山钢日照炼钢系统极致降本关键核心技术研究与应用
2025-07-18 13:14:34
山东钢铁集团日照有限公司（简称：山钢日照公司）炼钢系统工艺路线多，品种结构复杂，铁耗变化区间大，为降低工序间的成本，对入炉料废钢结构、转炉脱氧模型、转炉氧枪、铸机浇铸、钢包寿命等方向进行了研究，取得显著效果。炼钢系统极致降本关键核心技术应用后结果表明：2023年炼钢系统的可比成本为56.09元/吨，助力了整体生产成本的下降。
1 前言
山钢日照公司定位高端精品钢基地，产品设计大纲涵盖IF深冲钢、高级别管线钢、高强耐磨钢等全系产品，工艺路线多，品种结构复杂，铁耗变化区间大，成本控制难度大。因此，需立足于解决产量成本与品种质量的矛盾；解决极致提产与成本、质量之间的矛盾。
为实现上述目标，需解决以下制约条件。一是低铁耗高废钢比条件下低热量冶炼，转炉终点控制稳定等；二是限产优产条件下，高铁耗冶炼转炉过程如何避免热量富余下转炉喷溅问题；三是现有订单产品结构复杂，冷轧产线低碳、超低碳等钢种所占比例30%以上，RH单联不脱氧工艺路线生产时，防止终点过氧化，如何实现过程稳定浇注和成本最优化；四是炉衬长寿命与碳氧积控制之间的矛盾，极难平衡和克服，对炼钢运行成本影响巨大。因此，为综合解决生产实际难题，提高产品质量，降低生产成本，提出极致降本关键核心技术集成与创新。
2 关键核心技术研究
2.1 基于最优成本构建炼钢入炉金属料结构模型
近年来，钢铁企业作为碳减排、碳中和的重点关注行业，钢产量要求严格按设计产能重点管控，在产能一定的条件下，金属料入炉结构搭配不合理，直接导致投入成本升高，影响公司整体绩效水平的提升。如何动态调整入炉结构，实现结构最优、综合成本最低，是炼钢降低投入成本，提高产品质量首要解决的问题，对炼钢系统成本降低至关重要。因此，迫切需要构建降低转炉炉料结构综合成本的控制模型，实现炼钢炉料结构最优，综合成本最低。
金属料结构具体优化方案如下：1）构建不同铁耗条件下的金属料入炉结构模型，即不同铁水和废钢量的配加模型；2）铁耗以10kg/t差值为基准，以860kg/t铁耗为起始点，构建15种不同铁耗条件下的入炉金属料结构模型；3）在总装入量不变的前提下，根据不同铁耗确定废钢单耗；4）为方便核算，以铁水与废钢单价差值“0”为基准，±50元差值为单元，构建同铁耗条件下不同铁水单价条件下的入炉金属料成本；5）结合铁水、废钢时点单价，精准测算确定铁水单耗，确定综合金属料成本最低结构模型。
该入炉结构模型的成功构建，着力解决了不同铁水、废钢时点价格对应下的金属料最优成本，对实际生产指导意义显著，实现了投入成本的最优化。具体模型构建见表1。
2.2 基于质量、成本最优原则构建炼钢工序脱氧合金化模型
焦粉预脱氧技术的成功应用重点解决了因转炉操作不稳定导致的钢水中氧含量偏高问题，相对减少了镇静脱氧所需要添加的铝锰铁消耗量，同时也大大降低了外生夹杂的产生量。
1）焦粉脱氧原理
焦粉脱氧效应的理论极限是250ppm氧，即当钢水氧高于250ppm时加入焦粉，起到脱氧作用；当钢水氧低于250ppm时，加入焦粉起增碳作用。日照公司210吨转炉每炉可出钢水225-230吨，当钢水氧大于250ppm时，每反应脱出100ppm氧，需加入焦粉8.6kg，考虑回收率，按每10kg焦粉脱100ppm钢水氧核算。钢水氧越高，焦粉脱氧效率越高，增碳效应越小。
2）焦粉预脱氧技术关键控制
根据当班转炉碳氧积情况，合理评估终点氧和目标氧的差距，单炉配加不超过80kg的焦粉，用于富裕氧的脱除。
RH不脱氧单联、合金量少的钢种，根据出钢总时间，焦粉加入后，尽量延缓后续合金加入，确保焦粉与更多的未脱氧钢水混合反应，提高焦粉脱氧效应。
