1. 引言
钢铁生产工艺技术与流程优化是实现降本增效的重要方向之一。对于转炉炼钢工序,其原料成本占炼钢总成本的70%以上 [1] ,且中国90%以上为转炉钢 [2] ,降低转炉工序原料成本对于提高企业经济效益具有重要意义。
为平衡转炉炼钢过程的能量富余,需要加入冷却剂来实现转炉终点的准确控制。目前,废钢是转炉炼钢中使用的主要冷却剂,此外,在转炉炼钢过程中加入铁矿石,由于其被还原可起到额外的冷却效应 [3] [4] [5] [6] ,以部分石灰石代替石灰,由于其分解吸热也可起到额外的冷却效应 [7] [8] [9] [10] 。比较而言,废钢的价格通常远高于铁矿石和石灰石的价格,石灰的价格也显著高于石灰石的价格,在保证冶炼效果的前提下,通过优化冷却剂结构进而降低炼钢原料成本是可行的。在实际生产中,不同企业根据实际情况加入一种或者多种冷却剂,但冷却剂结构对成本的影响作用规律并不明晰。
本研究首先建立了转炉原料成本计算模型,考察了冷却剂结构变化对转炉原料成本的影响作用规律。在此基础上,以成本控制为目标,优化设计了转炉冷却工艺制度,并依托国内某钢铁厂转炉炼钢工艺和原料条件,通过工业试验考察了优化冷却工艺的转炉冶炼效果和成本控制效果。
2. 转炉原料成本影响因素分析
2.1. 转炉原料成本计算模型
转炉炼钢过程是质量和能量守恒的过程,转炉原料结构的变化必然引起转炉物料平衡和热平衡的改变。对于特定钢厂、特定钢种的转炉冶炼来说,有着特定的转炉出钢成分和温度要求,以满足精炼和连铸的要求。也就说,转炉原料结构的调整必须满足转炉出钢成分和温度的要求。本模型首先通过转炉物料平衡和热平衡计算,获得包括冷却剂在内的各种冶炼原料的种类及其加入量,再根据各原料价格,计算原料成本。转炉物料平衡和热平衡即是转炉原料加入量的计算方法,同时也是转炉原料结构调整的限制条件。
在模型中,以废钢比(废钢加入量与铁水兑入量的比值)、矿石比(铁矿石加入量与铁水兑入量的比值)和石灰石比(石灰石分解的CaO量与造渣所需全部CaO量的比值)作为变量来考察废钢、矿石和石灰石加入量对转炉原料成本的影响。在物料平衡和热平衡计算中,作了如下假设:加入矿石中的铁氧化物全部还原进入钢水,脉石全部进入渣中;加入的石灰石完全分解,CaO和脉石全部进入渣中,分解生成的CO2按炉气中CO2与CO比例进入炉气。
2.2. 冷却剂对转炉原料成本的影响
计算以国内某钢铁厂批量生产的Q235B为目标钢种,计算所需基础数据均以该钢铁厂实际原料成分和价格为准,其中铁水、废钢和终点钢水化学成分平均值如表1所示,转炉终渣成分平均值如表2所示,原料价格如表3所示。另外,渣中含铁量、喷溅铁损、烟尘量等设为定值。
1) 废钢比对原料成本的影响
图1为铁水温度为1350℃、不加入石灰石条件下,废钢比对吨钢原料质量和成本的影响。从图1(a)中可以看出,随着废钢比的升高,吨钢所需铁水质量显著降低,导致碳和硅的吨钢入炉量降低,进而使得吨钢需氧量降低;随着入炉废钢比的升高,由废钢所平衡的转炉富余热量逐渐增多,需要矿石平衡的转炉热量逐渐减少,所需矿石质量随废钢比升高而减少。同时,在保证终渣碱度不变的条件下,随吨钢入炉硅量和矿石带入脉石量的降低,造渣所需石灰量相应降低。从图1(b)中可以看出,废钢比由3%升高到15%,铁水量、石灰量、矿石量和耗氧量减少可分别降低吨钢原料成本245.64元、2.80元、35.26元和0.88元,而废钢量增加可增加吨钢原料成本316.34元。综合来看,废钢比每升高1%吨钢原料成本升高2.64元。
2) 矿石加入比例对原料成本的影响
图2为铁水温度为1350℃、不加入石灰石条件下矿石加入比例对吨钢原料质量和成本的影响。从图2(a)中可以看出,随着矿石比的升高,矿石所平衡的热量逐渐增多,吨钢所需废钢质量显著减少,而吨钢所需铁水质量显著增多;吨钢入炉铁水质量的升高,导致碳和硅的吨钢入炉量升高,进而导致吨钢耗氧量逐渐升高;另外,在保证终渣碱度不变的条件下,随着吨钢入炉硅量和矿石带入脉石量的增加,导致吨钢所需石灰量相应增加。
从图2(b)中可以看出,矿石比由0%升高至2.8%,废钢量的减少可降低吨钢原料成本516.86元,而铁水量、石灰量、矿石量和耗氧量的增加可分别增加吨钢原料成本433.8元、4.39元、38.13元和5.81元。
