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        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述

        2021-12-25

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述



        國內大型鋼鐵廠遵循“工藝現代化、流程高效化、效益最佳化”的設計理念,構建了基于動態精準生產體系的高效率、低成本、高質量潔凈鋼生產體系。今天就帶大家一起了解一下先進的煉鋼工藝技術。



        煉鋼簡介

        現代鋼鐵廠工藝流程概述


        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖1)

        紅框內為煉鋼廠

        鋼與生鐵的區別:


        鐵和鋼最根本的區別是含碳量,理論上一般把碳含量小于2.11%稱之鋼,它的熔點在1450-1500℃,而生鐵的熔點在1100-1200℃。在鋼中,隨著碳含量的增加,其強度、硬度增加,而塑性和沖擊韌性降低。


        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖2)


        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖3)


        煉鋼的定義:用氧化方法去除生鐵和廢鋼中的雜質,加入適量的合金元素,使之成為具有高的強度、韌性或其他特殊性能的鋼,這一工藝過程稱為“煉鋼”。

        含碳量≤2.0%的鐵碳合金,鐵碳相圖中2.0%C的意義。高溫:奧氏體,熱加工性能好;常溫:以珠光體為主 。

         

        為什么煉鋼:生鐵無法廣泛應用。含碳高:高溫下無奧氏體;性能不良:硬脆、韌性差、焊接性能差,不能加工;雜質多:S、P、夾雜物含量高。

         

        鋼中常見元素 :五大元素:C、Mn、S、P、Si(必須要求)。其他元素:V、Cr、Ni、Ti、Cu 等(根據鋼種)。存在原因: ①工藝限制:S、P無法完全脫除;②原料殘余:廢鋼殘余Cu、Zn;③改善性能:Mn提高強度 Al細化晶粒。元素含量: ①國標要求:GB;②企業標準:企業自定;③其它國家標準:SWRCH82B(日本)。




        煉鋼工藝流程

        煉鋼“全三脫”工藝流程配有4座300t KR脫硫站、2座300t脫磷轉爐、3座300t脫碳轉爐;脫磷工位和脫碳工位采用“2+3”雙高跨布置,便于“半鋼”鐵水倒運;精煉配有2座300t雙工位RH爐、2座300t CAS爐和1座300t LF爐;連鑄采用4臺雙流板坯連鑄機。工藝特點:采用先進的“一罐到底”、“全三脫”技術,鋼水100%精煉工藝處理,鑄機高拉速,打造高效快節奏的潔凈鋼生產平臺?!叭摗惫に嚵鞒倘鐖D1所示。
        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖4)


        轉爐煉鋼工藝技術

        把鐵水與廢鋼混合,倒入轉爐中然后吹氧,爐溫大約上升到1600℃ , 爐內反應非常劇烈,象火山爆發一樣,將碳與主要雜質迅速燒掉(鐵水中的錳和硅被氧化,鐵水中的碳也被氧化成二氧化碳)。整個過程僅約30分鐘,而且不再添加任何燃料,就可煉一爐鋼,甚至可做到“負能煉鋼”用這種方法煉鋼,質量可以與平爐煉出的鋼相媲美,所需時間卻只有平爐的1/10,效率很高。轉爐煉鋼已經成為現代鋼鐵生產的主要工藝。增加爐外精煉后的產品質量進一步得到提高。

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖5)


        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖6)

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖7)

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖8)

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖9)

        爐外精煉工藝技術

        精煉工藝是將轉爐煉的鋼液在精煉裝置中進行的脫氣、脫氧、脫硫、去除夾雜物、合金成分微調、溫度精確等一系列鋼水質量優化的工作。通過鋼水的二次精煉工藝,可以提高鋼水的質量、滿足不同鋼種的特殊要求。因此精煉是現代化鋼廠建設和生產序列的核心部分。

        精煉是鋼廠開發新品種,提升市場競爭力的必要手段、是生產節奏的緩沖器,對于鋼廠生產節奏的控制,產品質量的保證都起到了不可替代的作用。

        精煉工藝配置分為三類:LF爐工藝、CAS工藝、RH工藝。

        目前精煉工藝路線主要分為以下4類:

