钢厂的结构与模式-第九章

1,钢厂流程的结构与模式,殷瑞钰湖南张家界,2006年7月22日,2,从物理角度看，钢铁制造流程的运行本质是一种多因子（多维）“流”，按一定的“程序”，在一个由诸多性质不同的工序、装置（节点）和不同的连结方式（连结器）组成的复杂网络结构（流程网络框架）中流动运行现象。钢厂制造（生产）流程运行过程离不开三个要素，即“流”、“流程网络”和“程序”。钢铁制造（生产）流程是一种开放的、不可逆的、远离平衡的耗散过程，钢厂制造（生产）流程是一种耗散过程结构，流程作为一个动态运行的整体系统，它不宜用封闭系统、可逆-平衡过程的理论来研究，而应该用耗散结构理论、协同学理论和系统科学理论来分析、研究。,3,主要内容：1工序功能的演进与钢厂流程结构的关系2钢厂生产中的运输问题3钢厂总图布置问题4钢厂结构优化问题5钢厂结构优化与工程设计6现代钢厂的模式,4,1工序功能的演进与钢厂流程结构的关系1.1工序在流程中的位置和作用,工序、装置是制造流程系统的重要组成部分，是制造（生产）流程系统中下一层次的组成单元（子系统）。从流程网络框架的静态结构角度看，工序、装置是流程网络中的节点。作为流程网络框架中的节点，工序、装置一般有三项作用：接收（输入）、传递或遗传（输出）作用；加工、转换、转化乃至突变作用；对外界环境变化的适应作用,图1流程系统中工序、装置的作用接收、传递或遗传；加工、转换、转化或突变；适应外界环境条件；输出、传递或遗传,5,1.2钢铁制造流程中工序功能的演进,在钢铁冶金生产流程中，所谓工序功能主要是指该工序在制造（生产）流程中的行为和发挥的主要作用，特别是对物质流、能量流的加工、转换、转化乃至“突变”性的作用。在钢厂制造流程中，许多工序的功能往往是多元的，而且有些功能又可以在多个工序中实现。因此，又提出了在不同外部环境条件下，某一或某些功能在不同工序中实现的程度以及相互补充、相互替代、优化匹配的关系，而且还应该研究不同工序之间功能的综合、集成等问题。,6,焦化,焦化工序是碳素流的加工、转换过程，从炼焦工序功能来看：高强度块焦产生器；能源转换器；未来新能源的初始转换-发生器。,7,烧结,烧结是铁素流在碳素流作用下的“火法”预处理过程，从工序功能来看：细散颗粒铁矿粉的加工处理器；高炉冶炼强化的基础；含铁废弃物再资源化处理器；矿物燃料中硫分的脱除器。,8,1.高炉（1）氧化矿物还原和渗碳器（2）液态金属发生器和连续供应器（3）能量转换器（4）冶金质量调控器2.铁水预处理（1）流程工序之间冶金负荷和质量调节器铁水预处理过程脱硫效率很高表1不同工序脱除1kg硫所需的费用（2）能量调节器（3）高炉-转炉区段连续作业的协调-缓冲器,9,3.转炉4.电炉（1）快速、高效脱碳器（1）废钢快速熔化器（2）快速升温器（2）适度脱磷、脱碳器（3）能量转换器（3）能量转换器（4）优化脱磷器,图2现代电炉冶炼技术的发展,10,5.二次冶金装置（1）高效精炼器（2）缓冲协调器（3）效率倍增器,表2二次冶金装置精炼功能的演进工序,注：表示常规使用的功能；表示处于发展中的功能。,11,6.连续铸钢(1)高效凝固器(2)优化成形器(3)终端冶金器(4)节能器,表3炼钢-轧钢不同生产流程对轧钢能耗影响的比较序号,12,7.加热炉（1）加热换能器（2）缓冲-协调器（3）质量、性能控制器8.轧钢机（1）连续形变器（2）组织-性能控制器（3）多级附加处理器,图3某钢厂拉速-铸坯表面温度关系图,13,1.3钢铁制造流程中工序功能的分布和组合优化,效果：很好；一般；没有,表4钢铁冶炼工序的功能分布和组成工序功能,14,效果：很好；一般；没有,表5凝固、轧制工序功能分布和组成,15,钢铁生产流程科技进步的又一个特点，是在对工序功能分析、分解、优化的基础上，将改进了的工序功能在生产流程中进行再组合优化。作为再组合优化的起源和支撑点，首先是单体工序、装置功能的组合优化，进而推进区段过程的组合优化，再实现生产流程整体工程的组合优化。作为单元工序（或装置）功能的组合优化，已经有很多成熟的技术，如干熄焦(CDQ)、高炉炉顶煤气余压发电（TRT）、转炉烟气处理与煤气、蒸汽回收、延长转炉炉龄、提高一代高炉的服役年限、转炉复合吹炼、轧钢加热炉综合节能技术以及以计算机为核心的自动控制与各单体工艺设备相结合的基础自动化等等。,16,作为区段组合优化也有很多成熟的技术，如炼铁-烧结(球团)-炼焦的组合工程系统，铁水预处理-转炉-钢的二次冶金-连铸的组合优化系统，废钢预热-电炉-钢的二次冶金-连铸的组合优化系统，无缺陷铸坯生产技术-高温铸坯输送技术-铸坯直接高温装炉技术或直接轧制技术，控温-控轧-控冷技术，MIS控制技术等。作为生产流程组合优化，则往往是建立在上述两类优化组合系统基础上的，从而形成现代化制造流程的组合优化。这种现代化组合优化在高炉-转炉流程或电炉流程均可实现。作为这种生产流程组合优化的标志，是在工艺、装备现代化和流程网络（例如平面布置图等）优化的前提下，实现全流程的计算机集成控制和实现钢厂与环境相容性的改善，进而形成与钢铁制造流程相关的工业生态链。,17,2钢厂生产中的运输问题,钢铁工业“运输工业”。钢铁联合企业内部原来以铁路运输网为主的运输格局发生了重大的变化。