鄧長(zhǎng)付，周朝剛，楊建華，王書桓，羅凌云，史湘東，陳慶功

（1.廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司，廣東 韶關(guān)512123；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山063210；3.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山063210；4.天津鐵廠有限公司技術(shù)質(zhì)量科，河北 涉縣075100）

我國建筑業(yè)和工業(yè)鋼材消耗約占鋼材總消費(fèi)量的90%左右，螺紋鋼作為主要的建筑用鋼材，擁有廣闊的市場(chǎng)和巨大的生產(chǎn)量。但由于市場(chǎng)供需關(guān)系的改變、環(huán)保要求的日益嚴(yán)苛，導(dǎo)致螺紋鋼價(jià)格波動(dòng)，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益降低。因此采用新材料、新工藝和新技術(shù)來降低螺紋鋼生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量成為企業(yè)生存和發(fā)展的唯一出路[1-5]。目前國內(nèi)部分鋼鐵企業(yè)已在生產(chǎn)低成本螺紋鋼方面取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展：宣鋼和中南大學(xué)合作，利用微氮合金代替硅錳釩等貴金屬合金，實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn)高強(qiáng)度螺紋鋼[6]；撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司采用轉(zhuǎn)爐全程底吹吹氮工藝冶煉，在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)降低生產(chǎn)成本[7]。

廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司（以下簡(jiǎn)稱韶鋼）煉鋼廠螺紋鋼生產(chǎn)流程鐵水條件變化范圍大，終點(diǎn)及過程控制不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度高，導(dǎo)致鋼水氧化性強(qiáng)，螺紋鋼生產(chǎn)過程合金、脫氧劑、鋼鐵料等物料消耗高。為此特成立降低螺紋鋼終點(diǎn)溫度攻關(guān)項(xiàng)目組進(jìn)行攻關(guān)和工藝優(yōu)化。螺紋鋼生產(chǎn)工藝流程：一罐制高爐鐵水→120 t轉(zhuǎn)爐→吹氬喂絲站→方坯連鑄機(jī)。對(duì)鋼水溫降分析，從降低鋼水爐內(nèi)停等時(shí)間、出鋼過程溫降、鋼水周轉(zhuǎn)時(shí)間及澆注過程溫降幾方面開展工作，主要包括如圖1所示內(nèi)容。

表1降低螺紋鋼出鋼溫度措施

1）采用轉(zhuǎn)爐高拉補(bǔ)吹工藝，補(bǔ)吹前測(cè)溫、取樣，補(bǔ)吹后出鋼，不再等樣。

2）提高連鑄拉速，實(shí)現(xiàn)低溫快拉，穩(wěn)定中包溫度。

3）優(yōu)化增碳工藝，采用細(xì)顆粒增碳劑結(jié)合碳線增碳，降低原增碳過程氬氣攪拌強(qiáng)度、時(shí)間，減少增碳溫降。

4）細(xì)化鋼包分類管理，根據(jù)不同鋼包類型控制出鋼溫度。

1 冶煉條件

表1 韶鋼煉鋼廠鐵水條件

表2 螺紋鋼終點(diǎn)控制及過程溫度要求

轉(zhuǎn)爐冶煉過程中，碳氧反應(yīng)方程式如式（1），碳氧積公式如式（2）。從熱力學(xué)角度出發(fā)，碳氧積主要受溫度和CO分壓的影響，但實(shí)際冶煉過程中CO分壓通常為一定值，因此碳氧積的主要熱力學(xué)影響因素為溫度[11-12]。其中轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度對(duì)鋼水C、O含量的影響如圖2、圖3所示。

式中：ΔGθ為標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能；T為鋼水溫度，K；PCO為CO分壓，Pa；α[C]、αO分別為鋼水中C和O的活度，mol/L；m為碳氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖2 終點(diǎn)溫度對(duì)C含量的影響

