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“2016年全国炼钢-连铸生产技术会”会议纪要

分类:
学会活动
作者:
学会秘书处
来源:
中国金属学会
发布时间:
2016/10/10 16:40
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【摘要】:

“2016年全国炼钢-连铸生产技术会”会议纪要

来源:生产技术部

  中国金属学会于2016年9月20-21日在宁夏银川召开“2016年全国炼钢-连铸生产技术会”。

会议主题为“高效优质、清洁智能化生产”。会议围绕主题,就如何提高炼钢高效优质和智能化水平,促进炼钢-连铸节能减排,实现高效优质、低成本、低排放清洁生产,打造智能化工厂等方面的重点问题进行深入研讨。国内钢铁企业、科研院所、大中专院校和技术设备提供商等60个单位的134人参加。会议论文摘要集共收录85篇文章,其中大会特邀报告14篇,分会场交流30篇。中国金属学会副秘书长高怀在大会上致词。

本次会议特别邀请了中国金属学会名誉理事长、中国工程院殷瑞钰院士作了题为《智能化钢厂雏议》的大会主题报告。北京科技大学王新华、张立峰和朱荣教授,东北大学朱苗勇教授,特钢分会主任委员董瀚,连铸分会副主任委员杨拉道,以及来自宝钢、武钢、鞍钢、首钢、河钢等的多位行业专家,就近年来我国炼钢-连铸的技术发展及应用情况等内容在大会上作了精彩报告和交流。

一、发展钢铁制造智能化,推进智能化钢厂建设

在信息技术、控制技术迅猛发展和广泛应用的推动下,智能制造已成为世界制造业发展的客观趋势。因此,钢铁行业大力发展智能制造,既符合我国钢铁制造“提质、增效”发展要求,也是在困境中重塑我国钢铁制造业新优势,实现转型升级的必然选择。

1、对钢铁行业智能制造的认识

殷院士指出,钢铁流程智能制造是要以“动态-有序、协同-连续运行”为导向优化流程结构,将流程制造过程与智能化信息系统融合,突出“流”、“流程网络”和“运行程序”的概念,特别是优化的物质流网络、能量流网络和信息流网络之间的协同运行,通过工序功能集合的解析优化、工序之间关系集合协同优化和流程工序集合/重构—优化,实现全厂性动态运行、管理、服务等过程的自感知、自决策、自执行、自适应,最终实现钢铁制造流程的结构优化和功能拓展,工业生态园区的构建和有效运行。

2、智能化钢厂的建设方向

殷院士强调,我国智能化钢厂建设应当围绕可循环钢铁流程“产品制造、能源转换、废弃物消纳处理与资源化”三个功能的价值提升,基于物质流、能量流、信息流网络协同,将物联网、大数据、云计算等信息技术与钢铁制造流程的设计、运行、管理、服务等各个环节深度融合,实现信息深度自感知、智能化自决策、精准控制自执行等功能,可有效优化钢铁制造流程结构,特别是动态运行结构,提升全流程运行过程精细化、精准化和智能化管理和控制水平。智能化钢厂具体体现在:

(1)提升产品质量,提高大宗钢材及关键钢材质量的稳定性、可靠性和适用性,实现企业产品品牌化;

(2)降低资源能源消耗,减少过程排放,实现清洁生产、环境友好,推动绿色化发展;

(3)形成包括采购、销售、物流、用户服务等在内的智能化制造模式;

(4)加快企业资金流动,提高资金利用效率和进一步增值;

(5)延伸产业链,促进低碳经济、循环经济发展;

(6)推动钢铁工业转型升级。

3、智能化钢厂的模式探讨

现代智能化钢厂建设包括智能化的工厂设计,智能化工厂的生产运行,智能化管理,智能化供应链,智能化服务体系等高层次、全局性智能化问题。

(1)智能化设计——这是数字物理系统的先导,是建立先进物理系统(生产制造流程)的起点。同时,这个物理系统及其所构成的硬件网络将有利于数字信息便捷、高效地与之相融合;因此物质流网络优化设计、能量流网络优化设计、“界面技术”优化等新命题、新概念由此凸显。智能化设计要全方位顾及物质流智能化、能量流智能化、信息流智能化的综合方案。

