我国炼钢连铸技术发展和 展望.doc

1 我国炼钢-连铸技术发展和2010 年展望殷瑞钰钢铁研究总院北京10081 摘要：本文系统总结了2000 年以来国内炼钢-连铸技术的发展和主要的技术成果，分析了目前炼钢-连铸生产技术的主要问题，并对2010 年我国炼钢-连铸的技术发展方向进行了系统阐述。为了进一步提高国内炼钢-连铸的生产技术水平，必须确立21 世纪新一代钢铁厂的新理念和新目标，通过对炼钢-连铸生产过程的系统优化、解析与集成，建立起高效、低成本洁净钢生产平台。讨论了洁净钢生产平台建设面临的主要技术问题、解决方法和具体措施。关键词：炼钢、连铸、炉外精炼、洁净钢、流程工程前言进入新世纪以来，我国钢铁生产持续发展，钢产量增加，许多企业的技术装备达到了国际水平，钢材品种与质量已接近或达到国际先进水平，上述事实说明我国钢铁工业的发展已经进入一个新的时代。今后几年，我国钢铁工业不但应在规模和质量等方面达到国际先进水平，而且在钢铁生产、工程设计、工艺与装备、节能减排、环保等方面的研究开发、生产运行都应走向国际前沿。为实现上述战略目标，必须认真回顾总结新世纪以来我国钢铁工业特别是炼钢-连铸生产技术发展的成就，分析存在的问题，研究今后炼钢-连铸技术的发展趋势和方向，不断创新，为完善和发展新一代炼钢工艺流程做出贡献。1炼钢-连铸生产和技术的发展2000 年以来，国内炼钢-连铸生产和技术取得明显的进步，主要表现在以下几个方面： 1.1 钢产量高速增长图1 给出2000 年以来国内钢铁产量增长趋势，粗钢产量从2000 年1.285 亿吨增长到2007 年4.892 亿吨，平均年增长率为18.2%。转炉是目前中国最主要的炼钢方法，转炉钢产量从2000 10 80 90 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 0 10000 20000 30000 40000 50000 比例 (%) 产量(万吨) 年份粗钢转炉钢电炉钢转炉钢比例电炉钢比例图1 2000 年以来国内粗钢产量增长与生产结构的变化2 年的1.058 亿吨增长到2007 年的4.4 亿吨，平均年增长率为19.5%，高于国内粗钢产量增长速度。转炉钢比例相应从2000 年的82.4%增长到90%左右。电炉也是目前国内主要炼钢方法，随着中国钢产量迅速增长，电炉钢比例在2003 年以前缓慢增长，最高达17.6%；2004 年以后，由于转炉钢的快速增长，电炉钢比例逐年降低，但电炉钢产量持续增长，和2000 年相比电炉钢产量翻了一番。在国内钢产量迅速发展的同时，连铸比也不断增长。如图2 所示，2000 年全国连铸坯产量为1.096 亿吨， 连铸比85.3%；2007 年全国连铸坯产量为4.74 亿吨，连铸比96.95%。随着连铸比的提高，成材率也相应提高，平均达到了96.2%，说明连铸技术的进步为我国钢铁工业增产增效、节能减排做出了重要贡献。1.2 技术经济指标不断优化国内炼钢-连铸生产技术的进步主要体现在各项技术经济指标不断优化。表1 给出2003 至2007 年国内转炉、电炉和连铸的主要技术经济指标变化情况。表1 2003 年以来国内大、中型钢铁企业炼钢-连铸技术经济平均指标变化2003 2004 2005 2006 2007 钢铁料消耗，kg/t 1087.66 1091.62 1088.6 1085.9 1085 日历作业率，% 77.75 83.88 80.82 83.96 82.68 转炉平均炉龄，炉4630 5218 5785 6823 7921 电耗，kWh/t 403.29 422 385.2 352.5 328 电极消耗，kg/t 2.85 3.01 2.81 2.6 2.427 电炉冶炼周期，min 107.4 97.2 87.6 103.2 76.2 连铸比，% 95.22 97.51 97.51 98.53 98.86 日历作业率，% 70.99 74.16 64.34 79.87 80.26 连铸连浇炉数，炉/ 18.64 20.01 20.45 / 国内转炉炼钢技术进步主要体现在：完善溅渣护炉工艺，提高转炉炉龄；推广强化供氧技术，提高转炉作业率；推广长寿复吹工艺，进一步降低钢铁料消耗并提高以终点控制为核心的转炉自动化控制水平。