多功能煉鋼中試系統研制及頂底復吹控制

余 強，姜驍箐，姜周華(.東北大學信息科學與工程學院，沈陽089；.東北大學冶金學院，沈陽089)

多功能煉鋼中試系統研制及頂底復吹控制

余 強1，姜驍箐1，姜周華2
(1.東北大學信息科學與工程學院，沈陽110819；2.東北大學冶金學院，沈陽110819)

中試設備是大型鋼鐵企業技術中心用于科研成果轉化及解決大生產過程中關鍵技術與新產品開發的重要設備之一.但由于設備小，實現大生產模擬有諸多困難.本文介紹的多功能煉鋼中試系統，集模擬煉鋼初煉、轉爐頂底復吹、AOD、LF精煉、鋼錠模鑄于一身，設備體積小，功能全，控制精度高，數據分析強大，解決了模擬大生產過程的相關技術難點.本文詳細介紹了系統組成與功能，重點介紹頂底復吹的控制以及3例實際應用效果.

中試系統；煉鋼；多功能；頂吹復吹

1 多功能煉鋼中試系統的主要功能

目前鋼鐵企業常見的特殊鋼冶煉流程如圖1所示.一般通過電弧爐或中頻感應爐煉鋼實現鋼水初煉；通過鋼包精煉爐或通過AOD實現鋼水精煉，最后進行模鑄或連鑄.

由于大生產設備容量大，即使使用最少裝入量仍然需要大量原材料，使得開啟費用高、時間長，對于新工藝研發、大生產過程問題的研究與解決一般希望通過中試設備先進行，之后將成果應用到大生產中，這樣成本低、效率高.此種方法被大多數國內外鋼鐵企業采用.因此，開發一種能反映大生產過程，接近大生產工藝的小型多功能中試設備尤為迫切.

圖1 煉鋼流程 Fig.1 Steelmaking process

本多功能煉鋼中試系統通過一套設備將上述工藝集于一身，即采用中頻感應爐進行熔煉，通過頂底復吹功能模擬轉爐冶煉、AOD精煉工藝，利用直流電源及石墨電極升降機構模擬LF工藝，通過爐體傾翻機構與三軸移動鑄錠臺車實現鋼錠模鑄.設備如圖2所示.該設備功能強大，控制精準，占用面積小，可廣泛適用于鋼鐵企業技術中心、科研院所、高校等進行煉鋼中試科研.

圖2 多功能煉鋼中試爐設備組成 Fig.2 Composition of multifunction steelmaking medium test system1—電極及氧氣管升降； 2—煙罩； 3—直流電源； 4—中頻電源； 5—控制室； 6—爐體； 7—鑄錠臺車

本多功能煉鋼中試系統具有如下研發功能：

(1)模擬頂底復吹脫碳轉爐冶煉碳鋼(低碳鋼、低合金鋼)，研究轉爐冶煉過程的渣-金反應，耐火材料與鋼液、爐渣的反應等；適合超低磷鋼的冶煉[1].

(2)模擬LF鋼包精煉工藝，具有調節鋼水成分、溫度、脫氧、脫硫和去除夾雜物功能.適用于冶煉對鋼中氧、硫含量要求低，夾雜物控制嚴格的高質量潔凈鋼[2].

(3)模擬AOD頂底(側)復吹冶煉不銹鋼[3]，主要研究：

1)AOD供氣制度(頂吹、底側吹)對脫碳、脫氮和鉻等合金元素氧化的影響；2)氣相滲氮合金化工藝；3)AOD精煉造渣制度(氧化期、還原期)對元素氧化還原、脫硫、脫氧以及鋼中夾雜物形態和去除的影響；4)AOD脫氧制度；5)不銹鋼品種開發；6)AOD過程控制模型的開發.

(4)模擬模鑄過程，可澆注圓錠、方錠、扁錠等多種規格和重量的鋼錠,解決鑄錠中的工藝問題，并為后步軋制提供錠型尺寸合適的鑄坯.

2 設備組成

2.1 中頻電源

電源采用IGBT中頻電源，根據爐體大小配備不同的功率，輸入電壓為三相380 V，輸出頻率為1 000～3 000 Hz，配備純水冷卻器.IGBT中頻電源具有熔化速度快、節能、高次諧波污染低等優點.