        1) LF精煉工藝:對于低氧、低硫的鋼種,如低合金鋼、低牌號管線鋼,需經LF鋼包精煉爐處理后送往連鑄機。

        2)RH精煉工藝:對于低碳鋼、超低碳鋼和對氣體含量控制要求較高的鋼種,需經RH處理后送往連鑄。

        3)LF+RH雙重處理工藝:對某些有特殊質量要求的鋼種,如高牌號管線鋼、高強鋼,需經LF鋼包爐和RH真空脫氣裝置雙重處理。

        4)CAS精煉工藝:作為LF精煉的并列或替代工藝路線,除脫硫功能外,CAS可完成LF的大部分功能。

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖10)

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖11)

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖12)


        板坯連鑄工藝技術

        連鑄:將裝有精煉好鋼水的鋼包運至回轉臺,回轉臺轉動到澆注位置后,將鋼水注入中間包,中間包再由水口將鋼水分配到各個結晶器中去。結晶器是連鑄機的核心設備之一,它使板坯成形并迅速凝固結晶。拉矯機與結晶振動裝置共同作用,將結晶器內的板坯拉出,經過扇形段冷卻,火焰切割成一定長度的板坯。

        連鑄是把高溫液態鋼水變成固態板坯的過程。


        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖13)

        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖14)


        循環利用技術創新


        熱態脫硫渣循環利用工藝

        為了提高脫硫劑利用率、降低鋼鐵料消耗、降低處理過程溫降、提高冶煉效率和降低脫硫渣量,提出了KR脫硫渣熱態返回KR再利用工藝。
        “脫硫渣熱循環法”是在進行下一爐鐵水預處理時,將脫硫精煉后排出的鋼渣(脫硫渣)在高溫狀態下直接再利用的方法。剛剛處理后的脫硫渣為凝結粒的狀態,但其后溫度下降,使凝結粒崩散,形成新的未反應面。反復使用脫硫渣,
        有效利用未反應面,可最大限度地發揮渣的脫硫能力。同時,由于是對高溫狀態下的渣進行再利用,還可回收排渣時釋放的熱量,有利于節約資源,降低環境負荷。
        因此,熱態脫硫渣返回利用后,脫硫渣復合少量脫硫劑使用,脫硫劑消耗可降低30%-40%,可將脫硫劑消耗量控制在1.8-3.0kg/t,鐵水溫降相對減少10-15℃,總渣量可減少30%-40%,同時,還可降低鐵損,減少對環境的污染。

        液態脫碳渣返回利用的工藝

        轉爐熱態渣返回脫磷爐利用的工藝流程如圖2所示,脫磷爐加廢鋼、兌鐵水后,開始進行脫磷吹煉,吹煉結束后,P2O5質量分數較高的脫磷渣(ω(P2O5)=6%-8%)倒掉,半鋼(ω[P]semi≈0.03%)倒入半鋼包,半鋼由半鋼包兌入脫碳爐,進行吹氧脫碳冶煉。脫碳爐冶煉結束后,鋼液出鋼至鋼包進入精煉冶煉,P2O5質量分數較低的脫碳渣(ω(P2O5)≈1.5%)倒入渣罐,液態渣經由渣罐兌入脫磷爐后,開始濺渣操作,液態渣濺干后,開始加廢鋼和兌鐵水,進入下一次轉爐雙聯操作。
        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖15)

        轉爐除塵灰利用工藝技術開發


        采用冷固結技術生產線后,轉爐干法除塵灰從2012年11月后實現100%返回到轉爐冶煉過程中再利用,其中在2013年達到月產能13285t,產能較2012年煉鋼部接手前月產9588t提高3697t,且原料地倉抽測粉末化率從之前的26%,降低到目前穩定控制在10%以下,有效減輕了轉爐干法除塵系統的設備運行負荷,減少了冒煙的次數,使冷固球團生產線成為國內第一家采用全干法除塵灰運用冷固結技術壓球符合轉爐入爐爐料的要求,是國內運用干法除塵灰壓球的示范線。
        通過對冷固球團生產工藝進行改造后,冷固球的抗壓強度由改造前的1041N提升至改造后的1100N,強度提升5.7%,同時,入原料倉的地倉粉末化率下降明顯,從攻關前的26.12%左右下降至目前的9.07%。

