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技术创新助力钢铁企业降本增效
张彦辉 姜永龙 王益民 巩飞 张觉灵 曹立国 董志民 陈军召 冯青同 李兴才 李立凯 颜书辉 康建光 马红江 李阳 吕宝军 张献昭 张军红 陈银山 杨志刚 丁秀忠 刘 峰 齐进刚 高顺利 李志勇 曹绍国 白高峰 张军强
前言： 包燕平教授作为北科大钢铁冶金新技术国家重点实验室“钢的洁净化与夹杂物控制”方向学科带头人，在高品质钢生产技术、冶金炉渣优化及快节奏炼钢、连铸新技术、冶金过程模拟研究等方面取得重大成果， 获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步奖10项，其主导的《基于非铝脱氧工艺高品质轴承钢关键冶金技术研发及产业化》荣获2022年冶金科技一等奖，2012年荣获美、德联合基金委员会设置的“Willy Korf杰出教育奖”，为第一位获得该殊荣的中国教授，目前担任河南省特种钢管工程技术中心学术委员会主任、浙江省先进钢铁材料工程技术研究中心学术委员会主任委员。2019年9月与新三洲特钢张彦辉团队签订《基于废钢预热的高效、低耗、环保型新型炼钢工艺研究》合作项目，发表《HRB400E热轧带肋钢筋钛微合金化研究》（张彦辉、包燕平、康建光、王达志、谈岸童）、《喷吹微粒脱磷在电炉炼钢中的应用研究》（张彦辉、包燕平、李立凯、康建光、李阳、谈昕辉）、《提高转炉废钢比的方法研究与实践》（张彦辉、包燕平、刘西斌、康建光、李阳、王达志）等论文3篇，申报《一种长寿命均衡性的中间包》、《一种转炉钛微合金化细化晶粒的生产方式》实用型专利2个（张彦辉、康建光、高桂航、谈岸童、李阳、尹小英等）。 董翰院长作为上海大学高性能钢铁材料团队带头人，将稀土元素成功应用于普碳钢中板、卷板、高强低合金钢板和螺纹钢的生产，形成了屈服强度700/900/1100/1300MPa 高强低合金钢板生产技术，抗锈、耐蚀、耐火、耐低温螺纹钢生产技术，制定了国际上首个《稀土耐候结构钢》团标。将M3组织调控理论应用到第三代减量化的汽车紧固件、连杆和大梁用钢生产，形成了CSAE99-2019《汽车紧固件用耐热钢技术条件》、CSAE 136-2020《汽车高温连接紧固件技术条件》2项团体标准。获国家科技进步一等奖1项、国家技术发明二等奖2项、省部级科技奖17项，目前担任中国金属学会特殊钢分会委员，中国稀土行业协会稀土合金分会会长。2021年11月与中天钢铁集团签订《稀土耐蚀螺纹钢的开发与应用》技术合作协议。 战东平教授主要研究洁净钢冶炼工艺理论、品种及模型开发。承担和参与完成国家“十五”、“十二五”攻关项目、国家“863”项目、国家自然科学基金项目及宝钢、梅钢、本钢、抚钢等企业攻关项目60多项，开发了转炉流程和电炉流程洁净钢高效冶炼工艺理论及技术，在国内多个企业得到良好推广应用，为企业创造经济效益20余亿元，获得省、部及市级科研奖励13项。目前任中国金属学会电冶金分会委员，全国钢标准化技术委员会（电弧炉短流程炼钢标准化工作组（SAC/TC183/WG10）委员），中国绿色智能电炉产业联盟委员，2014年入选江苏省双创人才。与新三洲特钢张彦辉团队合作发表《增氮强化剂在HRB400E热轧带肋钢筋中的应用》（张彦辉、战东平、康建光、李阳、杨永坤、谈岸童）、《Ti微合金化技术在热轧带肋钢筋中的应用》（张彦辉、战东平、康建光、杨永坤、李阳、任卓）论文2篇。 王敏教授自北京科技大学冶金工程专业获博士学位毕业后留校从事科研工作，为德国亚琛工业大学访问学者，主要研究领域为：钢的洁净化与夹杂物控制，高效二次精炼，连铸新技术，冶金过程模拟与工艺数字化仿真，冶金安全。