由圖2可知，隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度的升高，鋼水中C含量降低。

由式（2）得出：當(dāng)碳氧積m固定，鋼水中的C含量越低，O含量越高。即轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼水O含量增加，從而增加非金屬夾雜物的數(shù)量和尺寸以及冶煉過程中的合金消耗量，影響成品鋼潔凈度的同時(shí)增加企業(yè)經(jīng)營(yíng)成本。

圖3 終點(diǎn)溫度對(duì)P含量的影響

由圖3可知，隨著轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度的升高，鋼水中P含量升高。當(dāng)鋼水中P含量超過螺紋鋼終點(diǎn)控制要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼材產(chǎn)生“冷脆”，降低塑性、增加裂紋敏感性。

2 生產(chǎn)工藝優(yōu)化與實(shí)踐

2.1 工藝設(shè)備

韶鋼煉鋼廠煉鋼一工序工藝設(shè)備主要包括3座120 t轉(zhuǎn)爐、3座吹氬喂絲站、3座LF爐、1座RH爐、1臺(tái)（220～270 mm）×（1 500～2 300 mm)板坯連鑄機(jī)、1臺(tái)170 mm×170 mm五機(jī)五流方坯連鑄機(jī)和2臺(tái)160 mm×160 mm六機(jī)六流方坯連鑄機(jī)。

10月27日，全球領(lǐng)先的數(shù)字化技術(shù)公司ABB宣布，將在中國投資1.5億美元新建一座其全球最大、最先進(jìn)、最具柔性的機(jī)器人工廠，實(shí)現(xiàn)用機(jī)器人制造機(jī)器人。新工廠將位于上?？禈?，緊鄰ABB現(xiàn)有的大型機(jī)器人園區(qū)，利用包括ABB?Ability?解決方案在內(nèi)的互聯(lián)數(shù)字化技術(shù)、一流的協(xié)作機(jī)器人技術(shù)以及創(chuàng)新的人工智能研究，打造ABB最先進(jìn)、最環(huán)保的“未來工廠”。該工廠預(yù)計(jì)將于2020年底投入運(yùn)營(yíng)。ABB還與上海市政府簽署了一項(xiàng)全面戰(zhàn)略合作協(xié)議，重點(diǎn)支持上海工業(yè)、能源、交通和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展，全力打響“上海制造”品牌。上海市市長(zhǎng)應(yīng)勇與ABB集團(tuán)首席執(zhí)行官史畢福簽署了該協(xié)議。

2.2 實(shí)施轉(zhuǎn)爐高拉補(bǔ)吹工藝

原煉鋼工藝采用“模擬副槍+終點(diǎn)等樣出鋼”的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制方式：即轉(zhuǎn)爐吹煉至熔池碳含量為0.50%～0.60%時(shí)一倒測(cè)溫，根據(jù)一倒溫度二次吹氧至終點(diǎn)，測(cè)溫、取樣、等樣出鋼，樣不合格時(shí)再次補(bǔ)吹[13-14]。在此工藝條件下，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)等樣時(shí)間長(zhǎng)，鋼水溫度損失大。為改善這一情況將吹煉工藝調(diào)整為：轉(zhuǎn)爐一次吹煉至熔池碳含量0.12%～0.17%時(shí)倒?fàn)t取樣、測(cè)溫，搖正爐子立即補(bǔ)吹，由于一次拉碳接近終點(diǎn)，取樣得到的成分完全可以代替終點(diǎn)成分，若有偏差，也可以采取化渣補(bǔ)吹措施進(jìn)行彌補(bǔ)，因此補(bǔ)吹結(jié)束不等樣直接出鋼，減少了一次轉(zhuǎn)爐倒?fàn)t時(shí)間約3 min，降低此過程中鋼水溫度的損失，采用高拉補(bǔ)吹工藝前后轉(zhuǎn)爐冶煉周期變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 采用高拉補(bǔ)吹工藝前后轉(zhuǎn)爐冶煉周期變化趨勢(shì)

2.3 提高螺紋鋼拉速，降低澆注周期

良好的鑄坯質(zhì)量及合適的中包溫度是實(shí)現(xiàn)連鑄高拉速生產(chǎn)的關(guān)鍵[15-17]。為提高螺紋鋼生產(chǎn)拉速，降低澆注周期，韶鋼煉鋼廠采用新型結(jié)晶器銅管，修訂鋼包溫度與拉速的匹配關(guān)系。

