转炉炼钢厂设计

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书

题目：年产300万吨合格连铸坯转

炉钢厂设计

学生姓名：王建鹏

学号：0603102106

专业：冶金工程

班级：冶金2006-1班

指导教师：董方教授

年产300万吨合格连铸坯转炉钢厂设计

摘要

根据设计任务书的要求，完成年产300万吨合格铸坯转炉钢厂设计。在设计中制定了产品大纲，计划生产的主要钢种为普碳钢、优质碳素钢、合金结构钢、硅钢等。设计内容分为以下几部分：150吨转炉设计、氧枪、供料系统、除尘系统设计，铁水预处理系统设计，炉外精炼系统设计，两台板坯连铸机设计，车间设计等，完成全连铸炼钢厂生产设备的选择计算。根据所定的产品大纲，本次设计的全连铸钢厂采用的工艺流程为：铁水预处理—顶底复吹转炉—LF钢包精炼炉—RH精炼炉—板坯连铸机。采用了长寿复吹、溅渣护炉、PLC自动控制、煤气回收利用等一系列技术，使钢厂在物料消耗、资源利用、环境保护等方面达到国内先进水平。

设计过程中本着投资省、经济效益佳、多品种、高质量、生产安全、操作顺利、维修方便和符合国家产业政策的原则，并参阅了相关文献资料，充分借鉴了国内外先进企业生产经验。在设计中采用了国内外钢铁生产的先进设备和技术，使以上生产方案具有科学性、先进性，经济合理，适应当前社会发展的需要。

关键词： 150t转炉；长寿复吹；LF钢包精炼炉；RH精炼炉

Design of all continuous casting converter steel plant that can handle three million tons of qualified slab

Abstract

According to the design requirements of the mission, we accomplish annual output of 3 million tons of qualified casting slab converter steel plant design, we establish the product outline, planning production of the carbon steel,high quality carbon steel, structural alloy steel, ferrosilicon steel and so on.Design consists of the following parts: the 150t converter design, lance, feeding system，dust system design, the iron pretreatment design ，secondary refining design,slab caster design, casting steelworks completed all the relevant production equipment selection. The process of 100% continuous casting steel is:the iron pretreatment–top and bottom blowing converter –LF ladle refining furnace–RH refining furnace–continuous casting slab. The design adopt long service life combined blowing, splashing slag to protect furnace line, PLC autocontrol, the coal gas reclaiming and using and a series of advanced technology, this make the plant reach advanced level in the field of material consumption ,resource using, environmental protection etc.

This design which I contrive base on to be less investment, be benefit in economic, have many brand , be high quality, produce safety, operate smooth, maintain convenience and regulating principle of the nation,and I refer to a great deal of stuff,a great deal of producing experience of advanced enterprise all over the world is fully drawn.In the design,we adopt various new equipments and technique of the domestic and international metallurgy actively, Therefore, the produce scheme on the above is scientific, advanced and reasonable in economy, and adapt the demand at present.

Keywords：150t converter;long service life combined blowing; LF ladle refining furnace; RH refining furnace

目录

摘要 ......................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章文献综述 . (1)

1.1国内外转炉炼钢发展现状 (1)

1.1.1铁水脱硫预处理现状 (1)

1.1.2我国转炉炼钢技术现状 (4)

1.1.3炉外精炼技术现状 (6)

1.1.4 连铸技术现状 (8)

1.2炼钢发展的方向 (11)

1.2.1发挥现有铁水预处理装置能力 (11)

1.2.2转炉要进一步大容量化 (12)

1.2.3发挥现有炉外精炼装置能力 (12)

1.2.4发展高效连铸技术 (12)

1.2.5消耗指标需进一步降低 (12)

1.2.6提高技术装备水平 (12)

1.3 设计原则 (13)

1.3.1设备大型化 (13)

1.3.2前后单一匹配工序 (13)

1.3.3工艺路线 (13)

1.3.4适应新钢种发展的要求 (13)

1.3.5节能环保 (14)

第二章生产规划 (15)

2.1产品方案 (15)

2.2生产规模 (15)

2.3工艺流程 (15)

2.4 主要设备及新技术 (16)

第三章转炉车间设计 (18)

3.1 转炉车间设备设计与计算 (18)

3.1.1 设备容量和数量的确定 (18)

3.1.2 熔池尺寸 (18)

3.1.3 炉帽尺寸 (19)

3.1.4 炉身尺寸 (19)

3.1.5 出钢口尺寸的确定 (19)

3.1.6 炉容比 (20)

3.1.7 高径比 (20)

3.2 转炉炉衬设计 (20)

3.2.1 炉衬的材质和厚度 (20)

3.2.2 砖型设计 (21)

3.3 转炉炉体金属结构 (21)

3.3.1 炉壳组成及材质与厚度的确定 (21)

3.3.2 支承装置 (22)

3.3.3 倾动机构 (23)

3.3.4 底部供气元件的设计 (23)

3.4 供料系统 (24)

3.5复吹转炉氧枪设计 (24)

3.5.1 喷头设计 (24)

3.5.2氧枪水冷系统设计 (26)

3.5.3 氧枪装置和副枪装置 (26)

3.6转炉除尘系统的选择 (27)

3.7 长寿复吹转炉工艺 (28)

第四章炉外处理设计 (31)

4.1铁水预处理的设计 (31)

4.2 炉外精炼设计 (33)

4.2.1LF钢包精炼炉 (33)

4.2.2RH精炼炉 (34)

