降低高碳鋼冶煉成本的生產實踐

李正嵩,李 燚,劉立德,高長益,葉雅妮

(首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司技術中心,貴州六盤水553028)

降低高碳鋼冶煉成本的生產實踐

李正嵩,李 燚,劉立德,高長益,葉雅妮

(首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司技術中心,貴州六盤水553028)

為了降低60#～80#、SWRH82B高碳鋼的冶煉成本,通過優化轉爐爐料結構,充分利用鐵水中的Cr元素,改造LF爐水冷爐蓋,回收利用LF爐精煉渣,提高進入LF爐精煉站的鋼水溫度,減少Si-Ca線喂入量,用純鈣線代替Si-Ca線對鋼水進行鈣處理,延長連鑄中間包使用壽命,中間包使用保溫吸渣劑代替無碳覆蓋劑,結果使高碳鋼的噸鋼冶煉成本下降了53.44元。

高碳鋼;盤條;煉鋼;成本

1　引言

水鋼生產的高碳鋼有60#～80#盤條和SWRH82B盤條,其中,60#～80#盤條是用于拉拔鋼絲、捻制鋼繩的原料,SWRH82B盤條是用于拉拔鋼絲、捻制鋼絞線的原料。水鋼提供高質量的盤條,滿足用戶制造高質量的鋼絲、鋼繩、鋼絞線的要求,同時又要降低生產成本,經濟地生產盤條,提高水鋼高碳鋼盤條的市場競爭力。水鋼生產高碳鋼盤條的工藝流程是高爐鐵水→100t頂底復吹轉爐冶煉→LF爐精煉→150mm×150mm方坯連鑄→鑄坯加熱→高速線材軋制→Stellmor風冷線冷卻→集卷→入庫。高碳鋼盤條與普通建筑用棒材和線材相比,其冶煉成本高出200元/t～300元/t,而軋鋼成本相當。因此,在當前激烈的市場競爭形勢下,在保證鋼質的前提下,通過優化高碳鋼的冶煉工藝,降低生產成本是企業的主要任務之一。

2　工藝的優化

2.1轉爐工藝的優化

2.1.1轉爐爐料結構的優化

在保證轉爐熱平衡的條件下,對轉爐爐料結構、合金化過程進行優化調整,降低成本。根據不同的鋼種對Cr元素的要求,對鐵水中的Cr元素加以利用,降低成本。

轉爐裝入制度中爐料入爐結構主要是鐵水、廢鋼、生鐵塊和其它含鐵資源(例如:渣鋼、污泥球、冷固球),由于各種含鐵資源價格不一樣,就要通過優化配比,實現經濟效益最大化[1]。

含鐵資源中污泥球和冷固球的鐵含量高、堿度高、MgO含量高、有豐富的FeO,見表1。堿度高可以減少轉爐石灰的用量, MgO含量高對轉爐護爐有利,豐富的FeO含量有利于轉爐前期快速成渣,對脫磷非常有利,雖然污泥球和冷固球的P、S含量偏高,但只要搭配合適,可以控制鋼水中的P、S在要求的范圍之內。且其價格低,污泥球價格僅200元/t,冷固球970元/t,若用于轉爐冶煉中,具有可觀的經濟效益。

在含鐵資源中,磁選渣鋼的全鐵含量在50%左右,見表2,成本為213.9元/t,其堿度、MgO含量均高于污泥球和冷固球,這對降低石灰消耗和護爐更為有利,同時含有豐富的FeO,對轉爐前期快速化渣脫磷非常有利。