20 年来电炉生产技术发生重大变化：采用大型高功率和超高功率电炉淘汰60 65 70 75 80 85 90 95 100 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 0 10000 20000 30000 40000 50000 连铸比,成材率 /% 产量/万吨年连铸坯产量连铸比成材率图2 2000 年后连铸坯产量、连铸比、成材率的变化3 大批30 吨以下小型电炉；建设电炉-精炼-连铸-连轧现代化短流程生产线，采用优化配料与供电制度，强化供氧提高化学能输入量和部分电炉采用热装铁水等新工艺技术，达到降低冶炼电耗，缩短冶炼周期，实现多炉连浇。在此基础上，实现电炉生产多元化，形成电炉-普钢长材、电炉-特殊钢长材、电炉-无缝钢管、电炉-中厚板和电炉-薄板坯连铸连轧等多种生产线，完善了电炉钢产品结构，扩大了生产品种。20 世纪90 年代，国内连铸基本以小方坯连铸为主，至2007 年已建成板坯连铸机（宽度700mm 以上）175 台，237 流；薄（中）板坯连铸机17 台，18 流； 方坯和矩形坯连铸机（150.150mm）437 台，1323 流；小方坯连铸机305 台， 1027 流；圆坯连铸机48 台，173 流。全国总计连铸机996 台，2806 流，年生产能力达到4.743 亿吨。应该看到新世纪以来，我国连铸呈继续快速发展的态势， 而且自主开发的能力进一步提高。随着国内炼钢-连铸技术的进步和技术经济指标的优化，获得明显经济效益： 据2007 年国内93 家大中型企业的统计，年利润达1479.82 亿元，比上年同期增长49.78%。1.3 建立现代化炼钢生产流程 2000 年以后国内钢铁企业重点开展钢铁生产流程与工艺结构的优化，基本建立起现代化炼钢生产工艺流程： 转炉流程：铁水脱硫预处理转炉复合吹炼二次精炼全连铸； 电炉流程：大型超高功率电炉（兑铁水）冶炼二次精炼全连铸。近几年铁水脱硫预处理技术在国内广泛应用，主要采用KR 法石灰脱硫和喷吹法脱硫（包括CaO、CaC2 喷吹，纯Mg 喷吹和Mg+CaO 喷吹）等方法。铁水预处理的装备能力逐年提高，至2007 年铁水脱硫比已接近50%，宝钢、武钢、鞍钢等大型钢铁公司已基本实现100%铁水预处理。表2 给出目前国内常用的几种铁水脱硫工艺技术的比较，说明国内铁水脱硫预处理工艺已经积累了比较丰富的经验，为钢厂合理选择铁水脱硫预处理工艺提供了广泛的空间。表2 各种脱硫方法的技术比较脱硫工艺石灰、CaC2 脱硫Mg 脱硫脱硫方法KR 脱硫喷粉脱硫纯Mg 混合脱硫剂CaO 粉CaO+CaC2 Mg Mg+CaO4 终点S(%) 0.0010.002 0.0040.008 0.0030.006 0.0030.008 处理时间(min) 815 2328 1015 1015 处理温降() 2530 3035 812 1015 脱硫剂消耗(kg/t) 68 4(CaC2)12(CaO) 0.51.0 1.52.0 综合处理成本(元/t)1 17.21 65.03(CaC2) 19.34 25.18 为提高转炉生产效率和扩大洁净钢生产比例，国内大多数转炉炼钢厂综合采用铁水预处理、复合吹炼、强化供氧、终点动态控制和溅渣护炉等成套先进工艺技术，较大幅度提高转炉的生产效率，降低生产成本，提高钢水的洁净度。2000 年以前国内电炉技术进步的重点是采用大型超高功率电炉淘汰小型电炉，如2000 年我国电炉座数已从1600 多座减少到179 座，其中50 吨以上的大、中型电炉占全国电炉钢产量61%。2000 年以后国内电炉厂综合采用铁水热装、废钢预热、优化配料供电和供氧等先进技术，获得明显的效果。如表3 所示，电炉采用铁水热装工艺冶炼电耗平均降低约67kwh/t 钢，减少电极消耗35%，缩短冶炼周期10min。