第五章转炉厂连铸设计 (37)

5.1连铸机的主要工艺参数 (37)

5.1.1钢包允许的最大浇注时间 (37)

5.1.2铸坯断面 (37)

5.1.3拉坯速度 (37)

5.1.4连铸机的流数 (38)

5.1.5铸坯的液相深度和冶金长度 (38)

5.1.6弧形半径 (39)

5.2连铸机的生产能力的确定 (39)

5.2.1连铸机浇注周期计算 (39)

5.2.2连铸机生产能力得计算 (40)

5.3连铸机主要设备 (42)

5.3.1钢包与中间包的钢流控制系统 (42)

5.3.2钢包回转台 (42)

5.3.3中间包及载运设备 (42)

5.3.4 结晶器及其振动装置 (44)

5.4二次冷却装置 (45)

5.5拉坯矫直装置 (46)

5.6引锭装置 (47)

5.7铸坯切割装置 (47)

第六章车间工艺布置设计 (48)

6.1加料跨间布置 (48)

6.2炉子跨间布置 (49)

6.2.1转炉位置确定 (49)

6.2.2 转炉跨各层平台的确定 (50)

6.3钢水接受跨 (51)

6.4连铸跨、过渡跨、出坯跨布置 (51)

第七章技术经济分析 (54)

7.1经济效益分析与评价原则 (54)

7.2基础数据 (54)

7.3实施进度 (54)

7.4投资总额及资金筹捐 (54)

7.5劳动定员、工资及福利基金 (54)

参考文献 (58)

致谢 (60)

第一章文献综述

我国是世界上第一产钢大国。而炼钢是钢铁生产的主要工序, 对降低生产成本、提高产品质量、扩大品种范围具有决定性影响。转炉是目前国内外最主要的炼钢设备, 世界上约有600 座转炉在运行, 约占全球粗钢产量的60%。在我国, 粗钢产量的80%以上由转炉生产。鞍钢、武钢等大型钢厂多采用全转炉冶炼生产。现代转炉炼钢为了提高钢质量、降低冶炼成本应用而生了铁水预处理和炉外处理技术—铁水预处理和炉外精炼，近终形连铸的发展替代了原来的模铸，这使炼钢系统实现铁水预处理—转炉顶底复合吹炼—钢水二次精炼—连铸成坯四位—体的现代炼钢生产流程。

1.1国内外转炉炼钢发展现状

1.1.1铁水脱硫预处理现状

铁水炉外脱硫作为钢铁生产的一道工序，其优势[1]主要在以下方面：

①铁水脱硫预处理发挥了渣吸收硫能力的潜力，可提高高炉的生产率；

②发展铁水脱硫预处理更重要的是可得到含硫很低的铁水，为生产优质钢提供必要条件；

③铁水炉外脱硫相对高炉，转炉，炉外精炼等工序而言，其脱硫成本最低；

④发展铁水脱硫预处理后，扩大了转炉冶炼的钢种范围，使转炉能够冶炼汽车板、海洋平台板、造船板、不锈钢等新钢种；

⑤脱硫预处理的应用也进一步保证了连铸工序生产顺行和连铸坯的质量；

⑥铁水脱硫预处理可以缩短转炉、精炼工序的冶炼周期。

西欧、日本早在20世纪60～70年代就在铁水脱硫预处理理论研究的基础上在工业上进行了应用。国内武钢二炼钢1979年引进了日本新日铁的机械搅拌法(KR)铁水脱硫装置，北台，天钢，宣钢，冷水江，攀钢，酒钢等企业先后由国内自主开发了喷吹石灰、萤石的脱硫方法。1985年宝钢一炼钢引进日本鱼雷罐车内喷吹石灰、萤石的脱硫装置。武钢一炼钢开发的镁基混合喷吹工艺，1998年宝钢，鞍钢，包钢引进美国ESMⅡ公司镁基复合喷吹技术，本钢引进了霍戈文镁基复合喷吹法脱硫技术。近几年我国铁水预处理有了强劲发展，随着钢产量从1996年1亿t发展到2004年的2.725亿t，近5年来全国共计建设了约80多套铁水脱硫预处理装置，处理能力近7000万t。新建设的铁水脱硫预处理生产线使用的脱硫工艺主要有KR法和喷吹法，处理容器基本上为转炉铁水罐。近几年来

铁水脱硫预处理的发展还有以下特点[2]：

①铁水脱硫每罐铁水容量从50t(石钢等)到300t(宝钢)不等。

②脱硫剂主要为石灰和金属镁，既有以单独一种粉剂作脱硫剂的(如武钢一炼钢，邯钢三炼钢等)，也有以一种粉剂为基础的复合粉剂作脱硫剂的(如包钢，梅钢等)。

③以金属镁作脱硫剂得到了大力发展，使用镁及镁基脱硫剂的生产线占到了80%以上)。

④大部分为引进国外先进的脱硫预处理工艺。如日本的KR法，北美、西欧的镁基复合喷吹技术，乌克兰的单吹颗粒镁喷吹技术。

⑤在工艺相似的情况下，引进技术来自不同的技术供应商。如复合喷吹法既有美国ESMⅡ、加拿大DANIELICORUS (原霍戈文)、还有日本DIAMOND公司等。

⑥我国在早期引进国外先进技术的基础上改进的自主知识产权开发技术也在发挥

着作用。如国内开发的纯镁喷吹技术也得到广泛应用(如马钢等)。

⑦有很多生产线是对落后处理工艺的改造和替代。如武钢一炼钢2001年以纯镁喷吹替代原有镁、石灰混合喷吹工艺；太钢改造原三脱设施。

⑧还有在原生产线基础上的增建。如宝钢，鞍钢2003年再次引进ESMⅡ镁基复合喷吹技术；本钢2004年引进DANIELICORUS镁基复合喷吹技术；武钢二炼钢增建1套ＫＲ法脱硫装置。