因此,在轉爐冶煉高碳鋼時,將入爐爐料結構進行調整,調整前后的爐料配比見表3,調整后進行了3個方案試驗,以達到保證鋼質,降低生產成本的目的。

表1　污泥球和冷固球化學成分

表2　磁選渣鋼的化學成分

表3　轉爐冶煉每爐裝入爐料配比結構調整前后對比表

通過試驗得知,3個方案的鋼水P、S含量均可滿足高碳鋼要求,但尤其以方案1效果最好,在生產中采用方案1進行爐料結構搭配,以降低生產成本。

2.1.2鐵水中Cr元素的利用

根據鋼種對Cr元素的不同要求,對鐵水中Cr元素加以利用,降低生產成本。鐵水中Cr在轉爐冶煉過程中是一種有害元素,其氧化產物由于熔點很高,在渣中影響爐渣的熔化,使爐渣發稠、發粘,進而影響脫磷效果,嚴重時還會造成氧槍粘槍。根據貴州鋼繩集團公司的要求,60#～80#高碳鋼盤條,由于用于拉拔細絲、捻制鋼繩,要將盤條鋼中Cr控制在0.05%以下,但是,SWRH82B高碳鋼盤條,由于用于拉拔較粗的鋼絲、捻制鋼絞線,要求鋼中Cr含量為0.26%～0.30%。因此,對于不同的鋼種,采用不同成分的鐵水冶煉,即采用[Cr]≤0.10%的低Cr鐵水冶煉60#～80#高碳鋼,采用[Cr]＞0.10%的高Cr鐵水冶煉SWRH8B高碳鋼。在采用高Cr鐵水冶煉SWRH82B鋼時,轉爐采取高拉碳的冶煉方法來減少鋼水中Cr的氧化,減少渣中Cr2O3含量,這既對轉爐化渣脫磷有利,又可使鋼水中的Cr含量增加0.03%左右,且高拉碳時還能降低鋼水的氧活度,這樣每爐鋼可減少40kg強脫氧劑Si-Ca-Ba的用量[2]。

2.1.3脫氧合金化工藝的優化

調整合金料結構可降低冶煉成本[3]。由于Si-Mn合金比高碳錳鐵的價格低,因此,就要多用Si-Mn合金少用高碳錳鐵對鋼水進行脫氧合金化。在轉爐采用高拉碳出鋼后,鋼水的氧化性降低,就可減少Si-Ca-Ba的使用量。在冶煉高碳鋼時,在轉爐出鋼過程中加入Si-Mn合金脫氧,在LF爐精煉過程中,再使用高碳錳鐵將鋼水中的錳配到要求的范圍。Si-Mn合金脫氧優于高碳錳鐵脫氧,因為鋼中硅錳復合氧化物比錳氧化物更容易上浮排出。因此,在轉爐出鋼過程中,將Si-Mn合金的用量增加了200kg/爐,以降低鋼水氧含量,減少鋼中夾雜物,為LF爐精煉工序造還原渣、減少鈣處理喂絲量創造良好條件,又減少了LF爐精煉過程中高碳錳鐵的加入量,節約了成本。

2.2LF爐精煉工藝的優化

2.2.1水冷爐蓋的改造

優化LF爐水冷爐蓋結構,減少頻繁漏水事故,降低消耗。精煉爐水冷爐蓋三角環管頻繁漏水造成精煉中斷,進而造成連鑄機非計劃停澆,影響生產穩定順行,造成各種消耗高,且漏水時存在嚴重安全隱患。通過調查發現精煉爐三角水冷環管與三相電極之間的距離僅有65mm,間隙過小,在電極表面掛渣時,距三相電極的距離更近,若在生產過程中出現渣殼松動脫落,則有可能與電極接觸,從而導致短路起弧擊穿三角環管,繼而造成三角環管漏水,導致生產中斷,另外爐蓋經常傾斜也會造成三角環管與電極接觸,導致短路起弧擊穿三角環管。2011年、2012年每年平均3次因LF爐爐蓋漏水造成連鑄非計劃停澆,造成巨大經濟損失。為解決這一問題,通過論證,在不改變爐蓋載重結構、確保安全及通過調整抽風閥開度保證精煉還原氣氛的前提下,將三角環管最里的一圈拆除(改進前后見圖1所示),這樣可增大水冷三角環管與三相電極之間的距離到130 mm,間隙比原來增加了一倍,很好地避免了三角環管因電弧擊穿而導致的漏水事故,杜絕了精煉爐三角環管漏水事故,創造了良好的經濟效益。

