钢铁行业关键共性前沿技术

1、目录一、钢铁主要工序关键共性工艺技术- 1 -1.1炼铁工序- 1 -高炉炼铁- 1 -非高炉炼铁- 2 -烧结烟气脱硫- 4 -干熄焦技术- 5 -1.2炼钢工序- 6 -转炉炼钢- 6 -1.2.2“短流程”炼钢- 6 -炉外精炼- 7 -特种冶金- 8 -洁净钢生产前沿技术- 9 -1.3高效连铸及轧钢- 11 -高效连铸- 11 -轧钢- 12 -薄带钢连铸-连轧新技术- 13 -有限元及仿真模拟技术- 14 -二、钢铁工业循环经济产业链先进生产工艺技术- 15 -2.1钢铁工业发展循环经济延长产业链中的先进生产工艺技术清单- 15 -2.2钢铁工业发展循环经济产业链示意图- 16 -

2、三、低碳经济下的钢铁行业技术策略- 17 -3.1国外钢铁工业低碳炼铁技术研究- 18 -3.1.1 世界钢铁协会世界钢铁2050报告- 18 -欧洲超低二氧化碳排放(ULCOS)项目- 20 -日本二氧化碳减排革新技术- 20 -韩国“驱逐碳的炼铁项目”- 21 -3.2我国低碳炼铁技术发展方向- 21 -降低高炉燃料比的技术- 21 -低碳炼铁技术集成- 22 -低碳炼铁技术创新- 22 -3.3低碳炼铁技术展望- 23 -四、节能减排中的关键共性技术- 24 -4.1烧结余热的回收与利用技术- 24 -4.2干熄焦技术- 25 -4.3高炉熔渣显热回收技术- 25 -4.4转炉负能炼钢技

3、术- 25 -4.5高温蓄热燃烧技术- 26 -4.6界面热衔接技术- 26 -4.7能源管理与控制技术- 26 -五、钢铁企业信息化建设中的共性问题和共性技术- 27 -5.1钢铁企业信息化的核心：产销一体化- 27 -5.2.体现钢铁工业特色的制造执行系统MES- 27 -5.3企业资源全面管理系统ERM- 28 -5.4钢铁企业的知识获取和管理系统KMS- 28 -5.5钢铁企业信息化的编码体系- 28 -5.6把握钢铁企业信息化的难点- 29 -一、钢铁主要工序关键共性工艺技术1.1炼铁工序炼铁是钢铁生产中的能耗大户和主要污染源。由烧结、球团、焦化以及高炉各工序组成的炼铁过程，消耗了吨

4、钢总能量的70 %左右，同时产生大量粉尘、废气和废水。炼铁的能量消耗成为吨钢成本中的重要组成部分，而污染物的排放也对环境造成严重影响。因此，炼铁的节能与环保对整个钢铁工业的健康发展是十分重要的。炼铁工序将遵循原料处理、还原过程与能源和物料的循环、转换相结合, 向低能耗( 包括少焦、非焦) 、高效率、长炉龄、“零”排放的方向发展。1.1.1高炉炼铁高炉流程仍是炼铁工艺的主流, 节能和环保是首要任务。高炉普遍采用高炉长寿技术、TRT发电技术、热风炉技术、炉渣处理技术、高炉专家系统等先进技术来提高各项指标。TRT发电技术：TRT是“高炉煤气余压透平发电装置”的缩写，是国际公认的钢铁企业很有价值的二次

5、能源回收装置，它利用高炉炉顶煤气所具有的压力能和热能，通过透平机膨胀做功转化为机械能，从而驱动发电机发电。这种发电方式既不消耗任何燃料，也不产生环境污染，发电成本极低，是高炉冶炼工序的重大节能项目，经济效益十分显著。新修订的高炉炼铁工艺设计规范中已明确指出：高炉（指钢铁产业发展政策中规定的容积大于1000立方米的高炉）必须设置高炉炉顶煤气压余发电装置，余压透平发电装置应与高炉同步投产。一般来说，采用高炉煤气干法除尘，设备投入为湿法除尘的60%70%，从工艺上来讲完全可以取代湿法除尘设备。除此之外，干法除尘还具有以下优势：不耗新水，不会产生污水和污泥，吨铁可节水0.70.8立方米；除尘效果好，可

6、以实现煤气含尘量小于3毫克/立方米；煤气温度高和含水量低，可使煤气发热值提高，同时使TRT发电能力增强36%，减轻煤气管道锈蚀；干法除尘装置占地少，仅为湿法除尘的50%，且建设周期缩短；采用氮气脉冲反吹技术，清灰效果好，减少了煤气泄露。莱钢、柳钢、通钢、韶钢、攀钢、首钢、邯钢、石钢、青钢、杭钢、太钢、本钢等企业的部分高炉均采用了干法除尘。在设备上，TRT装置代替了原来煤气系统的高压阀组，不同的是，原煤气系统的高压阀组将煤气的压力能白白泄漏掉了，而TRT装置可以回收高炉鼓风能量的30%左右。目前，全国已有220多套TRT系统在运行，但是其发电量有很大的差异，除采用干法除尘与湿法除尘所造成的差异之

7、外，尚有多种因素存在。绝大多数高炉还在采用湿法除尘技术装备，发电潜力较大。一部分企业TRT设备管理水平不高，致使TRT设备没有达到设计能力。我国高炉炉顶煤气压力水平与国外相比还存在较大差距，这也影响了TRT设备能力的发挥。据统计，宝钢3号高炉（4350立方米）的炉顶压力为234千帕，是我国高炉炉顶压力最高的高炉，鞍钢6号高炉（3200立方米）顶压为232千帕，首钢2号高炉（2536立方米）顶压为197千帕，武钢1号高炉（2200立方米）顶压为209千帕，柳钢2号高炉（1080立方米）顶压为181千帕，均是同类型容积高炉顶压较高的高炉。如全国高炉全部采用干式TRT装置技术，年可节电120亿kWh

