煉鋼生產(chǎn)物流瓶頸工序分析及措施

王曉元

（攀鋼集團西昌鋼釩有限公司，四川 西昌615000）

鋼鐵生產(chǎn)是將物質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變、物質(zhì)性質(zhì)控制、物質(zhì)流管制融合在一起的復(fù)雜制造過程[1]。目前，我國88%的鋼產(chǎn)量采用長流程生產(chǎn)[2]，該流程由煉焦—燒結(jié)—煉鐵—煉鋼—熱軋—冷軋等工序組成，采用串聯(lián)作業(yè)，集成生產(chǎn)制造鋼鐵產(chǎn)品。煉鋼系統(tǒng)是現(xiàn)代鋼鐵制造流程的關(guān)鍵區(qū)段，也是決定鋼鐵企業(yè)產(chǎn)能的主要環(huán)節(jié)。由于市場需求的變化，企業(yè)規(guī)模及產(chǎn)品定位隨之發(fā)生變化，該區(qū)段各工序都有可能成為制約整個系統(tǒng)生產(chǎn)能力的瓶頸環(huán)節(jié)，決定系統(tǒng)實際的生產(chǎn)能力[3]，如何對此流程進行合理銜接匹配，消除物流瓶頸，是長流程鋼鐵生產(chǎn)線所必須解決的問題。

攀鋼集團西昌鋼釩有限公司鋼鐵制造采用長流程生產(chǎn)工藝，隨著3座高爐全面達產(chǎn)，生產(chǎn)節(jié)奏加快，煉鋼系統(tǒng)出現(xiàn)物流通過能力不足、鐵水罐階段性積壓等問題，迫切需要疏通限制性環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率。因此，基于文獻研究[3-7]，運用冶金流程工程理論，對攀鋼集團西昌鋼釩有限公司煉鋼廠（簡稱西昌鋼釩煉鋼廠）各工序產(chǎn)能進行分析，找出物流瓶頸工序，提出改進措施，為完成產(chǎn)量和產(chǎn)品定位提供保障。

1 生產(chǎn)概述

西昌鋼釩煉鋼廠現(xiàn)有3套鐵水預(yù)處理脫硫裝置，2座200 t提釩轉(zhuǎn)爐，2座200 t頂?shù)讖?fù)吹煉鋼轉(zhuǎn)爐，2套吹氬喂絲機，2座200 t LF爐，1套200 t RH真空處理裝置，1臺1930二機二流連鑄機，1臺1650二機二流連鑄機。采用“鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐煉鋼—鋼水精煉—高效連鑄”四位一體的工藝路線。西昌鋼釩煉鋼廠生產(chǎn)工藝流程見圖1，圖1中虛線表示部分品種鋼采用RH工藝，煉鋼轉(zhuǎn)爐檢修時采用提釩轉(zhuǎn)爐煉鋼。

圖1 西昌鋼釩煉鋼廠生產(chǎn)工藝流程

根據(jù)生產(chǎn)工藝路線的不同，可將產(chǎn)品分為普通鋼和品種鋼兩大類。普通鋼（普碳鋼）的生產(chǎn)流程是：DV—DS—BOF—CC （或 DV—DS—BOF—LF—CC）。品種鋼生產(chǎn)流程分為三類：DV—DS—BOF—LF—CC（部分管線鋼、車輪鋼、酸洗板等）；DV—DS—BOF—RH—CC（酸洗板、部分冷軋用鋼）；DV—DS—BOF—LF—RH—CC（部分管線鋼、車廂鋼等）。

2 煉鋼各工序時間參數(shù)解析

根據(jù)2017年4～6月西昌鋼釩煉鋼廠部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對煉鋼全流程各工序作業(yè)周期進行統(tǒng)計。普通鋼煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉的標準作業(yè)周期為39 min，合理調(diào)整范圍的上限為55 min，下限為30 min；品種鋼分三類工藝流程，煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉的標準作業(yè)周期 (即平均作業(yè)周期）分別為43 min、41 min、43 min，作業(yè)周期合理調(diào)整范圍的上限為60 min，下限為30 min。同理，結(jié)合對過程溫降速率的解析，在滿足出鋼溫度、連鑄過熱度以及其它工藝要求的情況下，確定了普通鋼和品種鋼在各工序的標準作業(yè)周期值和合理調(diào)整范圍區(qū)間。普通鋼和品種鋼各工序作業(yè)周期及調(diào)整范圍見表1。