⑨除在上世纪引进后改良的KR法、镁基复合喷吹法占有很大市场外，乌克兰(Desmag)颗粒镁喷吹技术自武钢一炼钢项目进入我国后短短几年内也发展十分迅速(如首钢、青钢、邯钢三炼钢、唐钢等)。德国Polysius公司镁基复合喷吹技术在2003年也进入到中国，如鞍钢大脱硫，新区260t转炉车间脱硫均采用这一技术。

虽然近几年铁水脱硫预处理得到发展，但对我国钢产量来说，其比例与先进国家水平相比还相差甚远。

铁水预处理脱硫主要有以下两种方法：

①机械搅拌法：机械搅拌法脱硫主要有KR 法、RS法和DO法。KR法由新日铁広畑钢铁厂研制,于1965 年投入工业生产。RS法是1969年由德国莱茵河钢铁厂的克雷默等人研制的,曼内斯曼公司安装有200t的RS装置,欧洲各国多采用此法。DO法是1966年由德国德马克公司的奥斯特伯格研制的,德国的奥古斯特蒂森冶金公司于1968年建成了95t的DO

装置。以上3种方法均利用机械搅拌作用,让铁水和脱硫剂得以充分接触,从而将硫降低到低硫或超低硫的水平,满足冶炼低硫或超低硫钢的要求。

②喷粉法：1963年,德国博克默维赖因工厂的波尔等人研制成功了铁水喷粉脱硫法, 1969年,德国奥古斯特蒂森冶金公司的米切斯纳等人成功地将铁水喷粉脱硫法应用于鱼

雷罐车,后来,新日本钢铁公司成功试制了鱼雷罐车顶喷粉脱硫法,并于1971年应用于名

古屋钢铁厂的脱硫处理,鱼雷罐车的容量达到了300t,从而解决了大批量铁水的脱硫问题。因为喷粉法具有处理能力大、反应速度快、自动化程度高、脱硫效率高、操作费用和设备费用低等特点,所以喷粉法已成为当今铁水预脱硫的主流方法。

从使用的脱硫剂使用来看:铁水脱硫预处理工艺中主要使用的脱硫剂有NaCO

3、CaC

2

、

CaO、Mg等及以其为基础的复合脱硫剂。

NaCO

3

基钠系脱硫剂。我国20世纪50年代就采用过苏打洒入高炉出铁沟脱硫的方法，苏打分解的液态氧化钠有很强的腐蚀性，氧化纳挥发污染环境。用苏打脱硫产生的渣流动性好使得除渣困难。苏打价格也相对较高。所以，苏打作为脱硫剂已经非常少见。

CaC

2 基钙系脱硫剂。电石(CaC

2

)具有很强的脱硫能力，研究表明铁水温度在1350℃

时，电石粉剂脱硫反应的平衡常数最高。电石、干煤粉、镁或氧化钙这样的复合脱硫剂

在工业中应用比较广泛，如攀钢就曾使用过CaC

2

基脱硫剂。但是电石极易与空气中的水分反应生成乙炔气体，这种气体易燃易爆，所以电石加工、运输、贮存、使用过程中的安全措施要求很高，造成加工困难。而且不能满足深脱硫的要求。

CaO基钙系脱硫剂。我国很多企业早期使用的CaO基脱硫剂主要为石灰ω(CaO)=90%

左右加萤石ω(CaF

2

)=5%～10%的混合脱硫剂。活性石灰加入萤石、Al可以显著改善脱硫效果，目前日本提供KR技术所用脱硫剂莹石约为5%，Al为10%，其余为活性石灰。石灰是非常容易得到的原料，原料充足，价格便宜，但是石灰基脱硫剂使用量大，渣量大，处理周期长，在铁水温度高时也体现高的脱硫效率。武钢二炼钢KR法脱硫在使用CaF2几年后改用CaO基脱硫剂。

Mg及Mg基脱硫剂。数据显示，[Mg]与[S]反应在1350℃没有电石、石灰脱硫反应的平衡常数高。但是金属镁和硫有极高的亲和力，反应区动力学条件非常好，反应迅速而且十分强烈。镁和铁水中的硫反应生成的MgS熔点高(2000℃)，密度低(2.82g/cm3)，容易成渣。但是金属镁活性很高，作为脱硫剂必须作钝化处理。乌克兰最早开发了金属镁脱硫技术。这种状态的镁是利用熔融状态下的液态金属镁离心分离技术，将盐液包覆在镁粒外层制成了球状颗粒，直径0.6～1.5mm。ω(Mg)>92%。镁不仅可以单独脱硫，也可以使用镁基复合脱硫剂。镁基脱硫剂使用的镁粉也是需要做钝化处理的，这种镁粉使用铣刀切削或喷雾法制成，直径在0.15～1.2mm，ω(Mg)=90%，其余为钝化涂层。将流

