钢铁生产流程发展及先进钢铁材料研究的展望

钢铁生产流程发展及先进钢铁材料研究的展望钢铁生产流程发展及先进钢铁材料研究的展望 xx 第1期宝 钢 技 术1钢铁生产流程发展及先进钢铁材 研究的展望干 勇 钢铁研究总院 京 100081 摘要 简要介绍了氧气转炉炼钢 连续铸钢 炉外精炼及控冷控轧技 术的特点及优势 指出20世纪中国钢铁工业发展所存在的问题 展望2 1世纪先进钢铁生产流程中氢冶金 新一代可循环钢铁流程 铸 轧 材一体化技术的实现 在此基础上 介绍先进钢铁材 的研究开发现状 关键词 钢铁生产流程 氢冶金 可循环钢铁流程 先进钢铁材 TF01 B 1008 0716 xx 01 0001 06Prospects forDevelopment ofIron and Steel ProductionProcess andResearchon AdvancedSteel ProductsGanYong Central IronandSteelResearch Institute Beijing100081 Ch ina Abstract Characteristics andadvantages ofLD process continuous casting secondary refining controlled roll2ing andcontrolled coolingare introduced Some problem sin ironand steelindustry in the20th centuryare pointedout Realizati onof the hydrogen metallurgytechnology newly developed recycling processfor ironand steelproduc2tion andCRM2integrated technologyinthe21st centuryare prospected Furthermore the currentRhydrogen metallurgytechnology recycling processfor ironand steelpro2duction advanced steelproduct0 前言钢铁工业属于资源 资金和科技密集型产业 含括了地质 采矿 选矿 炼铁 炼钢 轧制和金属制品等系列工程 是生产 经营 科技和经济的综合体 钢铁制造过程在消耗大 原材 和能源的同时 也带动了机械 电 化工 建材 交通 通讯 商业 文教 卫生 房地产和农副产品 等部门和 业的发展 无论是在过去和现在 还是在将来相当长的历史时期内 钢铁工业的 发展水平仍然是衡 一个国家工业化和现代化水平高低的重要标志之 一 1 况的基础上 展望21世纪钢铁生产流程发展及钢铁材 制造技术 的进展 1 20世纪钢铁工业的技术现状和问题1 1 20世纪钢铁工业技术发展的成就20世纪钢铁工业出现了两轮大规模 的技术创新高潮 在炼铁 炼钢 铸钢 轧钢 自动化 节能 环保 等方面出现了众多新技术 钢铁生产流程技术随之也由第一代技术发展到第二代技术 即 以氧气顶吹转炉炼钢 连续铸钢 连续轧制为代表的第二代生产 流程技术代替了以空气底吹转炉 酸性平炉 模铸为代表的第一代 生产流程技术 熔融还原 铁水预处 炉外精炼 控制轧制 薄板 坯连铸连轧等技术则是对第二代技术的完善及补充 第二代技术的特点是以单体工艺及流程的创新为重点 主要包括 3 专家们估计 2 随着生产技术的 断发展 