150 t 電爐煉鋼連鑄車間工藝設(shè)計綜述

吉祥利

（中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176）

1 150 t 電爐煉鋼車間設(shè)備配備及產(chǎn)品概述

150 t 電爐煉鋼車間主要產(chǎn)品定位為棒線材產(chǎn)品，基于此產(chǎn)品建設(shè)配套適合的煉鋼連鑄設(shè)施，具體配置為1 座150 t 水平連續(xù)加料廢鋼預(yù)熱式超高功率交流電弧爐、1 座雙鋼包車過跨電極旋轉(zhuǎn)式150 t LF精煉爐、1 座雙工位150 t VD 真空精煉爐和1 臺七機(jī)七流小方坯連鑄機(jī)及配套公輔設(shè)施，生產(chǎn)規(guī)模為120 萬t/a。主要生產(chǎn)的鋼種有：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、冷鐓鋼和彈簧鋼等。

2 工藝路線和工藝流程

2.1 工藝路線

2.1.1 普碳鋼和一般牌號低合金鋼的生產(chǎn)工藝路線

對于產(chǎn)品質(zhì)量要求一般的鋼種，在LF 精煉爐進(jìn)行調(diào)整成分和溫度等操作，然后將溫度、成分合格的鋼水送往連鑄機(jī)進(jìn)行澆注。

此類鋼生產(chǎn)工藝路線為電爐→LF 精煉爐→連鑄。

2.1.2 彈簧鋼和冷鐓鋼等的生產(chǎn)工藝路線

對于鋼水中硫含量、夾雜物含量以及鋼中氣體含量要求嚴(yán)格的，需要經(jīng)過LF 精煉爐和VD 真空精煉爐，對鋼液進(jìn)行脫氧、脫硫、脫氣、微調(diào)合金以及去除鋼液中的夾雜物。

此類鋼生產(chǎn)工藝路線為電爐→LF 精煉爐→VD真空精煉爐→連鑄。

2.2 工藝流程

合理的工藝流程設(shè)計可以保證高效生產(chǎn)高品質(zhì)的產(chǎn)品和低成本運(yùn)行[1]。煉鋼連鑄車間工藝流程見圖1。

圖1 煉鋼連鑄車間工藝流程

3 煉鋼車間工藝布置

煉鋼車間布置首要原則是盡量避免車間內(nèi)物流交叉，基于此，煉鋼車間依次布置廢鋼一跨→廢鋼二跨→廢鋼預(yù)熱跨→電爐跨→原料跨→鋼水接收跨→澆注跨→出坯跨[2]。

廢鋼一跨、廢鋼二跨內(nèi)設(shè)置廢鋼運(yùn)輸汽車通道、廢鋼地面堆存料格、電爐的廢鋼加料段和廢鋼料籃地磅等。

廢鋼預(yù)熱跨內(nèi)設(shè)置廢鋼運(yùn)輸汽車通道、電爐的廢鋼預(yù)熱段、電爐一次煙氣燃燒沉降室及相應(yīng)的除塵管道等。

電爐本體布置在電爐跨，電爐跨內(nèi)還設(shè)置電爐開爐用廢鋼料籃存放位、電爐爐殼及吊具倒運(yùn)支架、電爐渣罐倒換區(qū)、LF 精煉爐鋼包車軌道和過跨式鋼包熱修裝置軌道等。

原料跨布置電爐、LF 精煉爐的輔助設(shè)施和鐵合金高位料倉及其上投料系統(tǒng)。料倉下設(shè)置定量給料機(jī)、振動給料機(jī)、稱量斗和帶式輸送機(jī)等，分別給電爐、LF 爐上料。電爐修砌也在原料跨內(nèi)。

鋼水接受跨內(nèi)布置有LF 精煉爐本體設(shè)備、VD 真空精煉爐本體設(shè)備、過跨式鋼包熱修裝置、鋼包烘烤干燥站、鋼包過跨車、LF 精煉爐鋼包車軌道以及連鑄機(jī)的回轉(zhuǎn)臺等。

