有轨铁水运输技术的发展历程(综述g).doc

首钢国际工程公司有轨铁水运输技术的发展历程范明皓 尚国普（北京首钢国际工程技术有限公司，北京 100043）摘 要:本文根据我国钢铁行业发展历程，归纳出有轨铁水运输从复杂的铁路运输系统到简单的直线往返运输、从单一的运输过程到结合冶炼工艺与一体在线生产的4个阶段，体现了铁水运输技术的不断创新；同时展现了不但在钢铁冶炼工艺主流程环节对降能耗、低碳排、确环保等方面追求，而且铁水运输这一细小的环节，设计已采取了源头削减，过程控制和末端治理的措施，并对我国现阶段新建和改造钢铁厂，提出了建设性的意见。关键词: 轨道运输； 铁水运输；发展历程Rail Transportation Technology DevelopmentHistory of Molten Iron in Beijing Shougang International Engineering TechnologyFan Ming-hao，Shang Guo-pu（Beijing Shougang International Engineering Technology co.,Ltd, Beijing 100043,China）Abstract: According to the iron and steel industry development in our country, summarized the molten iron rail transportation system from complex railway transportation system to the simple linear return transport, from a single transport process combined with the smelting process and integration of online production of four stages, reflected the molten iron transport technology innovation; At the same time shows not only in the iron and steel smelting process link to drop energy consumption, low carbon row, environmental protection and so on that pursuit, and molten iron transport this tiny link, the design has taken the source reduction, process control and terminal treatment measures, and to present new steel and transformation, and puts forward some constructive suggestions. Key words: Railway；Molten iron transportation；Development process 1 引言钢铁厂的生产过程是一个以“铁素”为核心的物质流动过程，在能量的驱动和作用下作动态有序的运行1，其被成为“钢铁厂的生命大动脉”铁水运输系统，尽管在物流总量中的占极小部分，却是钢铁厂的生命线。在钢铁企业近40年的快速发展中，随着钢铁冶炼技术的不断进步、新型材料的研发创新、运输设备的持续改进、自动化程度的稳步提高、自然环境对钢铁发展的客观要求，有轨铁水范明皓：研究生学历，E-mail：fanmh_，电话：8610-88299466，从事钢铁厂总图运输系统研究工作，设计项目经理，工程师。运输技术经历了4个发展阶段。在首钢集团，总图专业团队已经相继完成了一、二、三代铁水运输技术研发与设计，正在研究开发第四代铁水运输技术并应用于生产实践。