8、，还可解决噪音、震动、粉尘污染等问题。高炉喷煤：高炉喷吹煤粉是一项综合技术, 包括煤制粉技术、输送技术(浓相输送和烟煤粉输送属于高技术含量的技术)、喷吹工艺技术等, 与之相关的技术还有1200高风温“自身予热”热风炉技术, 喷煤过程的计量、测温、调节和控制等技术。炼铁精料水平的提高,富氧率和风温的提高,均有利于喷煤量的提高。高风温、高富氧、超高量(喷煤比大于250kg/t)喷煤技术是今后发展方向。今后要在精料、高风温、高富氧条件下, 研究高炉的最大喷煤量或极限喷煤量; 研究大量喷煤时煤粉在高炉内的行为, 对高炉料透气的影响及高炉内碳的平衡等。加拿大冶金专家发明一种高喷煤量氧气炼铁工艺,仍采用传

9、统的高炉作为反应器,通过风口喷入非炼焦煤可达300kg/t以上,使焦比降至200kg/t以下,实现了以煤代焦,以煤为主,改变了炼铁工序能源结构。ORP工艺是日本新日铁公司开发的一种目前广为应用的高效率生产优质纯净钢工艺。该工艺的特点是在高炉出槽脱硫, 在鱼雷混铁中采用顶喷粉同时脱磷脱硫, 在LD-OB 中脱碳。1.1.2非高炉炼铁非高炉炼铁主要有直接还原工艺和熔融还原工艺，省去了烧结、球团和焦化工序，具有流程短、降低投资成本、减轻环境污染、生产灵活性强等一系列优越性，是一种节约能源、环境友好、投资低且生产成本低的生产工艺。但与高炉炼铁相比，对所需要的原燃料条件、生产工艺、技术设备等方面要求严格

10、，在能源消耗、CO排放、基建投资、生产成本、生产规模、设备寿命等方面并没有形成绝对的优势，很多地方仍需改进，在全世界尚未得到普及。1.1.2.1直接还原炼铁技术国外从80年代以来，由直接还原炉-高功率直流电弧炉-薄板坯连铸机-热连轧机构成的现代化短流程钢铁生产线得到大力发展。直接还原炉作为短流程的一环发挥重要作用。直接还原炼铁是一种使用煤、气体或液体燃料为能源和还原剂，在铁矿石软化温度以下，不熔化即将铁矿石中氧化铁还原获得固态还原铁（DRI、HBI、HDRI）的生产工艺。该技术因其设备简单、投资少、不需要消耗焦炭和烧结矿、建设周期短等倍受青睐。直接还原铁生产方式，大致分为两种：一种煤基回转窑法

11、，另一种为气基竖炉法。气基直接还原法由于环境污染小、耗水量少、噪音小、产生的CO2少，而且生产的热压金属团块（HBI）便于运输和储存，具有很强的竞争力和发展潜力，因此占绝对优势。MIDREX及HYL-比例逐年升高，目前已占80%以上。MIDREX法是目前最完善的直接还原工艺，但由于作为还原剂的天然气价格昂贵，且需用块矿做原料，该法不适于我国。发展煤基还原的两个重要国家是印度和南非，印度和南非均富铁矿而少焦煤，这两国的回转窑都实现了全煤操作，设备完善，温度控制容易，生产工艺成熟。由于我国天然气短缺，直接还原炼铁技术发展缓慢。我国迄今已建成直接还原铁能力40万t/a，天津钢管公司耗资10亿元引进戴

12、维公司两条回转窑生产线，使用南非块矿生产，尚未达到30万t/a的设计能力，辽宁喀左采用“一步法链篦机-回转窑工艺”，登封回转窑使用富块矿，两厂合计56万tDRI，其余为隧道窑生产，目前筹建中的山东鲁中、吉林桦甸、安徽霍邱等回转窑隧道窑直接还原工厂规模都不超过10万t/a。用煤为主的转底炉（RHF）技术，以FASTMET和REDMELT为代表，近年来发展迅速，技术日趋成熟，但仍有改进空间，这一技术规模也不大，目前一般用于钢铁厂粉尘的回收和处理（脱除和回收Sn、Zn），以及和电炉炼钢相结合，实践直接还原铁的生产和电炉熔炼炼钢相结合的钢铁冶炼短流程工艺。随着废钢越来越多，电力供应充足，电炉炼钢比例的

13、逐步增加，这种技术在中小型钢厂将会取得更大发展。北京科技大学自主开发了煤基热风转底炉法（CHARP），实验效果很好，现已开始在山西、河南两地各建一座年产10万t的转底炉。投资约500元/t，仅相当于高炉系统（铁、烧、焦）的60%70%。我国煤炭资源丰富，此法在我国前景较好。气基竖炉生产直接还原铁重要条件之一，即需要提供大容量氢资源。国外普遍采用天然气热裂解制氢，提供氢资源，而我国天然气相对短缺，不宜普遍采用。在我国以碳冶金为基础长流程的炼焦过程中发生大量焦炉煤气，（年焦炉煤气发生量为8001000亿m3）而焦炉煤气中含有60%以上的氢，合理利用焦炉煤气可为直接还原铁生产提供大容量氢资源，为传统

14、钢铁厂生产直接还原铁提供资源条件，推进钢铁工业转型，实现低碳经济发展方式。利用焦炉煤气采用HYL-ZR技术生产直接还原铁，在墨西哥HYL-SA公司进行半工业性试验取得完全成功，为焦炉煤气生产直接还原铁提供技术保证。在传统高炉上，利用焦炉煤气或改质焦炉煤气进行喷吹，可以增加高炉产量、降低焦比，这是日本钢铁联盟COURSE50研发课题之一，我国钢铁业应跟踪研究开发。总体上说，直接还原铁发展呈现以下三大趋势，采用粉矿；采用煤做燃料；设备大型化。技术经济上比较，直接还原工艺仍以竖炉-球团（块矿）法最有竞争力，该法投资最少，成本最低、技术最成熟、生产率最高。非高炉炼铁原料的发展趋势正显示出从使用块矿向使

15、用廉价的粉矿转移，从使用天然气向非结焦煤做燃料转移。1.1.2.2熔融还原技术熔融还原是当代钢铁工业前沿技术之一，现泛指用非焦煤直接生产出热态铁水的工艺。熔融还原流程不建焦化设施，用块矿时不建烧结、球团设施，减少了污染源，使建立绿色钢厂成为可能。熔融还原诸多技术中，以奥钢联开发的COREX法进展最快。其他方法有韩国浦项和奥钢联共同开发的FINER法，澳大利亚的AusIron法和HISMELT法、俄罗斯的ROMELT法、日本的DIOS法等均有不同进展。COREX是世界上唯一已实现工业生产的熔融还原技术。但还存在着耗煤高、原料要求苛刻（需块矿）、全氧炼铁强化程度低等不足。FINEX工艺直接使用煤和

