降低HRB400EA出鋼溫度工藝優化與實踐

張仕洋，解文中，王 勇，宋 健

(馬鞍山鋼鐵有限公司長材事業部，安徽 馬鞍山 243000)

對煉鋼廠來說，鋼水溫度不僅是煉鋼操作穩定的基礎，也是獲得良好鑄坯的基礎，鋼水的過程溫度是貫穿整個煉鋼生產過程的主要控制參數之一。

隨著轉爐終點溫度的提高，鋼的氧含量會大幅度增加，帶來轉爐脫氧劑的用量增加，合金的收得率降低。過高的出鋼溫度會腐蝕濺渣層，從而直接侵蝕爐襯磚，增加了轉爐耐材消耗，降低了轉爐爐齡。出鋼溫度過高對轉爐鋼產品的實物質量也不利。一方面增加了脫氧產物，使鋼水中夾雜物增加；另一方面，由于對耐材的侵蝕加劇，會流入鋼中，形成夾雜。因此，降低轉爐出鋼溫度，對合金收得率、轉爐爐況、產品質量、鋼鐵料消耗指標以及成本均具有積極意義。

文獻調研發現，為了有效降低出鋼溫度，國內鋼廠開展了一系列生產實踐。概括來說，主要從提高轉爐終點命中、縮短冶煉周期、降低出鋼溫降、減少鋼水罐周轉個數、鋼水罐吹氬強度優化、鋼水罐保溫層砌筑、提高鑄機拉速、降低過熱度、規范中間罐烘烤與覆蓋劑保溫等方面著手[1-5]。在上述共性措施的基礎上，各鋼廠因地制宜，提出了一些創新性方案。首鋼京唐胡敏等[6]重點關注于高效化生產，韶關鋼鐵鄧長付等[7]提出優化出鋼過程增碳工藝的思路，方大特鋼熊小明等[8]介紹了爐后合金烘烤爐的應用，唐鋼孫建勇等[9]基于物料平衡、熱平衡計算確保吹煉過程均勻升溫，萊鋼王尖銳[10]開發了LF 智能吹氬模式。

1 工藝現狀

馬鋼煉鋼廠生產的HRB400EA屬于方坯直上鋼種，工藝路徑為：120 t轉爐→吹氬站→150 mm×150 mm方坯連鑄，其轉爐終點成分及過程溫度控制要求如表1所示。

表1 HRB400EA轉爐終點成分及過程溫度要求

HRB400EA作為產量較大的單個品種，2020年其產量占總產量的29%。2020年該鋼種連澆爐次出鋼溫度均值1673 ℃，氬前溫度均值1600 ℃，氬后溫度均值1581 ℃，中間罐溫度均值1536 ℃。出鋼-中間罐總溫降137 ℃，其中出鋼溫降73 ℃，氬站溫降19 ℃，氬站出站至中間罐溫降45 ℃，中間罐過熱度31 ℃，各工序溫度體系均較高。

降低HRB400EA溫度體系主要存在問題：(1)方坯鑄機冷床能力不足，影響拉速提升，澆注周期(44 min)偏長；(2)鋼水吊運至連鑄臺需轉向90°，且轉爐和鑄機被LF爐隔開，鋼水上臺需占用3#LF西工位通道，物流不暢，吊運時間(16 min)偏長；(3)方坯鋼水罐與CSP鋼水罐不兼容，原則上不混用，開澆前3爐一般為備用罐；(4)受制于LF爐平臺高度、鋼水罐爐口粘渣以及鋼水罐蓋如何周轉等因素，鋼水罐未能實現加蓋。

2 降低出鋼溫度的措施

轉爐出鋼溫度由以下公式確定：

T出=T凝+α+△t1+△t2

式中：T出為轉爐出鋼溫度，T凝為鋼液凝固溫度，α為鋼液過熱度，△t1為出鋼至開澆過程鋼水罐內鋼水溫降，△t2為鋼水罐至中間包鋼水溫降。按照經驗公式計算，HRB400EA鋼T凝為1505℃，則降低出鋼溫度要從降低α、△t1、△t2入手，優化工藝，減少過程溫度損失。同時，轉爐應以T出為目標值，控制過程均勻升溫，避免一倒溫度過高或過低。