2.2.2精煉渣的回收利用

對精煉爐渣進行回收利用,降低生產成本。LF爐精煉爐渣通常按廢渣進行處理,但精煉爐渣堿度較高,含有大量的CaO、MgO、Al2O3等對精煉爐造渣有益的組分,見表4所示,可對其進行回收利用,既能降低生產成本,又能減少廢渣造成的場地占用及其對環境污染。回收的精煉爐渣可取代部分精煉渣和石灰,降低生產成本。且因其是粉末狀,加入精煉爐熔化更快,精煉脫硫效果更好,通過對其脫硫效果進行跟蹤,脫硫效果與沒有使用回收渣的爐次的效果相當,見表5所示。

圖1　LF爐水冷爐蓋改造前后示意圖

表4　LF爐精煉回收渣化學成分

表5　使用正常渣料與使用回收渣料的脫硫情況對比

2.2.3進精煉站鋼水溫度的優化

鋼水進LF爐精煉站的溫度對精煉爐的電耗影響較大,鋼水進站溫度低,必然要消耗更多的電能升溫,雖然轉爐出鋼溫度低一些,有利于轉爐脫磷、拉碳,但造成精煉爐電耗上升,成本增加。用轉爐氧化反應升溫或是用精煉爐電能升溫,值得分析,轉爐氧氣耗量為18 500m3/h,理論升溫速度40℃/min,實際可達到60℃/min,精煉爐在5檔(315V、29 319A)時,升溫速度為5℃/min,通過測算,使用轉爐化學升溫更經濟,且高碳鋼轉爐出鋼溫度本來就較低,適當上調出鋼溫度對轉爐爐襯影響不大,在保證轉爐良好的脫磷和高拉碳的前提下,將出鋼溫度上調20℃以上。轉爐出鋼溫度上調后,LF爐電耗逐年下降,2011年高碳鋼噸鋼電耗72.31k W·h、2012年高碳鋼噸鋼電耗為69.98k W·h、2013年高碳鋼噸鋼電耗為68.72k W·h,調整前后高碳鋼鋼水進LF爐精煉站溫度見表6所示。

表6　進LF爐精煉站的高碳鋼鋼水溫度

2.2.4Si-Ca線喂入量的優化

優化LF精煉工藝、減少鋼中的夾雜物含量,減少鈣處理所需要的喂絲量,進一步降低生產成本。在LF爐精煉結束時,向鋼水中喂入Si-Ca線的目的是使鋼中的高熔點Al2O3夾雜物生成低熔點的7Al2O3·12CaO復合夾雜物,防止連鑄時水口結瘤堵塞,并且使成品鋼中的夾雜物成為可變形的球狀夾雜物,有利于盤條的拉拔加工。經查閱資料可知,國外有許多鋼廠已取消了鈣處理工藝,國內雖然還未達到這一水平,但目前也正在進行這方面的探索與研究?；谝陨戏治鲅芯?決定對精煉爐造渣工藝和底吹氬工藝進行優化調整,以進一步提高鋼水潔凈度,降低鈣處理所需要的喂絲量。

通過對LF爐造渣工藝進行優化調整,使渣中的Al2O3含量為10%～25%,確保爐渣的熔點處于CaO-SiO2-Al2O3渣系的低熔點區,以提高爐渣的流動性,加快冶金反應速度,使爐渣易于吸收鋼中夾雜物,使得鋼中夾雜物數量減少,其形態和性質也能得到有效地控制。

