河鋼煉鋼技術進步與展望

李建新  王新東  李雙江

（河鋼集團有限公司，河北石家莊，050023）

摘  要：本文簡要介紹了河鋼煉鋼工藝的技術進步，對比分析了河鋼煉鋼生產關鍵經濟技術指標的生產實績。闡述了河鋼近年來開發、集成和應用的鋼水高效精準過程控制、轉爐干法除塵、自動煉鋼、板坯重壓下、鋼渣氣淬和余熱回收以及大數據質量管控等工藝技術。上述技術為河鋼低成本綠色煉鋼生產以及高等級、高附加值產品開發提供了有利支持。本文還指出了河鋼煉鋼技術的發展方向，并對河鋼未來在智能煉鋼技術、轉爐大廢鋼比噴射冶煉新工藝開發以及煉鋼工序流程控制等方面進行論述，展示河鋼在煉鋼技術創新的生力。

關鍵詞：自動煉鋼；連鑄重壓下；大數據流程和質量管控；清潔生產

Progress and prospects of steelmaking technology in Hesteel

LI Jian-xin, WANG Xin-dong, LI Shuang-jiang

(HBIS Group Co., LTD, Shijiazhuang 050023, Hebei, China)

Abstract: A briefly introduces technological progress of steelmaking process in Hesteel is given in the paper. And the key economic and technical indicators of Hesteel are comparative analyzed simultaneously. The following techniques are described in detail, and it include precise and clean steel control technology, dry dust removal in converter, automatic steelmaking technology based on flue gas analysis, continuous casting slab heavy pressure technology, steel slag quenching and waste heat recovery,and big data quality control system. All of above techniques have been applied in Hesteel production line which provided favorable support for low costing green steelmaking and high grade, high value-added product development. In addition, the direction of development would be point out in the paper. And the intelligent steelmaking, jet metallurgy for big scrap radio and process flow control technology being developed and applied in the further to show innovative ability of Hesteel are also introduced in the paper.

Key words: automatic steelmaking; continue casting heavy press; big date process & quantity control; clean manufacturing

河鋼集團年產鋼4600萬噸，品種鋼比例達64%，產品覆蓋除無縫鋼管外的所有領域。經過10年的發展，河鋼確立了以“高質量、低成本、資源節約和環境友好”的煉鋼制造理念，自主開發、集成和應用了一批國際先進水平的煉鋼新技術和裝備。本文就河鋼煉鋼現狀、技術進步和展望進行論述，詮釋河鋼在煉鋼技術領域創新發展的生力。

1 河鋼煉鋼裝備及水平

1.1 主要裝備

河鋼煉鋼裝備具體如圖1所示。其中100t以上轉爐的比例為86.1%，RH處理鋼水的比例達40%以上（如圖2），連鑄坯最大尺寸330mm*2500mm，鋼錠最大厚度700mm。

1.2 主要鋼種技術水平

河鋼典型的線材、長型材、深沖鋼和抗HIC鋼的實物水平如表1所示。從表1中可知，河鋼IF鋼、軸承鋼實物質量達到國際先進水平，簾線鋼還有一定差距。

表1  典型鋼種的純凈度^[1]（w(B), B=T.O, N, H ....）

Table1  The purity of typical steel grades（w(B), B=T.O, N, H ....）

注：w(B)為質量分數 /10^-6;

    d_s為夾雜物直徑 /μm.

