年产30万吨不锈钢的GOR转炉车间施工设计介绍

摘 要：通过对国内一座50tGOR转炉施工设计的简要介绍，阐述了GOR转炉的基本结构、工作原理、工艺的优 势，以及冶炼不同品种不锈钢的技术经济指标，可以认为这是一种节省投资、冶炼成本低、钢水质量好 的先进工艺技术，与国内目前普遍采用的其他不锈钢精炼工艺相比，具有比较强的市场竞争力。

国内一家不锈钢公司经过考察和对比，确定建设一座50tGOR转炉作为30万t/a不锈钢炼钢车间的精炼炉。这个车间采用一座 50t电炉和一座50tGOR转炉二步法冶炼ASTMA276-92标准规定 的201(1Cr17Mn6Ni5N)、304(0Cr18Ni9)等不锈钢钢种，钢水经一套国产的板坯连铸机浇铸成板 坯。该公司委托冶金工业规划研究院和乌克兰钛设计院承担GOR 转炉车间的设计、试车指导及生产20炉合格不锈钢(成分和温度合格率达到100%) 的任务。GOR转炉精炼技术是前苏联的第聂伯尔冶金 学院和钢铁研究院合作开发的一种不锈钢冶炼工艺，目前乌克兰全国的不锈钢钢材都是用这种炉子生产的钢坯轧制的。
这种工艺是前苏联的专利技术（乌克兰独立后， 被批准为乌克兰的专利技术）。这次设计借鉴了扎波罗什特钢厂 50tGOR转炉15年的生产经验。由于中国冶炼不锈钢的原材料构成与乌克兰有很大 差异，并且计算机技术的发展使这种工艺更容易实现冶炼过程的自动化控制，因而设计中进行了 多项改进。改进后的GOR转炉是采用多种能源介质吹炼的底吹转炉，通过供气管路可以灵活地向 熔池吹入氧气、氮气、氩气、天然气（或其他碳氢化合物）或其不同比例的混合气体。这种工艺 具有如下一些优点：
冶炼周期为40～60min，高的生产率使这 种工艺能做到以一当二，从而可以降低投资；
工艺过程具有高的灵活性,可以用废钢和高碳铁合金，也可以用100%的不锈废钢（不另加 合金）来冶炼不锈钢；
根据成品钢中碳含量要求不同，氩气消耗 为6～13.5m3/t；这种工艺不但可以冶炼任何一种国际标准 的不锈钢，还适用冶炼 高级合金钢、低合金钢和碳素钢；
GOR转炉可以很容易地实现合理的温度制 度和造渣制度，包括5t的小转炉也没有发生热量不足的困难；
特殊的出钢口设置可以准确地控制进入钢 包的渣量，可提高钛等容易氧化的合金元素的合金化效率，也有利于对成品钢水进行调质；
通过吹入氮气准确地控制含氮钢中的氮含 量，精确度为±0.01%（质量）；
炉龄高，降低了耐火材料消耗；
在最低氧化性条件下实现深度脱气，降低 铅、锡等有色金属含量；容易实现工艺过程再现，方便地实现工艺 过程自动控制。

                                   表1　GOR转炉冶炼的主要钢种成分/% 

1、施工设计的主要内容：
年产30万t不锈钢的GOR转炉生产车间施工 设计主要包括GOR转炉、散料上料系统、能源介质供应系统、工艺过程自控系统及主要工艺设备 （钢包渣包车、倒转钢包、浇铸钢包、千斤顶小车、伸缩提升小车）。

2、主要技术决定
2.1 生产钢种、原材料消耗
不锈钢（钢水）年产量30万t；
冶炼钢种见表1；
供应初炼钢水（在50t电弧炉中熔化的高合 金熔融金属）由国内的设计院完成，对初炼钢水的要求：P]<0.03%，[C]不限制（实 际为2.2%），[Si]、[Mn]、[Cr]、[Ni]按不同钢种在操作规程中给 出，[S]＜0.045%；温度无特殊要求，但要保证全部初炼钢水都能兑入转炉；在倒转钢包中应保证 电炉渣量为最小。
3、冶炼周期（从兑初炼钢水到兑初炼钢水） 最长不超过60min；主要原材料及能源介质的综合单耗（含电 炉冶炼）因钢种不同而有差异(表2)；