国内已有16 座60150 吨电炉采用铁水热装工艺，其单位公称吨的生产率超过了8000 吨/吨年。表3 国内大型电炉全废钢与兑铁水冶炼工艺的技术经济指标比较统计工厂数/个吨位/MVA 生产工艺铁水比% 电耗kwh/t 氧耗M3/t 电极消耗kg/t 冶炼周期min 4 50120 全废钢+预热0 334.25 36.59 2.57 57.00 10 50150 废钢+铁水20-30 267.32 43.24 1.67 47.39 1.4 钢材洁净度与品种质量的进步表4 2007 年国内二次精炼设备能力总汇（不包括吹Ar） 为了满足市场对洁净钢生产的需求，国内钢厂普遍重视二次精炼工艺，完善二次精炼设施。国内大、中型骨干企业钢水二次精炼的比例从2000 年不足20%迅速增长到2007 年64%。表4 给出2007 年国内各种二次精炼设备的台数和公称吨位总计（不包括吹Ar 在内）。随着精炼设备的增长，二次精炼工艺技术也取得明显的进步，形成了以挡渣精炼种类台数/台总公称吨位/吨RH 61 9040 AOD 43 1712 VOD 27 1475 LF 295 23440 VD 32 2510 CAS-OB 16 2190 合计474 403675 出钢、合成渣洗、炉渣改质、白渣精炼和喂线与钢中夹杂物形态控制、钢水温度、成分精确控制以及真空脱碳、脱气、夹杂物上浮分离等核心技术为基础的二次精炼工艺技术，能满足不同类型产品的批量生产，达到超低氧、超低碳和超低硫等高品质洁净钢的质量要求。二次精炼技术的发展使国内钢材的洁净度得到显著的提高：15 年前国内绝大多数转炉厂生产的钢水洁净度（.(S+P+T. O+N+H)）波动在300350.10-6，目前国内多数钢厂已可以大批量生产钢水洁净度250.10-6 的洁净钢，宝钢、武钢、鞍钢和首钢等大型钢铁企业生产的部分钢种洁净度可以达到100.10-6。从表5 可以看出，国内生产的典型高附加值产品的洁净度已达到国际先进水平。表5 国内某些高质量要求洁净钢达到的水平(.10-6) 钢种C N S P TO H 夹杂物其它IF 钢20 20 30 100 20 2 d20.m 高强度汽车板50 50 100 30 2 d20.m 管线钢(X80) 50 10 80 20 1 轴承钢(GCr15) 50 100 10 1.5 d10.m Ti30 帘线钢40 30 100 30 2 d10.m 无Al2O3 夹杂高速铁路钢轨40 30 100 15 1.5 d20.m Al40 电工钢(35W230) 24 20 10 100 15 2 d20.m 不锈钢(409L) 50 70 10 150 30 2 d20.m 钢材洁净度的大幅度提高导致我国钢铁工业产品结构发生了重大改变。如表6 所示，近几年国内典型高品质钢种的生产比例迅速增长，不仅给钢铁企业带来更大的经济效益，而且有力的支持了国家经济建设。表6 20002006 年典型高品质钢种增长率钢种铁道用钢大型型钢特厚板中厚板冷轧薄板镀层板冷轧电工钢板无缝管2000 年产量/万吨158 360 76 1668 495 328 64 415 2006 年产量/万吨334 917 328 8214 2605 1625 330 1484 增长率/% 111.4 154.7 331.6 392.4 426.3 395.4 415.6 257.6 1.5 节能环保技术的发展年份综合能耗转炉电炉2000 920 28.88 265.59 2001 876 28.03 230.09 2002 815 24.01 228.94 2003 780 23.56 213.73 表7 国内炼钢工序能耗变化(kgce/t 钢)6 近年来，国内钢铁企业高度重视节能减排工作，研究开发和应用各种先进的节能环保技术。如表7 所示， 2000 年以来随着国内节能环保技术的发展，吨钢综合能耗和电炉工序能耗逐年降低。和国际先进水平（日本转炉工序能耗为-6kgce/t）相比仍有较大差距，说明国内转炉工序尚有较大的节能空间。