16、粉矿，但仍在开发中。HIS法商业规模工厂于2005年5月建成投产，莱钢已签订商业化协议，如实践证明可行，将在莱钢建设生产线。1.1.3烧结烟气脱硫钢铁行业脱硫工艺技术的发展趋势必然是烟粉尘、二氧化硫、二恶英等多组份的同时去除。我国企业缺少长远规划，目前大多数烧结脱硫工艺现在和将来都无法脱除二恶英有害物质，不符合未来烧结脱硫的发展趋势。 我国烧结脱硫的基础薄弱，2008年初，我国仅有3家钢铁企业4台烧结机脱硫装置真正处于正常运行中，烧结机脱硫面积仅611m2，最大面积265m2。 通过国家有关部门的高度重视和业内专家的强烈呼吁，以及迫于节能减排的压力，2008年以来越来越多的企业开始开展烧结脱硫

17、，如宝钢、鞍钢、武钢、太钢、马钢、邯钢、攀钢、南钢、湘钢、莱钢、杭钢等企业纷纷开始建设或者正在做方案，钢铁企业烧结脱硫呈现良好势头。但经过一年多时间的发展，至2009年5月底，我国已建成烧结烟气脱硫装置35套，实现脱硫的烧结机共40台，烧结机总面积6312m2，形成烧结烟气脱硫能力8.2万吨。到2009年底，全国又有数十套烧结机脱硫投产。而且配备脱硫的烧结机面积越来越大。除去以脱氟为主的包钢265m2烧结机之外，以前我国脱硫的烧结机最大面积仅180m2。2008-2009年两年宝钢495m2、南钢360m2、湘钢360m2、马钢300m2等大型烧结机的脱硫工程都已经投产或开始建设，太钢500m

18、2、鞍钢360m2等大型烧结机也开始做方案。目前，我国烧结机烟气脱硫主要涉及的脱硫工艺主要有干法、半干法和湿法。十法工艺主要有活性焦吸附法、LJS烟气循环流化床多组份干法、ENS干法、密相干塔法、GSCA双循环循环流化床干法、MEROS烟道喷射干法、LEC石灰石排控干法；湿法工艺主要有石灰石-石膏湿法、硫铵湿法、氧化镁湿法、双碱液湿法、离子液湿法；半干法主要有NID烟道循环法、SDA旋转喷雾法。国家在政策方面扶持力度逐步加大，国务院通过了钢铁产业调整和振兴规划，提出未来3年内钢铁行业要“加大技术改造力度，推动技术进步。实施钢铁产业技术进步与技术改造专项，对烧结烟气脱硫等循环经济和节能减排工艺技

19、术，给予重点支持”，并对重点大中型钢铁企业节能减排提出了明确的指标要求。钢铁产业政策（修订版）也将烧结脱硫装置作为新建烧结机的“三同时”项目。1.1.4干熄焦技术干熄焦具有回收红焦显热、改善焦炭质量、减少环境污染三大优点。近年来，干熄焦技术在我国得到迅速推广，目前，我国已投产和在建的干熄焦装置已经达到了102套，年干熄焦炭总处理能力达到9854万t，成为世界上干熄焦装置建设最多的国家，2001年以后建设的干熄焦装置的国产化率均在90 %以上，最高达到97 %，达到国际先进水平。经过多年开发和实践，我国干熄焦技术实现了干熄焦技术和设备的国产化；实现干熄焦装置的系列化、大型化、最优化；掌握了旋转焦

20、罐技术、振动给料器及格式密封阀式连续排焦技术、热管给水预热技术、多管二次除尘技术、带料钟的装入装置和高温高压锅炉技术等国际领先的干熄焦技术；并在应用热管技术、采用电机振动给料器和“三电一体化”计算机控制系统开发等方面取得了突破。我国的干熄焦技术仍然存在的一些技术问题及缺陷：比如耐火材料损坏严重、寿命短、干熄焦装置的整体能耗高、系统操作难度大、个别设备可靠性需要提高以及干熄焦后续的环保问题等等。目前在建的干熄焦装置投产后，宝钢、首钢、武钢、马钢、太钢、唐钢、沙钢等国内大型钢铁厂的焦炉将全部采用干熄焦。鞍钢6m以上的大型焦炉也将全部采用干熄焦。1.2炼钢工序炼钢工序将遵循工序功能的解析优化、工序间

21、的协调优化的原则, 向连续高效生产洁净钢的方向发展。凝固成型工序将遵循高速化(远离平衡的凝固)和近终形(强化成形功能)的原则, 成为使整个钢铁生产过程向着连续化-紧凑化-专业化方向发展的核心工序。用四句话16 个字概括为“生产高效, 钢水洁净, 工艺智能, 环境协调”。1.2.1转炉炼钢由于我国缺乏废钢资源，转炉炼钢一直是我国的主流。从上世纪60年代末开始,连铸技术的迅速发展,对转炉炼钢在时间、温度、成分及钢水方面提出了更高的要求，集顶吹和底吹优点为一体的复合吹炼技术的开发引起了国内外的高度重视。1978年, 卢森堡阿尔卑德公司和法国钢铁研究所共同开发出顶吹氧和底吹惰性气体的复合吹炼技术,即L

22、BE 技术。此后,复吹技术在全世界迅速推广。复吹转炉采用长寿高效技术、计算机全自动炼钢技术以及高洁净度钢“分阶段精炼”的生产技术，即:铁水三脱转炉少渣冶炼多功能二次精炼连铸保护浇注和中间包冶金，并积极回收显热和潜热用于发电。溅渣护炉技术：1995年,我国学习和借鉴美国转炉溅渣护炉技术,国内转炉平均炉龄迅速提高，但复吹转炉的底吹喷嘴寿命未能同步提高, 这导致复吹比仍然较低。北京钢铁研究总院和武汉钢铁公司合作开发了“长寿复吹转炉炼钢工艺技术”,2000年,在武汉钢铁公司第二炼钢厂3号90t氧气复吹转炉炉龄达到19238 炉,底吹喷嘴一次寿命与炉龄同步，创造了复吹转炉炉龄的世界纪录。2001年10月