(2)智能化物流——这涉及物料采购、储存、运输和合理分配,也将涉及产品订单、发运、储存、销售的高效合理化。因此是涉及企业输入/输出的智能化问题。

(3)智能化物质/能量/信息组织管理——这是钢厂智能化的核心问题和难点,将涉及动态运行的、起伏变化着的物质流、能量流和各类信息流,即动态变化的“三流”要通过智能化制造平台实现自感知、自决策、自执行、自适应。

(4)智能化经营服务——这是战略性的高层次综合判断、决策、执行系统,将涉及经营战略目标、财务资金运筹、客户服务,并推进到与经济、社会相适应等高层次目标的决策与执行。

二、新技术、新装备取得新进展

近年来,经过钢铁行业的科技工作者们不断的研究和探索,薄带连铸连轧技术、CO2炼钢等一批新工艺、新技术逐步成熟和走向应用。

1、宝钢薄带连铸连扎技术的突破

薄带连铸连轧技术是钢铁近终形加工技术中最典型的高效、节能、环保技术,由于实现铸轧一体化,生产更紧凑,生产成本更低,投资成本更少,节能减排优势明显,绿色环保效应显著。宝钢历经15年的持续研发,从实验室机理研究阶段、核心技术突破,到小批量应用验证的中试阶段以及工业示范线,经过了三个研发阶段,在2011年自主集成建设了国内第一条薄带连铸连轧示范线,形成了整套的生产技术,该示范线在2014年4月进入热试车。实现最薄0.9 mm厚超薄热轧带的稳定生产,目前可连续生产近4小时,实现异钢种连浇、在线变规格铸轧,浇铸厚度规格为1.6~2.6 mm,轧机最大的压下率45%,轧后产品的厚度规格为0.9~2.0 mm,铸带的表面和边部质量良好。宝钢薄带产品获得了用户的批量验证和质量认可,并在市场上形成了相对稳定的客户群。这也标志着宝钢薄带连铸技术已跻身世界先进行列。

2、CO2在炼钢中应用取得进展

通常情况下,CO2的化学性质非常稳定,无毒且不助燃;在高温下CO2可作为氧化剂,发生弱氧化反应。如果利用这些特性,将CO2作为资源应用于钢铁冶金流程,用于搅拌作用、覆盖保护作用和稀释作用,高温下与碳反应吸热还可以起到控温作用,不仅可以实现钢铁行业碳减排,还可以达到节能降本及提高钢铁产品质量。国内外科研院所和研究机构经过长时间研究和实践,证明了CO2可以在钢铁冶炼多个工序应用,有望吨钢使用量可达100kg以上,应用前景非常广阔。

CO2在炼钢过程的主要应用成果有:

(1)转炉复吹CO2:与纯氧相比,采用CO2作为炼钢过程氧化剂时,由于CO2参与熔池反应为吸热或微放热反应,反应的热效应较低,因此转炉可以顶吹一定比例的CO2实现炼钢脱磷过程温度的调控,为脱磷反应的发生创造良好的热力学条件。利用CO2参与反应产生更多的气体,有利于强化熔池搅拌,其底吹搅拌能力强于Ar和N2,为脱磷反应创造良好的动力学条件;同时CO2不像底吹N2/Ar型复吹转炉易使钢中[N]增加,也不像底吹O2/CxHy型转炉易使钢中[H]增加,因此底吹CO2是成本较高的Ar和有潜在危害的N2的一种有效的替代品。

(2)LF炉底吹CO2:LF精炼过程底吹CO2气体,可以使钢液搅拌增强,脱硫率由49.7%提高到65.1%,炉渣平均(FeO)质量分数均小于0.5%,满足精炼过程对炉渣氧化性的要求。钢液中夹杂物的种类、形貌和组成变化较小,夹杂物当量密度减小,钢液洁净度提高,试验表明LF炉可使用CO2气体进行精炼。

(3)电弧炉底吹CO2:电弧炉冶炼过程使用CO2替代Ar进行底吹搅拌,与常规底吹Ar工艺相比,底吹CO2增加终点[C]含量,氧化少量[Cr],但不会对[Mn]、[Mo]、[O]、[N]含量产生影响,并且能增强熔池搅拌、提高炉渣碱度、降低渣中(FeO)含量,为电弧炉脱硫提供了良好的动力学和热力学条件,使得电弧炉脱硫率提高7%,同时良好的熔池搅拌也有利于脱磷反应的进行。

