余 強(qiáng)，姜驍箐，姜周華(.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)089；.東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)089)

多功能煉鋼中試系統(tǒng)研制及頂?shù)讖?fù)吹控制

余 強(qiáng)1，姜驍箐1，姜周華2
(1.東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110819；2.東北大學(xué)冶金學(xué)院，沈陽(yáng)110819)

中試設(shè)備是大型鋼鐵企業(yè)技術(shù)中心用于科研成果轉(zhuǎn)化及解決大生產(chǎn)過(guò)程中關(guān)鍵技術(shù)與新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要設(shè)備之一.但由于設(shè)備小，實(shí)現(xiàn)大生產(chǎn)模擬有諸多困難.本文介紹的多功能煉鋼中試系統(tǒng)，集模擬煉鋼初煉、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹、AOD、LF精煉、鋼錠模鑄于一身，設(shè)備體積小，功能全，控制精度高，數(shù)據(jù)分析強(qiáng)大，解決了模擬大生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)技術(shù)難點(diǎn).本文詳細(xì)介紹了系統(tǒng)組成與功能，重點(diǎn)介紹頂?shù)讖?fù)吹的控制以及3例實(shí)際應(yīng)用效果.

中試系統(tǒng)；煉鋼；多功能；頂吹復(fù)吹

1 多功能煉鋼中試系統(tǒng)的主要功能

目前鋼鐵企業(yè)常見(jiàn)的特殊鋼冶煉流程如圖1所示.一般通過(guò)電弧爐或中頻感應(yīng)爐煉鋼實(shí)現(xiàn)鋼水初煉；通過(guò)鋼包精煉爐或通過(guò)AOD實(shí)現(xiàn)鋼水精煉，最后進(jìn)行模鑄或連鑄.

由于大生產(chǎn)設(shè)備容量大，即使使用最少裝入量仍然需要大量原材料，使得開(kāi)啟費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)于新工藝研發(fā)、大生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題的研究與解決一般希望通過(guò)中試設(shè)備先進(jìn)行，之后將成果應(yīng)用到大生產(chǎn)中，這樣成本低、效率高.此種方法被大多數(shù)國(guó)內(nèi)外鋼鐵企業(yè)采用.因此，開(kāi)發(fā)一種能反映大生產(chǎn)過(guò)程，接近大生產(chǎn)工藝的小型多功能中試設(shè)備尤為迫切.

圖1 煉鋼流程 Fig.1 Steelmaking process

本多功能煉鋼中試系統(tǒng)通過(guò)一套設(shè)備將上述工藝集于一身，即采用中頻感應(yīng)爐進(jìn)行熔煉，通過(guò)頂?shù)讖?fù)吹功能模擬轉(zhuǎn)爐冶煉、AOD精煉工藝，利用直流電源及石墨電極升降機(jī)構(gòu)模擬LF工藝，通過(guò)爐體傾翻機(jī)構(gòu)與三軸移動(dòng)鑄錠臺(tái)車(chē)實(shí)現(xiàn)鋼錠模鑄.設(shè)備如圖2所示.該設(shè)備功能強(qiáng)大，控制精準(zhǔn)，占用面積小，可廣泛適用于鋼鐵企業(yè)技術(shù)中心、科研院所、高校等進(jìn)行煉鋼中試科研.

圖2 多功能煉鋼中試爐設(shè)備組成 Fig.2 Composition of multifunction steelmaking medium test system1—電極及氧氣管升降； 2—煙罩； 3—直流電源； 4—中頻電源； 5—控制室； 6—爐體； 7—鑄錠臺(tái)車(chē)

本多功能煉鋼中試系統(tǒng)具有如下研發(fā)功能：

(1)模擬頂?shù)讖?fù)吹脫碳轉(zhuǎn)爐冶煉碳鋼(低碳鋼、低合金鋼)，研究轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程的渣-金反應(yīng)，耐火材料與鋼液、爐渣的反應(yīng)等；適合超低磷鋼的冶煉[1].

(2)模擬LF鋼包精煉工藝，具有調(diào)節(jié)鋼水成分、溫度、脫氧、脫硫和去除夾雜物功能.適用于冶煉對(duì)鋼中氧、硫含量要求低，夾雜物控制嚴(yán)格的高質(zhì)量潔凈鋼[2].

