炼钢高效率、低成本的螺纹钢生产技术
蔡常青 郑原首 赖浪泉
（福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂，365000）
摘要：福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂二炼钢系统2019年产量达495万吨，其中2#机产量209万吨，最高月产18.88万吨，最高单流产量达到32.32万吨/年。转炉三炉对三机普钢冶炼周期为32分钟/炉，最高拉速达4.0m/min，铸机平均作业率达到95%以上，小方坯炼钢工序成本355.89元/吨，达到了高效化低成本的生产效果。
关键词：高效 低成本 高拉速
0 前言
福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂二炼钢系统装备了3座120t转炉、2座120t钢包精炼炉和2台七机七流和1台五机五流方坯连铸机，其中1#连铸机生产钢种主要以制品材为主，2#机生产的钢种主要以400系列钢种为主，3#机生产的钢种以400系列、HPB300系列、Q195钢为主，后道工序对应为棒、线材、带钢生产线。2018年二炼钢系统的产量对应如下表1：
表1 2018年三钢二炼钢系统钢产量
|
机组 |
1#机 |
2#机 |
3#机 |
合计 |
|
产量（万吨） |
145.00 |
189.64 |
112.39 |
447.02 |
其中1#机品种钢比例占比约77.5%。
转炉、连铸的主要工艺参数见表2和表3：
表2 转炉的主要工艺参数
|
参数名称 |
单位 |
转炉 |
|
转炉公称容量 |
t |
120 |
|
新砌炉内容积 |
m3 |
108.23 |
|
炉容比 |
0.90 |
|
|
实际出钢量 |
t |
135-140 |
|
铁耗 |
Kg |
840 |
|
废钢 |
t |
双斗废钢32-34吨 单斗废钢25-26吨 |
|
废钢烘烤 |
无 |
表3连铸机的主要工艺参数
|
项目 |
1#机、2#机 |
3#机 |
|
机型： |
弧形连铸机 |
弧形连铸机 |
|
连铸机主半径（m）： |
R10 |
R12 |
|
机数×流数： |
7×7 |
5×5 |
|
控制方式 |
塞棒控制 |
塞棒控制 |
|
冶炼周期(min) |
22-42 |
38-48 |
|
流间距（mm） |
1200 |
1700 |
|
结晶器长度（mm） |
1000 |
1000 |
|
铸坯断面(mm2) |
160×160 |
160×160 |
|
冶金长度（m） |
32.8 |
36 |
|
振动频率 （次/分钟） |
150-180 |
120-220 |
|
振幅 |
5.1mm |
5.1mm |
|
振动形式 |
板簧振动 |
双单元液压振动 |
|
中间包公称容量（t） |
35 |
35 |
|
拉矫辊直径 |
300mm |
450mm |
本文主要通过对炉机匹配、转炉连铸高效化协同生产、连铸高作业率、高热送率、低成本等方面进行阐述，实现炼钢高效率、低成本的螺纹钢生产。
1.炉机匹配问题
三钢二炼钢系统3台120吨转炉，螺纹钢生产过程中实际出钢量在135t-140t之间，2#连铸机的浇注周期在27-42min之间，3#连铸机浇注周期在38-48min之间。在生产过程中，炉机匹配的问题限制着转炉高效低成本的进一步发挥。为此，3#连铸机纳入改造计划，通过增流改造，进一步实现转炉、连铸机的高效化。三钢二炼钢利用检修时，试验2炉对2机高效化生产，实现2炉班产41炉，冶炼周期在24min左右，2#连铸机浇注周期最快22min，1#机最快浇注周期24min。
2转炉连铸高效化协同生产
2.1转炉高效化生产
转炉高效、快节奏生产，主要是缩短转炉周期，面临的问题主要为辅助时间长、钢包周转困难与连铸过热度控制失败导致转炉―连铸机匹配失调。
2.1.1 缩短转炉冶炼辅助时间
转炉冶炼辅助时间包括溅渣时间、金属料入炉时间、一倒提枪至出钢时间、出钢时间与氩站处理时间。具体措施为：
