21新一代大型鋼廠連鑄工藝配置9-1完成.doc

新一代大型鋼廠連鑄工藝配置研究張龍強, 田乃媛, 徐安軍（北京科技大學冶金與生態(tài)工程學院，北京 100083）摘 要：鋼鐵工業(yè)的發(fā)展使得鋼廠模式發(fā)生了革命性的變化，新一代大型鋼廠（新建的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)）必須具有產(chǎn)品制造、能量轉(zhuǎn)換和大宗社會廢棄物消納功能，在此背景下的高級潔凈鋼生產(chǎn)平臺設(shè)計應(yīng)該導入新的理念。連鑄工序作為新一代大型鋼廠的核心組成部分，應(yīng)在原有的平面布局、裝備配置和生產(chǎn)組織等方面引入精準設(shè)計的概念，重新進行研究。本文根據(jù)擬定的新一代大型鋼廠產(chǎn)品大綱及已有的研究成果，對爐外精煉連鑄流程的設(shè)備、工藝參數(shù)及物流匹配進行了核算、研究，確定了新一代鋼廠連鑄工藝的量化配置：鑄機類型及數(shù)量采用2CC+1CSP，與之匹配的精煉設(shè)備選擇2RH1CAS。關(guān)鍵詞：中國鋼鐵工業(yè)，連鑄，爐機匹配，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年我國粗鋼產(chǎn)量為48966萬t，同比增長16.8%,隨著曹妃甸大鋼年底的投產(chǎn)及鋼鐵企業(yè)重組、改造等政策、規(guī)劃的快速實施，中國鋼鐵工業(yè)必然迎來更快、更高的發(fā)展階段；根據(jù)“十一五”規(guī)劃，到2010年，單位GDP能源消耗要比2005年降低20左右。一方面是高能耗、高排放的鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，一方面是國家能源政策的硬性指標，鋼鐵工業(yè)的環(huán)境成本正在迅速上升，走可持續(xù)發(fā)展道路是中國鋼鐵工業(yè)的必然選擇，新一代大型鋼廠（指新建的大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)）必然朝著緊湊、連續(xù)、高效、節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展1，必須具有產(chǎn)品制造、能量轉(zhuǎn)換和大宗社會廢棄物消納功能。中國鋼鐵工業(yè)應(yīng)該加快從產(chǎn)量效益型向質(zhì)量、品種效益型的轉(zhuǎn)變。中國薄板坯連鑄工藝快速發(fā)展并取得了明顯的業(yè)績,但這種先進流程在中國的生產(chǎn)時間還很短,目前在流程裝備配置、生產(chǎn)工藝、質(zhì)量與品種方面還存在某些有待改進的問題。有的鋼廠由于建設(shè)時的條件限制,如轉(zhuǎn)爐噸位過小、缺乏鐵水預處理裝備、二次冶金裝置選擇不合理以及全廠總圖布置不合理等因素,出現(xiàn)了煉鋼爐、精煉爐成為生產(chǎn)“瓶頸”的現(xiàn)象,無論是轉(zhuǎn)爐流程還是電爐流程都出現(xiàn)了煉鋼爐要連續(xù)出2 爐鋼水之后,連鑄機才能開始運行的現(xiàn)象,不僅能耗高,而且影響整條作業(yè)線生產(chǎn)能力的發(fā)揮。要使這一新流程充分發(fā)揮生產(chǎn)能力,流程各工序的能力、功能、總圖的合理配置還有待進一步研究2。對于新一代大型鋼廠連鑄工序，可以從設(shè)計開始，避免上述問題，從爐機匹配的角度進行配置。