现在总的趋势是：1)钢铁企业的物料、能源以及重要产品的总进、总出仍然依赖于铁路、船舶，尤其是矿石、煤炭等大宗原、燃料，其运输方式更多地依靠巨型船舶。新建的沿海大型钢铁联合企业深港、大船、不倒运的原则。,18,2)车间之间、工序之间的物流运输方式，除高炉铁水目前还不能摆脱铁路输送方式以外，其它原料、半成品、成品的输送已转变为以不落地的工序间“在线”工艺输送方式为主，基本上是不落地，不曲线倒运，不依靠铁路运输，尽量取消中间库或压缩其容量，以尽可能追求“最小运输功”和缩短物流时间周期为主要方向。3)某些辅助材料的运送则是以大型运输汽车和带式输送为主，尽可能地不采用铁路输送，以避免工厂土地面积因铁路曲率半径、道岔等技术因素而被占用。钢铁厂内以铁路运输网为主的传统运输方式，可能由于铁路的因素甚至使40左右的土地面积无法合理利用，这也是值得注意的经验教训。,19,表6炼钢轧钢之间不同生产流程的过程时间比较序号,20,钢铁厂的流程网络（包括总图布置等）已发生了明显的变化。大型钢铁联合企业的高炉座数大多数已减少到4座以下，炼钢车间已减少到12个，车间布置更趋连续-紧凑，特别是连铸机-加（均）热炉-热轧机之间布局，发生了明显的变化，其特点是将铸机的出坯线与加热炉甚至热轧机的辊道轴线尽可能对准，而且相互之间的距离尽可能缩短。这一点在薄板坯连铸-连轧工艺作业线得到了充分的体现。在一些新设计的板坯连铸机-热带轧机的平面图以及小方坯铸机-棒、线材轧机的平面图上也体现了这种趋势。同时也导致半成品、成品仓库的容量及其相应作业人员趋于减少，工厂总的占地面积也随之减少。,21,3钢厂总图布置问题3.1“流”是钢厂生产流程运行的主体,钢厂中每一个工序、装置及其相互之间的连结方式，都应根据其功能及其与相邻工序、装置的关系，确定其合理的空间位置。工序、装置间的空间定位既包括了单元工序、装置在空间上的“点定位”，又包括了工序、装置及其相互连结路线的多工序、多装置的“面定位”。而“面定位”又叫做工序、装置的布局问题。流程运行过程有三个要素：“流”、“流程网络”、“程序”。,22,“流”是泛指生产流程中的物质流和输送、搬运过程中的物流。“流程网络”实际上是指开放系统中的“资源流”、“节点”和“连结器”整合在一起的物质-能量-时间-空间结构。“流程网络”的静态结构体现为空间结构（主要是总平面布置等），当然，静态空间结构要能适应“流”在动态运行过程中的有序性、可连续性和紧凑性。“程序”则是指包括了功能序、空间序、时间序在内的“序”和运行过程中的规则、策略、途径等的集合。由此可见，“流”是流程动态运行的主体，“流程网络”是“流”运行过程中的“节点”、“连结器”等优化配置的布局及其组成的时-空边界。而“程序”则是驱动流程优化运行的“软件”。,23,3.2总图布置的重要性,1.钢厂的总图布置应体现制造流程动态运行的总体设计概念由于总图布置一经确定并建成，就形成了“固化”的静态网络框架，一般很难能随机改变。总图布置是钢厂静态“空间结构”的集中体现，在相当大程度上是时-空边界的规范。钢厂的总图布置是“从接受原、燃料起直至产成品装运的全过程中将人员、机具和物料所有需要占有的空间作最合理、最透彻的配置，并使之最有效地组合，以期获得最好的经济效益和环境-生态效益”。,24,工厂布置实际上是一种规划全厂物料流、能源流、人流和信息流的技术，是一种组织这些人和物在工序繁杂的各类装置间均衡、有序和高效流动的技术，工厂布置合理与否直接影响到企业的生产效率和效益。当规划工厂物质流-物流系统时，在物料流、能量流的种类、数量基本固定的情况下，流程路由的长度就标志着运输功的大小。流程路由愈短，做功愈小，相应地耗能也愈少。动力方式和装载器具的选择也涉及能源的消耗，运输方式和装载器具的选择多半取决于经济上的判断。,25,2.钢厂的工厂布置应体现以“流”（物质流-物流）为核心的概念,一个高效的物质流-物流规划是经济生产的重要条件。按照物质流-物流图并有效地布置工序、装置，将使所有过程高效运转。优良的工厂布置可以获得长期的经济运行效果。摩尔（JamesJ.Moore）评价工厂布置（流程网络）的标准，主要有：1）最简化的生产物流；2）最少的物料搬运费用；3）最快捷地改变工艺流程；4）最有效地利用空间；5）最安全、舒适、称心的工作环境；6）避免不必要的投资；7）激发职工劳动热情。,26,工厂布置和车间布置是相互依存的。工厂总图布置不仅仅是某一车间、某一工序、装置的优化布置问题，更重要的是全厂生产工艺流程的优化，做到物质-能量-时间-空间相互协调，使物质流-物流在能量的驱动下，以最短的路径和最简便、快捷的方式流动运行。这就意味着完成单位产品的最小运输功。对于高温生产流程而言，运输路径短，运行时间短，物料温降小，就是减少热量损失，也是节能的重要体现。因此，工厂总平面布置和车间平面布置的优化，可使企业最大限度地、长时期地保持经济运行，是企业生存、发展的重要基本条件之一。,27,3.现代钢厂总平面布置的特点,（1）高炉-转炉之间的平面布置体现液态金属运输的快捷、缓冲、协调的要求，特别是由于高炉的大型化、高炉的强化冶炼、铁水预处理方式的多样化以及转炉的快节奏吹炼技术的发展，体现在高炉出铁-铁水罐输送要和转炉-连铸多炉连浇保持协同。这样就使得高炉炉座朝24座特别是23座的方向优化，以促进高炉出铁-铁水输出次数和方式的简化以及运行快速化。