转炉采用的能源介质：
氧 气 压力1.0～1.2MPa，耗量（最大）7500m³/h      
氩 气 压力1.0～1.2MPa，耗量（最大）3600m³/h
氮 气 压力1.0～1.2MPa，耗量（最大）3600m³/h
天然气 压力0.5～0.6MPa，耗量（最大）1000m ³/h

精炼过程中从转炉逸出的含尘烟气的成 分、温度及尘粒的粒度构成在初步设计中已经给出，烟气需要经除尘后排放；
精炼过程形成的炉渣量为70～100kg/t钢,
化学成本已经在初步设计中给出。

2.2 配置方面的决定
GOR转炉车间的有关设备全部布置在主厂房 内36m×54m的区域内；
转炉有独立的基础，转炉倾动轴线标高 +8.600m，转炉的主要工作平台标高+7.500m，转炉四周有密封挡板；
用大倾角皮带机将料运至高位料仓，高位 料仓带有溜槽，用于将料装入转炉，其标高为+14.800m；
在主工作平台下面，布置能源介质供应系 统；
千斤顶小车用于更换炉底，伸缩提升机用 于修炉；
在炉前布置工艺过程控制室（包括主控台 室、PLC室、检测仪表室、电气室、MCC—电机控制中心室）。

2.3 工艺过程的描述
冶炼工艺过程（包括供气、散料上料等）由 主操纵台进行控制。设有现场操纵台，但只有主操纵台发出允许指令后才能进行操纵。
不锈钢的冶炼工艺过程是通过电弧炉—GOR 转炉双联法来实现的。
50t电弧炉只用于熔化初炼钢水并加温到必 要的温度。使用容量为60t的倒转钢包转运，在钢包内取样、称重、测温，测温结果、初炼钢水重 量以及快速化学分析的成分均传至GOR转炉主操纵台，然后用吊车转运至GOR转炉工段。
在主操纵台将初炼钢水温度、重量及其化 学成分等信息输入到工艺过程自控系统的数据库中，计算机自动计算精炼过程参数。用桥式吊车 将初炼钢水兑入GOR转炉，在兑入初炼钢水之前,向GOR转炉加入必要数量的石灰及冷料(铁合金、 废钢等)。向GOR转炉加入的散料（造渣剂、还原剂、合金料）存放在散料上料系统的料仓之中， 将散料装入料仓通过吊车及活底料斗来实现，为了检测高位料仓中物料的料位，在料仓中装有雷 达料位仪，从这个系统加入炉内的原料种类和数量输入到工艺过程自控系统，参与精炼过程参数 的进一步计算。
GOR转炉通过安装在转炉底部的三个套管式喷嘴向转炉内吹入某种气体或其不同比例的混 合气体，用于底吹的气体有氧气、氩气、氮气、天然气（或其他碳氢化合物）。向转炉底部供气 是通过转炉的空心耳轴来实现，分别由喷嘴的中心管及环缝管向炉内喷入。通过计算机控制供应 能源介质的阀门组，使向GOR转炉供气实现自动化。
精炼过程分三个阶段进行：第一阶段吹氧气，由天然气保护；第二阶段 吹入氧、氩混合气体；第三阶段向转炉熔池吹入纯氩气。根据钢种不同，选择特定的自动化程 序，自动控制冶炼过程。在第一阶段结束时和在出钢之前取样送化验室分析。化验分析的结果和 钢水温度的信息进入工艺过程自控系统的PLC，必要时可对计算程序进行修正。在GOR转炉精炼过程中，要加入脱氧剂及合 金化材料，这一作业也是通过“散料供应系统”来实现的，散料供应系统可以实现在冶炼过程中 连续地向炉内加料。在精炼结束时，确认快速化学分析的结果 与目标钢种的成分相符、温度合格后，将钢水出到浇铸钢包内。出钢作业完成后进行出渣作业。
为了加速修炉工作，将炉底和炉帽做成可 更换的形式。为了实现修炉工作机械化，设计了专用设备：千斤顶小车和伸缩提升机。
根据不同冶炼钢种，制定详细的工艺操作规 程，还制定了安全生产技术要求，这些都必须认真执行。