钢铁产品应用日趋广泛和 深入 世界钢材消耗 仍然占全部金属的95 以上 铝 塑 等其它原材 在相当长的时期内将无法从根本上取代钢铁作 为结构 功能材 的主导地位 本文将在回顾20世纪钢铁工业生产流程技术发展概干 勇 工程院院士 1947 生 1987 于钢铁研究总院获博士学位 现为钢铁研究总院院长 电话 010 62182602 氧气转炉炼钢技术 与平炉 空气底吹转炉相比 冶炼速 度加快 品种进一步扩大 可进 负能炼钢 并与连铸工序的生产 19 94 xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House All rightsreserved ki 2宝 钢 技 术xx 第1期节奏相匹配 获得了很高的生产率和经济效益 其技术特 点主要体现在 利用超音速氧枪喷吹纯氧 渣钢乳化效果加强 反应面 积提高近1000倍 促进钢渣反应平衡 氧气转炉炼钢首创了钢铁工业高效化生产的途径 推动了冶炼生产设 备的大型化 高效化和连续化 连续铸钢技术 与传统的钢锭模铸法相比 可提高成材率8 10 节约能源8 10 使炼钢到轧制成材的工艺生产线连续化成为可能 其主要技术特点体现在 利用中间包 结晶器 二次冷却 拉矫机等生产设备 连续生产合格铸坯 采用结晶器振动和保护渣 改 善了铸坯表面质 采用二次冷却和电磁搅拌 提高了铸坯内部质 连铸技术的发展 仅提高了钢铁成材率和生产效率 而且促进了钢铁 生产从单元化 间断生产的模式向连续化方向发展 多机架 列式的连续高速轧制技术 代替传统的并列式轧制工艺 特 别是热轧宽带钢连续轧制的发展 使轧制过程实现了高效 高速 高 精度化 20世纪80 90 代 先进产钢国在第二代技术基础上 开发了两项带有 系统性和综合性的技术 其特点是 再突出某个工艺 某个流程 主要 包括 为适应市场对钢的质 和高洁净度的要求 发展了铁水预处 包括废钢处 铁水脱硫 脱磷 脱硅以及热送等 炉外精炼 RH LF VD等大型真空精炼设备 等系统精炼技术 使得钢水中的 S P O H N 等有害元素含 降到了低限 钢液的洁净度达到 S 5 4 4 410 P 20 10 N 15 10 4 4 H 1 5 10 T O 10 10 C 10 10 4艺流程 连轧与控轧工艺技术的发展 仅大幅度提高了生产效率 实现 一火 成材 而且将离线热处 改变为在线余热热处 提高了产品质 降 低了环境污染 由上述总结可见 20世纪钢铁工业诞生的氧气转炉炼钢 炉外精炼 连续铸钢 控轧控冷技术具有划时代的意义 奠定了现代钢铁生产流 程连续 高效 柔性 可控特征的基础 1 2 20世纪中国钢铁工业存在的主要问题回顾20世纪 中国钢铁工业在技 术发展方面取得了辉煌的业绩 同时也存在能源消耗高 生产效率偏 低 资源消耗大 环境污染较严重等问题 与21世纪钢铁工业与环境 友好 资源循环 性能极限的特征存在很大差距 具体表现如下方面 在资源消耗方面 首先我国虽然具有丰富的铁矿 煤炭资源 但铁矿 石产 仅能维持1亿t的生产 2 3的铁矿石需要进口 炼焦煤仅占煤炭 储藏总 的25 主焦煤仅占炼焦煤的19 其次我国钢铁工业水资源浪 费现象严重 xx 全国重点大中型钢铁企业吨钢平均消耗新水8t 全 用于钢铁生产的新水接近30亿t 约占全国工业用水 的2 2 在钢铁生产流程中水主要消耗于设备冷却 除尘和炉渣处 资源短缺将成为我国钢铁工业可持续发展面临的主要问题 在能源消耗方面 xx 我国重点钢铁企业吨钢可比能耗平均为698kgc e 1kgce 29 3MJ 较国际先进水平 