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1、21世纪先进钢铁厂的理念工艺与设计1997年日本住友公司完成和歌山炼钢厂技术改造，新建2座210吨转炉和1座铁水“三脱”预处理炉替代原有的6座160t转炉。实现了“采用最新工艺和装备技术，高效率、高质量和高稳定性生产各种高品质钢材”的技术理念，被誉为21世纪世界最先进的钢铁厂”。 2002年首钢公司搬迁，在曹妃甸建成国内第一座临海靠港具有21世纪国际先进水平的钢铁厂。围绕曹妃甸钢铁厂的建设和设计国内钢铁界对如何建设21世纪先进钢铁厂进行了广泛研讨。本文对21世纪先进钢铁厂的基本理念、生产工艺与钢厂设计提出一些具体的看法。 21世纪先进钢铁厂的基本理念 21世纪先进钢铁厂是在20世纪现代化钢铁厂
2、基础上，为满足市场对超纯净钢生产的需求及钢铁企业与社会和谐发展的要求建设的新型钢铁厂。其技术特点是：高效、环保和大批量生产超纯净钢。 120世纪现代化钢铁厂的发展 20世纪中氧气转炉诞生，揭开钢铁工业由传统转向现代化的历史进程。现代化钢铁厂的技术特点是：生产高效化、布置紧凑化和作业连续化。 氧气转炉反应速度快，生产效率比平炉提高20多倍，炼钢的生产周期从1216h缩短到40min。氧气转炉的诞生加速以下重大技术的发展： 高炉大型化。为满足转炉铁水供应的要求，高炉容积不断扩大，世界最大高炉容积已超过5500m3。在此基础上，发展高炉喷煤和长寿技术，使焦比降低，炉龄超过25年。 氧气转炉周期短，生
3、产节奏快，模铸工艺无法适应。这又促进了连铸技术的开发，转炉和连铸结合使钢铁生产趋于连续化。在全连铸基础上实现连铸坯热送、连轧和薄板坯连铸连轧工艺，进一步完善了高效、紧凑、连续化生产的现代化钢铁流程。 为满足连铸对钢水纯净度的要求，各种炉外精炼和铁水预处理技术不断发展完善，钢水纯净度大幅度提高。钢材纯净度提高改善了钢材的服役性能，使市场对大批量生产超纯净钢的要求日益迫切。因此，如何大批量、稳定、高效率地生产超纯净钢成为20世纪现代化钢铁流程面临的主要技术困难。 2 现代化钢厂向21世纪先进钢铁厂的转变 (1) 社会背景 进入21世纪，为保证钢铁工业可持续发展，必须采用全新的理念研究解决超纯净钢高
4、效化生产工艺、资源能源可循环利用以及大幅度减少环境污染等重大技术问题，建立21世纪先进钢铁厂。其发展目标是： *满足超纯净钢的市场需求 现代化钢铁厂的发展，钢水纯净度大幅度提高，钢中杂质含量从30040010-6下降到10010-6以下。但超纯净钢的生产主要依赖炉外精炼工艺，往往会造成生产成本高，作业周期长，生产不稳定等弊病。研究开发大批量、低成本、稳定生产超纯净钢的生产工艺是必须解决的重要技术课题。 *进一步提高企业的核心竞争力 钢铁企业的市场竞争力不仅决定于产品的质量，更决定于产品的制造成本和产品质量的稳定性。随着钢铁工业的发展，企业间的市场竞争加剧。为提高钢厂的核心竞争力，必须以大批量生
5、产超纯净钢为基本目标，研究开发降低超纯净钢制造成本，提高钢质量稳定性的工艺技术。 *实现与环境和谐发展 21世纪，人类对社会和谐发展与环境改善的要求日益强烈，环境对钢铁工业发展的制约更加突出。如何降低钢铁制造过程的环境污染，实现固体废弃物和污水零排放；提高能源、资源利用效率，减少C02和其它大气污染物的排放量成为钢铁厂急待解决的根本问题。 (2) 21世纪先进钢铁厂的技术基础 20世纪现代化钢铁厂的发展为21世纪先进钢铁厂打下了良好的技术基础，主要包括： *确立高效、稳定、低成本生产超纯净钢的生产工艺。 为了满足大量生产超纯净钢的市场需求，日本学者提出分阶段冶炼的工艺思想：在最佳热力学条件下创