3、自动化炼钢新技术

镭目公司针对转炉炼钢开发了RAMON智能炼钢系统。该系统具备“铁水倒罐-自动化炼钢-自动化出钢-自动化溅渣-自动化出渣”全炼钢流程的全套智能控制。通过自主开发了铁水倒灌及兑铁自动化模块、自动化炼钢主模块、出钢自动化模块、其他辅助模块的集成,可以实现鱼雷罐车动力供电自动插拔、出铁口形状监控、铁水罐自动识别和定位、铁水液面图像检测、智能天车实现自动倒罐和兑铁;监控炉内声呐变化,判断炉渣喷溅和返干情况;监控炉口火花变化,判断炉内碳含量和温度;实时采集烟气中CO、CO2浓度信息,实现钢水化学成分及钢水温度的协同控制;采用防尘激光定位装置、极限机械位置定位、钢包车称重多重保险,实现出钢、溅渣护炉、倒渣全程自动化无人控制。

4、精炼与连铸新技术

(1)钢包底喷粉新工艺(L-BPI):L-BPI新工艺技术的开发与应用将对高效低耗的洁净钢生产及流程变革产生深刻影响。东北大学在底喷粉精炼反应动力学研究基础上,开发了底喷粉元件、新型喷粉装置,并在45t钢包试验成功,取得合金收得率提高10%~20%,钢水脱硫率提高10%,缩短冶炼周期15~20 min,吨钢节能2.5~4.5 kgce的效果。

(2)微合金钢连铸坯裂纹控制:微合金钢广泛用于能源电力、船舶工程、机械制造、石油化工、海洋工程等重要行业,产量占钢总量的15%。针对高品质钢连铸坯生产存在微合金钢连铸坯角/横裂纹、中心偏析、疏松缺陷等问题,东北大学从产生机理研究出发,发现要加快铸坯角部传热,关键是设计合理的结晶器锥度,抑制铸坯角部气隙生成和厚保护渣堆积。由此开发了角部超快冷内凸曲面新型结晶器(ICS-Mold)、超细晶化连铸二冷新工艺。这项新技术在梅钢、唐钢应用后,显著提高连铸生产效率和效益。

(3)连铸坯凝固末端重压下技术(SHR):对于大规格型/棒材和特厚板轧制,一般连铸坯发生中心偏析与疏松的质量问题。在轻压下,对连铸坯偏析有重要作用,但避免疏松和加强致密化就要发挥重压的作用。东北大学开发了拉矫机/扇形段压力-辊缝复合控制技术和拉矫机/扇形段扭矩动态分配控制技术,通过对压下量、坯型、辊型、温度等合理控制,实现压下量的高效传递,同时避免裂纹缺陷。攀钢对大方坯采用重压下工艺,棒材中心疏松区域明显减小;唐钢280mm中厚板应用后,铸坯致密度和晶粒细化得到整体提升。SHR的开发与应用为低轧制压缩比制备厚板、大规格型棒材提供了高质致密连铸母坯,大幅提高金属收得率与生产效率,降低能耗与投资维护成本。

三、炼钢-连铸工艺的精细化与精益化

在供给侧结构性改革任务和国家创新驱动发展战略指引下,在钢铁行业推进“绿色化”和“智能化”的双重驱动下,钢铁企业越来越重视钢铁冶炼流程的精细化和精益化。

1、炼钢-连铸工艺的协同优化

北京科技大学刘青教授介绍,将冶炼高品质钢转炉终点的精准控制技术、连铸凝固冷却过程的精益控制技术、炼钢-连铸过程工序运行的协调与控制技术、精细生产计划与调度技术和生产调度模型与工序工艺模型的协同、以及诸项技术与MES的接口技术进行综合集成,形成以生产工序工艺控制、流程运行协调控制及生产计划与调度协同优化为支撑的系统技术体系与集成解决方案。此技术在方大特钢进行实施,实现了产量的提高、质量改判量和炼钢消耗量的大幅下降,取得了良好的经济效益与社会效益。