表1 普通鋼和品種鋼各工序作業(yè)周期及調(diào)整范圍 min

由表1可知，普通鋼脫硫、煉鋼、LF、連鑄等工序周期比品種鋼短。由于鐵水質(zhì)量不同，普通鋼脫硫工序周期在25～45 min的范圍內(nèi)波動。澆注普通鋼時，拉速快，受澆注斷面不同的影響，工序周期在30～60 min的范圍內(nèi)波動，平均澆注周期比品種鋼短。品種鋼要求連鑄恒速、慢澆操作，由于市場趨向于小批量、多規(guī)格、多品種的合同結(jié)構(gòu)，連鑄工序周期在40～70 min的較大范圍內(nèi)波動。LF工序由于采用雙工位設(shè)計，大大縮短了精煉工序的處理周期，高級別品種鋼加熱精煉的時間可控制在25～65 min。提釩工序主要作用是“提釩保碳”，受品種影響較小，周期穩(wěn)定。

3 煉鋼各工序產(chǎn)能分析

西昌鋼釩煉鋼廠生鐵產(chǎn)量定位為500萬t/a，產(chǎn)品定位為品種鋼占比80%（其中真空鋼50%）。由于不同品種在同一工序的作業(yè)周期不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)必然影響著工序產(chǎn)能和系統(tǒng)產(chǎn)能。因而，需分析工序產(chǎn)能、系統(tǒng)產(chǎn)能、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，確定制約產(chǎn)能的瓶頸環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的改進措施。

3.1 煉鋼各工序處理能力測算

煉鋼工序產(chǎn)能指煉鋼廠各個工序:鐵水預(yù)處理（脫硫、提釩）、轉(zhuǎn)爐煉鋼、精煉、連鑄工序的生產(chǎn)能力。假設(shè)同一工序內(nèi)的不同設(shè)備間無差異，公稱容量相同，即各爐次在設(shè)備上的作業(yè)周期與工序內(nèi)設(shè)備選擇無關(guān)，工序產(chǎn)能與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)間的簡化關(guān)系如下所示：

式中，mk為工序k內(nèi)的設(shè)備總數(shù);wl為設(shè)備l的公稱容量，t；Tv,k為品種鋼在工序k的標準作業(yè)周期，min；為工序k內(nèi)品種鋼的生產(chǎn)比例,%;Tc,k為普通鋼在工序k的標準作業(yè)周期,min；TS為時間區(qū)段，h；ηk為工序k的日歷作業(yè)率，%。

根據(jù)式（1）和表1，基于規(guī)模及產(chǎn)品定位，可以分別對煉鋼各工序的產(chǎn)能進行分析，進而通過產(chǎn)能比較，確定不同產(chǎn)品結(jié)構(gòu)下的產(chǎn)能瓶頸工序。煉鋼各工序處理能力見表2。

表2 煉鋼各工序處理能力

從表2可以看出，西昌鋼釩煉鋼廠鐵水預(yù)處理工序、精煉工序產(chǎn)能滿足系統(tǒng)產(chǎn)能、品種定位要求；煉鋼工序、連鑄工序在設(shè)計公稱容量及現(xiàn)有設(shè)備狀況（日歷作業(yè)率90.0%）條件下，通過能力不足。

3.2 系統(tǒng)產(chǎn)能分析

根據(jù)式（1）可知，工序產(chǎn)能受公稱容量、日歷作業(yè)率和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)三方面因素的影響。以品種鋼為例，在公稱容量、日歷作業(yè)率固定時，煉鋼轉(zhuǎn)爐、連鑄工序產(chǎn)能與品種鋼比例的關(guān)系見圖2。