日本 德国 法国和美国的平均 水平 642kgce高56kgce 在环境方面 20世纪90 代以来 采用末端治 方针 吨钢环境负荷逐 降低 但与国际先进水平相比 仍存在较大差距 在劳动生产率方面 我国在转炉冶炼周期 连铸机拉速等方面与国际 先进水平存在较大差距 使得我国劳动生产率仅为国际先进水平的1 2 2 钢铁生产流程的发展展望2 1 氢冶金技术20世纪是氧气的时代 伴随着大规模工业化 水平 炉外精炼技术的主要特点体现在 创造最佳的热 学动 学条件 实现 了分阶段冶炼 保证钢水洁净度 采用真空精炼 提高脱碳脱气速率 采用电弧加热 精确控制钢水温度 采用吹氩搅拌工艺 均匀钢水的成 分和温度 净化钢水 炉外精炼的发展 大幅度提高了钢水洁净度 为新一代钢铁材 的发展 奠定了坚实的工艺基础 为保证钢材高精度 高性能的要求 轧钢方面形成了一整套既控制 形状 尺寸 表面 的高精度 又控制材质的高性能的控制技术 包括 在线检测控制 热处 表面处 等 控轧控冷技术的主要特点体现 在 采用多机架连续轧制实现了 一火 成材 采用控轧控冷工艺可 实现钢材组织 晶粒的控制 利用余热进 热处 简化了工制氧技术 的成熟 开创了冶金工业大 使用纯氧的新时代 纯氧的使用显著提高了生产效率 改善钢水质 成为推动钢铁工业技 术进步的主要基石 21世纪将可能迎接大规模用氢气时代的来临 氢气还原得到的高纯铁 将可能带动炼钢 连铸 轧钢工艺新的技术革命 形成21世纪钢铁生 1994 xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House All rightsreserved ki 干 勇 钢铁生产流程发展及先进钢铁材 研究的展望产新流程 可生产出高 纯度 高强韧性和高耐蚀性的新一代钢铁材 2 1 1 氢气用于铁矿粉还原的可 性氢原子半径小 传质阻 小 对铁氧化物 具有良好的还原反应动 学潜质 在铁氧化物的气 固还原反应过程中 提高气体还原剂中氢气的比例 可以明显提高其 还原速率 根据热 学分析 在一定温度条件下 大于810 用氢气还原铁氧化 物所对应的氢气的平衡含 比用一氧化碳还原时所对应的一氧化碳的 平衡含 低 这意味着用氢气还原时可以降低还原剂的使用 从而减 少化学能的消耗 同时 氢气还原铁氧化物的主要反应产物为金属铁和水蒸气 而水蒸气是目前最容 实现气 固分离的气体种类 降温脱水 还原后的尾气对环境没有破坏作用 可显著减轻环境的负荷 2 1 2 氢气的根据 论计算 在一定温度下 氢气还原铁氧3化物 Fe2O3 的消 耗 大约为600m t 该氢气 可通过对某种形式的冶金煤气所含的一氧化碳进 水煤气变 换获得 图1为基于氢冶金的生产超洁净钢的概念流程 从图1看出 终还原熔分炉产生的煤气主要由喷吹煤粉和氧气造气以 及终还原过程产生的煤气构成 该煤气中富含一氧化碳 可根据工艺需要调节其一氧化碳成分 在有 催化剂和水蒸气存在的条件下 可完成以下反应 1 CO H2O H2 CO2式 1 的气体产物可经过变压吸附或其他处 方式提取其中的单质氢气 或脱除其中的CO2而得到氢气 此外 焦炉煤气 COREX过程煤气和转炉煤气等冶金煤气也都可能成 为未来廉价大 制取氢气的选择气源 2 1 3 氢冶金工艺技术的应用基础研究3在廉价制取氢气的方法尚未工业化 成熟之前 把氢气用于生产钢铁的初级产品 海绵铁或铁水 在经济上 是难以承受的 因此 当时人们对于氢冶金的认识往往仅限于热 学分 析基础之上 由于氢冶金实际应用过程中可能引发分体系压 合 分配 热 有效供 给 