世纪先进钢铁厂的理念工艺与设计

二十一世纪优异钢铁厂理念工艺和设计

-07-0908:20起源：我钢铁试用手机平台

1997年口本住友企业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”

预处理炉替换原有6座160t转炉。实现了“采取最新工艺和装备技术，高效率、高质量和

高稳定性生产多种高品质钢材”技术理念，被誉为〃二十一世纪世界最优异钢铁厂”。

首钢企业搬迁,在曹妃甸建成中国第-座临海靠港含有二十•世纪国际优异水平钢

铁厂。围绕曹妃甸钢铁厂建设和设计中国钢铁界对怎样建设二十一世纪优异钢铁厂进行了广

泛研讨。本文对二十一世纪优异钢铁厂基础理念、生产工艺和钢厂设计提出部分具体见解。

二十一世纪优异钢铁厂基础理念

二十一世纪优异钢铁厂是在20世纪现代化钢铁厂基础上，为满足市场对超纯净钢生

产直塞及钢铁企业和社会友好发展要求建设新型钢铁J0具技术特点是：高效、环境保护和

大批量生产超纯净钢。

120世纪现代化钢铁厂发展

20世纪中氧气转炉诞生，揭开钢铁工业由传统转向现代化历史进程。现代化钢铁厂

技术特点是：生产高效化、部署紧凑化和作业连续化。

氧气转炉反应速度快，生产效率比平炉提升20多倍，炼钢牛.产周期从12〜I6h缩短

到40min。氧气转炉诞生加速以下重大技术发展：

能大型化。为满足转炉铁水供给要求，高炉容积不停扩大，世界最大高炉容积已

超出5500m3。在此基础上，发展高炉喷煤和长寿技术，使焦比降低，炉龄超出25年。

氧气转炉周期短，生产节奏快，模铸工艺无法适应。这又促进了连铸技术开发，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转坯热送、连轧和薄板坯连铸

连轧工艺，深入完善了高效、紧凑、连续化生产现代化钢铁步骤。

为满足连铸对钢水纯净度要求，多种炉外精炼和铁水预处理技术不停发展完善，钢

水纯净度大幅度提升。钢材纯净度提升改善了钢材服役性能，使市场对大批量生产超纯净钢

要求日益迫切。所以，怎样大批量、稳定、高效率地生产超纯净钢成为20世纪现代化钢铁

步骤面临关键技术困难。

2现代化钢厂向二十一世纪优异钢铁厂转变

(1)社会背景

进入二十一世纪，为确保钢铁工业可连续发展，必需采取全新理念研究处理超纯净

钢高效化生产工艺、资源能源可循环利用和大幅度降低环境污染等重大技术问题，建'7.二十

一世纪优异钢铁厂。其发展目标是：

*满足超纯净钢市场需求

现代化钢铁厂发展，钢水纯净度大幅度提升，钢中杂质含量从300~400X106下降

到iooxi(y6以下。但超纯净钢生产关键依靠炉外精炼工艺，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、稳定生产超纯净钢生产工艺是必需

处理关键技术课题。

*深入提升企业关健竞争力

钢铁企业市场竞争力不仅决定于产品质量，更决定于产品制造成本和产品质量稳定

性。伴随钢铁工业发展，企业间市场竞争加剧。为提升钢厂关键竞争力，必需以大批量生产

超纯净钢为基础目标，研究开发降低超纯净钢制造成本，提升钢质量稳定性工艺技术。

*实现和环境友好发展

二十一世纪，人类对社会友好发展和环境改善要求日益强烈，环境对钢铁工业发展

制约愈加突出。怎样降低钢铁制造过程环境污染，实现固体废弃物和污水零排放；提升能源、

资源利用效率,降低CO,和其它大气污染物排放量成为钢铁厂急待处理根本问题°

(2)二十一世纪优异钢铁厂技术基础

20世纪现代化钢铁厂发展为二十一世纪优异钢铁厂打下了良好技术基础，关键包

含：

*确立高效、稳定、低成本生产超纯净钢生产工艺。

为了满足大量生产超纯净钢市场需求，日本学者提出分阶段冶炼工艺思想：在最好

热力学条件下发明最好动力学条件，实现钢中一个或数种杂质提纯，确保生产稳定性，降低

生产成本。依据这一技术思想，经过20多年研究开发，基础打通“铁水脱硫-转炉“三脱”

