钢铁冶金先进工艺及发展趋势（武科大李光强）

钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  017/2/13/11:37:51 钢铁冶金先进工艺及发展趋势  李光强  027铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  容  中国钢铁生产的现状  各行业对钢材使用的要求和研发方向  先进的钢铁冶炼工艺和装备  钢铁冶金的环保与节能  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  国钢铁工业在世界钢铁业界的地位  1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 200651015202530354045年代粗钢产量/ 4 89 1 1  1 2 1 2 1 3 1 3 1 4 1 5 1 5 1 7 2 0    6  57  08  38  49. 26 19  610 410 111 612 512 41 5  31 8  52 0  12 7  041 8048121620242832钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  国钢铁工业的现状  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  国  1  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  炉炼铁技术现状  日本 28座高炉， 2006年焦比 379kg/t,喷煤 t 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  006年部分高炉技术经济指标  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  高炉炼铁  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  炉炼钢技术现状  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  006年中国转炉钢比为 点炉钢比约为 其他钢   钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室    电炉钢比例  （ %）  世界  日本  美国  韩国  德国  印度  中国  1995 996 997 998 999 000 001 002 003 004 005 界主要产钢国家电炉钢比例   钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  99305001000150020002500300035004000450050001992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006y e a 04%外处理技术是铁水预处理和钢水精炼技术的总称。几十年来，铁水预处理和钢水精炼技术走过了研究开发、产业化和发展完善的道路，最终确立了其在钢铁生产流程优化和产品结构优化中独特的、不可替代的地位和作用。我国炉外处理技术自 20世纪 90年代以来，加快了发展步伐，并在技术上跟紧了世界发展的步伐，但还需优化。  2006年我国大中型钢铁企业钢水精炼比 相比之下，日本的钢水真空处理率已达到   中国已有 建 20套。  今后十年中，炉外处理技术仍将朝着高效、优质、低耗、灵活和新型的方向发展。   钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  行业对钢材使用的要求和研发方向  一最近五年钢材品种的变化  钢铁品种主要是钢铁结构材料  功能用钢包括不锈钢、耐候钢、电工用非合金钢、电磁纯铁、原料纯铁、电工用硅（铝）钢、高速工具钢、高温合金、精密合金、耐蚀合金钢和无磁钢等等。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  . 钢材冶金质量的提高为发展品种做出了贡献  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  . 板管带材比例明显提高  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  要产钢国板带比的比较  注：数据源自 2006  俄罗斯数据为 2000年板带比。  板管带材比的增加标志着中国开始进入工业发展的成熟期，但由于区域发展的不均衡性，板材比的进一步提高  还需一个相当长的时期。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  年来主要板材品种的变化  注：  中厚板包括特厚板、厚板、中板和中厚宽钢带；热轧薄板细分为热轧薄板和热轧薄宽钢带；冷轧薄板细分为冷轧薄板和冷轧薄宽钢带。