6、造最佳的动力学条件，实现钢中一种或数种杂质的提纯，保证生产的稳定性，降低生产成本。根据这一技术思想，经过20多年的研究开发，基本打通“铁水脱硫-转炉“三脱”预处理-少渣吹炼-炉外精炼”这一先进生产流程，实现了低成本、大批量、稳定生产超纯净钢的开发目标，并使转炉的生产效率提高1倍。 *高速连铸技术。 转炉采用“三脱”铁水少渣冶炼工艺后，供氧强度提高，冶炼负荷降低，使冶炼周期从4045min缩短到2025min。为了适应高效转炉的生产节奏，需要加快连铸机的拉坯速度，缩短连铸浇钢时间。近10年高速连铸技术得到迅速发展，在保证高品质钢坯铸造质量的前提下，连铸机的最高设计拉速从115mmin提高到253
7、0mmin。 *高效化生产管理技术。 随着生产节奏的加快和生产过程向连续化、紧凑化发展，生产过程的缓冲环节和缓冲能力逐步减少，系统的刚性增强。为了保证稳定有序地生产，对生产调度、设备维修管理和生产、检修计划落实等生产管理技术提出更高的要求，并逐渐形成一套完整的高效化生产管理技术。 *节能环保技术发展。 随着现代化钢铁厂生产技术的发展，节能环保技术受到高度重视，先后开发出CDQ、TRT、转炉负能炼钢、高温空气蓄热燃烧等一系列节能环保技术，提高了钢铁企业能量利用效率，也大幅度削减了污染物排放。 3 2l世纪先进钢铁厂的基本理念 综上所述，21世纪先进钢铁厂的基本理念包括： (1) 建立大批量、低成
8、本、稳定生产超纯净钢的生产体系 传统观点认为，只有少数高附加值钢材要求达到超纯净。而21世纪先进钢铁厂的基本理念是要保证生产所有钢材都能超纯净，钢中杂质元素总含量(s十P十N十T0十H100-15010-6，也就是“大批量”的概念。为了实现这一目标，必须努力降低超纯净钢的生产成本(目标是低于现代化钢铁流程中普通钢的生产成本)，提高生产稳定性，保证产品质量稳定。 (2) 实现超纯净钢生产高效化 传统的观点认为高效化生产和超纯净钢生产间存在着矛盾，高效化生产一般仅适用于普通钢，对超纯净钢生产难以实现高效化。21世纪先进钢铁厂的基本理念是实现超纯净钢生产的高效化。在先进钢铁生产流程中钢水提纯的重点工
9、序是铁水预处理，目标是实现转炉直接生产超纯净钢。通过简化炉外精炼工艺，降低生产成本，使设备生产效率提高1倍，全员劳动生产率翻一番。 (3) 建立新一代可循环的钢铁流程 能耗高、环境污染严重是现代化钢铁流程的主要缺点。在现代化钢铁生产流程中直接消耗于钢铁产品的能耗仅占生产总能耗的30，其余70的能量作为余热资源以煤气化学热和烟气、炉渣、中间产品的高温物理热等形式排放掉。按照循环经济的理念强化钢铁企业的能源资源管理，加强煤气和烟气、炉渣、粉尘、中间产品高温物理热的回收，提高能源转换效率，达到降低能耗、减少污染的目标也是21世纪先进钢铁厂的基本理念。 总之，21世纪先进钢铁厂要实现钢铁厂功能的转变，
10、将传统流程中物质单向线性流动的开放式生产过程转化为资源能源可循环的闭环式生产过程，将钢铁生产与能源转换、消纳社会废弃物三大功能有机地融为一体。 21世纪先进钢铁厂的生产工艺 1 转炉超纯净钢生产工艺 转炉直接生产超纯净钢是2l世纪先进钢铁厂的基本特征。提高转炉钢水纯净度的技术关键是铁水预处理工艺，主要包括铁水脱硫和转炉铁水“三脱”预处理。 铁水脱硫技术已经发展完善，成熟的方法是搅拌法(KR)和喷粉法。KR法的动力学条件优于喷粉法，具有明显的优点： *脱硫效率高于喷粉法； *粉剂消耗低于喷粉法； *适宜生产超低硫铁水； *生产稳定，处理成本低。 目前，国内较流行的看法认为“三脱”转炉的主要功能是
