21新一代大型钢厂连铸工艺配置9-1完成.doc

新一代大型钢厂连铸工艺配置研究张龙强, 田乃媛, 徐安军（北京科技大学冶金与生态工程学院，北京 100083）摘 要：钢铁工业的发展使得钢厂模式发生了革命性的变化，新一代大型钢厂（新建的大型钢铁联合企业）必须具有产品制造、能量转换和大宗社会废弃物消纳功能，在此背景下的高级洁净钢生产平台设计应该导入新的理念。连铸工序作为新一代大型钢厂的核心组成部分，应在原有的平面布局、装备配置和生产组织等方面引入精准设计的概念，重新进行研究。本文根据拟定的新一代大型钢厂产品大纲及已有的研究成果，对炉外精炼连铸流程的设备、工艺参数及物流匹配进行了核算、研究，确定了新一代钢厂连铸工艺的量化配置：铸机类型及数量采用2CC+1CSP，与之匹配的精炼设备选择2RH1CAS。关键词：中国钢铁工业，连铸，炉机匹配，模型Study of Continuous Casting Process Configuration for New Generation Large-scale Steel PlantZHANG Long-qiang, TIAN Nai-yuan, XU An-jun(Metallurgical and Ecological Engineering School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)Abstract: The development of the iron and steel industry makes steel model of a revolutionary change, new generation large-scale steel plant must have product manufacturing, energy conversion and waste consumption social function, so senior clean steel production platform should be designed into new ideas. As the core components of steel plant, casting process needs the concept of precision design in the original layout, equipment configuration, and production organization. Based on the product outline of the new generation large-scale steel plant and the existing study results, equipments, process parameters and match of secondary refining-continuous casting process are calculated. Casting process configuration for new generation steel plant has been confirmed:2CC+1CSP. The secondary refining mode is 2RH+1CAS.Key words: Chinas steel industry , continuous casting , matching between BOF and caster, model 2007年我国粗钢产量为48966万t，同比增长16.8%,随着曹妃甸大钢年底的投产及钢铁企业重组、改造等政策、规划的快速实施，中国钢铁工业必然迎来更快、更高的发展阶段；根据“十一五”规划，到2010年，单位GDP能源消耗要比2005年降低20左右。一方面是高能耗、高排放的钢铁工业的迅猛发展，一方面是国家能源政策的硬性指标，钢铁工业的环境成本正在迅速上升，走可持续发展道路是中国钢铁工业的必然选择，新一代大型钢厂（指新建的大型钢铁联合企业）必然朝着紧凑、连续、高效、节能和环保的方向发展1，必须具有产品制造、能量转换和大宗社会废弃物消纳功能。中国钢铁工业应该加快从产量效益型向质量、品种效益型的转变。中国薄板坯连铸工艺快速发展并取得了明显的业绩,但这种先进流程在中国的生产时间还很短,目前在流程装备配置、生产工艺、质量与品种方面还存在某些有待改进的问题。