(3)模擬AOD頂?shù)?側(cè))復(fù)吹冶煉不銹鋼[3]，主要研究：

1)AOD供氣制度(頂吹、底側(cè)吹)對(duì)脫碳、脫氮和鉻等合金元素氧化的影響；2)氣相滲氮合金化工藝；3)AOD精煉造渣制度(氧化期、還原期)對(duì)元素氧化還原、脫硫、脫氧以及鋼中夾雜物形態(tài)和去除的影響；4)AOD脫氧制度；5)不銹鋼品種開(kāi)發(fā)；6)AOD過(guò)程控制模型的開(kāi)發(fā).

(4)模擬模鑄過(guò)程，可澆注圓錠、方錠、扁錠等多種規(guī)格和重量的鋼錠,解決鑄錠中的工藝問(wèn)題，并為后步軋制提供錠型尺寸合適的鑄坯.

2 設(shè)備組成

2.1 中頻電源

電源采用IGBT中頻電源，根據(jù)爐體大小配備不同的功率，輸入電壓為三相380 V，輸出頻率為1 000～3 000 Hz，配備純水冷卻器.IGBT中頻電源具有熔化速度快、節(jié)能、高次諧波污染低等優(yōu)點(diǎn).

2.2 爐體

中頻感應(yīng)爐是主體設(shè)備，穩(wěn)定可靠，且具有很強(qiáng)的耐沖擊能力.此外中頻感應(yīng)爐經(jīng)特殊的技術(shù)改造，避免氧槍因感應(yīng)發(fā)熱而燒壞.爐體兩座，同時(shí)配置爐襯漏鋼預(yù)報(bào)警系統(tǒng)，在出現(xiàn)漏鋼事故時(shí)能及時(shí)報(bào)警.

2.3 爐體傾動(dòng)系統(tǒng)

傾爐裝置采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)蝸輪減速機(jī)減速后，傾動(dòng)具有電動(dòng)和手動(dòng)兩種功能，爐子可傾動(dòng)180°，便于安裝底吹透氣塞.

2.4 LF功能及設(shè)備

本設(shè)備主要由鋼包爐本體及其底陽(yáng)極，單臂石墨陰極及固定水冷陽(yáng)極，電極升降機(jī)構(gòu)，直流電源系統(tǒng)等部分組成.

在感應(yīng)爐坩堝基礎(chǔ)上再增加吹氬透氣塞及底電極系統(tǒng).吹氬口單獨(dú)設(shè)置，在吹氬口管線(xiàn)上設(shè)有手動(dòng)快速接頭聯(lián)通.導(dǎo)電包底電極的結(jié)構(gòu)形式采用特制的低碳導(dǎo)電磚，并通過(guò)水冷導(dǎo)電銅板作為集電板.集電板上垂直焊接一塊水冷銅板，并通過(guò)石棉板與外殼絕緣從底部引出，再連接水冷電纜返回電源.

電極升降機(jī)構(gòu)與氧槍升降機(jī)構(gòu)共用.即兩者可互換使用，但不可同時(shí)使用.煙罩上面的氧槍孔作為電極孔.

不同于大生產(chǎn)，本系統(tǒng)熔煉電源采用直流電源，是該功能主要特征，包括：直流電源柜、直流電抗器、短網(wǎng)等.直流電抗器用于輸出限流.短網(wǎng)采用銅排、水冷電纜.

2.5 爐帽、煙罩及其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

爐帽主要用于防止吹煉過(guò)程中鋼渣的噴濺.外殼為金屬，內(nèi)部為澆注的耐火材料.由于感應(yīng)爐的特殊性能，必須對(duì)爐帽進(jìn)行特殊的技術(shù)處理，否則將會(huì)造成爐帽發(fā)熱甚至達(dá)到紅熱狀態(tài)，造成內(nèi)部耐火材料的脫落.

煙罩采用水冷結(jié)構(gòu)，固定高度，立柱帶有軸承可旋轉(zhuǎn)，可以使煙罩在兩個(gè)爐體的任何一個(gè)位置.