23、16日,底吹喷嘴一次寿命与溅渣复吹炉龄同步,又一次以22766炉的成绩创造了新的世界纪录。这为我国今后推广转炉复吹炼钢打下基础。1.2.2“短流程”炼钢炼钢“短流程”特指电弧炉与连铸-连轧相结合的紧凑型生产流程，主要表现为由原料准备-电弧炉冶炼-精炼-连铸-轧制形成的紧凑式流程。电弧炉短流程因其在投资、效率、环保等方面的优势，已成为世界钢铁生产的两大主要流程之一。与转炉长流程相比，电炉短流程在投资、资源（包括土地）、能源（包括铁矿石、焦煤等）和节能环保、可持续发展等方面都具有优势。更重要的是其制造每吨粗钢的能耗和二氧化碳排放分别为250kg标煤和600kg左右，而矿石/高炉炼铁/氧气转炉炼钢相

24、应的分别是750kg标煤和2000kg，考虑到未来可能征收的能源税和温室气体排放税，以及能源、环保准入制度，这一结构参数的技术经济含义将有更长远的影响。电炉短流程工艺近年来迅速发展，在全球范围内电炉炼钢占总产钢量比例已达到的32%35%，特别是美国和欧盟电炉钢比例已达50%以上，美国的电炉钢生产占国际领先地位，其型钢市场已被短流程钢铁企业完全占领。中国由于粗钢产量的连年猛增，加之废钢原料短缺，电力能源价格上升等因素影响，近年来我国电弧炉钢所占比例逐年下降，2008年为12.37%，2009年降至9.66%。但中国钢铁产业发展政策明确指出，要“逐步减少铁矿石比例和增加废钢比例”。从电弧炉炼钢发展

25、趋势上来看，解决电炉原料问题和进一步节能降耗技术的开发是电炉钢发展的关键，实现高效化生产是电弧炉技术进步的核心。随着我国工业化进程加快，废钢积蓄量会不断增加，废钢资源紧张状况将得以逐步缓解，电弧炉炼钢技术的发展和二次能源的高效利用将进一步降低电弧炉能耗，我国电弧炉炼钢还将有较大发展。随着连铸、连轧技术的逐渐成熟，面向高附加值产品、综合先进技术的电炉短流程钢厂的新扩建也越来越多，如：Ezz带钢公司在埃及Ain Sukhna新建短流程钢厂，采用Danarc交流电弧炉、二次精炼、达涅利最新的薄板坯连铸连轧工艺，半无头轧制和热态铁素体轧制，是世界上具竞争力的超薄带钢生产厂；美国A K钢铁公司投资18亿

26、美元扩建俄亥俄州赞恩斯威勒特殊钢厂的电炉炼钢车间，新添新型高阻抗电弧炉、新型钢包精炼炉、新型连铸机和电炉钢精加工设备等设备用于生产高附加值、取向电工钢等钢材。我国电弧炉炼钢技术进步明显。设备方面：炉容向大型化发展。工艺方面：围绕如何缩短冶炼周期、降低操作成本和生产高附加值钢冶炼，开发了诸如超高功率合理供电、富氧及燃料喷吹、偏心炉底出钢、热兑铁水等技术，但与国外同行相比，中国电炉炼钢的综合能耗偏高，尚未达到国际先进水平。从全流程的观点看：出现了在总体上具有国际先进水平的短流程，如兴澄特殊钢厂的合金钢棒材生产流程、珠江钢厂的电炉-薄板坯连铸-连轧生产流程等。国内以电弧炉为核心冶炼设备的短流程工艺面

27、临着一系列挑战。（1）废钢资源的短缺；（2）电能短缺与电价成本；（3）废钢循环过程中有害元素的富集；（4）大部分短流程没有实现全线优化，生产效率不理想；（5）在节能环保方面存在较大差距。1.2.3炉外精炼炉外精炼技术是现代炼钢生产流程中的重要生产工序, 我国的大中型钢铁企业虽然采用了这项技术, 但普遍水平不高。 随着纯净钢生产技术的进步和连铸技术的发展, 炉外精炼工艺与设备将迅速普及。在日本、韩国、欧洲和美国等先进的钢铁生产国, 炉外精炼比超过90%, 其中真空精炼比超过50%, 远远高于我国。炉外精炼具有以下优点: ( 1) 改善冶金化学反应的热力学条件。 如炼钢中脱碳、脱气反应的反应产物为

28、气体。降低气相压力, 提高真空度, 有利于反应继续进行。( 2) 加速熔池传质速度。对多数冶金反应, 液相传质是反应速度的限制环节。各种精炼设备采用不同的搅拌方式, 强化、加速熔池混匀过程, 提高化学反应速度。( 3) 增大渣钢反应面积。各种炉外精炼设备均采用搅拌或喷粉工艺, 造成钢渣乳化、颗粒气泡上浮、碰撞、聚合等现象, 显著增加渣钢反应面积, 提高反应速度。( 4) 精确控制反应条件, 均匀钢水成分温度。多数炉外精炼设备配备有加热功能, 可以精确控制反应温度。通过搅拌均匀钢水成分, 精确调整成分, 可实现较窄成分控制。 精确控制化学反应条件, 使冶金反应更加趋近平衡。( 5) 健全在线快速

29、检测设施, 对精炼过程实现计算机智能化控制。保证精炼终点的命中率和控制精度, 提高产品质量的稳定性。洁净钢精炼工艺有: ( 1) 低氧钢精炼工艺技术; ( 2) 低碳低氮钢精炼工艺技术; ( 3) 超低硫钢的精炼工艺技术。炉外精炼设备的选型原则: ( 1)以钢种为中心, 正确选择精炼设备; ( 2) 注意生产节奏, 提高精炼设备作业率; ( 3) 注意与初炼炉匹配,降低生产成本; ( 4) 结合工厂实际情况选择设备, 尽可能降低投资成本; ( 5) 努力提高炉外精炼比。各钢铁企业应该根据本企业产品特点采用合适的精炼工艺。1.2.4特种冶金特种冶金产品总量不到钢总产量的1 % ,但产值很高,是生