主持完成国家自然科学基金2项、中国博士后科学基金2项，主持完成国内大中型钢铁企业横向课题20余项。目前担任北科大金属冶炼重大事故防控技术支撑基地副主任。此基地是国家发展和改革委员会为提升金属冶炼领域事故防控、重大安全隐患在线监检、事故调查、事故追溯与应急救援技术支撑能力，为金属冶炼领域安全生产形势持续稳定好转提供有力保障而建，主要建设内容包括典型金属冶炼工艺模拟平台、高温熔融金属储运容器安全性测试平台、煤气泄漏检测设备风险评估平台、有毒有害气体管网安全事故分析鉴定平台等四个平台。基地可为冶金行业安全生产提供全方位技术支撑，能显著提高金属冶炼重大事故监管监察能力的科学性、准确性及目标性，是金属冶炼安全生产监管监察领域的国家战略科技力量。 一、高炉喷吹应用微粒子冶金技术降本增效 1 风口喷吹熔剂对高炉冶炼的影响 1.1更有效脱除铁水中的硫 高炉风口喷吹熔剂和煤粉，熔剂在高炉风口区与喷吹煤粉燃烧产生的灰分混合，生成碱度较高的风口渣，可以避免单独喷吹煤粉时，高SiO2和高Al2O3在回旋区边缘表面形成高粘度、高熔点的酸性渣，改善风口区域的透气性和透液性，熔剂中的有效成分更能充分的与铁水接触，提高脱硫效果。同时针对异常情况，从风口喷吹熔剂则可以缩短烧结矿的调剂时间，将造渣制度的上部调剂下移至炉缸调剂，迅速改变造渣制度，避免连续性铁水S高的质量事故。 1.2保持合理的理论燃烧温度 现代高炉生产为了提高生产，高炉鼓风热风温度已经达到1350℃，部分高炉富氧水平高达8%以上，为确保炉况稳定，高炉操作大都通过加湿鼓风或增加喷煤量来降低理论燃烧温度。风口前理论燃烧温度是指燃料在风口区不完全燃烧，燃料和鼓风所含热量及燃烧反应放出的热量，全部传给燃烧产物时所能达到的温度。根据这一原则，喷吹碱性熔剂后有一定的吸热作用，理论燃烧温度有下降趋势。 1.3炉腹渣量减少，透气性改善 减少渣量的方法一般是提高矿石的含铁品位和降低燃料的灰分含量，但受资源的制约，继续提高品位和降低灰分十分困难。可以将一部分碱性熔剂从烧结矿里“抽”出来，改为随煤粉一道从风口喷入高炉炉缸，从而使炉腹软熔带位置渣量减少。再者一部分熔剂从下部进入炉缸，也规避了提高烧结矿碱度引起的烧结矿性能变差，以及炉内酸、碱性炉料混合不均而引起软熔带碱度偏差过大造成的黏度增加。极大的稳定了炉腹初渣性能。 1.4有利于保持合理的烧结碱度，大比例使用酸性球团矿 提高入炉料的球团比例，甚至全部采用球团矿，就会大大降低铁前原料准备工序的能源消耗和污染物排放，但是需要在冶炼过程加入更多碱性物料进行平衡。由于受烧结矿理化性能指标和入炉品位的控制，烧结矿配入的石灰石的量有限制。喷入碱性熔剂来调节炉渣碱度。就可以保持烧结矿在最佳的碱度范围内，通过下部喷吹熔剂量的调整，最大限度的提高球团矿的使用比例（首钢京唐公司已经达到55%）。 1.5大比例烟煤混喷助燃、防爆作用 当熔剂与煤粉通过风口喷入高炉时，熔剂对风口前煤粉的燃烧有促进作用。试验表明，添加2%白云石可使煤粉燃烧率提高约3% ，随着富氧率的提高，熔剂的助燃效果更加明显，如富氧率为2.5%和5.0%时，燃烧率分别提高约4%和7%，熔剂对煤粉的爆炸性均有不同程度的抑制作用，不同熔剂间抑制爆炸的顺序为：生石灰＜钢渣微粉＜白云石＜石灰石。 2熔剂的选择 2.1MgO系有利于高炉操作和生产组织。 研究表明，炉渣的熔点是随二元碱度（CaO/Si02）的升高而升高，因此MgO含量对熔点及粘度的影响不大。当Al2O3含量较高时，适量的MgO对改善炉渣流动性大有好处。采用MgO系，则炉料的二元碱度可维持不变，这样便于烧结厂组织生产。