11、脱磷，因此只适用于超低磷钢的生产。事实上，在铁水“三脱”预处理过程中由于铁水C、Si、Mn含量高，提高了钢液中硫的活度系数，有利于脱硫。在脱磷过程中控制较高碱度和低FeO炉渣，可保证铁水脱磷、脱硫效果。转炉采用“三脱”预处理工艺，渣钢间硫的分配比达到10100，脱硫效率高达5070。 生产超低硫钢，炉渣、废钢和辅料中少量的硫含量会对钢水造成严重污染。因此，为保证转炉直接生产s4010-6的超低硫钢，必须要求在转炉“三脱”预处理过程中铁水不增硫。对于相同的脱硫铁水采用传统工艺冶炼，转炉终点硫含量为00132。而采用“三脱”铁水预处理工艺后，转炉终点钢水硫含量可以控制到O0043。 铁水脱磷，熔池
12、温度低，通过氧射流向熔池传氧，即使炉渣中氧化铁含量低，也可以得到好的脱磷效果。钢渣间磷的分配比随着炉渣碱度的升高增大，波动在100300间。 传统转炉炼钢工艺在渣量lOOkg的条件下，渣钢间磷的分配比为60，终点钢水磷可以控制到00148。采用转炉铁水脱磷工艺，渣钢间磷的分配比达到215，渣量仅为45kg，处理后的铁水磷降低到00097。转炉炼钢后，普通钢终点磷可以控制在O007；对超低磷钢，适当增加渣量和降低终点碳含量可使终点磷控制在0004。 若转炉终渣硫、磷含量为0017和043。一般不会造成钢水回硫、磷。但炉衬残渣中的硫、磷含量易造成回硫、回磷。连续采用“三脱”铁水冶烁逐渐稀释炉衬残渣
13、中的硫、磷含量，可解决钢水回硫、回磷的问题。 采用“三脱”铁水冶炼后，脱碳转炉不再加入废钢，石灰加入量也大幅度减少，使钢水氢含量降低，达到1510-6，与真空脱气的效果相当。脱碳转炉供氧强度增加，脱碳反应剧烈，降低钢中氮含量。终点钢水氮含量可控制在1010-6下。采用少渣冶炼后，熔池脱碳速度从氧传质向碳传质转折的临界碳含量向低碳区偏移，钢水过氧化趋势减弱；同时脱磷不再是熔池脱碳的限制性环节，可采用高碳出钢工艺。钢中氧含量波动在10045010-6间。 2 超纯净钢高效化生产技术 转炉采用“三脱”铁水冶炼使转炉功能分化：脱磷、脱硫在“三脱”转炉内完成，脱碳升温在脱碳转炉内进行，吹炼时间一般为9l
14、Omin。吹炼时间的缩短有利于加快生产节奏。转炉直接生产超纯净钢进一步简化了炉外精炼工艺，有利于缩短工艺流程，减少精炼时间，并加快钢包周转速度。在此基础上提高连铸机拉速，使连铸浇钢时间与转炉生产节奏相匹配。采用高温铸坯热送连轧工艺可实现全流程的高效化生产。从铁水到钢材的生产周期将由现代化钢铁厂4h缩短到90min。 实现超纯净钢高效化生产具有许多优点，首先随转炉生产节奏的提高，炉衬寿命提高50，底吹喷嘴寿命提高80，转炉炉衬热损失减少70。在线运转的钢包数量减少，钢包运转速度加快，减少了钢水温降，提高了钢包和中间包使用寿命，并使浇注钢水过热度控制更加稳定。 超纯净钢高效化生产工艺的技术关键是提