当然，这就要求铁水预处理工艺和装置的合理选择及其在平面布置上“面定位”的合理化，并更好地适应转炉吹炼-连铸多炉连浇节奏的动态-有序化，乃至高拉速、恒拉速地多炉连浇。总的趋势是要求高炉-转炉的距离尽可能短，铁水输送时间尽可能快，盛铁容器数量尽可能少，铁水罐可以准确、直接兑入转炉，而且空铁水罐返回速度尽量快。,28,（2）转炉-二次冶金-连铸-加热炉-热连轧机之间的高温热连结炼钢厂与热轧厂之间的距离越来越短，甚至以辊道保持相互连结；连铸机与热轧机之间生产能力相互匹配，甚至形成一一对应或是整数对应的格局；连铸机与加热炉之间不仅是距离缩短，而且在输送方式逐步演变成为辊道输送（或辅以天车转运）为主；在上述基础上，最新设计的炼钢厂-热轧厂的铸坯输送方式更为简捷。即将连铸机的出坯辊道与加热炉进坯的辊道直接对准，形成以最快、最简化方式直接热装炉。,29,图4我国某厂新设计的炼钢厂与热轧厂之间的平面布置示意图1-RH2-LF3-转炉4-连铸机5-加热炉6-定宽轧机7-粗轧机8-精轧机9-卷取机,30,（3）薄板坯连铸-连轧作业线的紧凑型平面布置在薄板坯连铸-连轧作业线中，大部分是以隧道式加热炉来连结连铸机和热带轧机的。其平面布置的特点是连铸机的出坯端直接对准隧道式加热炉。连铸坯切断后以9501080的表面温度直接按序进入各自对应隧道窑，然后经适度的均热-升温直接进入热宽带轧机。平面布置图非常紧凑，基本上是直接相连的。,31,1-No.1EF2-No.2EF3-No.1LF4-No.2LF5-VD6-No.1连铸7-No.2连铸8-No.1隧道式加热炉9-No.2隧道式加热炉10-6机架连轧机11-No.1卷取机12-No.2卷曲机图5薄板坯连铸-连轧作业线-紧凑型平面布置的示意图,32,（4）电炉短流程钢厂的平面布置由于电炉流程主要是为了利用社会废钢而建立的，特别是对于全冷装料的电炉而言，其特点之一是可以随时启动或停止运行。因此，在电炉短流程钢厂的流程工序（装置）构成上，往往体现出“四个一”的一一对应体制：即一台大型电炉、一台精炼炉、一台连铸机和一套热连轧机串联运行。对于这种类型的短流程钢厂，其电炉炼钢厂与热轧厂也往往是紧密相连的，也是属于紧凑型连结范畴。而且有些平面布置图里还设计了不同温度的连铸坯热送路线，使得物流更为通畅、更为节能。,33,1-电炉2-在线立式钢包烘烤器3-LF4-连铸机5-步进式铸坯床6-副加热炉7-铸坯缓冷坑8-主加热炉9-轧机10-冷床图6一种优化设计的电炉短流程长材厂的平面布置图,34,4钢厂结构优化问题4.1钢厂结构优化的背景和动力,背景：社会经济发展的要求当数量和规模已不再是一个国家钢铁工业实力的惟一标志时，钢铁工业和钢厂结构优化的作用就日益突出。,35,动力：1)市场需求的拉动或抑制；2)科学技术的进步及其在工程上的集成优化；3)成本、质量、价格的竞争以及与此相关的资金投入等经济因素；4)资源、能源供求关系和价格变动状况；5)运输条件及其价格的影响；6)环境、生态日益严格的要求。环境、生态问题对钢铁工业结构变化带来的深刻影响。,36,4.2钢厂结构的内涵和结构调整的趋势,结构，是指系统内各要素之间在一定环境和条件下所形成的有机联系和相互作用的方式及其组织形式。结构的内涵不只是系统内各要素之间简单的数量堆积和数量比例，更主要的是组成系统的各要素质量的先进性、组织的合理性、动态可调性及其内在的活力状况。钢厂结构,是指企业内部各要素之间合乎社会经济发展规律、技术进步规律、企业组织规律、市场竞争规律等规律的、相对稳定的内在联系和作用方式。形成企业结构的基本要素包括市场、资金、资源、能源、运输条件、劳动者素质以及环境状况等。,37,企业结构与其各个要素之间是有着相互联系、相互作用的，结构对企业整体功能和素质起着决定性的作用，它可以使各要素有效地组合起来，形成整体的综合优势。企业结构一旦形成就具有相对的稳定性和独立性。因此，企业作为市场竞争的行为主体，其自身的产品结构、工艺流程结构、装备水平和能力、合理经济规模、从业人员的群体素质和组织结构就决定了企业的竞争力。企业之间的市场竞争也在很大程度上促进着钢铁工业的结构变化。因此，钢铁工业结构优化的基础在于钢厂结构的优化。当今国际钢铁工业新一轮钢厂结构优化的目标是一种以质的更新为前提的结构均衡，追求的是充分发挥钢铁制造流程的功能，追求在循环经济中合理的角色，追求的是以一系列先进技术经济指标为目标（群）的整体优化。,38,4.3钢厂结构优化的工程分析,钢厂结构优化最突出的体现是与市场需求紧密相连的产品结构和合理经济规模。钢铁企业历来重视合理经济规模，即具有合理结构的经济规模。某一企业规模是否经济、合理的，其决定性的评价因素之一在于结构是否优化。,图7钢铁冶金企业结构逻辑框图,39,综观钢铁制造流程科技进步的动向，钢厂结构优化的技术思路基本上是立足于：1)工序功能集合的解析-优化；2)工序之间关系集合的协调-优化；3)流程工序集合的重构-优化。这三个“集合”的优化推动着钢铁企业生产流程的进步和企业结构的优化，从而组成了以工序功能优化、工序之间关系协调优化为基础的现代化钢铁企业。,40,4.4资源、能源与钢厂制造流程,图8钢厂制造流程与资源、能源之间关系的演变,41,全球:资源、能源与钢厂制造流程的对应关系有了新的发展，进入了非常活跃的状态。