一旦因故障停喷时，高炉的终渣碱度及性能不会有明显的变化，因而也易被操作者所接受。 2.2喷吹性能好，MgO系熔剂不象生石灰那样易吸潮结团，造成输粉不均甚至堵塞。 3经济效益测算 3.1品位提高降低燃料比 将附近钢企烧结原料结构条件下代入数据进行测算，烧结矿原碱度2.1、原MgO含量2.4%，抽出轻烧白云石在风口进行喷吹，烧结矿碱度下调至1.8，MgO含量下调至1.0（自然镁），在不增加精粉的情况下，烧结矿品位从55%升高到58%，增加10%左右的高品位酸性球团或者块矿，高炉入炉综合品位可以从56.5%，提升到59.5%，按照经验数据：品位提高1%、综合焦比下降2%、产量提高3%计算，当前综合焦比基准500kg/tfe ,品位提高可使综合焦比下降500×0.06=30kg，折合成本0.03×2800=84元/吨铁；当前产量基准值5000t/d，提高产量5000×9%=450t/d。 3.2提高煤气利用率 高炉软熔带位置初渣性能的改善和渣量的减少，软熔层变薄，软熔带位置下移，最终高炉煤气利用率增加1-2%，使得燃料比下降15Kg/tfe，降低成本0.015×2800=42元/吨铁。 3.3进一步提高煤比 高炉喷吹熔剂对煤粉有一定的促进燃烧的作用，可以进一步提高喷吹量，具前期的部分参考资料研究表明，在高炉喷吹熔剂喷吹量在10kg/t的情况下，煤比从150kg提高到180kg，按照当前煤—焦差价1600元/吨计，可降低成本0.03×1600=48元/吨铁。 3.4提高烟煤比例 利用熔剂对煤粉爆炸性的抑制作用，可以在喷煤配比中进一步提高烟煤的配比，目前大部分高炉烟煤配比在30%的水平，如果利用防爆作用，尝试将烟煤比例提升到50%以上，则煤按400元/t的差价计，则可降低喷煤成本0.18×（50%-30%）×400=14.4元/吨铁。 3.5实现经济配矿 高炉冶炼考虑到造渣制度的合理性和炉渣脱硫效果，对炉渣的镁铝比有严格的要求，很大程度上限制了一些高铝非主流矿的使用。实现镁质熔剂的喷吹，需重新探索MgO在烧结配加与高炉喷吹的最佳分配比，有可能允许烧结增加非主流矿的使用比例，从而降低烧结配矿成本。如果非主流矿比例增加20%，按照差价核算，烧结吨矿成本下降52元/吨，核算铁水成本可以降低36元/吨铁。 综合以上数据测算，利用风口喷吹溶剂后仅降低焦比、提高煤比和烟煤比等，铁前工序就可以降低铁水成本180元/吨铁左右；若考虑增加非主流矿的使用比例，铁水成本预计降低200元/吨以上；同时由于入炉品位的提高铁水产量提高9%（按照5000t/d即可增加450t/d），按照当前炼钢工序780Kg/t的铁耗可增加钢产量570t/d，年增产20.5万吨，按照100元/吨的利润测算可增利2052万元/年，经济效益更为可观。 二、EAF电弧炉应用微粒子冶金技术降本增效 1可行性研究及优势分析 在现代电弧炉炼钢中，炼钢生产节奏和热功强度进一步提高，通电时间缩短到30分钟甚至更短，在合适的时间加入合适量的造渣剂是在冶炼过程中迅速起渣的关键。快速形成的泡沫渣可以防护水冷炉壁免受高强电弧热辐射的影响，并将热量导向熔池，改善阻抗提高有功功率，并且防护耐材免于过热和化学侵蚀。所有这些因素都是提高电弧炉生产效率的关键点，有助于控制电弧炉冶炼成本达到最优。目前往电弧炉内加入“块料”和“批料”的造渣方式为：一是在废钢料篮内与废钢分层配比，二是通过辅料皮带输送到炉顶上的料斗内，然后通过料斗批量加入。其不足点是需要熔化的时间长，反应效率低，并且物料利用率低、消耗高，在一定程度上已经不能适应冶金行业绿色、高效、低耗生产的实际需要。