30、产高质量特殊钢及超级合金、难熔合金(W、Mo 、Nb、Ta 、Re) 、活泼金属(Ti 、V、Zr 等) 、高纯金属(如零夹杂钢) 及近终形铸件的手段。近年各发达国家均致力发展特种冶金,欧美各国通称“特种熔炼”(Special Melting) ,独联体国家通称“ 特种电冶金”,在中国通用“特种冶金”。从冶炼热源及冶炼气氛上特种冶炼分为:真空冶金、电子束熔炼、等离子冶金及电渣冶金4 大类。真空冶金：真空冶金通常在0.0150 Pa。超级合金、难熔合金、活性金属数量增长、质量提高以及金属间化合物的应用扩大,推动了真空冶金的发展。1991 年德国Eriesee 城ALD 公司开发了真空分隔式感应熔

31、炼炉,具有熔化、精炼、合金化、脱气、浇铸的功能，又称真空感应脱气浇铸VIDP。近年出现的冷坩埚悬浮熔炼技术，是冶金超纯金属、超级合金的重要手段,用于生产金属间化合物、记忆合金及磁致伸缩材料,目前容量正在扩大。北京钢铁研究总院用冷坩埚感应悬浮熔炼成功地生产了多种金属间化合物,如Ni3Al 基合金以及TiAl 和Ti3Al 合金等。等离子冶金：具体来说，包括增压等离子体熔炼高氮奥氏体钢、等离子弧制取超细粉及纳米粉。自1962 年等离子电弧炉问世以来,一度被视为冶金的革命,美国材料咨询局报告视为发展方向,一些第一流学者转向研究等离子冶金，但由于大功率水冷等离子枪寿命及等离子热效率未解决,发展受阻。近

32、年来，随着上述问题的逐步解决，等离子冶金仍具有无限生命力。等离子弧具有以下潜在优势：能量集中,温度高(500030000K) ,离子流速度快(100500 mPs) ,可达到快速升温、快速反应的效果;气体处于离子状态,反应活性强,可根据需要选择工作气体，如用还原性气体(H2、CO、烃、烷),可进行矿石直接还原,也可以脱氧使铸锭不残存脱氧产物；在高温等离子弧作用下,S、P、Pb、Be、Sn、As等杂质易挥发;等离子弧温度高,适应于熔炼W、Mo、Re、Ta、Zr及其合金;等离子弧调整范围广,输入功率与金属熔化率无直接关系,重熔可以控制金属凝固,制取单晶体。电渣冶金：电渣冶金正处于稳定的发展阶段,进

33、入21世纪以来，电渣重熔在中型及大型锻件，优质工具钢、模具钢、马氏体时效钢、双相钢管坯及冷轧轧辊，受周期疲劳的弹簧钢，航空轴承及仪表轴承用钢，超级合金(高温合金、精密合金、耐蚀合金、电热合金),有色金属，电渣熔铸管件、环件及异形铸件等产品的生产中占有绝对优势。电渣冶金近年新进展,当推真空电渣重熔、高压电渣重熔、快速电渣重熔、电渣复合轧辊。真空电渣重熔(VAC2ESR) 是生产含活性元素Al 、Ti 、Mg 超级合金(如Inconel718) 的成熟工艺,兼具真空及电渣双重功能。快速电渣重熔使电渣重熔速度提高310 倍,无疑是特种冶金的新突破点,但某些关键技术有待探明。1.2.5洁净钢生产前沿技

34、术纯净钢生产是通过各种设备和工艺手段不断净化、提纯优化的过程。国内外各大钢厂在大规模生产纯净钢的生产流程上(包括铁水预处理、转炉炼钢、挡渣出钢、炉外精炼和连铸等工艺环节)采用了许多先进技术。目前，基于铁水预处理的转炉生产纯净钢工艺主要有两种流程：一种是基于铁水深度预脱硫，转炉强化脱磷，钢水炉外喷粉脱磷、脱硫、升温、真空精炼;另一种是基于铁水三脱预处理，复吹转炉少渣吹炼，钢水炉外喷粉脱硫、真空精炼。后者具有生产效率高、石灰等造渣料消耗少、过程温降小、生产周期短、成本低等优点，经济效益显著高于前者，适宜于我国转炉钢厂采用。其中铁水三脱预处理可采用高炉炉前预脱硅、铁水罐或混铁车喷吹同时脱磷脱硫或分期

35、脱磷、脱硫工艺或采用专用复吹转炉三脱工艺。近20年，铁水三脱预处理技术在日本得到了巨大发展。日本钢铁企业普遍采用“铁水三脱预处理-复吹转炉-真空除渣-钢水炉外精炼-连铸”流程冶炼纯净钢或超纯净钢。其主要特点是：依据成品钢不同P含量决定铁水脱磷深度，复吹转炉采用少渣吹炼、加锰矿熔融还原并尽可能低温出钢促进炉内脱磷，炉外钢水升温、调合金成分、喷粉脱硫、RH真空脱气。采用三脱铁水炼钢，由于吹炼时间缩短、造渣剂和渣量急剧减少、加锰矿熔融还原又使得锰合金用量大大降低，因而钢中N，H含量也相应减少。日本各钢铁企业的铁水三脱设备形式紧随市场供求关系发生变化，当钢产过剩而有富余炉时，倾向于采用专用转炉脱磷，如

36、住友的复吹专用炉SRP、神户的顶吹“H炉”、川崎的底吹转炉。住友鹿岛厂采用400 t混铁车喷吹苏打同时脱磷脱硫，预脱磷铁水在250 t复吹转炉(STB)中少渣吹炼，渣量20 kg/t，并加锰矿熔融还原，出钢时加脱磷剂渣洗再脱磷，经LF炉精炼生产P<0.003%的超低磷钢。该工艺还可生产普通钢种而无需钢包精炼，也可加煤和铬矿熔融还原生产不锈钢。由于钢水H低(0.7ppm)，故可生产低H钢而不需真空脱气。我国宝钢采用铁水深脱硫+复吹转炉双渣脱磷+RH真空喷粉的工艺生产纯净钢种。两套铁水脱硫装置，一套为320t混铁车TDS法在线配料喷吹CaC2或CaO系脱硫剂，另一套320 t铁水罐顶喷法在线