实现负能炼钢的核心是要解决转炉煤气、蒸汽的回收和有效利用问题。转炉煤气含硫低、热值高，适用于生产高品质石灰；而采用大型转炉蒸汽用于RH 或VD 炉等真空处理设备也具有较大的经济效益。这些应是今后技术改造中应提倡的节能环保技术。目前国内转炉绝大多数采用OG 法除尘工艺，基本解决了转炉烟尘对环境的严重污染。今后要进一步发展半干法或干法转炉除尘工艺，达到节水、节能和保护环境的目标。近几年，太钢、包钢等钢厂推广采用转炉干法除尘新工艺代替OG 法获得了明显的效益，如表8 所示。表8 国内投产的转炉干法除尘技术经济指标工厂投产时间除尘水耗t/t 除尘电耗kWh/t 煤气回收Nm3/t 蒸汽回收kg/t 作业率% 太钢2006.8 0.01 1.6 103 83 100 包钢2006.9 0.05 3.54 85 21 100 宝钢2006.9 0.01 1.25 100.27 70.23 100 莱芜2004.7 0.01 2.95 76.17 27.72 96 炼钢渣和烟尘的回收与循环利用技术近几年在国内钢厂也得到充分重视，自主研究开发的转炉渣闷渣处理和滚筒法或轮淬法炉渣连续处理等新工艺，在生产实践中取得较好的应用效果。转炉烟尘含铁高，基本全部利用，作为烧结矿料或冷却剂供转炉使用。马钢、包钢等企业试验采用1520kg/t 钢的转炉渣作为石灰的替代品返回转炉使用也取得一定成效。为实现炼钢厂固体废弃物“零”排放， 提高资源利用率，今后应加强对炼钢渣和烟尘回收利用技术的研发与推广工作。连铸坯热送热装工艺可以大幅度降低加热炉燃料消耗，已被多数炼钢厂采用。今后的工作应进一步提高铸坯的热送温度和装入温度，解决无缺陷铸坯生产的关键技术和热装相关的冶金质量问题，进一步提高连铸坯热送热装比例。2004 761 26.57 209.89 2005 747 36.34 201.02 2006* 645 10.11 108.91 注：*按新公布的电折算系数统计。7 1.6 装备大型化与设备国产化率近几年，炼钢-连铸生产装备的大型化与设备国产化率日益提高。2003 年以后国内钢铁企业大力建设100 吨以上的大、中型冶炼设备。至2007 年底，国内200 吨以上的大型转炉已达到24 座，公称总吨位为6400 吨，和2003 年相比大型转炉的产能增加1 倍。最近23 年，为提高钢材洁净度，扩大高附加值钢材产品的生产规模，大多数钢厂在配备LF 炉、CAS 和吹氩搅拌等常压二次精炼设备的基础上，针对板带材的生产特别是冷轧薄板的生产，又新建了RH 和VD 等真空精炼设备。随着国内薄板（特别是冷轧薄板）生产比例的增长，RH 真空精炼设备的增长尤为迅速。如图3 所示，2003 年以后国内已投产的RH 由20 台迅速增长到59 台，总吨位达到9070 吨，比目前整个欧洲RH 的生产能力（总吨位5790 吨）大56%。二次精炼的发展促进了精炼设备国产化率的提高。国内已经掌握了自主设计、制造、安装、调试大型二次精炼设备（如300tRH）的能力，在精炼设备工艺布局、工序衔接以及不同产品的精炼工艺等方面不仅积累了丰富的经验，而且加强了技术创新。如武钢新二炼钢厂采用RH 在线布置工艺，将RH 布置在转炉出钢线上，并采用RH 钢水罐卷扬提升装置、双室平移交替和真空室整体吊装等新技术，取得了良好的效果：可节约行车运行时间10min 左右，减少吊运过程温降10，缩短RH 设备空置时间5min，使新二炼钢的RH 精炼处理比例达到80%。国内连铸技术的发展促进了连铸机设计和制造能力的提高，已能自主设计和制造小方坯、方坯和板坯连铸机，并实现快速达产。从20 世纪90 年代初国产连铸机以小方坯为主要机型的格局，逐步扩展到自主设计制造适应各种品种和规格的方坯、圆坯及板坯和中薄板坯等多种机型。我国自主设计和建造的曹妃甸京唐钢厂是国内大型钢铁联合企业建设的范例，首次采用5500m3 超大型高炉、300 吨铁水包直装、全量铁水“三脱”预处理与转炉高速冶炼、高拉速连铸和海水淡化等先进技术，标志着国内大型钢铁联合企业设计与设备制造的综合水平达到国际先进。