2.6 鑄錠臺(tái)車(chē)及鋼錠澆注

鑄錠臺(tái)車(chē)采用三臺(tái)交流電機(jī)完成鑄錠小車(chē)在與感應(yīng)爐兩個(gè)爐體聯(lián)線(xiàn)的垂直方向的鐵軌上前后移動(dòng)、自身旋轉(zhuǎn)、升降三軸移動(dòng)功能.由PLC實(shí)現(xiàn)三臺(tái)交流電機(jī)控制，在爐前操作臺(tái)操作，配有遙控手操器.澆前將鑄錠模放在可移動(dòng)鑄錠車(chē)上，移動(dòng)鑄錠車(chē)使鋼流對(duì)準(zhǔn)鋼錠模漏斗；鑄錠小車(chē)前后移動(dòng)、自身可旋轉(zhuǎn)和升降滿(mǎn)足了澆注時(shí)的靈活性.當(dāng)澆完一個(gè)模后，鑄盤(pán)旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)錠模，再注下一個(gè)模.

2.7 閥 站

整個(gè)頂?shù)讖?fù)吹系統(tǒng)的閥站構(gòu)成:進(jìn)入閥站的氣體有氧氣、氮?dú)夂蜌鍤馊N.氧氣分成兩路分別供給頂吹氧槍和底吹噴槍.進(jìn)入閥站的氮?dú)夂蜌鍤庖卜殖蓛陕纷鳛榈状档墓に嚉怏w和冷卻氣體.每路氣體控制元件包括截止閥、流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥和快速切斷閥，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)閉環(huán)控制氣體吹入量.

2.8 冷卻水系統(tǒng)

設(shè)備冷卻部分有：中頻電源柜、直流電源柜、感應(yīng)爐線(xiàn)圈、短網(wǎng)、電容、煙道等.兩個(gè)電源配備一套純水冷卻器；設(shè)備配備分集水器，連接到電源純水冷卻器換熱器及其他需冷卻部分.外部提供冷卻水進(jìn)出分集水器.

分集水器上安裝有進(jìn)水溫度檢測(cè)元件、壓力檢測(cè)元件，回水溫度顯示儀表、水堵檢測(cè)元件，另外感應(yīng)線(xiàn)圈上安裝有溫度傳感器.

2.9 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，即由基礎(chǔ)控制級(jí)和管理控制級(jí)組成.如圖3所示.同時(shí)預(yù)留與工廠(chǎng)數(shù)據(jù)管理工作站的接口.

(1)基礎(chǔ)控制級(jí)采用可靠性及性?xún)r(jià)比高的西門(mén)子可編程控制器(PLC)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、過(guò)程自動(dòng)控制及系統(tǒng)自診斷與故障報(bào)警.

(2)管理控制級(jí)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(上位機(jī))、液晶顯示器，實(shí)現(xiàn)顯示各種信號(hào)、參量、畫(huà)面、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障報(bào)警等，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話(huà)，發(fā)出指令，組成監(jiān)控系統(tǒng).上位機(jī)與PLC采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息的交換.

圖3 控制系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Structure block diagram of control system

3 頂?shù)讖?fù)吹控制

系統(tǒng)可模擬轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹，也可模擬AOD頂?shù)讖?fù)吹.

3.1 底吹系統(tǒng)

(1)冶煉碳鋼的底吹

根據(jù)碳鋼冶煉的工藝要求可采用透氣塞底吹方式.底吹透氣塞一般采用狹縫式結(jié)構(gòu).其特點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)，鋼水不倒灌.這種方式可模擬頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐的底吹惰性氣體攪拌和鋼包底吹氬攪拌作用.除了選擇合理的透氣塞，還必須選擇相適應(yīng)的透氣塞和噴槍的耐火材料，以及為了方便更換透氣塞，必須選擇合適的座磚.

(2)冶煉不銹鋼的底吹系統(tǒng)

底吹噴槍采用環(huán)縫結(jié)構(gòu).中心管吹氧氣和氬氣混合氣體、氮?dú)獾?，環(huán)縫一般吹氮?dú)饣驓鍤獾榷栊詺怏w，以保護(hù)噴槍不被燒壞.因此，這種方式可模擬AOD冶煉供氣模式和脫碳.噴槍必須對(duì)其氣室部位作相應(yīng)的技術(shù)處理，否則，由于中頻感應(yīng)作用，會(huì)將氣室和噴槍燒壞而漏氣，無(wú)法達(dá)到底吹攪拌和精煉的目的.除了選擇合理的噴槍外，還必須選擇相適應(yīng)的噴槍耐火材料，以及為了方便更換噴槍?zhuān)仨氝x擇合適的座磚.