3、检测仪表及自动化
3.1 工艺过程自控系统的任务及目的
工艺过程自控系统用于对GOR转炉生产不 锈钢的冶炼过程进行自动控制。
建立本系统的目的是：通过自动控制吹 炼，保证所生产的钢符合设定目标，保证工艺过程的再现性；能源介质的单耗及合金料单耗最经 济；保证工艺人员及时得到冶炼过程的实时信息以及主要设备状态的信息；建立熔炼记录数据库 以备长期保存和分析工艺信息。
工艺过程自控系统的设计，考虑了投产后可 以根据市场的需求，方便地增加其他钢种的冶炼控制程序。

3.2 主要技术要求
3.2.1 自动化功能
选择了GOR转炉工艺过程自控系统的两级功能结构。
下一级（控制器及检测仪表系统）按照操作 人员提出的任务控制冶炼过程、检测工艺参数和设备工作状态，将信息传送到上一级。
上一级（操作站）对下一级传送来的信息进 行加工，并以表格或模拟图等形式反映在显示屏上，形成工艺参数状态及偏差的通道，发出调整 工艺过程的建议，将信息转达到下一级，打印报告文件，或建立磁盘文件。
GOR转炉工艺自控系统包括：“吹炼”分系 统——检测和控制吹炼制度；“合金化”分系统——检测和控制造渣及合金化；“设备检测”分 系统——检测工艺设备及自控设备的工作状态；“接口”分系统 ——组织人—机接口；“文件”分系统——组织熔炼记录及信息存档。

①“吹炼”分系统的任务
检测能源介质参数及供气管路状况；
根据冶炼钢种、初炼钢水及金属料的总重 量,以及熔融金属的状态,按炉进行吹炼程序计算；
根据所做的计算及倒炉时取样分析的结 果，对吹炼熔融金属进行自动控制。

②“合金化”分系统的任务
·检测散料及合金称量和上料路径上的机械 状态，检测供给转炉至钢包的材料种类及数量；
·计算每炉的造渣料、脱氧剂和合金化材料 所需数量；
·自动控制向转炉或向浇铸钢包供应造渣 料、还原料和合金化材料的称量及加料作业。

③“设备检测”分系统的任务
·检测电气设备的状态是否完好；
·检测自动化设备的完好性（控制器，系统 内部通讯）；
·工艺参数在显示屏以模拟图的方式显示， 操作人员输入指令，并对指令进行加工；
·生成工艺过程及事故方面的报告。

④“文件”分系统的任务
·生成生产过程的熔炼记录；
·生成并服务于熔炼记录的存档。系统内部信息通讯联系通过局部网来实现。 或以传递速度能保证GOR转炉工艺自控系统功能、顺序的多个接口为基础。

3.2.2 数学保证
GOR转炉工艺自控系统的数学保证以下列原 则为基础：
·广泛采用对所用信息进行防干扰的数学方 法，如过滤、平滑、可信度分析、误差及逻辑检验等等；
·采用统一的检测与控制的算法；
·在控制的算法中采用能与工艺过程中变化 着的条件相适应的适配模型方法。

3.2.3 信息保证
GOR转炉工艺自控系统的信息保证包括：
·安装在控制工艺对象上的传感器发出的输 入信号，来自操纵台控制开关及按钮的输入信号，进入可编程序逻辑控制器输入组件的信号；
·从操纵人员来的控制指令及数据，作为输 入信号；
·从可编程序逻辑控制器输出组件来的、向执行机构发出的输出信号；
·输出文件。

3.2.4 软件保证
GOR转炉工艺自控系统的软件包括系统（基 础）软件和应用软件。
可编程序控制器的系统软件保证包括：控制 器操作系统，系统功能及功能模块的存储，采用STEP 7系统作为可编程序控制器的编程系统。
工作站的软件系统包括Windows 2000的操作系统及SCADA-WIN CC系统。
在编制设计文件过程中，建立应用软件。为了更好地培训中国的专家，应用软件的编制在工厂进行。