（1）稳定留渣量，缩短溅渣时间。生产实践表明，留渣量控制在3-4t，不仅可以满足护炉和前期化渣需求，还可将溅渣时间缩短至2-3min。而出钢炉渣较稀时，可在溅渣过程加入300-500Kg石灰石或轻烧白云石来降低渣温，稠化炉渣，缩短溅渣时间。
（2）维护炉口，合理调配废钢，缩短废钢入炉时间。快节奏生产过程，班中可采用氧枪烧炉口工艺处理炉口结渣，保证炉口大小合适，确保废钢入炉；同时利用生产间隙使用打炉车处理炉口。
（3）稳定终点成份与温度控制，提高无补吹出钢比例，缩短一倒提枪至出钢时间。通过自动炼钢模型固化炉长操作模式，实现操作过程规范化、精细化、统一化，终点成份与温度可控化。终点提枪后，炉长可根据拉碳火焰与终点渣况判断终点成份，倒炉后直接进行出钢。
（4）合理调配出钢口长度与内径，并提高出钢口龄，缩短出钢时间。根据炉役与钢面厚度选用不同长度与不同内径的出钢口，出钢口内径由φ160mm扩大到φ170mm，保证出钢口龄在20炉以内，出钢时间维持在4分30秒左右，同时控制好出钢钢水成份，避免出钢钢水过氧化，减缓出钢口袖砖侵蚀速度，提高出钢口龄，减少出钢口更换次数，缩短出钢时间。
（5）稳定出钢温度、钢水量与出钢成份，从而使钢水成份稳定，实现氩站无等成份出站。转炉控制好出钢温度，减少氩站高温钢现象的发生，同时稳定出钢量与出钢成份，确保合金与碳粉收得率稳定，氩站钢水成份稳定，达吹氩工艺要求，可立即出站。
2.1.2 提高钢包周转效率
高效生产时，钢包周转若出现问题，将引起连锁反应，影响生产计划的完成。钢包周转因素主要体现在行车运行、钢包包盖运行、钢包包口处理、钢包周转方面，若任何一个环节出现问题，都易出现转炉出钢等钢包现象，影响生产运行。具体措施为：
（1）加强行车班检与周检，保证行车运行。
（2）实行钢包加揭盖设备班检制度，同时加强作业人员操作培训，确保钢包加揭盖正常运行，降低包盖脱落与摔坏包盖现象发生。
（3）制订相关管理制度，保证每班钢包包口处理个数，防止因钢包包口高，导致钢包无法加盖或渣倒流现象发生。
（4）规范钢包使用制度，确保钢包周转。双直上需备6个钢包周转，单精炼需备7个钢包周转，双精炼需备8个钢包周转，2台机向3台机过渡时需再备2个钢包，待三台机浇注正常时，再多备一个包，班中最多11个包周转。交班时根据钢包包龄、滑板水口寿命合理安排提前刷包、滑板水口更换。
2.1.3 加强转炉钢水过热度控制
钢水温度过低会使连铸中间包水口结瘤甚至堵塞，引起连铸倒机；钢水温度过高，不仅会加剧钢液的二次氧化，增加钢中的非金属夹杂，还易造成连铸降速、连铸浇铸周期延长，导致无法及时下连铸空包，使炉前出现等钢包现象，影响转炉炉数的完成。具体措施为：
（1）制订开机对接与连浇炉次上台温度指导方案，降低钢水上台温度，稳定大包温降，2#机普钢开浇过热度控制在45℃以内的比例由2019年1月份的34.21%至2020年6月份的93.06%，杜绝了开浇过热度超过50℃。
（2）降低钢水上台温度，2#机平均钢水上台温度的由2019年1月份的1559℃降低至2020年6月份的1555℃，从而实现降低中包过热度。
（3）制订相关过热度控制管理制度，督促操作工按规定执行。
2.2连铸高拉速
连铸方坯高拉速生产，主要面临的问题为漏钢事故、铸坯脱方扭曲等问题，漏钢影响炼钢连铸的生产顺行，脱方影响轧钢的生产顺行。
2#机、3#机生产的普钢主要以HRB400系列、HRB500系列钢种为主，生产质量相对稳定。连铸拉速过热度控制如下表4：
表4原有连铸拉速过热控制
|
过热度（℃） |
≥45 |
35＜T＜45 |
≤15 |
|
2#机拉速 |
≤2.5 |
≤2.7 |
≤3.2 |
|
3#机拉速 |
≤2.7 |
≤3.0 |
≤3.2 |
2.2.1 漏钢
为了解决连铸漏钢问题，通过高拉速漏钢统计见表5主要集中在过热度30℃以上。
表5拉速提升前漏钢统计
|
机组 |
漏钢种类 |
过热度 |
平均拉速 |
||
|
角裂 |
渣漏 |
T＜30 |
T≥30 |
||
|
2 |
4 |
2 |
1 |
5 |
3.08m/min |
|
3 |
6 |
2 |
1 |
7 |
3.22m/min |
2.2.2 铸坯脱方
3#铸坯脱方是制约连铸高效化生产的主要原因，造成脱方的主要原因坯壳在结晶器内停留的时间更短，坯壳出结晶器后角部强度更低，更容易造成脱方，铸坯进入二冷区后喷嘴对铸坯进行冷却，然后经过拉矫机送至火切机切割。影响脱方的工艺因素：