微粒子冶金工艺以现代冶金广泛采用的气-固喷射技术为技术基础，即利用氮气、氩气、压缩空气为载气，通过气-固喷吹系统，向冶金熔池内喷入冶炼所需的特定粉剂进行冶炼的一种冶金方法。通过PTI公司先进的喷吹工艺设备，我们既可以进行C粉、CaO粉、MgO粉等单一粉剂的气-固喷吹，也可以实现复合粉剂替代单一粉剂的复合喷吹冶炼工艺（复合粉剂根据不同的需要将C粉、CaO粉、MgO粉、SiC粉、AD粉、稀土粉等按照一定的配比制成成品），在电炉炼钢生产效率、成本控制、电炉炉衬维护等方面取得了较好的效果。 2工艺及设备要求 根据喷吹物料的种类和数量，可以采用多种形式的储仓和分配罐的形式。 
造渣剂喷枪安装在一个铜制凸座内，缩短喷枪到渣层的自由射流距离，让喷枪的枪头也远离耐材，喷枪更深入炉内，更早地开始喷吹，避免造渣剂在废钢里的集聚，或者往水冷壁上喷吹。较短的喷吹距离也降低了物料被除尘系统抽吸的损耗，提高了穿透渣层的能力。物料利用率高，降低给除尘系统的负荷，这些都是高喷吹效率的直接好处。 
3运行结果及效益测算 在国内某钢厂130T 电弧炉上进行了工业性试验，复合造渣剂喷吹带来了若干明显的运行结果。 
在130t电炉上以氮气为载体喷吹按照一定比例配制的碳粉、CaO粉、MgO粉、CaC粉的复合粉剂，以起到快速造渣，强化冶炼，保护炉衬的作用。经过一段时间的稳定生产后，对喷吹复合喷吹剂冶炼前后的生产指标进行了对比。 采用喷吹复合喷吹剂冶炼工艺后，由于粉剂与块状料相比，熔化速度更快，成渣速度更快，前期能够快速成渣，并且喷吹剂中的碳粉加速了泡沫渣的形成，能够得到更好的脱磷效果，炉渣碱度有所降低，石灰消耗有效减少。采用喷吹复合喷吹剂冶炼工艺后，石灰平均消耗由35kg/t降低到了32kg/t。 
采用喷吹复合喷吹剂冶炼工艺后，粉剂镁球能够充分熔化并参与到成渣过程中，镁球的利用率更高。采用喷吹复合喷吹剂冶炼工艺后，镁球吨钢平均消耗由8.8kg/t降低到了7.0kg/t。 
采用喷吹复合喷吹剂冶炼工艺后，熔剂消耗减少，钢渣量也有所降低，同时炉衬侵蚀程度得到了一定程度缓解，减少了炉体散热消耗，吨钢电耗也在一定程度上有所降低。平均吨钢电耗由425.5度/t降低到了335.5度/t。 
采用喷吹复合喷吹剂冶炼工艺后，降低了渣量，炉渣氧化性也有所降低，减少了炉渣中铁氧化物的数量，提高了钢铁料的收得率。采用喷吹复合喷吹剂冶炼工艺后，吨钢钢铁料平均消耗由1083kg/t降低到了1073.7kg/t。 
喷吹复合喷吹剂冶炼前后炉龄及耐材消耗对比，可以看出耐材吨钢消耗从3.61Kg/t降至 1.65Kg/t，耐材吨钢成本从12元/t降至6.72元/t，降低5.28元/t。 
综上所述，采用气动喷吹复合喷吹剂冶炼工艺后，可降低电耗90度/t，降低钢铁料消耗9.3kg/t，降低熔剂消耗4.8kg/t，降低耐材消耗5.28元/t，降低综合生产成本约95元/吨。同时炉衬寿命由600炉提高到最高2232炉、平均1986炉，换炉频率由两个月换三次炉变成三个月换一次炉，极大地提高了电炉的生产作业率。 三、LF钢包精炼炉应用微粒子冶金技术降本增效 1 可行性研究及优势分析 目前“转炉——精炼炉”或“电炉——精炼炉”冶炼造渣工艺普遍采用出钢过程加入块状石灰及合成型精炼渣，通过初炼炉出钢钢流冲洗及钢包底吹搅拌进行融化，部分未半熔融渣料通过精炼炉电极升温进行融化，进而实现脱硫、去除夹杂物的目的。随着气-固喷射技术在现代炼钢领域的作用凸显，众多研究人员对气-固喷射技术进行了大量研究，但大都集中在CaO粉、Ca-Si粉等单一粉剂的气-固喷射技术冶金应用效果方面。