河鋼煉鋼技術(shù)進(jìn)步與展望

李建新  王新東  李雙江

（河鋼集團(tuán)有限公司，河北石家莊，050023）

摘  要：本文簡(jiǎn)要介紹了河鋼煉鋼工藝的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)比分析了河鋼煉鋼生產(chǎn)關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的生產(chǎn)實(shí)績(jī)。闡述了河鋼近年來開發(fā)、集成和應(yīng)用的鋼水高效精準(zhǔn)過程控制、轉(zhuǎn)爐干法除塵、自動(dòng)煉鋼、板坯重壓下、鋼渣氣淬和余熱回收以及大數(shù)據(jù)質(zhì)量管控等工藝技術(shù)。上述技術(shù)為河鋼低成本綠色煉鋼生產(chǎn)以及高等級(jí)、高附加值產(chǎn)品開發(fā)提供了有利支持。本文還指出了河鋼煉鋼技術(shù)的發(fā)展方向，并對(duì)河鋼未來在智能煉鋼技術(shù)、轉(zhuǎn)爐大廢鋼比噴射冶煉新工藝開發(fā)以及煉鋼工序流程控制等方面進(jìn)行論述，展示河鋼在煉鋼技術(shù)創(chuàng)新的生力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)煉鋼；連鑄重壓下；大數(shù)據(jù)流程和質(zhì)量管控；清潔生產(chǎn)

Progress and prospects of steelmaking technology in Hesteel

LI Jian-xin, WANG Xin-dong, LI Shuang-jiang

(HBIS Group Co., LTD, Shijiazhuang 050023, Hebei, China)

Abstract: A briefly introduces technological progress of steelmaking process in Hesteel is given in the paper. And the key economic and technical indicators of Hesteel are comparative analyzed simultaneously. The following techniques are described in detail, and it include precise and clean steel control technology, dry dust removal in converter, automatic steelmaking technology based on flue gas analysis, continuous casting slab heavy pressure technology, steel slag quenching and waste heat recovery,and big data quality control system. All of above techniques have been applied in Hesteel production line which provided favorable support for low costing green steelmaking and high grade, high value-added product development. In addition, the direction of development would be point out in the paper. And the intelligent steelmaking, jet metallurgy for big scrap radio and process flow control technology being developed and applied in the further to show innovative ability of Hesteel are also introduced in the paper.

Key words: automatic steelmaking; continue casting heavy press; big date process & quantity control; clean manufacturing

河鋼集團(tuán)年產(chǎn)鋼4600萬噸，品種鋼比例達(dá)64%，產(chǎn)品覆蓋除無縫鋼管外的所有領(lǐng)域。經(jīng)過10年的發(fā)展，河鋼確立了以“高質(zhì)量、低成本、資源節(jié)約和環(huán)境友好”的煉鋼制造理念，自主開發(fā)、集成和應(yīng)用了一批國(guó)際先進(jìn)水平的煉鋼新技術(shù)和裝備。本文就河鋼煉鋼現(xiàn)狀、技術(shù)進(jìn)步和展望進(jìn)行論述，詮釋河鋼在煉鋼技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的生力。

1 河鋼煉鋼裝備及水平

1.1 主要裝備

河鋼煉鋼裝備具體如圖1所示。其中100t以上轉(zhuǎn)爐的比例為86.1%，RH處理鋼水的比例達(dá)40%以上（如圖2），連鑄坯最大尺寸330mm*2500mm，鋼錠最大厚度700mm。

1.2 主要鋼種技術(shù)水平

河鋼典型的線材、長(zhǎng)型材、深沖鋼和抗HIC鋼的實(shí)物水平如表1所示。從表1中可知，河鋼IF鋼、軸承鋼實(shí)物質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，簾線鋼還有一定差距。

表1  典型鋼種的純凈度^[1]（w(B), B=T.O, N, H ....）

Table1  The purity of typical steel grades（w(B), B=T.O, N, H ....）

注：w(B)為質(zhì)量分?jǐn)?shù) /10^-6;

    d_s為夾雜物直徑 /μm.

