铁水包多功能化与全“三脱”工艺介绍.殷瑞钰PPT课件.ppt

铁水包多功能化与全 三脱 工艺介绍 殷瑞钰钢铁研究总院2013年12月4日新余钢厂 2 内容提纲 1 铁水包多功能化 所谓 一包到底 技术 总体思路简介2 首钢京唐钢铁公司铁水包多功能化的实践情况3 全 三脱 铁水预处理与高效率 低成本洁净钢生产 平台 4 讨论 铁水包多功能化是钢铁生产流程进化演化发展的必然 从历史过程看 高炉在很长时期内是与平炉炼钢协同生产的 因此当时许多钢厂都设有混铁炉混铁炉存在着能耗高 环境污染 投资大等问题 已被淘汰 进而用鱼雷罐车来替代 并以此来连接高炉与转炉协同生产 鱼雷罐运铁车依然存在着投资大 环境污染 倒罐过程温降大 且不适合在其中进行铁水预处理和扒渣操作 其合理性也受质疑 在工序功能解析 优化和工序之间关系协同 优化的理论指导下 研究开发出一种新的高炉 转炉之间的界面技术提到日程 1 铁水包多功能化 所谓 一包到底 技术 总体思路简介 经过研究思考 可以见到随着钢铁制造流程的演进 在现代化长流程钢铁厂内 铁水包及其输送系统应包括如下功能 1 及时 可靠地承接高炉铁水的功能 2 稳定 可靠并快捷地输送铁水的功能 3 在一定时间范围内贮存 缓冲 铁水的功能 4 具有良好的扒渣和铁水脱硫的功能 5 具有良好的保温功能 6 具有准确 可靠的铁水称量功能 7 具有铁水包位置精确定位和空包快速周转的功能 高炉 转炉之间界面技术创新与铁水包多功能化 所谓 一包到底 技术 有着密切的关系 并且 不是简单地将铁水包替换鱼雷罐运铁车就可以实现的 这需要在技术研发和工程设计开展一系列工作 在工程设计上必须解决铁水包多功能化的集成技术包 包括如下技术 12个方面 1 大容量铁水包的合理结构与重心计算 2 输送装备 输送系统与大型铁水包输送过程的稳定 安全性研究 3 高炉出铁槽标高与铁水包高度之间相容性设计 4 铁水包 热铁水重量的准确称量技术与控制技术 5 高炉 铁水脱硫站之间的时 空关系研究和合理的平面布置图研究 6 铁水包周转频率 次 天 个 和铁水包使用个数的合理化研究 7 包内铁水的温降过程测试 研究 8 空包返回过程中热量损失的测试 研究 9 高温 高活度铁水高效脱硫的研究 10 铁水包耐火材料与寿命研究 11 节能 烟尘排放 清洁生产的比较 12 投资与运行成本 经济分析等 铁水包多功能化的集成技术包 在研究铁水包多功能化的过程中 首先遇到的问题是比较鱼雷罐运铁车的保温效果好还是大型铁水包的保温效果好 表1不同容器铁水温降的实测情况 300t铁水包静止状态下的铁水温降速率图 320t鱼雷罐车铁水温降速率图 大容量铁水包内铁水温降速率低于相近容量鱼雷罐的铁水温降速率 其原因主要是由于鱼雷罐的内衬吸热量大 单位重量铁水的罐体表面散热量多 类似的铁水温降速率现象在首钢迁钢公司210t铁水包和260t鱼雷罐车的比较中也得到了验证 图1300t铁水包和320t鱼雷罐车铁水温降比较 由于铁水包多功能化后 铁水输送时间短且不需经过倒包过程 铁水温度高 铁水含硅 含碳量也比铁水槽预脱硅高 因此铁水 S 的活度系数大 有利于铁水预处理过程中脱硫效率提高 现在 铁水包多功能化 所谓 一包到底 的技术经济效果已经在国内一些钢厂的生产运行实践中显现出来 2 首钢京唐钢铁公司铁水包多功能化的实践情况 