0 10 20 30 40 50 60 2009 已投产RH台 数/台年份1997 1967 1999 2001 2003 2005 2007 图3 历年来国内投产RH 的增长8 国内炼钢-连铸生产设备大型化与国产化率的提高促使钢铁厂的建设投资明显降低：大型联合企业（含冷轧、涂镀层、码头、电厂在内）的吨钢投资已降至65006800 元；棒线材钢厂由于工序理顺和全面国产化，吨钢投资降低幅度更大。1.7 重大技术创新项目取得好成绩科技进步是我国钢铁工业迅速发展的主要推动力。近几年，国内钢铁企业日益重视企业技术进步和广泛开展科技创新活动，取得了大量的科技成果。表9 给出近几年国内冶金科技奖中炼钢-连铸成果获奖情况。表9 20052007 年冶金科技进步奖炼钢-连铸成果获奖情况年度特等奖一等奖二等奖三等奖合计2005 2 5 6 13 2006 2 3 9 14 2007 1 5 7 13 最近35 年国内钢铁企业积极研究开发和推广以下重大技术创新成果，取得良好的成绩。（1）转炉溅渣护炉与长寿复吹技术近10 年来，转炉溅渣护炉技术在国内大、中、小型转炉上广泛推广，取得了良好的成绩。全国转炉平均炉龄已接近8000 炉，最高炉龄已超过30,000 炉， 使我国转炉炉龄达到国际领先水平。国内自主研究开发的长寿复吹转炉技术， 利用溅渣过程中形成的透气性炉渣蘑菇头保护底吹喷嘴，使底吹喷嘴的寿命和溅渣后转炉的炉龄同步，底吹喷嘴最高寿命超过30,000 炉（武钢）。目前，钢铁研究总院已在国内近200 座转炉上推广采用该项新工艺技术，达到炉龄超过10000 炉，复吹比100%和终点CO0.0027 的良好效果，如图4 所示2。（2）转炉高效吹炼工艺为了提高转炉的生产效率，不少转炉将供氧强度从传统的3.23.5Nm3/t.min 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 重钢 CO=0.00241 本钢 CO=0.00258 武钢 CO=0.00262 首钢 CO=0.00272 %O %C 图4 长寿复吹转炉终点C-O 平衡9 提高到3.64.4Nm3/t.min，缩短了冶炼周期，加快转炉生产节奏，提高转炉生产效率。如表10 所示，采用高效供氧技术的大型转炉供氧强度平均达到3.65Nm3/t.min ， 冶炼周期缩短到36min ； 中型转炉供氧强度平均达到3.5Nm3/t.min，冶炼周期缩短到34.5min；小型转炉供氧强度可达到4.0Nm3/t.min， 冶炼周期缩短到24.7min。随供氧强度的提高转炉作业率大幅度提高，氧气与钢铁料消耗略有降低，具有较明显的经济效益。表10 国内大、中、小型转炉高效吹炼工艺的技术经济指标炉型炉容量吨统计炉数炉容比M3/t 供氧强度Nm3/t.min 底吹强度Nm3/t.min 钢铁料消耗kg/t 氧耗Nm3/t 冶炼周期min 炉龄炉日历作业率% 大型转炉200300 14 0.86 3.65 0.030.15 1086.86 56.71 36.14 8199.00 60.61 中型转炉80180 26 0.83 3.49 0.030.15 1093.95 56.67 34.52 15488.80 75.43 小型转炉90m3/t 钢（煤气热值按7524kJ/m3 计算），蒸汽回收量60kg/t 钢是实现转炉工序负能炼钢的基本条件，在此基础上进一步降低吨钢氧、氮、电和燃料的消耗，可进一步降低转炉工序能耗。（8）全自动转炉炼钢与终点控制技术随着国内炼钢-连铸生产设备大型化和现代化的发展，不少钢厂积极研究开发和推广转炉自动化炼钢工艺技术，以各生产环节准确计量为基础，通过终点副枪动态控制或吹炼过程炉气分析实现炼钢过程计算机自动控制，进一步提高转炉终点碳和温度的控制精度与命中率。宝钢、武钢、首钢迁安等大、中型转炉采用副枪终点动态控制技术取得良好的应用效果：转炉全自动吹炼控制成功率达到90%，碳控制精度为0.02%，温度控制精度为12时，碳温双命中率达到93%， 补吹率降到5%以下，不倒炉直接出钢比例达到95%以上，达到国际先进水平5。