1 新一代大型鋼廠產(chǎn)品大綱新一代大型鋼廠代表著中國鋼鐵未來發(fā)展的方向，產(chǎn)能約900萬t左右，產(chǎn)品以板材、帶材為主，生產(chǎn)高質(zhì)量、低成本的高級潔凈鋼材，精煉裝置采用RH、CAS及離線的LF爐。擬定的產(chǎn)品大綱如表1所示。表1 新一代大型鋼廠產(chǎn)品大綱Tab 1 Proposed product outline of the new large-scale steel plant鋼種代表鋼號比例 鋼產(chǎn)量 萬t/a碳素結(jié)構(gòu)鋼Q193Q2754.1737優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼08、08Al、104011.90107.1低合金結(jié)構(gòu)鋼Q3454.7642.9耐腐蝕結(jié)構(gòu)鋼12Cr2AlMoV、30CrMnSiA2.3821.4建筑結(jié)構(gòu)鋼SN490、A6334.7642.9管線鋼X42X1002.3821.4其它專用鋼HSS、16Mng、16Mnq3.5732.1冷軋板SPHE、SPCC、SPCE46.43417.9IF鋼14.29128.6硅鋼50W1330、65W6005.3648.2合計100.009002 新一代大型鋼廠工藝流程2.1 煉鐵煉鋼界面的選擇鐵水全量進行 “三脫”，采用全量鐵水預處理模式是建立起高效低成本的潔凈鋼生產(chǎn)平臺、增強產(chǎn)品競爭力、推動我國鋼鐵工業(yè)快速高效發(fā)展的必然之選，與之對應(yīng)的煉鐵煉鋼界面模式為：高爐鐵水鐵水包承載、運輸鐵水鐵水包內(nèi)KR脫硫?qū)Ｓ棉D(zhuǎn)爐脫硅、磷脫碳升溫轉(zhuǎn)爐3-6，這與日本和歌山煉鋼廠相似7，如圖1所示。 高爐 鐵水包受鐵 前扒渣 脫硫 后扒渣 脫碳升溫轉(zhuǎn)爐 兌鐵包 脫硅脫磷轉(zhuǎn)爐 圖1 新型鐵/鋼界面模式的鐵水“流”Fig 1 Hot metal flow of a new iron/steel interface mode2.2 精煉的選擇就轉(zhuǎn)爐薄板坯連鑄連軋高效生產(chǎn)流程而言,由于爐外精煉周期長于轉(zhuǎn)爐煉鋼和連鑄的生產(chǎn)周期,L F 精煉已經(jīng)成為提高生產(chǎn)效率的瓶頸。為此,許多鋼廠采取先煉2 爐鋼,分別在鋼包回轉(zhuǎn)臺和L F 工位等候,再煉出第3 爐鋼后,才開始連鑄開澆。這樣,在上述等待過程中,連鑄機、熱軋機都不能正常運行,煉鋼、連鑄、熱帶軋機整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率都會受到L F 冶煉周期長的影響,同時也會帶來能耗增高、鋼包壽命降低等問題。目前,已投產(chǎn)的幾家薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)冷軋鋼板企業(yè),均遇到了采用L F精煉工藝在生產(chǎn)節(jié)奏、鋼液 Si 、N 控制等方面的問題。從全世界冷軋板廠的精煉工藝看,要高質(zhì)量、高效率地生產(chǎn)冷軋薄板,似應(yīng)考慮以RH 作為主要精煉手段8 。CAS 和RH 是大型轉(zhuǎn)爐板材傳統(tǒng)流程鋼廠普遍采用的爐外精煉工藝,大多數(shù)轉(zhuǎn)爐板材鋼廠設(shè)置2 臺以上的CAS 和RH ,另外再設(shè)置1 座L F 用于超低硫和極低硫鋼的爐外處理,甚至有一些轉(zhuǎn)爐板材鋼廠不設(shè)置L F 精煉裝置。