2 铁水运输技术的发展历程2.1 第一代铁水运输技术第一代铁水运输技术的是在钢铁厂生产大型规模化以后，形成了高炉受铁罐混铁炉兑铁包转炉的铁水运输模式2，这一安全可靠的铁水运输技术，使钢铁厂的生产规模能够迅速扩大，首钢国际工程公司独立完成设计的首钢石景山厂区一炼钢车间就是该运输模式的一个典范，并且国内外部分小型钢铁厂目前依然采用该模式。2.2 第二代铁水运输技术由于受到混铁炉的限制，炼钢转炉的公称很难再提高；取消混铁炉，采用高炉鱼雷罐车兑铁包转炉的运输模式为第二代铁水运输技术；该模式是目前国内外大中型钢铁厂普遍采用的生产运输模式之一，首钢国际工程公司独立完成设计的迁钢公司、首秦公司均为该运输模式。第二代铁水运输技术是在普通敞口罐铁水运输方式的基础上发展起来的一种先进的鱼雷罐车运输铁水方式。该模式不但具有机动性、操作性、连贯性、灵活性、保温性、稳定性等优点，而且还具有铁水预处理、保持铁水温度以及缓冲等功能，同时取消了混铁炉及其配套设施，因此，得到了普遍的推广。尽管该模式优点很多，但与现代冶金工艺所追求的高效益、低能耗目标相比仍然存在差距。一方面，鱼雷罐车虽具有三脱(脱硫、脱磷、脱硅)的功能，但不能实现全量三脱。另一方面，需建设倒罐站，增加铁水倒罐环节，工序流程增多，投资大，生产效率低。再者，作业环境条件没有得到根本改善，能耗仍然较高。2.3 第三代铁水运输技术环境优先，促进经济发展与环境保护高度融合设计理念不但体现在冶金全流程的各个工序中，而且已经深入在铁水运输技术等的每个细小环节，通过系统分析鱼雷罐车运输铁水各种不利因素，并成功开发了取消鱼雷罐、使用铁水罐，即高炉铁水罐转炉的运输模式。该铁水罐与第一代铁水运输技术的本质区别在于利用铁水罐进行冶金工艺处理，并且具备直接向转炉兑铁水的功能，同时能够根据转炉冶炼的需要提供精准单罐铁水量。该技术是采用一种具备铁水的承接、运输、缓冲贮存、铁水预处理、转炉兑铁、铁水保温等功能的罐，将高炉生产的铁水，在经过必要工艺流程处理后，以不更换铁水罐的生产组织模式，直接兑入转炉内进行冶炼的工艺流程，此冶金流的运输过程被称为第三代铁水运输技术，即“一罐到底”铁水运输技术。该运输模式已在首钢京唐和沙钢等钢铁厂进行应用。目前部分改造和新建且有铁路运输条件的钢铁厂基本采用该“一罐到底”运输模式。2.4 第四代铁水运输技术为了克服常规铁路运输铁水技术需设置作业车站、股道和道岔数量多、倒调作业组织繁琐、线路和信号维护量大、运输距离长、建设投资大等弊端，进一步降低运输过程中的能耗。专业通过专题研究开发，充分利用现代自动控制信息技术，改变铁水运输的组织方式，将常规准轨铁路平面布置的三角折返式铁水运输技术，改为电平车直线往返式铁水运输技术，同时在动力设备上取消传统的铁路机车，该技术为第四代铁水运输技术。与第三代铁水运输技术的最大区别在于取消了铁路运输铁水包车配罐、集结、解编等生产组织的中间环节，最大限度的压缩铁水在运输途中的滞留时间，减少了铁水温降，该铁水运输技术在运输组织模式、环保、节能、工程投资等方面与前三代存在本质的区别。该铁水运输技术在首贵特钢和首矿大昌钢铁厂中已被采用。3 第一、二代铁水运输技术在钢铁厂的应用第一代铁水运输技术由于铁水罐容量较小，运输过程能耗较高，混铁炉需要不停烘烤等局限性已列入淘汰范畴，本文不再详细论述。第二代铁水运输技术形成于上世纪七八十年代，与第一代技术比较，其铁水容量较大，方便了高炉的出铁组织；铁水可以直接从鱼雷罐进入与转炉匹配的兑铁包，方便了转炉的冶炼组织；取消了混铁炉，减少一次铁水倒运过程，有效的保证了铁水温度。该技术广泛的应用于2005年以前建设的钢铁厂中。4 第三代铁水运输技术在京唐钢铁厂的研究与应用4.1“一罐到底”的研究背景在京唐钢铁厂采用“一罐到底”铁水运输技术之前，国内已有1435mm标准轨距上运输180铁水罐的技术，国外已有在1676mm轨距上运输280铁水罐的技术。按照铁水运输设备与转炉当量相匹配的原则，京唐钢铁厂运输铁水采用了额定载重300，满包铁水总重达到450t铁水罐，如果采用宽轨（轨距1435mm）将引起一系列问题，如内燃机车和铁水包车轮对、铁路轨枕、路基结构等均需要研发，备品备件、日常维护等成本也较高。因此，经过技术专家反复论证，要求必须60kg/m钢轨宽1435mm标准轨距运输才具有实用性和经济性。