圖2 煉鋼轉(zhuǎn)爐、連鑄工序產(chǎn)能與品種鋼比例的關(guān)系

當品種鋼生產(chǎn)比例＜21.4%時，鐵水預(yù)處理工序產(chǎn)能＞精煉工序產(chǎn)能＞連鑄工序產(chǎn)能＞轉(zhuǎn)爐工序產(chǎn)能，此時轉(zhuǎn)爐工序的品種鋼產(chǎn)能最小，由于各工序品種鋼生產(chǎn)比例相等，因而轉(zhuǎn)爐工序的總產(chǎn)能亦最小，轉(zhuǎn)爐工序是煉鋼廠產(chǎn)能的瓶頸工序；當品種鋼生產(chǎn)比例≥21.4%時，鐵水預(yù)處理工序產(chǎn)能＞精煉工序產(chǎn)能＞轉(zhuǎn)爐工序產(chǎn)能＞連鑄工序產(chǎn)能，此時連鑄工序的品種鋼產(chǎn)能最小，連鑄工序是煉鋼廠產(chǎn)能的瓶頸工序。

因此，根據(jù)西昌鋼釩產(chǎn)量、產(chǎn)品定位及設(shè)備條件的分析認為，隨著鋼鐵市場需求的變化，煉鋼轉(zhuǎn)爐工序和連鑄工序均可能成為煉鋼系統(tǒng)產(chǎn)能提升的瓶頸工序。

4 采取的措施

4.1 提高鐵水罐裝入量

西昌鋼釩鐵/鋼界面采用過跨線 “一罐到底”模式生產(chǎn)，鐵水罐設(shè)計裝入量為200 t（罐體外形尺寸:高6 400 m，圈口外徑4 288 mm）,采用磚砌和整體澆筑兩種砌筑模式。鐵水罐擴容方案見表3。由表3看出，鐵水罐擴容后，兩種罐底耐材厚度分別減薄160 mm和100 mm，耐材修砌量分別減少4 t和7 t。此外，還增高鐵水罐的扒渣嘴200 mm。改造后，鐵水裝入量可提高至235 t，比改造前提高了17.5%。

表3 鐵水罐擴容方案

4.2 提高轉(zhuǎn)爐煉鋼處理能力

（1）縮短煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉周期

煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉過程為：兌鐵→加廢鋼→吹氧冶煉→出鋼→濺渣，通過優(yōu)化煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉過程的操作工藝，縮短了煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉各階段的操作時間。煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉周期優(yōu)化方案見表4。

表4 煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉周期優(yōu)化方案

對于非吹氧冶煉操作，改進轉(zhuǎn)爐出鋼口參數(shù)，將出鋼口內(nèi)徑擴大10 mm，在保證出鋼口壽命不下降的同時，可使出鋼時間縮短近1 min。由于西昌鋼釩煉鋼廠采用了轉(zhuǎn)爐下渣自動檢測系統(tǒng)并結(jié)合轉(zhuǎn)爐滑動出鋼口，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐的自動擋渣作業(yè)，出鋼口內(nèi)徑擴大對轉(zhuǎn)爐下渣影響較小。

對于吹氧冶煉操作，在不改變氧槍的5孔噴頭參數(shù)的情況下，將氧槍的供氧流量由3.8萬m3/h提高至 4.5 萬 m3/h， 供氧強度由 3.0 m3/（t·min）提高至 3.6 m3/（t·min）。 提高供氧流量及強度后，在保證轉(zhuǎn)爐冶煉安全的前提下，通過調(diào)整氧槍槍位，縮短熔池混勻時間，冶煉前期槍位由2.3～3.0 m降低至2.0～2.3 m，冶煉中期槍位由2.0～2.5 m降低至1.7～2.0 m；冶煉后期槍位由1.8～2.2 m降低至1.5～1.8 m。

綜合考慮脫磷效果優(yōu)化造渣制度。根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐底情況，出鋼后留渣操作，并向爐內(nèi)各加入1.0～1.5 t高鎂石灰和活性石灰，來回搖爐將爐渣裹干，保證兌鐵安全；采取少量多批的方式，每批次加入輔料0.5～1.0 t，禁止集中加料；冶煉前期爐渣堿度控制在2.0～2.5，過程避免返干；冶煉中期，少量多次加入造渣材料，終渣堿度控制在3.0～4.0，終渣MgO含量控制在10%～12%。