(1)控制脱方关键在于保证结晶器内坯壳与铜板间的均匀传热。结晶器铜管锥度不合适、结晶器水套精度不高，造成结晶器水缝不均匀，导致钢水在凝固过程在结晶器内冷却不均匀形成脱方。
（2）二冷工艺不合适，比水量低，高拉速的铸坯进拉矫机的温度更高，铸坯受到拉矫机的矫直力后更容易发生形变，加剧脱方和铸坯扭曲。
（3）过热度偏高，拉速和过热度不匹配，会加剧铸坯脱方，并伴随铸坯鼓肚。通过对脱方铸坯工艺进行分析，随着过热度增加，脱方概率增加。
2.2.3采取的措施
(1)降低普钢过热度
通过降低过热度，可以有效的改善铸坯在结晶器内冷却的均匀性，降低铸坯的凝固潜热，有效的缩短铸坯的凝固时间，增加铸坯出结晶器后的安全厚度，避免漏钢事故的发生，影响生产的稳定运行。
图1中间包最高过热度低于30℃比例
转炉通过对钢水上台温度，保温浇注的控制，连铸中间包过热度超30℃的比例得到大幅度的降低，普钢直上过热度控制≤30℃的比例由2019年的55.5%提高至2020年1-6月的82.69%，为高效化生产提供保障。
(2)采用高效化结晶器铜管
结晶器其设计的合理性和制造质量对连铸机的顺行和铸坯质量起到关键的作用。3#连铸机通过试验点状高效化结晶器铜管，减少铸坯生产过程中扭转的现象，从而稳定铸坯坯形，提高铸坯在结晶器内冷却的均匀性，减少铸坯脱方现象。
（3）优化二冷配水
通过分析，需要提高零段的水量，减少高拉速生产铸坯的裂纹、漏钢事故。对2#机、3#机喷嘴布置进行优化，提高零段冷却能力，如下表6。
表6 喷嘴布置优化情况
|
机组 |
改进前 |
改进后 |
|
2#机 |
13t/h |
17t/h |
|
3#机 |
13t/h |
17t/h |
通过对喷嘴进行优化，目前零段的水量由原来的13h/t提高至17h/t。
加强二冷对中和二冷水管理
（4）控制拉矫机压力
拉速提高，铸坯进拉矫机的温度提高，导致铸坯进拉矫机的强度降低。因此，需要通过摸索确定合适的拉矫机压力，减少对铸坯的坯型的影响。
表7 2#机拉矫压力对比
|
项目 |
1#拉矫 （MPa） |
2#拉矫 （MPa） |
|
优化前 |
2.1-2.5 |
2.1-2.5 |
|
优化后 |
1.9-2.1 |
1.9-2.1 |
（5）延长二冷喷淋段
连铸机随着高效化的进行，铸坯进拉矫的温度进一步提高，目前通过增加二冷喷淋段，降低了铸坯进拉矫的温度，从而减少因高效化带来的铸坯扭曲、脱方等问题。
图2 拉矫前增加喷淋
2.3高效化效果
2.3.1 转炉生产周期降低
表8 转炉各阶段时间分配（单位：秒）
|
时间段 |
溅渣 |
冶炼 |
一提出钢时间 |
补吹时间 |
出钢 |
转炉周期 |
|
高效生产 |
143 |
506 |
186 |
0 |
274 |
2058 |
|
正常生产 |
178 |
525 |
224 |
22 |
291 |
2295 |
|
对比 |
-35 |
-19 |
-38 |
-22 |
-17 |
-237 |
由表8可以看出，高效生产过程，溅渣时间、冶炼时间、一提至出钢时间、出钢时间与转炉周期分别较正常生产缩短35秒、19秒、38秒、17秒和3分57秒。而上表中各项目除转炉周期外，其他项目节约时间和为131秒，较转炉周期的缩短时间少206秒。正常生产上炉出钢结束至下炉下枪时间平均间隔11分，而高效生产此时间段为9分30秒，缩短90秒，说明废钢入炉时间缩短了90秒，而另外节省的116秒主要由于各操作工协调配合默契，工序衔接紧密节省时间。
2.3.2 各项指标良好
表9 转炉高效生产指标控制
|
项目 |
铁温 |
铁水硅 |
废钢 |
破碎 |
石灰 |
矿石 |
出钢 |
||||
|
C |
Mn |
P |
温度 |
||||||||
|
平均 |
1304.5 |
33.3 |
26.3 |
4.1 |
27.4 |
1.9 |
7.47 |
16.70 |
24.33 |
1633.4 |
|
|
正常 |
1301.8 |
32.7 |
26.3 |
4.0 |
27.8 |
4.4 |
7.00 |
15.14 |