原料结构变化；能源结构变化“高炉联合企业只买煤，不买电”；铁矿石生产热铁水的工艺流程也开始出现了多元化的趋势。国际钢铁工业已经进入了炉料结构、能源结构和钢厂流程结构的多元化活跃时期。钢厂应该从市场需求及其变化出发，选择产品种类，综合考虑资源、能源、产品及它们的运输条件，分析资源、能源、产品的价格变化趋势，充分注意环境保护，选择相应的制造流程，并结合投资建设过程、生产过程中的财务费用和制造成本进行评估与决策。,42,5钢厂结构优化与工程设计5.1流程工程设计的重要性,设计就是要通过正确、有序、协调的构思组合，形成能够有效、合理运行的系统。系统科学的一个关键概念是系统具有两种类型的性质：第一类性质指的是系统的整体性质可以从组成“元素”（部分）的性质中推导出来。第二类性质是只有系统（整体）才具备的性质，而没有一个组成“元素”（部分）具备这种性质。第二类性质是通过系统的各组成“元素”（部分）的相互作用、相互协同之后才产生的。必须依靠设计系统，以实现系统（整体）内的各个组成“元素”（部分）之间正确地、协调地相互作用，形成结构，体现功能。,43,大多数的工程问题、技术问题、管理问题实质上都属于为了要得到期望的、优化的系统（整体）的第二类性质。因此，人们特别重视制造（生产工艺）流程、过程整体等设计的重要性。以流程工程学的观点来考虑生产流程设计，要重视流程系统的概念性研究，特别是一些复杂的、重大的工程问题或项目，要认真进行战略研究、概念研究，特别要重视集成创新，切忌简单堆砌、拼凑，更不能简单地放大或缩小、照猫画虎，这是确保流程工程设计成功和设计优化的前提。,44,概念研究是在制造流程系统的不同层次上，按照工程系统要求实现的目标（群），对新理论、新技术、新体系的技术可行性、经济合理性、环境相容性进行系统的解析-集成研究，进而开展工程技术上的静态构造和动态运行研究。这类解析-集成研究，不仅要用系统科学的知识、方法、手段，更重要的是要从本专业、本行业流程（过程）工程的新的解析-集成理论和工程创新的战略构思出发，提炼出新的概念、新的价值观来，进而上升为新的设计理论。这种关于设计（包括流程设计）的概念研究，对于评估国际技术经济发展动向，勾画发展思路，明确技术内涵，选准技术方案，看准关键技术乃至开展自主集成创新，获得后发优势，实现后来（特别是后发投资）居上，是至关重要的。,45,概念设计是求解实现功能、满足各种技术经济指标和可能存在的各种方案，并最终确定综合优化方案的过程。概念设计是发散思维和创新设计的过程。概念设计具有明显的创造性、多解性、层次性、协同性和综合性等特点，是一个复杂的判断决策过程。概念设计必须植根于：体现对不同层次、不同尺度上的深层次知识的理解和创造性思维；善于体现启发式知识的表达；善于解决复杂性问题的设计；善于用辩证思维解决某些不相容的矛盾问题。对于设计，特别是流程设计而言，一定要结合实际，综合运用各类高新技术和现代管理科学方面的众多成就，通过解析-集成，形成新理论、新概念、新方法，促进新一代技术和集成工程的创新实践。,46,对流程设计而言，所谓“解析”，就是把工序、装置和流程等分解为各个部分、单元和工序、装置功能等因素，分别加以研究、考察的逻辑方法。所谓“集成”，则是把工序、装置和流程的各个部分、单元和工序、装置功能等因素集合成为一个统一的整体（流程工程），进而从更高的层次上加以研究、考察、推理、反馈的逻辑方法。从思维方向上看，解析和集成是相反的、往复的过程，一般是在解析后集成，在一定条件下也更需要在集成的命题下进行再解析。,47,5.2钢厂技术进步的趋势,1.20世纪国际钢铁工业结构调整的进程20世纪国际钢铁工业的发展历史，就是很鲜明的结构调整史。钢铁企业生产流程的结构调整和优化重组国际钢铁工业得到大发展，同时也经历了不断的结构调整和产业升级的过程。钢铁工业面临21世纪的时代命题，思考中国钢铁工业的结构调整，必须综合考虑市场需求、资源、能源可供性、技术进步、投资效益、环境保护(环境友好)等因素。,48,在激烈的市场竞争条件下，钢铁企业追求的目标是综合优化的目标群，包括市场占有率、成本、质量、交货期投资效益等，而不是单一的品种、质量问题。这是不同层次的命题。前者是企业生存、发展的全面性、战略性命题，后者是技术方面的一个命题，或是局部市场开发的命题。实践已经证明，对于比较单一技术性命题，可以用比较单纯的方法（例如实验室研究，现场专题攻关等）去解决，所谓“一个指头按跳蚤”。对于全局性、战略性的命题要用整体的、协同的、更为宽阔的知识面去解决，犹如“十个指头弹钢琴”，要有整体观，要注意时序-节奏和诸多矛盾间的协同解决。,49,2.关于扁平材和长材生产工艺的优化和产能分析,（1）薄板薄板坯连铸-连轧流程产生的影响传统热轧宽带钢产品的厚度主要分布情况是：2.002.99mm约占47.5%；3.004.99mm约占25.7%；1.501.99mm约占14.3%；而小于1.50mm仅占0.3%。由于薄板坯连铸-连轧工艺的发展，使得热轧薄板的最小厚度已经有可能达到1mm以下，而其产品主要厚度范围将主要分布在1.06.0mm之间。对传统热轧带钢轧机、传统冷轧带钢的产品市场产生影响。,50,传统热轧带钢轧机的产品将分别被逐步挤压到主要生产3mm以上的厚规格带卷和为1.0mm以下的冷轧带钢供料。