15、高连铸机的拉速，因为提高拉速往往会造成铸坯质量问题。随着拉速的提高，结晶器的热流密度增大，坯壳减薄，容易产生裂纹；随拉速增加，保护渣用量减少，拉坯阻力增大，容易产生漏钢或其它表面质量问题；拉速提高，结晶器通钢量增大，加剧了结晶器液面波动，造成卷渣，同时夹杂物的上浮也更加困难。表4给出提高连铸机拉速后所带来的质量问题和解决措施。大量的生产实践已经证明，提高拉速首先要提高钢水纯净度。特别是降低钢中硫、氧含量。提高锰硫比。同时，还应采用结晶器电磁制动、液压非正弦振动和动态轻压下等先进技术，可保证高拉速条件下铸坯具有良好的表面质量和内部质量。 3 可循环钢铁流程的建设 21世纪先进钢铁厂不但要实现超纯
16、净钢生产的高效化，而且要实现生产过程的可循环发展。徐匡迪院士最近提出如图1所示的新一代可循环钢铁流程。对年产8001000万吨的大型钢铁联合企业，每年大约消耗铁矿石1350万吨。煤炭630万吨。生产8001000万吨钢材，同时可消纳社会废钢120万吨，废塑料20万吨，发电90亿kWh，并向社会提供炉渣水泥300万吨。 图1 新一代可循环钢铁流程 我国钢铁企业都采用可循环钢铁流程，经济效益与社会效益不可估量。按年产钢3亿吨计算，可形成2700亿kWh的发电能力，相当于建设4个三峡电站；向社会提供9000万吨年水泥，相当于减少l亿多吨矿石的自然开采量；处理约15的国内废塑料；降低钢铁工业总能耗27
17、00万吨标准煤，节约水资源162亿吨，减少CO2排放量l亿吨。 21世纪先进钢铁厂的设计 1工艺流程 21世纪先进钢铁厂采用的生产流程如图2所示。 图2 21世纪先进钢铁厂采用的生产流程 和现代化钢铁流程相比，新流程具有以下特点： *钢水提纯以铁水预处理为主，实现转炉生产超纯净钢； *在钢水提纯过程中不断稀释炉渣中有害元素，避免炉渣污染； *注重提高生产效率，加快生产节奏； *大幅度减少渣量，有利于环境保护。 2 转炉与连铸的匹配 21世纪先进钢铁厂的本质特征是实现了超纯净钢高效化生产。由于生产工艺简化，生产周期已不再决定于吹炼时间，而决定于辅助作业时间。因此设备间的工序匹配与生产节奏协调尤其
18、重要。对于传统工艺，设备大型化有利于提高生产效率。而对新工艺，设备越大，辅助作业时间越长，越不利于快节奏生产。随着转炉容量的扩大，连铸机在相同拉速下浇钢时间延长。转炉冶炼周期为2025min，对300t转炉，连铸拉坯速度需达到2126mmin，才能与转炉节奏匹配。而对250t转炉，连铸机拉速只需达到1722min，更容易实现炉机匹配。 3 设计高效化钢铁厂 钢铁厂设计的传统方法注重设备选型，确定工序时问，选择设备容量，计算静态产能。对于高效化钢铁厂，加快生产节奏，保持生产的连续性和稳定性是提高产能的关键。因此，产能提高已不再单纯决定于设备容量的大小和设备作业时间的长短，更决定亍辅助时问的长短和
19、生产节奏的匹配衔接状态。因此，高效化钢厂的设计应充分考虑： *保持物流通畅，尽量减少调度造成的生产延误： *采用紧凑化布置方式，缩短物流间的运输距离和运输时间； *采用各种措施最大限度减少辅助作业时间； *建立计算机生产调度系统，实现生产运行在线监测和实时调度。 结论 20世纪现代化钢铁厂向21世纪先进钢铁厂的转变是社会发展的要求，也是历史的必然。21世纪先进钢铁厂的基本理念是：实现全部钢材超纯净化和高品质化，建立大批量、低成本、稳定生产超纯净钢的生产体系，实现超纯净钢生产的高效化和建立起可循环的钢铁生产流程。为了实现21世纪先进钢铁厂的技术理念，需要开发转炉超纯净钢生产工艺、超纯净钢高效化生产技术和建立新一代可循环钢铁流程。在先进钢铁厂的设计中应大胆采用新流程，认真解决转炉与连铸间的匹配，设计高效化的钢铁厂。