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Table 1. Compositions of hot metal, scrap and liquid steel at blowing endpoint (mass, %)
表1. 铁水、废钢和终点钢水成分(质量百分数,%)
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Table 2. Slag compositions at blowing endpoint (mass, %)
表2. 转炉终渣成分(质量百分数,%)
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Table 3. Price of main raw materials (yuan/t)
表3. 主要原料价格(元/吨)
综合来看,矿石比每升高1%可降低吨钢原料成本11.71元。
3) 石灰石加入比例对原料成本的影响
图3为铁水温度为1350℃、不加入矿石条件下,石灰石加入比例对吨钢原料质量和成本的影响。从图3(a)中可以看出,与加入矿石相类似,随着石灰石加入比例的升高,吨钢所需废钢质量显著减少,而吨钢所需铁水质量显著增多,吨钢耗氧量逐渐升高;另外,在保证终渣碱度不变的条件下,吨钢所需石灰量相应降低。从图3(b)中可以看出,废钢量和石灰量的减少可分别降低吨钢原料成本387.14元和9.54元,铁水量、石灰石量和氧气量增加可分别增加吨钢原料成本368.50元、5.07元和10.67元。综合来看,石灰石加入比例每升高1%可降低吨钢原料成本0.15元。
3. 转炉冷却工艺优化设计与冶炼效果
3.1. 冷却工艺优化设计
由上述分析可知,降低废钢比、提高矿石和石灰石加入比例均有利于转炉原料成本的降低,也就是说,以矿石和石灰石代替废钢作为冷却剂,均可在一定程度上降低转炉的原料成本,且矿石的降本效果更为显著。为保证转炉吹炼过程的稳定,防止矿石加入量过多而引起的溢渣、喷溅和除尘效果差等现象
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Figure 1. Variation of mass and cost of main raw materials with scrap ratio
图1. 主要物料质量和成本随废钢加入比例的变化
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Figure 2. Variation of mass and cost of main raw materials with ore ratio
图2. 主要原料质量和成本随矿石加入比例的变化
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Figure 3. Variation of mass and cost of main raw materials with limestone ratio
图3. 主要物料质量和成本随石灰石加入比例的变化
的发生,必须合理控制废钢和矿石的加入比例,既需要确定合适的废钢比下限和矿石比上限。据此,可确定基于成本控制的转炉冷却工艺优化方向,即首先降低废钢比,然后优先以矿石来平衡剩余热量,如果超过矿石比上限,则采用石灰石来平衡剩余热量。参考国内钢铁厂矿石加入比例 [11] [12] ,矿石比上限设为1.5%。废钢比下限需根据钢铁厂铁水条件和冶炼钢种确定。
根据以上转炉冷却工艺优化原则,在转炉成本计算模型的基础上,进一步开发了基于成本控制的转炉物料平衡计算软件,该软件采用Visual Basic语言编译以适合现场应用,可实现不同冶炼钢种、不同铁水条件下转炉物料的计算与输出,以确定各种冷却剂的加入量,最终达到控制转炉原料成本的目的。
3.2. 转炉冶炼效果