其他钢种，在新出钢口、出钢时间较长时，也要按上述要求执行，后期出钢口，出钢时间＜5min，合理控制间隔时间，避免合金加入过晚，导致合金结团或冒烟严重，影响滑板挡渣。
3）基于成本最低构建炼钢系统合金配加模型
转炉的合金化是炼钢的重要任务之一，根据钢种成分要求，C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Cu、V、Nb等都有不同的要求，需要配加不同的合金。合金分为三大普通合金（硅锰铁、硅铁、高碳锰铁）、贵重合金（电解镍、阴极铜、铌铁、钒铁、钼铁）和其他合金（金属锰、低碳低磷硅锰、中碳锰铁、低碳铬铁、高碳铬铁等），因合金价格整体较高，对合金成本影响较大，所以在保证成分的前提下，降低合金成本是降本的重要措施之一。
合金价格随市场变动频繁，变动幅度较大，为了更好地优化合金加入结构，建立合金模型，通过阶段性的合金价格，及时调整合金配比种类，降低合金成本。操作步骤如下：更新合金价格-设定需要配加的元素目标值-调整出钢量-优化调整计算出合金成本。
2.3 开发高效5+1孔氧枪
此前采用5孔氧枪，使用的马赫数达到2.07，通过调整支管压力（调大），因在使用过程中由于供氧强度控制偏低，吹炼周期长，留渣双渣操作过程中容易出现溢渣、金属喷溅等问题，不利于过程的稳定控制以及终点的有效命中。为了缩短转炉吹炼时间，杜绝过程喷溅，同时为提升产能做技术储备，开发了5+1孔氧枪。
1）设计对比
设计对比的具体参数如表2所示，外形对比如图1所示。
2）效果
①化渣效果
吹炼过程化渣效果良好，反应均匀，有效控制过程喷溅，中后期需适当缓枪调整炉渣，后期返干现象明显减轻，TSC碳磷比基本在1：1以内，过程化渣效果对比结果显示，终渣不发泡，可直接出钢。
②冶炼周期对比
冶炼周期对比见表3。
③环保方面
吹炼前期供氧流量达到1000m3时将供氧强度提升至50000Nm3/h的情况下，吹炼过程较之前反应更平稳，CO平均值为50.5%，较之前提高10.9%。
5+1孔氧枪技术的成功应用有效解决了转炉冶炼周期长、过程喷溅等问题，对于提升转炉生产节奏、缩短冶炼周期、提高生产效率、抑制喷溅、降低成本等效果显著。
2.4 基于质量成本最优的大包铸余控制技术
2.4.1 钢包包底浇注优化研究
现有钢包包底在浇注前，先将钢包平放，配好固定重量的浇注料后，倒入钢包包底永久层之上，再将其抹平即可成型，包底是全平的，在生产使用过程中，钢水在浇铸末期余量较少时，平铺在钢包底部表面的钢水深度有限，一旦底部坑洼较多，在钢水下渣的临界深度不变条件下，留在钢包里的铸余钢水就更多，即在同等铸余钢水量的前提下，钢包包底钢水深度浅，容易发生下渣，影响钢水质量，同时增加成本。
针对上述问题，需要对钢包包底进行优化改进，具体为：浇注包底耐火料之前，先将钢包的水口侧，在包底用钢板将钢包垫高70mm，向包内浇注浇注料，形成一个表面水平的包底，这时包底的非水口侧厚度为500mm，而另一侧厚度较薄，为430mm，当钢包正常平放时，包底会呈一定斜度，以此进一步降低浇注后期铸余量，改进后包底如图2所示。
2.4.2 钢包浇注后期防卷渣技术
钢包浇注后期下渣导致的中包渣层过厚，保护渣变性，恶化钢水质量，是当前生产过程保证产品质量的一个重要环节。因此，为避免钢包浇注后期下渣导致的钢水质量变差影响，需要有效控制钢包浇注后期卷渣，以解决钢包浇注后期卷渣问题和铸余控制。具体实施方法如下：
1）制备一种防涡流坝，用于减缓钢包浇注后期卷渣程度，存在以下几点控制要求：一是材质与水口座砖一致；二是小面尺寸要小于大面尺寸，利于降低防涡流坝与包底浇注料之间进钢的风险；三是与工作层接触面设计成带有一定深度的凹槽，有利于提高防涡流坝与工作层之间的结合。