2、优化复吹转炉工艺,加大底吹强度

复吹转炉的底吹系统的稳定高效运行,直接影响转炉生产和组织的综合水平。各大科研机构和生产厂都在不断优化、完善复合吹炼工艺和相关配套技术。宝钢针对300t转炉实际生产情况,通过开发新型转炉底吹风口、优化转炉炉底耐材砌筑结构、更新转炉底吹风口的维护模式、实施底吹风口挂渣技术等手段,使得炉役后期的复吹效果明显得到改善,转炉复吹比例从79.2%提高到100%,转炉停吹碳氧积从0.0033下降到0.0023,转炉平均停吹氧含量指数下降了21.8%,同时转炉维护耐材消耗从0.98kg/t下降到0.62kg/t。首钢迁钢210t转炉底吹生产实践,发现仅用底吹强度不能说明实际的搅拌强度,需要考虑底吹枪数量和保证单支底吹枪流量;研究底吹枪从12支改为4支,使用通气面积更大的集束管和环缝式两种底吹枪,底吹效果得到明显改善。鞍钢进行转炉底枪“可视化”工艺研究与实践,通过控制底吹强度、转炉炉底控制厚度和优化转炉终渣成分和溅渣护炉工艺,同时采用底枪快速更换技术等,从而实现了转炉底枪裸露可见,延长了底枪寿命,改善了转炉熔池的搅拌效果;采用2支底枪底吹时,使每个炉役具备复吹的炉数达到4000炉以上,吹炼终点碳氧浓度积维持在小于0.0026以下,炉役复吹比达到80%。北科大王新华教授指出,较低底吹搅拌强度的复吹转炉应将底吹元件减少至4~5支,并采取根据钢水碳氧积对底吹元件“动态维护”等措施,提高金属熔池实际搅拌效果,而大量生产低碳、超低碳钢品种的钢厂应将底搅强度逐步增加至0.15 Nm3/(min·t)。

3、强化硫磷控制,提高钢水洁净度

控制硫、磷等含量是钢水洁净度的重要指标之一。首钢首秦公司采用“铁水深脱硫预处理→转炉→LF→RH→板坯连铸”工艺,平均硫含量控制在8×10-6,实现高等级超低硫类中厚板生产。鞍钢采用双联双渣冶炼技术通过前半钢双渣高效脱磷冶炼技术、后半钢增碳调温终点钢水洁净化控制技术等,解决了高磷铁水条件下冶炼极低磷钢的技术难题,在国内率先实现了极低磷钢6罐以上连浇。首钢京唐公司300t脱磷转炉冶炼,采用吹炼前中期采取大流量高枪位顶吹和小流量底吹,吹炼后期采取小流量低枪位顶吹和大流量底吹,能有效控制渣中FeO含量,对半钢的保碳去磷效果明显。可以将脱磷炉脱磷率稳定控制在75%左右,半钢碳含量提高0.17%左右。调整工艺参数后,脱磷炉终渣FeO含量控制在4%~7%范围,对半钢磷含量的控制最为合适。沙钢通过控制转炉出钢渣料和脱氧剂的使用量,进而优化了造渣工艺,稳定LF精炼处理工艺,达到提高钢液的洁净度和降低吨钢成本3.1元的效果。

4、提高夹杂物的控制水平,提升钢铁品质

针对国内某厂冶炼SWRCH22A冷镦钢过程存在严重的二次氧化,生成大量新的高熔点夹杂物,北京科技大学张立峰教授团队通过试验提出在原有保护浇注基础上,在大包至中间包浇注过程中对包盖缝隙处塞石棉、堵包盖口、适当增大吹氩压力以及规范现场操作方面的改进,使得钢液成分(钙含量、镁含量、全铝、酸溶铝)维持在较稳定水平,LF出站到中间包几乎无吸氮、T[O]降低,夹杂物数量、成分控制合理,说明了这个阶段保护浇注良好,满足了企业内部对此类钢种的控制目标与要求。