2 關鍵技術開發及應用現狀

2.1 高效精準清潔煉鋼技術

2.1.1 精準過程控制

河鋼對各工序影響鋼水潔凈度的因素進行系統研究，自主開發了多品種高效潔凈鋼平臺，實現了煉鋼全工序自動監控和智能控制，確保生產工藝的標準化和穩定性。

（1）鋼水碳、磷動態控制

以碳氧積管控為核心開發轉爐復吹技術，采用BP神經網絡建立轉爐終點磷含量預報模型，吹煉終點鋼水磷命中率達到88.9%（±0.004%）。

（2）快速爐渣分析

由初始信息、煙氣激光動態檢測和吹煉數據相耦合，實時計算爐渣中Mn、P和S含量，利用副槍進行修正校準，爐渣檢測周期降低80%，顯著提高爐料控制水平。

（3）精煉智能輔助系統

開發應用電熱特征、溫度預報和控制、物料自動分配等模型，使精煉鋼水成分內控合格率由70%提高到98.5%，中包溫度命中率由80%提高到95%。

通過上述技術的開發和集成應用，連鑄坯成材率達到99.97%，超深沖IF（DC06）的全氧、氮的質量分數均可控制在15×10-6以下。

2.1.2 基于紅外煙氣分析的自動煉鋼

基于紅外煙氣分析，河鋼自主開發了鐵水碳精準檢測、負稱重下料系統、變槍變壓吹氧工藝、新型雙渣、動態堿度控制、終點碳分析及高低溫切換模型、終點鎮靜與復吹保證等關鍵技術，形成了100t轉爐高投入率、高命中率自動煉鋼技術。該技術應用使轉爐終點控制準確性達到副槍效果。

（1）基于紅外煙氣分析，CO濃度達到22%-28%，提槍進行雙渣操作可大幅提高成功率，目前雙渣成功率達到95%以上。

（2）無人工干預自動化煉鋼，自動煉鋼比例達到99%以上，超低碳鋼直接出鋼率92%以上。轉爐終點C、T命中率以及全爐役C·O積水平分別如圖3、圖4所示。

2.1.3 轉爐煤氣干法除塵

干法除塵（LT）是轉爐煤氣凈化領域的技術革命。除塵器泄爆、冷卻器板結、除塵器極線極板腐蝕是干法除塵的技術難點，泄爆是關鍵技術瓶頸，先前國內鋼企基本通過成套進口。2010年，河鋼自主開發150t轉爐干法除塵系統填補了國產化應用空白。

轉爐煤氣爆炸的條件如圖5所示[2]，控制煤氣中O2和CO的體積分數分別在6%、9%以下是防止除塵器泄爆的必要條件。河鋼對吹煉過程進行了系統分析，指出吹煉中期脫碳反應階段泄爆發生的幾率最大，約占50%，其他階段泄爆的幾率如圖6所示。

為了防止泄爆，河鋼提出了各吹煉階段“零泄爆”控制工藝[3]，在吹煉中期，針對性地開發了雙聯和雙渣法供氧模型以及倒渣、靜置、緩慢跟槍等7步操作法，采用惰性氣體稀釋和氣柱阻隔等技術，有效控制煙氣中O2和CO的含量，杜絕泄爆事故發生。

河鋼150t轉爐吹煉中期，煤氣中爆炸性混合氣體控制的實績如圖7所示，

采用氣液雙向霧化噴嘴、優化荒煤氣管路長度和蒸發冷卻器結構，有效控制冷卻器板結和除塵器極線極板的腐蝕。河鋼轉爐干法除塵的應用效果如圖8、表2所示。

表2  河鋼轉爐干法除塵的應用效果

Table2  Application effect of converter dry dust removal in Hesteel

河鋼150t轉爐采用干法除塵技術，煤氣粉塵含量控制在10 g/m3以下。與OG法（濕法）相比，噸鋼煤氣回收提高了20.9%，除塵水耗和電耗分別降低了83.1%、63.5%，經濟和社會效益顯著。

2.2 高質量連鑄坯控制技術

2.2.1 連鑄板坯重壓下技術

河鋼基于連鑄坯凝固末端壓下工藝，與中國東北大學合作開發了寬厚板坯連鑄坯重壓下技術及其控制系統。該技術在連鑄機水平段，采用增強型扇形段對鑄坯實施單點和連續的大變形壓下，從而改善寬厚板連鑄坯內部縮孔、疏松等質量缺陷。

單點和連續壓下是重壓下技術的核心，利用扇形段入口液壓缸位置設備壓下能力強的特點，實施單道次大變形壓下有利于壓下變形向鑄坯芯部傳遞，而扇形段后繼各輥持續壓坯，可強迫鑄坯收縮，防止壓下變形回彈，從而有效控制鑄坯疏松。

河鋼開發的厚板重壓下技術與其他相關工藝的比較如圖9、表3所示，

表3  不同板坯壓下方式對比

Table3  Comparison of different slab pressing processes

重壓下技術在河鋼產線應用后，連鑄板坯最大壓下量達到35mm，單道次壓下量可達15mm，連鑄坯中心疏松小于1.0級別比例99%以上，鑄坯芯部致密度提高了14.5%。采用重壓下后的254mm厚度連鑄坯軋制120mm鋼板，板材的力學性能合格，探傷滿足國標I級標準。