22.75 |
1634.7 |
|
|
对比 |
2.7 |
0.6 |
0 |
0.1 |
-0.4 |
-2.5 |
0.47 |
1.56 |
1.58 |
-1.3 |
|
由表9可知，在铁水条件相近情况下，与正常炉次相比，高效生产炉次出钢成分控制较为稳定，过程石灰与矿石耗分别降低0.4Kg/t与2.5Kg/t，同时出钢温度降低1.3℃，保证了连铸的恒拉速、低过热度浇铸生产。
2.3.3连铸拉速提升，产能提高
通过优化攻关，连铸拉速实现稳步提升，最高拉速从原来的3.2m/min提高至3.8m/min，最高试验拉速4.0m/min。其中2#连铸机的月产量达到18.88万吨以上，3#连铸机达到12.2万吨（5流）以上。
图3 2#机近3年产量图
生产过程中铸坯漏钢事故控制在月均1起/台机以内。
2#机脱方判废率为0吨/月，3#连铸机脱方判废率控制在10吨/月。
2.3.4 低倍质量
通过对二次冷却工艺进行优化，实现了高拉速情况下铸坯质量的稳定，低倍评级间表10.
表10 连铸低倍质量情况
|
项目 编号 |
疏松 (级) |
中心 偏析 (级) |
缩孔 (级) |
中心裂(级) |
中间裂(级) |
角裂(级) |
脱方 (级) |
非金属夹杂(级) |
拉速 m/min |
|
1893-5 |
0.5 |
0.5 |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
3.8 |
|
1893-5-1 |
0.5 |
0.5 |
/ |
/ |
0.5 |
/ |
/ |
/ |
3.8 |
|
1893-5-2 |
0.5 |
0.5 |
/ |
0.5 |
0.5 |
/ |
/ |
/ |
3.8 |
|
1893-5-3 |
0.5 |
0.5 |
/ |
/ |
0.5 |
/ |
/ |
/ |
3.8 |
|
1893-5-4 |
0.5 |
0.5 |
/ |
/ |
0.5 |
/ |
/ |
/ |
3.8 |
|
1897-6 |
0.5 |
0.5 |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
3.9 |
|
2005-3 |
1.0 |
0.5 |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
/ |
3.2 |
图4 2#机1893-5-2低倍
3连铸高作业率
三钢二炼钢系统三座转炉配三台连铸机，连铸机高作业率是实现炼钢产能最大化的保障。2018年各机组的作业率不高，特别是1#机受到钢种的影响不能热换中间包，3#机受到设备故障的影响，导致作业率不高。
(1)做好设备基础管理，完善关键设备的点检、润滑与冷却为中心的设备基础管理制度，持续推进操检融合的深度与广度，不断提高检修质量和检修效率，实现连铸设备长寿命稳定运行。
(2)做好耐材事故异常管理，通过对连铸中间包实现三级验收，强化异常事故管理，及时对有异常的中间包耐材进行分析，减少了中间包耐材事故。2019年中间包包龄得到稳步的提升，2#机中间包包龄从2018年的32.83炉/组提高至2020年38.83炉/组，减少了中间包热换影响连铸非作业时间。
(3)减少不能对接的钢种，目前1#机主要生产的钢种为ML08Al、22A系列、PC钢、中高碳钢系列以及普钢。其中C含量0.30%以上的钢种不能热换，生产PC钢、中高碳钢开浇需要停40分钟穿引锭，停浇需要停40分钟，造成1#连铸机作业率低，其中PC钢（30MnSi）碳含量在0.30%左右且产量较大，影响作业率较多。通过优化PC对接堵流操作，缩短在PC钢在结晶器内等待时间，实现了PC钢对接，提高了连铸机作业率。每个月可以节约500分钟穿引锭时间。
通过以上措施，实现了三台连铸机的作业率，实现了连铸作业率的稳步提升，见下图5。
图5 近3年连铸机作业率
4、连铸生产稳定性
连铸生产断流率是连铸生产稳定生产的另外一个体现。连铸断流率主要由操作、耐材、设备等三大因素构成。为了进一步降低连铸断流率，通过采取以下几方面措施：
(1)连铸操作造成断流的主要有1#机2#机开浇拉脱、3#机开浇引锭头漏钢。1#机2#机采用钩式引锭头钢性引锭杆，3#机采用的是燕尾槽式引锭头柔性引锭杆。
