我国钢铁工业主要技术发展方向_王国栋(上)

世界金属导报/2017年/12月/5日/第F01版我国钢铁工业主要技术发展方向王国栋编者按:本报今年11月21日第44期刊登了对中国工程院院士王国栋的专访。

王院士在访谈中就钢铁工业技术发展方向、存在的问题、解决问题的途径等进行了系统阐述。

本文是对上文中提出的钢铁工业应当主要把握的技术发展方向的进一步深化,详细介绍了11个钢铁技术发展方向。

钢铁工业作为最主要的原材料工业,最根本任务就是以最低的资源能源消耗,以最低的环境生态负荷,以最高的效率和劳动生产率向社会提供足够数量且质量优良的高性能钢铁产品,满足社会发展、国家安全、人民生活的需求。

要完成这样一个任务,我认为,钢铁工业应当把握以下几个主要技术发展方向:1流程创新绿色发展1.1钢铁生产全流程一体化控制钢铁工业是典型的流程工业,最终产品质量的优劣,是由全流程的各个环节共同确定的。

要想获得稳定、优良的材料质量,必须针对每一个工艺环节,进行全流程、一体化控制。

控制要素包括温度(含冷却速度)、变形条件、成分、夹杂物(洁净度、种类)控制水平、排放、能源消耗等等;1)减量化、低成本、低排放的钢铁材料与生产工艺设计谈钢铁材料开发,离不开材料开发的四面体关系。

材料的“成分、工艺、组织、性能”这四个要素构成的四面体关系告诉我们,材料的工艺和成分决定材料的组织与性能。

过去通常的办法是:如果材料的性能达不到要求,可以增添某一种或某几种合金元素,或者采用后续的热处理工艺进行调整。

这两种办法都是“增量化”的办法,或者消耗昂贵的合金元素,或者消耗能源与资源。

但是,材料设计的绿色化新理念要求我们做到“减量化、低成本、高性能”。

在钢铁材料开发过程中,我们要把这个绿色化新理念全面融入四面体关系中。

要做到:①资源节约型的成分设计,尽量减少合金元素含量,或使用廉价元素代替昂贵元素;②要采用节省资源和能源、减少排放、环境友好的减量化加工工艺方法;③从市场中发现新的组织和性能需求,逆向倒推,促进工艺技术创新和新型材料的创制;④量大面广产品的升级换代和高端产品的规模化生产,都要遵循绿色化理念。

由此可见,关键工艺技术的创新与开发,在新材料的开发中占据了越来越重要的地位,材料和产品开发特别要注重关键共性工艺技术的创新。

我们现在使用的钢铁材料和它们的生产工艺,是过去几十年来不断开发出来的,由于开发当时技术水平和支撑条件的限制,在节省资源和能源方面以及减少排放和污染方面考虑不周,甚至未予考虑,急切需要改进、甚至颠覆的地方很多,技术创新、提升水平的空间很大。

今天,环境、生态问题已经迫在眉睫,资源、能源问题更是刻不容缓,过去几十年发展起来的技术必须进行脱胎换骨的改造与提升;另一方面,技术进步和研究条件已经发生了翻天覆地的变化,为对这些产品及其生产过程进行改造甚至重造,提供了极好的支撑条件。

我们已经有条件进行这样一场革命!2)实行“精料方针”和“源头治理”钢铁生产过程最重要的任务就是除去钢中的杂质,生产具有必要洁净度控制的和规定化学成分的钢铁产品。

现有的冶炼过程虽然对作为原料的铁矿石和作为燃料的煤炭进行了粗略的处理,仍然有大量的有害元素残留于钢中,然后在后续的炼铁、炼钢、精炼过程中一点点除去。

针对这种情况,行业里提出了“精料方针”,期望在入炉冶炼之前,尽量提高原料的洁净度。

但是,碍于种种条件的限制,仍然是“泥沙俱下”,大量的有害元素进入到炉中,在随后的冶炼过程中,不得不建设大量的巨型设备,采用各种复杂的工艺,一点点地去除钢中的各种有害杂质,极大地增加了冶炼的负担和生产成本。