2.2.2 微合金鋼角裂控制技術

微合金鋼連鑄坯角部裂紋控制研究較多，基本理念是使連鑄坯角部溫度避開第三脆相區[8-10]。以大倒角結晶器[11, 12]“弱冷”為代表的高溫矯直技術緩解了連鑄坯角部橫裂紋。有研究表明，碳氮化物沿晶界呈鏈狀析出和晶界先共析鐵素體膜降低晶界強度是引起微合金鋼角部裂紋的重要原因，鑄坯表面裂紋與其表層組織晶粒尺寸密切相關[13-15]。為此，日本提出了鑄坯表層組織控制（SSC）技術[16,17]，但未見詳細應用報道。

基于鑄坯表層組織演變控制角部裂紋的思想，河鋼集團和東北大學合作提出了多相變鑄坯表層組織晶粒細化控制理論，開發了鑄坯角部強冷和回溫工藝控制角部裂紋技術（MSRC），通過二冷區多相變控冷，細化鑄坯角部組織晶粒，提高鑄坯角部組織塑性及抗裂紋能力，防止角部橫裂紋產生。

在結晶器窄面足輥下方增加6組針對鑄坯角部的強噴淋冷卻裝置（如圖10），使鑄坯角部溫度下降至約600℃，而后減少立彎段段中下部3區與4區冷卻水量，使鑄坯角部溫度回溫至900℃以上，使角部組織完成γ奧氏體→δ鐵素體→γ奧氏體快速循環相變，滿足鑄坯角部多相變溫度控制條件。

2000mm×220mm規格的Q345B-Nb鋼連鑄坯角部溫度變化如圖11所示，

河鋼實施MSRC技術后，鑄坯角部距表面0~20mm范圍內的組織晶粒由傳統“奧氏體+先共析鐵素體膜”結構轉變成“鐵素體+珠光體”結構，且晶粒在20μm以下，鑄坯抗裂紋能力提高，含鈮鋼連鑄坯角部裂紋減少。

2.3 資源回收和綜合利用

基于氣淬粒化、液態渣滴冷卻與凝固和鋼渣礦相生成等機理研究，河鋼開發了鋼渣氣淬處理與余熱回收成套裝備與技術，涉及鋼渣氮氣氣淬與粒度控制、“雙載熱體-雙層流化床”鋼渣顯熱高效回收與活性組分耦合控制等關鍵技術，在國際上首次建成年處理能力30萬噸的鋼渣氮氣氣淬處理示范工程。氣淬渣的微觀結構和流化床余熱鍋爐分別如圖12、圖13所示。

鋼渣經氣淬處理后，粒徑小于3mm的比例達96%-98%，噸渣蒸汽回收量110kg，氣淬鋼渣f-CaO含量在2.8%以下，單質鐵提取率96%，氣淬鋼渣100%資源化利用。

河鋼開發的鋼渣氣淬和余熱回收技術與同類技術的實施效果對比如表4所示，

表4  經濟技術比較

Table4  Economic and technical comparison

2.4 大數據質量管控

2.4.1 基于大數據的IF鋼夾雜物缺陷和風險評估

河鋼通過對數百爐次IF鋼冶煉過程關鍵參數的分析，查找冶煉參數與軋制過程中產生缺陷的數據對應關系，利用SPSS統計學軟件對現有的數據采用描述性統計、回歸分析、相關性分析、假設檢驗等分析方法，分析冶煉參數對夾雜缺陷的影響，得出冶煉過程參數與缺陷的相關性，提出了夾雜物缺陷指數概念。夾雜物缺陷指數越低，IF鋼軋后表面質量風險越小。

夾雜缺陷指數=（樣本實績缺陷率-目標缺陷率）/（樣本中最高缺陷率-目標缺陷率））

河鋼冶煉IF鋼冶煉參數與夾雜物缺陷指數的關系如圖14所示，

通過大數據夾雜物缺陷預報和風險評估體系的應用，河鋼IF鋼軋后鋼板表面夾雜缺陷率由1.51%降低到0.23%，推動了汽車面板用更高等級IF鋼DC06、DC07系列的開發。