还原速度与物 传递 系统连接与安全性 初级产品特征与最佳 使用途径等新的工艺技术问题的出现 工业试验的风险较大 而且会 由于所采用的技术 线的 同而差异很大 因此 其应用基础研究在上 述条件下很难实质性推进 对于图1所示的概念流程 其主要技术特点为 利用终还原熔分炉产生 的过程煤气 进 净化处 后 完成水煤气变换和气体产物的组分分离 得到单质氢气 氢气进入微波加热条件下的精粉矿还原装置 实现超 洁净海绵铁生产 其产品可能是低碳或无碳 低硅 低硫甚至低磷的 海绵铁 超洁净海绵铁无过氧化熔炼和渣铁分离 钢水的超纯精炼 由于铁精矿以氢还原为主 因而避免了铁水的碳饱和过程和脱碳过程 可能带来的钢水过氧化 有可能使钢水的内生夹杂数 明显减少 超 洁净钢水均质细晶凝固 钢材精确轧制等 可以看出 上述概念流程至少在以下方面要开展广泛深入的应用基础 研究 1 微波加热条件下氢气还原铁精矿粉的工艺技术 涉及以下研究内容 铁精矿粉对微波能源的选择吸收问题 铁精矿粉 在微波加热条件下的传热与氢还原速度的耦合问题 适 添加剂对还 原速率的影响问题 高压还原过程与系统的安全连接问题 适用于微 波加热的耐材开发等 2 超洁净海绵铁的超纯精炼技术 以氢还原过程生产的高纯海绵铁作为主要原 进 钢水超纯精炼的过 程 同于传统碳饱和铁水的脱碳 钢水脱氧和内生夹杂物上浮去除 过程 超洁净海绵铁的熔化温度高 如何在有效保护条件下完成其快速熔化 和渣铁分离 实现成品钢水的超洁净化 是该技术 线的主要技术精髓 之一 3 超洁净钢水均质细晶凝固技术 超洁净钢水凝固过程的固液两相区窄 形成均质细晶的规 与传统洁 净度的钢水 同 对环境温度梯度图1 基于氢冶金的生产超洁净钢的概念流程Fig 1 Concep tflow ofsuper cleansteel productiontechnologybased onthehydrogenmetallurgy的要求 同 必须开发适用于超洁净钢水均质细晶凝固过程的温度控制技术 4 钢坯的无氧化热和氢还原除鳞技术 以 1994 xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House All rightsreserved ki 4宝 钢 技 术xx 第1期氢气作燃 采用高温空气蓄热燃烧技术 可实现轧钢加热 炉内均匀弥漫性燃烧 均匀钢坯加热温度 改善钢坯的组织性能和表 面质 其燃烧产物为水蒸气 无二氧化碳生成 其燃烧产物经脱水处 后返回炉内 主要为氮气 用于冲淡助燃空气 中氧的含 5 冷轧工艺的酸洗除鳞每 耗用大 硫酸和盐酸 对环境污染严重 带钢的氢还原除鳞工艺无环境污染物排放 处 后表面残存的铁粉 清 除和再利用 钢带表面光滑 有金属光泽 质 优良 2 2 新一代可循环钢铁生产流程传统钢铁流程的基本特征是 以产品 钢 材 为中心的流程制造业 采用消耗 回收 放散的生产模式 新一代可循环钢铁生产流程 如图2所示 其基本特征是 具有社会功能 钢铁产品制造功能 高效能源转换功 能和大宗社会废弃物处 功能 的流程制造业 采用消耗 回收 利用的生产模式 如图2所示 以 产800 1000万t的大型钢铁联合企业为背景 其消耗 每 大约消耗铁矿石1350万t 煤炭630万t 其产出 800 1000万t钢材 70亿kWh电 300万t炉渣水 其利用 120万t社会废钢 20万t废塑 作为可循环 念流程的技术支撑 将开展如下两方面的研究工作 即 高效化生产 资源与能源的综合利用 图2 新一代可循环钢铁生产流程示意图Fig 2 Schematic