        大型轉爐粗灰自循環技術研究

        煉鋼300t轉爐一次除塵粗灰原設計是通過蒸發冷卻器排灰系統經刮板機、斗式提升機循序排至積灰罐倉;經真空吸排車吸出,運至冷固球混合細灰等添加粘合劑壓制成球烘干;在通過汽車將成品球運至煉鋼輔原料地下料倉儲存,根據生產需要,通過輔原料皮帶倒運至爐頂輔料料倉,在經過振動給料機進入輔原料溜管加入轉爐。通過工藝開發和設備改造,實現了大型轉爐粗灰自循環,工藝應用后,大大減少了粗灰的倒運成本。

        鋼包鑄余渣、鋼液返回利用工藝

        鐵水在脫磷爐中經過脫磷吹煉后,半鋼倒入半鋼包中,RH/LF/CAS鋼包鑄余由鋼包傾倒至半鋼包中,每個半鋼包接收3-4爐鑄余,之后通過半鋼包,將鑄余和精煉渣倒入脫碳爐,如圖3所示。
        現代鋼鐵企業煉鋼工藝流程概述(圖16)
        熱態精煉渣及鑄余返回半鋼包工業生產投入運行后,實現鋼包鑄余以液態形式安全地回收利用。鋼包鋼水直接倒入半鋼包中,解決重型廢鋼的問題;鋼包留鋼可提高高級別品種鋼的質量;高堿度的鋼渣得以循環使用;鑄余實現高溫液態返回轉爐,達到節能的目的。鑄余返回半鋼包,每月可回收600t,減少格柵48個。


        工藝技術的創新


        脫磷轉爐底吹快換技術

        為了提高脫磷爐底吹效果,進一步降低半鋼終點磷含量,在脫磷轉爐進行轉爐底吹槍在線更換試驗工作,3-4月份共更換3支底吹槍,更換后冶煉效果良好,其中半鋼磷含量較之前降低0.002%,半鋼磷含量≤0.035%的比例穩定控制在80%以上,脫磷爐底吹快換工藝逐步成熟。同時脫碳爐采用少渣冶煉,全三脫工藝石灰消耗降低至22kg/t。
        通過系列技術措施及設備改造,本爐役半鋼磷含量逐漸降低,重要的是半鋼磷含量的波動明顯變小,為脫碳爐少渣冶煉打下良好基礎。
        在半鋼磷含量穩定控制在較低水平的條件下,圍繞脫碳爐少渣冶煉開展如下工作:1)結合脫磷爐滑板擋渣工藝,嚴格控制半鋼下渣量;2)優化脫碳爐留渣工藝的留渣量,減少升溫硅鐵的使用量,脫碳爐石灰消耗降至12kg/t鋼。

        轉爐CO2-O2混合噴吹技術

        本文對CO2氣體在轉爐煉鋼過程的作用進行了熱力學分析,通過在300t脫磷轉爐和脫碳轉爐上,進行CO2和O2混合噴吹工業試驗,驗證了CO2氣體的冶金效果。試驗爐次半鋼脫磷率比原工藝提高了6.99%,渣中TFe降低0.64%,煙塵量降低2.65%。常規冶煉試驗發現:頂吹氧氣中混入5%-10%的CO2,可以用于轉爐煉鋼,同時不影響轉爐冶煉節奏。轉爐終渣TFe降低3.59%,終點碳氧積下降0.0001,碳氧積分布更為穩定,試驗工藝與原工藝相比,爐氣中CO含量提高2.66%,增加煤氣回收量5.24Nm3/t 鋼。