2.4.2 大數據平臺開發

河鋼在1780mm熱軋生產線自主開發和應用了大數據平臺。通過應用大數據、網關和數據倉庫技術，集成生產過程中分布且異構數據源中的視頻、圖片、文檔、采集數據等信息，開發了系統大數據平臺。依托數據平臺，建立過程參數在線判定“矩陣”模塊跟蹤冶煉過程關鍵參數，根據過程數據對鑄坯質量進行在線判定。通過數據平臺的應用，連鑄坯表面縱裂率合格率在95%以上。

3 河鋼煉鋼技術展望

3.1 工藝控制智能化

鋼水純凈是質量穩定的基礎。未來幾年，河鋼將在現有自動半自動化煉鋼的基礎上，著力開發“智能煉鋼技術”，實現轉爐煉鋼“加料、噴吹、出鋼和濺渣”四個階段的一鍵式智能控制。具體如表5所示，

表5  智能煉鋼技術集成

Table5  Intelligent steelmaking technology integration

3.2 技術開發前沿化

3.2.1 轉爐底噴粉煉鋼

底吹氧氣、底噴粉煉鋼工藝是轉爐復吹煉鋼領域的技術革新，采用該技術生產的低碳、超低碳鋼，鋼水更純凈，經濟技術指標更佳。河鋼未來將開發應用這種煉鋼新技術，該技術具體實施如圖15所示。

采用大流量底吹噴射冶金煉鋼新技術，轉爐廢鋼比可達25%以上；終點碳氧積可控制在0.002以下，脫氧劑Al耗降低0.2kg/t-Fe，夾雜物少，鋼水更純凈；廉潔石灰用量少，利用率高，脫磷效果更佳；金屬收得率可提高0.2%。采用該技術轉爐爐齡低、耐材消耗大，故需要進行深入探索研究。

3.2.2 連鑄坯鑄壓一體化

受軋制壓縮比的限制，厚規格鋼板需要更大厚度的連鑄坯。鑄坯的尺寸越厚，其內部偏析、縮孔和疏松等缺陷越明顯，最終影響鋼板的實物質量和使用壽命。未來幾年，河鋼圍繞寬厚板連鑄均質化凝固平臺建設，進行“寬厚板連鑄坯高溫余熱大壓下技術開發和集成應用”，在連鑄機火焰切割后增置一臺二輥軋機，對高溫連鑄坯進行余熱大壓下，實現厚板連鑄坯鑄壓一體化，以期大幅提高連鑄坯內部質量穩定性。該技術具體實施如圖16所示。

3.3 質量管控數字化

工藝和質量穩定是產品的核心競爭力。未來幾年，河鋼煉鋼智力于“互聯網+流程質量”管控體系的開發。

（1）數據平臺建設

建立煉鋼流程自動控制框架。在二級系統設置數據采集服務器和精細化管理服務器，對煉鋼各工序關鍵工藝參數自動采集、實時分析和質量判定，完善流程質量管控數據庫。

（2）質量預報與判定

依托煉鋼工序工藝波動時鑄坯取樣，對鑄坯表面、內部質量和夾雜物水平進行分析對比，建立工藝參數與鑄坯缺陷間的規則庫，通過大數據分析，獲得煉鋼工序關鍵工藝參數波動對鑄坯質量影響的統計學模型，對連鑄坯質量水平進行實時量化評價，給出鑄坯缺陷種類（次表皮夾渣、氣孔、夾雜物、裂紋）和等級，而后對連鑄坯進行質量分類，標示出每塊鑄坯的質量判定結果：正常送軋、離線檢驗、降級使用、報廢處理。

（3）流程質量管控

建立質量專家系統，找出影響產品質量的關鍵工藝因素，通過對關鍵工藝參數的優化控制，進一步促進了產品質量的提升。同時降低半成品階段檢驗的頻率，節約檢驗成本和減少等待檢驗結果對生產效率的影響。