我们提出了精炼炉根据需要全部使用“粉剂”替代“块料”和“批料”，复合粉剂替代单一粉剂喷吹的喷吹冶炼工艺（复合粉剂根据不同的需要将SiC粉、CaO粉、AD粉等按照一定的配比制成成品），在精炼炉炼钢生产效率、成本控制、提升初炼炉脱磷率、降低铁耗等方面取得了较好的效果。 2 微粒子喷吹在生产中的应用 2.1 微粒喷吹工艺减少出钢温度损失 传统工艺为促进石灰的快速溶解，一般在初炼炉出钢过程中加入块状料。以东方特钢85吨转炉为例，传统工艺需在转炉出钢过程随钢水加入吨钢10kg的石灰和精炼渣。经对比2种工艺，不加块料后转炉出钢温降由平均99℃降低到平均58℃，平均降低冶炼过程温度损失41℃。 
2.2 降低出钢温度提高初炼炉脱磷率 在85t顶底复吹转炉上，铁水装入量65吨、废钢装入量26吨，转炉终点温度在1600℃、[C]0.06%、[P]0.015%，转炉脱磷率达90%。通过精炼炉喷吹工艺，在不影响精炼炉座包温度情况下，转炉终点温度控制在1580℃，同样转炉装入量条件下，转炉终点温度在1580℃、[C]0.07%、[P]0.010%，实现脱磷率93.3%。 
2.3 实现精炼的绿色生产 转炉出钢加入块状料，块状料在受热过程中发生物理化学反应，石灰及精炼渣在粉化过程中产生粉尘，同时精炼渣内少量Al、Na等活性物质及树脂粘合剂容易与高温钢水发生化学反应产生烟尘，造成环保事故，同时给正常生产带来限制。微粒喷吹在精炼炉顶除尘装置内完成，产生微量粉尘可以通过固定式除尘器吸收，不造成粉尘外溢。 2.4 降低精炼炉生产成本 由于传统加渣方式会导致钢包上方渣料结砣，引起化渣渣料消耗较高，化渣时间延长，使用微粒喷吹，进站钢水温度较高，渣料覆盖相对均匀，因此化渣渣料（如精炼渣、萤石等）消耗量降低，总渣料消耗相对有明显下降，而且熔化较好的薄渣层，利于精炼过程钢水化学成分的调整。2种工艺对比渣料消耗、精炼周期、精炼电耗和电极消耗均大幅度降低。 
精炼炉利用喷粉装置，可根据转炉出钢条线及粉状料的组元定量喷入，从而避免转炉出钢提前备料及出钢过程烟尘造成下渣的弊端，实现了精炼炉渣系的稳定控制，不再使用CaF2进行化渣。通过喷粉的生产实践，精炼渣三大组元CaO、SiO2、Al2O3可以稳定控制在±5%以内。渣系稳定实现快速脱硫、净化钢水目的，钢水脱硫率达85%，精炼钢水夹杂物实现低熔点，轧材A、B、C、D类夹杂物级别在1.0级以下。 
2.5 经济效益测算 2.5.1通过精炼炉微粒子喷吹替代转炉出钢过程加入块状石灰和精炼渣的工艺，可以降低转炉出钢温度40℃以上，约可降低铁耗30kg/t；同时出钢温度降低改善炉况降低成本约40元/t。 2.5.2转炉在不调整装入制度情况下通过降低终点温度脱磷率提升3.3%，同等条件下可降低石灰消耗2～3Kg/t，降低成本1.5元/吨。 2.5.3精炼炉喷吹粉剂后的快速成渣工艺，优化了传统精炼的化渣、升温工艺过程控制，精炼周期缩短6分钟/炉，电耗降低6.2kwh/t，电极消耗降低0.08kg/t，降低成本约5.5元/吨。 2.5.4精炼喷吹微粒通过钢包底吹搅拌的有利条件快速成渣，钢水脱硫率达到85%以上；同时也不再使用萤石化渣，渣系更加稳定，钢水纯净度得到保障，而且钢包寿命也得到大幅提高。 综上所述，LF钢包精炼炉应用微粒子喷吹工艺技术后，仅降低初炼炉出钢温度、渣料消耗、精炼炉电耗及电极消耗方面直接降低成本约47元/吨，其中还不包含降低钢包耐材成本。 四、转炉溅渣护炉应用微粒子冶金技术降本增效 溅渣护炉技术的核心是确保熔渣“溅的起、粘的住、耐侵蚀”，以此为依据针对不同公称容量的转炉制定了科学的留渣量、溅渣时间、溅渣枪位等工艺参数，但是结果却不尽人意，表现为炉体温度异常波动、炉衬各部位侵蚀不均衡，严重的影响到脱磷效果不能一倒出钢。