        降低轉爐出鋼溫度技術

        轉爐出鋼溫度為1678℃,明顯高于國內外同行業先進企業控制水平,對冶煉成本及鋼水質量、生產穩定性,都造成較大影響,鋼包蓄熱低以及生產節奏慢是導致出鋼溫度高的主要原因。針對影響京唐公司轉爐出鋼溫度高的原因,確立了增加鋼包加蓋項目、加快生產節奏、提高產線生產效率以及推廣RH單工位生產模式,來達到降低過程溫度損失,從而帶動轉爐出鋼溫度的降低。
        通過攻關,2017年轉爐出鋼溫度逐月下降,2017年9月降低至1652℃,較攻關前降低26℃,出鋼溫度的降低為提高廢鋼加入量、增加坯產量提供了保證,通過提高廢鋼加入量,板坯產量明顯升高。

        轉爐低氧控制技術

        隨著RH強制脫碳工藝推進,汽車板品種相應開展降低轉爐終點氧含量控制攻關,結合降低轉爐碳氧積、降低轉爐出鋼溫度等控制工作,IF鋼轉爐終點氧含量由年初的550ppm逐步降低至460ppm。

         IF鋼頂渣改質技術

        高質量鋼板在生產時,頂渣TFe含量一般都嚴格控制,比如寶鋼一般將其控制在5%左右,奧鋼聯林茨廠將TFe平均含量控制在10%左右。對于頂渣TFe波動的問題,通過一系列措施可將頂渣氧化性降低到4%以下。

        提高鋼包自開率技術

        為了提高加蓋鋼包自開率,避免由于鋼包不自開導致鑄坯裸澆造成的經濟損失,保證重點品種鋼的冶煉,經過1年多的實踐摸索和技術研究,找到了加蓋鋼包自開率下降原因,制定了提高加蓋鋼包自開率的具體措施,有效提高了加蓋鋼包自開率。
        重點對水口結瘤物的結瘤機理及對自開的影響進行分析,分析了鋼包加蓋后自開率下降的原因,通過規范鋼包燒眼、引流砂加砂操作,規范鋼包翻渣、處理包沿操作,規范鋼包的倒包、試滑操作,縮短雙精煉加蓋鋼包的出鋼到開澆時間等攻關措施。通過上述對現場工藝和引流砂質量的改進等措施,鋼包不自開爐數由攻關前的8-9爐/月,降低至2爐/月以內。

        夾雜物個性化控制技術

        根據實際的鋼液條件,計算鈣處理控制窗口,用于指導不同S、T.O條件下的合理喂鈣量。通過優化處理工藝,鋼中鈣含量由原工藝的30-40ppm降低至10-20ppm,鑄坯中夾雜物類型為MgOAl2O3-(CaO)-CaS低熔點和高熔點相復合的夾雜物,B類夾雜≤2.0的一檢合格率由96.5%提高至97.5%,夾雜物引起的探傷不合格率由10%降至1.5%以下,提高了管線鋼的產品質量。

         FC結晶器應用技術

        研究了結晶器單/雙股流控制技術,臨界吹氬量從14L/min降低至10L/min,為FC mol d使用奠定了基礎。為充分發揮下磁場制動作用,增加水口角度和插入深度。
        針對下磁場強度過大反而會增大上回流強度,將常規拉速下部線圈電流設定為500-600A。應用后,彎月面銅板溫度增加了13℃,鉤狀坯殼(Hook)深度從2.3mm降至1.7mm,達到了日本JFE公司千葉廠的實際效果。
        通過電流參數與拉速匹配、SEN浸入深度、SEN側孔角度、Ar流量調整等工藝參數優化,將FC mol d的使用拉速范圍,從之前“≥1.8m/ min使用”擴展到“≥1.5m/ min”使用,使用FC mol d后,3號鑄機LCAK鋼帶出品率從0.69%降至0.35%。