優化LF爐底吹氬工藝,減少鋼中夾雜物含量。鋼包底吹氬條件下鋼液中夾雜物的去除主要依靠氣泡的浮選作用,即夾雜物與氣泡碰撞并粘附在氣泡壁上,然后隨氣泡上浮而被去除。研究表明,鋼包吹氬去除夾雜物的效率決定于吹入鋼液中的氣泡數量、氣泡尺寸以及夾雜物的尺寸。吹入鋼液的氣泡數量越多,去除夾雜物的數量也越多;氣泡尺寸越小,夾雜物被氣泡俘獲的概率越大,去除效率越高;大顆粒夾雜物比小顆粒夾雜物更容易被氣泡俘獲,吹氬產生的氣泡尺寸主要取決于吹氬流量或吹氬強度,因此采用合理的分段吹氬工藝組合有利于鋼中夾雜物的去除。因此,在精煉過程中采用200L/min～300L/min的底吹流量,成分調整時為600L/min～700L/min、喂絲時為200L/min～300L/min、喂絲后軟吹是50L/min～80L/min的吹氬流量,以進一步降低鋼中的夾雜物含量,為減少夾雜物變性處理所需Si-Ca線量創造了條件。通過多次試驗,發現當每爐鋼的Si-Ca線喂入量在60m～80m時,連鑄時的鋼水流動性最好,為確保鋼水流動性和鋼水質量,決定將每爐鋼硅鈣線使用量定為80m,調整后多次進行跟蹤,證明產品質量滿足用戶使用要求。

2.2.5用純鈣線代替Si-Ca線

使用純鈣線,降低鈣處理成本。由于鈣處理時起作用的是金屬鈣,而純鈣線中金屬鈣含量高,成本較低,故每爐鋼采用50m純鈣線(直徑?9mm,Ca含量98%)代替80m硅鈣線(直徑?13mm,Ca含量21%),確保鈣處理過程中使用的金屬鈣量相當。試驗跟蹤表明:60#～80#、SWRH82B的鋼水流動性好;9批?12.5mm SWRH82B盤條(在將鑄坯軋制成盤條時,鋼坯是按爐組批,9批盤條對應9爐鋼)的金相夾雜物檢驗結果見表7,可見夾雜物的總級別≤2.0;9批?12.5mm SWRH82B盤條的力學性能檢驗結果,抗拉強度Rm=1 180MPa～1 200MPa,平均1 190MPa,斷面收縮率Z=30%～35%,平均33%MPa;60#～80#、SWRH82B鋼盤條的質量和性能滿足用戶使用要求。

2.3連鑄工藝的優化

2.3.1延長中間包使用壽命

澆注60#～80#、SWRH82B高碳鋼時,由于澆注速度、澆注溫度、鋼水的氧活度較低,鋼液對耐火材料的侵蝕較小,連澆完畢后,在清理中間包時,發現中間包工作層耐火材材殘料較多,富余量較大,中間包成本浪費較多,同時考慮與中間包塞棒壽命匹配,將中間包使用壽命從原來的24h延長到28h,一個連澆的中間包澆注爐數可由31爐提高到36爐,從而降低中間包耐火材料消耗。

2.3.2中間包使用保溫吸渣劑代替無碳覆蓋劑

在生產60#～80#、SWRH82B高碳鋼時,為了減少連鑄中間包的增碳,生產時都要求使用無碳覆蓋劑,但其成本較高,而從化驗情況看,保溫吸渣劑碳含量與無碳覆蓋劑相差不大,見表8所示,故可使用成本較低的保溫吸渣劑代替無碳覆蓋劑,降低生產成本。

表7　SWRH82B盤條的金相檢驗夾雜物級別

表8　無碳覆蓋劑和保溫吸渣劑化學成分對比(%)

3　經濟效益計算

在長達兩年的工藝優化過程中,順利完成了轉爐入爐爐料結構優化、對鐵水中Cr元素加以利用、對脫氧合金化過程進行優化、改進精煉爐水冷爐蓋三角環管結構、對精煉爐渣進行回收利用、優化精煉爐進站鋼水溫度控制、優化LF精煉工藝減少鈣處理所需要的喂絲量、使用純Ca線代替Si-Ca線降低喂絲成本、延長中間包使用壽命、使用保溫吸渣劑代替無碳覆蓋劑。通過這些工藝的優化,高碳鋼成本下降,取得了良好的經濟效益

