摘要: 用实际生产数据说明,通钢120t转炉实现副枪和动、静态模型控制下的自动炼钢工艺后,吹炼过程稳定,补吹炉数少,钢铁料、合金消耗低,炉龄提高,转炉冶炼周期缩短,工作环境改善,使转炉副枪系统的应用取得了很好的经济效益和社会效益。总结了在实现转炉自动炼钢工艺的过程中所做的主要工作和存在的问题,并确定了下一步工作的努力方向。
关键词: 转炉; 自动炼钢; 实践
通钢第三炼钢厂于2005年初建成投产,现有120t顶底复吹转炉1座(第2座转炉将于2007年9月投产),单吹颗粒镁铁水脱硫站1座,LF炉1座,达涅利薄板坯连铸机1台。转炉配备由DANIEL ICORUS(达涅利. 康力斯)公司提供的副枪和动、静态控制系统,从转炉热试开始,副枪设备同时投入使用。2006年3月,动、静态控制模型(SDM模型)完成调试投入使用,转炉操作参数完全采用模型计算结果时,终点碳温双命中率达到93.3%。6月,将转炉一级操作系统进行了进一步改进,将动、静态控制模型指令全部自动执行,使转炉从兑铁结束到吹炼结束准备出钢的过程只需按动一键即可自动完成,从而实现了真正意义上的转炉自动炼钢。该副枪系统,尤其是动、静态模型投入正常使用后,转炉操作稳定,生产效率提高,各项经济技术指标显著改善。
1 转炉计算机自动炼钢工艺概况
转炉计算机自动炼钢是通过副枪检测转炉内钢水温度、碳含量、氧活度、液面高度以及取样分析钢水成分,在转炉计算机二级控制系统上进行数据分析计算后给出所有操作参数,由转炉一级系统自动执行这些参数,最终达到转炉冶炼目标的炼钢操作的工艺,其核心是动、静态控制模型。
转炉实现计算机自动炼钢主要有以下优点:提高终点温度控制精度;提高终点碳含量控制精度;减少补吹次数;减少渣中的全铁含量,降低钢铁料消耗;提高出钢过程合金收得率;延长炉衬寿命;缩短冶炼周期,提高转炉生产效率。
2 转炉计算机自动炼钢工艺的实施过程
2003年8月8日,从达涅利康力斯公司引进转炉副枪、动静态控制系统。
2004年11月25日,副枪设备开始现场安装调试。
2005年2月1日,120t转炉热试开始,副枪设备同时投入使用。
2005年3月10日,副枪设备通过性能验收测试,副枪二级计算机系统开始调试。
2005年10月,二级计算机系统调试完毕,开始收集SDM模型调试所需的生产数据。
2006年3月30日,动、静态模型性能验收测试成功通过,转炉终点碳温双命中率达到93.3%。
2006年6月,将转炉一级操作系统进一步调整改进后,实现转炉自动炼钢。
3 实施转炉计算机自动炼钢工艺取得的初步成果
3.1 铁水、废钢和渣料配比合理,吹炼过程稳定,生产事故少
模型计算过程严格依据物料平衡和热平衡,在准确命中终点碳、温目标的前提下,各种物料的加入量得到科学合理的优化,克服了根据经验人工确定加料量的盲目性,使原材料和能源得到了最经济的使用。同时,模型的使用将转炉炼钢中的人为干扰因素降到最小,只要原材料条件稳定,转炉吹炼就稳定,使转炉吹炼过程趋于模式化。投产以来,转炉吹炼过程稳定,化渣好,氧枪、烟罩很少粘钢渣,氧枪平均枪龄达到264次,从未因粘枪而退役,也从未发生过因粘烟罩或喷溅而引发的生产事故。
3.2 冶炼特点
转炉终点碳温一次命中率高,补吹炉数少(图1),炉渣中全铁含量低(图2),合金收得率提高(表1) 。
表1 转炉动、静态模型起用前、后的合金收得率
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冶炼钢种 |
Q235 |
HRB335 |
|
合金种类 |
锰铁 |
硅铁 |
锰铁 |
硅铁 |
|
模型起用前 |
87 |
77 |
89 |
87 |
|
模型起用后 |
89 |
81 |
91 |
89 |
3.3 高温钢炉数逐渐减少(图3)
3.4 炉衬状态理想,炉龄高
根据国内同类转炉的投产经验,转炉热试初期,由于各种事故的影响,生产不能保证连续,炉衬经常处于急冷急热的恶劣条件中,整体侵蚀剥落程度较严重,新转炉第1 套炉衬寿命很难突破5000炉。通钢由于坚持使用副枪和动静态控制模型,操作稳定,高温钢、后吹炉次相对较少,加之溅渣护炉工艺的实施,炉衬状态在投产初期经历短暂的不良期后,很快得到好转,炉衬厚度保持动态恒定,炉型长期处于相对稳定的状态,炉龄8000以上仍未出现掉砖现象,一次性炉龄达到同行业一流水平,同时底吹透气砖工作正常,寿命与炉龄同步。