薄板坯连铸-连轧作业线的热轧产品将部分挤占1.02.2mm之间冷轧产品的市场，小于1.0mm厚度的冷轧产品的市场仍将由传统带钢轧机保持主导地位；而传统热带连轧机生产的3mm以上的厚规格的产品将挤占原来2300mm及其以下中板轧机的中板市场。,51,（2）中板“连锁反应”将引起的结构调整部分有条件的钢厂应该考虑将原来的2.3m中板轧机改造成3.34.2m（4.8m）的中板轧机，主要生产2.53.8m宽的中板，这类中板对于造船、桥梁、压力容器甚至管线钢都有相当的市场价值。连铸中间包容量、炼钢炉的容量、铸机宽度、铸坯厚度都相应进行调整，由于钢包容量增加，有利于使用真空处理技术，这对钢种开发和钢质提高将大有裨益。对中国而言，建设4.8m或更宽些的中、厚板轧机是必要的，这将有利于促进大型船舶和UOE管线的发展。当然，这些4.8m以上的中、厚板轧机必须配备完善的精整、热处理工段，当轧制特厚板时需要配备加热80t以上大钢锭的室状炉；同时还必须具有相当高水平的炼钢厂。,52,3）棒材棒材在发展中国家的钢材消费构成中占有重要位置。对棒材的轧制工艺装备，以连轧机来代替二火成材、横列式轧机等，加速淘汰落后装备。国产的棒材连轧机已有相当水平，生产运行正常，可达年产60万70万t，其吨材投资成本明显低于进口设备，应大力提倡，并进一步开发提高。而某些进口的棒材连轧机，在采用2.4t左右坯重的前提下，可以达到年产100万t的水平。棒材连轧机改造中有6项技术应引起重视：一是连铸坯热送热装，热送温度提高到600以上；二是铸坯单重的选择，应选择1.52.4t；三是“半无头轧制”技术（图）；,53,1-回转台2-连铸机3-引锭装置4-隧道窑5-夹送辊6-事故剪7-连轧机组8-层流冷却装置9-剪切、去磷装置10-考克斯减径轧机图10国外某厂棒材（半无头轧制）作业线的平面布置图,54,四是冷床长度合理化和产品的包装能力，这也往往影响轧钢作业线的顺行、效率；五是采用轧制过程控轧控冷技术；六是采用切分轧制技术（以解决轧制小规格产品时生产效率过低和轧制不同尺寸规格的产品时产出率不均衡，甚至影响铸坯热送、热装等问题。现代化的小型型钢轧机一般将主要生产棒材，个别情况下生产一些窄扁钢。生产工、槽、角等型钢影响轧机效率，而且精整、包装复杂，生产效率低，成本高。应逐步过渡到采用冷弯成形工艺来生产，有的或由轧制“H”型钢的“万能”轧机来生产。通过热送、热装、增加坯重后（包括铸坯连续焊接），使生产效率、能耗、成材率、生产成本大为优化。,55,（4）线材线材也是发展中国家主要消费的钢材品种（主要指建筑用线材）。,表7高速线材轧机轧制速度的演变年代,中国应加速淘汰落后轧机或改造为高速线材轧机。中国已可设计制造90105m/s的高速线材轧机，年产规模达到40万50万t。其吨材投资额和其备品备件价格明显降低。而一些采用部分进口设备的高速线材轧机实际年产量已达到60万70万t。目前，高速线材作业线的年产能力可分为40万50万t/年和60万70万t/年两类。连铸坯热送、增加坯重以及增强包装能力十分重要。一个线材厂内以配备一条作业线为最优！,56,（5）合金钢棒材（棒、线材）主要用于汽车制造业和机械制造业的合金钢、结构钢棒材。这类轧机的年产能力不宜太大，一般应是50万80万t/年。由于合金钢棒材的尺寸分布范围宽，钢种复杂，因此，将主要采用连轧机。在某些情况下，也可以采用半连轧机，但仍应坚持连铸-一火成材原则，否则将失去市场竞争力。中国特殊钢厂现有的模铸-初轧/开坯-多火成材、横列式轧机的格局，亟待改造。至于合金钢线材，由于其市场份额较小，以附设在合金钢棒材厂内为宜。但是，没有必要每个合金钢棒材厂都附设线材作业线，只是市场需求条件好的地区的特钢企业需要这样配置。,57,3.炼钢技术进步的分析（1）炼钢转炉功能的解析-集成方面的创新炼钢炉的功能优化应遵循以下原则:遵循物理化学原理来优化选择化学冶金功能，兼顾质量、成本和效率；优化炼钢过程的时间节奏和温度制度，保持物质流顺畅、高效率；以功能-结构-效率的连锁优化促进与前后工序在动态运行过程中的协调等。,现代氧气转炉的功能将定位在以脱碳、升温为主和适度的脱磷上。其它功能应分别分解到铁水预处理装置或二次冶金装置分担。,58,（2）铁水预处理与全量铁水在线“三脱”处理的技术效果与经济效益,图11全量铁水“三脱”预处理的炼钢过程,全量铁水“三脱”：生产高质量钢（超低硫管线钢、IF钢等）、促进炼钢生产的时间节奏更快、效率更高；引起炼钢厂生产节奏加速和效率提高；平面布置优化，甚至炉子吨位等一系列参数的优化。,59,图12大型氧气转炉冶炼周期缩短对年产量的影响(计算值)a210t转炉冶炼周期对其年产能力的影响(计算值)；b300t转炉冶炼周期对其年产能力的影响(计算值),大型转炉的生产效率将提高三分之一左右（图12）。其技术意义和经济意义不同于部分铁水“离线脱硫处理”或“部分铁水三脱”预处理。而且铁水经预脱磷后减低了脱碳转炉渣中的含磷量，有利于脱碳转炉终渣的循环利用。对大型钢铁联合企业而言，采用全量铁水“三脱”工艺可能会有类似于“全连铸”生产体制的技术经济效果；即对高炉转炉板带材流程的大型联合企业，有可能通过全量铁水“三脱”的工艺途径，实现在一个炼钢厂的体制下年产800万900万t钢。