1）推廣武進(jìn)長(zhǎng)虹結(jié)晶器銅管的使用。新引進(jìn)的武進(jìn)長(zhǎng)虹結(jié)晶器銅管是康卡斯特公司設(shè)計(jì)的一種高效方坯結(jié)晶器。相比于原結(jié)晶器銅管，該銅管具有熱性能好，再結(jié)晶溫度高，抗熱疲勞強(qiáng)度高，耐磨性能好，不易變形的優(yōu)點(diǎn)。在連鑄高拉速生產(chǎn)條件下，鑄坯脫方、角裂、內(nèi)裂等質(zhì)量問題有了明顯改善。

2）修訂鋼包溫度與拉速的匹配關(guān)系。將原來三檔的溫度區(qū)間，變?yōu)樗臋n，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)“低溫快拉”，保證連鑄過程的平穩(wěn)提速。連鑄中包溫度與拉速關(guān)系調(diào)整情況如下頁表3所示。

3）做好鋼水保溫工作，加入合適的中包覆蓋劑，保持黑液面，做好保護(hù)澆鑄，減少吸氣和二次氧化工作。

2.4 優(yōu)化螺紋鋼增碳工藝

碳是提高螺紋鋼強(qiáng)度最廉價(jià)的合金料，控制鋼水碳含量對(duì)穩(wěn)定螺紋鋼性能和降低合金消耗成本具有重要意義[18-19]。由于螺紋鋼碳內(nèi)控范圍窄，影響因素多，控碳成為螺紋鋼生產(chǎn)的難點(diǎn)之一。原有增碳工藝是在出鋼過程中加入150 kg左右增碳劑，氬站等樣后對(duì)碳含量進(jìn)行微調(diào)。為快速穩(wěn)定增碳出鋼，減少氬站處理過程溫度損失，對(duì)增碳工藝進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整。

表3 連鑄中包溫度與拉速關(guān)系調(diào)整情況

2.4.1 高碳錳鐵替代錳硅合金

分別使用高碳錳鐵或錳硅合金作為原料進(jìn)行螺紋鋼增碳，并比較增碳過程各環(huán)節(jié)的溫度變化情況。增碳過程各環(huán)節(jié)溫度情況對(duì)比如表4所示。

表4 使用高碳錳鐵與使用錳硅合金對(duì)增碳過程各環(huán)節(jié)溫度的影響

由表4可以看出，使用高碳錳鐵與使用錳硅合金作為原料相比，出鋼溫度可降低5.6℃，但綜合合金成本，測(cè)算噸鋼綜合成本升高0.56元/t，無成本優(yōu)勢(shì)。

2.4.2 錳碳球替代錳硅合金及增碳劑

使用錳碳球替代錳硅合金及增碳劑試用于螺紋鋼生產(chǎn)，并比較增碳過程各環(huán)節(jié)的溫度變化情況。增碳過程各環(huán)節(jié)溫度對(duì)比情況如表5所示。

表5 使用錳碳球與使用硅錳對(duì)增碳過程各環(huán)節(jié)溫度的影響

使用錳碳球增碳每爐次平均出鋼溫度降低3.5℃（考慮中包溫度），根據(jù)錳碳球合金價(jià)格測(cè)算，噸鋼綜合成本升高0.29元/t，無成本優(yōu)勢(shì)。

2.4.3 降低增碳劑的粒度

原轉(zhuǎn)爐出鋼過程手投增碳及氬站補(bǔ)加碳粉時(shí)，使用增碳劑（92），粒度為2～6 mm，熔化速度慢，增碳時(shí)間長(zhǎng)。優(yōu)化改進(jìn)使用粒度為0～3 mm的92碳粉，加快熔化速度，提高增碳效果。