有的钢厂由于建设时的条件限制,如转炉吨位过小、缺乏铁水预处理装备、二次冶金装置选择不合理以及全厂总图布置不合理等因素,出现了炼钢炉、精炼炉成为生产“瓶颈”的现象,无论是转炉流程还是电炉流程都出现了炼钢炉要连续出2 炉钢水之后,连铸机才能开始运行的现象,不仅能耗高,而且影响整条作业线生产能力的发挥。要使这一新流程充分发挥生产能力,流程各工序的能力、功能、总图的合理配置还有待进一步研究2。对于新一代大型钢厂连铸工序，可以从设计开始，避免上述问题，从炉机匹配的角度进行配置。1 新一代大型钢厂产品大纲新一代大型钢厂代表着中国钢铁未来发展的方向，产能约900万t左右，产品以板材、带材为主，生产高质量、低成本的高级洁净钢材，精炼装置采用RH、CAS及离线的LF炉。拟定的产品大纲如表1所示。表1 新一代大型钢厂产品大纲Tab 1 Proposed product outline of the new large-scale steel plant钢种代表钢号比例 钢产量 万t/a碳素结构钢Q193Q2754.1737优质碳素结构钢08、08Al、104011.90107.1低合金结构钢Q3454.7642.9耐腐蚀结构钢12Cr2AlMoV、30CrMnSiA2.3821.4建筑结构钢SN490、A6334.7642.9管线钢X42X1002.3821.4其它专用钢HSS、16Mng、16Mnq3.5732.1冷轧板SPHE、SPCC、SPCE46.43417.9IF钢14.29128.6硅钢50W1330、65W6005.3648.2合计100.009002 新一代大型钢厂工艺流程2.1 炼铁炼钢界面的选择铁水全量进行 “三脱”，采用全量铁水预处理模式是建立起高效低成本的洁净钢生产平台、增强产品竞争力、推动我国钢铁工业快速高效发展的必然之选，与之对应的炼铁炼钢界面模式为：高炉铁水铁水包承载、运输铁水铁水包内KR脱硫专用转炉脱硅、磷脱碳升温转炉3-6，这与日本和歌山炼钢厂相似7，如图1所示。 高炉 铁水包受铁 前扒渣 脱硫 后扒渣 脱碳升温转炉 兑铁包 脱硅脱磷转炉 图1 新型铁/钢界面模式的铁水“流”Fig 1 Hot metal flow of a new iron/steel interface mode2.2 精炼的选择就转炉薄板坯连铸连轧高效生产流程而言,由于炉外精炼周期长于转炉炼钢和连铸的生产周期,L F 精炼已经成为提高生产效率的瓶颈。为此,许多钢厂采取先炼2 炉钢,分别在钢包回转台和L F 工位等候,再炼出第3 炉钢后,才开始连铸开浇。这样,在上述等待过程中,连铸机、热轧机都不能正常运行,炼钢、连铸、热带轧机整条生产线的生产效率都会受到L F 冶炼周期长的影响,同时也会带来能耗增高、钢包寿命降低等问题。目前,已投产的几家薄板坯连铸连轧生产冷轧钢板企业,均遇到了采用L F精炼工艺在生产节奏、钢液 Si 、N 控制等方面的问题。从全世界冷轧板厂的精炼工艺看,要高质量、高效率地生产冷轧薄板,似应考虑以RH 作为主要精炼手段8 。CAS 和RH 是大型转炉板材传统流程钢厂普遍采用的炉外精炼工艺,大多数转炉板材钢厂设置2 台以上的CAS 和RH ,另外再设置1 座L F 用于超低硫和极低硫钢的炉外处理,甚至有一些转炉板材钢厂不设置L F 精炼装置。由于超低硫和极低硫钢液的L F 精炼时间长,与转炉炼钢和连铸节奏很难适应,设置L F 装置的转炉板材钢厂大多数将其作为少数钢种的“离线”精炼装置。因此,L F精炼装置一般都不放在靠近转炉出钢作业线的位置上,而将RH 或CAS 放在靠近转炉出钢作业线的位置上,以避免天车的作业时间较长的矛盾。2.3 连铸工艺设备选择 根据拟定的产品大纲，铸机应选择传统板坯铸机及CSP铸机。3 连铸工艺配置的确定对于900万t/a的新一代大型钢厂，工艺流程选定后可以对工艺配置进行量化的核算，为了满足其紧凑、连续、高效的要求，应充分利用精炼等柔性环节的缓冲能力，从炉机匹配的角度，对转炉-铸机的配置进行更为合理的核算。可以避免以往简单的数量叠加但在实际生产中不能实现高效率的匹配运转，造成了不必要的投资及能源的浪费的问题。3.1 基于炉机匹配的转炉铸机配置模型假设车间24 h生产无节假日，每座转炉每月定期检修1 d，全年12 d，每年大修2次，每次7 d ，全年共14 d，转炉日历作业天数为339 d。3.1.1浇铸时间的确定连铸浇铸周期由式（1）确定。 （1）式中：为铸机浇铸周期；Q为转炉出钢量；n为流数；S为连铸坯断面厚度；W为连铸坯断面宽度；为连铸机拉速；为铸坯比重。