低成本转炉炼钢技术研究与模型构建

刘晓鸿　杨再华

摘 要：现阶段国内外转炉炼钢技术研究企业都存在转炉渣料消耗相对较多，渣中杂质（大多为T.Fe）含量较高的问题，所以需要转炉技术利用返回终渣来减少这种现象的发生，同时也可以降低终渣中的（T.Fe），针对相对多的钢种而言磷含量要求也有所不同，所以需要进行对应终渣的反复利用与降低全铁含量，本文将针对这一现象进行成本控制与模型构件，为企业一线低成本转炉炼钢技术研究提供理论依据，通过对于低成本转炉炼钢概况分析与模型工艺研究，寻找研究相对低成本的转炉炼钢技术。

关键词：转炼成本；静态模型；全程吹氮

一、低成本转炉炼钢概况

1 降低转炉成本措施分析

对于炼钢企业而言，炼钢成本来源是分为三种的，分别是可变成本、固定成本以及综合回收成本，而其中对于企业最大的影响成本就是可变成本，可变成本中大部分为原料与动力成本，即炼钢原材消耗、动力辅助消耗、合金料消耗等。在可变成本中钢材的消耗达到了炼钢总体成本的85%左右，所以低成本炼钢其中最为重要的途径就是降低钢材消耗。降低钢材消耗的方法相对较多，例如减少喷溅造成的钢材损失、降低倒渣中的钢含量、减小炼钢过程中的铁损耗等等。

国内对于降低转炉成本研究相对较早，邓建军教授曾在河北钢铁集团邯钢分公司的炼钢系统中进行过低成本终渣循环转炉的研究与实际操作，对于钢材炼化过程中出现的相对碱度过高的终渣进行重复利用，对于吹炼前进行的倒渣进行再次造渣，成功做到了降低渣料中的钢含量與减小钢材损耗的目的，成功降低了成本，在实验过程中计算分析发现，整体流程操作后石灰原料降低用量29.4%，转炉渣量同比减少31.7%，钢铁料降低了5kg/t，得到了较为明显的经济效益提升。

2 高效化转炉生产

2.1 铁水“三脱”预处理

低成本转炉炼钢技术的预处理中，铁水“三脱”占据着重要的比重，预处理中，原料钢材才经过高炉炼造后首先要进行脱硫处理，其次要进行脱磷与脱碳处理，处理后的残渣进行再利用精炼，经过高速板抷连铸机处理达到预处理目的，实验流程如下：

在上图首钢的高炉炼造中可以明显看出使用了“一罐到底”技术，它能够对于铁水包进行多功能化处理，脱硫处理效率达到98%以上，处理后的半钢材磷质量分数低于0.0346%，基本实现脱磷化。

2.2 脱碳炉提高供氧强度

转炉生产高效化中重要组成部分就是使得炼钢过程速率提升，所以需要进行供氧强度的提升，提升供养强度的重要优势就是可以提升钢材成渣的难度与脱碳速度，能够使得粉尘量激增，能让终点控制相对容易稳定。在日本的JFE福山厂中的两座300t转炉中采取了脱磷与脱碳双联工艺过后，吹炼的时间得到了缩减，降低了2min，同时终点操作所需时间也缩短了1min，成功将冶炼周期从29min降低到了26min，作业率提升了4%。

3 全程吹氮转炉低吹工艺探究

对于低成本转炉炼钢技术而言，大多采用的是使用顶吹或是低吹氮气等惰性气体来进行对于炼钢全程的推动，全程吹氮技术能够对于钢水氧化性进行降低，对于气体杂质进行统一清除。在炼钢过程中的个碳氧反应区表层温度可以达到2600℃，对于表明活性元素而言会降低其对于脱氮的阻碍作用，钢液会在这时经过一系列的碳氧反应生成较多的CO气泡，这些能够自由行动的气泡会进行脱氮。在低成本转炉脱碳过程中会因为吹氧而发生相对比例饿的碳氧反应，反应中会出现较多的CO气泡，转炉吹氧脱碳过程中脱碳的速度与脱氮速度有着关系式：

二 转炉炼钢控制模型研究

1 转炉模型静态控制研究

对于一般情况而言，转炉模型炼钢的静态控制是通过建立起相对充足数据后，经过已知原料充当初始条件，在计算机中进行模拟吹炼并充分计算的过程。通常静态控制分为三种模型，分别是统计模型，增量模型与理论模型。

1）理论模型

理论模型相对较为简单，是通过对于能量守恒与物料平衡等公式为基础，以物理化学原理作为机理的以数学式方式进行描述模拟的过程，在理论模型的构建中，相对重要的就是描述清楚初始变量与重点变量之间存在的变量关系，在理论模型中对于冶炼过程中出现的情况与反应速度与催化剂可能出现的状况进行选择性忽略，所以它的精度属于三种情况下最低的预报模型。