,60,全量铁水“三脱”预处理工艺具有如下优势：1）建立起高效、低成本的洁净钢生产工艺平台，提高产品竞争力；2）可以使用较高含P的矿石，铁水含磷可以放到0.10.15，有利于降低矿石采购成本；3）有利于脱碳转炉使用锰矿，还原成钢水Mn，基本不用或少用50左右Fe-Mn,可以降低合金成本；4）脱碳转炉渣可为脱磷转炉使用，并减少石灰消耗量；,61,5）脱磷转炉渣可以不经水化处理，直接使用于水泥生产、筑路等；6）加快转炉（大型）冶炼节奏，适合于现代高拉速板坯铸机匹配运行，提高生产效率；7）有利于运行过程时间紧凑，实现节能。不能将其价值局限在冶炼超低磷钢。铁水“全三脱”工艺主要适用于以大型转炉(180t)大规模生产高质量薄板的生产工艺流程。,62,采用铁水“三脱”预处理，是现代化（大型）转炉炼钢技术进步的发展趋势。但考虑到中国转炉设备能力，钢种多，产品含磷量要求的差异以及铁水、废钢资源的结构等情况，看来，首先应当大力提高铁水脱硫预处理的比例；再根据市场的需要、转炉装备及原料的变化等情况逐步在大型转炉炼钢厂实现全量铁水“三脱”预处理。然而，对于在新世纪将新建的大型联合企业，应该大胆地、创新地采用全量铁水“三脱”的炼钢工艺过程，高效、低成本地生产高级板带材。,63,（3）大型转炉快速吹炼的技术动向大型转炉快速吹炼技术发展的动向初见端倪，其开发的前提有以下三点：1)高速高效连铸技术发展的要求；2)全量铁水“三脱”处理的技术开发与成熟；3)大型转炉快速吹炼工艺、装备的开发与稳定运行。从技术-经济角度看，转炉发展的方向不是吨位越来越大，而是生产节奏越来越快。这样有利于成本、质量的改善，也有利于吨钢投资的降低。对未来新建的年产800万1000万t级大型联合企业而言，不应再是三个炼钢厂的格局，而是尽可能集中在一个炼钢厂生产，或是最多两个炼钢厂。,64,图13炼钢工艺流程的变革和大型转炉炼钢厂技术的发展,65,66,（4）钢厂产品结构与转炉吨位的关系,钢厂产品结构与转炉吨位的合理(优化)关系1建筑用长材；2优质长材；3中厚板；4薄板坯连铸-连轧薄板；5传统热轧薄板,3050t,7080t,100120t,120150t,150280t,67,（5）转炉炉龄的发展及其认识过程,图14转炉炉龄临界值与钢厂制造流程连续化,68,（6）“分渣”技术,国内不少炼钢厂近些年来开始对“分渣”技术引起注意。从生产效率、钢水质量和成本角度看，应严格控制进入钢包内的下渣量，重视开发和应用出钢过程中的“分渣”工艺装置。,69,（7）钢的二次冶金的功能和任务钢液二次冶金的目的和功能已经不仅是为了品种、质量的目的，而且还希望通过功能分析和优化，减轻炼钢炉的负担，进一步提高生产效率甚至降低生产高质量钢的成本。钢的二次冶金装置在全连铸炼钢厂内还起到炼钢炉与连铸机之间的缓冲、协调作用，形成“柔性活套”，促进更稳定、更长时间的多炉连浇。因此，对于不同吨位、不同种类的炼钢炉，对于不同产品的炼钢厂必须结合本身的条件合理选择。例如，用3050t转炉生产建筑用棒、线材，采用吹氩、喂丝是适当的。用电炉生产长材、扁平材乃至管材，选择LF炉是合适的。对于与铁水全量“三脱”预处理协同作业的大型转炉，主要生产高质量的板带产品，则以选用时间节奏较快的CAS、RH为宜。,70,（8）纯净钢，洁净钢技术的进步，使钢中各种杂质元素在精炼后可达到的极限浓度越来越低，相应的极限纯净度也越来越高。与此同时，也开发出一些新的品种以适应某些极为苛刻条件下的使用要求。也必须指出，诸如输油气用管线钢、IF(无间隙原子)钢等纯净钢，在整个钢铁产品中并不占很大份额，这应是少数钢厂面临的特殊任务；而且，在某些极限成分含量要求下，提高纯净度就意味着要增加成本、影响生产效率。因此，对于大量日常使用的钢材产品而言，应是洁净钢的概念。即并不是纯净度越高越好，而应是经济的“洁净度”概念，即兼顾使用性能和投资成本、生产成本、生产效率的概念。区别“纯净度”和“经济洁净度”将有助于工艺流程选择、装备水平选择和控制投资、降低生产成本等一系列问题。,71,（9）钢水包功能(冶金功能、时间和温度协调功能、钢水包的个数、钢水包的设计问题)钢水包已经担负着很多冶金功能，甚至已是一种冶金容器，对钢液的化学成分调控、洁净化有着很强的关联作用，特别应该注意的是钢水包对时间节奏及温度的调控有着极为重要的意义。在一些先进的炼钢厂，合理调度钢水包的运行轨迹是生产稳定、协调的关键因素之一。基于上述观点，应该进一步对钢水包进行研究开发、优化设计，同时对一个炼钢厂中钢水包的个数(包括使用状态、运转状态、维修状态等)也要给予关注。,72,炼钢厂不应有过多的钢包个数。,图15某厂280t转炉用钢包的周转速度对钢包包壁温度的影响,图16某厂钢包不同周转速度对转炉出钢过程中钢水温降的影响（280t钢包，铝镇静钢）,73,（10）中间包的功能中间包的功能首先在于使得注入结晶器钢水的参数稳定、连续，也就是通过设置中间包使钢水处于“定时”、“定温”和“定压头”的状态下。与此同时，人们注意到中间包的容量不应太小，一般应为钢包容量的20%(300t大炉子)40%(30t小炉子)左右，对大型板坯的高速连铸机而言，中间罐容量将是大型转炉容量的2530之间。这对于协调物流、促进多炉连浇是十分必要的。