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(qiáng), 田乃媛, 徐安軍（北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)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(huì)廢棄物消納功能，在此背景下的高級(jí)潔凈鋼生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)該導(dǎo)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(zhǔn)設(shè)計(jì)的概念，重新進(jìn)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(duì)爐外精煉連鑄流程的設(shè)備、工藝參數(shù)及物流匹配進(jìn)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(jī)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(guó)鋼鐵工業(yè)，連鑄，爐機(jī)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(guó)粗鋼產(chǎn)量為48966萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)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(shí)施，中國(guó)鋼鐵工業(yè)必然迎來(lái)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(guó)家能源政策的硬性指標(biāo)，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(guó)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(huì)廢棄物消納功能。中國(guó)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(guó)薄板坯連鑄工藝快速發(fā)展并取得了明顯的業(yè)績(jī),但這種先進(jìn)流程在中國(guó)的生產(chǎn)時(shí)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(jìn)的問(wèn)題。有的鋼廠由于建設(shè)時(shí)的條件限制,如轉(zhuǎn)爐噸位過(guò)小、缺乏鐵水預(yù)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(wú)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(jī)才能開(kāi)始運(yùn)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(jìn)一步研究2。對(duì)于新一代大型鋼廠連鑄工序，可以從設(shè)計(jì)開(kāi)始，避免上述問(wèn)題，從爐機(jī)匹配的角度進(jìn)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(guó)鋼鐵未來(lái)發(fā)展的方向，產(chǎn)能約900萬(wàn)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(jí)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(hào)比例 鋼產(chǎn)量 萬(wàn)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(jì)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(jìn)行 “三脫”，采用全量鐵水預(yù)處理模式是建立起高效低成本的潔凈鋼生產(chǎn)平臺(tái)、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、推動(dòng)我國(guó)鋼鐵工業(yè)快速高效發(fā)展的必然之選，與之對(duì)應(yīng)的煉鐵煉鋼界面模式為：高爐鐵水鐵水包承載、運(yùn)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(zhǎng)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(tái)和L F 工位等候,再煉出第3 爐鋼后,才開(kāi)始連鑄開(kāi)澆。這樣,在上述等待過(guò)程中,連鑄機(jī)、熱軋機(jī)都不能正常運(yùn)行,煉鋼、連鑄、熱帶軋機(jī)整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率都會(huì)受到L F 冶煉周期長(zhǎng)的影響,同時(shí)也會(huì)帶來(lái)能耗增高、鋼包壽命降低等問(wèn)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(wèn)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(tái)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(shí)間長(zhǎng),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(shí)間較長(zhǎng)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(jī)應(yīng)選擇傳統(tǒng)板坯鑄機(jī)及CSP鑄機(jī)。3 連鑄工藝配置的確定對(duì)于900萬(wàn)t/a的新一代大型鋼廠，工藝流程選定后可以對(duì)工藝配置進(jìn)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(jī)匹配的角度，對(duì)轉(zhuǎn)爐-鑄機(jī)的配置進(jìn)行更為合理的核算?？梢员苊庖酝?jiǎn)單的數(shù)量疊加但在實(shí)際生產(chǎn)中不能實(shí)現(xiàn)高效率的匹配運(yùn)轉(zhuǎn)，造成了不必要的投資及能源的浪費(fèi)的問(wèn)題。3.1 基于爐機(jī)匹配的轉(zhuǎn)爐鑄機(jī)配置模型假設(shè)車間24 h生產(chǎn)無(wú)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(shí)間的確定連鑄澆鑄周期由式（1）確定。 （1）式中：為鑄機(jī)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(jī)拉速；為鑄坯比重。3.1.2最大連澆爐數(shù)的確定1）當(dāng)連鑄機(jī)澆鑄周期大于脫碳爐冶煉周期時(shí)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(tái)的最小和最大吊運(yùn)時(shí)間；、分別為大包回轉(zhuǎn)臺(tái)最小和最大的待位時(shí)間；tdeC為轉(zhuǎn)爐冶煉周期。2）當(dāng)連鑄機(jī)澆鑄時(shí)間等于脫碳爐冶煉周期時(shí)理論上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限連澆，但受鑄機(jī)實(shí)際條件限制，Nmax只能取連鑄機(jī)本身的最大連澆爐數(shù)。3.1.3相鄰澆次間隔時(shí)間的確定1)連鑄機(jī)一個(gè)連澆次開(kāi)始至下一連澆次開(kāi)始時(shí)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(jī)開(kāi)澆開(kāi)澆時(shí)間；為i精煉類型下的最大連澆爐數(shù)；tCP為連鑄機(jī)開(kāi)澆準(zhǔn)備時(shí)間。2)脫碳轉(zhuǎn)爐一個(gè)連澆次開(kāi)始至下一連澆次開(kāi)始之間的作業(yè)時(shí)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(shí)間；為i精煉類型下的轉(zhuǎn)爐作業(yè)間隔時(shí)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(shí)間的確定1）轉(zhuǎn)爐完成年產(chǎn)量所需要的總時(shí)間由式（6）計(jì)算得出。 （6）式中，為轉(zhuǎn)爐完成年產(chǎn)量所需要的總時(shí)間，如果339（日歷作業(yè)天數(shù)）天，可以完成任務(wù)，否則無(wú)法完成。日歷作業(yè)時(shí)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(shí)間： （8）3）連鑄機(jī)完成年產(chǎn)能所需總時(shí)間 （9）式中，為鑄機(jī)完成年產(chǎn)能所需總時(shí)間；Qa為鑄機(jī)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(jī)生產(chǎn)線年產(chǎn)300萬(wàn)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(tái)吊運(yùn)時(shí)間為10min14min；大包回轉(zhuǎn)臺(tái)待位時(shí)間為5min15min；連鑄澆注準(zhǔn)備時(shí)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(duì)轉(zhuǎn)爐公稱容量的核算見(jiàn)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(wàn)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(wàn)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(duì)應(yīng)的精煉裝置可以選定為：2RH+1CAS.對(duì)鑄機(jī)參數(shù)給予基本設(shè)定后應(yīng)用模型對(duì)鑄機(jī)產(chǎn)能核算結(jié)果如表3所示。表3 鑄機(jī)產(chǎn)能核算表Tab 3 Casting machine output calculation鋼 種鑄機(jī)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(dú)一臺(tái)CC完成產(chǎn)能所需時(shí)間為873303 min合606d。需設(shè)置兩臺(tái)CC，每臺(tái)需303d，作業(yè)率為83.01%；一臺(tái)CSP需要476041min合331d，作業(yè)率為90.68。CSP鑄機(jī)的拉速由于本文中設(shè)置略低，因此其作業(yè)率偏高。通過(guò)核算可以得出，設(shè)置3臺(tái)鑄機(jī)（2CC+1CSP）可以完成產(chǎn)能。4 結(jié)論（1）鐵水采用全量“三脫”預(yù)處理模式是建立起高效低成本的潔凈鋼生產(chǎn)平臺(tái)、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)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(jī)匹配的角度，建立了對(duì)轉(zhuǎn)爐公稱容量、鑄機(jī)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)