2）全修包永久层施工、烘烤结束后，安装透气座砖、包底冲击块，预留防涡流坝安装位置，开始浇注包底工作层，养护12小时后将预留模具取出。
3）防涡流坝安装在水口座砖的东边紧贴包壁工作层，且与水口座砖平行，防止钢包寿命期内防涡流坝寿命与渣线不同步，对预期效果造成影响。
4）支模浇注包壁工作层，养护12小时后脱模。
5）将防涡流坝、水口座砖预留位清理干净，先将防涡流砖吊至指定位置放下，再吊水口座砖安装好。
6）用包底浇注料进行浇注。
该技术的成功应用可有效避免钢包浇注后期下渣导致的钢水质量变差影响，提高钢水质量，降低铸余，降低成本。
2.4.3 开发铸余热回收技术
连铸机浇铸完毕后，常规处理模式是将钢水铸余倒入渣盆，待冷却后，进行切割返回炼钢消化使用。整个处理过程，存在热量损失、切割产生金属损失，同时产生倒运费用和相关方处理费用，整体上对成本产生有一定影响。
为了降低成本，提高金属收得率，开发铸余热回收技术，主要方案如下：
1）明确铸余回收限制性因素
①除RH单联不脱氧外的其它所有工艺路线均可进行热回收；
②铁水要求如表4所示。
2）转炉操作
①热回收的炉次转炉不进行留渣操作；
②前期加料石灰量控制在2.5吨左右，生白云石2-4吨（根据热量情况进行调整），前期化渣后动态补加石灰石，过程注意温度控制；
③过程枪位控制在2000-2100mm，流量稳定控制在50000Nm3/h；当烟气中CO含量上升至28%以上时，流量调整至48000Nm3/h，枪位恒定。
该技术的成功应用有效降低了过程金属损失和热量损失，成本降低明显。
2.4.4 新型钢包胎膜的研制和应用
现阶段，钢包内衬耐材均采用整体浇注方式，对防止耐材侵蚀导致穿钢方面作用明显。但在实际生产运行中，整体浇注设备费用高、构造复杂、维修成本高，同时在使用过程中，也存在脱膜困难、包壁钢水冲击区侵蚀快、整体包衬寿命低，计划产量内钢包周转效率低、铸余量大等缺点。
新型钢包胎膜在保证钢包容积不变的前提下，代替整体浇注设备，降低维修费用，快速组织生产，提高钢包寿命效果显著；加装筋板、工字钢以防止胎膜变形；距胎膜底部200mm处外径与底部外径垂直呈15°角设置，在不影响包底工作层厚度的前提下，便于浇注养护完成后，底部可以快速脱膜；距简易胎膜底部200mm处向上400mm位置，胎膜外径向内收缩22mm设置，便于浇注养护完成后，底部可以快速脱膜；加装震动电机，以便浇注均匀、快速脱膜；包壁冲击区侧胎膜向内收缩150mm，宽度650mm设置，增加钢水冲击区工作层厚度，提高整体钢包使用寿命。
2.5 钢包炉衬耐火材料节能长寿化制备技术
2.5.1 基于微孔镁砂骨料的钢包镁碳砖节能长寿化技术
镁砂是生产镁碳质/镁质耐火材料的基础性原料，然而，镁砂抵御高温熔渣渗透性能和抗热震性能不佳的缺陷对其使用寿命带来了极大的限制。现有的镁碳质/镁质耐火材料主要采用大结晶电熔镁砂或高密度烧结镁砂作为骨料，虽然一定程度提升了材料的抗渣渗透性能，但其热震稳定性较差、导热系数过大。该技术通过对镁砂结构及组分进行设计，制备得到了含有大量微-纳米晶内气孔及晶间锆酸钙相的微孔镁砂骨料。与烧结镁砂相比，微孔镁砂导热系数降低15%，与熔渣润湿角由42.6°增加至52.2°。由于微孔能够缓解热应力，而晶间原位锆酸钙相可以增强材料结合强度及阻碍熔渣渗透，与传统电熔镁砂制备的耐火材料相比，采用微孔镁砂所制备的耐火材料力学强度提升、3次热震后残余强度保持率由38.9%提升至73.4%，熔渣侵蚀指数和渗透指数分别降低26%和35%。
2.5.2 基于镁铝尖晶石-二铝酸钙添加剂的钢包镁碳砖节能长寿化技术