态性处理的氧化钙粉剂与镁粉混合，保证浓相输送通畅。镁与石灰的复合脱硫剂脱硫反应机理如下：由于石灰的加入，氧化钙粉裹包并离散镁粉使之均匀分布在铁水中，既扩大其反应区域，又减缓镁的气化速度，提高镁的利用率；CaO可以作为复合物的核心把细小的MgS(1～5μm)聚合起来，加快夹杂物上浮，不断降低反映区域内硫的浓度，提高脱硫速度，有利于实现快速深脱硫的要求；硫与CaO、SiO2等生成热力学稳定性高的硅酸钙盐类，被固定在渣中，经扒渣除去不易回硫；而且约10%质量分数的氧化钙粉参与脱硫反应；这种脱硫渣中的硫不易被水溶解洗涤出来，不污染环境，为渣的便利处理或开发利用创造了条件。

KR法的关键设备是搅拌头及其提升旋转机构，它是需要变压变频控制的，其液压系统仍需要引进，设备复杂并且较为庞大，一次性投资较大。搅拌头是价格不匪的消耗件，它的维修制造需要费用和时间。处理过程渣量大。由于提高搅拌速度可促进脱硫反应，加强搅拌，会使铁水温降较大，这就对铁水温度要求就比较高。

单吹颗粒镁工艺的核心是针对铁水条件实现颗粒镁用量的精确计算和精确给料，实现喷吹及颗粒镁在铁水脱硫反应中的充分利用和平稳进行。关键设备是计量给料罐及其控制系统。处理过程铁水温降小，渣量少。但是这种工艺的喷枪寿命较低，维修比较麻烦，喷枪系统设备较为复杂，需要两支喷枪实现在线横移快速换枪。喷枪在喷吹时采用1个液压夹持器来避免喷枪震动。由于渣量少，并且渣较稀，扒渣操作较为困难，不容易快速扒掉脱硫渣，易造成回硫。特别是大批量生产超低硫钢时，回硫问题会十分严重，虽然有些厂采取了撒稠渣剂等措施，但效果不尽人意。

镁基复合喷吹设备一次性投资与单吹颗粒镁喷吹工艺相差不大。这种技术的核心是粉剂的最佳配比，粉剂的流态化程度，粉剂在线混合的均匀性，不同粉剂的喷吹速度的精确控制和调节，关键设备是喷吹罐及下料喉口调节阀。实际生产中，铁水条件很不稳定，针对每罐铁水的喷吹模型选择及对喷吹设备的精确控制非常重要，这是保证以最经济的粉剂消耗来达到脱硫目的的关键所在。镁基复合喷吹可以使用不同的镁和石灰的配比，也可以单独喷吹石灰，温降小，产生的渣子容易扒除，不易产生回硫现象。

近几年国内普遍采用的铁水脱硫预处理工艺是KR法，单吹颗粒镁，镁基复合喷吹等，考虑到技术和成本的因素，复合喷吹得到了很广泛的发展。

1.1.2我国转炉炼钢技术现状

1952年氧气顶吹转炉在奥地利林茨·道纳维茨Linz Donawitz 钢厂诞生，简称LD。1964年我国第一家氧气顶吹转炉炼钢厂在首钢建成投产，同时太钢从奥钢联引进了2

台50 t氧气顶吹转炉，我国的氧气顶吹转炉炼钢进入了发展的初始阶段。1971年我国设计制造的容量120 t的大型转炉炼钢厂在攀钢顺利建成投产。1985年宝钢首次从国外引进的300 t大型转炉项目建成投产。20世纪90年代中、后期，又在宝钢二炼钢厂、武钢三炼钢厂、鞍钢三炼钢厂、首钢炼钢厂先后建成投产了180t、210t、250t大型氧气顶底复吹转炉，从此我国转炉炼钢进入了高速发展期。其发展现状可以概括为以下几个方面：

①转炉钢产量

1999年我国转炉钢产量突破1亿t，达到10247.2万吨，占全国钢产量比重上升到82.7%。2006年我国转炉钢产量达4亿吨。

②转炉冶炼新钢种的开发与高附加值钢种的增长

近年来我国汽车、造船、集装箱、石化、电工等行业对优质钢需求旺盛,因此高附加值钢种产量大幅度增长，同时新钢种数量不断增加，如低合金、微合金化高强度钢，管线钢，耐候钢，双相钢，特殊钢等。

③转炉生产工艺进一步优化

为提高钢质量和扩大冶炼钢种，原有大、中型转炉炼钢厂都相继增建了铁水脱硫装置及二次精炼装置。近年来新建的转炉炼钢厂普遍配置了全量铁水脱硫装置，并根据冶炼钢种要求配置了炉外精炼装置，从而为生产高附加值钢种提供了有利条件。近年来转炉二次精炼比已大幅度提高，2006年我国转炉炼钢精炼比超过30％。

④转炉自动化水平不断提高

大、中型转炉炼钢厂一般均采用了基础自动化和过程计算机控制系统，有些大中型转炉钢厂还设置了管理计算机系统。另外在一些有条件的大型转炉炼钢厂增设了副枪装置或炉气自动分析仪，以此为检测手段实现了计算机动态模型控制，从而提高了转炉终点命中率，改善了转炉作业指标[3]。

⑤转炉消耗指标逐步降低

我国高炉生产能力的大幅度增长,可为转炉炼钢提供了充裕的铁水，又由于我国废钢资源短缺，故转炉炼钢炉料铁水比高而废钢比较低，这为转炉冶炼纯净钢和提高钢的质量提供了良好条件。