（2）完善提釩轉(zhuǎn)爐煉鋼功能

西昌鋼釩煉鋼廠提釩轉(zhuǎn)爐和煉鋼轉(zhuǎn)爐在設(shè)備條件上差異不大，實行“2.5座煉鋼轉(zhuǎn)爐，1.5座提釩轉(zhuǎn)爐”工藝，即用一座提釩轉(zhuǎn)爐階段性煉鋼，緩解煉鋼轉(zhuǎn)爐產(chǎn)能壓力。提釩轉(zhuǎn)爐爐后增設(shè)合金上料斗和爐后小平臺及信息采集功能，完善提釩快分系統(tǒng)，增設(shè)風動送樣、滑板擋渣裝置及在線鋼包烘烤裝置等，完善提釩轉(zhuǎn)爐煉鋼功能。優(yōu)化后，提釩轉(zhuǎn)爐煉鋼周期由70 min降至60 min以下。

4.3 減少鑄機調(diào)寬次數(shù)

增大鑄坯斷面、采取鑄機恒定高拉速等措施可以提高鋼水流通量，縮短澆鑄周期。但鑒于鋼材市場小批量、多規(guī)格、多品種的產(chǎn)品需求，具體可通過優(yōu)化合同結(jié)構(gòu)，采取鋼種及斷面歸并的措施，減少鑄機調(diào)寬次數(shù)，提高鑄機日歷作業(yè)率，以縮短澆鑄周期。

5 取得的效果

5.1 鐵水裝入量提高

西昌鋼釩煉鋼廠鐵水罐擴容前，鐵水裝入量為200 t,鐵水罐擴容后，鐵水裝入量可提高至235 t，能力提高了17.5%。

5.2 轉(zhuǎn)爐能力提高

優(yōu)化前后煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉周期對比見表5，供氧強度優(yōu)化前后參數(shù)對比（平均值）見表6。

表5 煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉周期優(yōu)化前后的對比 min

表6 供氧強度優(yōu)化前后各參數(shù)的對比

提高供氧強度，優(yōu)化氧槍槍位后，由于熔池攪拌能力增強，向熔池傳氧的速率得到提高，加速了碳氧反應(yīng)，降碳速率和升溫速率均顯著提高。由表5、6可見，純吹氧時間平均縮短1.7 min，來渣時間縮短0.8 min，氧耗降低2.2 m3/t。

分析轉(zhuǎn)爐終點爐渣成分發(fā)現(xiàn)，終渣TFe含量平均由20.86%降低至19.37%。同時，監(jiān)測爐襯及爐底厚度發(fā)現(xiàn)，射流并未沖擊到爐底和爐襯，保證了轉(zhuǎn)爐冶煉的安全。煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉周期由43.0 min降至37.3 min，降低了13.3%。采取措施前，煉鋼系統(tǒng)產(chǎn)能為1.15萬t/d，采取措施后，煉鋼系統(tǒng)產(chǎn)能最高可達1.40萬t/d，具備了1.30萬t/d的鐵水消化能力。

6 結(jié)論

（1）在對西昌鋼釩煉鋼廠各工序時間參數(shù)解析的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)產(chǎn)能與工序產(chǎn)能和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的關(guān)系后認為，當品種鋼生產(chǎn)比例＜21.4%時，轉(zhuǎn)爐工序是系統(tǒng)產(chǎn)能的瓶頸環(huán)節(jié)；當品種鋼生產(chǎn)比例≥21.4%時，連鑄工序是系統(tǒng)產(chǎn)能的瓶頸環(huán)節(jié)。

（2）對鐵水罐擴容改造，裝入量由200 t提高至235 t；提高煉鋼轉(zhuǎn)爐供氧強度，使用大孔徑出鋼口，煉鋼轉(zhuǎn)爐冶煉周期由43 min降低至37 min，煉鋼系統(tǒng)生產(chǎn)能力由1.15萬t/d提高至1.30萬t/d。