为考察优化转炉冷却工艺的冶炼效果,开展了20炉次的工业试验,冶炼钢种为Q235B,废钢比下限为11%,矿石比上限为1.5%。试验炉次铁水温度在1252℃~1380℃范围内,铁水硅含量在0.22%~0.59%范围内。当铁水w[Si] ≤ 0.40%,采用一批料方式,开吹5~6分钟内多批次、小批量加完;当铁水w[Si] ≥ 0.40%,采用二批料方式,头批料加入总料量的80%~90%,余料第二批加入;其中矿石主要在供氧2~3 min内加入,控制炉温以利于脱磷。在转炉冶炼终点进行测温、定氧和取样,采用等离子体发射光谱仪检测终点钢样化学成分,采用X射线荧光光谱仪检测渣样化学成分。
图4~图7分别为工业试验炉次冶炼终点钢水温度、碳含量、溶解氧含量和磷含量的分布情况。从终点温度控制情况来看,除3个炉次外,均在Q235B钢种终点温度的内控标准1680℃~1694℃范围内。从终点碳含量来看,除1炉次碳含量较高外,其余炉次均在0.0757% ± 0.05%范围之内,满足该钢种终点C含量控制目标要求。从终点溶解氧含量来看,与优化前平均溶解氧含量平均值452 ppm相当,且波动范围一致。从终点钢水磷含量来看,其中有15个炉次的磷含量低于优化前0.0133%的平均水平,平均脱磷率达到了82.4%,较优化前提高了3.7%。另外,冶炼终点炉渣碱度在R = 3.13 ± 0.2范围内波动,炉渣中FeO含量为12.30%,与优化前的平均值12.34%相当。
总体上看,冷却工艺优化后,转炉终点温度、钢水成分和炉渣成分控制稳定,满足钢种控制标准要求,且在一定程度上改善了脱磷效果。
4. 原料成本分析
为进一步考察优化冷却工艺的转炉原料成本,包括工业试验20炉次在内,共跟踪了934炉次的Q235B
钢种的生产数据。优化前主要使用废钢作为冷却剂,优化炉次的冷却剂可分为“废钢 + 矿石”和“废钢 + 矿石 + 石灰石”两种情况,具体原料成本核算信息如表4所示。根据表中数据计算可知,与优化前相比,吨钢原料成本最多可降低23.4元,最少可降低11.6元,平均吨钢原料成本降低了14.8元。以该钢厂年产Q235B钢种300万吨估算,每年可降低原料成本4400万元以上,当然成本降低幅度还要受到废钢等原料价格波动的影响。
5. 结论
1) 基于转炉物料平衡和热平衡建立了转炉原料成本计算模型,计算结果表明,以矿石和石灰石代替
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Figure 4. Distribution of converter endpoint temperature
图4. 转炉终点温度分布
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Figure 5. Distribution of converter endpoint carbon content
图5. 转炉终点碳含量分布
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Figure 6. Distribution of converter endpoint oxygen content
图6. 转炉终点溶解氧含量分布
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Figure 7. Distribution of converter endpoint phosphorus content
图7. 转炉终点磷含量分布
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Table 4. Comparison of raw materials cost before and after optimization
表4. 优化前后吨钢原料成本对比
废钢作为冷却剂,均可在一定程度上降低转炉的原料成本,且矿石的降本效果更为显著。
2) 根据转炉原料成本影响因素及其变化规律,综合考虑转炉冷却效果和吹炼过程的稳定性,确定了“先降低废钢比,依次用矿石和石灰石平衡转炉热量”的冷却工艺优化原则。
3) 工业试验结果表明,冷却工艺优化后,转炉吹炼过程平稳,冶炼终点钢水温度控制准确,终点钢水成分和终渣成分控制稳定,且脱磷效果有所改善,转炉原料成本显著降低。