提高转炉工序能效的工艺实践

邓志勇，王飞宇，张一臣，马桂芬，杨春伟

（天津天钢联合特钢有限公司，天津301500）

0 引言

我国是世界最大的产钢国，同时也是资源、能源相对匮乏的国家，实施高效生产、节能减排是保证我国钢铁工业实现可持续发展的关键。钢铁冶炼中，我国的转炉冶炼占比超过90%，因此减少转炉能耗对保证钢铁工业健康发展具有重要意义。近年来，随着现代科学技术的发展，钢铁企业大力推行结构优化，炼钢生产正在向实现紧凑式连续化的专业生产线、实现高效率快节奏的生产工艺、向降低消耗和污染的方向发展[1]。降低铁钢比、提高转炉冶炼周期是提高转炉工序能效的主要技术指标。转炉生产中消耗的能源介质主要有电能、各种燃气和水。从中钢协公布的2018 年转炉工序能耗数据来看[2]，跟踪重点钢企转炉工序平均能耗消耗为10.61 kgce/t，对煤气和蒸汽回收的能源平均为24.0 kgce/t，转炉工序综合能耗为-13.39 kgce/t，基本实现了负能炼钢。本文根据天钢集团联合特钢有限公司的3座120 t 转炉生产实践，重点介绍提高转炉工序能效的具体措施，分析各种措施对能效提高的贡献率，为转炉炼钢企业提高工序能效提供借鉴。

1 转炉炼钢能效主要影响因素及分析

在转炉炼钢生产过程中，对整个工序能耗影响最大的因素为转炉炼钢过程中电、氧气、氮气的消耗、转炉煤气回收与消耗以及蒸汽回收量。在转炉冶炼中，铁水载能最大，其消耗对炼钢的能值影响也最大，其次为转炉生产效率，缩短转炉吹炼可以有效降低各类消耗，还可促进钢包周转热效率，降低耐材消耗。另外影响较大就是煤气和蒸汽回收，高效的回收可以有效提升工序能效。

1.1 增加废钢入炉量，降低铁钢比

降低铁钢比，增加废钢入炉量，将废钢作为新铁源取代部分铁水有利于提高钢产量，也可增加转炉原料的适应性，可根据市场情况选择最佳的原料结构，降低炼钢成本，同时降低铁钢比，有利于减少环境污染和吨钢能耗，形成绿色化生产。

（1）采用全工序废钢加入工艺

多加废钢是控制转炉能耗关键，为实现高废钢比冶炼，解决废钢装入困难的问题，建立了多工序废钢装入制度：分别在铁水沟、铁水罐、废钢斗、转炉高位料仓和炉后钢包内加入适量废钢（见图1），缩短废钢装入时间。

图1 工序废钢加入量

通过全工序废钢加入工艺入炉废钢量明显增加（见图2）可以看出，对于120 t 转炉，采用全工序废钢加入工艺废钢，加入量增加了16 t。由于转炉热平衡控制准确，入炉的碳素降低，不仅没有延长转炉冶炼周期，而且保证了高废钢比快速冶炼的要求。

图2 传统工艺与新工艺入炉废钢对比

（2）探索工序废钢预热工艺

对于铁钢比降低，增加废钢，废钢的快速熔化成为关键。对此我们采用废钢在线烘烤技术，提高废钢入炉温度，加快其熔化。实验室研究表明[3]，废钢预热到400 ℃以上后，熔化时间从常温需要35 min 快速降到25 min 以内。以此我们建立铁水包在线废钢和钢包在线废钢预热工艺。兑完铁后铁包在运输线上加废钢5~10 t，预热时间可做到30 min 以上，废钢预热温度可达600~700 ℃；钢包在修包结束后加入废钢5 t，在线烘烤预热25 min 以上，废钢温度可达300~400 ℃，在钢水强大的冲击搅拌作用下，钢包内的废钢迅速熔化；由于铁包废钢预热措施的有效实施，使得转炉终点温度提高了13.6 ℃，由于出钢温度的保证，使得钢包加废钢工艺成为可能。

（3）降低铁钢比效能分析

通过全工序废钢入炉工艺和废钢预热，转炉能效取得明显改善，转炉吹炼氧气消耗下降5 m3/t，吨钢的综合能耗减少138.5 kgce/t（见图3、图4）。

图3 2018 年和2019 年入炉综合能耗对比

图4 2018 年和2019 年转炉氧气消耗对比

1.2 缩短转炉冶炼周期

（1）缩短转炉冶炼周期

为了提高转炉生产效率，减少辅助时间，缩短冶炼周期，天钢联合特钢进行了一些列技术改造和攻关。主要包括改造加废钢模式、采用高效氧枪、实现不倒炉出钢、高效出钢模式、提高单炉产量等技术措施（见表1）。