出现此情况的主要问题点是炉渣成分的变化使得炉渣物理特性发生变化，尤其是在采用“少渣、低铁耗冶炼操作”时，终渣FeO、CaO和MgO成分的不合理，导致熔渣熔点低、过稀从而造成溅渣效果出现较大波动，同时由于炉内没有溅渣层，在低R炉渣操作条件下又对脱磷效率带来极大的影响，又被迫采取增大石灰量、高枪位化渣脱磷的补救措施，周而复始的恶性循环导致炉况恶化。据此有的炼钢厂提出了调渣工艺并开发出改善炉渣成分的改质剂，实践证明加入的调渣剂若要改变终渣的性质，使之满足溅渣护炉的要求，需要一定的时间和温度，而在“快节奏炼钢”和“高压氮气对炉渣降温”两个条件限制下，很难达到终渣改质的要求。针对上述情况，我们借鉴气-固喷射技术，将“块状”改质剂变为“粉状”，在出钢过程中直接喷入到炉渣中，在不影响生产节奏的情况下将异常熔渣进行改质，改善溅渣护炉效果，同时实现了在“少渣、快节奏冶炼”工艺条件下的转炉脱磷效果，实现了消耗成本和炉况稳定双丰收。 1 微粒子喷吹剂对炉渣进行改质改善溅渣护炉效果 研究表明，要使块状石灰和镁球（或含MgO改质剂）熔化与已经形成的熔渣成为一体，首要条件是温度。随着温度的升高，其溶解速度显著增大，M.Matsushima认为石灰和镁球溶解是一个扩散控速的反应。温度越高扩散系数越大，溶解速度增加。其二熔渣中必须有较高的FeO。当熔渣中FeO达到20%以上时可显著降低熔渣的黏度，使得边界厚度层δ减小，根据石灰溶解速率方程，δ减小传质系数K增大，石灰的溶解速度增大，促进石灰的溶解。 
溅渣时高压氮气对熔渣的快速冷却和熔渣中20%的FeO这2个条件，决定了固有的溅渣加入改质剂工艺，不能确保在3min的溅渣时间内对熔渣进行有效的改质达到满足溅渣护炉成分的要求。炉后出钢过程中喷吹粉剂技术，没有氮气对熔渣进行降温，也没有形成2CaO·SiO2壳需要大量的FeO进行溶解破坏的过程，突破了渣中SiO2、FeO等向石灰（或镁球）界面扩散，CaO（或MgO）向渣中扩散，在渣—石灰（或镁球）界面处SiO2、FeO与石灰中的CaO（或镁球渣的MgO）发生反应形成反应层，反应产物向渣中迁移从而促进石灰（或镁球）溶解的理论，因此喷入的粉剂在高温熔渣的作用下迅速熔化并根据需求完成了对熔渣的改质。我们根据溅渣护炉熔渣的成分和物理特性的要求，建立了转炉渣料加入量、终点控制（温度和成分）、终渣成分预判、喷吹粉剂成分配比、喷吹量的数学模型，按照目的要求对熔渣进行改质，并在工艺要求的时间内完成“溅的起、粘的住、耐侵蚀”的溅渣任务，从而实现转炉炉体温度的稳定和炉型尺寸的规则。新三洲炼钢厂转炉熔池大面温度稳定控制在300-340℃，小面温度280-320℃，见下图。 
2 喷吹粉剂降低渣料消耗 根据气-固喷射理论基础开发的满足气—固喷射技术的粉剂，通过粉剂粒度、成分配比、载体压力等工艺参数控制，与传统的“块状”石灰、镁球等造渣料相比，在相同的温度条件下，粉剂由固态转变为液态的时间缩短，CaO、MgO等的利用率提高。对溅渣时使用石灰、镁球进行调渣和炉后出钢过程中使用喷吹粉剂改质两种工艺处理后的熔渣进行分析，喷吹粉剂后熔渣中未发现游离态的CaO和MgO颗粒，而使用石灰或镁球调渣后的熔渣中存在大量的白色颗粒物，扫描电镜放大500倍后的颗粒形貌见下图。 