由于超低硫和極低硫鋼液的L F 精煉時間長,與轉(zhuǎn)爐煉鋼和連鑄節(jié)奏很難適應(yīng),設(shè)置L F 裝置的轉(zhuǎn)爐板材鋼廠大多數(shù)將其作為少數(shù)鋼種的“離線”精煉裝置。因此,L F精煉裝置一般都不放在靠近轉(zhuǎn)爐出鋼作業(yè)線的位置上,而將RH 或CAS 放在靠近轉(zhuǎn)爐出鋼作業(yè)線的位置上,以避免天車的作業(yè)時間較長的矛盾。2.3 連鑄工藝設(shè)備選擇 根據(jù)擬定的產(chǎn)品大綱，鑄機應(yīng)選擇傳統(tǒng)板坯鑄機及CSP鑄機。3 連鑄工藝配置的確定對于900萬t/a的新一代大型鋼廠，工藝流程選定后可以對工藝配置進行量化的核算，為了滿足其緊湊、連續(xù)、高效的要求，應(yīng)充分利用精煉等柔性環(huán)節(jié)的緩沖能力，從爐機匹配的角度，對轉(zhuǎn)爐-鑄機的配置進行更為合理的核算?？梢员苊庖酝唵蔚臄?shù)量疊加但在實際生產(chǎn)中不能實現(xiàn)高效率的匹配運轉(zhuǎn)，造成了不必要的投資及能源的浪費的問題。3.1 基于爐機匹配的轉(zhuǎn)爐鑄機配置模型假設(shè)車間24 h生產(chǎn)無節(jié)假日，每座轉(zhuǎn)爐每月定期檢修1 d，全年12 d，每年大修2次，每次7 d ，全年共14 d，轉(zhuǎn)爐日歷作業(yè)天數(shù)為339 d。3.1.1澆鑄時間的確定連鑄澆鑄周期由式（1）確定。 （1）式中：為鑄機澆鑄周期；Q為轉(zhuǎn)爐出鋼量；n為流數(shù)；S為連鑄坯斷面厚度；W為連鑄坯斷面寬度；為連鑄機拉速；為鑄坯比重。3.1.2最大連澆爐數(shù)的確定1）當連鑄機澆鑄周期大于脫碳爐冶煉周期時最大連澆爐數(shù)由式（2）得出。Nmax1 （2）式中，Nmax為最大連澆爐數(shù)；為向下取整函數(shù)；、分別為精煉最小和最大處理周期； 、分別為精煉至大包回轉(zhuǎn)臺的最小和最大吊運時間；、分別為大包回轉(zhuǎn)臺最小和最大的待位時間；tdeC為轉(zhuǎn)爐冶煉周期。2）當連鑄機澆鑄時間等于脫碳爐冶煉周期時理論上可以實現(xiàn)無限連澆，但受鑄機實際條件限制，Nmax只能取連鑄機本身的最大連澆爐數(shù)。3.1.3相鄰澆次間隔時間的確定1)連鑄機一個連澆次開始至下一連澆次開始時間由式（3）確定。 （3）式中，i為精煉類型；為i精煉類型下的鑄機開澆開澆時間；為i精煉類型下的最大連澆爐數(shù)；tCP為連鑄機開澆準備時間。2)脫碳轉(zhuǎn)爐一個連澆次開始至下一連澆次開始之間的作業(yè)時間由式（4）確定。 （4）式中，為i精煉類型下的轉(zhuǎn)爐澆次澆次作業(yè)時間；為i精煉類型下的轉(zhuǎn)爐作業(yè)間隔時間。3.1.4不同精煉模式下轉(zhuǎn)爐年產(chǎn)量的確定不同精煉模式下轉(zhuǎn)爐年產(chǎn)量由式（5）確定。 （5）式中， 為經(jīng)i精煉類型處理的產(chǎn)量；為轉(zhuǎn)爐年總產(chǎn)量； i為i精煉類型處理的鋼種占總產(chǎn)量的比例。3.1.5時間的確定1）轉(zhuǎn)爐完成年產(chǎn)量所需要的總時間由式（6）計算得出。 （6）式中，為轉(zhuǎn)爐完成年產(chǎn)量所需要的總時間，如果339（日歷作業(yè)天數(shù)）天，可以完成任務(wù)，否則無法完成。日歷作業(yè)時間（339d）內(nèi)能完成的產(chǎn)能，由式（7）求得。3392460/（7）2）轉(zhuǎn)爐作業(yè)總時間： （8）3）連鑄機完成年產(chǎn)能所需總時間 （9）式中，為鑄機完成年產(chǎn)能所需總時間；Qa為鑄機年產(chǎn)能；為鑄坯合格收得率。