图2首钢京唐钢铁厂的生产流程 铁钢界面铁水包多功能化 脱磷转炉 新建的京唐钢铁公司拥有2座5576m3大型高炉 并采用全量铁水脱硫 脱硅 脱磷的铁水预处理工艺 以构建高效率 低成本洁净钢生产 平台 高炉 转炉之间完全以铁水包多功能化和1435mm铁路输送系统进行动态 有序地运行 为了构建2座5576m3高炉与4座KR铁水脱硫站的集成运行系统 实际上是8个出铁口与4座KR脱硫站 2座脱硅 脱磷转炉组成的动态运行系统 采用300t铁水包作为铁水承接 输送 缓冲 保温和铁水脱硫 扒渣直至向转炉准确 及时兑铁等功能的多功能装置 其中包括了以往混铁炉 鱼雷罐运铁车的功能并进行了改进 1 铁水包结构优化设计铁水包容量 形状 高度特别是重心计算 其高度必须要适应高炉出铁槽的标高 其容量必须与转炉的兑铁量一致 并能准确称重确保一次装准 其重心位置必须考虑在输送过程的稳定性和安全性 特别是在有曲率的铁路上运行的安全性 同时也应考虑铁水包的保温措施 特别是空包状态下保温措施 进而 应将铁水包及其运输车进行铁路 或公路 轨道 动态运行检验 以测试有关参数及其稳定性 安全性 2 高精度的铁水称量系统和铁水液位检测系统开发 使300t铁水包的装入量可以控制 1t的精度范围内 3 紧凑 简捷化的铁水包输送网络系统设计建立起2座高炉8个出铁口与4台KR脱硫装置和两个脱磷炉之间的协调 紧凑的时 空关系为提高铁水包的周转次数 提高铁水到达KR处理站的温度 进而促进提高铁水脱硫效率 创造了前提条件 2 1铁水包周转速度不断提高 铁水包从高炉接受铁水开始 经过输送过程到达KR脱硫预处理站 进行扒渣 脱硫预处理 扒渣过程 再由吊车吊运 将铁水兑入脱磷专用转炉 清理后 经编组站编组返回高炉出铁槽下 等待受铁 这一过程的合理组织安排 对包内铁水的温度和脱硫预处理影响很大 京唐公司经过不断的改进 铁水包周转时间周期已达到平均360分钟以内 即每个包平均一天周转四次左右 图3 图4为该厂逐月的铁水包周转时间周期 图32012年1 5月京唐钢厂铁水包平均周转时间 图42012年1 5月京唐钢厂铁水包周转时间分布 铁水包内铁水重量可以实现288t 1t精准控制 2012年以来按288t 0 5t的铁水装准率如图5所示 这将对下游工序的精准 稳定运行创造有利条件 同时 由于在炼钢厂不存在半罐铁水包 也有利于铁水包的管理 加速铁水包周转 2 2首钢京唐钢铁公司铁水包出准率控制实绩 铁水包快速周转可减少高炉出铁至KR脱硫站之间的铁水温降 减少温降30 50 目前京唐钢公司钢水包的周转率由于多种原因 只有4次 天 个 尚有改进余地 即使如此 其到达KR脱硫站的铁水温度可达到1380 以上 图6 图7 经计算与使用鱼雷罐运铁车相比约可使铁水的过程温降减少30 50 左右 2 3首钢京唐钢铁公司铁水包运转过程温降控制实绩 图6京唐钢厂2010年以来铁水到KR站月均温度情况 KR脱硫站的脱硫处理周期缩短 脱硫效率提高 并易于扒渣 铁水脱硫预处理时间周期与铁水温度存在一定关系 铁水温度高 脱硫效果好 脱硫剂消耗低 相应的铁水搅拌时间和扒渣时间缩短 在通常情况下 京唐公司KR装置的脱硫周期在30 35min之间 图8 脱硫剂消耗与铁水处理温度之间的关系也是明显的 现已达吨铁 7kg左右 该厂2012年1 5月份 一包到底 