2.2 爐體

中頻感應爐是主體設備，穩定可靠，且具有很強的耐沖擊能力.此外中頻感應爐經特殊的技術改造，避免氧槍因感應發熱而燒壞.爐體兩座，同時配置爐襯漏鋼預報警系統，在出現漏鋼事故時能及時報警.

2.3 爐體傾動系統

傾爐裝置采用電機驅動，經蝸輪減速機減速后，傾動具有電動和手動兩種功能，爐子可傾動180°，便于安裝底吹透氣塞.

2.4 LF功能及設備

本設備主要由鋼包爐本體及其底陽極，單臂石墨陰極及固定水冷陽極，電極升降機構，直流電源系統等部分組成.

在感應爐坩堝基礎上再增加吹氬透氣塞及底電極系統.吹氬口單獨設置，在吹氬口管線上設有手動快速接頭聯通.導電包底電極的結構形式采用特制的低碳導電磚，并通過水冷導電銅板作為集電板.集電板上垂直焊接一塊水冷銅板，并通過石棉板與外殼絕緣從底部引出，再連接水冷電纜返回電源.

電極升降機構與氧槍升降機構共用.即兩者可互換使用，但不可同時使用.煙罩上面的氧槍孔作為電極孔.

不同于大生產，本系統熔煉電源采用直流電源，是該功能主要特征，包括：直流電源柜、直流電抗器、短網等.直流電抗器用于輸出限流.短網采用銅排、水冷電纜.

2.5 爐帽、煙罩及其旋轉機構

爐帽主要用于防止吹煉過程中鋼渣的噴濺.外殼為金屬，內部為澆注的耐火材料.由于感應爐的特殊性能，必須對爐帽進行特殊的技術處理，否則將會造成爐帽發熱甚至達到紅熱狀態，造成內部耐火材料的脫落.

煙罩采用水冷結構，固定高度，立柱帶有軸承可旋轉，可以使煙罩在兩個爐體的任何一個位置.

2.6 鑄錠臺車及鋼錠澆注

鑄錠臺車采用三臺交流電機完成鑄錠小車在與感應爐兩個爐體聯線的垂直方向的鐵軌上前后移動、自身旋轉、升降三軸移動功能.由PLC實現三臺交流電機控制，在爐前操作臺操作，配有遙控手操器.澆前將鑄錠模放在可移動鑄錠車上，移動鑄錠車使鋼流對準鋼錠模漏斗；鑄錠小車前后移動、自身可旋轉和升降滿足了澆注時的靈活性.當澆完一個模后，鑄盤旋轉到下一個錠模，再注下一個模.

2.7 閥 站

整個頂底復吹系統的閥站構成:進入閥站的氣體有氧氣、氮氣和氬氣三種.氧氣分成兩路分別供給頂吹氧槍和底吹噴槍.進入閥站的氮氣和氬氣也分成兩路作為底吹的工藝氣體和冷卻氣體.每路氣體控制元件包括截止閥、流量計、流量調節閥和快速切斷閥，由計算機系統通過閉環控制氣體吹入量.

2.8 冷卻水系統

設備冷卻部分有：中頻電源柜、直流電源柜、感應爐線圈、短網、電容、煙道等.兩個電源配備一套純水冷卻器；設備配備分集水器，連接到電源純水冷卻器換熱器及其他需冷卻部分.外部提供冷卻水進出分集水器.

分集水器上安裝有進水溫度檢測元件、壓力檢測元件，回水溫度顯示儀表、水堵檢測元件，另外感應線圈上安裝有溫度傳感器.

2.9 計算機監控系統

采用二級計算機控制系統，即由基礎控制級和管理控制級組成.如圖3所示.同時預留與工廠數據管理工作站的接口.

(1)基礎控制級采用可靠性及性價比高的西門子可編程控制器(PLC)，實現信號采集、過程自動控制及系統自診斷與故障報警.

(2)管理控制級采用工業控制計算機(上位機)、液晶顯示器，實現顯示各種信號、參量、畫面、儲存數據，進行故障報警等，并實現人機對話，發出指令，組成監控系統.上位機與PLC采用工業以太網通訊協議實現信息的交換.