2 關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 高效精準(zhǔn)清潔煉鋼技術(shù)

2.1.1 精準(zhǔn)過程控制

河鋼對(duì)各工序影響鋼水潔凈度的因素進(jìn)行系統(tǒng)研究，自主開發(fā)了多品種高效潔凈鋼平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了煉鋼全工序自動(dòng)監(jiān)控和智能控制，確保生產(chǎn)工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定性。

（1）鋼水碳、磷動(dòng)態(tài)控制

以碳氧積管控為核心開發(fā)轉(zhuǎn)爐復(fù)吹技術(shù)，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)磷含量預(yù)報(bào)模型，吹煉終點(diǎn)鋼水磷命中率達(dá)到88.9%（±0.004%）。

（2）快速爐渣分析

由初始信息、煙氣激光動(dòng)態(tài)檢測(cè)和吹煉數(shù)據(jù)相耦合，實(shí)時(shí)計(jì)算爐渣中Mn、P和S含量，利用副槍進(jìn)行修正校準(zhǔn)，爐渣檢測(cè)周期降低80%，顯著提高爐料控制水平。

（3）精煉智能輔助系統(tǒng)

開發(fā)應(yīng)用電熱特征、溫度預(yù)報(bào)和控制、物料自動(dòng)分配等模型，使精煉鋼水成分內(nèi)控合格率由70%提高到98.5%，中包溫度命中率由80%提高到95%。

通過上述技術(shù)的開發(fā)和集成應(yīng)用，連鑄坯成材率達(dá)到99.97%，超深沖IF（DC06）的全氧、氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均可控制在15×10-6以下。

2.1.2 基于紅外煙氣分析的自動(dòng)煉鋼

基于紅外煙氣分析，河鋼自主開發(fā)了鐵水碳精準(zhǔn)檢測(cè)、負(fù)稱重下料系統(tǒng)、變槍變壓吹氧工藝、新型雙渣、動(dòng)態(tài)堿度控制、終點(diǎn)碳分析及高低溫切換模型、終點(diǎn)鎮(zhèn)靜與復(fù)吹保證等關(guān)鍵技術(shù)，形成了100t轉(zhuǎn)爐高投入率、高命中率自動(dòng)煉鋼技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用使轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制準(zhǔn)確性達(dá)到副槍效果。

（1）基于紅外煙氣分析，CO濃度達(dá)到22%-28%，提槍進(jìn)行雙渣操作可大幅提高成功率，目前雙渣成功率達(dá)到95%以上。

（2）無人工干預(yù)自動(dòng)化煉鋼，自動(dòng)煉鋼比例達(dá)到99%以上，超低碳鋼直接出鋼率92%以上。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)C、T命中率以及全爐役C·O積水平分別如圖3、圖4所示。

2.1.3 轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵

干法除塵（LT）是轉(zhuǎn)爐煤氣凈化領(lǐng)域的技術(shù)革命。除塵器泄爆、冷卻器板結(jié)、除塵器極線極板腐蝕是干法除塵的技術(shù)難點(diǎn)，泄爆是關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，先前國(guó)內(nèi)鋼企基本通過成套進(jìn)口。2010年，河鋼自主開發(fā)150t轉(zhuǎn)爐干法除塵系統(tǒng)填補(bǔ)了國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用空白。

轉(zhuǎn)爐煤氣爆炸的條件如圖5所示[2]，控制煤氣中O2和CO的體積分?jǐn)?shù)分別在6%、9%以下是防止除塵器泄爆的必要條件。河鋼對(duì)吹煉過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，指出吹煉中期脫碳反應(yīng)階段泄爆發(fā)生的幾率最大，約占50%，其他階段泄爆的幾率如圖6所示。

為了防止泄爆，河鋼提出了各吹煉階段“零泄爆”控制工藝[3]，在吹煉中期，針對(duì)性地開發(fā)了雙聯(lián)和雙渣法供氧模型以及倒渣、靜置、緩慢跟槍等7步操作法，采用惰性氣體稀釋和氣柱阻隔等技術(shù)，有效控制煙氣中O2和CO的含量，杜絕泄爆事故發(fā)生。

河鋼150t轉(zhuǎn)爐吹煉中期，煤氣中爆炸性混合氣體控制的實(shí)績(jī)?nèi)鐖D7所示，

采用氣液雙向霧化噴嘴、優(yōu)化荒煤氣管路長(zhǎng)度和蒸發(fā)冷卻器結(jié)構(gòu)，有效控制冷卻器板結(jié)和除塵器極線極板的腐蝕。河鋼轉(zhuǎn)爐干法除塵的應(yīng)用效果如圖8、表2所示。

表2  河鋼轉(zhuǎn)爐干法除塵的應(yīng)用效果

Table2  Application effect of converter dry dust removal in Hesteel

河鋼150t轉(zhuǎn)爐采用干法除塵技術(shù)，煤氣粉塵含量控制在10 g/m3以下。與OG法（濕法）相比，噸鋼煤氣回收提高了20.9%，除塵水耗和電耗分別降低了83.1%、63.5%，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