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  业板的发展情况  专业板比例的变化  专业板产量的变化  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  . 向高强韧钢发展是近年来的主要趋势  线  工程  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  004年按强度级别分类的  热轧螺纹钢产量及比例  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  车用薄板高强韧钢和高附加值品种的变化  20062007年  国际汽车厂商主流新车型： 590分前梁： 780心支柱、车内防撞梁： 980国汽车厂商主流车型： 460540开发出： 00国新的轧钢流程已可生产  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  车用钢 轻量化、安全性、低成本  高纯净度的齿轮钢等  （低  高强度、高韧性、高接触疲劳强度低应变齿轮钢等   细晶 /超细晶、含硼高强度的冷镦齿轮钢等   低延迟断裂超高强度结构钢等   高疲劳性能、高耐磨马氏体时效钢等   高精度、高表面质量、高疲劳寿命弹簧钢等   超高强度螺栓和弹簧用钢等   高使用应力悬架弹簧钢、高腐蚀疲劳强度弹簧用钢  高使用应力发动机气门弹簧用钢等  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  . 品种发展主力已转移至企业  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  产品开发投入和销售收入占总销售额比例上升  由于市场差异化需求，推动企业重视新产品开发投入，使新产品销售收入及占总销售额比例上升  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  合金钢的发展受到重视  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  . 品种发展融入国际发展趋势  注：   钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室    十一五期间我国品种发展的任务及特点  “ 提高质量基础上发展高技术含量、高附加值品种的比重 ”  产品结构向板带材快速发展     单位：万吨  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  热轧商品材为例看发展 “ 提高质量基础  上发展高技术含量、高附加值品种 ”  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  气东输二线管道线路走向示意图  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  . 质量为基础 “ 品牌、效益、高附加值 ”是品种发展追求的目标  “机械工业 十一五 关键材料需求 ” 反映：  进口管材夹杂物级别： 级（一般材）  我国标准要求 国外精轧圆钢（进口）已能作到无需精加工  我国用  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  典 B、 B 吨钢效益都在100欧元以上。  例： 4作模具钢，在铝合金压铸模时  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  钢电工钢  2006年，武钢电工钢销售了 总销售量的 但销售利润占武钢销售总利润的   钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  钢不锈钢  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  附加值和产品延伸 特殊钢  特殊钢因性能多样化和服役性能优良，故其在能源开发、交通运输、石油化工、机电制造、轻工纺织、食品饮料、医药卫生、信息技术、日常生活、国防军工等诸多领域得到应用。  特殊钢是在不断地满足用户高性能和低成本要求中逐渐发展起来的。近年来，高技术含量和高附加值的特殊钢品牌成为特钢企业优先开发和生产的品种。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  世界的特殊钢生产能力过剩，特殊钢产品供过于求。工业发达国家的高技术含量和高附加值特殊钢产品是其出口产品的重要组成部分，特殊钢市场的全球化趋势日益增强，典型的实例是汽车发动机气阀用油淬火弹簧钢丝的坯料基本上被日本神户公司所垄断。  工业发达国家的特殊钢产品影响中国特殊钢企业产品的市场，特别是不锈钢、耐热钢、高质量合金结构钢、高质量碳素结构钢、易切削钢和高性能模具钢等。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  界特殊钢市场份额  051015202530日本 法国 比铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  国特殊钢钢材占钢材总产量的 5%左右（特殊钢比），特殊钢产量的比例也明显低于工业化国家的特殊钢比例（ 10%。