能不能采取彻底的“精料方针”,进行洁净度的“源头治理”,把提高洁净度的主要窗口位置前移到原料、燃料、熔剂的洁净化处理阶段,从流程上进行根本的改变?这种可能性是有的,TFe将近72%的超级铁精矿可以制取出来。

利用氢冶金进行铁的氧化物还原也是可行的。

但是规模、生产效率、生产成本与实际应用还有很大的距离,需要进一步从铁矿石磨矿、选矿等方面大胆创新。

目前已经提出了一些方案。

当然,对所有的技术方案,都要针对资源消耗、产品质量、生产成本等,进行能量流、物质流、信息流、资金流分析,优选低成本、高洁净度路线,实现“精料方针”、“源头治理”。

3)全流程一体化的钢材温度控制全流程温度控制不仅涉及到产品的冶金质量,而且也涉及到产品的外形尺寸精度、整个流程的能源与资源的消耗、以及污染物的排放,是冶金生产中最活跃的影响因素。

因此,应当合理设计冶金流程中的温度制度、尽量做到“一火成材”或“最少火次成材”,避免或减少再升温过程。

同时,充分利用炼铁-炼钢-连铸-热轧-冷却-热处理过程中的重要组织变化的温度区间,进行组织控制,实现组织结构的优化。

这应当是钢铁生产的最重要的任务之一。

在此过程中,我们最关心的是三个“界面”和三个温度区间,以及热轧后剩余热量的利用。

第一个界面是连铸与热轧的衔接点。

采用连铸之后,加热炉加热温度通常不超过12500℃。

这是目前绝大多数企业里的现实情况。

这种情况会造成下述不良后果:①重新加热,造成能耗提高,浪费资源,增加排放;②重新加热后连铸坯的温度分布为“外热内冷”,与连铸后的“外冷内热”状态恰好相反,采用前者就失去了一个利用后者改善坯料内部质量的大好时机;③失去利用铸还心部的1250-14500℃高温粘塑性区的变形改善材料组织、性能的机会。

如果在连铸机内最终凝固点附近进行轧制等高温粘塑性变形,并尽量防止连铸坯散热,减少连铸坯的温降,则完全有可能实现免加热直接轧制。

这是一个节能减排、提高质量的重要思想。

如果设法实现连铸与轧机的产量平衡,则甚至可以实现无头轧制。

无头轧制在材料加工过程的稳定化方面有巨大的优势,是不言自明的。

此为第一界面的优化。

第二个界面是热轧与后续热处理之间的衔接点。

如果热轧之后,轧件还要进行离线热处理(例如调质热处理),则可以考虑利用热轧之后的余热进行在线淬火,然后再进行离线或在线回火。

这样,可以减少一次加热,其节能、减排的效果显而易见。

第三个界面是热轧后的冷却与后续冷轧过程的衔接。

对于含碳量较高的HSLA、DP等钢种,如果热轧后还要继续进行冷轧和热处理,则热轧后的冷却过程需给予特别的注意。

如果这些钢种热轧后未达到一定的冷却速率,会发生部分珠光体相变。

这就意味着发生了比较充分的扩散,珠光体中偏聚了较多的碳。

随后进行冷轧,碳继续维持它的偏聚状态。

在扩散不是很充分的连续退火过程后的冷却过程中,偏聚碳较多的部位,转变为含有拉长的珠光体的带状组织,造成钢材冲压等性能劣化,出现冲压裂纹等缺陷。

针对这一问题,这类钢材热轧后,以适当高的冷却速率冷却,可以抑制珠光体产生,代之以贝氏体等含碳量均匀的基体组织,冷轧及热处理后,可以避免出现带状组织,因而保证了材料具有碳含量分布均匀的组织。