連鑄機(jī)采用橫向布置，過跨澆注。連鑄設(shè)備布置在鋼水接收跨和澆注跨和出坯跨。

4 主要工藝裝備選型和特點(diǎn)

4.1 電爐系統(tǒng)

根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品質(zhì)量要求，確定煉鋼主體設(shè)備為1 座150 t 轉(zhuǎn)爐。既能滿足鋼水質(zhì)量穩(wěn)定的需求，又能滿足轉(zhuǎn)爐與連鑄及軋鋼匹配產(chǎn)能的需求。

4.1.1 電爐系統(tǒng)主要設(shè)備配置及參數(shù)

電爐系統(tǒng)主要設(shè)備配置及參數(shù)，見表2。

表2 電爐系統(tǒng)主要設(shè)備配置及參數(shù)

4.1.2 電爐系統(tǒng)主要特點(diǎn)

1）電爐配備爐壁碳氧噴槍及氧燃燒嘴，既強(qiáng)化了冶煉，又可造泡沫渣，實(shí)現(xiàn)埋弧冶煉操作，提高熱效率和爐襯壽命[3-4]。

2）采用帶Consteel 廢氣預(yù)熱廢鋼技術(shù)，既環(huán)保又節(jié)能，可以縮短電爐冶煉周期，提高生產(chǎn)率；可以降低電耗和電極消耗、提高金屬收得率；可以減小電爐變壓器容量、減少除塵系統(tǒng)投資；可以減少冶煉對電網(wǎng)的沖擊和干擾；可以減少噪音污染。

3）電爐采用偏心爐底無渣出鋼和留鋼留渣操作，并水冷爐壁和水冷爐蓋。

4）電爐采用導(dǎo)電橫臂和三相平衡布置的短網(wǎng)系統(tǒng)等技術(shù)。

5）電爐除塵系統(tǒng)采用電爐四孔+密閉罩+屋頂罩聯(lián)合除塵方式，可達(dá)到有效除塵目的，滿足現(xiàn)代化鋼廠嚴(yán)格的環(huán)保治理要求。

6）電爐出鋼鋼包車設(shè)有電子稱量裝置和鋼包氬氣攪拌系統(tǒng)，鋼包底采用自動吹氬接頭。

7）采用廢氣余熱回收技術(shù)，回收蒸汽并綜合利用。

8）電爐爐膛、出鋼鋼包均采用自動測溫取樣裝置，可節(jié)省人工。

9）電爐采用電極自動接續(xù)站，減輕了工人的勞動強(qiáng)度。

10）電爐通過自動化加渣料及鐵合金，進(jìn)一步提高煉鋼效率。

11）煉鋼車間設(shè)備配有先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)，對冶煉和精煉過程進(jìn)行檢測和實(shí)現(xiàn)典型鋼種的最佳化工藝控制。

12）煉鋼連鑄車間采用集中控制中心，配置先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)，對煉鋼生產(chǎn)全過程進(jìn)行自動監(jiān)測和控制，實(shí)現(xiàn)典型鋼種最佳化操作及智能化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率顯著提高。

13）電爐煉鋼車間主要冶煉設(shè)備和關(guān)鍵配套設(shè)備盡量選用進(jìn)口設(shè)備或國內(nèi)技術(shù)成熟的設(shè)備，在保證技術(shù)先進(jìn)性和可靠性的前提下，盡量節(jié)約基建投資，采用最合理的工藝布置，使電爐煉鋼車間達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

4.2 精煉系統(tǒng)

后續(xù)預(yù)留的品種鋼要求鋼水成分和溫度保持穩(wěn)定，因此，確定新建1 座LF 鋼包精煉爐和預(yù)留1 座VD 真空精煉爐，滿足品種鋼冶煉要求脫氧、提高鋼水純凈度、控制夾雜物數(shù)量和形態(tài)、合金化以及鋼水繼續(xù)脫硫的要求[5-6]。