增加转炉煤气和蒸汽回收,钢渣二次利用,以及采用双预热钢包蓄热式烘烤器等,使炼钢能耗明显降低。继宝钢300t转炉后,武钢三炼钢250t转炉和宝钢二炼钢250t转炉相继实现了负能炼钢。2001 年武钢三炼钢转炉工序能耗降低到-6.37kg/t,转炉烟气热量回收率为91.2% ,吨钢煤气回收量为112.33m3,吨钢蒸汽回收量为108kg,炉衬砖消耗从

1.36kg/t 降至0.21kg/t,使全炉役耐火材料消耗保持在0.7kg/t左右。此外, 武钢250t 转炉通过实施计算机炼钢技术,终渣全铁含量明显降低, 吹炼氧气消耗量由56. 69m3/t 降低到50.89m3/t。

溅渣护炉技术的普遍推广，炉衬材质的进一步改善，对炉体维护的加强以及转炉操作水平的不断改进，从而使转炉炉龄大幅度提高，耐火材料消耗降低。我国转炉炉龄已达到国际先进水平。2004 年,全国转炉平均炉龄4674 炉。2004 年2 月武钢再次创造了30368次我国最高转炉炉龄纪录,复吹比达100% ,全程底部供气元件不更换。

现代发展的复吹转炉具有如下优点:

(1) 熔池内钢水成分和温度均匀快。从底部供气元件吹入气体,增加了熔池的搅拌能,使熔池内钢水成分和温度均匀快。

(2) 改善吹炼操作条件。通过底吹气体搅拌,使吹炼平稳。钢中含氧量有所降低, 渣中FeO 减少,喷溅减少,终点命中率高。

(3) 转炉吹炼终点锰收得率有所提高。由于复吹转炉吹炼终点钢水中的氧和渣中的FeO 有所降低, 所以钢水的锰收得率有所提高。

(4) 复吹炼钢钢水含氧量有所降低。

(5) 脱碳效率有所提高。由于底吹气体的强搅拌,使钢水中C含量和O含量反应接近在平衡状态下进行,使脱碳效率有所提高,有利于生产低碳钢。

(6) 与顶吹转炉相比,吨钢生产成本降低约6元。

(7) 复吹法对原料的适应性强,与底吹转炉相比,冶炼中、高碳钢能力强；与顶吹转炉相比,冶炼低碳钢能力强。

1.1.3炉外精炼技术现状

把常规炼钢炉中药完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、脱磷、去除气体和夹杂物、调整钢的成分和温度等，移到钢包或专用容器中进行，称之为炉外精炼，也叫做二次冶金或钢包冶金。经济有效的炉外处理技术，不仅是钢铁产品最终质量保证的重要基础，也是整个钢铁生产流程高效、稳定、顺行的保证。当今炉外处理技术与氧气顶吹转炉、超高功率电炉、连铸与近终形连铸连轧一起被誉为钢铁生产具有流程革命意义的四大技术，它们之间互相依存，互相促进，同步发展，共同奠定了现代钢铁生产的技术基础。

1933年，法国佩兰（R.Perrin)应用高碱度合成渣，对钢液进行“渣洗脱硫”—现代炉外精炼技术的萌芽；50年代产生了真空处理技术。60－70年代，高质量钢种的要求，产生了各种精炼方法；80－90年代，连铸的发展，炉外精炼为连铸坯对质量的要求及炼

钢炉与连铸的衔接服务；21世纪，炉外精炼用于更高节奏及超级钢的生产。

我国炉外处理技术的开发应用始于50年代中后期至60年代中期。

60年代中期至70年代，我国特钢企业和机电、军工行业钢水精炼技术的应用和开发有了一定的发展，并引进了一批真空精炼设备(如武钢的RH)。还消化吸收及试制了一批国产的真空处理设备，钢水吹氩精炼也在首钢等企业首先投入了生产应用。

80年代，国产的LF钢包精炼炉，合金包芯线喂线设备与技术，铁水喷粉脱硫，钢水喷粉精炼技术得到了初步的发展。80年代是为我国炉外处理技术发展奠定基础的时期，已从一些先进的示范工厂中，看清楚了炉外处理技术对推动我国钢铁工业生产流程优化的重大作用。

90年代初，与世界发展趋势相同，我国炉外处理技术随着现代电炉流程的发展以及连铸生产的增长和对钢铁产品质量日益严格的要求，得到了迅速的发展，装备数量增加，处理量也持续增长，到1998年均达20%以上。此外，经吹氩、喂丝处理的钢水已占65%。90年代以来，我国炉外处理技术的开发及在生产中的应用，与过去相比，呈现出了系统化、规范化、有效化的良好势头。

由于炉外精炼技术是数十种具体方法的统称，而各种具体方法的冶金功能、设备结构、操作方法等方面都各有不同。

回顾20世纪炉外精炼工艺技术的诞生和发展历史，可以预言:在21世纪，炉外精炼作为最重要的炼钢生产工序，将会得到进一步地发展。新世纪炉外精炼技术的发展趋势表现为：

（1）真空精炼技术将会更普遍地应用,进一步提高钢水真空精炼的比例。随着钢材纯净度的日益提高，要求真空处理的钢种逐渐增多，真空精炼技术的应用将更加普遍。最近，日本新改建的面向21世纪的炼钢厂已明确提出:全部钢水100 %进行真空处理的发展目标。因此，21世纪真空冶金和真空精炼技术将会进一步发展。