最外层的成分与初渣成分一致为渣化层；中间层主要是渣中FeO、SiO2、CaO、MgO的反应生成物Ca2SiO4、Mg2SiO4、CaO·2FeO等为反应层；最里面是渣中MnO、FeO向内部延孔隙和裂纹扩散使石灰或镁球变质的变质层。实践证明，使用喷吹粉剂技术后，在同等的温度条件下有效提高了石灰和镁球的利用率，尤其是在全留渣操作模式下能够使用最少的渣料、在最短的时间内形成合适R和MgO的低温前期渣进行脱磷和护炉。与传统的造渣工艺相比，新三洲炼钢厂实现了石灰16-18Kg/t、镁球5-7Kg/t的渣料消耗，同时稳定控制炉渣R：2.2-2.5、MgO：8-10%、FeO：15-20%。 3 经济效益测算 实践证明，无锡新三洲特钢炼钢厂实施此项技术后，炉体温度稳定控制在340℃以内，2021年10月7日和11月15日进行炉役检修的2座转炉炉龄分别达到了19562炉和19451炉，炉役期间铁耗分别达到743Kg/t和745Kg/t，渣中FeO：15-20%，总渣料消耗25Kg/t以内，2021年转炉钢铁料消耗1051Kg/t。 五、基于少渣冶炼的低铁耗操降低成本 目前国内长流程钢铁企业，每生产1t钢水需要消耗25～35kg石灰，10～30kg镁球或轻烧白云石，并且会产生100～120kg/t钢渣。无锡新三洲特钢炼钢厂在少渣冶炼方面的技术突破集中以下几个方面。 首先通过适当提高转炉废钢比，减少熔池中磷元素的整体数量，为降低钢渣碱度提供了有利条件，通过钢渣碱度控制，减少渣量。废钢比由15%提高到35%，熔池中磷元素的整体数量下降23.5%，钢渣碱度能够降低15%。降低转炉吨钢铁耗是在科学的热平衡基础上实现的，在铁水的物理热和化学热一定的情况下，将一切热量损失降低到极限。在转炉炼钢过程中冶炼造渣仅局限于脱磷，通过北科大的研究并经新三洲现场试验，针对螺纹钢等P≤0.045%要求的钢种，在转炉高废钢比冶炼的条件下钢渣碱度控制在1.8-2.2之间，可以满足脱磷的需要。最关键的是炼钢石灰的利用率必须达到90%以上，转炉前期造渣料熔化充足。根据铁水Si成分的变化，石灰加入量能够稳定控制在16-18kg/t。通过少渣冶炼能够大大减少造渣料熔化吸收的热量以及钢渣热量，多余热量可以根据转炉热平衡，充分利用下部废钢斗和高位废钢料仓组合的废钢加入方式进行调节，即使用钢铁料代替传统冶炼模式下冶炼过程使用冷却剂进行热量平衡的操作，从而实现转炉温度的稳定控制，达到降低铁耗的目的。 其次，在造渣过程中通过配加多元少渣剂并配合规定时间内的小批量多批次造渣操作，摒弃传统的造渣一批、二批操作模式，要求在C-O反应达到中期之前按照多批次、小批量的原则（石灰每批料≤120Kg、镁球每批料≤150Kg）加完所有渣料（石灰及镁球），一般在吹炼3～4min内将熔剂全部加入，实现转炉冶炼前期的快速成渣，充分利用冶炼前期熔池低温的脱磷条件，达到快脱磷、早脱磷的目的，其中前期脱磷温度控制在1400～1450℃，在转炉冶炼前期脱除熔池中大部分的磷元素减少冶炼中期化渣的压力，缩短化渣时间、减少冶炼周期，高温钢水在炉内停留时间缩短，钢水辐射等热损失大大降低，由此节省的热量可以利用废钢进行平衡。 最后，确保在正常的供氧时间内废钢完全熔化，废钢熔化会经历碳传质过程控制的溶解熔化和传热过程控制的熔化两个过程，尤其在前期温度较低时，废钢熔化受制于碳元素的传质过程，若要加快废钢的熔化速度，必须促进碳元素的传质过程，增加钢水的搅拌强度。为此对氧枪枪头进行了特殊的设计，通过调整喉口尺寸和倾角，保证氧气射流具备足够的冲击深度，同时也满足了化渣的需要。在采用新型氧枪的基础上，采用低—高—低—高—低的变压变枪供氧制度确保全程化渣及规避中后期回磷问题，避免了高供氧强度情况下的喷溅。同时针对铁水Si低（≤0.3%）情况下开发了保碳剂，在低硅条件下保证了造渣料的充分、快速熔化，保证了前期造成渣、快成渣的要求，最终实现了不同冶炼阶段不同炉渣作用的控制模式（如前期高磷容量脱磷渣、中期适当高FeO泡沫渣、溅渣护炉高MgO低FeO炉渣）。 