2.2 高質(zhì)量連鑄坯控制技術(shù)

2.2.1 連鑄板坯重壓下技術(shù)

河鋼基于連鑄坯凝固末端壓下工藝，與中國(guó)東北大學(xué)合作開發(fā)了寬厚板坯連鑄坯重壓下技術(shù)及其控制系統(tǒng)。該技術(shù)在連鑄機(jī)水平段，采用增強(qiáng)型扇形段對(duì)鑄坯實(shí)施單點(diǎn)和連續(xù)的大變形壓下，從而改善寬厚板連鑄坯內(nèi)部縮孔、疏松等質(zhì)量缺陷。

單點(diǎn)和連續(xù)壓下是重壓下技術(shù)的核心，利用扇形段入口液壓缸位置設(shè)備壓下能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)施單道次大變形壓下有利于壓下變形向鑄坯芯部傳遞，而扇形段后繼各輥持續(xù)壓坯，可強(qiáng)迫鑄坯收縮，防止壓下變形回彈，從而有效控制鑄坯疏松。

河鋼開發(fā)的厚板重壓下技術(shù)與其他相關(guān)工藝的比較如圖9、表3所示，

表3  不同板坯壓下方式對(duì)比

Table3  Comparison of different slab pressing processes

重壓下技術(shù)在河鋼產(chǎn)線應(yīng)用后，連鑄板坯最大壓下量達(dá)到35mm，單道次壓下量可達(dá)15mm，連鑄坯中心疏松小于1.0級(jí)別比例99%以上，鑄坯芯部致密度提高了14.5%。采用重壓下后的254mm厚度連鑄坯軋制120mm鋼板，板材的力學(xué)性能合格，探傷滿足國(guó)標(biāo)I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 微合金鋼角裂控制技術(shù)

微合金鋼連鑄坯角部裂紋控制研究較多，基本理念是使連鑄坯角部溫度避開第三脆相區(qū)[8-10]。以大倒角結(jié)晶器[11, 12]“弱冷”為代表的高溫矯直技術(shù)緩解了連鑄坯角部橫裂紋。有研究表明，碳氮化物沿晶界呈鏈狀析出和晶界先共析鐵素體膜降低晶界強(qiáng)度是引起微合金鋼角部裂紋的重要原因，鑄坯表面裂紋與其表層組織晶粒尺寸密切相關(guān)[13-15]。為此，日本提出了鑄坯表層組織控制（SSC）技術(shù)[16,17]，但未見詳細(xì)應(yīng)用報(bào)道。

基于鑄坯表層組織演變控制角部裂紋的思想，河鋼集團(tuán)和東北大學(xué)合作提出了多相變鑄坯表層組織晶粒細(xì)化控制理論，開發(fā)了鑄坯角部強(qiáng)冷和回溫工藝控制角部裂紋技術(shù)（MSRC），通過二冷區(qū)多相變控冷，細(xì)化鑄坯角部組織晶粒，提高鑄坯角部組織塑性及抗裂紋能力，防止角部橫裂紋產(chǎn)生。

在結(jié)晶器窄面足輥下方增加6組針對(duì)鑄坯角部的強(qiáng)噴淋冷卻裝置（如圖10），使鑄坯角部溫度下降至約600℃，而后減少立彎段段中下部3區(qū)與4區(qū)冷卻水量，使鑄坯角部溫度回溫至900℃以上，使角部組織完成γ奧氏體→δ鐵素體→γ奧氏體快速循環(huán)相變，滿足鑄坯角部多相變溫度控制條件。

2000mm×220mm規(guī)格的Q345B-Nb鋼連鑄坯角部溫度變化如圖11所示，

河鋼實(shí)施MSRC技術(shù)后，鑄坯角部距表面0~20mm范圍內(nèi)的組織晶粒由傳統(tǒng)“奧氏體+先共析鐵素體膜”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成“鐵素體+珠光體”結(jié)構(gòu)，且晶粒在20μm以下，鑄坯抗裂紋能力提高，含鈮鋼連鑄坯角部裂紋減少。

2.3 資源回收和綜合利用

基于氣淬粒化、液態(tài)渣滴冷卻與凝固和鋼渣礦相生成等機(jī)理研究，河鋼開發(fā)了鋼渣氣淬處理與余熱回收成套裝備與技術(shù)，涉及鋼渣氮?dú)鈿獯闩c粒度控制、“雙載熱體-雙層流化床”鋼渣顯熱高效回收與活性組分耦合控制等關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)際上首次建成年處理能力30萬噸的鋼渣氮?dú)鈿獯闾幚硎痉豆こ�。氣淬渣的微觀結(jié)構(gòu)和流化床余熱鍋爐分別如圖12、圖13所示。