同时组织细化、析出物尺寸细小,材料的强度得以提高,而塑性得以改善。

三个重要的组织转变温度区间分别是再结晶温度区间、碳氮化物析出温度区间、相变温度区间。

如果打算利用某个组织演变过程,就可以在该演变的温度区间保温(或空冷),如果想要避开该种组织演变过程,则可以快速冷却通过该温度区间。

由于不同的材料,会有不同的组织演变规律,所以,调整材料组织演变的温度制度必须量身定做,这将是一个巨大的工程,智能化可以在此派上用场。

因此,进行全流程控制,应配置可以灵活进行组织控制的全轧程冷却系统。

最后,关于热轧后剩余热量的利用,是目前尚未解决的问题。

热轧钢材一般在600℃左右结束控制冷却过程,采用何种方法,利用这部分余热,是尚待攻克的问题。

现在尚未见有好的处理方法。

4)钢铁生产全流程一体化的变形控制对热轧变形的控制,必须与对温度的控制结合起来。

传统的变形过程主要发生在1200℃以下,热轧前的加热温度通常不会超过1250℃。

但是,如果我们考虑到利用连铸后的高温条件,以及可利用的“外冷内热”状态,则可以将开轧温度推到更高,将变形温度区间提高到固相线温度和常规开轧温度之间,实现心部组织的粘塑性变形,能够达到节能、降耗、改善心部组织的效果。

另外,在热轧的不同阶段,例如板材粗轧和精轧,或者棒材的粗轧、中轧、精轧,可以实行不同的负荷分配,从而进行材料组织和性能的调控。

轧制负荷分配是控制轧制的重要手段。

根据每一个钢种的物理冶金特点,与轧制过程中的即时冷却及轧制之后的控制冷却相配合,进行全流程、一体化的负荷分配的优化,将会进一步提升控轧控冷的效果,提高材料的性能。

1.2钢铁生产流程的融合与柔性化1)炼铁工艺路线选择传统流程高炉占据主导地位,过去高炉流程所用原料为烧结矿(+球团)、焦炭、喷煤(+氧气)。

所以,高炉流程最大的问题是以碳为还原剂,这成为钢铁生产碳排放的重点环节。

近年以减少碳排放为目标,高炉开始由使用化石能源向富氢喷吹、应用生物质材料等转变。

以碳还原为主的直接还原、熔融还原等非高炉炼铁技术,尽管可以大幅减少SOx、NOx的排放,但是只能在有限的程度上减排二氧化碳。

由于近年减少碳排放的压力剧增,所以近年非高炉炼铁的新趋势是从适应减排需要,转向提高氢还原的比例。

其中气基竖炉直接还原技术,可以灵活地选用不同比例的煤制气、天然气、氢作为还原剂,且目前已经达到单台设备250万-300万吨/年的产量规模,特别受到各方面的重视。

高炉炼铁和非高炉炼铁的共同融合点是提高氢气的比例。

出于减排的需要,今后非高炉炼铁,特别是以氢为原料的气基竖炉直接还原炼铁,应该得到较大的发展。

超高温核反应堆(VHTR)的反应产物是氢与电能。

有人建议,利用核反应产生的氢在流化床上还原粉矿,然后制成热压块,只产生非常少的CO2排放。

核反应产生的电能则可以用于电炉,以热压块为原料,炼出低成本钢水。

2)炼钢工艺路线选择近年随着我国废钢的增加,应提高转炉与电炉的原料适应性。

转炉是我国的主要炼钢设备,应加强废钢预热处理技术研究开发,以适应废钢逐年增加的趋势。

国际范围内,特别是强调环境和减排、废钢充足、电价低廉的国家,可以利用余热对废钢进行高效预热和连续加料的智能电弧炉炼钢得到大力发展,生产技术经济指标达到较好水平。

墨西哥Hylsa公司投产普瑞特提供的出钢量100t的EAFQuantum电弧炉,采用成熟的竖式电弧炉,吨钢电耗280kWh,出钢周期缩短至36min,单位生产成本降低20%左右。

CO2排放降低30%以上。

其生产成本和转炉炼钢可以媲美,环境效应甚佳,具有全原料适应性。

我国“十三五”项目将用余热对废钢进行高效预热和连续加料的智能电弧炉炼钢列入研究计划,正在开展相关研究。

此外,还有人建议开发电炉-转炉可以转换的电转炉,但是需考虑精炼装置与炼钢装置的匹配。

1.3短流程Mini-Mill短流程技术本身就是全流程、一体化先进生产技术,例如:薄板坯连铸连轧无头轧制技术、薄带连铸无头轧制技术。