢生产新流程的主要技术装备包括：
5500m3大型高炉2座；300tKR铁水脱磷预处理站4台，300t脱磷转炉2座，300t脱碳转炉3座；300tLF炉1座，300tCAS精炼炉2座，300tRH精炼炉2座；板坯连铸4台。
4.3京唐公司洁净钢生产新流程的工艺特点
（1）采用铁水“一包到底”的运输方式，提高铁水入炉温度。
（2）采用全量铁水深脱硫预处理工艺，脱硫平均铁水[S]达到20´10-6。
（3）采用全量铁水转炉“三脱”预处理工艺，控制半钢[P]≤0.03%。
（4）300t转炉采用少渣冶炼工艺，渣量25kg/t。
（5）采用转炉高碳出钢和RH-KTB双联的精炼技术，避免钢渣过氧化，严格控制钢水氧含量和钢中夹杂物。
（6）采用全连铸工艺，实现高拉速条件下的恒拉速控制。
5．300t转炉洁净钢冶炼工艺
5.1转炉超低磷钢生产工艺
采用新工艺转炉可以稳定生产[P]≤0.003%的超低磷钢。
如图4所示，转炉终点[P]波动在0.001~0.004%之间，平均为0.0025%。
其中脱磷炉渣钢间磷分配比可达到70~100，脱碳炉少渣冶炼后渣钢间磷的分配比可以稳定≥250。
超低磷钢生产的工艺控制要点是：
（1）控制半钢[P]≤0.025%。
（2）控制脱碳炉脱磷率≥80%。
图4京唐转炉超低磷钢冶炼水平
（3）控制终点[C]在0.04~0.06之间。
5.2转炉超低硫钢生产
采用洁净钢生产新工艺转炉可以稳定生产超低硫钢，经铁水脱硫后铁水[S]平均可达到0.002%。
控制半钢回硫是超低硫钢冶炼的技术关键，由于脱磷炉渣碱度低（R=1.8~2.0），渣钢间硫的分配比波动在4~5，脱硫能力较弱，易造成半钢回硫。
由于废钢是炼钢中硫的主要来源，因此控制回硫的工艺措施一是提高铁水比，减少废钢加入量；二是提高废钢质量，按转炉终点硫含量的要求采用不同硫含量的废钢。
超低硫钢生产的技术条件：
（1）KR铁水脱硫后[S]≤0.002%。
（2）半钢回硫控制：
冶炼中吨钢硫负荷Gs（kg/t）、渣量（kg/t）和渣钢间硫分配比与半钢[S]的关系为：
。
（3）吨钢硫负荷主要决定于废钢硫含量，控制回硫必须降低废钢硫含量（Gs=0.1时回硫≤0.006%;Gs=0.067时回硫≤0.003%）。
（4）脱碳炉降低0.001~0.002%的[S]，出钢炉渣改质脱硫可降低0.002～0.003%的[S]。
京唐公司采用转炉超低硫钢冶炼工艺后可控制钢水[S]波动在0.002~0.006%之间，平均为0.0042%。
5.3转炉超洁净钢生产工艺
京唐公司采用新工艺后洁净钢生产水平得到较大提高，主要体现在：
（1）全面提高钢材洁净度水平，普通钢的洁净度可达到150´10-6；高洁净钢的[S+P]含量可稳定控制在50´10-6以下，钢材洁净度S（S+P+T.O+N+H）≤70´10-6。
（2）简化了炉外精炼工序，RH作为主要精炼手段，减少LF和CAS处理比例。
（3）RH用铝量大幅减少，使精炼成本大幅降低。
表1给出目前京唐公司洁净钢生产工艺与技术水平。
表1超洁净钢生产工艺与技术水平
工艺
成分（%）
温度/℃
C
Si
Mn
P
S
4.4
0.43
0.2
0.085
0.04
1400
4.4
0.43
0.2
0.085
0.002
1370
3.4
3.2
0.05
0.03
0.12
0.10
0.03
0.015
0.010
0.006
1340
0.06
0.04
tr.
tr.