2.1 建立熱平衡靜態計算模型

轉爐降低出鋼溫度就是要控制吹煉的過程溫度，使開吹到終點的溫度曲線盡量呈一種逐漸上升的趨勢。過程溫度來源于轉爐物理熱與化學熱的供給情況，歸根結底取決于鐵水、冷料、渣料、發熱劑以及冷卻劑的配比。為了在開吹前及時掌握該爐次熱平衡是否富余，基于各物料的熱效應，建立熱平衡靜態計算模型，根據計算結果確定發熱劑或者冷卻劑的整爐加入量。鐵水、冷料、渣料、發熱劑以及冷卻劑熱效應如表2所示，正值代表放熱，負值代表吸熱。根據模型計算得出的結果，指導轉爐造渣料、發熱劑、冷卻劑的加入，避免一倒溫度失衡，確保碳溫協調。

表2 物料熱效應對照表 單位：℃/t

2.2 縮短轉爐冶煉周期

(1)縮短主吹煉時間。120噸轉爐現場使用氧槍噴頭為四孔鑄造噴頭，噴頭參數為：中心傾角12°，喉口37.9 mm，出口49.2 mm，噴頭設計馬赫數為2.0。通過將氧槍流量由21000～22000 Nm3/h逐步提升至24000～25000 Nm3/h，供氧強度達到3.33 Nm3/(t·min)以上，主吹煉時間減少1分37秒。

(2)一倒接近終點，減少補吹時間。基于熱平衡模型，轉爐按照終點碳含量0.09%、終點溫度1660 ℃的目標控制吹煉過程，一倒接近終點，補吹時間縮短27秒。

(3)縮短流鋼時間。原先使用的非定徑出鋼口為喇叭型，其尺寸為170 mm(內口)/140 mm(外口)。為縮短流鋼時間，試用170 mm(內口)/150 mm(外口)尺寸出鋼口，流鋼時間縮短45秒。

(4)減少加料時間。高產條件對兌鐵及加廢鋼的速度同樣提出更高要求，通過優化生產調度，兌鐵、加廢鋼停等時間減少，速度加快，加料時間縮短1分3秒。

(5)縮短濺渣時間。通過固定倒爐倒渣角度，留合適的渣量濺渣，過氧化爐次采用出完鋼先倒渣后濺渣，轉爐濺渣時間縮短了21秒，同時也減少了濺渣熱量損失。

通過采取以上措施，轉爐冶煉周期達到35分03秒，較改進前縮短4分48秒。轉爐冶煉周期加快后，轉爐和鋼水罐蓄熱性改善，有利于出鋼溫度的降低。

表3 轉爐冶煉周期統計表

2.3 應用爐后合金烘烤

HRB400EA出鋼過程每爐合金加入量共計2900 kg，其中錳硅合金加入量2690 kg/爐，硅鐵75B加入量210 kg/爐。合金的大量加入，造成出鋼溫降較大，經統計，平均值為73 ℃。為減少出鋼溫降，去除爐后現有的合金料倉，在旋轉溜槽上方安裝一合金加熱爐。合金烘烤使用煤氣加熱合金10～15 min，平均烘烤溫度400～600 ℃。不烘烤的鋁鐵或渣料，通過旁通溜槽加入旋轉溜槽中。按照合金加熱終點溫度400 ℃計算，則爐后合金加熱理論可降低出鋼溫降7.40 ℃，測算采用的參數如表4所示。

表4 合金加熱理論貢獻溫度測算表

2.4 鋼水罐蓄熱改進

2.4.1 氬站烘罐

因現有設備受限，鋼水罐不具備加蓋功能，為減少鋼水溫降，鋼水出站添加保溫劑保溫。另外，調整鋼水罐烘烤時間和方式，采用先灌砂后烘烤。2021年以來，氬站烘罐比例最高達70.5%。連鑄拉速提升后，鋼水罐周轉節奏加快，可供烘烤的時間減少或來不及烘烤，鋼水罐烘烤效果受到影響。