3.2 頂吹系統(tǒng)

頂槍為水冷結(jié)構(gòu).由于爐膛較小，噴吹氣體速度太快，噴濺較大，因此，根據(jù)鐵水含碳量、吹煉時(shí)間的不同要求，選擇單孔直筒式氧槍噴頭.頂槍升降裝置設(shè)計(jì)在煙罩上端，可跟隨煙罩轉(zhuǎn)動(dòng)便于兩個(gè)爐座應(yīng)用.頂槍升降采用絲桿傳動(dòng)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，升降速度可調(diào).通過(guò)絲杠上安裝的絕對(duì)值編碼器，由計(jì)算機(jī)監(jiān)控槍位高低，位置控制精準(zhǔn).

4 實(shí)施效果舉例

4.1 模擬轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹

采用200 kg感應(yīng)爐熔化鐵水100 kg.熔清后，當(dāng)鐵水溫度達(dá)到1 530 ℃開(kāi)始頂吹氧.頂吹氧氣壓力0.5 MPa，流量控制在6～30 m3/h，控制精度±3%；開(kāi)始時(shí)按最低流量控制，槍位(槍頭離鋼液面距離)約150～200 mm，吹氧時(shí)間20～25 min.在頂吹同時(shí)，進(jìn)行底吹攪拌.底吹惰性氣體流量(標(biāo)準(zhǔn)態(tài)下)控制在0.06～0.54 m3/h，實(shí)際可以穩(wěn)定在0.1 m3/h，控制精度±3%；流量過(guò)大容易造成噴濺.在吹煉過(guò)程中要加入適量石灰造渣，總加入量約5 kg.圖4為實(shí)際吹煉過(guò)程照片.

采用以上工藝參數(shù)，可以在25 min左右將鐵水中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從4.5%降低到0.01%的水平.

4.2 模擬AOD頂?shù)讖?fù)吹進(jìn)行不銹鋼精煉

4.2.1 配 料

初煉爐配料時(shí)，C按實(shí)際生產(chǎn)要求控制，Cr、Ni、 Mo、Mn按中限控制，Si和P盡量要低，w[Si]≤0.2，w[P]≤0.025.具體鋼種初煉爐配料要求見(jiàn)表1.

圖4 模擬頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐試驗(yàn)過(guò)程圖Fig.4 Simulation process of top bottom combined blowing test process for a converter

表1 熱態(tài)中試實(shí)驗(yàn)初煉配料或成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

為了滿(mǎn)足以上配料成分要求，金屬爐料將采用經(jīng)三脫的低磷低硅生鐵，低磷優(yōu)質(zhì)廢鋼，HcFeCr，HcFeMn，電解鎳.具體配料單見(jiàn)表2.

表2 初煉配料單

4.2.2 初煉工藝

將上述金屬料加入感應(yīng)爐坩堝內(nèi)，進(jìn)行熔化.送電功率按常規(guī)操作進(jìn)行.鋼水全部熔清后，溫度達(dá)到1 500～1 550 ℃范圍時(shí)進(jìn)入AOD精煉階段.

4.2.3 模擬AOD爐吹煉工藝

當(dāng)熔池溫度在 1 500 ℃ 以上時(shí)進(jìn)行吹氧脫碳操作.吹氧前應(yīng)加入石灰4～5 kg，螢石0.4～0.6 kg，并將感應(yīng)爐電源功率降至較低水平，以維持鋼水溫度基本不下降.

表3為冶煉304/304L的供氣制度.其中冶煉304時(shí)脫碳期到第Ⅳ期結(jié)束，冶煉304 L時(shí)，脫碳期增加第Ⅴ期.

實(shí)際試驗(yàn)表明，精煉終點(diǎn)鋼水成分在鋼種標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，見(jiàn)表4.鉻的收得率達(dá)到98%以上，脫硫率大于80%.

4.3 模擬LF精煉

4.3.1 LF操作工藝

目標(biāo)鋼種為硬線(xiàn)鋼82B.

(1)以170 kg返回廢鋼為金屬原料，加入坩堝進(jìn)行熔化.

