欧洲炼钢技术发展现状与趋势

欧洲炼钢技术发展现状与趋势

2012年，27个欧盟国家的粗钢产量为1.685亿吨，其中有19个国家年粗钢产量超过300万吨。这些国家主要的工艺路线是转炉炼钢和电炉炼钢，其中转炉炼钢比例为58.3%，电炉炼钢为41.7%。但各国工艺路线区别很大。意大利和西班牙电炉炼钢比例超过2/3，卢森堡、葡萄牙和斯洛文尼亚这一比例达到100%。与此相反，在奥地利、荷兰、捷克、斯洛伐克和匈牙利，转炉炼钢比例超过90%。在德国，电炉炼钢比例占32%，转炉炼钢比例占68%。

转炉与电炉：结合显优势

相比于电炉炼钢，转炉炼钢具有更大规模生产特定钢种的能力。精细的钢种用于供应扁平材及长材产品、半成品、线材、热轧卷和冷轧卷的生产使用。氧气转炉炼钢工艺主要分为3种：顶吹LD炉、底吹BOP炉、为了增加废钢比例的顶底复吹Q-BOP炉。

1952年~2007年，底吹BOP转炉粗钢产量远远低于顶吹LD转炉粗钢产量。许多优化LD转炉的工艺和装备技术使其在世界范围内得到广泛使用，其中包括改善工艺自动化的副枪技术、实现出钢温度和成分命中的动态工艺模型的发展、各种形式的出钢挡渣系统和通过炉底透气砖喷吹惰性气体搅拌熔池实现顶底复吹。

底吹转炉改善了炉渣熔池反应和脱碳效果。在出钢时具有相似碳含量的情况下，相比于LD 转炉，BOP转炉渣中铁含量降低。

可生产多样性钢种是转炉炼钢和电炉炼钢的共同特征。较少种类的高品质结构钢、耐腐蚀耐热钢和工具钢多采用电炉生产。许多化学元素可以当作合金原料用于生产多种市场所需的钢材产品以满足客户要求。1980年~2011年，欧盟国家电炉炼钢产粗钢比例从20%增长到42%，增幅超过1倍。可持续发展是这些数字背后的驱动力，因为各种级别废钢的循环利用是电炉炼钢的重要任务。此外，电炉炼钢相对于长流程炼钢来说也减少了CO2的绝对和相对排放量。

在德国，28座电炉中有3座是直流电炉，分别位于翁特威伦博恩、派尼和乔治玛林。直流电炉主要具有低噪音、低电耗、长炉龄、对电网冲击小等优点。

就电炉炼钢流程来说，伊斯肯德伦MKK冶金公司拥有300吨容量的电炉（交流电），东京钢铁公司拥有420吨容量的电炉（直流电）。这些电炉炼钢厂粗钢年产能达到250万吨，接近中等规模转炉炼钢厂的产能水平。

Conarc工艺代表了转炉炼钢和电炉炼钢技术的结合。根据原材料的不同，两个独立的熔池可以同时冶炼或者分别作为转炉和电炉冶炼。原材料可从全铁水到全废钢变化，充分考虑原材料的灵活性是Conarc工艺的特点。

采取改善转炉传感器技术和工艺建模等措施的目的在于增加转炉的有效性及保证转炉在换衬和缓冲期的安全准确维护。此外，其也有助于改善能量利用率、二次燃烧率、转炉炉气回收和增加原料废钢比等。但是，电炉炼钢炉气利用仍然是一个重要问题。

因为高品质废钢数量的有限性限制了电炉炼钢生产粗钢比例的提升，所以电炉熔化废钢和海绵铁、转炉冶炼铁水、化石燃料熔炼废钢等复合工艺得到发展。

目前，用气体作为还原剂已经不仅限于研究阶段，奥钢联在德克萨斯投资了新的热压块铁厂。一些地区的天然气价格较低，使得这项技术具有重要意义。

炉外精炼：精细灵活

转炉炼钢厂典型的炉外精炼工艺开始于出钢过程中加入合金元素。LF炉可以用电作为能源对钢液进行加热，这给炼钢工人带来了许多便利且具有其他优点：①出于工艺考虑可以降低转炉出钢温度，②可以延长转炉炉衬寿命，③使加入大量合金原料成为可能。

加热钢液也可以在HALT或者CAS-OB通过铝脱氧放热实现。VD/VOD或者RH可以进行脱气

和脱碳。在钢包脱气过程中，利用适宜的炉渣条件可以将钢中硫含量降至最低值。而RH炉为脱碳提供了最适宜的条件。

钢种的多样性和客户的需求导致炉外精炼的工艺路线比较复杂，转炉炼钢和电炉炼钢都是如此，其中考虑到了炼钢、搅拌、RH和VD/VOD脱气、LF和化学升温等因素。实际工艺路线的选择由冶金需求决定，可以同时采取多种工艺路线，而且这些工艺路线互相关联。因此，炼钢厂的调度安排变得越来越重要，这也对工人操作水平和设备有了更高的要求。

客户需求和产品种类决定了所需要的炉外精炼装备。通常来讲，满足残余元素或者微量元素的下限与生产有合金元素上限的钢种是两个不同的任务和工艺。此外，从不同元素的需求来看，LF炉的关键地位是显而易见的。钢种合金元素总体含量越高，采用LF精炼就越重要。这是由于工艺所允许的温度上限有要求，炼钢时输入钢液的能量不能保证添加大量合金元素的需求。

自20世纪50年代装备了第一台炉外精炼设备以来，人们付出了巨大的努力推动精细冶炼工序的发展，这也可以从钢中残余元素最低值要求的变化看出：1960年，钢中[C]、[S]、[N]、[O]、[H]含量总和为600ppm，到2010年，这一值降低到了70ppm。显然，这一数值已经没有必要再向更低的水平发展了。