日本的特殊钢生产和应用水平是工业化国家的典型。近年来，日本特殊钢的产量基本上稳定在 1400万 t，特殊钢比为 15%左右。  随着经济的发展，中国特殊钢尚有较大的产量发展空间。为了提高中国特殊钢企业的效益，必须发展高技术含量和高附加值的特殊钢品种。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  要产钢国特殊钢产量占钢总产量的比例 % 01020304050瑞典德国日本意大利韩国法国中国美国英国钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  国碳素结构钢和合金结构钢的比例过高，而高合金钢和高技术含量钢的比例低；中国特殊钢以棒材为主（ 65%），线材和钢带的比例低。  项目  碳素  结构钢  合金  结构钢  弹簧钢  工具钢  轴承钢  易切削钢  不锈钢  高强度钢  其他  中国   本     中国和日本特殊钢品种比例  % 项目  型材  棒材  管材  线材  板材  钢带  日本  国  -   日本和中国特殊钢的材型比例  % 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  业化国家的特殊钢生产企业结构  一是一般年钢产量为 100产的钢种数百个到 1000多个，品种大多为长型材（棒线材及部分管材）、锻件、铸件或部份窄带钢，产品规格范围较大。采用铸锭生产的钢材占一定比例。  二是大型钢铁联合企业的下属特殊钢厂：拥有高炉 热轧平材厂生产不锈钢等。  三是特殊钢专业性企业：钢的年产量在 100万 般为20t），具有一条结构紧凑的生产线，产品单一（只生产棒线材、板材或钢管中的一种），市场日趋全球化，如特殊钢板带厂、特殊钢棒线材厂（碳素结构钢和合金钢）、特殊钢钢管厂等。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  典的钢铁业以特殊钢生产见长。其特殊钢占钢产量的 55%，平均连铸比 69%，其中特殊钢连铸比 60%。特殊钢中高合金比达到以 50%。  瑞典特殊钢结构调整不追求产量扩张，而是紧紧围绕市场和用户的需求，以满足用户对产品的质量要求为前提，重点在生产高质量和高附加值的专业化生产产品；并把相同的产品合并集中生产，且形成优势产品，以此提高在国际市场上的竞争力。  瑞典在高速钢、不锈钢板、不锈钢管及焊管、轴承钢、工具钢、耐热合金等领域的生产和研发处于领先地位。生产分工专业化、产品质量优良化、销售市场全球化是瑞典特殊钢生产的重要特征。由此造就了一批著名企业和产品，如 轴承钢、  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  . “十一五 ” 期间重点品种发展指南    高强度、高韧性钢材  高强度、高韧性船板（ 500800低温冲击韧性、抗层状撕裂）；  高强度、低屈强比抗震钢板 (500m   高强度管线钢板 (  汽车轻量化用高强度钢板 (表面高强度 00 1200热轧和热镀锌板， 1000 1430；  抗层状撕裂 海洋平台、建筑梁柱用板 )；  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室    高强度、高韧性钢材  高强度特厚板 (00200400；  高性能压力容器、锅炉用钢板 (780质、抗低温冲击性优良、焊接性优良 )；  高强度石油套管及高硫套管 (管 552硫 758 862  超高压天然气输送管道钢管；  高质量预应力钢丝、绞线、钢棒（低温韧性15002000棒 50重   推广 500m >  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  2) 耐火、耐候、抗震钢材  耐火、耐候钢板（ 2/300200系列、 301系列不锈钢）；  连续柔性油井管及特殊扣套管；  冲压用润滑钢板；  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  4) 耐腐蚀及特殊性能钢材和高纯净材料  高性能电工钢板  高性能取向硅钢，  0  02500 ，所以解决喷嘴耐火材料的熔损很困难。 1967年加拿大 吹丙烷等碳氢化合物保护底吹喷嘴获得成功，为纯氧底吹转炉炼钢奠定了基础。和纯氧顶吹转炉相比，底吹转炉的优点是：   钢渣反应接近平衡，  消除了过氧化现象；   终点锰的收得率提  高；   吹炼平稳，钢铁量  消耗降低；   脱硫效率高。  底吹转炉吹炼过程中钢渣成分的变化  底吹转炉的冶金特点  钢中 渣碱度和硫的分配比的关系  渣中 (磷的分配比的关系   渣中氧化铁含量低 (约降低 10%)；   钢中氧含量低 (约降低200   吹炼终点残锰含量比顶吹转炉约提高 1倍；   脱磷、脱硫效率高于顶吹转炉。  C和 关系  复  吹  转  炉  复吹转炉吹炼过程中熔池  成份的变化  底吹转炉克服了顶吹转炉吹炼不平稳，后期钢渣反应远离平衡的主要缺点，但其本身也存在着熔池热效率低（缺乏二次燃烧），化渣困难（需采用喷粉工艺）和炉底喷枪烧损严重、寿命低的缺点。进一步解决上述问题发明了氧气转炉顶底复合吹炼工艺。  