3.2.5 技术保证
在上一级工艺自控系统考虑两个工作站，一 个工程师站。他们之间相互联系，同时用局部网与可编程序控制器PLC联系（采用Gndustrial Ethernet）。
转炉操纵台上备有两台18英寸的LCD显示 器。
在下一级工艺自控系统有两个SIMATIC S7-400的可编程序逻辑控制器，通过从自控系统装置及传感器收集信息、数据，并进行初步加工，以及对设备的控制来实现“吹炼”分系统及“合金 化”分系统的自动化。
PLC可编程序控制器“吹炼“分系统与操作 屏的联系，以及与转炉状态传感器之间的联系是以PROFIBUS-DP网为基础来实现的。采用铂电阻温度计(美国Rosemount Inc公司产品)测量氧、氩、氮气及天然气的温度。采用美国Rosemount Inc公司的传感器测量压力及流量。
实现GOR转炉精炼过程自动控制的必要条件 之一,就是要能在很大的范围内精确地测量和调节吹炼气体的流量。要求保证流量变化范围为1∶10, 精度为0.5%。
为了保证随机对流量进行温度和压力影响值 的调整，采用绝对大气压的传感器测量气体压力。为了保证调整的高精确度，采用美国FISHE 公司的调节阀。考虑正常生产状态和事故状态的要求，确定阀门的常开或常闭。
在主操纵台设有能源介质的事故控制器，通 过这个控制器，可以将所有截断阀的控制转换为远程控制，并可在此通过操作控制台上的旋转开 关改变截止阀的状态。此外，还可以通过手控连锁和手动开关，控制向底吹喷嘴中心管和边缘环 缝的供氩流量。

4　能源供应
4.1 对能源介质的要求
用GOR法生产不锈钢时，通过一套自动控制 程序精确地控制能源介质供应，它是基于调整及检测氧、氩、氮、天然气耗量来实现的。
控制能源供应的阀门站装备有流量计、截止 阀、调节阀。
此外还需要干燥的压缩空气，Q=60m ³/h，P=0.4～0.6MPa，用于控制能源介质传送系统调 节阀和切断阀。控制散料上料系统料仓气动闸阀的压缩空气，Q=2.0m ³/h。
氧气　对氧气的物理化学指标要求为：体 积纯度不低于99.5%；在T=20℃，P=101.3kPa时，水蒸气的（质量）浓度不大于0.07g/m ³。
供气系统保证按工艺过程需要，可在很大的 范围内对氧气消耗量进行检测和调控，系统设有测量用的流量孔板，截断阀及调节阀。
氩气　纯净气态氩应具有下列物理化学指标：体积纯度不低于99.96%；氧气含量不大于 0.005%；氮气含量不大于0.04%；CO、CO₂、CnHm的含量不大于0.005%；在T=+20℃， P=101.3kPa时，水蒸气的（质量）浓度不大于0.03g/m ³。
氮气　气态氮应具有下列物理化学指标： 体积纯度不低于99.6%；氧气含量不大于0.4%；在T=+20℃，P=101.3kPa时，水蒸气（质量）浓 度不大于0.07g/m³。
天然气　天然气在吹氧脱碳阶段，作为一 种保护气体。采用的天然气热值Q≈34MJ/m³。
压缩空气  企业的空压站应带有空气干燥装置。干燥的 压缩空气用于检测仪表的控制系统以及调节阀门。

4.2 对能源介质供应系统的要求
控制能源介质供应的阀门站布置在车间内， 用网格栏栅进行空间范围的完全隔离。能源介质传感器的房间布置在阀门站旁。
对GOR转炉能源介质管线的要求如下：
在供气管线上装设有测量用的流量孔板， 截止阀和调节阀；
所有管路中均考虑切断阀；
每种能源介质的管道均设有逆止阀；
在供气联管通向GOR转炉时,设置火焰阻 断管；
在向转炉供氮气、氩气、天然气的管道 上，设置带有切断阀和放散阀的吹扫管。

5　结语
对于年产30万t不锈钢的工程采用GOR底吹转炉作为不锈钢的精炼炉，希望能够收到节省投资、冶炼成本低、钢水质量好、容易开发多种不锈钢品种和其他合金钢品种的效果，以便在激烈的市场竞争中凭借先进工艺的优势取胜。

——(中国特钢协不锈分会《不锈》杂志)