铁水运输及铁水脱硫过程温降的情况如图7所示 可见从高炉出铁到KR铁水脱硫结束这一过程中铁水总温降约为110 左右 KR铁水脱硫过程温降为25 30 2 4首钢京唐钢铁公司KR脱硫效果与脱硫剂消耗 脱硫周期 图8京唐钢厂2010年以来各月份脱硫周期情况 图7 图9300t铁水包KR脱硫搅拌时间与脱硫效率的关系 由于 一包到底 KR铁水预处理温度一般在1380 以上 同时由于先脱硫 后脱硅的程序 铁水 S 活度高 因此KR脱硫后的 S 有50 60 5ppm 见图10 图102012年1 5月首钢京唐KR终点脱硫分布情况 由上图可以看出 该厂2012年1 5月KR脱硫处理后 S 5ppm的比例可达59 1 S 25ppm的比例达到97 06 可见采用 一包到底 的技术措施后 由于高温 高活度的影响 明显地提高了脱硫效率及其稳定性 2013年各月KR深脱硫比例及平均终点硫 深脱硫比例 终点硫小于25ppm的比例 2013年1 4月KR终点硫分布图 2 5首钢京唐钢铁公司铁水包多功能化的投资效益 采用铁水包多功能化 一包到底 技术 由于省去了鱼雷罐 省去倒包吊车 倒包坑 节约了除尘系统等方面的工艺环节 在京唐公司的条件下 可以降低投资4158万元减少粉尘排放量3 71万t 年节约电耗1139万度 年 3 1为什么要进行铁水 三脱 预处理 在转炉炼钢厂建立全量铁水在线脱硫 脱硅 脱磷 三脱 预处理的目的 起先是为了冶炼超低磷钢 现在已主要不是为了生产超低磷钢 因为超低磷钢的市场需求量很小 而是为了建立起新一代有市场竞争力的生产流程 即建立起高效 低成本 稳定运行的洁净钢生产平台 提高产品市场竞争力 其优势表现在以下几个方面 3全 三脱 铁水预处理与高效率 低成本洁净钢生产 平台 1 通过对炼钢各工序功能的解析 优化 实现炼钢厂的高效快节奏运行和稳定钢水质量 冶炼周期与现代高拉速匹配运行 使炼钢厂生产效率大幅度提高 2 实现少渣冶炼 低温出钢 由于连铸机高拉速 转炉快节奏冶炼 脱碳转炉渣返回脱磷预处理转炉使用等 使金属料和石灰等辅料消耗大幅度降低 3 由于脱 S Si P 已基本由铁水预处理工序完成 脱碳炉又不需要加入废钢 辅料加入量很小 入炉的半钢成分 温度和装入量均可准确测定 有利于脱碳炉终点精确命中 为精炼工序创造了良好的基础条件 不仅加快生产节奏 更重要的是实现了稳定 批量的洁净钢生产 4 可使用较高含P的矿石 有利于降低矿石采购成本 5 脱碳转炉可以使用锰矿 还原成钢水 Mn 少用Fe Mn 可以降低合金成本 并避免Fe Mn增C 增P 6 对新建炼钢厂而言 在同等产量要求下可相应降低大型转炉吨位 7 脱磷预处理转炉的炉渣 CaO SiO2 1 8 2 可以不经水化处理 直接使用于筑路等 8 改善和提高超低碳钢的可浇性 即一支浸入式水口可浇注的钢水吨数t SEN 提高连浇炉数 提高生产效率 这一新流程特别适用于生产高品质薄板的大型转炉炼钢厂 也适用于生产高性能无缝钢管 中 厚板以及若干高性能的棒材的炼钢厂 但对于生产建筑用长材的小型转炉炼钢厂是不必要的 3 2全 三脱 预处理过程中的工序功能解析优化和工序之间关系的协同优化 高拉速 恒拉速的多炉连浇工艺带动了转炉 电炉的快节奏运行及其节奏稳定性的需求 由此 引导着转炉工序功能的解析 优化与炼钢厂上 下游工序之间的集成优化 