预处理-少渣吹炼-炉外精炼”这一优异生产步骤，实现了低成本、大批量、稳定生产超纯净

钢开发目标，并使转炉生产效率提升1倍。

*高速连铸技术。

转炉采取“三脱”铁水少渣冶炼工艺后，供氧强度提升，冶炼负荷降低，使冶炼周

期从40〜45min缩短到20〜25min.为了适应高效转炉生产节奏，需要加紧连铸机拉坯速度，

缩短连铸浇钢时间。近高速连铸技术得到快速发展，在确保高品质钢坯铸造质量前提下，连

铸机最高设计拉速从1〜1.5m/min提升到2.5〜3.()m/min。

*高效化生产管理技术。

伴随生产节奏加紧和生产过程向连续化、紧凑化发展，生产过程缓冲步骤和缓冲能

力逐步降低，系统刚性增强。为了确保稳定有序地生产，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要求，并逐步形成一套完整高效化生产管理技术。

*节能环境保护技术发展。

伴随现代化钢铁厂生产技术发展，节能环境保护技术受到高度重视，前后开发出CD

Q、TRT、转炉负能炼钢、高温空气蓄热燃烧等一系列节能环境保护技术，提升了钢铁企业能

量利用效率，也大幅度削减了污染物排放。

321世纪优异钢铁厂基础理念

总而言之，二十一世纪优异钢铁厂基础理念包含：

(1)建立大批量、低成本、稳定生产超纯净钢生产体系

传统见解认为，只有少数高附加值钢材要求达成超纯净。而二十一世纪优异钢铁厂

基础理念是要确保生产全部钢材全部能超纯净.钢中杂质元素总含量(s十P十N十T.0+

H<100-150X106,也就是“大批量”概念。为了实现这一目标，必需努力降低超纯净钢生产

成本(目标是低于现代化钢铁步骤中一般钢生产成本)，提升生产稳定性,确保产品质量稳定。

(2)实现超纯净钢生产高效化

传统见解认为高效化生产和超纯净钢生产间存在着矛盾，高效化生产通常仅适适用

于一般钢，对•超纯净钢生产难以实现高效化。二十一世纪优异钢铁厂基础理念是实现超纯净

钢生产高效化。在优异钢铁生产步骤史钏水提纯关键工序是铁水预处理，目标是实现转炉直

接生产超纯净钢。经过简叱炉外精炼工艺，降低生产成本，使设备生产效率提升1倍，全员

劳动生产率翻一番。

(3)建立新一代可循环钢铁步骤

能耗高、环境污染严重是现代化钢铁步骤关键缺点。在现代化钢铁生产步骤中直接

消耗于钢铁产品能耗仅占生产总能耗30%,其它70%能量作为余热资源以煤气化学热和烟

气、炉渣、中间产品高温物理热等形式排放掉。根据循环经济理念强化钢铁企业能源资源管

理，加强煤气和烟气、炉渣、粉尘、中间产品高温物理热回收，提升能源转换效率，达成降

低能耗、降低污染目标也是二十一世纪优异钢铁厂基础理念。

总而言之，二十一世纪优异钢铁厂要实现钢铁厂功效转变，将传统步骤中物质单向

线性流动开放式生产过程转化为资源能源可循环闭环式生产过程，将钢铁生产和能源转换、

消纳社会废弃物三大功效有机地融为一体。

二十一世纪优异钢铁厂生产工艺

1转炉超纯净钢生产工艺

转炉直接生产超纯净钢是21世纪优异钢铁厂基础特征。提升转炉钢水纯净度技术关

键是铁水预处理工艺，关健包含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，成熟方法是搅拌法(KR)和喷粉法。KR法动力学条件优

于喷粉法，含有显著优点：

*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。

现在，中国较流行见解认为“二脱”转炉关键功效是脱磷，所以只适适用于超低磷

钢生产。实际上，在铁水“三脱”预处理过程中因为铁水C、Si、Mn含量高，提升了银液中

硫活度系数，有利于脱硫。在脱磷过程中控制较高碱度和低婕0炉渣，可确保铁水脱磷、脱

硫效果。转炉采取“三脱”预处理工艺，渣钢间硫分配比达成10〜100,脱硫效率高达50〜

70%。

生产超低硫钢，炉渣、废钢和辅料中少许硫含量会对钢水造成严重污染。所以，为

确保转炉直接生产[S]W40X1(T超低硫钢，必需要求在转炉“三脱”预处理过程中铁水不

增硫。对于相同脱硫铁水采取传统工艺冶炼，转炉终点硫含量为0.0132%。而采取“三脱”

铁水预处理工艺后，转炉终点钢水硫含量能够控制到0.0043%。

铁水脱磷，熔池温度低，经过氧射流向熔池传氧，即使炉渣中氧化铁含量低,也能

够得到好脱磷效果。钢渣旬磷分配比伴随炉渣碱度升高增大，波动在100〜300间。

传统转炉炼钢工艺在渣量100kg条件下，渣钢间磷分配比为60,终点钢水磷能够控

制到0.0148%。采取转炉铁水脱磷工艺，渣钢间磷分配比达成215,渣量仅为45kg,处理

后铁水磷降低到0.0097%o转炉炼钢后，一般钢终点磷能够控制在0.007%；对超低磷钢,

合适增加渣量和降低终点碳含量可使终点磷控制在0.004%.