37、配料喷吹Mg: CaC2，均能将铁水S从0.018%0.025%深脱至0.001%0.003%。该厂转炉用铁水经100%预脱硫处理，目前320 t混铁车铁水三脱装置和300 t LF炉已经投产，可望进一步改善转炉操作和提高钢的纯净度。武钢三炼钢也建成全脱硫处理站，采用320 t混铁车喷吹CaO系脱硫剂，能将铁水S从0.020%深脱至0，0030.005%。该厂80%铁水经常规脱硫(脱后S<0.020%)冶炼普通钢和一般优质钢(脱后S<0.010 %)，20%铁水经深脱硫(脱后S<0.005%)冶炼高质品种钢。转炉钢水经强脱氧挡渣出钢、钢包渣改质、吹Ar及Ca处理、RH真空脱碳

38、、全流程脱硫、保护浇铸等可生产S<200ppm、N=(12 35)ppm，TO=(1635)ppm、C < (1535)ppm的纯净钢种(IF钢、管线钢等)，取得了一定的操作经验和经济效益。国内外生产实践已经表明，铁水深度预处理是转炉冶炼纯净钢种最有效的、最经济的技术保障，是必不可少的前提工序。深度预处理的基本目标是将铁水P、S在入转炉前即脱至成品钢水平。由于转炉具有较强的脱磷能力而无脱硫能力(相反对低S铁水可能增硫)，因此对于P、S均低于0.010%的纯净钢，铁水P、S应分别深脱至0.010%和0.005%以下，而对于P、S均低于0.005%的超纯净钢，铁水P、S应分别超深脱至0

39、.005%和0.003%以下。1.2.5.1洁净钢生产的新工艺技术1.2.5.1.1转炉生产洁净钢工艺炼钢采用转炉顶底复合吹炼技术可显著地降低钢水中的碳和磷。近十几年来，日本发明了转炉铁水预处理工艺，主要有SRP法(住友)、ORP法(新日铁)、NRP法(原NKK)、H炉工艺(神户)、MURC法(室兰厂)等。现在日本住友金属和歌山厂、JFE福山厂、水岛厂、新日铁室兰厂和君津制铁所第二炼钢厂以及韩国浦项光阳厂等均采用转炉双联法进行大规模生产。转炉双联法典型的工艺流程为高炉铁水铁水脱硫预处理转炉脱磷转炉定温脱碳二次精炼连铸。另外，转炉出钢挡渣效果对钢的纯净度和生产成本的影响也很大。1.2.5.1.2

40、洁净钢的炉外精炼技术钢包精炼炉是生产纯净钢的重要设备。在炼钢生产中，精炼炉具有脱硫、气体搅拌、合金化、升温、调节连铸节奏和控制夹杂物形态等功能。目前，日本先进钢厂生产的纯净钢杂质总质量分数已降到了50ppm。根据钢材对纯净度的不同要求，选择和组合不同的炉外精炼工艺，可以实现超纯净钢的生产。1.2.5.1.3洁净钢生产连铸新工艺连铸工序对钢的纯净度影响很大，采用保护浇注、中间包冶金、新型中间包覆盖剂、调整保护渣性能及设置电磁搅拌等手段还可继续去除及控制夹杂物，降低废品率。此外，电磁搅拌技术和轻压下在连铸工序得到了广泛应用。当今世界上有400多台方坯连铸机安装了电磁搅拌装置，电磁搅拌已成为先进方坯

41、连铸机的标准配置：许多板坯连铸机也安装了电磁搅拌和凝固末端轻压下设备。电磁搅拌和轻压下技术可改善铸坯内部凝固结构、扩大等轴晶区，从而减轻中心偏析和中心疏松。目前，奥钢联的动态轻压下和新日铁的面压下是较先进的轻压下技术。此外，日本采用控制流动结晶器控制从浸入式水口出来的钢液流，使用离心分离型中间包来去除中间包夹杂物，均已通过试验性实验和工业性实验。Raritan联合钢厂在中间包中使用涡流抑制器，用以降低夹杂物含量，改善钢水质量。1.3高效连铸及轧钢发展方向是: 连续化、紧凑化, 在线控制热处理, 人工智能控制。 热轧工序: (1)将遵循尽可能压缩比最小化, 弱化或消除压延功能; (2) 强化对表

42、面质量和形状精度的控制; (3) 强化对产品组织、性能的在线控制。包括中、低温度下的非再结晶轧制; (4)向高速化、连续化、产品高附加值化的方向发展。高效连铸高效连铸必须具备质量好、压缩比小和效率高等优点。提高连铸坯洁净度技术是保证质量的关键。连铸过程生产洁净钢, 一是去除液体钢中氧化物杂质, 进一步净化进入结晶器的钢水; 二是防止钢水的再污染。保证措施是: (1) 保护浇注技术; (2) 中间包冶金技术; (3)中间包覆盖渣; (4) 碱性包衬; (5)中间包电磁离心分离技术; (6)中间包真空浇铸技术; (7) 中间包热操作技术; (8) 防止下渣和卷渣技术; (9)结晶器钢水流动控制技术

43、; (10) 采用带直立段的立弯式连铸机。 为了防止连铸坯缺陷, 需要采用: (1) 钢液面稳定性控制技术; (2) 振动技术; (3) 坯壳生长的均匀性; (4) 内钢液流动状况控制。连铸坯各种缺陷中约50% 为裂纹。 为了提高连铸坯质量, 应采用以下技术: (1) 弧形连铸机采用多点矫直或连续矫直技术。(2) 对弧准确, 防止坯壳变形, 辊缝测量仪调整使支撑辊间隙误差< 1mm, 在线对弧误差< 0. 5 mm。(3)采用辊缝测量仪在线检测铸坯开口度的误差约为0. 5 mm, 不大于1mm。(4)压缩浇铸技术, 防止带液芯矫直时液界面内产生内裂。(5) “l-star”多节辊技

44、术, 防止支撑辊变形, 提高铸坯质量。(6)用喷雾冷却和气水冷却的二冷动态控制系统, 优化二冷区水量分布, 使铸坯表面温度分布均匀, 提高铸坯质量。采用铸坯中心致密度控制技术也是提高质量的重要手段, 包括: (1)低温浇铸技术; (2)热交换水口技术; (3)阻止富集溶质残余钢水的流动技术; (4)轻压下技术; (5)电磁搅拌技术等先进技术。轧钢要大力发展提高钢材性能和尺寸精度的各种新技术、新工艺，如控冷控轧、在线热处理、板形控制、酸洗和冷轧联合、连续退火、高水平涂镀、高刚度和高精度轧制、轧钢生产过程的计算机控制与过程仿真等新技术，以生产各种具有高的尺寸精度，外形、外观质量优良的钢材。配合近终