转炉复合吹炼工艺  最初是沿袭顶吹和底吹  两种吹炼工艺逐步发展  完善：即在顶吹转炉底  部喷吹惰性气体和在底  吹转炉上部安装顶吹氧  枪。实践证明，复吹转  炉基本保留了顶吹转炉  和底吹转炉的优点，避  免各自的缺点，成为当  代转炉的基本操作工艺。  复吹转炉的冶金效果  底吹流量 (混匀时间(s)采用复吹工艺基本可达到底吹转炉的冶金效果，但底吹气体流量大幅度降低。  溅渣和长寿复吹工艺  溅渣护炉工艺  20世纪末，美国人发明的溅渣护炉技术是继顶底复吹转炉炼钢工艺发明成功后的又一重大技术成果。溅渣护炉利用高速氮气射流冷却炉渣，同时把渣滴溅射到炉衬上与炉衬冷凝结合形成溅渣层，有效地保护了炉衬。采用溅渣护炉技术后，转炉炉龄从 5000炉提高到 30000炉，经济效益显著。  中国在推广溅渣护炉的过程中，研究开发出炉渣蘑菇头保护底吹喷枪的工艺，利用溅渣过程中惰性气体冷凝炉渣形成蘑菇头。采用该项技术可使底吹喷嘴的寿命从 2000炉提高到 30000炉，达到与炉衬寿命同步。  0         万炉包 钢8 0 t 转 炉武钢8 0 t 转     C O = 4 1   C O = 5 8W G   C O = 6 2   C O = 7 2%O%C炉渣蘑菇头外貌  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  炉炼钢技术的发展与展望  现代转炉炼钢 生产高效化  产品洁净化  节   能  高效转炉吹炼技术  供氧强度 自动吹炼工艺  快速出钢技术  接近平衡的冶炼工艺  高效脱磷工艺  出钢挡渣技术  少渣冶炼与炉渣返回使用  合金元素熔融还原 (  干法除尘 ,煤气回收  C、 90% 不倒炉出钢率 95% CO定生产 P下渣量 5kg/t 渣量 40kg/t 终点 % 回收率 90% 终点控制  利用复吹转炉吹炼终点钢渣反应接近平衡的冶金特点，通过副枪检测熔池碳或氧含量，可以进一步计算渣中 及钢渣间硫、磷、锰分配系数，进而计算终点钢水硫、磷、锰的含量。采用上述控制方法需要对实际吹炼过程的碳氧平衡进行校正：   终点碳含量对碳氧平衡积的影响；   底搅强度对碳氧平衡积的影响。  终点控制  1. 利用氧含量推算渣中 2. 推算终点钢水成份  终点成份的控制精度  炉气分析动态控制技术   利用炉气分析实时在线计算熔池脱碳速度和氧脱碳效率；   根据氧脱碳效率的变化预报熔池碳含量；   根据钢渣中氧的累积量变化校正熔池温度并预报渣中  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  算模型与校正方法  控   制   效   果   减少了喷溅；   提高了终点控制精度；   提高了生产作业率；   缩短了出钢时间。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  炉炼钢  电炉装备状况  1993年美国有容量为 1000多座，2003年日本年产电炉钢 2900万 t，有 1002座，而我国目前只有 13座 100 中国电炉炼钢受废钢和电力的限制。但随着社会钢材积蓄量的增长，电炉炼钢的比例会持续增加。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室   . S .  R a w  S t e e l  P r o d u c t i o 980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006Y e a %10%20%30%40%50%60%70%1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006%o n n a g e  -  I n t e g r a t e d T o t a l  T o n n a g e  -  U . S .  S t e e l  I n d u s t r y T o n n a g e  -  E A F %  -  E A F  P r o d u c t i o  in  100 of 铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  界粗钢产量与废钢消耗量  1972际钢铁协会  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  0世纪 60高功率供电、高压长弧操作、水冷炉壁、泡沫渣、钢包精炼、强化用氧  20世纪 80年代：透气砖底吹气体搅拌  20世纪 80年代末：大型超高功率直流电弧炉出现，强化用氧技术成熟  废钢预热，二次燃烧，铁水热装  近几年：聚流氧枪 (泛采用  计算机和人工智能技术在电弧炉控制上的应用  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  界电弧炉发展方向及预测  电弧炉炼钢还是很有吸引力的工艺， 10年内不会受到其他工艺的挑战，电炉钢市场份额会不断扩大。  2010年典型的电弧炉电耗 360t,供电时间45 生产工艺要与用二次燃烧预热到 800 废钢是主要炉料，电炉应能适应炉料的变化、全封闭设计、高温预热废钢、连续加料。