圖3 控制系統組成框圖Fig.3 Structure block diagram of control system

3 頂底復吹控制

系統可模擬轉爐頂底復吹，也可模擬AOD頂底復吹.

3.1 底吹系統

(1)冶煉碳鋼的底吹

根據碳鋼冶煉的工藝要求可采用透氣塞底吹方式.底吹透氣塞一般采用狹縫式結構.其特點是使用壽命長，鋼水不倒灌.這種方式可模擬頂底復吹轉爐的底吹惰性氣體攪拌和鋼包底吹氬攪拌作用.除了選擇合理的透氣塞，還必須選擇相適應的透氣塞和噴槍的耐火材料，以及為了方便更換透氣塞，必須選擇合適的座磚.

(2)冶煉不銹鋼的底吹系統

底吹噴槍采用環縫結構.中心管吹氧氣和氬氣混合氣體、氮氣等，環縫一般吹氮氣或氬氣等惰性氣體，以保護噴槍不被燒壞.因此，這種方式可模擬AOD冶煉供氣模式和脫碳.噴槍必須對其氣室部位作相應的技術處理，否則，由于中頻感應作用，會將氣室和噴槍燒壞而漏氣，無法達到底吹攪拌和精煉的目的.除了選擇合理的噴槍外，還必須選擇相適應的噴槍耐火材料，以及為了方便更換噴槍，必須選擇合適的座磚.

3.2 頂吹系統

頂槍為水冷結構.由于爐膛較小，噴吹氣體速度太快，噴濺較大，因此，根據鐵水含碳量、吹煉時間的不同要求，選擇單孔直筒式氧槍噴頭.頂槍升降裝置設計在煙罩上端，可跟隨煙罩轉動便于兩個爐座應用.頂槍升降采用絲桿傳動，伺服電機驅動，升降速度可調.通過絲杠上安裝的絕對值編碼器，由計算機監控槍位高低，位置控制精準.

4 實施效果舉例

4.1 模擬轉爐頂底復吹

采用200 kg感應爐熔化鐵水100 kg.熔清后，當鐵水溫度達到1 530 ℃開始頂吹氧.頂吹氧氣壓力0.5 MPa，流量控制在6～30 m3/h，控制精度±3%；開始時按最低流量控制，槍位(槍頭離鋼液面距離)約150～200 mm，吹氧時間20～25 min.在頂吹同時，進行底吹攪拌.底吹惰性氣體流量(標準態下)控制在0.06～0.54 m3/h，實際可以穩定在0.1 m3/h，控制精度±3%；流量過大容易造成噴濺.在吹煉過程中要加入適量石灰造渣，總加入量約5 kg.圖4為實際吹煉過程照片.

采用以上工藝參數，可以在25 min左右將鐵水中碳的質量分數從4.5%降低到0.01%的水平.

4.2 模擬AOD頂底復吹進行不銹鋼精煉

4.2.1 配 料

初煉爐配料時，C按實際生產要求控制，Cr、Ni、 Mo、Mn按中限控制，Si和P盡量要低，w[Si]≤0.2，w[P]≤0.025.具體鋼種初煉爐配料要求見表1.

圖4 模擬頂底復吹轉爐試驗過程圖Fig.4 Simulation process of top bottom combined blowing test process for a converter

表1 熱態中試實驗初煉配料或成分要求(質量分數)

為了滿足以上配料成分要求，金屬爐料將采用經三脫的低磷低硅生鐵，低磷優質廢鋼，HcFeCr，HcFeMn，電解鎳.具體配料單見表2.

表2 初煉配料單

4.2.2 初煉工藝

將上述金屬料加入感應爐坩堝內，進行熔化.送電功率按常規操作進行.鋼水全部熔清后，溫度達到1 500～1 550 ℃范圍時進入AOD精煉階段.

4.2.3 模擬AOD爐吹煉工藝

當熔池溫度在 1 500 ℃ 以上時進行吹氧脫碳操作.吹氧前應加入石灰4～5 kg，螢石0.4～0.6 kg，并將感應爐電源功率降至較低水平，以維持鋼水溫度基本不下降.

表3為冶煉304/304L的供氣制度.其中冶煉304時脫碳期到第Ⅳ期結束，冶煉304 L時，脫碳期增加第Ⅴ期.