4.2.1 150 t LF 鋼包精煉爐

4.2.1.1 150 t LF 鋼包精煉爐布置

LF 爐本體采用電極旋轉(zhuǎn)雙車雙工位工藝布置形式，LF 爐主變壓器室、主控室和電氣室布置在原料跨。LF 爐的加料料倉布置在原料跨，便于上料系統(tǒng)順暢地分接物料。

4.2.1.2 150 t LF 鋼包精煉爐系統(tǒng)主要設(shè)備配置及參數(shù)

150 t LF 鋼包精煉爐系統(tǒng)主要設(shè)備配置及參數(shù)，見表3。

表3 150 t LF 鋼包精煉爐系統(tǒng)主要設(shè)備配置及參數(shù)

4.2.1.3 150 t LF 鋼包精煉爐特點(diǎn)

1）配備雙鋼包車，加熱和其他輔助操作交替同步進(jìn)行，可提高生產(chǎn)效率，縮短精煉周期。

2）采用管式盤管全水冷間接排煙惰性氣體爐蓋，保持爐內(nèi)還原性氣氛。

3）采用爐蓋第四孔+頂吸除塵罩除塵裝備技術(shù)。

4）LF 精煉爐自動上料及投料系統(tǒng)。

5）采用銅—鋼復(fù)合導(dǎo)電橫臂裝備技術(shù)。

6）采用自動測溫取樣技術(shù)。

7）采用鋼水罐底部氣體攪拌技術(shù)，均勻鋼水成分和溫度。

8）采用PLC 控制系統(tǒng)和智能化電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

9）自動化系統(tǒng)采用HMI 顯示，可自動報警、自動記錄和打印報表。

10）采用先進(jìn)的冶金模型（優(yōu)化供電模型、合金模型、造渣模型、底吹模型和脫硫模型等），實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)和準(zhǔn)確控制。

4.2.2 150 t VD 真空脫氣精煉爐

4.2.2.1 VD 真空脫氣精煉爐布置

VD 真空脫氣精煉爐采用“兩罐一蓋”固定罐體布置型式。

VD 真空脫氣裝置的真空蓋及真空罐等主體設(shè)備布置在鋼水接收跨內(nèi)，真空泵系統(tǒng)等系統(tǒng)布置在澆注跨內(nèi)。

4.2.2.2 VD 真空脫氣精煉爐特點(diǎn)

1）大抽氣能力真空泵，凈化鋼液、提高質(zhì)量。

2）采用機(jī)械真空泵結(jié)構(gòu)，可提高真空效率，降低生產(chǎn)運(yùn)行成本。

3）采用先進(jìn)的冶金模型，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)和準(zhǔn)確控制。

4.3 連鑄系統(tǒng)

根據(jù)長材軋鋼系統(tǒng)對連鑄坯的需求，確定新建1臺方坯連鑄機(jī)。

4.3.1 連鑄機(jī)產(chǎn)品分類

小方坯連鑄機(jī)斷面為165 mm×165 mm，定尺為10 m。產(chǎn)品分類見表4。

表4 產(chǎn)品分類

4.3.2 連鑄機(jī)

1）連鑄機(jī)機(jī)型選擇：方坯連鑄機(jī)技術(shù)已完全成熟。在已建的方坯連鑄機(jī)中，弧形連鑄機(jī)占絕對優(yōu)勢。因此，新建的連鑄機(jī)均為弧形連續(xù)矯直連鑄機(jī)。

2）連鑄機(jī)弧形半徑的確定：在確定連鑄機(jī)半徑時，除了保證鑄坯在矯直區(qū)時的變形量應(yīng)小于鋼種允許的變形量外，還應(yīng)進(jìn)一步提高連鑄機(jī)的拉速[7-8]。

對于優(yōu)質(zhì)鋼及高合金鋼的方坯連鑄機(jī)，弧形半徑為鑄坯厚度的40～50 倍。本設(shè)計確定選用連鑄機(jī)基本弧半徑R=10m。

4.3.3 連鑄機(jī)主要設(shè)備配置及參數(shù)

