降低螺紋鋼出鋼溫度生產工藝優(yōu)化與實踐★

鄧長付，周朝剛，楊建華，王書桓，羅凌云，史湘東，陳慶功

（1.廣東韶關鋼鐵有限公司，廣東 韶關512123；2.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山063210；3.華北理工大學以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山063210；4.天津鐵廠有限公司技術質量科，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，擁有廣闊的市場和巨大的生產量。但由于市場供需關系的改變、環(huán)保要求的日益嚴苛，導致螺紋鋼價格波動，企業(yè)經(jīng)濟效益降低。因此采用新材料、新工藝和新技術來降低螺紋鋼生產成本、提高產品質量成為企業(yè)生存和發(fā)展的唯一出路[1-5]。目前國內部分鋼鐵企業(yè)已在生產低成本螺紋鋼方面取得實質性進展：宣鋼和中南大學合作，利用微氮合金代替硅錳釩等貴金屬合金，實現(xiàn)低成本生產高強度螺紋鋼[6]；撫順新鋼鐵有限責任公司采用轉爐全程底吹吹氮工藝冶煉，在滿足國家標準的同時降低生產成本[7]。

廣東韶關鋼鐵有限公司（以下簡稱韶鋼）煉鋼廠螺紋鋼生產流程鐵水條件變化范圍大，終點及過程控制不穩(wěn)定，轉爐終點出鋼溫度高，導致鋼水氧化性強，螺紋鋼生產過程合金、脫氧劑、鋼鐵料等物料消耗高。為此特成立降低螺紋鋼終點溫度攻關項目組進行攻關和工藝優(yōu)化。螺紋鋼生產工藝流程：一罐制高爐鐵水→120 t轉爐→吹氬喂絲站→方坯連鑄機。對鋼水溫降分析，從降低鋼水爐內停等時間、出鋼過程溫降、鋼水周轉時間及澆注過程溫降幾方面開展工作，主要包括如圖1所示內容。

表1降低螺紋鋼出鋼溫度措施

1）采用轉爐高拉補吹工藝，補吹前測溫、取樣，補吹后出鋼，不再等樣。

2）提高連鑄拉速，實現(xiàn)低溫快拉，穩(wěn)定中包溫度。

3）優(yōu)化增碳工藝，采用細顆粒增碳劑結合碳線增碳，降低原增碳過程氬氣攪拌強度、時間，減少增碳溫降。

4）細化鋼包分類管理，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 螺紋鋼終點控制及過程溫度要求

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

式中：ΔGθ為標準吉布斯自由能；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為碳氧的質量分數(shù)。

圖2 終點溫度對C含量的影響

由圖2可知，隨著轉爐終點出鋼溫度的升高，鋼水中C含量降低。

由式（2）得出：當碳氧積m固定，鋼水中的C含量越低，O含量越高。即轉爐終點出鋼溫度過高時，會導致鋼水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增加企業(yè)經(jīng)營成本。

圖3 終點溫度對P含量的影響

由圖3可知，隨著轉爐終點出鋼溫度的升高，鋼水中P含量升高。當鋼水中P含量超過螺紋鋼終點控制要求時，會導致鋼材產生“冷脆”，降低塑性、增加裂紋敏感性。

2 生產工藝優(yōu)化與實踐

2.1 工藝設備

韶鋼煉鋼廠煉鋼一工序工藝設備主要包括3座120 t轉爐、3座吹氬喂絲站、3座LF爐、1座RH爐、1臺（220～270 mm）×（1 500～2 300 mm)板坯連鑄機、1臺170 mm×170 mm五機五流方坯連鑄機和2臺160 mm×160 mm六機六流方坯連鑄機。

10月27日，全球領先的數(shù)字化技術公司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、最具柔性的機器人工廠，實現(xiàn)用機器人制造機器人。新工廠將位于上海康橋，緊鄰ABB現(xiàn)有的大型機器人園區(qū)，利用包括ABB?Ability?解決方案在內的互聯(lián)數(shù)字化技術、一流的協(xié)作機器人技術以及創(chuàng)新的人工智能研究，打造ABB最先進、最環(huán)保的“未來工廠”。該工廠預計將于2020年底投入運營。ABB還與上海市政府簽署了一項全面戰(zhàn)略合作協(xié)議，重點支持上海工業(yè)、能源、交通和基礎設施發(fā)展，全力打響“上海制造”品牌。上海市市長應勇與ABB集團首席執(zhí)行官史畢福簽署了該協(xié)議。