现在，炉外精炼的主要类型有VD/VOD和RH。采用RH工艺，钢液终点碳含量仅为采用VD/VOD 工艺终点碳含量的1/3。另一方面，由于VD可以优化炉渣成分进行脱硫，钢中硫含量约为RH的1/4。因此，VD在中厚板和管线钢的生产中扮演着重要角色。

从欧洲1990年~2010年每5年中新建成的脱气装置可以看出，主要趋势是在转炉炼钢厂装备RH，在电炉炼钢厂装备VD/VOD。但是，也有不同工序的不同组合。大约50%的RH使用的钢包容量超过150吨，而大部分VD/VOD使用的钢包容量都小于150吨。

对LF工艺技术来说，可以总结出以下趋势：转炉炼钢生产高合金钢种是需要LF炉的原因；LF炉可以降低转炉出钢温度以降低钢中磷含量，这也有利于延长炉衬寿命；开发出水冷铜元件可以避免结壳。

预期LF今后会在转炉炼钢中扮演重要的角色。炼钢工艺需要更高的灵活性与更加精细钢种数量的增加相结合，这给炉外精炼带来了一个新挑战。炼钢物质流的持续改善是另一个主要任务。在高合金钢的生产中，合金系统必须升级到更大效率，同时保证更好的分析弹性。在线工艺建模的重要性已经增加，光学检测和摄像系统配合图像分析软件的应用是此技术发展的另一个趋势。炉外精炼设备数量的稳定增加和精细技术的投入使用，确保了该工艺操作的最大灵活性，从而有利于更好地满足当今和未来的市场需求。

连铸：稳中求“精”

比较7年间欧洲吨钢研发投入与吨钢附加值之间的关系和技术差别可看出，薄带连铸仍有很多问题。也就是说高研发投入却获得低附加值。未来几年工艺优化的一个重要方向可能是提升薄带连铸产品的附加值。薄板坯连铸处于较好态势，但是要获得高附加值仍然需要高研发投入。

当今95%的钢材仍由传统连铸工艺生产，因为其能够以较低的研发投入获得较高的产品附加值。德国厚板厂商迪林格公司正准备采用一种近终型连铸工艺，旨在建造一台可生产最大厚度500mm板坯的连铸机以满足客户在厚板市场的需求，预计将在2014年投产。

薄板坯连铸。自1984年纽科公司第一家薄板坯厂在克劳福兹维尔建成以来，这项技术在高质量热轧板卷的生产中扮演了重要的角色。薄板坯连铸主要的优势在于相对低的能量消耗，约比传统板坯连铸-热轧工艺低一半。

据统计，全世界薄板坯连铸工艺产能总和达到8150万吨。有44家工厂采用CSP工艺，有12家采用FTSC工艺，5家采用其他工艺，如DSP、ESP、ISP。这些技术在电炉炼钢厂和转炉炼钢厂都有使用。这些工厂主要分布在欧洲和北美，也有的部分位于印度、韩国和中国。

目前，欧盟国家有7家薄板坯厂正在运营，年产能达到900万吨，分别采用ESP、ISP、CSP 或DSP工艺。为使产量实现最大化，这些厂不断提高连铸坯拉速。比如克雷莫纳厂采用的ESP工艺，最高拉速可达到8.5m/min；土耳其伊斯肯德伦也有一家工厂采用FTSC工艺。

薄带连铸。为了生产厚度为1mm~5mm的近终型产品，双辊薄带连铸工艺被开发出来。由于产品厚度降低，可以减少轧钢机架数量，从而大幅缩短生产线。相对于传统（厚板坯）连铸-热轧工艺，双辊薄带连铸工艺能量消耗最多可降低90%；由于钢液凝固时间为传统连铸的1/700，微观组织也能得到改善，且可以避免微观偏析和宏观偏析，从而允许更高的残余元素含量。在生产高锰和高铝含量的钢种时，薄带连铸具有极大的吸引力。

目前，主要有3家薄带连铸厂正在运营。韩国浦项在2002年建成了一座类似的工厂用于生产不锈钢和硅钢。2002年，纽科公司在美国克劳福兹维尔建成一台双辊轧机，年产能54万吨。此后，其又在美国布莱斯威尔建成了第2台，生产的钢种包括碳素结构钢和低合金钢。一般来说，表面缺陷不能通过火焰清理和修磨去除，这是双辊薄带连铸技术的主要问题。该技术在侧板密封技术、边缘板型控制、凝固过程控制和工艺收益率等方面还尚待改进优化。德国扁钢厂商萨尔茨基特公司在世界上首次实现了BCT薄带连铸工业化，相应的试验工厂位于克劳斯塔尔大学。通过旋转，钢液从类似于中间包的容器中浇出，冷却成钢带。初级冷却主要在连铸滚带上进行，凝固过程在惰性气体气氛下进行。浇铸成的钢带厚度在10mm~15mm之间。

相对于双辊薄带连铸工艺来说，BCT薄带连铸工艺表面缺陷没有那么严重，且具有偏析轻、在线轧制能耗低、轧钢机架数量少等优势。同时，由于不用经过弯曲和矫直，该工艺避免了热致裂纹的发生，可专门用于高锰钢的生产。

技术展望。在德国钢铁协会会员公司中，当前连铸技术的发展趋势主要集中在提升工艺可靠性和工艺稳定性、装备模块化和改善灵活性方面。对于传统连铸工艺的优化策略是根据产品市场定位来确定进一步发展的方向。短期来看，薄板坯连铸工艺将会引起极大关注；长远来看，则必须发展精细的设备和工艺流程。然而，未来薄板坯连铸的发展也要取决于技术可行性和经济效益情况。