（2）炉外处理设备将实现“多功能化”。在一台钢水精炼设备中将渣洗精炼、真空冶金、搅拌与喷粉工艺以及加热控温功能全部组合起来，实现多功能精炼，以满足超纯净钢生产的社会需求。

（3）炉外精炼工艺进一步实现高效化和高速化。目前，转炉和连铸工艺的发展均以高速化为目标，采用高速吹炼和高拉速工艺，提高设备的生产效率，加快生产节奏，缩短生产周期。在此条件下，精炼往往成为炼钢生产流程中的“瓶颈”。特别是LF工艺，受升温速度的限制，生产节奏已很难适应高效转炉或高速连铸的要求。因此，如何

进一步提高炉外处理设备的加热功率和精炼速度，缩短精炼周期，将是21世纪炉外处理工艺发展的重要课题。

（4）在线配备快速分析设施。21世纪对钢材成分的控制将更加严格，炉外精炼作为最终钢水成分控制的工序，为缩短精炼周期，需在线配备快速分析设备，实现数据联网，减少等待时间。

（5）实现炉外精炼工艺的智能化控制。主要内容包括：准确预报钢水精炼的终点

、搅拌、加料、合成分与温度，选择最佳的精炼工艺并利用计算机控制精炼过程中吹O

2

金调整与钢水加热和温度控制等操作。

1.1.4 连铸技术现状

连铸取代模铸是钢铁工艺的三大变革之一。连铸生产主要工业流程为：钢包—中间包—结晶器—二次冷却—拉坯矫直—切割—铸坯—压后轧制。相对而言简化了铸坯生产的工艺流程，省去模铸工艺中脱模、整模、钢锭均匀加热和开坯工序。随着连铸技术的发展,采用方(圆) 坯连铸机生产的铸坯生产条形产品,采用厚度150～250 mm 连铸板坯生产板材的技术已逐渐成熟,但存在着从铸坯至最终产品间加工量较大、工序复杂、能耗大、生产周期长、成本较高、劳动强度大等问题[4]当今世界能源日益紧张，为进一步降低能耗，提高钢铁产品质量，对材料的加工成形技术提出了更高的要求，因而发展出了近终形连铸技术, 近终形连铸技术的一系列优点正好弥补了这种不足,被誉为冶金科技的一项重大变革,是当今国际冶金界的一个热点[5-6]。它能将连续铸造、轧制,甚至热处理融为一体,设备投资减少、生产工序简化、生产周期缩短、产品成本显著降低,且产品质量不亚于传统工艺[7-10]。

20世纪50年代中期当连铸技术在前苏联、英国等国进入工业性试验阶段时，我国即着手进行试验研究工作。1956年我国在当时的重工业部钢铁综合研究所建成了直径80 mm的圆坯半连铸试验装置；1957年在上海钢铁公司中心试验室建成一台高架立式方坯连铸机；1958年在唐山钢铁厂建成了第一台工业生产的立式连铸机，同年在重庆第三钢铁厂建成投产一台两机两流，浇铸175 mm×250 mm矩形坯的立式连铸机；1960年在唐山钢铁厂建成一机一流，浇铸150 mm×150 mm小方坯的立式连铸机。

虽然我国是连铸生产起步较早的国家，但由于20世纪50年代～70年代我国的炼钢厂以平炉炼钢为主，平炉炼钢生产节奏慢，不适应连铸生产；另外，我国发展的连铸机型大多为立式连铸机，生产效率低。因此，我国连铸生产的发展极其缓慢，到1978年我国的钢产量为3178万t，其中平炉钢1127万t，占总钢产量的35.46%，连铸比仅为

3.5%。为了改变我国连铸生产发展的落后状况，1974年，我国从原西德施罗德—西马克和德马克公司引进了3套弧形板坯连铸机；1980年，我国又与原西德曼内斯曼—德马克公司签定了引进小方坯连铸设备及技术转让与合作制造合同，在国内增建一批旨在浇铸90 mm×90 mm，120 mm×120 mm及150 mm×150 mm供成品轧机一火成材使用的小方坯连铸机。这些引进的具有国际先进水平的连铸机，装备水平高，为我国消化引进连铸技术提高连铸技术水平，开辟了新的途径，大大促进了我连铸生产的发展。同时为了加快连铸生产的发展，我国从20世纪80年代起加快了淘汰平炉炼钢的步伐。我国的连铸机从1978年的不足40台发展到2004年初的550台，成为世界上最庞大的连铸机群，连铸比达到96%以上，大部分钢铁企业实现了全连铸。

近20年来，我国的连铸技术发展迅猛，在成熟生产技术的应用、新技术的开发、应用基础研究等方面都发展得很快，连铸机保有量和连铸坯产量已占世界第一(2004年连铸比达到96 %)。与我国钢铁工业在世界上的地位一样，我国是一个连铸生产大国，但不是一个连铸技术大国[11]。

最近几年，也是我国连铸技术快速发展的时期。利用以高质量铸坯为基础、高拉速为核心，实现高连浇率、高作业率的高效连铸技术，对现有连铸机的技术改造取得了很大进展，采用国产技术的第一台高效板坯连铸机已在攀钢投产。至2003年底，我国高效、较高效连铸机累计已达75%以上，目前新建的连铸机一般也均为高效或较高效连铸机，而且我国在高效连铸技术小方坯领域已跻身世界先进行列。除此之外，邯钢、珠江钢厂、包钢、唐钢、马钢、涟源钢厂引进了近终形薄板坯连铸连轧生产线。马钢三炼钢的异形坯（型钢）连铸机投产后，创造了巨大的经济效益。据统计，到年初，我国在生产的连铸机累计已超过550台，连铸比达96%，大部分钢铁企业实现了全连铸。