鋼渣經(jīng)氣淬處理后，粒徑小于3mm的比例達(dá)96%-98%，噸渣蒸汽回收量110kg，氣淬鋼渣f-CaO含量在2.8%以下，單質(zhì)鐵提取率96%，氣淬鋼渣100%資源化利用。

河鋼開發(fā)的鋼渣氣淬和余熱回收技術(shù)與同類技術(shù)的實(shí)施效果對(duì)比如表4所示，

表4  經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

Table4  Economic and technical comparison

2.4 大數(shù)據(jù)質(zhì)量管控

2.4.1 基于大數(shù)據(jù)的IF鋼夾雜物缺陷和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

河鋼通過對(duì)數(shù)百爐次IF鋼冶煉過程關(guān)鍵參數(shù)的分析，查找冶煉參數(shù)與軋制過程中產(chǎn)生缺陷的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采用描述性統(tǒng)計(jì)、回歸分析、相關(guān)性分析、假設(shè)檢驗(yàn)等分析方法，分析冶煉參數(shù)對(duì)夾雜缺陷的影響，得出冶煉過程參數(shù)與缺陷的相關(guān)性，提出了夾雜物缺陷指數(shù)概念。夾雜物缺陷指數(shù)越低，IF鋼軋后表面質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)越小。

夾雜缺陷指數(shù)=（樣本實(shí)績(jī)?nèi)毕萋?目標(biāo)缺陷率）/（樣本中最高缺陷率-目標(biāo)缺陷率））

河鋼冶煉IF鋼冶煉參數(shù)與夾雜物缺陷指數(shù)的關(guān)系如圖14所示，

通過大數(shù)據(jù)夾雜物缺陷預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的應(yīng)用，河鋼IF鋼軋后鋼板表面夾雜缺陷率由1.51%降低到0.23%，推動(dòng)了汽車面板用更高等級(jí)IF鋼DC06、DC07系列的開發(fā)。

2.4.2 大數(shù)據(jù)平臺(tái)開發(fā)

河鋼在1780mm熱軋生產(chǎn)線自主開發(fā)和應(yīng)用了大數(shù)據(jù)平臺(tái)。通過應(yīng)用大數(shù)據(jù)、網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)，集成生產(chǎn)過程中分布且異構(gòu)數(shù)據(jù)源中的視頻、圖片、文檔、采集數(shù)據(jù)等信息，開發(fā)了系統(tǒng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。依托數(shù)據(jù)平臺(tái)，建立過程參數(shù)在線判定“矩陣”模塊跟蹤冶煉過程關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)過程數(shù)據(jù)對(duì)鑄坯質(zhì)量進(jìn)行在線判定。通過數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用，連鑄坯表面縱裂率合格率在95%以上。

3 河鋼煉鋼技術(shù)展望

3.1 工藝控制智能化

鋼水純凈是質(zhì)量穩(wěn)定的基礎(chǔ)。未來幾年，河鋼將在現(xiàn)有自動(dòng)半自動(dòng)化煉鋼的基礎(chǔ)上，著力開發(fā)“智能煉鋼技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐煉鋼“加料、噴吹、出鋼和濺渣”四個(gè)階段的一鍵式智能控制。具體如表5所示，

表5  智能煉鋼技術(shù)集成

Table5  Intelligent steelmaking technology integration

3.2 技術(shù)開發(fā)前沿化

3.2.1 轉(zhuǎn)爐底噴粉煉鋼

底吹氧氣、底噴粉煉鋼工藝是轉(zhuǎn)爐復(fù)吹煉鋼領(lǐng)域的技術(shù)革新，采用該技術(shù)生產(chǎn)的低碳、超低碳鋼，鋼水更純凈，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)更佳。河鋼未來將開發(fā)應(yīng)用這種煉鋼新技術(shù)，該技術(shù)具體實(shí)施如圖15所示。

采用大流量底吹噴射冶金煉鋼新技術(shù)，轉(zhuǎn)爐廢鋼比可達(dá)25%以上；終點(diǎn)碳氧積可控制在0.002以下，脫氧劑Al耗降低0.2kg/t-Fe，夾雜物少，鋼水更純凈；廉潔石灰用量少，利用率高，脫磷效果更佳；金屬收得率可提高0.2%。采用該技術(shù)轉(zhuǎn)爐爐齡低、耐材消耗大，故需要進(jìn)行深入探索研究。