2.2 實施轉爐高拉補吹工藝

原煉鋼工藝采用“模擬副槍+終點等樣出鋼”的轉爐終點控制方式：即轉爐吹煉至熔池碳含量為0.50%～0.60%時一倒測溫，根據(jù)一倒溫度二次吹氧至終點，測溫、取樣、等樣出鋼，樣不合格時再次補吹[13-14]。在此工藝條件下，轉爐終點等樣時間長，鋼水溫度損失大。為改善這一情況將吹煉工藝調整為：轉爐一次吹煉至熔池碳含量0.12%～0.17%時倒爐取樣、測溫，搖正爐子立即補吹，由于一次拉碳接近終點，取樣得到的成分完全可以代替終點成分，若有偏差，也可以采取化渣補吹措施進行彌補，因此補吹結束不等樣直接出鋼，減少了一次轉爐倒爐時間約3 min，降低此過程中鋼水溫度的損失，采用高拉補吹工藝前后轉爐冶煉周期變化趨勢如圖4所示。

圖4 采用高拉補吹工藝前后轉爐冶煉周期變化趨勢

2.3 提高螺紋鋼拉速，降低澆注周期

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

1）推廣武進長虹結晶器銅管的使用。新引進的武進長虹結晶器銅管是康卡斯特公司設計的一種高效方坯結晶器。相比于原結晶器銅管，該銅管具有熱性能好，再結晶溫度高，抗熱疲勞強度高，耐磨性能好，不易變形的優(yōu)點。在連鑄高拉速生產條件下，鑄坯脫方、角裂、內裂等質量問題有了明顯改善。

2）修訂鋼包溫度與拉速的匹配關系。將原來三檔的溫度區(qū)間，變?yōu)樗臋n，重點強調“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系調整情況如下頁表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

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

表3 連鑄中包溫度與拉速關系調整情況

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)溫度情況對比如表4所示。

表4 使用高碳錳鐵與使用錳硅合金對增碳過程各環(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，測算噸鋼綜合成本升高0.56元/t，無成本優(yōu)勢。

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，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)溫度對比情況如表5所示。

表5 使用錳碳球與使用硅錳對增碳過程各環(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)錳碳球合金價格測算，噸鋼綜合成本升高0.29元/t，無成本優(yōu)勢。

2.4.3 降低增碳劑的粒度

原轉爐出鋼過程手投增碳及氬站補加碳粉時，使用增碳劑（92），粒度為2～6 mm，熔化速度慢，增碳時間長。優(yōu)化改進使用粒度為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、準確性、均勻性，碳線增碳過程不需要開大氣強攪，同時縮短攪拌增碳時間，達到降低增碳過程溫度損失，已在各氬站全面推廣使用。

經(jīng)過反復的現(xiàn)場對比試驗，得到最佳增碳工藝為轉爐使用0～3 mm碳粉增碳，吹氬站使用碳線增，加強對原料成本和工序穩(wěn)定運行的控制能力。

2.5 細化鋼包分類管理

根據(jù)鋼包上爐澆注結束到下爐盛鋼的空包轉運時間、鋼包修理級別、鋼包內襯溫度，進一步細化鋼包分級管理，將鋼包由原來的分為四類細分為八類，如表6所示。細化不同的鋼包類別過程溫度補償標準，通過提高A類包比率、穩(wěn)定過程溫度控制來進一步降低出鋼溫度。

表6 鋼包分類判定標準

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

對照現(xiàn)有的溫度制度，再根據(jù)實際溫度控制情況分布調整過程溫度，合計過程溫度數(shù)據(jù)，各牌號螺紋鋼的溫度修改前后溫降情況如下頁表8所示。

表8 過程溫度下調情況

3 經(jīng)濟效益

轉爐溫度每降低1℃可節(jié)約成本如圖5所示。

圖5 轉爐溫度每降低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，鋁粒價格按1.2萬元/t計算，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計算，氧氣價格按0.68元/m3計算，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℃對應噸鋼鐵耗降低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。

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

4 結論

韶鋼煉鋼廠通過對螺紋鋼生產工藝流程進行改進優(yōu)化后，取得了一系列成效，主要包括以下幾個方面：

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

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

3）生產工藝優(yōu)化后，終點溫度平均降低20.2℃，按螺紋鋼月平均產量18.81萬t計算，每年節(jié)約生產成本1 481.85萬元，實現(xiàn)企業(yè)生產的低成本化。