马钢、本钢、攀钢等钢厂采用炉气分析技术实现转炉自动吹炼也取得较好的成效。马钢120t 转炉在目标碳含量0.030.07%范围内，碳的控制精度可以达到 0.015%，温度控制精度为16，碳温双命中率达88.6%，不倒炉出钢率提高到92.9%，同时冶炼周期可缩短3min，喷溅率降低到7.7%6。1.8 炼钢-连铸生产中存在的主要问题在认真总结近几年国内炼钢-连铸过程技术进步的同时，还必须充分注意到目前尚存在的主要生产技术问题： （1）炼钢厂能耗与国际先进水平相比仍有较大差距； （2）炼钢厂环境治理和废弃物回收利用与国外先进水平相比有较大差距； （3）企业管理不够精细，应加强对废钢、石灰等辅料、耐材和铁合金的分类管理，实现炼钢精料，进一步减少渣量，减轻转炉回硫，降低生产成本； （4）钢水成分控制精确度偏低，产品质量稳定性存在差距； （5）设计理论与设计方法创新不多，炼钢厂平面布置研究不够，主要生产设备的差异化选型研究不够，特别要注意避免精炼工艺装备选型和位置的失误所造成炼钢-连铸的混乱运行，应该深入研究专线化生产品种钢和动态-有序的运行模式。22010 年炼钢-连铸技术发展展望进入21 世纪后，社会对钢铁厂的要求发生了重大转变，从过去单纯要求钢13 铁厂为社会进步不断提供低成本、高品质的钢材外，还要求充分发挥能源转换功能节能减排，基本消除自身对社会环境造成的污染，同时要求钢铁厂具有大量处理社会废弃物并融入循环经济社会的功能。由于社会基本要求的改变，新一代炼钢工艺流程的兴起将成为历史的必然。2.1 21 世纪新一代钢铁厂的新理念、新目标21 世纪先进钢铁厂是在20 世纪现代化钢铁厂发展的基础上，为满足市场对钢铁产品的需求和钢铁企业与社会和谐发展的要求而建设的新型钢铁厂，其基本特点是：生产高效化、产品洁净化和对环境的无害化。新一代钢铁流程将具有高效、低成本、稳定生产高品质钢材的钢铁产品制造功能；提高资源能源利用效率、显著降低污染物排放的能源、资源转换功能和大量消纳社会废弃物的再资源化功能，这是应该树立的新理念。钢铁生产是典型的流程制造业，因此树立新理念还必须结合流程工业的基本特点：系统复杂性、生产连续性、管理协调性和发展整体性，在有限的时间和空间内将复杂的钢铁生产工艺过程有机地融为一体，实现炼钢-连铸生产过程动态有序、连续紧凑和高效稳定的生产。在新理念的指导下，研究开发适应21 世纪社会要求的新一代炼钢-连铸流程应实现以下发展目标： . 新流程应具备高效化的生产特点，可以大批量、低成本、稳定地生产各类不同品质的钢材； . 新流程应具备资源能源减量化、可循环和再利用的基本功能，建设环境友好型清洁生产的新流程； . 新流程应具备社会大宗废弃物无害化、资源化处理的功能，实现钢铁工业的可持续发展； . 新流程的工艺程序、流程网络（平面图等）易于实现企业内部生产自动化、控制智能化和管理信息化。总之，21 世纪新型钢铁厂要实现钢铁厂功能的转变，将钢铁生产与能源转换、消纳社会废弃物三大功能有机地融为一体。我们应该设想，能否通过35 年努力使中国炼钢工艺和装备水平走到世界前列。2.2 炼钢厂的解析与集成14 炼钢-连铸生产过程中各单元生产工序冶金功能的解析与集成是实现炼钢- 连铸工艺流程优化的重要方法。如图7 所示，现代转炉炼钢技术的发展主要得益于转炉冶炼功能的合理解析。传统转炉炼钢工艺包括脱硅、脱碳、脱磷、脱硫和控制铁的氧化以及去除有害气体、非金属夹杂物等基本功能，由于脱硫、脱碳、脱磷、脱硅反应的热力学、动力学要求的不同，在同一反应容器内一起进行反应往往造成顾此失彼、相互影响甚至相互制约，为此有必要按照不同产品性能的要求，对转炉冶炼功能进行必要的解析和集成。形成了绝大多数国家采用的炼钢流程：铁水脱硫-转炉脱硅、脱磷、脱碳。图7 现代转炉炼钢的功能解析日本为了进一步提高转炉生产效率和冶炼钢水的洁净度，提出“分阶段冶炼” 的工艺思想，将出铁槽脱硅、铁水脱硫、脱磷与转炉脱碳相分离，达到显著提高钢水洁净度和生产效率及减少渣量等优点。