0.08
0.08
0.006
0.003
0.008
0.004
1660
0.005
0.0015
0.02
0.02
0.16
0.16
0.002
0.002
1600
0.01
0.0018
0.02
0.02
0.16
0.16
0.002
0.002
1550
6．洁净钢高效化生产工艺
6.1采用“一包到底”工艺，加快铁水周转
京唐公司采用“一包到底”的铁水运输方式获得明显的冶金效果，特别是转炉作业率提高后使铁包周转速率加快，铁水温度损失大幅降低。
通过研究高效快节奏生产条件下铁-钢界面的运行规律，重点抓好以下工作：
图5入炉铁水温度变化趋势
l提高铁包周转速率。
铁水包周转率达到3次/日；
36℃
l提高装准率，铁水装入误差≤±5t的装准率≥90%。
废钢的装入误差≤±1t，装准率≥96%。
l加强铁包管理，如及时清理罐口和铁包在线烘烤。
图6投产以来铁水“三脱”比例的变化
通过加快铁包周转，如图5所示，脱硫后兑入脱磷炉的铁水温度逐月提高，月平均最高铁水入炉温度已达到1398℃，比日本和歌山铁水入炉温度1356℃高出42℃，达到国际领先水平。
6.2大幅提高铁水“三脱”预处理比例
京唐公司炼钢厂按全“三脱”工艺设计，采用2座脱磷炉和3座脱碳炉组织生产，如图6所示，从2011年1月开始大幅度提高铁水“三脱”比例，使转炉作业率大幅度提高。
转炉作业率提高使脱磷炉最高班产炉数达到16炉，具备日产45炉的能力。
和以前班产7~8炉相比，转炉生产效率提高1倍。
随转炉作业率提高已完全消除脱磷炉炉口粘渣、废钢不易熔化、炉体变形等现象；脱碳炉热量不足的问题基本得到解决，可以满足转炉高碳出钢的工艺要求。
图7脱碳炉终点温度变化趋势
D20℃
6.3加快生产节奏降低出钢温度
在实现炉机匹配的条件下，为进一步加快生产节奏，实现炼钢全工序高效、快节奏稳定生产，制订了京唐公司洁净钢高效化生产的攻关目标：
“三脱”比例≥90%，2座转炉冶炼炉数≥90炉/日，钢包周转次数≥8次/日，出钢温度≤1650℃。
采用以下技术措施实现炼钢全流程高效化生产：
（1）优化生产调度，实现炉机匹配。
（2）铁水供应不足采用拉练提高生产效率。
（3）加快生产节奏，提高钢包周转率。
（4）降低转炉出钢温度。
如图7所示，采用全流程高效、快节奏模式组织生产具有很大效益，随铁水“三脱”比大幅度提高转炉出钢温度平均降低20℃。
7．洁净钢低成本制造工艺
7.1减少渣量和造渣剂加入量
常规转炉冶炼渣量波动在100~120kg/t，渣量大使炼钢钢铁料消耗增大，成本增加。
为降低转炉洁净钢生产成本采用以下技术措施大幅降低炼钢渣量和辅料加入量。
（1）稳定脱磷操作，控制[P]≤0.03%实现少渣冶炼；
（2）提高脱磷炉石灰熔化率；
（3）脱碳炉造渣工艺逐步实现标准化操作；
（4）控制终渣MgO含量，避免过多加入轻烧白云石；
（5）通过降低渣量进一步降低钢铁料消耗。
采用以上工艺获得良好的冶金效果：
l京唐公司300t转炉采用常规冶炼造渣料消耗为76.53kg/t，新工艺为53.4kg/t，其中脱磷消耗26.6kg/t，脱碳消耗26.8kg/t，比常规冶炼降低23.13kg/t，降幅达30.2%，如图8所示。
l常规冶炼渣量为102.35kg/t，新工艺为78.7kg/t，其中脱磷46.3kg/t，脱碳32.4kg/t，比常规冶炼降低23.65kg/t，降幅为23.1%，如图9所示。
图8两种工艺造渣料消耗比较图9常规与全三脱渣量比较（磷平衡校正计算）
7.2降低钢铁料消耗
京唐公司采用转炉洁净钢生产新工艺后，钢铁料消耗明显降低。