3.5 冶炼周期短,生产效率高
采用副枪可以实现转炉吹炼过程中不用停吹倒炉而进行自动取样测温,终点控制精度高,吹炼终点一次命中率高,后吹率低,大大缩短了冶炼周期(图4) ,使生产节奏加快,生产效率提高。
3.6 工人劳动强度降低,工作环境改善
没有配备副枪的转炉在吹炼终点需要倒炉,进行人工测温取样,工人要忍受高温和冒着喷溅的危险到转炉炉口附近操作,对工人的健康和安全造成很大威胁。采用转炉计算机自动炼钢工艺后,副枪在吹炼过程中自动取样测温,不必倒炉,使工人从危险的人工操作中解脱出来。同时,转炉终点碳温一次命中率提高,使出钢过程合金收得率保持稳定,钢水成分一次命中率也随之提高,人工补加合金调整成分的情况越来越少,工人的劳动强度进一步减轻。实现转炉计算机自动炼钢后,转炉附近的高温区域人的活动明显减少,地面上没有测温枪、样勺、铁锹等工具的堆放和残钢渣的痕迹,现场环境可以保持得很整洁。工人有更多的机会考虑转炉生产的操作数据和技艺,整体素质正在从体力型向技术智能型转变。
4 实现转炉计算机自动炼钢的主要工作
4.1 按照设计合理、运行可靠的原则进行设备选型
目前,世界上主要有3个副枪系统供货商—达涅利康力斯公司、奥钢联和川崎公司。引进副枪之前,为了详细了解对比各家的技术特点,通钢同每一家供货商都进行了至少两轮的技术交流,然后又广泛考察了国内各厂的副枪项目的执行和使用情况。在国内,达涅利康力斯公司的业绩厂最多,当时已有武钢、本钢、梅山、济钢几家,使用效果都很好。在深入调查反复论证的基础上,通钢本着技术成熟、设计合理、运行可靠的原则,最终选择了引进了达涅利康力斯公司的副枪系统。
4.2 中外双方技术人员之间积极配合,将引进技术、设备与现场条件充分结合
由于各钢厂在厂房布局、产品结构、原材料条件等方面差异很大,副枪系统的设计、安装和运行必须适应各厂的特点。因此,中外双方技术人员积极配合,将引进技术、设备与现场条件最大程度地充分结合,是实现转炉计算机自动炼钢的前提和基础。
通钢在新厂筹备期间就成立了副枪项目组,组员全部由具有丰富现场经验和英语交流能力的工程技术人员组成。他们和达涅利康力斯公司副枪项目组成员共同参加设计联络、设备安装、调试,直至副枪系统投入运行,整个工作都是由副枪项目组这些人员全程参与,在设计联络期间能够把通钢的工艺要求反映到设计中,在设备调试期间能够把副枪系统的运行要求落实到现场条件的改进中。例如,副枪探头把持器需要经常维护,检查探头接触块导电情况、清理表面杂物、发生弯曲变形后及时更换,如果维护不及时,会导致副枪测量失败,计算机模型无法获得实时数据不能指导操作,同时造成副枪探头的浪费。因此,外方专家建议用户尽可能创造条件使平时停在高层平台的副枪探头把持器可以顺着一个特殊的通道直接下降到下层的转炉主操作平台上,以方便操作人员经常检查维护。当时在国内,只有武钢和本钢的副枪可以做到这一点,副枪降不到主平台的厂家都存在日常维护的难度,副枪检测的成功率受到影响。通钢意识到这种设备布置方式的重要性,经过与中冶京诚公司设计人员及外方专家的的共同努力,不惜重新修改现场管道走向,并且在烟罩活动段横移台车上开了一个洞,终于为副枪可以降到下层的主平台开辟了一个宝贵的通道。后来的生产实践证明,这一举措极大地方便了副枪关键部位的维护,使副枪测量的成功率和数据的可靠性得到提高和保障。
4.3 保障系统运行正常,为模型的优化提供真实可靠的生产数据
(1)在设备运转方面确保副枪顺利执行完整的测量周期。副枪系统设备全部由达涅利康力斯公司独自设计和组织制造,设备整体运到现场安装就位后,只需配齐外围的介质管线就可以投入使用。通过副枪测量获得的数据,模型实现对转炉吹炼的动态控制,副枪测量结果是二级模型计算最重要的数据来源。为了保证副枪顺利执行完整的测量周期,除了确保副枪设备的安装精度外,主要在现场介质条件上努力满足系统运行的需要,解决了诸如副枪密封帽驱动气体和冷却水流量不足问题,副枪口氮封流量不足问题等,这些条件都是副枪运行的连锁条件,每个条件不满足,副枪都不能动作。
(2)建立稳定可靠的二级系统和外围系统之间的通讯。达涅利康力斯公司副枪的二级系统经过多年的改进,其内部的硬件、软件和通讯已处于很完善的状态,这一点为用户进一步拓展二级系统环境和软件外围通讯提供了便利。安装调试期间,与外方专家、中冶京诚公司和上海宝信公司多方密切合作,解决了二级系统与一级系统、检化验系统以及三级系统之间的通讯接口问题,确保各个相关系统完整、准确、及时地向副枪二级系统发送生产数据。根据达涅利康力斯公司冶金专家的统计,外围系统向副枪二级系统提供数据的可靠性达到89%以上,使二级模型的优化周期缩短,具备了短期内实现自动炼钢的条件。