(2)當(dāng)鋼水溫度達(dá)到1 550 ℃時(shí)，打開(kāi)氬氣閥門(mén)進(jìn)行底吹氬，控制氬氣流量在0.03～ 0.06 m3/h.在爐內(nèi)，加入石灰10 kg，鋁礬土4 kg，螢石1 kg進(jìn)行造渣.等渣基本化清后，將中頻電源功率調(diào)小，即保溫的功率即可.停電，測(cè)溫取樣1.

(3)打開(kāi)直流電源，下降石墨電極，送電操作.電參數(shù)：電壓80 V，電流1 000～1 500 A，加熱時(shí)間15 min.停電，測(cè)溫取樣2.

(4)將中頻功率保持在小功率不變5 min，使其溫度下降，然后停電，測(cè)溫取樣3.

(5)再進(jìn)行直流加熱，10 min后，停電，測(cè)溫取樣4.

表3 304/304L不銹鋼精煉供氣制度

表4 304/304L精煉終點(diǎn)的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

4.3.2 LF精煉效果

精煉后鋼的化學(xué)成分滿(mǎn)足鋼種標(biāo)準(zhǔn)要求，各項(xiàng)指標(biāo)全部滿(mǎn)足預(yù)定要求，尤其是鋼水潔凈度達(dá)到很高水平.主要指標(biāo)如下：

(1)升溫速度：5.5～10.2 ℃/min；

(2)脫硫效果：起始w[S]為0.015%，精煉結(jié)束后w[S]為0.002%，脫硫率為87%；

(3)精煉終點(diǎn)鋼水全氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0009%(即9×10-6).

5 結(jié) 論

多功能煉鋼中試系統(tǒng)可以模擬煉鋼初煉、轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹、AOD、LF精煉等多種功能，設(shè)備體積小，功能全，控制精度高，數(shù)據(jù)分析強(qiáng)大，解決了模擬大生產(chǎn)過(guò)程的相關(guān)技術(shù)難點(diǎn).實(shí)際應(yīng)用表明，模擬頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉碳鋼、模擬AOD精煉不銹鋼、模擬LF精煉硬線(xiàn)鋼82B等均達(dá)到了預(yù)期效果，系統(tǒng)已在多個(gè)大型鋼鐵集團(tuán)技術(shù)中心得到廣泛應(yīng)用，為鋼鐵企業(yè)煉鋼工藝研究和品種開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的試驗(yàn)平臺(tái).

[1]王海奇, 包燕平. 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉低碳鋼的工藝研究[J]. 特殊鋼, 2010, 31(06): 28-31. (Wang Haiqi, Bao Yanping.A study on process for melting low carbon steel by top and bottom combined blown converter[J]. Special Steel, 2010, 31(06): 28-31.)

[2]陳達(dá)士. 最新?tīng)t外精煉及鐵水預(yù)處理新工藝、新技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M]. 北京: 當(dāng)代中國(guó)出版社, 2009: 3-6. (Chen Dashi..New secondary refining and hot metal pretreatment of new technology, new technology practical manual[M]. Beijing: Contemporary China Publishing House, 2009: 3-6.)

[3]郭家祺, 劉明生. AOD精煉不銹鋼工藝發(fā)展[J]. 煉鋼, 2002, 18(02): 52-58. (Guo Jiaqi, Liu Mingsheng.Evolution of AOD process for stainless steel refining[J]. Steelmaking, 2002, 18(02): 52-58.)

Development of medium test system in multifunction steelmaking and control of top and bottom combined blowing

Yu Qiang1,Jiang Xiaoqing1,Jiang Zhouhua2

(1. College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;2. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

The medium test equipment is one of the important equipment for transformation of scientific research achievements,the key technology and development of new products in the technology center of large steel enterprises. However, due to the small equipment, realization of large production simulation has many difficulties. In the presat paper, a multi-function medium test system was introduced. The multifunctional steelmaking medium test system could simulate the initial step of steelmaking ,top and bottom combined blowing, AOD, LF refining, ingot mould casting,and et al. The equipment had the advantages of small volume, full function, high control precision, strong data analysis and so on. The system solved technically relevant difficult problems in simulation of a large production process.The system constitute and function, control of top and bottom combined blowing and effect of practical application were introduced in detail.

medium test system; steelmaking; multifunction; top and bottom blowing

10.14186/j.cnki.1671-6620.2017.01.005

TF 133；TP 2

A

1671-6620(2017)01-0025-05