diagramof newlydevelopedrecyclingsteel productionprocess2 2 1 高效化钢铁生产新工艺研究高效化钢铁生产新工艺包括 洁净钢水高 效冶炼工艺 板坯高速连铸及柔性轧制工艺 高品质板带材高效生 产工艺 钢铁制造流程信息化与智能化控制等 核心技术为 大型高炉强化冶炼工艺技术 低成本 高效化生产洁净 钢水的工艺技术和大板坯高速连铸技术 核心技术的研究目标及研究内容如下 2 2 1 1 大型高炉强化冶炼工艺技术3研究目标 5500m高炉利用系数达到32 3 t m d 喷煤 大于250kg t 焦比小于270kg t 研究内容 超大型高炉强化冶炼规 及控制 超大型高炉富氧大喷煤 技术 高炉炉龄延长的综合保证技术 2 2 1 2 低成本高效化生产洁净钢水工艺技术研究目标 转炉冶炼周期缩短到 20 425min 夹杂物总 小于100 10 全过程自动喷吹 研究内容 全 铁水预处 及复吹转炉少渣冶炼工艺流程设计 复吹转 炉高供氧强度3 4 5m min t 少渣吹炼工艺 高效复吹转炉自动 吹炼控制技术 2 2 1 3 大板坯高速连铸技术研究目标 厚板坯连铸机拉坯速度达到1 8 2 5 m min 铸坯质 满足高品质钢的质 要求 实现100 热送 研究内容 大板坯高速连铸关键装备 高速连铸无缺陷铸坯生产工艺 与质 控制 高速连铸大板坯热送技术 2 2 2 钢铁企业资源与能源循环利用技术钢铁企业资源与能源循环利用技 术包括 可循环钢铁流程关键节能技术 重大节水技术和高附加值炉 渣产品开发 能源转换高效的集成技术等 核心技术为 大型焦炉高效能源转换技术 炼钢 轧钢综合节能与环保技术 长寿高效集约型 1994 xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House All rightsreserved ki 干 勇 钢铁生产流程发展及先进钢铁材 研究的展望冶金煤气干法除尘技术 炉渣干法粒化 余热回收新技术 核心技术的目标及研究内容如下 2 2 2 1 大型焦炉高效能源转换技术研究目标 降低吨焦能耗43kgce 消纳社 会废塑 10kg t 使用CDQ使能源转换率比传统工艺提高40 以上 研究内容 新一代高压CDQ能源转换技术 焦炉荒煤气余热回收与利 用技术 利用焦化工艺处 废塑 技术 煤调湿技术 焦炉煤气重整 制氢及生产海绵铁新工艺技术 2 2 2 2 炼钢 轧钢综合节能与环保技术5坯进 重压下 高温热送 甚至直接轧制 使热轧坯 的尺寸和组织 为接近成品 而在上述基础上 热轧工序可实现直接轧制 小压缩比轧制和使热轧 产品的规格进入传统冷轧产品的范围 同时 还 强调发挥变形与温度 含冷速和冷却 径 的耦合对相变 直至最终组织性能的优化作用及 其精确控制 此外 热轧工序的功能还扩展到对产品表面氧化产物的 控制和影响产品最终织构的程度 详见表1 表1 铸 轧 材一体化技术的区域分工Table1 Regional divisionof theCRM2integrated technology连铸区衔接区热轧区 近终产品连铸 绿色衔接 多功能 连轧 近终形状带液芯重压下小压缩比轧制近终品质铸坯高温热送直 接轧制高速连铸 控轧控冷 薄规格轧制 织构控制 氧化产物控制 形变 相变 组织控制凝固后形状及组织控制组织控制 研究目标 实现转炉工序能耗小于零 加热炉工序能耗节约30 以上 研究内容 转炉快速吹炼条件下煤气高效回收 高温铸坯热送热装 大型轧钢加热炉清洁燃烧与控制 钢坯无氧化加热 