3.1.2最大连浇炉数的确定1）当连铸机浇铸周期大于脱碳炉冶炼周期时最大连浇炉数由式（2）得出。Nmax1 （2）式中，Nmax为最大连浇炉数；为向下取整函数；、分别为精炼最小和最大处理周期； 、分别为精炼至大包回转台的最小和最大吊运时间；、分别为大包回转台最小和最大的待位时间；tdeC为转炉冶炼周期。2）当连铸机浇铸时间等于脱碳炉冶炼周期时理论上可以实现无限连浇，但受铸机实际条件限制，Nmax只能取连铸机本身的最大连浇炉数。3.1.3相邻浇次间隔时间的确定1)连铸机一个连浇次开始至下一连浇次开始时间由式（3）确定。 （3）式中，i为精炼类型；为i精炼类型下的铸机开浇开浇时间；为i精炼类型下的最大连浇炉数；tCP为连铸机开浇准备时间。2)脱碳转炉一个连浇次开始至下一连浇次开始之间的作业时间由式（4）确定。 （4）式中，为i精炼类型下的转炉浇次浇次作业时间；为i精炼类型下的转炉作业间隔时间。3.1.4不同精炼模式下转炉年产量的确定不同精炼模式下转炉年产量由式（5）确定。 （5）式中， 为经i精炼类型处理的产量；为转炉年总产量； i为i精炼类型处理的钢种占总产量的比例。3.1.5时间的确定1）转炉完成年产量所需要的总时间由式（6）计算得出。 （6）式中，为转炉完成年产量所需要的总时间，如果339（日历作业天数）天，可以完成任务，否则无法完成。日历作业时间（339d）内能完成的产能，由式（7）求得。3392460/（7）2）转炉作业总时间： （8）3）连铸机完成年产能所需总时间 （9）式中，为铸机完成年产能所需总时间；Qa为铸机年产能；为铸坯合格收得率。3.2 连铸工艺配置的选择现作如下基本设定：脱碳转炉冶炼周期为30min；单条转炉连铸机生产线年产300万t钢水，其中70经RH处理，30经CAS处理；RH处理周期为26min28min； CAS处理周期为18min22min；精炼至大包回转台吊运时间为10min14min；大包回转台待位时间为5min15min；连铸浇注准备时间Tpre为45min；连铸坯比重7.6t/m3；取值为1；98.01%。依据所建模型，对转炉公称容量的核算见表2。表2 转炉公称容量选择及产能核算Tab 2 Selection of BOF nominal capacity and output calculation 转炉公称容量/t连浇炉数/d/万tRH模式CAS模式2001010348.31291.982101010342.26297.142201010336.18302.523089338.9300 由表2可知220t及230t的转炉均能完成300万t/a的产能，但考虑到作业率的因素，选定230t比较合适。对应的精炼装置可以选定为：2RH+1CAS.对铸机参数给予基本设定后应用模型对铸机产能核算结果如表3所示。表3 铸机产能核算表Tab 3 Casting machine output calculation钢 种铸机类型 /m/minS /mW /m /min碳素结构钢CSP4.50.071.5553141优质碳素结构钢 CSP4.50.071.556671CSP4.50.071.5109971低合金结构钢CSP4.50.071.5761197耐蚀低合金结构钢CC1.30.231.2858224建筑结构钢CC1.30.231.580116管线钢CC1.30.231.5634469专用钢CC1.30.231.5750882深冲铝镇静钢CC1.60.231.4336935CC1.60.231.4222646CSP50.071.453734CSP50.071.435526IF钢CC1.60.231.4890031硅钢CSP4.50.071.25105801如取表3中所设定参数，单独一台CC完成产能所需时间为873303 min合606d。需设置两台CC，每台需303d，作业率为83.01%；一台CSP需要476041min合331d，作业率为90.68。CSP铸机的拉速由于本文中设置略低，因此其作业率偏高。通过核算可以得出，设置3台铸机（2CC+1CSP）可以完成产能。4 结论（1）铁水采用全量“三脱”预处理模式是建立起高效低成本的洁净钢生产平台、提高产品竞争力的必然之选，适应新一代大型钢厂连续、紧凑、高效的要求，给出了新型炼铁炼钢界面模式。（2）充分利用精炼等柔性环节的缓冲能力，从炉机匹配的角度，建立了对转炉公称容量、铸机产能及设备数量核算的模型。（3）依据模型及相关