根据新三洲炼钢厂现场实际数据统计，仅使用石灰和镁球造渣，石灰消耗降低至16-18kg/t，镁球消耗降低至6-7kg/t，总渣量减少至55-60kg/t,由此可降低钢铁料7-10Kg/t。2021年转炉钢铁料消耗1050Kg/t（其中铁耗743Kg/t）、渣中（FeO）稳定控制在23%以下。渣料和钢铁料成本与同行业相比分别降低15元/吨和31元/吨。 六、基于连铸高拉速的低温控制技术降低成本 在工艺确定的情况下，大多数炼钢厂通过提高钢包周转率保证红包出钢、钢包全程加盖保温、合金烘烤等手段降低“过程温度损失”，但是降低连铸过程中对钢水过热度的要求是十分困难的，中间包离子加热方式非常有效但对于中小型钢铁企业是难以实现的。为此我们开发了连铸高拉速的低温控制技术，通过大幅提高连铸拉速，降低中间包钢水过热度的要求。通过对连铸机二冷喷淋架、导向辊、拉矫电机、火切机等设备的改造，结合结晶器铜管、二冷配水曲线及水嘴选型等工艺的优化，新三洲特钢炼钢厂装备的弧形半径8m的5机5流150方连铸机拉速可以稳定控制在5.0-5.5m/min，单流拉速突破6.0m/min，即单包浇注时间控制在14min以内，浇注过程钢水过热度控制在10-13℃，转炉出钢温度最低实现1585℃，正常情况下控制在1610℃，较一般建筑钢筋生产企业的出钢温度降低40℃以上，使得转炉及中间包耐材、合金辅料、钢铁料成本得到大幅度降低，初步估算降低成本约40元/吨。 七、合金优化工艺降低成本 目前三级以上建筑钢筋的生产全部采用微合金化工艺，相对于Nb和V微合金化，Ti的微合金化成本最低，但是受操作稳定性和普通FeTi（或Ti线）成分的影响，Ti的收得率波动较大。在北京科技大学包燕平教授团队的指导下，在连铸坯中添加微量的Ti及其他稀土元素进行微合金化，通过将Ti及其他稀土元素加工成包芯线，在吹氩站通过喂丝机喂进钢水中，Ti元素的吸收率可以稳定在60-70%（基本不受下渣的影响）。既改善了钢筋的强韧性，解决低合金钢高拉速条件下高温脆性区的连铸坯表面裂纹问题，又确保抗震钢筋性能稳定的基础上实现了成本最优。根据新三洲炼钢厂的现场实践数据统计，消耗3.0-3.3m/t的Ti包芯线可以保证连铸坯的Ti含量控制在0.006-0.010%，在轧制φ25mm螺纹钢抛钢温度860-880℃情况下，钢筋屈服强度稳定控制在430Mpa以上。相对于Nb或N-V进行微合金化，合金成本降低30元/吨以上。 基于低铁耗生产工艺模式冶炼终点钢水温度控制不稳定的问题，为确保C、Si、Mn成分的稳定控制，我们在传统的增碳剂+FeSi+MnSi进行合金化的基础上，使用5-7mm的硅碳合金（成分和粒度有别于普通SiC）参与脱氧并代替FeSi进行合金化。由于硅碳合金能够对钢水进行一定的预脱氧处理，降低钢水氧化性，进而减少了后续加入的增碳剂和硅锰合金的烧损，稳定了增碳剂和合金的收得率，同时能够起到一定的增碳和增硅作用。现场实践证明，连铸坯Si成分要求0.4-0.5%时出钢过程加入4.5Kg/t的硅碳合金，既实现了钢水的预脱氧又可以完全替代FeSi合金进行硅含量调整，合金成本能够降低4元/吨。 八、综述 随着钢铁行业市场形势的急剧变化，低成本战略成为钢铁企业生存的一个重要主攻方向，无锡新三洲特钢张彦辉团队在与亚新钢铁、中天钢铁、东方特钢的通力协作下，以微粒子冶金、低铁耗少渣冶炼、快节奏低温操作、合金优化等技术创新为手段，在炼铁、炼钢工序降成本方面开辟了一条值得借鉴的实践之路，取得了显著效果。初步测算，全部应用后炼铁、炼钢工序可直接降低成本约230元/吨以上，为新形势下钢铁企业的生存指明了一个新的发展空间。
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