2）统计模型

统计模型是根据黑箱原理进行模拟的，它对于物理化学规律进行了选择性的忽略，它重视输入系统与输出系统之间存在的具体实际关系，在进行相对大数据的实验过程中进行对于数据的统计分析，编制出相对精准的模型。由于统计模型所统计的数据足够多，所以实验中出现的人为或是小型系统误差会被发现，但对于相对复杂实验统计模型需要记录的数据过多，存在较为狭窄的适用范围。

3）增量模型

增量模型中将实验中出现的工艺变化作为连续函数，每一次外界环境或是新的流程操作作为数据进行输入，对于修正接过进行统一记录，连续多次实验取得数字模型。相比于前两种，增量模型对于现实实验情况的模拟相对更多，得出结果也相对更为精准。

2 转炉成本预测模型研究

转炉重点优化控制属于转炉成本预测模型研究的一个难点，它相对更为复杂的反应机理使得最终终点的精准度得到了相对较大的降低，所以需要进行对于转炉炼钢情况下的精准化终点预报，也需要进行对于转炉炼钢终点的优化控制，孙宗辉教授通过已有的冶金学的原理，将优化金属炉料配比作为实验研究的重点目标，对于现行规划模型配比炉料进行统一规划，充分证明了该模型对于转炉成本的降低是存在着较大的价值的。

3 转炉炼钢控制模型涉及算法研究

对于转炉炼钢控制模型算法中，目前国内外统一研究认为成本作业法（Activity-Based Costing ABC）属于相对实用的算法，这种算法开始于20世纪80年代末，它对于作业，成本与作业会计这些名词做了相对精准系统的定义，对于ABC法的成本动因分析选择、成本库的统一建立、运行程序的分析做了更为统一的规划，奠定了ABC研究法的理论基础。

目前我国的钢铁企业由于企业庞大，且运用先进算法较晚，所以无法准备保证核算数据的明细与及时性，对于真实成本的输入数据难以计算，这些先决条件决定了ABC法适合用于目前我国钢铁企业的炼钢技术模型成本核算模式。

三 终渣返回利用工艺研究

1 终渣返回利用可行性研究

对于终渣返回利用可行性研究中，首先要进行对于（P2O5）的含量分析，当转炉冶炼不断进行到终点时，炉渣中的（P2O5）含量升高会直接导致磷元素通过钢液流入，在实验碱度不变的条件下，炉渣中的（P2O5）含量会保持在1.1%-10.1%之间，通过建模研究FactSage7.0软件分析可以探究炉渣中含量对于脱磷能力产生的影响如下：

2 终渣返回利用次数对脱磷影响研究

通过Factsage7.0热力学研究会发现留渣量对于脱磷效果会产生较大影响，随着终渣的不断返回利用，炉渣的含量会不断降低，从10.1%降低到3%左右，这样会出现钢铁含磷量会不断降低，石灰所需加入量也会降低，随着终渣的不断返回利用，石灰的适用量会由原有的40kg/t，降低到35kg/t，这会极大地降低转炉炼钢的成本。

对于转炉终点熔渣来说，它存在炉渣碱度较高，熔渣温度较高等特点，所以当重复利用终渣时会有效的降低转炉所需成本，提高钢铁冶炼收得率。

3 抑制高含量终渣回磷措施研究

通过上述可知，终渣中的（P2O5）含量过高时会出现钢液的回磷现象，所以要抑制终渣回磷现象的发生，是炼钢过程中需要不断加入石灰来催化炼钢反应，随着石灰入炉的量增加，钢液的磷含量会随着石灰量增加降低从原有的，0.021%降低到0.012%，炉渣的含量是3.02%，炉渣中磷含量随着反应的发生降低，但是呈现降低速率放缓的趋势，当石灰入量达到35kg/t时终点钢液磷含量达到相对而言低的0.011%，但接下来石灰的加入反而会提升钢液磷含量，磷含量的数值呈现U字型变化。

参考文献：

[1]冯士超， 王艳红， 丁瑞锋. 转炉炼钢终点控制技术应用现状[J]. 冶金自动化， 2016（2）：1-6.

[2]张捍东， 姚园园， 凌羡彥，等. 转炉炼钢炉料配比模型的构建与分析[J]. 钢铁研究學报， 2016， 28（7）：32-37.

[3]吕延春， 王新华， 朱国森，等. 基于多功能转炉炼钢法的连续循环冶炼过程[J]. 北京科技大学学报， 2016， 38（3）：335-341.

[4]陈虎. 浅析如何实现现代转炉炼钢各工序炉渣的再利用[J]. 建筑工程技术与设计， 2016（3）.

[5]吕延春， 王新华， 秦登平，等. 转炉炼钢渣磷元素的富集及影响因素[J]. 钢铁， 2017， 52（10）：29-37.