45、形连铸技术的发展，大力开发轧钢生产过程中的连轧技术，如薄板坯的连铸连轧、薄带钢的连铸连轧以及型、线材的连铸连轧技术等。要逐步淘汰初轧机、迭轧薄板轧机、三辊劳特式中板轧机、直径76mm自动轧管机及横列式棒线轧机等工艺落后的轧钢生产设备，以实现轧钢生产的高度自动化、连续化、高效化、高精度化。应搞好以半凝固加工和新型材料开发为重点的轧钢生产前沿技术开发工作。半凝固加工技术是一种使金属材料在固液相共存的条件下，通过成形加工，制成板材、棒材、管材及各种机械部件的现代冶金加工技术，它是将金属的铸造和热加工工序合二为一来生产高性能新型材料的一种新工艺，它被国际钢铁界称之为跨世纪的世界冶金三大前沿技术之一。采

46、用半凝固加工技术，可以在缩短加工工序、节能、节约原材料、改善环保的条件下，生产高质量、高性能的材料。高速线材轧机发展的总趋势是: 提高轧制速度, 增加盘重, 提高精度和扩大规格范围。随着计算机、自动控制、检测等技术的飞速发展, 线材轧机被不断改进, 轧制速度已由第一代的43m/s,发展到第六代的110-130m/s，线材规格上限扩大到20-26mm，线材钢种也由碳结、合结、弹簧、工具等非合金钢向轴承、合工、高工、不锈等合金钢方向扩展，产品精度可达到±0.05 mm，高速无扭精轧机和定减径高精密轧机正在被众多厂家采用。1.3.2.1中小型连轧机中小型连轧机主要生产角钢、槽钢、棒材等型钢

47、。采用的先进技术有:(1)控轧控冷技术生产高强韧性钢材;(2)用定径机生产高精度棒材;(3)用无头轧制技术提高成材率;(4)用切分轧制提高热轧钢筋产量, 降低成本;(5)用棒材卷取技术满足各行业自动化连续加工生产的需要;(6)用新型检测器实现成品尺寸及缺陷的在线自动检测。.2大型型钢轧机经济断面型钢是世界型钢、特别是大型型钢生产的重要发方向。 H 型钢和周期断面型钢的断面上金属分布比老式型钢更为合理, 单位金属有更高的承载能力。例如:用H型钢代替通斜腿工字钢时, 用于建筑行业可节约金属30%左右;用于桥梁、机械等行业可节约金属20%左右。在大型型钢生产中先进的轧机当属万能轧机。该轧机可以用万能

48、法生产普通工、槽、角钢, 也可以生产钢轨、H型钢、T型钢、L型钢、球扁钢等多种型材。当把万能辊系更换为二辊辊系时, 又可以用二辊法生产各种大中型材。万能轧机有单机可逆和串列连续两种工艺布置。.3板带钢连轧机组板带钢连轧机组分为热板带钢连轧机组和冷板带钢连轧机组。目前, 国家不再批准新建薄板坯连铸连轧生产线。随着薄带钢连铸-连轧新技术的日臻完善, 不久将取代薄板坯连铸连轧技术。近10 年来, 工业发达国家在钢材结构上的一个明显变化, 是在保持钢材板带比略有提高的情况下,高附加值的深加工冷轧板带产品及涂镀层板显著增加, 即热轧板带钢转化为冷轧板带钢和涂镀层钢板的比例增大。虽然冷连轧机生产宽板带钢仍

49、是主要机型, 但是单机架和双机架可逆式轧机的发展很快,在近几年新建的宽板带钢轧机中单机架和双机架可逆式轧机数量居多。随着快速咬入、穿带、横向窜辊和计算机控制技术的提高, 高产量的单机架和双机架可逆式轧机的发展为低投资、中等产量的冷轧板带钢生产提供了一种可行的选择。1.3.3薄带钢连铸-连轧新技术冶金行业的设备都在力图向节能、简化工艺流程和省工的方向努力。 为了达到这一目的,在薄带钢的生产方面产生了接近产品最终形状的铸造轧制技术(薄带连铸-连轧技术)，采用这一技术可以省略热轧工序直接得到薄带钢。薄带钢连铸-连轧技术是薄钢板制造技术的一场革命。薄带钢连铸-连轧技术:(1)简化工序(省略和简化了热轧

50、工序);(2)节省能源;(3)节省投资;(4)难加工的材料可直接生产出产品; (5)靠急剧冷却凝固来改善材质。薄带钢连铸-连轧技术包括单辊铸带法、双辊铸带法、辊床铸带法等。其中,双辊铸轧法已经有了突破性进展。1997年, 日本新日铁和三菱重工共同开发出世界上第一台不锈钢薄带钢连铸轧机, 并在新日铁的光工厂投入生产。2002年4月, 美国Nucor、澳大利亚BHP 和日本IHI 三家公司合资, 在美国的印第安纳州新建成的铸轧薄带钢工厂投入生产。辊床法( DSCP) 也已经进入工业化生产。由瑞典的Mefos 钢厂和德国的T U Clausthal 钢厂分别制造了样机, 并完成了试验阶段数据分析,

51、开始进入工业化生产。薄带钢连铸-连轧新技术在今后会被迅速推广, 低廉的成本会对厚板坯连铸-连轧工艺和薄板坯连铸-连轧工艺构成威胁。 新建工厂采用哪种工艺技术, 老工厂如何面对挑战, 是新技术革命到来时期我国钢铁工业必须认真考虑的问题。有限元及仿真模拟技术随着计算机的小型化、高速化和有限元法(FEM)的登场，材料三次元的解析得以应用，对以板材为首的各种钢材的加工压力、荷重、扭矩和金属流动等均可计算出。变形阻抗作为高精度计算荷重和扭矩的物性值，现已进入数据收集和模式化阶段，热变形阻抗已在细晶粒钢开发中广为应用，冷变形阻抗也在高强度钢的开发方面实用化。为适应对棒、线材尺寸的高精密化、形状易变、低成本