3.2 連鑄工藝配置的選擇現(xiàn)作如下基本設(shè)定：脫碳轉(zhuǎn)爐冶煉周期為30min；單條轉(zhuǎn)爐連鑄機生產(chǎn)線年產(chǎn)300萬t鋼水，其中70經(jīng)RH處理，30經(jīng)CAS處理；RH處理周期為26min28min； CAS處理周期為18min22min；精煉至大包回轉(zhuǎn)臺吊運時間為10min14min；大包回轉(zhuǎn)臺待位時間為5min15min；連鑄澆注準備時間Tpre為45min；連鑄坯比重7.6t/m3；取值為1；98.01%。依據(jù)所建模型，對轉(zhuǎn)爐公稱容量的核算見表2。表2 轉(zhuǎn)爐公稱容量選擇及產(chǎn)能核算Tab 2 Selection of BOF nominal capacity and output calculation 轉(zhuǎn)爐公稱容量/t連澆爐數(shù)/d/萬tRH模式CAS模式2001010348.31291.982101010342.26297.142201010336.18302.523089338.9300 由表2可知220t及230t的轉(zhuǎn)爐均能完成300萬t/a的產(chǎn)能，但考慮到作業(yè)率的因素，選定230t比較合適。對應(yīng)的精煉裝置可以選定為：2RH+1CAS.對鑄機參數(shù)給予基本設(shè)定后應(yīng)用模型對鑄機產(chǎn)能核算結(jié)果如表3所示。表3 鑄機產(chǎn)能核算表Tab 3 Casting machine output calculation鋼 種鑄機類型 /m/minS /mW /m /min碳素結(jié)構(gòu)鋼CSP4.50.071.5553141優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 CSP4.50.071.556671CSP4.50.071.5109971低合金結(jié)構(gòu)鋼CSP4.50.071.5761197耐蝕低合金結(jié)構(gòu)鋼CC1.30.231.2858224建筑結(jié)構(gòu)鋼CC1.30.231.580116管線鋼CC1.30.231.5634469專用鋼CC1.30.231.5750882深沖鋁鎮(zhèn)靜鋼CC1.60.231.4336935CC1.60.231.4222646CSP50.071.453734CSP50.071.435526IF鋼CC1.60.231.4890031硅鋼CSP4.50.071.25105801如取表3中所設(shè)定參數(shù)，單獨一臺CC完成產(chǎn)能所需時間為873303 min合606d。需設(shè)置兩臺CC，每臺需303d，作業(yè)率為83.01%；一臺CSP需要476041min合331d，作業(yè)率為90.68。CSP鑄機的拉速由于本文中設(shè)置略低，因此其作業(yè)率偏高。通過核算可以得出，設(shè)置3臺鑄機（2CC+1CSP）可以完成產(chǎn)能。4 結(jié)論（1）鐵水采用全量“三脫”預處理模式是建立起高效低成本的潔凈鋼生產(chǎn)平臺、提高產(chǎn)品競爭力的必然之選，適應(yīng)新一代大型鋼廠連續(xù)、緊湊、高效的要求，給出了新型煉鐵煉鋼界面模式。（2）充分利用精煉等柔性環(huán)節(jié)的緩沖能力，從爐機匹配的角度，建立了對轉(zhuǎn)爐公稱容量、鑄機產(chǎn)能及設(shè)備數(shù)量核算的模型。（3）依據(jù)模型及相關(guān)