即按照如下思路进行解析与集成 遵循冶金反应过程中的物理化学规律 合理分配冶金工序的功能并开发出适合于动力学要求的反应器装置 不断改进并优化炼钢厂平面布置图 构成物流运行顺畅 协同和准连续 连续运行的时 空网络关系 通过工序 装置运行参数优化和工序之间关系的信息优化 构建要素 结构 功能 效率优化的动态运行系统 转炉炼钢过程工序功能的分解 遵循冶金反应过程中的物理化学规律 铁水脱硫 脱硅 脱磷等炼钢任务主要前移到专门设置的铁水预处理装置中 而转炉功能则集中优化为高效脱碳 快速升温 回收二次能源和适度脱磷 经过不断研究和实践 现在 三脱 的次序和过程也日趋进步 完善 即 不采用高炉出铁槽脱硅预处理 也尽量不在鱼雷罐内进行铁水预处理 因为 在鱼雷罐内进行铁水预处理的动力学条件 甚至热力学条件 是不理想的 同时 由于鱼雷罐必须经过倒罐 因而铁水温降大 能量损失多 而且引起环境污染 采取将高炉铁水直接出在铁水罐内 经扒渣后 直接在高温 高活度状态下 在铁水罐内对铁水进行KR脱硫预处理 即 一罐到底 KR脱硫预处理 脱硫效率高 能耗低 成本低 环境污染减轻 KR脱硫预处理后扒渣容易 不易回硫 在工业实践中已显示出先进性 可靠性 稳定性 在解决了铁水脱硫和脱硅之间的先 后次序关系 即先进行铁水脱硫 之后 就需要解决脱硅 脱磷和脱碳工艺过程的协同优化和方法 装置问题 上世纪80年代以后 日本学者对脱磷的理论 工艺方法和装置进行不断的研究和开发 比较了铁水在鱼雷罐内脱磷 在铁水罐内脱磷和在脱磷预处理转炉内脱磷的效果 认识到在铁水脱硫预处理之后 在专用预处理转炉内进行铁水脱Si 脱P预处理的热力学 动力学是合理和高效的 三种不同铁水脱磷处理方法的效果比较 3 3首钢京唐钢全 三脱 预处理炼钢厂的设计和运行 2009年投产的首钢京唐钢是以2座5576m3高炉 1座全 三脱 炼钢厂 2条热轧宽带轧机为核心的 2 1 2 结构 其中 炼钢厂的设计 运行有如下特点 1 从高炉铁水进入铁水罐开始直至连铸高温输出 均属炼钢厂的范畴 并且从设计开始就以动态 有序 协同 连续运行作为基本概念 即设计 运行的指导思想 2 高炉 转炉之间的工艺过程采用先在KR装置中进行铁水脱硫预处理 再经脱磷预处理转炉进行铁水脱硅 脱磷预处理 然后在脱碳转炉中进行高速脱碳和升温 选择了先在铁水罐内进行铁水脱硫 后专用转炉内进行铁水脱硅 脱磷预处理 再在脱碳转炉进行高速脱碳 升温 即对传统转炉的冶金功能进行动态 有序的解析 优化 3 高炉铁水采用铁水罐承接 并以机车通过1435mm标准轨距的铁路输送 高炉到铁水脱硫站的最短距离为800m左右 铁水罐可以在20min内运至脱硫站 4座KR 并在铁水罐内进行前扒渣 脱硫预处理 后扒渣等工艺过程 过程时间约为30 35min 后 再将脱硫预处理后的铁水 快速兑入脱磷预处理转炉 在这里铁水罐取代了鱼雷罐 混铁炉等功能 实现了铁水罐多功能化 通过铁水罐将高炉出铁 铁水脱硫装置 脱磷预处理转炉连接起来 实现节能 环保 快速周转并准确称量 4 采用2座脱磷预处理转炉 对来自KR脱硫站的铁水进行脱硅 脱磷预处理 并将脱硅 脱磷处理后的半钢动态 有序地兑入脱碳转炉进行脱碳 升温 回收煤气和进一步适度脱磷 2座脱磷预处理转炉 BOFDe Si P 和3座脱碳转炉 BOFDe C 分别布置相邻两跨内 