我国在吸收日本技术基础上，提出了先脱硫-再脱硅、脱磷-后脱碳、升温、回收煤气的新工艺，并将之集成为一个炼钢厂生产900 万吨/年左右规模的高效率、低成本、高端薄板产品的洁净钢生产平台，形成了如图7 所示的炼钢新工艺流程。流程解析集成是优化工艺流程的重要手段，其特点是进一步提高冶金反应效率，达到提高生产效率、降低生产成本和稳定质量的目的。在研究开发新一代炼钢流程中必须强调树立新理念，明确新目标，对炼钢流程的功能进行深入解析与集成研究。2.3 建立高效、低成本洁净钢生产平台建立高效、低成本洁净钢生产平台是今后几年国内各类钢铁厂都应努力实现高炉混铁车转炉连铸脱硫脱硅脱磷脱碳脱氧高炉铁水包连铸R H 炉渣返回传统流程新流程15 的基本目标之一。为了建立高效、低成本洁净钢平台必须改变传统的质量概念， 深入研究以连续运行为基本特点的炼钢厂，实现高效、低成本、稳定运行的生产模式。传统观点认为：质量问题主要包括产品合格率和产品性能两个要求。而广义的质量概念认为：效率、成本和性能是产品质量的基本要素。效率应包括产品的生产效率、资源和能源利用效率以及系统的技术优化；成本主要包括生产成本、管理成本、销售成本和资本成本等多种经济因素；性能应包括产品的加工性能、使用性能和可循环利用等因素。根据广义的质量概念，钢铁厂在考虑品种开发和质量优化的过程中应综合考虑效率、成本和性能等因素，达到高效、优质和低成本的目标。产品洁净度是保障钢铁产品性能的基本要素，也是炼钢-连铸生产过程中控制产品性能的基本功能。洁净钢是指对钢中夹杂物和杂质元素含量的控制达到能够满足用户在钢材加工过程和使用过程的性能要求。因此，建立洁净钢生产平台的基本目标是保证钢厂生产的全部钢材洁净度能达到洁净钢的基本要求，表13 给出典型钢种的洁净度控制要求。建立洁净钢生产平台还应统筹考虑不同品种钢材生产的技术难度和市场份额。通常可把钢铁产品分为普通、中档、高档和尖端商品四个级别，生产技术难度可对应分为IIV 级，随着产品档次的提高技术难度增大，而对应的市场份额减小：普通商品约占5060%，中档商品约占3035%，高档商品约占10%左右， 尖端商品约为24%。这说明尖端产品虽然反应出企业的产品开发能力和质量控制水平，但在整个企业的经营活动中所占比重并不大。因此，建立洁净钢生产平台不能仅着眼于高端产品的研制，更要努力改善量大面广的中、低档商品的质量、生产效率和成本。表13 典型钢种洁净度的建议控制水平杂质元素控制钢材类型S/% P/% N/% H/.10-6 TO/% 夹杂物控制普通建筑用0.035 0.040 / / 0.004 齿轮、轴件等* 0.0020.025 0.012 0.008 / 0.0012 B、D 类棒材轴承* 0.0050.010 0.012 0.007 2 0.0008 B、D 类和TiN 普通建筑用0.030 0.040 / / 0.004 硬线* 0.008 0.015 0.008 / 0.0025 尺寸25.m 线材弹簧* 0.012 0.012 0.008 2 0.0012 B、D 类16 超低碳钢(C25ppm) 0.012 0.015 0.003 / 0.0025 尺寸100.m 低碳铝镇静钢0.012 0.015 0.004 / 0.0025 尺寸100.m 冷轧板无取向电工钢板0.003 0.04 0.002 / 0.0025 / 普通碳钢0.008 0.02 0.008 / 0.003 / 低合金钢0.005 0.015 0.008 / 0.003 A、B 类高强度管* 0.002 0.015 0.005 / 0.002 A、B 类热轧板管线抗HIC 管* 0.001 0.007 0.005 / 0.002 A、B 类造船板、桥梁板等* 0.005 0.015 0.007 / 0.0025 A、B 类高强度厚壁管* 0.002 0.012 0.005 2 0.002 A、B 类低温管线* 0.002 0.012 0.005 2.5 0.002 A、B 类管线抗HIC 管线* 0.001 0.007 0.005 2 0.002 A、B 类普通碳钢海洋平台* 0.002 0.005 0.005 2 0.002 A、B 类注：*表示要求严格控制连铸坯的中心偏析，/表示不做要求。