連鑄機(jī)主要設(shè)備配置及參數(shù)，見表5。

表5 連鑄機(jī)主要設(shè)備配置及參數(shù)

4.3.4 連鑄機(jī)特點(diǎn)

1）采用全程無氧化保護(hù)澆注技術(shù)[9-10]。從鋼包到中間罐、中間罐到結(jié)晶器之間，使用長水口和浸入式水口對鋼流全程保護(hù)澆注和氬氣密封，減少鋼水的二次氧化。

2）采用振動式下渣檢測系統(tǒng)，按照控制器的要求發(fā)出現(xiàn)場各種控制信號，關(guān)閉水口，防止大包下渣。

3）采用優(yōu)化設(shè)計的T 型中間罐內(nèi)形獲得最佳的流場分布，同時，也便于擋渣墻、堰的砌筑。中間罐內(nèi)鋼液有足夠深度保證鋼水內(nèi)夾雜物有充分的上浮時間。同時，在更換鋼包時，保證中間罐鋼水液面穩(wěn)定。

4）采用結(jié)晶器自動加入保護(hù)渣，能隨拉速的改變自動調(diào)節(jié)保護(hù)渣的加入量和頻率，保證保護(hù)渣的液渣層厚度在合理的范圍內(nèi)，并生成穩(wěn)定的三層結(jié)構(gòu)，避免人為因素影響，改善和提高鑄坯的表面質(zhì)量。

5）采用結(jié)晶器液面自動監(jiān)測和塞棒控制機(jī)構(gòu)的監(jiān)測—控制回路，可以在穩(wěn)定拉速的條件下保持液面波動在很小的范圍內(nèi)，改善鑄坯表面質(zhì)量。同時，也可改善操作人員的工作條件，消除因人員干擾而產(chǎn)生的漏鋼事故。

6）采用高頻小振幅液壓振動裝置，有利于改善鑄坯表面質(zhì)量（降低振痕）。

7）采用結(jié)晶器與末端電磁攪拌技術(shù)。結(jié)晶器電磁攪拌技術(shù)的應(yīng)用可以大大提高鑄坯表面和潛層的質(zhì)量，減少連鑄坯表面夾渣、氣孔和微裂紋，提高連鑄坯的質(zhì)量。末端電磁攪拌可改善鑄坯內(nèi)部質(zhì)量（中心疏松和偏析）。

8）采用連續(xù)矯直技術(shù)，在連續(xù)矯直區(qū)內(nèi)，鑄坯任意橫截面處的矯直應(yīng)變（ε）值很小。即：鑄坯在矯直區(qū)內(nèi)半徑由10 m 到無窮大的弧是一條連續(xù)的光滑曲線，其曲率半徑是連續(xù)變化的。矯直應(yīng)變不同于單點(diǎn)或多點(diǎn)矯直在變半徑點(diǎn)處產(chǎn)生的較大矯直應(yīng)變峰值。

9）采用自動火焰切割機(jī)技術(shù)。該設(shè)備運(yùn)行可靠，維修量小?？紤]所生產(chǎn)鋼種需求，切割機(jī)帶噴鐵粉裝置。

10）采用二次冷卻水自動配水分區(qū)調(diào)節(jié)控制。模型采用CERI_DSC 系統(tǒng)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)和冶金專家設(shè)定的目標(biāo)溫度，實(shí)時計算整個鑄坯的溫度場。同時，進(jìn)行優(yōu)化，得到二冷各段水量，并將水量設(shè)定至L1-鑄流PLC。

11）采用計算機(jī)二級控制。具有二冷動態(tài)控制模型、澆注速度控制、切割長度優(yōu)化、質(zhì)量跟蹤和判斷、澆次計劃管理、生產(chǎn)跟蹤管理、工藝數(shù)據(jù)管理和報表打印等功能。