首钢首秦在使用LF炉单联工艺(即铁水脱硫→转炉→LF精炼→连铸)生产L450MB管线钢试验中,采用不同钙处理工艺后的夹杂物最大为B类2.0级,整体数量较少。夹杂物多为高熔点夹杂物,大多为被钙铝酸盐或CaS包裹的镁铝尖晶石类夹杂物。部分夹杂物核心也存在一些低熔点的钙铝酸盐夹杂物,夹杂物中Mg含量较高。从加钙和减钙及正常钙处理工艺对夹杂物的影响来看,夹杂物控制水平都满足要求。

武钢对BOF-LF-薄板坯连铸工艺流程51CrV4弹簧钢冶炼过程钢水洁净度及夹杂物形貌、尺寸、组成变化进行研究,发现通过造高碱度精炼渣和吹氩工艺,钢中T[O]可控制在20×10-6左右,[N]可控制在45×10-6左右;钙处理对夹杂物变性效果良好,钙处理后的钢中夹杂由固态Al2O3-MgO、SiO2-CaO-Al2O3夹杂转变为液态CaO-SiO2/MgO-Al2O3、CaO-MgO/SiO2-Al2O3-CaS复合夹杂。

河钢邯宝钢厂对IF钢生产过程中夹杂物的来源和演变规律进行了研究,通过对RH顶渣改质剂配比、加铝后加钛间隔时间、钢包镇静时间、纯循环时间和结晶器保护渣预熔性能进行优化,IF钢钢质纯净度大幅提高,轧材夹杂缺陷率也由1.25%降至0.34%以下。

5、优化连铸工艺及装备,提高铸坯的质量

近两年来,连铸技术围绕品种和提高质量、降本增效等方面在控制精益化、生产高效化、设备大型化等方面取得很大进展。中冶京诚开发出世界上最厚的450 mm×2600 mm直弧形板坯连铸机,该套铸机设计中突破了超厚板坯连铸设计理论的不足,解决了厚板坯连铸设计过程中铸机拉坯力大、铸坯温度控制、变形控制等问题,攻克了生产大断面连铸坯时中心偏析、疏松级别高和表面裂纹这一难题,并于2014年10月15日在江阴兴澄特钢一次热试成功和投入正常生产运行。鞍钢在2150mm ASP薄板坯连铸机组上应用倒角结晶器,可提高铸坯角部温度约100℃以上,有效避开了高温脆性区,同时大大降低了矫直过程角部等效应力应变,有效防止或减少连铸坯的角部横裂纹。邯钢首创的大倒角结晶器在线调宽技术,在连铸正常浇注条件下,通过自动调整结晶器窄边上下口宽度,从而实现浇注过程中热态铸坯断面宽度调整,结合异钢种、异断面连续浇注以及中间包倒包作业,既能极大地提高连铸机的作业率和生产计划灵活性,又能极大增强连铸机各类断面宽度各种批量生产能力,尤其为小批量客户及小份额合同量而提供先进的技术支撑。

连铸坯表面质量是影响金属收得率和成本的重要因素,也是铸坯热送和直接轧制的前提条件。重钢通过大型板坯连铸生产重要品种关键技术的自主开发,如新型保护渣、直弧型板坯连铸机结晶器与弯曲段对弧技术、铸坯鼓肚预防技术、大倒角结晶器及配套足辊应用和优化改进,应用人工智能方式对CCD摄像的图像信号进行分析识别的表面检测技术等,实现“恒速浇铸”下的多炉连浇和快速换中包连浇和专线化生产,无缺陷板坯生产并热送热装,从根本上解决大型板坯连铸生产顺行和铸坯表面及内部缺陷控制问题。武钢CSP薄板坯连铸连轧生产SPA-H过程中,通过采取严控钢水C、N含量,保证结晶器铜板表面质量,加强连浇过程保护浇注,调整结晶器冷却条件,优化保护渣和控制矫直温度等措施,大幅提高钢卷产品质量,使SPA-H结疤缺陷改判率由3.67%降至0.2%。首钢迁钢通过工艺优化,降低加铝前钢液溶解氧,有效减少连铸过程钢液的二次氧化,提高了钢液洁净度;通过对浸入式水口结构进行优化,降低了结晶器上回流强度,使液面波动明显减小,使轧板表面线状缺陷的发生率显著降低。涟源钢铁通过提高钢水洁净度、加强铸机喷嘴清理和保证扇形段对弧与辊缝在设定值等措施,使结晶器内钢水液位波动在有效范围内,保证了自动浇注的连续性,提高了铸坯质量。