若转炉终渣硫、磷含量为0.（）17%和0.43%。通常不会造成钢水回硫、磷。但炉

衬残渣中硫、磷含量易造成回硫、回磷。连续采取“三脱”铁水冶烁逐步稀释炉衬残渣中硫、

磷含量，可处理钢水回硫、回磷问题。

采取“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降低，使

钢水氢含量降低，达成1.5X106,和真空脱气效果相当。脱碳转炉供氧强度增加，脱碳反

应猛烈，降低钢中氮含量。终点钢水氮含量可控制在10X106下。采取少渣冶炼后，熔池脱

碳速度从氧传质向碳传质转折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

再是熔池脱碳限制性步骤，可采取高碳出钢工艺。钢中氧含量波动在100〜450X106间。

2超纯净钢高效化生产技术

转炉采取“三脱”铁水冶炼使转炉功效分化：脱磷、脱硫在“三脱”转炉内完成，

脱碳升温在脱碳转炉内进行，吹炼时间通常为9〜lOmin。吹炼时间缩短有利于加紧生产节

奏。转炉直接生产超纯净钢深入简化了炉外精炼工艺，有利「缩短工艺步骤，降低精炼时间，

并加紧钢包周转速度。在此基础上提升连铸机拉速，使连铸浇钢时间和转炉牛•产节奏相■配。

采取高温铸坯热送连轧丁艺可实现全步骤高效化生产-从铁水到钢材生产周期将由现代化钢

铁厂4h缩短到90mino

实现超纯净钢高效化生产含有很多优点，首先随转炉生产节奏提升，炉衬寿命提升

50%,底吹喷嘴寿命提升80%,转炉炉衬热损失降低70%。在线运转钢包数量降低，钢包

运转速度加紧，降低了钢水温降，提升了钢包和中间包使用寿命，并使浇注钢水过热度控制

愈加稳定。

超纯净钢高效化生产工艺技术关键是提升连铸机拉速，因为提升拉速往往会造成铸

坯质量问题。伴随拉速提升，结晶器热流密度增大，坯壳减薄，轻易产生裂纹；随拉速增加,

保护渣用量降低，拉坯阻力增大，轻易产生漏钢或其它表面质量问题：拉速提升，结晶器通

钢量增大，加剧了结晶器液面波动，造成卷渣，同时夹杂物上浮也愈加困难。表4给出提升

连铸机拉速后所带来质量问题和处理方法。大量生产实践已经证实，提升拉速首先要提升钢

水纯净度。尤其是降低钢中硫、氧含量。提升锦硫比。同时，还应采取结晶器电磁制动、液

压非正弦振动和动态轻压下等优异技术，可确保高拉速条件下铸坯含有良好表面质量和内部

质量。

3可循环钢铁步骤建设

二十一世纪优异钢铁厂不仅要实现超纯净钢生产高效化，而且要实现生产过程可循

环发展。徐匡迪院士最近提出图1所表示新一代可循环钢铁步骤。对年产800~1000万吨大

型钢铁联合企业，每I二个月大约消耗铁矿石1350万吨。煤炭630万盹。生产8007000

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

中国钢铁企业全部采取可循环钢铁步骤，经济效益和社会效益不可估量。按年产钢

3亿吨计算，可形成2700亿kWh发电能力，相当于建设4个三峡电站：向社会提供90D0万

吨/年水泥，相当于降低1亿多吨矿石自然开采量；处理约1/5中国废塑料；降低钢铁工

业总能耗2700万吨标准煤，节省水资源16.2亿吨，降低C02排放量1亿吨。

二十一世纪优异钢铁厂设计

1工艺步骤

二十一世纪优异钢铁厂采取生产步骤图2所表不。

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图2二十一世纪优异钢铁厂采取生产步骤

和现代化钢铁步骤相比，新步骤含有以下特点

*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停稀释炉渣中有害元素，避免炉渣污染；

*重视提升生产效率，加紧生产节奏；

*大幅度降低渣量，有利于环境保护。

2转炉和连铸匹配

二十一世纪优异钢铁厂本质特征是实现了超纯净钢高效化生产。因为生产工艺简化,

生产周期已不再决定于吹炼时间，而决定于辅助作业时间。所以设备间工序匹配和生产节奏

协调尤其关键