呈异跨布置 相互干扰少 5 由于脱磷预处理转炉的半钢成分 温度可控 可知 兑入量等输入因子稳定 准确已知 而且脱碳转炉不加废钢 其石灰加入量为10 15kg t 钢 脱碳转炉渣量不大于30kg t 钢 因此可以提高脱碳转炉终点含 C 量和温度的命中率 有利于脱碳转炉直接出钢 不需等待成分分析 这样 减少了二次 三次吹炼过程中的钢水增 N 而且终点钢水 O 含量相对低 也有利于脱碳转炉快节奏运行 6 经 三脱 预处理和脱碳转炉直接出钢的高洁净钢水 分别经CAS RH LF等二次精炼装置 再与不同宽度的230mm厚度高拉速板坯连铸机连接起来 并尽可能保持铸机 精炼装置 脱碳转炉处于匹配对应的 层流式 运行状态 以此实现炼钢流程动态 有序 协同 连续的高效运行 在上述设计 运行理念的指导下 进行了工艺 装置等要素选择 并以总平面图 炼钢厂平面图以及生产运行程序合理安排为基础 实现流程全局性的结构优化和功能拓展 京唐钢炼钢厂平面布置图 经过两年多的生产实践 首钢京唐钢高效率 低成本洁净钢生产 平台 技术 取得了良好的进展 特别是 以铁水罐多功能化 所谓 一罐到底 技术 为特征的高炉 转炉之间的界面技术的优势得到了实践的验证 京唐钢摒弃了混铁炉 鱼雷罐运铁车 直接以300t铁水罐通过1435mm标准轨距铁路将铁水从高炉运到炼钢厂KR脱硫站 运输过程时间在20min以内 并且建立了铁水重量的准确称量系统 其铁水称量精度可达288t 0 5 高炉铁水的出准率可达95 为下游KR脱硫 脱磷预处理转炉 脱碳转炉的精准 稳定运行创造了有利条件 同时 由于在炼钢厂和运输过程中不存在半罐铁水罐 有利于铁水罐的管理和快速周转 京唐钢高炉出铁过程的铁水称量系统 由于采用铁水罐多功能化技术 到达KR脱硫站的铁水温度一般在1380 以上 甚至可达1440 以上 同时 由于采用先脱硫 后脱硅的程序 KR脱硫站的铁水在高温 高活度状态下脱硫 脱硫效率很高 KR预处理后铁水含 S 量多在0 0025 以下 其中50 60 5ppm 300t脱磷预处理转炉 经KR脱硫预处理后 铁水以1350 1360 的温度直接兑入脱磷预处理转炉 加入 14kg t 钢石灰和 12kg t 钢脱碳转炉返回渣后进行吹炼 吹氧时间已从9min降低到目前5 6min 缩短了脱磷预处理转炉的冶炼周期时间 京唐钢脱磷预处理转炉 脱碳转炉之间造渣剂和炉渣之间的关系 京唐钢脱磷预处理转炉吹氧时间 2010年月平均值 通过优化造渣工艺 提高顶吹供氧强度 加强底吹供氧系统的维护等措施 脱磷预处理转炉的炉渣碱度一般控制在1 8 2 0之间 FeO降到12 左右 需指出该厂脱磷预处理转炉底吹搅拌强度设计值较低 只有0 3Nm3 t min 而实际运行过程中还低于设计值 这一因素 将影响脱磷预处理转炉的脱磷效率 京唐钢脱磷预处理转炉终渣的月均指标 2010年 京唐钢脱磷预处理转炉终点月均指标 300t脱碳转炉少渣冶炼 采用KR高温 高活度脱硫预处理和脱磷预处理转炉预处理后 大大地减轻了脱碳转炉的冶金任务 可以少加石灰 进行少渣 高速脱碳吹炼 现在脱碳转炉的石灰加入量已降低到10 11kg t 钢 脱碳转炉终点钢水的 C 和温度的命中率都在94 以上 C T双命中率在90 以上 此举进一步促进了脱碳转炉的直接出钢率的提高 即使由于某些钢种开发对直接出钢率带来影响 