2.4.4 氬站使用碳線替代碳粉增碳

鋼水處理后期使用碳線增碳具有較好的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、均勻性，碳線增碳過程不需要開大氣強(qiáng)攪，同時(shí)縮短攪拌增碳時(shí)間，達(dá)到降低增碳過程溫度損失，已在各氬站全面推廣使用。

經(jīng)過反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，得到最佳增碳工藝為轉(zhuǎn)爐使用0～3 mm碳粉增碳，吹氬站使用碳線增，加強(qiáng)對(duì)原料成本和工序穩(wěn)定運(yùn)行的控制能力。

2.5 細(xì)化鋼包分類管理

根據(jù)鋼包上爐澆注結(jié)束到下爐盛鋼的空包轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間、鋼包修理級(jí)別、鋼包內(nèi)襯溫度，進(jìn)一步細(xì)化鋼包分級(jí)管理，將鋼包由原來的分為四類細(xì)分為八類，如表6所示。細(xì)化不同的鋼包類別過程溫度補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)，通過提高A類包比率、穩(wěn)定過程溫度控制來進(jìn)一步降低出鋼溫度。

表6 鋼包分類判定標(biāo)準(zhǔn)

2.6 工序溫降情況

通過數(shù)據(jù)分析，得到鋼水在各環(huán)節(jié)的溫降情況，如表7所示。

表7 各環(huán)節(jié)鋼水溫降情況

對(duì)照現(xiàn)有的溫度制度，再根據(jù)實(shí)際溫度控制情況分布調(diào)整過程溫度，合計(jì)過程溫度數(shù)據(jù)，各牌號(hào)螺紋鋼的溫度修改前后溫降情況如下頁表8所示。

表8 過程溫度下調(diào)情況

3 經(jīng)濟(jì)效益

轉(zhuǎn)爐溫度每降低1℃可節(jié)約成本如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)爐溫度每降低1℃可節(jié)約成本

1）脫氧成本。噸鋼可節(jié)約鋁合金0.00 141 kg，鋁粒價(jià)格按1.2萬元/t計(jì)算，則節(jié)約鋁合金：0.001 41 kg×12元/g=0.169元。

2）氧氣成本。噸鋼降低氧氣耗0.083 m3計(jì)算，氧氣價(jià)格按0.68元/m3計(jì)算，則節(jié)約氧氣成本：0.083 m3×0.68元/m3=0.056元。

3）降低鋼鐵料成本。出鋼溫度降低1℃對(duì)應(yīng)噸鋼鐵耗降低0.2 kg，則節(jié)約鋼鐵料成本：0.2 kg×0.5元/kg=0.10元。

綜合效益為：0.169元+0.056元+0.10元=0.325元。

螺紋鋼生產(chǎn)工藝優(yōu)化后，終點(diǎn)溫度平均降低了20.2℃，轉(zhuǎn)爐出鋼溫度每降低1℃的噸鋼綜合效益為0.325元/（t·s）。按螺紋鋼月平均產(chǎn)量18.81萬t計(jì)算，則年節(jié)約成本為：

4 結(jié)論

韶鋼煉鋼廠通過對(duì)螺紋鋼生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化后，取得了一系列成效，主要包括以下幾個(gè)方面：

1）高拉補(bǔ)吹工藝得到全面推廣，可節(jié)省轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)間約3 min，降低爐內(nèi)鋼水溫度溫降；同時(shí)由于采用新型結(jié)晶器銅管，降低螺紋鋼澆注周期約6.5 min，鋼包的細(xì)化分類管理得到了落實(shí)。

2）轉(zhuǎn)爐煉鋼增碳劑的顆粒度由2～6 mm降為0～3 mm，同時(shí)還開展了使用高碳錳鐵、錳碳合金球等合金增碳試驗(yàn)，但由于無成本優(yōu)勢(shì)，暫不推廣使用。氬站推廣使用碳線對(duì)鋼水碳含量進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

3）生產(chǎn)工藝優(yōu)化后，終點(diǎn)溫度平均降低20.2℃，按螺紋鋼月平均產(chǎn)量18.81萬t計(jì)算，每年節(jié)約生產(chǎn)成本1 481.85萬元，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)的低成本化。