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  炉生产高附加值钢和缩短冶炼周期降成本  对于电炉流程冶炼工序，高附加值优质产品因时、因地具有不同的含义。目前我国高附加值优质产品，也就是能盈利的电炉钢品种包括：  a)转炉流程不适合生产的高合金钢、高温合金、大型铸锻件用钢；一些大型机械（包括冶金机械）部件，特别是铸钢件，用随时可以启动、终止的电弧炉冶炼比较合适，对一些特厚板，用电炉生产大型钢锭的轧材比用电炉或转炉生产的连铸坯的轧材质量好，对于一些军工产品，即使转炉流程能够生产，但军方不愿意重复试车，还得让电炉流程生产；  b)转炉流程能够生产但目前在国内产量还是不大的一些合金钢钟，如轴承钢、齿轮钢、弹簧钢等；  c)过去仅能用转炉流程生产的、现代电炉流程也能生产的一些品种，如高附加值的板材（薄板、中板、厚板）；  d)优质碳素钢（特别是中、高碳钢）和低合金钢（包括使用量很大的螺纹钢）。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  缩短冶炼周期为核心发展电炉炼钢技术  电炉加部分铁水冶炼及采用集束氧枪强化用氧  加部分铁水冶炼在缩短冶炼周期，提高生产率，降低电炉钢固定成本、人工成本、降低电耗方面具有显著效果。  现代电弧炉炼钢，为了缩短冶炼周期，除超高功率供电外，还必须提高配碳量，强化用氧，加生铁是最有效的方法，国外现代电炉炼钢有加 40%生铁冶炼的。我国一般加 2030%的生铁块，电炉加部分铁水冶炼，实际上是以热铁水代替冷生铁，显然，这对节能具有重要作用，是一种技术进步，废钢预热的效果一般为吨钢节电 60加 35%铁水冶炼吨钢节电 120装备简单。  2003年，我国 34台容量大于 602台采用了电炉加部分铁水冶炼技术，其中 16台生产率超过了 8000t/ta，7台超过了 10000t/ta。  电炉加部分铁水冶炼有一个最佳的铁水比，以冶炼周期最短为目标计算的最佳铁水比与平均供氧强度有关。  钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  平均供电强度一定时，随供氧强度提高最佳铁水比提高，最短冶炼周期下降。铁水供应充分的企业，在考虑了烟气除尘的能力及安全的前提下，提高供氧能力，适当增加铁水加入比是可以理解的。这是解决当前废钢及电力紧缺的一个对策。  提高电炉吨钢用氧量，是强化电炉冶炼、提高电炉节奏最有效手段之一。目前，电炉炼钢氧气产生的化学能在电炉总能量输入中所占的比例，从全废钢冶炼的20达到加铁水冶炼的 50以上。大量输入氧气已是现代电弧炉炼钢工艺的一个重要特点，先进电炉的供氧强度已达到 炼时间缩短到 50 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  102030405060700 10 20 30 40 50h o t  m e t a l  r a t i o ,  %50001000015000200002500030000350000 10 20 30 40 50 %of to 00 t of 00 t of to 00 t 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  束氧枪技术  集束氧枪技术是由普莱克斯公司发明并已获得专利授权的一种炼钢技术，其核心是一种多功能集束氧枪 (和气体供应监测系统。其优点是氧气以集束流形式喷射，氧气吹入钢水深度比传统氧枪大 80左右，大大提高氧气利用效率；而且能够根据冶炼进程的变化，最大限度加快助熔速度，实现 “ 关起炉门炼钢 ” 。从而可以大幅度增加铁水使用量，冶炼工艺更加稳定，钢水成分和温度更趋均匀，同时钢水含N和渣中 前该项技术已在全球 80多座电炉上得到了应用，而在国内只有宝钢 150t 电炉、安阳 1000 钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室  阳钢铁公司 100吨烟道竖炉电弧炉 2006年 4月采用北京科技大学开发的集束供氧技术，即在电炉炉壁采用四个 熔及脱碳采用双流道氧气射流集束氧枪喷吹工艺，系统可以根据不同冶炼阶段对氧气流量采用模块化供氧方式及分时段供氧曲线进行控制，获得了最佳的供氧效率及冶炼效果。  电炉生产 2个月后的使用效果显示：该电炉在热装 40铁水条件下，冶炼电耗比原平均电耗 2200 80 t，达到 160属收得率提高 2冶炼时间缩短 3产成本降低了 80元 /一步缩短了与同容量转炉在操作成本上的差距，加铁水后的强脱碳操作未产生大沸腾现象，杜绝了炉壁及炉顶粘钢现象的发生，提高了生产效率。在其它厂多座电炉上也取得了类似效果。  炉外处理技术  概括地讲就是指在冶炼炉 (高炉、转炉、电炉 )生产铁水、钢水的基础上，以更加经济、有效的方法，改进铁水、钢水的物理与化学性能并使冶金流程更加协调、顺畅的工艺装备技术。  它包括在高炉 (或化铁炉 )出铁槽、铁水输送罐、鱼雷罐车、铁水包甚至预处理专用转炉中，预先脱除铁水中的硅、磷、硫，对一些特殊成分进行预处理，并除去这些元素与化合物高含量的炉渣；  在钢水包 (有时是专用钢水包 )中，对钢水的温度、成分、气体、有害元素与夹杂进行进一步的调整、净化，达到洁净、均匀、稳定的目的；  在中间包中促进钢液中的气体