4.2 “一罐到底”铁水运输技术的研发过程2005年6月8日，首钢京唐钢铁厂经过多次研究论证后决定铁水运输采用“一罐到底”工艺技术；随后，首钢国际成立曹妃甸钢铁厂铁水实现“一包到底”运输设计课题组。之后分别开展车辆、轨道、路基、道岔的研究设计和测试。4.2.1 300t铁水车的研究根据300t铁水罐的外形尺寸、重量等参数，开展铁水车的设计，共2种方案。一种方案是配置12轴铁水车，其主要结构特点是大车架较高，该铁水车优点是长度较短；缺点是重心太高，运行稳定性较差，轴重较大。另一种方案是配置16轴铁水车，其主要结构特点是大车架较低，其优点是重心较低，运行稳定性较好，轴重较小；缺点是铁水车的长度较长。利用计算机模拟技术，分别2种车型进行受力、运行稳定性等模拟分析，结果显示配置16轴铁水车主要指标优于12轴铁水车。因此，采用配置16轴铁水车方案。4.2.2 轨道、路基、道岔的研究针对首钢京唐钢铁厂的海沙吹填地基，设计采用换填路基，增厚级配碎石的方法确保路基的稳定性；为了降低机车车辆通过时对道岔的冲击磨损，设计采用了特殊的道岔导曲线，通过数字模拟试验，该道岔非常适合低速重载列车通过。在路基、轨道、道岔施工期间，总图专业团队现场指导，并沿线预埋了500多组测试点，用于观测路基的变形、沉降等；在道岔、曲线上等多个部位设置了30多组轨道、道岔测试点，用于观测轨道、道岔的受力和疲劳强度等计算参数。经过试验阶段的测试以及投产后正式运营，路基基本没有出现变形、沉降现象，轨道、道岔满足生产运输的要求，这是大家共同劳动的结晶。4.2.3 铁水运输组织系统的研究在铁水车、路基、轨道、道岔均能满足生产的情况下，对运输生产组织和无线遥控机车开展细致的系统分析，特别是在线脱硫、脱磷、脱硅以及铁水包进入炼钢车间后工艺处理，这些生产环节的增加，并未对运输组织造成影响，因此该铁水运输技术满足生产的需要。第三代铁水运输技术平面布置见图1图1 第三代铁水运输技术布置图4.3 “一罐到底”铁水运输技术主要技术特点按照京唐钢铁厂的总体布置，高炉生产的铁水，通过铁水罐车运输大约20分钟即可到达炼钢车间，较大程度上控制了铁水自然冷却的时间，有效的保证了铁水温度。铁水罐车进入炼钢车间后，直接在铁水罐内进行脱硫、脱磷、脱硅，减少了铁水生产倒运环节，有效的控制了铁水温降和铁素耗散。采用“一罐到底”铁水运输技术也充分体现了短界面衔接、在线运输、在线生产的理念。4.4 “一罐到底”铁水运输技术创造世界新纪录该技术创造了在1435mm标准宽轨距上，运输炼铁与炼钢之间最大直径5190mm，最大高度6150mm异型大容量铁水包车的世界新纪录。5 第四代铁水运输技术在首贵特钢的研究与应用随着冶炼技术的日新月异、钢铁厂设计系统集成不断创新以及界面技术的拓展，铁水运输技术不再局限于运输过程，而冶炼工艺结合，力求铁水温降最小。按照目前高炉和转炉的冶炼技术，高炉生产铁水质量的不能直接供转炉炼钢，必须经过脱硫、脱渣等工序处理后才能进入转炉，因此，第三代铁水运输技术在该流程环节上已达到最优，第四代在技术创新方面只能通过压缩铁水路途走行时间来改变温降。5.1 第四代铁水运输技术的研究背景常规的铁路运输铁水过程一般为“人”字形，采用“一去、一停、一折返”的运输模式，按照铁水运输技术规范，至少需要30分钟，铁水罐才能从高路下运输至转炉车间，而这种运输模式的各个技术指标已发挥到极限。在首贵钢铁厂设计采用“直线往返”铁水运输技术之前，国内已有“直线横移直线”三个吊卸、运输铁水罐环节的铁水运输模式，尽管该模式取消了铁路运输技术的束绑，可广泛应用于地形高低起伏较大的山地，但是铁水途中走行时间上，大约需要30分钟，中间环节相对复杂，综合效益优势不够明显。因此，必须研发新的铁水运输技术。5.2 第四代铁水运输技术的研发过程为了使第三代铁水运输技术最短的30分钟行程时间压缩在10分钟之内，设计提出高炉直线进入转炉的第四代铁水运输技术。即高炉下运输铁水罐车的轨道直线进入炼钢车间铁水跨，采用单车自驱动的模式，运载铁水罐于高炉转炉间。根据铁水运输设备与转炉必须匹配的原则，首贵特钢采用额定载重100铁水罐，按照目前的铁水罐车技术装备水平，该设备在宽轨距上运行的安全性、稳定性非常可靠。但需研究其工艺建筑限界和运输组织过程。