四、今后钢铁制造的发展趋势

中国钢铁工业发展到现在,实际将面临着减量化、品牌化、绿色化、智能化这4个大问题。解决这4个方面问题将是未来我国钢铁发展的趋势所向。

1、降低粗钢产量将是减量化的必然要求

作为供给侧结构性改革的重要内容之一,化解钢铁产能是中国经济面临的一个重要挑战,减量化发展将是未来很长一段时间内我国钢铁行业发展总的趋势。2015年,我国粗钢产量达到80382.5万吨,据估计粗钢年生产能力达到12亿吨左右。在高产量、高环境负荷的背景下,现在钢铁的价格是1994年的7成左右,而铁矿石价格是1994年的2倍。价格问题取决于供求关系,解决钢价的问题必须从供求关系入手。专家们指出,钢铁行业发展的减量化,不但是产能的减量化,要想影响价格上浮,必然是实际产量的减量化。从全局来看,减量化发展过程是一个较长时期、流程调整、出口扩大、优胜劣汰、多元并举、创新发展的过程。

2、钢材产品品牌化是企业提高竞争力的必由之路

我国各种各样的钢,都应该创出有自己特色的品牌。这个品牌要反映出质量的可靠性、稳定性和实用性。其中可靠性不是最高性能,也不是平均性能,而是指最低性能。保证产品尺寸精度的稳定、化学成分的稳定、表面质量的稳定,在不同场合下是可靠的,用户是适用的,这是我们品牌化的目标。另外,钢铁产品的品牌化不单只是汽车板,螺纹钢、高速线材也都要有品牌。专家们指出,追求品牌化,而不是多品种化,是未来我国钢铁提高竞争力的发展趋势。

3、钢铁生产绿色化是行业生存之本

“十三五”钢铁工业发展的内涵是实现绿色发展,是具有良好的经济、环境和社会效益的新一代钢铁流程为特点的发展模式。具体措施包括:加快新一代可循环流程工艺技术研发,大力开发推广具备能源高效利用、污染减量化、废弃物资源化利用和无害化处理等功能的工艺技术,积极采用高效电机、锅炉等先进设备,用高效绿色生产工艺技术装备,改进传统制造流程,实现重点行业绿色升级;重点开发绿色产品,打造绿色供应链,引导绿色生产和绿色消费,加强节能环保监察,开展绿色评价。

4、钢铁企业智能化是转型升级的重要方向

随着信息、控制与冶金工艺技术的发展,基于大数据和云计算的钢铁智能化生产是现代钢铁发展的必然趋势。钢铁工业要满足可持续协调发展的要求,必须在信息化和工业化深度融合的基础上,加快实现自动化、网络化、智能化制造进程,这是钢铁行业提高自身竞争力的战略选择,也是我国乃至世界钢铁工业发展的重要动力。专家们认为,钢铁制造流程的智能化发展,需要从企业自身的生产方式和产品类型出发,选择适合企业自己的发展模式。在推进过程中,首先要重点要解决几个问题,如搭建一个构思的概念框架,寻找到一条切入的有效途径,提出一个设想的开发步骤,形成一个开放的讨论平台。要防止一知半解、一哄而起、盲目冒进来推进钢厂智能化。

通过这次会议,中国炼钢-连铸领域的科技工作者们不仅总结了近两年来同行在炼钢-连铸技术方面所取得的成绩,更加明确了钢铁企业的发展方向,即减量化、品牌化、绿色化和智能化。其中,减量化是发展趋势的主线,品牌化是企业的核心竞争力,绿色化和智能化将是产业升级的主要方向。会议报告涉及的炼钢-连铸新技术和建设智能化钢厂等内容引起了代表们广泛讨论。会后代表们纷纷提议,建议将炼钢年会和生产技术会合并召开,希望邀请更多的钢铁企业、研究和设计机构等参会,可以更广泛交流意见和分享经验,为我国钢铁行业的转型升级和结构调整贡献智慧和力量。

(中国金属学会 生产技术与书刊部)

(撰稿:赵志龙)

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