        板坯高拉速生產控制技術

        目前,高效連鑄技術已成為現代連鑄生產發展的重要方向,而高拉速作為其主體技術,一方面可極大地減小建設投資,降低成本,提高產量;另一方面縮短了澆鑄時間,帶動煉鋼、精煉節奏的加快,減少鋼水被渣或者空氣二次氧化的時間,提高鋼水潔凈度。
        然而,隨著拉速的提高,結晶器出口處坯殼厚度減薄,易引發漏鋼事故;另一方面,保護渣消耗量隨拉速的增加而降低,加之劇烈的液位波動,嚴重惡化了結晶器內部的傳熱和潤滑狀況,并且波動增大極易卷渣,引起軋板表面線狀缺陷。針對以上問題,通過采用強冷結晶器、高拉速保護渣、電磁制動、非正弦振動及漏鋼預報等技術,改善結晶器傳熱和潤滑,防止漏鋼,最終保證產品質量,拉速最高達到了1.8m/min。


        MCCR工藝介紹


        薄板坯連鑄連軋工藝緊湊、自動化程度高,有助于實現智能化生產。我國的薄板坯連鑄連軋生產線在采用先進技術的基礎上,進行了一些技術創新,如優化漏鋼預報系統、原有層流冷卻系統基礎上新增軋后超快速冷卻系統、采用二次除鱗技術、鐵素體軋制技術、半無頭軋制技術、無頭軋制技術等。薄板坯連鑄連軋技術的不斷進步為其產品開發提供了保障。

        連鑄連軋的定義:由連鑄機生產出來的高溫無缺陷坯,不需要清理和再加熱(但需經過短時均熱和保溫處理)而直接軋制成材,這樣把“鑄”“軋”直接連成一條生產線的工藝流程就稱為連鑄連軋。


        連鑄和連軋緊湊聯結的方法:連鑄坯熱裝、直接軋制。連鑄坯熱裝工藝是指連鑄機生產的鋼坯不經過冷卻,在熱狀態下卷入加熱爐加熱,然后進行軋制的方法。連鑄坯直接軋制工藝是指鑄機出來的高溫鑄坯不再經過加熱或只對邊棱進行輕度的補充加熱就直接送往軋機軋制成材。


        連鑄連軋的優點:1)簡化生產工藝流程,生產周期短;2)占地面積少;3)固定資產投資少;4)金屬的收得率高;5)鋼材性能好;6)能耗少;7)工廠定員大幅降低;8)勞動條件好,易于實現自動化。


        MCCR多模式連續鑄軋生產線的工藝流程:大包回轉臺中包車→130/110高拉速薄板坯連鑄機→擺動式鑄坯除鱗機→擺動式鑄坯分切剪→隧道式均熱爐→粗軋前除鱗機→三機架粗軋機→轉鼓式切頭剪→感應加熱裝置→精軋前除鱗機→五機架精軋機→加強型層流冷卻段→高速飛剪→兩臺地下卷取機。該生產線采用無頭軋制技術,以優質、高強、薄規格產品為主導方向;以薄規格低碳軟鋼為主,替代傳統冷軋中低端產品,也可為單機架冷軋提供薄規格基料,降低軋制成本;生產薄規格耐候鋼和薄規格結構鋼;開發高強度高性能薄規格熱軋產品,具備生產1000MPa以上的3.0mm以下的薄規格高強熱軋品種能力。首鋼京唐MCCR多模式連續鑄軋生產線最大的特點就是采用三種模式生產,即無頭軋制/半無頭軋制/單坯軋制:1)無頭軋制模式生產0.8-2.0mm薄規格產品;2)半無頭軋制模式生產2.0-4.0mm的一般薄規格產品;3)單坯軋制模式用于頭尾坯軋制、單卷取機生產條件下維持生產,可生產1.5-12.7mm的大綱覆蓋的全部產品。

        大量的理論研究和生產實踐已經證明,采用薄板坯連鑄連軋工藝生產的優質薄規格熱軋產品將取代大量的冷軋產品。一方面,傳統熱軋工藝生產的熱軋帶鋼將從中間產品轉變為最終成品;另一方面,采用薄板坯連鑄連軋工藝大批量生產優質薄規格熱軋產品將對現有冷軋產品的生產流程產生重大影響。采用薄板坯連鑄連軋技術,進一步開發提高薄規格產品比例的技術以及建立薄規格產品標準體系是未來的發展方向。


        來源:工匠人冶金科技發展中心


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