与模铸坯工艺相比,连铸工艺具有如下优点:

①简化了铸坯生产的工艺流程,省去了模铸工艺的脱模、整模、钢锭均热和开坯工序。流程基建投资可节省40%,占地面积可减少30%,操作费用可节省40%,耐火材料的消耗可减少15%。

②提高了金属收得率,集中表现在两方面一是大幅度减少了钢坯的切头切尾损失;二是可生产出的铸坯最接近最终产品形状,省去了模铸工艺的加热开坯工序,减少金属损失。总体讲,连铸造工艺相对模铸工艺可提高金属收得率约9%。

③降低了生产过程能耗,采用连铸工艺,可省去钢锭开坯均热炉的燃动力消耗。可节省能耗1/4～1/2。

④提高了生产过程的机械化、自动化水平,节省了劳动力,为提高劳动生产率创造了有利条件,并可进行企业的现代化管理升级。

连铸技术现在已经发展的非常成熟，在未来几年里发展方向可体现在以下几方面：（1）近终形连铸：德国SMS于1989年在纽柯安装了薄板坯连铸机。这台连铸机上的漏斗形结晶器是新鲜事物, 其余结构与普通连铸机相似。这推动了薄板坯连铸机在全球范围的工业化进程, 产品厚度介于40～70mm , 正常拉坯速515m/min。1999 年, 纽柯、BHP 和IHI 发起了Castrip 工艺的工业化进程, 蒂森克虏伯、于齐诺尔和VAI 的Eurodtrip 也开始用钢水直接浇铸带钢。

（2）结晶器形状的变化：结晶器是连铸机的心脏,其设计结构决定了拉坯速度和

生产率。若提高拉速增大产率, 则需要结晶器有适宜的几何形状来改善传热效果、降低摩擦力。大板坯连铸机的直结晶器: 使用直结晶器比传统弧形结晶器更能让铸坯与结晶器间均匀接触, 使坯壳均匀、快速地生长, 降低了漏钢的风险, 而且, 非金属夹杂物能上升到钢液面, 使得板坯具有优秀的内部质量。小方坯连铸机的多级结晶器: 现已证实, 多级结晶器能有效降低高速小方坯连铸机的漏钢率。其结构组成为一个初级管式结晶器和一个采用刚性连接的长320mm 的第2段。锥形结晶器: 锥形结晶器可用于大方坯、小

方坯和大板坯连铸机。大方坯和小方坯连铸机抛物面结晶器的引入是连铸发展史的转折点。结晶器锥度与钢种和拉坯速度有关。铸坯在高速连铸机结晶器内的停留时间非常短, 坯壳必须有足够的厚度和强度来承受钢水静压力。因此, 考虑到铸坯收缩, 要使铸坯和结晶器保持良好接触, 结晶器管的各段要设计多个锥度。小方坯连铸机结晶器长度: 高速小方坯连铸机的结晶器总长比普通结晶器延长了900mm , 因此增加了钢水在结晶器内的停留时间, 提高了坯亮强度。

（3）结晶器液压振动装置：结晶器液压振动装置采用两个液压缸驱动,每个液压缸都装有伺服阀,按照预先设定值控制结晶器周期性运动。该系统的特征是振动曲线的在

线控制、冲程可变、多种频率、结晶器擦力小、铸坯振痕浅、生产安全性高和维护量低等。大板坯连铸机的三角波振动:为促进坯壳生长而需要结果器振动,故需要合理化结晶器的上下振动来降低坯壳应力、充分发挥保护渣的润滑作用。

在正弦振动装置上,最大的问题是高频段短程振动机构的正行程时间短。三角波振

动模式的振动速度可以调节,能使向上运动的周期比向下运动长。正行程时间的延长,

缩减了坯壳与结晶器之间的相对运动,进而减少了时间短的负周期内的摩擦,减轻了振痕。

（4）电磁搅拌：连铸坯组织为较外层柱状晶区为中心等轴晶区所包围,柱状晶的长度直接受过热度影响，为限制柱状晶区，中间包内钢水温度应接近液相线温度, EMS (电磁搅拌) 能限制柱晶结晶,促进细小规则等轴晶形成。搅拌器的工作原理包括磁场的产生,磁场穿透凝固壳,在钢液中感应出傅科勒特电流。这种感应电流和磁感应产生一个电磁力,使液态金属产生运动。通过对流促进液固钢之间的热交换,消除残余过热,导致凝固前沿的热梯度减小,柱状晶生长条件不复存在。这些运动导致柱状晶枝晶重熔和断裂, 形成更多的等轴晶。根据需要搅拌器可放于结晶器或结晶器之下。对大方坯和小方坯连铸机, EMS可提减少合金偏析、渣坑和针孔,其主要优点是通过增大等轴晶区提高内部质量,减少枝晶搭桥,阻止中心气孔和中心偏析。为进一步降低偏析,可在二冷区下部安装EMS,通过搅拌中心未凝固钢液,均匀成分,减少中心线偏析发生。搅拌器类型应根据浇铸产品的冶金要求和搅拌参数如强度、频率、磁场方向等进行选择,而且,设计和位置应慎重考虑。电磁搅拌改变了弯月面形状,减慢了弯月面钢液凝固,导致弯月面附近液体流动。在板坯连铸中,一种AC 和DC 双重感应磁场技术被用于进行弯月面控制,另有一种改进的电磁搅拌闸用于控制结晶器自然流动形式。