4.4 稳定转炉操作和原料条件,让生产适应计算机炼钢的要求,操作模式模型参数同步优化
(1)统一操作模式。转炉吹炼采用人工操作时,人为干扰因素较多,吹炼缺乏平稳和重复性。采用计算机控制炼钢后,要求将吹炼过程中的枪位、供氧流量、熔剂加入时间和数量、副枪测量时间以及底吹N2/Ar供气流量和切换时间等固化成为统一的吹炼模式。为此,在生产中不断总结好的操作经验,将好的操作模式统一推广到各个班组,最终形成了适合通钢条件的统一的转炉操作模式(图5),符合了计算机系统的运行特点。
(2)稳定原料条件。模型计算要采集各种转炉炼钢原料的化学成分和物理性能数据,为了确保这些数据的真实性,定期检验原料的化学成分,将最新的分析结果输入到二级系统中。为了保持原料性能的均匀稳定,采用统一的验收标准严格控制原料进厂。
在所有原料中,废钢对模型的计算结果影响最大。对废钢进行了详细分类,目前已分为轻废钢(商品废钢)、重废钢、渣钢、铁块、海绵铁等,在废钢场地进行严格的分类堆放。废钢装斗时,将不同类废钢的重量准确标记,发送到副枪二级系统中参加计算。废钢管理越细化,模型热平衡计算的准确程度越高。
(3)统计归纳生产数据用以优化模型参数。在副枪系统的实际应用中,在各种外部条件都满足的情况下,模型内部的设定参数与通钢的现实情况还存在差异,部分模型参数需结合通钢特点作进一步优化。在以往工作中,已经将一些对模型计算影响较大的主要物料的冷却效果进行了现场数据的统计归纳,得出适合通钢实际的数值,经与外方专家共同确认得到了认可,将修改后的冷却效果设定值(表2)输入模型后,计算结果更加精确。今后,还将继续归纳总结其它模型参数,不断提高模型的计算精度。
表2 动、静态控制模型中冷却效果参数的优化情况
|
冷却效果 |
现场数据统计结果 |
模型原设定值 |
改后的模型设定值 |
|
吨钢降温量/℃ |
浮点数/MJ |
吨钢降温量/℃ |
浮点数/MJ |
吨钢降温量/℃ |
浮点数/MJ |
|
石灰 |
0.09 |
1638 |
0.06 |
1134 |
0.06 |
1134 |
|
生白云石 |
0.18 |
3402 |
0.22 |
4200 |
0.20 |
3780 |
|
球团矿 |
0.21 |
3906 |
0.15 |
2940 |
0.19 |
3528 |
注:浮点数是模型内部定义的用于表示降温效果的量,参加过程控制计算;吨钢降温为每吨物料加入转炉后,每吨钢降温的量。
5 存在的问题和今后工作方向
5.1 废钢条件
废钢管理对于模型计算的精确度至关重要,虽然通钢内部已实现了废钢的初步分类管理,但是由于目前国内废钢短缺的客观条件,短时间内废钢条件还不可能完全满足模型实现高精度计算的需要。
5.2 熔剂条件
(1)石灰质量和存放条件不理想。石灰的有效氧化钙含量低、二氧化硅含量较高,活性度波动范围较大;存放石灰的地下料仓没有实现完全封闭,雨雪天气时,石灰吸潮严重。这些都对其冶金效果和模型计算精确度有影响。
(2)熔剂块度不理想。理想的熔剂块度范围是20～50mm,含粉率≤5%,这样的熔剂在炉内熔化速度较快而且均匀,模型计算可以预知。通钢熔剂的块度最大可达到80mm ,同时块度小于5mm的粉状颗粒也很多。
5.3 铁水条件
通钢目前的高炉都在800m3以下,容积较小,进厂铁水成分、温度波动较大,对模型计算影响较大。
6 结论
(1)在操作模式、原料条件、计算机模型系统环境等方面顺应计算机自动化炼钢工艺的客观要求,成功实现了转炉计算机自动炼钢。
(2)计算机自动炼钢的实现,在降低钢铁料消耗、降低合金消耗、提高炉龄、提高劳动生产率、改善炼钢工作环境等方面效果显著。
(3)计算机炼钢工艺还处于起步阶段,在模型参数的优化、生产数据的来源和可靠性方面还要继续做大量工作。
(4)下一步工作的目标是:逐步形成完整的、符合通钢实际的数据体系和操作管理经验,使计算机自动炼钢系统的运行更加精确,在科学指导生产、提高转炉操作指标、降低生产成本、创造经济效益等方面发挥更大的作用。
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