3.4 生產制造綠色化

為了防止煉鋼粉塵排放，河鋼煉鋼廠各工位上配置較完善的除塵設備。為了進一步降低煉鋼粉塵、廢棄物的排放，河鋼牽頭組織開展“鋼鐵行業多工序多污染物協同控制技術”以及“鋼鐵行業煙氣多污染物全過程耦合控制關鍵技術”等重點項目研究。河鋼在未來3~5年，通過不斷技術探索和創新，打造世界一流的綠色煉鋼示范工廠。

4 束語

10年來，河鋼煉鋼以“智能化和綠色化”為核心，通過自主開發和集成應用的鋼水精準和潔凈化控制、轉爐干法除塵、自動煉鋼、板坯重壓下、大數據質量管控等多項新工藝和新技術，煉鋼過程精準控制和實物質量已達到國際先進水平。未來，河鋼煉鋼將以工藝控制智能化、技術開發前沿化、質量管控數字化以及生產制造綠色化為方向，智力打造“全球示范煉鋼廠”，助力鋼鐵國家品牌。

參考文獻

[1] 劉瀏, 蘭德年, 蕭忠敏. 中國煉鋼技術的發展、創新與展望[J]. 煉鋼, 2007, 23(2): 1-6.

[2] 張福明, 張德國, 張凌義, 等. 大型轉爐煤氣干法除塵技術研究與應用[J]. 鋼鐵, 2013, 48(2): 1-9, 43.

[3] 王金龍. 大型轉爐干法除塵技術國產化應用[J]. 中國冶金, 2015, 25(6): 32-36.

[4] H. Kagechika. Production and technology of iron and steel in Japan during 2007[J]. ISIJ International, 2008, 48(6): 707-728.

[5] Y. Sato, S. Kumakura, K. Ota, S. Hiraki, Y. Shirai, A. Yamanaka. Development of improved technology for center porosity of continuous casting slab[C]. 155th CAMP-ISIJ, Japan, 2008: 104.

[6] S. Hiraki, A. Yamanaka, Y. Shirai, Y. Sato, S. Kumakura. Development of New Continuous Casting Technology  (PCCS) for Very Thick PLate[J]. Materia Japan, 2009, 48(1): 20-22.

[7] C. H. Yim, J. D. Seo. Advanced steelmaking technologies for CO2 emmission reduction and slab quality improvement[C]. 5th International Congress on Science and Technology of Steelmaking ICS, German, 2012.

[8] 關春立, 韓立海, 姜英. 薄板坯連鑄機生產硼微合金化鋼板邊部缺陷的控制[J]. 鋼鐵, 2013, 48(3): 30-34.

[9] Lu Y J, Wang Q, Li Y G, et al. Prevention of transverse corner cracks in continuously cast steel slabs using asymmetric secondary cooling nozzle. Ironmaking & Steelmaking, 2011, 38(8): 561-565.

[10] 彭其春, 童志博, 于學森, 等. 含硼中碳鋼鑄坯角部橫裂紋影響因素分析[J]. 煉鋼, 2012, 28(6): 44-48.

[11] 王文軍，李本海，朱志遠. 板坯連鑄倒角結晶器的開發與應用. 鋼鐵研究學報，2012，24(9)：21-26

[12] 何宇明，胡兵，張慧. 大倒角結晶器在寬厚板坯連鑄機上的應用. 第九屆鋼鐵年會論文集，2013：1-7.

[13] Dippenaar R, Moon S C, Szekeres E S. Strand Surface Cracks-The role of abnormally large prior- austenite grains. AISE Steel Technology, 2007, 4(7): 105-115.

[14] 李朋歡, 包燕平, 岳峰, 等. 異常粗大的奧氏體晶粒對表面晶間裂紋的影響[J]. 北京科技大學學報, 2009, 31(s1): 177-181.

[15] Dippenaar R, Bernhard C, Schider S, et al. Austenite grain growth and the surface quality of continuously cast steel[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2014, 45(4): 409-418.

[16] Kato T, Ito Y, Kavamoto M, et al. Prevention of slab surface transverse cracking by microstructure control[J]. ISIJ International, 2003, 43(11): 1742-1750.

[17] Baba N, Ohta K, Ito Y, et al. Prevention of slab surface transverse cracking at Kashima No.2 caster with surface structure control (SSC) cooling[C]. 5th European Continuous Casting Conference, 2006: 174-179.