通过以上措施实施，转炉单炉产量在增加10 t的基础上，使转炉吹炼周期从平均32 min 降低到平均23 min，单座转炉日产炉数从40 炉提高到53炉，提高转炉效率32.5%。

（2）缩短冶炼周期效能分析

通过提高转炉的生产效率，转炉能耗指标明显改善，电耗吨钢下降10.5 kWh，氧气消耗下降11 m3/t 钢，氮气消耗下降9.61 m3/t 钢，煤气回收提高13.4 m3/t 钢，蒸汽回收提高26 kg/t 钢。转炉能效显著提高（见图5）。

1.3 优化炉料结构

（1）推行不用氧化性材料造渣工艺

传统转炉采用氧化性冷却剂化渣为主、氧枪化渣为辅的造渣工艺。为了充分利用转炉化学热能，造渣料采用活性石灰和轻烧白云石两种渣料，通过氧枪枪位变化调控，保证合理的（FeO）促进石灰溶解，实现冶炼过程不加氧化剂和生渣料。石灰的加入量严格按照铁水硅含量控制，终渣碱度控制在2.8~3.0，轻烧白云石尽量在前期加入。两者工艺对比见表2。

表1 提高转炉吹炼效率的技术措施

图5 转炉生产效率提升能耗对比

表2 两种造渣制度工艺对比

从表2 看出，采用无冷却剂加入工艺转炉入炉废钢比例提高，在碱度降低情况下，脱磷率和传统工艺相当，但终渣T.FeO%降低，脱硫率明显提高。

（2）能效分析

通过合理的炉料结构，转炉冶炼过程喷溅减少，降低渣料消耗，吨钢渣料从传统工艺的61.56 kg/t 降低到48.36 kg/t；渣料减少20%，节约能耗为2.43 kgce/t[4]。

1.4 降低转炉出钢温度

随着转炉生产高效化，冶炼周期的缩短，转炉热停时间明显减少，终点采用不倒炉出钢，扩大出钢口直径，出钢时间缩短1~2 min，由此转炉热效率得到显著提高，为转炉降低出钢温度奠定基础。由于整个生产节奏加快，我们对炉机匹配进行了技术改造，结合连铸高效浇注，钢包数量减少，而周转加快，钢包盛钢温度从950 ℃提高至1 100 ℃，带来连铸浇注过热度降低10~15 ℃，也为转炉进一步降低出钢温度创造有利条件。转炉出钢温度从1 610~1 640 ℃降至1 590~1 620 ℃，平均降低温度20 ℃，节约能耗0.63 kgce/t。

1.5 高效的煤气和蒸汽回收

通过缩短转炉吹炼时间，加快吹炼节奏，加大供氧强度，提高供氧效率，优化抢位控制，实现不倒炉出钢，有效提升转炉煤气和蒸汽的回收量，煤气和蒸汽回收分别增加13.4 m3/t 钢、26 kg/t 钢，增加能源回收分别为2.72 kgce/t 钢、2.27 kgce/t 钢。

2 综合效能分析

通过围绕以上五方面的工艺研究，转炉工序的综合能耗明显降低。2018 年钢铁企业转炉综合能耗为-13.39 kgce/t，联合特钢为-16.60 kgce/t。2019 年1—9 月，通过实施全流程废钢入炉措施，每炉可增加废钢10~15 t。通过提高转炉吹炼效率，冶炼周期降至23.0 min，单炉日平均提高产量10 炉。通过优化炉料结构特，降低转炉出钢温度，提高煤气和蒸汽回收量，转炉综合能耗下降至-21.3 kgce/t，取得较好的经济效益。

3 结论

（1）通过全工序废钢加入工艺和废钢预热，可降低氧气消耗5 m3/t，吨钢综合能耗减少138.5 kgce/t。

（2）缩短冶炼周期至23 min，转炉冶炼效率提高32.5%，可以有效降低能耗指标。

（3）通过实行不加冷料造渣工艺，转炉渣料减少20%，节约能耗为2.43 kgce/t。

（4）出钢温度降低20℃，可节约能耗0.63 kgce/t。

（5）通过提高煤气和蒸汽回收量，可降低转炉能效4.99 kgce/t。

（6）通过对降低转炉能效工艺实践，转炉综合能效下降至-21.3 kgce/t。