随“三脱”比提高钢铁料消耗出现下降趋势，钢铁料消耗的平均水平为1076kg/t。
根据2010年生产统计新工艺矿石加入量比常规冶炼高10kg/t，增幅高达61%。
常规冶炼和脱碳炉矿石还原率为0，脱磷炉矿石还原率为27.1%，还原增铁2.93kg/t。
常规冶炼渣中铁损为23.36kg/t，新工艺为14.77kg/t。
和常规冶炼相比新工艺钢铁料料消耗平均降低9kg/t。
转炉洁净钢生产成本比常规冶炼平均降低38.04元/t。
7.3建设可循环的炼钢新流程
京唐钢铁公司正在建设可循环炼钢生产新流程，达到降低成本，减少废弃物排放的目标。
可循环钢铁流程的技术特点:
（1）脱碳炉返回渣一半供给脱磷炉（15kg/t），一半供给脱碳炉（10kg/t），以满足溅渣护炉的渣量要求，同时解决初渣熔化的技术难题。
目前京唐公司脱碳炉渣的回收利用率已超过70%。
（2）将转炉除尘灰制成高效脱磷球供脱磷炉造渣使用，一方面可提高脱磷炉渣碱度，另一方面可节省石灰5kg/t，节约矿石19kg/t。
目前公司正准备建设一个20万吨/年的除尘灰脱磷剂生产厂，届时转炉除尘灰可100%回收利用。
8．结论
钢铁研究总院与首钢合作开发的转炉洁净钢生产新流程已成功应用到京唐公司300t转炉炼钢厂。
经过1年半的生产实践新工艺取得明显的冶金效果，基本达到预期的建设目标：
（1）采用新工艺流程转炉可直接生产高洁净钢水，转炉终点[S+P]可稳定控制在50´10-6以下。
与炉外精炼相匹配，可大批量、稳定生产钢中杂质总量S（S+P+T.O+N+H）≤70´10-6的超洁净钢。
（2）采用新工艺可实现洁净钢转炉高效化生产，铁水“三脱”处理比例接近90%；转炉班产炉数从7~8炉/班·炉提高到16炉/班·炉，生产效率提高1倍。
在此基础上实现全流程高效快节奏生产，使脱硫后铁水入炉温度月平均最高达到1398℃，转炉出钢温度平均降低20℃。
（3）采用新工艺使转炉洁净钢的生产成本大幅降低，造渣料加入量平均降低30.2%，渣量降低23.1%，钢铁料消耗降低9kg/t。
脱碳炉渣返回利用率大于70%。
除尘粉尘可实现100%回收，炼钢成本比常规冶炼平均降低38.04元/t。
参考文献
[1]ToshiyukiUeki,KiyohitoFujiwara,etc.,HighProductivityOperationTechnologiesofWakayamaSteelmakingShop,TheTenthJapan-ChinaSymposiumonScienceandTechnologyofIronandSteel,2004.11,122.
[2]吉田克磨,山崎熏,户崎泰之等,2基の复合吹炼轉炉を用ぃる溶銑予备处理,本吹炼にょる高功率精炼法の开发,铁と钢,第76年（1990）,No.11,1817.
[3]安井洁,竹岡正夫,宮島正和,脱りん銑を用ぃた轉炉操業技術,铁と钢,第76年（1990）,No.11,1908.
[4]川上正博,伊藤公允,复合吹炼转炉の冶金反应特性,ISIJ,第76年（1990）,No.11,1791.
作者简介
刘浏，中国钢研科技集团有限公司总工程师，钢铁研究总院副院长、博士、教授。
多年来，一直坚持工作在科研第一线，努力将炼钢工艺的应用基础研究同生产实际应用技术和产品开发密切结合。
在转炉复合吹炼、复吹转炉长寿技术、洁净钢生产、智能炼钢、电炉强化冶炼和熔融还原炼铁新工艺开发等领域取得了一系列创新性成果，一些研究工作属于前沿性，并形成了自主的知识产权和技术特色。
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