(1)優化轉爐裝入制度的經濟效益

從含鐵量來看,每爐鋼加入2t含鐵資源(即污泥球、磁選渣鋼),這2t含鐵資源相當于1t廢鋼,含鐵資源成本為413.9元/t(即,污泥球價格200元/t,磁選渣鋼價格213.9元/t),而廢鋼成本為2 420元/t,每爐鋼節約成本2 006.1元/t,每爐鋼按85t計算,則噸鋼節約23.60元/t。

(2)充分利用鐵水中的Cr元素產生的經濟效益

通過對SWRH82B鋼進高拉碳冶煉,使鐵水中Cr元素得到充分利用,使鋼水中Cr含量平均增加0.03%,鉻鐵成本9 600元/t,鉻鐵中Cr含量為54%,收得率按95%計算,則噸鋼節約成本為:1噸鋼×0.03%÷54% ÷95%×9 600元/t=5.61(元/t)。若每年生產40萬噸高碳鋼,其中,SWRH82B占50%,折算成全部高碳鋼量,則節約成本2.81元/t。

(3)Si-Ca-Ba合金加入量減少而產生的經濟效益

轉爐脫氧過程中,每爐鋼按85t計算,Si-Ca-Ba的使用量從120kg下降到80kg,Si-Ca-Ba的價格為10 000元/t,則噸鋼節約成本(120-80)÷1 000×10 000÷85=4.71 (元/t)。

(4)調節不同合金種類用量產生的經濟效益

Si-Mn合金用量增加200kg后,高碳錳鐵的加入量相應減少,Si-Mn合金價格6 200元/t,高碳錳鐵價格6 500元/t,每爐鋼按85t進行計算,則噸鋼節約成本為(200/1 000)× (6 500-6 200)÷85=0.71(元/t)。

(5)減少硅鈣線喂入量產生的經濟效益

在LF爐精煉結束時,原來硅鈣線的喂入量為150m/爐,優化工藝后喂入量為80m/爐,爐產量85t,硅鈣線每卷長2 400m、重1.2t,每噸10 000元,則創造經濟效益(150-80)÷2 400×1.2×10 000÷85=4.12(元/ t)。

(6)使用純鈣線降低鈣處理成本

使用純鈣線后,成本下降,純鈣線每卷4 600m、1.07t,每噸12 800元。每爐鋼使用50m,成本為50÷4 600×1.07×12 800÷85 =1.75(元/t);每爐鋼使用80m硅鈣線,成本為80÷2 400×1.2×10 000÷85=4.71(元/ t),成本下降了2.96元/t。

(7)優化進入LF精煉站的鋼水溫度產生的經濟效益

在提高轉爐鋼水進LF爐精煉站溫度后,精煉爐噸鋼電耗由原來的72.31 k W·h下降到68.72 k W·h,生產用電價格為0.6元/k W·h,每爐鋼產量85t,降低電耗: (72.31-68.72)×0.6=2.15(元/t)。

(8)優化精煉爐水冷爐蓋結構產生的經濟效益

優化精煉爐水冷爐蓋結構,減少頻繁漏水事故,降低消耗。在改進前每年平均3次由于精煉爐爐蓋漏水而造成連鑄非計劃停澆,三角環管漏水事故每次平均造成1整爐鋼回爐、7t廢品、中間包單包連澆僅13爐/組、影響時間150min。而在改進后,避免了漏水事故。經測算,噸鋼降成本1.07元。

(9)對精煉爐渣進行回收利用產生的經濟效益

對精煉爐渣進行回收利用,實現廢棄資源的再利用,降低了生產成本。將回收的LF爐精煉渣再次用于LF爐精煉,加入量150kg/爐,同時減少精煉工序活性石灰50kg/爐、精煉渣100kg/爐,石灰價格420元/t,精煉渣價格1 900元/t,每爐鋼按85t計算,則噸鋼節約成本:(50÷1 000×420+ 100÷1 000×1 900)÷85=2.48(元/t)。