也已达到50 左右 2012年1 5月京唐钢脱碳转炉终点命中率变化 京唐钢300t脱碳转炉终点钢水的含 P 量分布情况 京唐钢300t脱碳转炉终点钢水 C O 含量月均指标 低磷钢种 超低碳钢 SDC06 判定P 0 010 京唐比迁钢低35ppm 平均为59ppm S低13ppm 平均为59ppm 且京唐的标准差要小于迁钢的标准差 低碳冷轧品种 SPHC 判定P 0 020 京唐比迁钢P低6ppm 平均为115ppm S比迁钢低19ppm 平均为81ppm 且京唐的标准差要小于迁钢的标准差 极低硫钢 高级别管线钢 X80 判定S 0 0015 京唐比迁钢P低9ppm 平均为85ppm S低4ppm 平均为5 7ppm 且京唐的标准差要小于迁钢的标准差 3 4铁水 全三脱 的理论意义和实用价值 理论意义 体现了工序功能集的解析 优化 工序之间关系集的协同 优化和流程工序集的重构 优化 为构造高效率 低成本并稳定运行的洁净钢生产平台奠定基础 有利于动态 有序 连续 紧凑运行的计算机建模和控制 实用价值 建立起稳定 高效的洁净钢生产平台 特别是适应高拉速超低碳高档薄板生产 有利于提高产品实物质量 提高生产效率 使脱碳炉生产一炉钢缩短 8 10min 相应可以降低转炉吨位 吊车吨位和炼钢厂厂房负荷 减少相关的投资成本 降低生产成本 减少钢铁料及石灰等辅料消耗 还可利用较高含磷量的铁矿 在脱碳转炉中利用锰矿 少用或不加Fe Mn合金等 稳定高档商品的实物性能 包括加工性能 使用性能 促进多炉连浇 促进信息化管理 有利于清洁生产和炼钢炉渣的有效利用 有利于与热带轧机衔接运行 促进铸坯热装热送 可以适度利用高磷铁矿资源 4 讨论 界面技术 包括相邻工序之间的衔接 匹配 协调 缓冲技术 物质流的物理和化学性质调控技术及其相关装置 装备 就高炉 转炉区段而言 其界面技术是指钢铁生产流程中 衔接炼铁 炼钢区段内的有关技术及其装置组成的衔接 匹配过程 这一过程的科学内涵是丰富的 包括时间衔接 物流矢量衔接 铁水成分 温度衔接等 纵观钢铁生产流程发展历程 不难看出其中的高炉 转炉区段的变化是很大的 不仅设备装置 工艺和功能逐步优化 而且工序间衔接匹配关系也日趋完善 炼铁与炼钢区段界面衔接匹配和运行节奏是影响全流程稳定运行的关键因素之一 优化的炼铁 炼钢区段界面衔接匹配 协同模式对于降低全流程能耗 物耗 降低成本和促进环保都是非常重要的 要实现高炉 转炉之间界面铁水包多功能化 所谓 一包到底 技术 首先从设计理念和工程设计方法等方面要从流程工程的层次去认识这一问题 高炉 转炉之间界面技术创新与不是简单地更换铁水承载容器的问题 这是需要工程设计集成创新的 平面图设计 高炉容积 高炉座数及其位置布局对于出铁次数 铁水运输至预处理站的时间及运行节奏均有重要影响 决定着流程的时间衔接和物流衔接 因此平面图设计研究对于确定企业规模和合理高炉座数均有重要的意义 同时 合理的平面图设计 使得区域布置紧凑 输送线路短 物流顺畅 工序界面简捷 生产高效衔接 可为铁水包快速周转提供硬件保障 1 设计是基础 工艺 设备的设计集成技术包 铁水包归炼钢厂管理 这是决定在线铁水包个数的关键因素 为确保铁水包多功能化的运行与冶金效果提供了软件保障 传统流程铁水包管理并不由炼钢厂负责 在线运行的铁水