通过对现场事故进行分析，造成1#机2#机开浇事故的主要原因为新铜管开浇过程阻力大、引锭杆马刀翘起，通过对新铜管加润滑菜籽油、增加开浇时间以及对弧等措施，减少了开浇拉脱现象。
3#连铸机开浇引锭头漏钢的主要问题为开浇注流小，导致钢水未能充分流入燕尾槽，形成足够强度的接头造成漏钢。通过加大开浇第一把棒时间以及保证开浇注流，避免此类问题。
(2)耐材原因造成的断流主要包括塞棒断和中包水口呕钢、锆芯脱落等现象。针对塞棒断，车间通过加强耐材检查，减少有隐患的塞棒上线。中包水口呕钢主要是多次重烧造成类似事故，加强过程检查，避免事故扩大。
(3)设备断流原因包含拉矫电机故障、振动台故障等因素引起。通过加强拉矫机冷却润滑检查，保证了拉矫机的使用寿命。振动台故障主要振动隔膜漏水、渗油引起，针对该问题通过优化振动隔膜长度，减少振动隔膜受力强度，提高寿命。另外降低结晶器进水压力改善了振动隔膜受力，提高了振动隔膜寿命。
连铸3台机由于操作、耐材、设备造成的断流由2018年的12起/月降至2020年6起/月。
5、低成本
通过对工序的整体优化攻关，实现了二炼钢系统普钢的高效化低成本生产，具体情况如表8所示：
表8 2019年三钢HRB400系列钢种成本构成
|
项 目 |
单位 |
吨钢用量 |
吨钢成本 |
|
一、钢铁料 |
1.05734 |
2,439.99 |
|
|
铁水 |
T |
0.83906 |
1,911.18 |
|
二、合金 |
0.03355 |
219.32 |
|
|
硅铁 |
T |
0.00451 |
25.38 |
|
入炉硅锰 |
T |
0.02026 |
137.74 |
|
三、燃料动力 |
87.76711 |
40.61 |
|
|
电 |
KWH |
39.23422 |
22.40 |
|
氧气 |
M3 |
47.14212 |
21.64 |
|
四、辅助材料 |
3.47268 |
60.28 |
|
|
五、固定成本 |
43.74 |
||
|
六、制造费用 |
19.25 |
||
|
七、回收品 |
-124.24243 |
-27.87 |
|
|
八、生产成本差异 |
0.00024 |
0.56 |
|
|
成本合计: |
元 |
2,795.88 |
|
|
工序成本 |
元 |
355.89 |
（1）普钢包龄提升，降低生产成本
随着高效化生产的稳定进行，中包龄显著提高，二连铸车间2#机平均包龄由32.6炉/组提高至38.9炉/组，连铸的中包余钢为吨钢1kg左右，铸坯切废控制在吨钢1.1kg左右，整体收得率达到99.7%以上。
（2）稳定的铸坯质量
高效化生产要求具有高拉速生产出质量合格的产品，2019年钢产量为496万吨，铸坯判废，铸坯合格率为99.99%，与2018年的铸坯合格率99.98%相当。2#机全年产量为209.6万吨，判废量为11.69t/年，铸坯合格率达到99.999%以上。3#机全年产量为135万吨，400系列废品坯为60.2t/年，铸坯合格率达到99.99%。
（3）高热送热装率
2#机主要对应生产线为一棒，热送热装可以有效的降低生产成本，棒材厂一棒车间2019年平均热装率为85.7%，下半年热装率稳定在85%以上，最高实现热装率88.35%。
7、小结
（1）通过转炉操作工艺优化，缩短溅渣时间、金属料入炉时间、一倒提枪至出钢时间、出钢时间与氩站处理时间等转炉冶炼辅助时间，大幅缩短转炉冶炼周期。。
（2）通过转炉操作工艺优化，高效生产炉次出钢成分控制较为稳定，降低转炉冶炼渣料成本，中间产品处理率大幅降低。
（3）通过制订开机对接与连浇炉次上台温度指导方案，提高开机对接成功率，保证过热度稳定，为连铸高效生产创造条件。
（4）通过对连铸工艺进行优化，连铸的平均拉速达到3.25m/min，最高浇注拉速达到4.0m/min，铸坯的脱方率判废率控制在较低水平，低倍质量良好。
（5）通过对连铸的设备、耐材、工艺进行管理，实现连铸的高作业率，其中2#连铸机作业率稳定在95%以上，单月产量最高18.88万元/月，实现具备年产220万能力。
（6）高效化生产可以提高耐材寿命，降低生产成本。