随着中间包容量的增加以及对铸坯质量的要求越来越高，中间包冶金逐渐得到开发，包括中间包的几何形状优化，挡墙设置等技术，越来越引起人们的关注。另一个值得重视的问题是为了确保炼钢-二次冶金-连铸过程的连续性或准连续性，提高中间包（包括滑板、塞棒等相关器件）的寿命问题已很突出。,74,（11）连铸机连铸机作为钢厂生产流程中连接化学冶金过程和冶金的物理过程的中间环节，起着十分重要的作用。连铸技术的发展直接影响着钢厂的产品结构、工艺流程结构和企业合理的生产规模。今后，连铸技术仍然会对钢厂的结构调整产生重要的影响。在未来发展过程中，铸坯断面的合理选择（对于生产薄板用的传统板坯连铸机，其坯厚已从250300mm趋向210230mm，而且是只选一个厚度），流数的合理配置，铸坯单重(坯长)的优化确定，铸机能力、效率(连浇周期与炉数、铸坯拉速等)的进一步提高，铸坯质量(表面的、内部的)的提高，热送热装/直接轧制的温度，以及包括充分利用外场强技术在内的一系列新技术应用等，将有一系列的开发成果涌现出来。然而，这一系列技术将主要集成地体现在高速高效连铸机和各类近终形连铸机上。,75,（12）电炉电炉炼钢技术得以有效发展的原因在于确立了功能简化、快节奏运行的技术方向，也就是将电炉的功能集中优化为快速熔化废钢和快速升温这两个主要功能上。而将其它功能分解到二次冶金装置上，从而实现一炉钢的冶炼周期为60min左右，甚至进而达到4550min的冶炼周期。就现代电炉炼钢厂而言，电炉要实现高产、优质、低耗，必须使电炉冶炼周期短于连铸的浇注周期，而二次冶金装置的时间周期更应短于电炉冶炼周期，只有这样才能顺利实现多炉连浇。而其它要求，如提高质量、异钢种连浇、节能降耗等都应该融入这一原则。全球电炉发展的趋势不是吨位越来越大，而是冶炼周期越来越快。,76,（13）炼钢厂平面布置图的合理化问题炼钢厂平面布置图应该遵循使物流、温度、时间三要素的稳定、连续和高效运行的原则来设计。转炉炼钢厂各跨内的工序装备的布置和跨数的合理选择是十分重要的。除了输送铁水罐、钢水包以外，不用铁路运输。生产高质量板带材的大型联合企业内，转炉炼钢厂平面图，将会随着全量铁水“三脱”预处理工艺过程的发展引起进一步的变化。特别是应将脱磷转炉与脱碳转炉分别设置在不同跨间内，而脱硫装置与脱磷转炉可以放在同一工作跨间内,77,图17国外某钢铁公司新建炼钢厂（全量铁水“三脱”预处理）的平面布置示意图,78,电炉炼钢厂的平面布置已经逐步演变成为三种模式，即：一跨布置(EF1+LF1+CC1串联在一跨内)、丁字形布置(EF1+LF1在一跨内，而连铸跨呈丁字形垂直布置，并与热轧厂的方向一致)、两跨布置(EF1在一跨，LF1和CC1在另一跨间，出坯方向与跨间垂直)。这三种布置中，即使在装备能力相同的情况下，其生产能力也是不同的。电炉炼钢厂应避免过多的跨数，,图18三种不同类型的电炉炼钢厂平面布置示意图,表9三种典型电炉炼钢厂平面布置中的运输装备,79,（14）炼钢厂的生产运行规律与发展方向高炉生产的本质是不间断地连续生产，要求连续顺行，不能停顿，也不应休风。因此，这是一种连续不断的“推力”。从炼钢厂内连铸机的生产运行本质看，希望能够不间断地进行多炉连浇，是一种“拉力”。来自高炉的物质流“推力”与来自连铸机的物质流“拉力”如能协调一致，则钢铁企业就能均衡、协调、连续高效生产，这是一个有吸引力的目标。需要中间工序、装备作为一种“缓冲”环节，特别是作为物流、温度、时间、化学成分等方面的“缓冲活套”。实际上铁水罐输送过程、铁水预处理装置、转炉、钢水包、二次冶金装置、连铸中间包以及各类运输装备都有可能具有缓冲-协调的能力。这样看来，就可以把炼钢厂的生产流程看成是由“刚性组元”和“柔性组元”共同组成的“弹性链/半弹性链”，其运行方式是以“谐振”的方式运行，其发展的方向则是准连续乃至连续运行。,80,4.炼铁技术进步的分析高炉炼铁技术进步的方向主要地集中在：进一步强化冶炼，促进成本、质量、效率协同优化；有效地组织能量交换，加强能源转换的功能；促进连续化运行，提高综合效益等。（1）进一步强化冶炼，协同解决成本、质量、效率问题高炉强化冶炼，提高效率，降低成本，保证铁水质量，集中体现在提高高炉利用系数这一指标上,要提高高炉利用系数应该既重视降低燃料比又重视提高冶炼强度。降低燃料比是高炉强化冶炼的最佳选择精料！,81,精料：提高入炉矿的品位,入炉品位：指入炉矿的含Fe量（）；：重点企业数据。,表1019902002年中国高炉利用系数与高炉入炉矿品位的变化,82,表11欧洲部分高炉炉料成分/%,图19欧洲部分高炉产渣量,83,改进高炉炉料结构高强度烧结矿是高炉强化的炉料基础之一。烧结矿的强度、还原度与烧结矿的碱度有关。球团矿与高碱度烧结矿进行合理的组合，有助于改善高炉炉料结构，有利于高炉强化冶炼。不同高炉企业应根据自己的资源、能源条件和技术、经济因素，选择相应的炉料结构。,图20中国某厂烧结矿碱度与其强度、还原度的关系,84,表12部分欧洲高炉炼铁企业的炉料配比和渣量,欧洲不同钢厂的高炉炉料结构差别很大，但都是依照各自条件，基于经济效益优化的原则，确立各自的炉料结构。同时，也可以看出一些明显的技术趋势：即以熟料为主，烧结矿和球团矿合理搭配，并以部分生矿来调剂。