(10)延長連鑄中間包使用壽命產生的經濟效益

延長連鑄中間包使用壽命,降低噸鋼耐火材料消耗。將高碳鋼連鑄中間包使用壽命從24h提高到28h,降低中間包耐材噸鋼消耗和能源消耗。將中間包使用壽命由24h延長到28h后,中間包澆注爐數可由31爐提高到36爐,1個中間包的工作層成本為10 280元,按每爐鋼85t計算,噸鋼可節約成本10 280/(31×85)-10 280/(36×85)=0.55 (元/t)。中間包使用壽命延長后,降低了塞棒、座磚、上水口成本,經測算噸鋼降成本0.28元。中間包壽命延長后,減少了中間包開澆次數,減少切頭切尾及中間包注余廢品量,噸鋼合格品產生的合理消耗降低,經測算噸鋼降成本0.88元。中間包使用時間延長后,可減少中間包煤氣烘烤用量,經測算噸鋼降成本0.08元。由以上可算出,中間包使用壽命延長后合計噸鋼節約成本1.79元。

(11)使用保溫吸渣劑代替無碳覆蓋劑產生的經濟效益

無碳覆蓋劑成本1 838元/t,保溫吸渣劑成本872元/t,平均每爐鋼(按85t)使用10袋(50kg),噸鋼可節約成本(50/1 000)×(1 838-872)÷85=0.58(元/t)。

綜合上述11項經濟效益,高碳鋼噸鋼成本總計下降53.44元/噸,按年產40萬噸高碳鋼計算,年創效益2 137.6萬元。

4　結論

根據水鋼生產60#～80#、SWRH82B高碳鋼的轉爐冶煉工藝、LF爐精煉工藝和連鑄工藝,在保證鋼質的前提下,通過優化轉爐爐料結構,充分利用鐵水中的Cr元素,改造LF爐水冷爐蓋,回收利用LF爐精煉渣,提高進入LF爐精煉站的鋼水溫度,減少Si-Ca線喂入量,用純鈣線代替Si-Ca線對鋼水進行鈣處理,延長連鑄中間包使用壽命,中間包使用保溫吸渣劑代替無碳覆蓋劑,結果使高碳鋼的噸鋼冶煉成本下降了53.44元,按每年生產高碳鋼40萬噸高碳鋼計算,則年降成本2 137.6萬元。

[1] 石磊.技術進步在降低煉鋼成本中的作用[J].科技創新導報,2013(6):69.

[2] 吳國臣,曾圣明,陸鳳軍.100t轉爐冶煉SWRH82B高拉碳去磷生產實踐[J].金屬制品,2012,38(4):49-54.

[3] 譚亞韡,代斌,何飛.降低硬線鋼冶煉成本的實踐[J].河北冶金,2013(12):69-71.

Production Practice to Reduce Steelmaking Cost of High Carbon Steel

LI Zheng-song,LI Yi,LIU Li-de,GAO Chang-yi,YE Ya-ni
(Technology Center,Shougang Shuicheng Iron&Steel(Group)Co.,Ltd.,Liupanshui 553028,Guizhou,China)

In order to reduce steelmaking cost of 60#～80#and SWRH82B high carbon steel,by optimizing charge structure of BOF steelmaking,making the most of chromium in hot metal, improving water-cooled cover of LF furnace,recycling waste slag after LF refining,increasing temperature of moten steel sent to LF refining station,decreasing quantity of Si-Ca wire added into molten steel,using pure Ca wire instead of Si-Ca wire for calcium treatment of moten steel, lengthening service life of tundish,using heat-insulating slag-obsorbing agent instead of non-carbon covering agent in tundish,we make steelmking cost per ton of high carbon steel decrease 53.44 yuan.

high carbon steel;wire rod;steelmaking;cost

1001-5108(2016)02-0001-08

TF761

B

李正嵩,高級工程師,主要從事鋼鐵冶煉和軋鋼技術及管理工作。