无酸除鳞处 与 表面质 控制 2 2 2 3 长寿高效集约型冶金煤气干法除尘技术研究目标 高炉吨铁节约新水 0 2 0 3t 节电80 90 降低工序能耗18kgce 转炉吨钢节约新 水0 5t 节电40 降低工序能耗8kgce 研究内容 大高炉干式除尘成套技术装备技术 长寿 集约型新式大 高炉干式除尘技术 转炉干法除尘新工艺技术 低品质余热蒸汽发电 技术 2 2 2 4 炉渣干法粒化及余热回收新技术研究目标 开发炉渣干法粒化技术 渣处 发电 大于440kWh t研究内容 高炉渣干法粒化的相组织结构与 粒度的控制 高炉渣余热回收工艺 高炉渣干法粒化及余热回收关 键技术装备 钢铁工业固体渣生产高附加值产品的新技术 2 3 铸 轧 材一体化技术 CRM2Tech 从20世纪末开始 在连续和高精度的基础 上 钢铁生产流程的显著变迁之一是连铸 轧制 尤其是热轧 和材 热处 三个工序由相互独立 离散的断续生产模式向相互交叉 相互 融合 即铸 轧 材一体化的方向发展 它反映在形状 组织和性能控制环节的 前移 在钢水得到充分准备的前提下 铸 轧 材一体化的连铸工序 以近终产品连铸为目标 仅在铸坯形状尺寸 而且在铸坯组织方面也尽可能最大程度地接近成品 即由近终形连铸 和近终品质连铸两方面的技术组成 在连铸 热轧两工序的衔接上 则以绿色连接为目标 即对凝固后的铸 铸 轧 材一体化技术 仅实现了三个工序在空间和时间上的紧凑化 得以大 幅度提高生产率 降低生产成本 而且由于各工序都出现了新的物 冶金过程 开 了新的组织和性能控制技术 为重要的是它能够获得 以往传统的 离散生产模式所 能获得的性能 从而成为进一步发展 先进钢铁材 的重要基础 薄板坯连铸连轧可以看成是铸 轧 材一体化技术的典型代表 该流程充分体现了生产过程的连续化和向 一体化发展的趋势 由于连铸 衔接和热连轧的高水平技术 装备的配置 得以进 高精 度的控制 与之相应 产品的组织性能控制也达到了空前的水平 首先 该流程的连铸工序接受精炼工序的高洁净度钢水 通过诸如先 进保护渣 保护浇注 直弧型结晶器 电磁制动 电磁搅拌等手段 向衔接区提供高洁净 高均质 高等轴晶比例的连铸坯 在衔接区铸坯经过轻压下和隧道炉 既消除了可能的偏析 减少了连 轧坯 的初始厚度 也实现了连铸坯温度分布的均匀化 可见 连铸和衔接两个工序都为后续热连轧的组织性能控制提供了原 始材 组织和规格尺寸的准备 同时 还为热轧工序的小压缩比轧制创 造了条件 在热连轧工序实现的控制控冷则在前述基础上进 热轧产品 1994 xxChina AcademicJournal ElectronicPublishing House All rightsreserved ki 6宝 钢 技 术xx 第1期组织性能的最终控制 如果考虑到热轧润滑等技术的应用 则此时还为冷轧及退火的冷成形 钢板和取向硅钢的织构控制提供良好的初始条件 这充分反映了工序的融合与交叉 即铸 轧 材一体化的特征 它所带来的高效 高速 绿色化和低成本已为人们所认可 为重要的是应当看到 薄板坯连铸连轧流程产品档次仍然在 断提升 之中 从生产普通碳素钢板卷开始 现在已经发展到深冲钢板 先进 汽车制造用钢板 管线钢等高附加值产品 它说明 铸 轧 材一体化技术正在向高端产品的生产迈进 因此 铸 轧 材一体化具有强大的生命 在这个观念指导下 根据具体产品类型 薄板 中厚板或其它 的特点 对现有各项相关技术进 整合 进而针对经济建设对先进钢铁材 的 新要求 研发新的一体化技术 将是今后钢铁工业的重要任务 3 先进钢铁材 的研