3.2.2 連鑄坯鑄壓一體化

受軋制壓縮比的限制，厚規(guī)格鋼板需要更大厚度的連鑄坯。鑄坯的尺寸越厚，其內(nèi)部偏析、縮孔和疏松等缺陷越明顯，最終影響鋼板的實(shí)物質(zhì)量和使用壽命。未來幾年，河鋼圍繞寬厚板連鑄均質(zhì)化凝固平臺(tái)建設(shè)，進(jìn)行“寬厚板連鑄坯高溫余熱大壓下技術(shù)開發(fā)和集成應(yīng)用”，在連鑄機(jī)火焰切割后增置一臺(tái)二輥軋機(jī)，對(duì)高溫連鑄坯進(jìn)行余熱大壓下，實(shí)現(xiàn)厚板連鑄坯鑄壓一體化，以期大幅提高連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量穩(wěn)定性。該技術(shù)具體實(shí)施如圖16所示。

3.3 質(zhì)量管控?cái)?shù)字化

工藝和質(zhì)量穩(wěn)定是產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。未來幾年，河鋼煉鋼智力于“互聯(lián)網(wǎng)+流程質(zhì)量”管控體系的開發(fā)。

（1）數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)

建立煉鋼流程自動(dòng)控制框架。在二級(jí)系統(tǒng)設(shè)置數(shù)據(jù)采集服務(wù)器和精細(xì)化管理服務(wù)器，對(duì)煉鋼各工序關(guān)鍵工藝參數(shù)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)分析和質(zhì)量判定，完善流程質(zhì)量管控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。

（2）質(zhì)量預(yù)報(bào)與判定

依托煉鋼工序工藝波動(dòng)時(shí)鑄坯取樣，對(duì)鑄坯表面、內(nèi)部質(zhì)量和夾雜物水平進(jìn)行分析對(duì)比，建立工藝參數(shù)與鑄坯缺陷間的規(guī)則庫(kù)，通過大數(shù)據(jù)分析，獲得煉鋼工序關(guān)鍵工藝參數(shù)波動(dòng)對(duì)鑄坯質(zhì)量影響的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，對(duì)連鑄坯質(zhì)量水平進(jìn)行實(shí)時(shí)量化評(píng)價(jià)，給出鑄坯缺陷種類（次表皮夾渣、氣孔、夾雜物、裂紋）和等級(jí)，而后對(duì)連鑄坯進(jìn)行質(zhì)量分類，標(biāo)示出每塊鑄坯的質(zhì)量判定結(jié)果：正常送軋、離線檢驗(yàn)、降級(jí)使用、報(bào)廢處理。

（3）流程質(zhì)量管控

建立質(zhì)量專家系統(tǒng)，找出影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵工藝因素，通過對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化控制，進(jìn)一步促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量的提升。同時(shí)降低半成品階段檢驗(yàn)的頻率，節(jié)約檢驗(yàn)成本和減少等待檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)生產(chǎn)效率的影響。

3.4 生產(chǎn)制造綠色化

為了防止煉鋼粉塵排放，河鋼煉鋼廠各工位上配置較完善的除塵設(shè)備。為了進(jìn)一步降低煉鋼粉塵、廢棄物的排放，河鋼牽頭組織開展“鋼鐵行業(yè)多工序多污染物協(xié)同控制技術(shù)”以及“鋼鐵行業(yè)煙氣多污染物全過程耦合控制關(guān)鍵技術(shù)”等重點(diǎn)項(xiàng)目研究。河鋼在未來3~5年，通過不斷技術(shù)探索和創(chuàng)新，打造世界一流的綠色煉鋼示范工廠。

4 束語(yǔ)

10年來，河鋼煉鋼以“智能化和綠色化”為核心，通過自主開發(fā)和集成應(yīng)用的鋼水精準(zhǔn)和潔凈化控制、轉(zhuǎn)爐干法除塵、自動(dòng)煉鋼、板坯重壓下、大數(shù)據(jù)質(zhì)量管控等多項(xiàng)新工藝和新技術(shù)，煉鋼過程精準(zhǔn)控制和實(shí)物質(zhì)量已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。未來，河鋼煉鋼將以工藝控制智能化、技術(shù)開發(fā)前沿化、質(zhì)量管控?cái)?shù)字化以及生產(chǎn)制造綠色化為方向，智力打造“全球示范煉鋼廠”，助力鋼鐵國(guó)家品牌。

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