實際試驗表明，精煉終點鋼水成分在鋼種標準要求范圍內，見表4.鉻的收得率達到98%以上，脫硫率大于80%.

4.3 模擬LF精煉

4.3.1 LF操作工藝

目標鋼種為硬線鋼82B.

(1)以170 kg返回廢鋼為金屬原料，加入坩堝進行熔化.

(2)當鋼水溫度達到1 550 ℃時，打開氬氣閥門進行底吹氬，控制氬氣流量在0.03～ 0.06 m3/h.在爐內，加入石灰10 kg，鋁礬土4 kg，螢石1 kg進行造渣.等渣基本化清后，將中頻電源功率調小，即保溫的功率即可.停電，測溫取樣1.

(3)打開直流電源，下降石墨電極，送電操作.電參數：電壓80 V，電流1 000～1 500 A，加熱時間15 min.停電，測溫取樣2.

(4)將中頻功率保持在小功率不變5 min，使其溫度下降，然后停電，測溫取樣3.

(5)再進行直流加熱，10 min后，停電，測溫取樣4.

表3 304/304L不銹鋼精煉供氣制度

表4 304/304L精煉終點的成分(質量分數)

4.3.2 LF精煉效果

精煉后鋼的化學成分滿足鋼種標準要求，各項指標全部滿足預定要求，尤其是鋼水潔凈度達到很高水平.主要指標如下：

(1)升溫速度：5.5～10.2 ℃/min；

(2)脫硫效果：起始w[S]為0.015%，精煉結束后w[S]為0.002%，脫硫率為87%；

(3)精煉終點鋼水全氧質量分數為0.0009%(即9×10-6).

5 結 論

多功能煉鋼中試系統可以模擬煉鋼初煉、轉爐頂底復吹、AOD、LF精煉等多種功能，設備體積小，功能全，控制精度高，數據分析強大，解決了模擬大生產過程的相關技術難點.實際應用表明，模擬頂底復吹轉爐冶煉碳鋼、模擬AOD精煉不銹鋼、模擬LF精煉硬線鋼82B等均達到了預期效果，系統已在多個大型鋼鐵集團技術中心得到廣泛應用，為鋼鐵企業煉鋼工藝研究和品種開發提供了強有力的試驗平臺.

[1]王海奇, 包燕平. 頂底復吹轉爐冶煉低碳鋼的工藝研究[J]. 特殊鋼, 2010, 31(06): 28-31. (Wang Haiqi, Bao Yanping.A study on process for melting low carbon steel by top and bottom combined blown converter[J]. Special Steel, 2010, 31(06): 28-31.)

[2]陳達士. 最新爐外精煉及鐵水預處理新工藝、新技術實用手冊[M]. 北京: 當代中國出版社, 2009: 3-6. (Chen Dashi..New secondary refining and hot metal pretreatment of new technology, new technology practical manual[M]. Beijing: Contemporary China Publishing House, 2009: 3-6.)

[3]郭家祺, 劉明生. AOD精煉不銹鋼工藝發展[J]. 煉鋼, 2002, 18(02): 52-58. (Guo Jiaqi, Liu Mingsheng.Evolution of AOD process for stainless steel refining[J]. Steelmaking, 2002, 18(02): 52-58.)

Development of medium test system in multifunction steelmaking and control of top and bottom combined blowing

Yu Qiang1,Jiang Xiaoqing1,Jiang Zhouhua2

(1. College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;2. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

The medium test equipment is one of the important equipment for transformation of scientific research achievements,the key technology and development of new products in the technology center of large steel enterprises. However, due to the small equipment, realization of large production simulation has many difficulties. In the presat paper, a multi-function medium test system was introduced. The multifunctional steelmaking medium test system could simulate the initial step of steelmaking ,top and bottom combined blowing, AOD, LF refining, ingot mould casting,and et al. The equipment had the advantages of small volume, full function, high control precision, strong data analysis and so on. The system solved technically relevant difficult problems in simulation of a large production process.The system constitute and function, control of top and bottom combined blowing and effect of practical application were introduced in detail.

medium test system; steelmaking; multifunction; top and bottom blowing

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.005

TF 133；TP 2

A

1671-6620(2017)01-0025-05