,85,提高焦炭质量焦炭功能：既作为还原剂又提供能量，既承载炉料料柱压力又提高料柱的透气性。焦炭质量：强度、灰分和含硫量等方面。冶金焦的质量指标有：强度指标：DI15015（溃裂强度）、M40（抗碎强度）、M10（耐磨强度）。热性能指标：CRI（块焦反应性）、CSR（反应后强度）。焦炭成分指标：焦炭灰分、焦炭含硫量。,表13焦炭核心指标对照,86,提高冶炼强度,1)高炉容积与强化冶炼的关系。,高炉容积直接影响到高炉炉缸面积和高炉有效高度，随着高炉容积的扩大，其炉缸面积基本上按比例增加；当高炉容积增大到一定程度后，高炉有效高度的增加趋缓。,图21高炉容积与炉缸面积、有效高度的关系,87,2)炉缸是高炉燃烧、冶炼的起点，也是产出物的终点。,图22不同容积高炉炉缸活跃区的比例,图23高炉容积和炉缸直径的关系,焦炭等燃料、还原剂的燃烧主要是在风口前的回旋区中进行，而并不是在炉缸断面上均匀燃烧的。高炉风口回旋区是个近似椭圆的空间，从炉缸截面上看是一个环形区。这个环形区是高炉风口前燃烧的活跃区。,88,表14不同高炉容积的炉缸活跃区的比例和冶炼强度高炉容积/m3,由于焦炭等燃料主要是在炉缸活跃区燃烧，可以用炉缸活跃区比例的大小来衡量高炉燃烧焦炭等的能力，因此，在相同的炉料条件下，炉缸活跃区可以相对地反映出不同容积高炉可能强化的水平。可以把炉缸燃烧焦炭的能力看成是冶炼强度指数,89,图24不同容积高炉的高度指数与冶炼强度指数,对于小高炉（例如容积小于1000m3）比较容易通过加大鼓风、强化焦炭等燃烧过程，来强化高炉冶炼。大型高炉强化冶炼的手段，更多着眼于提高风温（例如温度高于1200），富氧鼓风（例如2%4），高压炉顶和通过精料减少渣量等措施来实现。,90,近些年来，中国不少350m3左右的高炉容积利用系数已达到3.5t/(m3d)。,表15不同容积高炉之间强化冶炼的推算关系,表16不同容积高炉通过采取强化冶炼等措施后的期望年产量,91,近来，中国学者提出了对高炉冶炼强化评价方法的新认识。认为对高炉利用系数的评价方法应该深入分析，现在国际上至少有两类不同的高炉强化评价指标，即用高炉容积和用高炉炉缸断面积来评价高炉冶炼强化程度。表达式如下：用高炉工作容积来评价高炉利用系数：式中:V高炉工作容积利用系数，t/(m3d)；P高炉日产量，t/d；VW高炉工作容积，m3。用高炉炉缸风口中心线断面积来评价高炉利用系数：式中h高炉炉缸断面利用系数，t/(m2d)；P高炉日产量，t/d；A高炉风口中心线处炉缸断面积，m2。,92,表17不同容积高炉地高炉容积利用系数V、炉缸断面积利用系数h、冶炼强度IS、燃烧强度IC、V/A对比,1三钢2号；2莱钢2号；3攀钢3号；4Raahe2号；5，6首钢2、4号；7，9武钢4、5号；8Hoogovens6号；10宝钢3号；11Schwelgen7号图25不同容积高炉两种利用系数算法的对比,按高炉容积计算出的利用系数V，高炉容积越小，V越高；而按炉缸断面积计算出的利用系数h，则是高炉容积越大，h越高。,93,（2）有效地组织能量交换，加强能源转换功能炼铁工序是钢铁制造流程能源消耗的主要环节。对于高炉炼铁而言，节能是非常重要的。在优化配煤、配矿的基础上，综合应用高风温、富氧、喷吹煤粉、高压炉顶、减少渣量、强化冶炼等手段，实现节能。但是，高炉的功能应该进一步扩展到有效地进行能源转换的领域中来。可以说高炉最大宗产出物是高炉煤气而不是铁水这体现了高炉质能转换的基本属性。高炉煤气的利用应该既用热能、化学能（例如产生蒸汽、发电等）又用动能（例如高炉炉顶煤气差压发电TRT），以期充分利用能源。,94,高炉产生的铁水，也是质能转换的一种形式，高炉铁水的温度高低、铁水含C、Si、S量的高低，都将影响到转炉炼钢过程的质能转换效率。高炉冶炼过程产生的炉渣量也是质能转换过程的体现，利用高炉水渣生产矿渣水泥与普通生产水泥的制造流程相比，对能源消耗和降低全社会的环境负荷都是有利的。炼铁过程中如何充分有效地发挥质能转换功能，特别是能源转换功能的问题，必须引起高度重视。例如，与高压炉顶相应的TRT发电，高炉煤气蒸汽锅炉蒸汽轮机发电，高炉煤气燃气轮机发电余热锅炉蒸汽轮机发电等都是必须考虑的。这不仅涉及大型联合企业而且也涉及中国大量存在的中、小型高炉企业。,95,（3）高炉运行的连续性、连续化问题高炉冶炼过程属于连续生产（逆流的、连续的滴流反应床过程）的运行本质和间歇的出铁作业方式。因此，从高炉这一反应器的运行本质而言，连续性是它的本质和核心。从时间尺度上看：现代先进高炉的年日历作业率应该达到355360天。年休风率应不高于1.3%2.5；在21世纪里，新一代的大型高炉服役期应以2025年为目标；而中、小型高炉一代炉龄的服役期也应以1215年为目标。,96,空间尺度：高炉-转炉-连铸-热轧过程的连续化;钢铁制造流程进一步结构优化的方向之一，应是充分利用高炉运行过程的连续性本质来促进化学冶金过程乃至凝固过程连续化程度的提高。这样，高炉-转炉之间生产能力的一一对应优化，高炉受铁罐与转炉兑铁包功能的优化与匹配，包括高炉铁水罐、转炉兑铁包和转炉容量的对应，高炉受铁罐周转速度的提高，特别是空罐周转时间的缩短以及铁水预处理工艺及其平面布置的合理选择等都应认真研究。高炉-转炉生产能力的一一对应优化，应立足于分钟级流量的对应上，