52、和高质量化的要求，已开发出三辊轧制、2Hi精密轧机和四辊轧机等多变数控制理论。三次元刚塑性FEM亦用于棒、线材的孔型设计，并保证了产品的高精度。控制材质的棒、线材轧制技术正在研发之中，通过增设缓冷、快冷装置以使工序简化。FEM还用于结晶粒径的预测，有利于确定最佳生产条件。对于H型钢轧制的三次元刚塑性FEM在推广应用，关于万能轧机应用三次元刚塑性FEM预测材料流动和应力分布的研究亦在进行中。在H型钢的三次元刚塑性FEM解析时，对轧辊和被轧材的接触区、V形轧辊无驱动等均应作为解析时的注意事项，还应考虑被轧材的内部温度分布对材料流动的影响。今后随着建筑物的大型化和提高抗震性的要求，H型钢的控轧、控冷

53、技术将被广泛采用。穿孔轧制由于对钢坯中心部的穿孔效果所产生的破坏现象及芯棒和轧辊间的复杂变形致解析不易，加上完全三次元FEM时的要素分割和计算时间尚有问题，因此多使用一般化平面形变的近似三次元解析法。比穿孔效果更重要的是芯棒前端使坯开裂时将产生管内部缺陷，为抑制开裂应选定合适的轧制条件，即应从轧辊的倾角到交叉角、钢坯加热温度、穿孔速度等综合考虑。利用FEM对棒、线材轧制的解析和材料组织预测。棒、线材轧制关键技术之一的孔型设计需要正确的轧制变形解析。尽管有关三次元变形解析于上世纪80年代后期发表，但到最近才广为应用。有关三次元FEM的软件开发、轧制中的温度解析、轧材材料组织预测等均在进行中。日本

54、在这方面走在了世界前列。二、钢铁工业循环经济产业链先进生产工艺技术为保护环境，促进钢铁工业发展循环经济，实现资源能源利用效率昀大化，预防和控制钢铁行业发展过程中的环境污染，制定了钢铁工业发展循环经济环境保护导则。2.1钢铁工业发展循环经济延长产业链中的先进生产工艺技术清单类别序号技术名称 资源综合利用类 1烧结配加钢铁废料技术 2水淬高炉渣生产水泥技术 3水淬高炉渣生产矿渣砖和湿碾混凝土技术 4利用高液态炉渣生产微晶玻璃技术 5利用高炉渣生产矿渣棉技术 6利用高炉渣生产肥料技术 7转炉尘泥回收利用技术 8钢渣稳定化处理技术 9钢渣磁选废钢技术 10利用钢渣生产钢渣水泥技术 11利用钢渣生产肥料

55、技术 12利用钢渣生产钢渣粉技术 13轧钢氧化铁皮生产还原铁粉技术 14石灰窑废气回收液态 CO2技术 15钢铁厂用耐火材料回收利用技术 16废塑料炼焦技术17焦化副产品深加工系列技术 余热余能综合利用类 18干熄焦技术 19烧结环冷机余热回收技术 20高炉煤气燃烧发电技术 21高炉炉顶煤气余压（TRT）发电技术 22热电联产技术 23全烧高炉煤气锅炉发电技术 24高炉煤气等低热值煤气燃气-蒸汽联合循环发电(CCPP)技术 25高炉煤气干式除尘余压压差发电技术26高炉渣显热回收技术2.2钢铁工业发展循环经济产业链示意图三、低碳经济下的钢铁行业技术策略钢铁工业是主要温室气体排放行业之一，从全球统

56、计来看，钢铁工业排放的二氧化碳占全球温室气体总排放量4%5%(国际能源组织IEA 发布)，而我国钢铁工业占全国二氧化碳排放总量12%左右。因此，钢铁企业承担节能减排任务责无旁贷，并肩负巨大的减排压力。减少二氧化碳排放，发展低碳经济成为未来钢铁行业发展的重要前提。钢铁冶金过程产生的二氧化碳主要来自于高炉中煤和焦炭与铁矿石的化学反应，即铁矿石的还原过程，炼铁工序直接和间接二氧化碳排放超过90%。因此，低碳炼铁是钢铁企业二氧化碳减排的重中之重。我国钢铁工业铁钢比高是造成单位钢产量二氧化碳排放强度高的最主要原因。我国钢铁累积量小，废钢资源紧缺，大宗废钢质量差，电价高，导致电炉钢比例低。氢冶金若要真正实

57、现低碳钢铁冶金技术,就必须改变以碳为主要载体的铁冶金过程,可供选择的替代还原剂只有氢。因为氢是最清洁的能源，反应产物对环境完全没有影响。在钢铁工业设备达到役期时(2020 2030) ,首先应考虑高炉炉顶煤气循环利用,及焦炉煤气重整后喷吹,从而降低碳排放30 %左右,也可用上述H2 / CO气体进行熔融还原,取代高炉向转炉提供铁水。各国钢铁工业都在抓紧部署前瞻性研发来应对碳减排,促进钢铁工业与低碳经济相适应,主要集中于3 个方面:碳捕集技术(CCS) ;通过现有工业规模的煤气制氢;在非化石能源(核能、可再生能源)占到主流时(2050 年左右) ,可推出氢冶金工业技术。为此,从现在起就要开展相应

58、的理论与基础研究。3.1国外钢铁工业低碳炼铁技术研究3.1.1 世界钢铁协会世界钢铁2050报告2009年5月，世界钢铁协会发表的世界钢铁2050报告，研究了世界发展对钢铁的需求以及在现有及未来技术条件下实现二氧化碳减排目标的各种可能性。报告提出了钢铁行业的低碳发展路径：一是使用钢铁作为低碳应用，选择适合的钢材来代替温室气体密集型材料，选择新型和改良型钢材代替传统钢材，增加对钢铁生产副产品（如炉渣）的应用；二是通过投资节能技术，钢铁行业已经大幅度降低了钢铁生产中的能源，煤炭和焦炭的消费。为进一步减少钢铁产业的二氧化碳强度，各钢铁企业需要在全球基础上增加彼此间的交流和推广最佳实践，这既包括新技术，也包括生产工艺改进；三是加快降低钢铁行业的二氧化碳排放量取决于开发和实践新的突破性技术。这仍然是钢铁