引自：日本铁钢协会高温部会，日本学术振兴会制钢第 19 委员会反应研究会， 大量生产规模不纯物元素精炼限界 ， 1996 年 3 月， p.2 按照广义的质量概念建立洁净钢生产平台不是简单的脱硫、脱磷、脱氧等工艺技术问题或品种质量问题，而应该包括工艺、设备、技术管理和生产运行等诸多因素，实现高效、优质和低成本的目标。因此， 如图8 所示，在炼钢厂内建立洁净钢生产平台必须建立起与产品质量密切相关的生产技术系统、信息软件系统和管理运行系统。洁净钢生产平台必须采用高效、稳定的运行模式。通常炼钢-连铸制造流程中系统的产能不仅仅决定于各单元工序的产能，还决定于工序间物流的流通能力和效率。连续运行的制造流程中，物流的运行动力学决定于上游工序的“推力”、下游工序的“拉力”。对于某道工序（如转炉）如果前道工序推力大于本道工序相应的“拉力”则会发生物质流的拥堵，如果后道工序拉力过强也会引起本工序物质流供给不足，影响流程整体能力的发挥。为了平衡工序间的“推力”和“拉力”，需要在工序间建立一定能力的缓冲工序以保证各工序间均衡稳定的生产。通常在工厂设计中大多采用钢铁制造流程中物质流的均值静态运行模式，假定各工序间的物流是稳定和均衡的。但在实际生产中物流往往是随机的和不稳定的，造成各工序间物流的不稳定匹配-对应的紊流运行动力学模式，其结果是物流输入、输出波动，随机匹配， 可受控性差，物流的流通能力和效率降低，如图9 所示。图8 洁净钢生产平台涉及的系统17 例如：工序1工序2 ) 3 ) 1 2 1 1 1 1 t . . t 、（ t . . t 、（ t . . t( ) 3 ) 2 2 2 12 2 t . . t . . t 、t 、（ t . . t ( ) ( ) 3 3 2 3 1 3 3 t . . t . . t 、t . . t 、t .:通过系数1 或0.7 图9 钢铁制造流程物质流随机不稳定匹配-对应的紊流运行模式为了实现高效化、稳定生产必须建立起铁水预处理-炼钢-二次精炼-连铸流程中物质流的动态-有序、匹配-对应的运行动力学模式，特别是要尽可能避免随机的无序“紊流”运行，实现有序“层流”运行的动力学机制，使输入物流和输出物流基本稳定，整个流程基本可控，如图10 所示。图10 钢铁制造流程物质流动态-有序、匹配-对应的层流运行模式2.4 界面技术与共性技术2.4.1 界面技术研究高效化快节奏生产流程中各工序间的衔接和稳定运行规律，合理确定炼铁-炼钢工艺界面和连铸-轧钢工艺界面中各工序间的时间节点、品质要求与温度控制精度，减少或尽量避免各工序环节因生产延误、设备故障、安全事故等干扰因素对全流程正常生产节奏和平稳运行的影响。图11 给出现代炼钢生产流程中18 最主要的界面技术，其中包括外部界面（又称流程界面）和内部运行界面。如果以炼钢-连铸作为一个整体的生产工序，其外部界面主要是“高炉-转炉界面”和“连铸-热轧界面”；内部运行界面是“炼钢-连铸界面”。单元工艺炼铁炼钢- 连铸连轧烧结焦炉高炉转炉连铸热连轧冷连轧“ 一包到底” 加热炉内部界面流程界面R H 系统运行技术以大型化为基础的高效化生产运行技术以快节奏为基础的高效化生产运行技术以连续化为基础的高效化生产运行技术计划调度采购供应储运销售生产指挥系统图11 现代炼钢生产流程中的界面技术界面技术是保证全流程动态-有序、连续-紧凑和高效-稳定生产的关键技术。在炼铁-炼钢界面应重点研究高炉-转炉之间各种物质流、能量流动态-有序运行的界面技术。提倡采用以铁水包多功能化为特点的“一包到底”先进工艺，优化铁水运输环节，避免重复倒运和不必要的转兑，缩短转运周期，减少铁水温降，提高铁水预处理的效率。在连铸-热轧工艺界面重点开发高效铸机高拉速条件下高温无缺陷坯生产技术、热送与热装工艺，提高热坯输送速度，完善热送保温措施， 提高铸坯入炉温度。同时，要认真研究高温铸坯热装与直轧过程中的冶金学-材料