实现镁碳质耐火材料低碳化对于降低钢包散热、提升钢包热效率和冶炼产品质量具有重要意义。然而，镁碳砖的低碳化必然导致材料的弹性模量增大、熔渣与材料的润湿性增强，从而使材料的抗热震性、抗渣渗透性变差。该技术利用冶金工业废渣和工业氧化铝为原料制备得到了新型镁铝尖晶石-二铝酸钙添加剂。由于二铝酸钙相具有低的热膨胀系数，添加剂的引入可以显著降低材料的热膨胀系数（图3（a））；此外高温下添加剂中少量液相发生塑性形变堵塞气孔，提高了材料抗渣性能和抗氧化性能。引入新型添加剂后，低碳镁碳砖弹性模量显著降低、抗热震因子明显改善（图3（b））。技术以冶金废渣为原料制备新型镁铝尖晶石-二铝酸钙添加剂并应用于低碳镁碳砖，在减少固体废弃物排放的同时，实现了钢包镁碳砖的低碳节能长寿化。
2.5.3 基于微孔刚玉骨料的钢包熔池耐火材料节能长寿化技术
该技术基于“骨料微孔化、基质致密化”的思想，以微孔刚玉为骨料，并对Dinger-Funk方程和基质粉体球形度进行修正，对耐火材料基质进行紧密化设计，开发了钢包熔池轻量铝镁浇注料。相比于普通铝镁浇注料，轻量铝镁浇注料800℃下热导率降低15%左右；抗热震次数提升，侵蚀指数和渗透指数分别降低69.5%和8.4%。轻量钢包熔池耐火材料每炉平均侵蚀速率为0.57mm，现行钢包熔池耐火材料的每炉平均侵蚀速率为0.62mm。此外，由于微孔刚玉骨料的粗糙度高于普通烧结刚玉骨料，钢液对轻量铝镁浇注料的润湿性更低，其向钢液中溶解氧的程度也更低，导致冶炼时间为60min时期轻量耐火材料对应钢中总氧含量为普通耐火材料钢中总氧含量的60.8%。因此，轻量钢包熔池耐火材料具有导热系数低、使用寿命长且净化钢液的优势。
该技术的成功应用，钢包包龄明显提升，包龄渣线寿命由45炉提高至55炉，整体包龄提高至165炉以上，钢包衬的安全稳定长寿命运行可有效降低吨钢耐材成本，实现了炼钢工序成本的再降低。
2.6 双流板坯连铸机错流封顶技术
炼钢厂1#、2#连铸机为两机两流板坯连铸机，铸坯定尺范围为8500-12000mm，设备供应商的程序设计未充分考虑钢水收得率提升要求，浇次结束选择尾坯模式后两流同时封顶，两流尾坯长度均不可控，长度过长影响钢水收得率。
炼钢厂通过修改尾坯模式程序设计，实现“错流封顶”，可有效提高钢水收得率，减少铸坯呆料。综合考虑铸坯定尺、单重、剩余钢水量等，优先“卡”一个铸流定尺，当该铸流浇铸完成最后一支铸坯，按照工艺要求预留坯尾0.8m，打盲板封顶。
为进一步提高钢水收得率，减少损失，对另外一个铸流尾坯按照“取长补短”或“取短补长”进行定尺优化。存在三种模式：
1）当“尾-1坯”按照计划定尺切割，“尾坯”不满足计划定尺，但≥8500mm，按照8500mm以上非计划定尺切割。
2）当“尾-1坯”能够按照计划定尺切割，“尾坯”不满足≥8500mm情况，但是“尾-1坯”+“尾坯”≥17000mm，采用“取长补短”的方法，切割两支8500mm以上铸坯。
3）当“尾-1坯”能够按照计划定尺切割，“尾坯”不满足≥8500mm情况，且“尾-1坯”+“尾坯”＜17000mm，采用采用“取短补长”的方法，一支铸坯按照最大单重（30吨）切割，将坯尾长度在满足工艺要求的情况下实现最短。
该技术的成功应用解决了双流板坯连铸机封顶时坯尾过多问题，可有效降低坯尾产生量，进一步降低炼钢工序成本。
3 结语
炼钢系统极致降本关键核心技术的成功应用，使转炉碳氧积、耐材寿命、综合能耗、合金消耗等控制水平实现了新的突破，使操作更加安全稳定，更加节能降耗，钢水洁净度大幅提升，产品质量明显改善，有效解决了当前产量、成本、质量之间的突出矛盾问题，为降本增效、稳产、优产、优质生产提供了重要技术支撑，为长流程炼钢企业探索了一条绿色低耗、低碳节能、优质高效的高质量发展新模式，对国内钢铁企业起到示范和引领作用，具有广阔的推广应用前景。