2.4.2 改進鋼水罐保溫層耐材

為了提高我廠鋼水罐的保溫性，降低鋼水罐使用過程中鋼水的溫度損失，從優化和改進鋼水罐保溫層耐材入手，同時結合同類單位使用狀況，并綜合考慮我廠鋼水罐形狀和需要的耐材強度等要求，使用導熱系數為0.046 W/m·K的新型復合反射絕熱板，代替我廠使用的導熱系數為0.20 W/m·K普通纖維保溫板，以期達到較好的鋼水罐保溫效果。復合反射絕熱板是采用反射率較高的金屬鋁箔、導熱系數極低的納米玻璃纖維布、粉漿層，由復合工藝制成的一種新型絕熱材料，其保溫性能優于傳統保溫材料。

2.5 轉爐同澆次分階段控制出鋼溫度

HRB400EA使用干式料中間罐，澆注時間可達30 h以上，連澆爐數可達40爐以上，澆注前、中、后期鋼水罐周轉、蓄熱情況差異較大，需要同澆次分階段控制出鋼溫度。為此，針對此品種，劃分了第1爐、第2～8爐以及第9爐及后續三個階段，每個階段出鋼溫度依次遞減，具體溫度控制要求見表5。

表5 HRB400EA同澆次不同爐次溫度控制要求

由表6可知，澆次第9爐以后出鋼溫度均值較之前爐次降低5.8 ℃，氬前溫度均值降低3.3 ℃，氬后溫度均值降低2.5 ℃。

表6 HRB400EA同澆次不同爐次溫度控制情況

2.6 鑄機提速

連鑄按照拉速目標：2.8 m/min→3.0 m/min→3.1 m/min→3.2 m/min，分階段持續推進HRB400EA拉速提升工作。

2.6.1 冷卻系統改進

由于拉速的大幅提升，為了保證鑄坯出結晶器后坯殼的安全厚度，加大足輥及二冷區的冷卻強度，將足輥水冷噴嘴角度由60°改為90°，二冷1段氣霧噴嘴由1.6 mm改為2.0 mm，同時為了增加二冷區的冷卻水量，將總管壓力由之前的1 MPa增加至1.2 MPa，總水量由之前的220 m3/h增加至250 m3/h。

2.6.2 臺下集群控制系統的改進

(1)提高割槍速度。由于設計的切割區域較短，在提升拉速后，按照以前的割槍割速(260 mm/min)已經不能滿足生產需求，故將割槍割速提升至300 mm/min。(2)縮短翻鋼時間。由于拉速的提升，鑄坯溫度過高易彎曲，為保證鑄坯能夠盡早的進入冷床，故將翻鋼時間由15 s/次減少至10 s/次。

2.6.3 擋渣桶的改進

在直上鋼種的連澆生產中，由于拉速是靠中包鋼水靜壓力來控制，因此為了保證拉速的穩定，操作人員需要每4～5爐進行一次中包排渣操作，使得拉速不會下降。但由于擋渣桶的構造問題，會使得在每次在排渣過程中部分渣子都會流入中包澆鑄區卻無法流回沖擊區，每當到了該澆次的中后期，澆鑄區的渣子就會變多，致使拉速下降，從而無法達到目標拉速。為了解決這個問題，將擋渣桶兩個面上部中間部位挖出兩個350 mm×60 mm的矩形，可以在排渣操作中使得渣子能從澆鑄區重回沖擊區并及時排除，從而在中后期也能達到目標拉速。

2021年以來，滿流澆注情況下，方坯拉速不斷提升，目前HRB400EA鑄機6流總通鋼量最高達到3.19 t/min，對應均值拉速為3.11 m/min(具體如圖1所示)。拉速提升有利于縮短澆注周期，減少澆注溫降，從而帶動整個溫度體系下移。由中間罐溫度的統計數據來看，HRB400EA中間罐溫度均值最低降至1532.5 ℃，對應鋼水過熱度17.5 ℃。中間罐溫度基本按中下限控制。

圖1 HRB400EA鑄機6流總通鋼量變化趨勢

3 應用效果

上述措施實施后，HRB400EA出鋼溫度穩步下降，效果顯著，2021年各月數據如圖2所示。尤其是2021年7月，HRB400EA出鋼溫度均值為1663 ℃，較2020年累計值降低10 ℃。出鋼溫度下降后，鋼水氧化性減弱，HRB400EA終渣TFe含量13.44%，降低1.88%。

圖2 HRB400EA出鋼溫度均值變化趨勢