（5）轻压下:大方坯和板坯连铸机轻压下的目的是减少铸坯的中心偏析。采用调整拉坯段的锥度,对出结晶器后的铸坯采用外加机械压力减轻中心疏松、偏析、化学成分不均匀性。通过阻止凝固搭桥,促进粘稠钢液运动,补偿热收缩。轻压下参数取决于铸机布置、铸速、钢的化学成分、钢水过热度及铸坯二次冷却。改进的动态辊缝调整技术可适应拉坯过程中浇铸参数的变化。

（6）连铸自动化:二级自动化系统能改善质量和提高生产率,连铸工艺和质量自动控制系统包括结晶器液面控制、铸坯锥度控制、速度控制数学模型、喷水冷却系统和长度切割优化等。

1.2炼钢发展的方向

当代转炉钢厂的中心目标，是“节能、降耗、环保、提高生产效率、提高产品质量”,各种先进技术的采用也是围绕这个目标而开展的。

1.2.1发挥现有铁水预处理装置能力

转炉炼钢厂已建成铁水脱硫装置的生产能力已高达3691万t，但2000年实际经脱硫处理的铁水为1575.28万t，仅占现有铁水脱硫能力的42.6 %，现在国家规定新建钢厂必须都要有铁水预处理车间，为提高钢的质量及降低消耗应充分发挥现有铁水脱硫装

置的生产能力。

1.2.2转炉要进一步大容量化

至2000年我国≤20 t容量的转炉仍多达106座，占转炉座数的50 %，小转炉钢产量仍占转炉钢产量的28 %。在最近几年里，我国逐渐淘汰小型转炉，使转炉炼钢以高效率、节能、环保的宗旨下生产。

1.2.3发挥现有炉外精炼装置能力

2004年转炉钢经炉外精炼处理的比率约为40%，随着市场对钢质量要求的不断提高，转炉钢炉外精炼的比率亦应进一步提高。在我国现有的炉外精炼装置上，应尽可能生产特殊钢、纯净钢等钢种。

1.2.4发展高效连铸技术

近终形连铸为后续的轧钢省去了很多工作，所以我国应进一步发展高效连铸技术，推广近终形连铸技术，增加连铸钢种,提高铸坯质量，提高自动化控制水平，建立与选取高精度的连铸过程数学模型，提高连铸综合管理水平，积极采用连铸新工艺、新成果。

1.2.5消耗指标需进一步降低

为进一步降低消耗，有条件的转炉钢厂应建设转炉煤气净化回收装置，以回收二次能源，降低转炉工序的能耗指标，如以每吨钢平均回收转炉煤气80m3计算，则吨钢可回收能源折合标煤22.8kg，可使转炉工序能耗大幅度降低。2000年我国仅有28座转炉钢厂进行煤气回收，每吨钢平均煤气回收量仅为35 m3，仍有待提高。2000年重点转炉平均每吨钢耗氧64m3，有些钢厂则高达70~80 m3，少数先进钢厂仅为53m3，因此降低转炉吹炼用氧仍有潜力。2000年重点转炉钢厂每吨钢的钢铁料消耗为1094 kg，有些钢厂则高达1140 kg，一些转炉钢厂仍需进一步降低钢铁料消耗。2001年我国转炉炉衬寿命平均为3503炉，仍属偏低水平。而武钢一炼钢厂2号100t转炉复吹转炉2007年最大经济炉龄炉衬寿命已达21162炉，处于国内领先水平。其中武钢第二炼钢厂3号复吹转炉2001年创造了炉衬寿命22766炉的世界记录。因此一些转炉钢厂应认真吸取武钢经险，进一步提高炉衬寿命，降低炉衬耐材消耗。

1.2.6提高技术装备水平

我国部分转炉钢厂工艺装备及自动化控制水平偏低，有待优化工艺，并适当提高自动化控制水平，以利于提高钢的质量。同时转炉技术改造要考虑到炼铁、轧钢前后工序的平衡，以形成综合生产能力。

1.3 设计原则

1.3.1设备大型化

本方案计划新建复合型炼钢厂，设计年产300万吨合连铸坯，就目前而言，发挥炼钢、轧钢系统的综合经济效益。设备大型化、现代化的优势表现在以下几方面：采用先进、可靠、经济的新技术，以提高炼钢系统自动化水平，和冶炼的终点命中率；设备大型化还可以与中厚板更好的结合，进行一体化布置，实现热装热送新工艺。达到降低能耗、低成本运营的经济效果；设备大型化，可以实现一对一组织生产，便于组织和控制；可以满足同炉号大批量生产。且钢水成分、温度波动小，可降低连铸的操作难度，提高产品质量。

1.3.2前后单一匹配工序

本方案中普碳钢、优质碳素结构钢、合金结构钢由“LEB 转炉一LF 钢包精炼炉一板坯连铸机”生产线组织生产，硅钢由“LEB 转炉一LF 钢包精炼炉一RH 精炼炉一板坯连铸机”生产线组织生产，前后工艺完全可实现单一匹配，设备及工艺专一，便于有效组织生产。

1.3.3工艺路线

图1.1 工艺路线

1.3.4适应新钢种发展的要求

本复合型炼钢厂方案设计拥有与LF 钢包精炼炉及RH 真空精炼设备及其附属设备。