5.2.1 工艺建筑限界的研究 首贵特钢铁水运输技术采用的起重轨，运输车辆为专题研发的电动平车，铁水罐为本铁水运输技术专题研发的铁水罐。因此，钢铁企业总图运输设计规范中规定铁水线的建筑限界无法满足首贵特钢铁水运输技术的要求，为了经济合理确定出铁场高度、高炉柱间距、炼钢车间铁水跨高度和跨度、铸铁机铁水吊运跨等的尺寸，必须确定工艺建筑限界。设计参照钢铁企业总图运输设计规范A.2建筑限界有关规定，结合铁水罐车的外型尺寸，考虑到罐体挂渣厚度、罐体不复零位倾斜量、车辆走行横向摆动偏移量以及安全余量等因素，确定了工艺建筑限界的净宽；考虑到铁水罐车最大高度、防辐射热空间、顶部挂渣厚度和安全余量等因素确定了工艺建筑限界的净高，最终进行综合研究，确定车辆、铁水罐及铁水线建筑限界的一系列参数。5.2.2 铁水运输组织过程的研究 该铁水运输技术中的铁水罐车运动轨迹非常简单，每台铁水罐车全部运动轨迹均在同一条直线上，根据冶炼生产组织和高炉出铁的需要，铁水罐车相应运行、停靠在同一条直线不同的接铁、兑铁等停车点和区间上。由于每条线上设置3台铁水罐车，各台罐车按照一定的原则进入高炉出铁口下接铁，考虑到空铁水罐的温降限度因素、上次出铁后留下的半罐铁水排队等待接铁问题等，对于整个铁水运输系统的各个铁水罐、车等所处在的各种状态、工况等形成一个智能信息系统的专家判断系统，智能信息系统按照一定的时间间隔，进行自动计算，判断出需要调配最经济合理铁水罐、车等，由此得到一种经济合理运输生产组织模式。因此，在系统研究过跨车运行的基础上，结合专业已有生产组织经验，提出该系统控制系统理论，并与多家自动化控制公司、电平车设备制造公司共同研究其生产组织工程，目前从设计方面已通过触电器、轨道电路、红外以及PLC工控机等技术实现自动化生产的目标，正等待实际生产的检验。 5.3 第四代铁水运输技术主要技术特点根据温降曲线参数表，铁水延时1分钟，铁水温降1度计算，高炉生产的铁水，通过该铁水罐车直线进入炼钢车间，至少可以提高铁水15度。按照理论计算、数字模拟和计算机仿真等测试，该铁水运输技术的应用将为钢铁厂的总体效益、社会效益和环境效益创造更大的空间。6 各代铁水运输经济特点及效益6.1 第一代铁水运输技术的效益第一代铁水运输技术的最大效益在于钢铁厂生产规模的壮大和安全性的提高，特别是利用混铁炉的缓冲以后，在多个小高炉与转炉之间搭起铁水连接的桥梁，有效的保证了铁水的温度；在此之前的调运铁水方式大多采用人工直接搬运，铁水的温度无法有效保持，并且存在安全隐患，同时作业环境更是脏乱差。6.2 第二代铁水运输技术的效益迁钢公司、首秦公司的生产实践验证，第二代铁水运输技术，设备运行稳定可靠，同比第一技术，由于取消了混铁炉，减少一次铁水倒运过程，减少铁损0.50.7，经济效益可观，转炉车间的环境在一定程度上得到了改善。6.3 第三代铁水运输技术的效益京唐钢铁厂的生产实践验证，第三代铁水运输技术，设备运行稳定可靠，其各种运输设备的性价比均非常高，同第二代比价，具有显著的经济效益、社会效益和环境效益。1）工程投资，采用“一罐到底”铁水运输技术，从取消了炼钢车间倒罐站、抬高高炉出铁场平台、减少铁路运输设备、铁路线路等方面进行综合系统比较，一次性节约工程投资大约1500万元。2）生产运行费用，采用 “一罐到底”铁水运输技术，炼钢车间减少鱼雷罐旋转、铁水罐提升，以及倒罐站除尘风机运行等设施，每年减少生产运营费用约4220万元。3）减少定员，此运输模式可减少倒罐站定员以及机车定员等大约70人。4）环境效益，根据实测数据，“一罐到底”铁水运输技术，脱硫之前铁水温度为143020，同比迁钢鱼雷罐运输铁水，经倒罐站注入铁水罐的铁水温度为136010，提高铁水温度70。按照年产898万t铁水量计算，每年可节约16.85万t标煤。5）由于取消了铁水倒罐作业，每年可减少烟尘排放约4700 t，基本解决炼钢厂内的石墨飞尘污染，环保效益显著。6.4 第四代铁水运输技术的效益贵钢公司的初步设计验证，第四代铁水运输技术，设备投资和工程造价呈直线下降，经济效益、社会效益和环境效益更加显著。1）工程投资，同规模钢铁厂比较，铁路线路、信号控制、机车和包车等投资大幅度减少。2）生产运行费用，第四代铁水运输技术，主要能耗电动平车的运行电耗，同比机车运行成本以及信号