现代钢铁生产实用技术应用

近代钢铁生产技术发展历程主讲教师：翁宇庆内容大纲

钢铁材料在经济建设中的作用和地位近代钢铁生产技术发展的简要历程一二三钢铁行业未来发展关注的几个问题2一、钢铁材料在经济建设中的作用和地位人类生活在物质世界中，基础原材料和能源支撑了经济和社会活动的各种活动和过程。3钢铁是主导结构材料4钢铁的独特性能使得从公元前1500年起，钢铁便是人类社会最重要的结构材料。资源丰富，地壳中含有约4.2%(重量)的铁世界铁矿石陆地保有储量1542亿吨，储量基础3473亿吨，海洋、大洋锰

结核~3万亿吨。每年开采15~20亿吨（原矿）全球目前年生产和使用~14亿吨钢铁矿山采掘深海采矿钢铁具有最高回收利用率5现有钢铁储存量∑=500亿吨世界废钢发生量和消费量（单位：万吨）年份198919901991199220002001发生量(A)344103266930525289973624036800消费量(B)350353457031646300133669037340A/B(%)98.2294.5096.4596.6198.7098.55现有钢铁生产铁素原料中，废钢提供约40%1871-2013美国日本中国独联体世界粗钢总量83.4752.6279.8870.11500.14容易加工成各种类型的钢材常见的钢材加工方式轧钢：板、管、带、棒、线、丝；锻钢、铸钢：各种异型，不同的形状尺寸要求。钢铁是所有结构材料中理论强度最高的材料7各种钢铁材料工业强度铁的理想晶体强度抗拉强度：t≈0.1E≈208.2GPa剪切强度：s≈b/2a=80.65GPa铁的理论强度：t≈21GPas≈11GPa200~2000Mpa（2GMpa）8优良的性能，性能多样性性能典型钢实例性能典型钢实例机械性能1.强度、韧性超高强度不锈钢电气电子性能1.超导电性金属系列超导材料、氧化物系列超导材料2.比强度金属间化合物、金属系复合材料2.导电性导向架材料3.硬度、耐磨损新工具钢3.半导电性人造格子4.刚性、弹性高应力弹簧钢4.其它荫罩用冷轧薄钢板5.延性、塑性超塑性钢磁性能1.高磁能积稀土类钢6.易切性超易切钢2.非磁性非磁性钢7.减震、防震复合型减震钢板3.高透磁率非晶金属8.结构用新型材料特殊不锈钢管4.电磁波屏蔽电磁波屏蔽材料9.形状记忆性、加工性、焊接性形状记忆合金其它1.彩电流行的色彩热性能1.高温强度超耐热钢、结晶控制合金2.轻量、多孔质叠层薄钢板2.低温韧性极低温钢3.金属粉高速钢粉末3.低温膨胀低温膨胀合金4.超微粉金属超微粉合金/铁系列合金化学性能1.耐腐蚀（湿法镀层）镀特殊金属钢材5.金属箔铁系金属箔2.耐腐蚀（干式镀层）干式镀层钢材6.高纯度金属高纯度铁3.耐腐蚀（不锈钢）特殊不锈钢材具有不同性能的钢材4.耐腐蚀（包层）复合（包层）钢管5.耐腐蚀（有机包层、其它）高温用有机包层薄钢板6.储氢性能、生物合适性储氢合金9便于大生产，质量稳定，价格低廉（日本1998年价格）单重价格（A）￥/kg比强度（B）MPa/比重比强度价格(A/B)钢铁（钢板SS41）46510.9铝合金（A5062）585966.1水泥（生水泥）57.8（挤压强度）0.6塑料（聚氯乙烯）125383.3木材（9mm胶合板）1311091.2（日本1994年价格）钢铝合金钛合金水泥Al2O3陶瓷碳纤维木材聚丙烯比强度521111338974160912539比强度价格13.916.70.44.05.20.83.810材料价格变化年份不同材料的价格变化

价格指数（对数）1974年＝100

钢材塑料水泥铝1996~2001年主要钢材品种国内市场挂牌价格的变化趋势日本1995年1月~2001年10月主要钢材离岸价格变化趋势11钢铁便宜，且普遍使用，总的价值量远高于其他材料2007年欧盟统计的价值钢铝镁塑料价值比（钢/四种材料）7300亿

€/年900亿

€/年24亿

€/年2820亿

€/年66.1%数据来源：世界钢协WVMetalle美国地质局PlasticsEuropeDeutschlande.V钢塑料1970年/2008年钢、铝、镁全球产量的比较单位：百万吨/年铝镁据日本1997年统计，钢材占所有基础原材料（塑料、陶瓷、水泥和木材等）用量的45%12未来对材料和技术的要求13对人类友好从现代钢铁材料生产过程排放、污染的观点看，钢铁与塑料、陶瓷、有色金属等相比是人类最友好的材料14本节小结

从二十一世纪看，钢铁材料仍是有竞争

力的基础材料。

钢铁材料具有可持续供应、性能多样且

优良，规模生产、价格低廉等多种优点。

23钢铁是最重要的（人造）工程结构材料。115二、近代钢铁生产技术发展的简要历程近代世界钢铁工业发展的四个阶段产量+质量+可持续发展（能源、资源、环保）二战结束第一次石油危机第二次石油危机世界经济衰退第一阶段：1864年~1950年，产量由3104万吨增加到2亿吨。以平炉炼钢为主、出现钢铁联合企业。第二阶段：1951年~1974年，产量由2亿吨增加到7亿吨。以氧气顶吹转炉炼钢为主，出现淘汰平炉、模铸和横列式轧机为主的技术创新。第四阶段：1999年~现在，源于新兴国家发展，粗钢产量从7.89亿吨提高到14.14亿吨（2010年）。年均增长率5.5%，同时向提高品质、降低成本、重视环境、节约能源和资源，走社会和谐、可持续发展的道路。第三阶段：1974年~1999年，受二次石油危机冲击，全球钢铁工业产生组织、技术及产品结构调整。以后25年全球粗钢年增长率仅为0.5%（7亿增加到7.89亿吨）。16二、近代钢铁生产技术发展的简要历程十五世纪前后，高炉（熔矿炉）在莱茵河上游出现。1790年英国用焦炭代替木炭炼铁。1829年英国用高炉煤气加热鼓风。几百年的历程，现有高炉技术进步成熟。C%≥4%（共析点在内）17高炉还原反应原理及能耗间接还原3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2，Fe3O4+CO

3FeO+CO2FeO+CO

Fe+CO2直接还原3Fe2O3+C2Fe3O4+CO，Fe3O4+C

3FeO+COFeO+C

Fe+CO高炉间接还原度~67%，要求料柱，透气性；碳原子约75%耗于燃烧反应，仅有25%耗于矿石的还原反应。因而能耗高，CO2产生量大。高炉还原反应进行数小时，熔融还原反应速度以秒计算。理想高炉流程铁水中含碳：174kgCO2/t铁水输出煤气：764kgCO2/t铁水热风炉：477kgCO2/t铁水总计：1415kgCO2/t铁水加入焦炭300kg/t铁水喷煤150kg/t铁水间接还原70.5%高炉耗能1.5GJ/t铁水输出能量2.4GJ/t铁水18二、近代钢铁生产技术发展的简要历程十五世纪前后，高炉（熔矿炉）在莱茵河上游出现。1790年英国用焦炭代替木炭炼铁。1829年英国用高炉煤气加热鼓风。几百年的历程，现有高炉技术进步成熟。C%≥4%（共析点在内）19高炉还原反应原理及能耗间接还原3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2，Fe3O4+CO

3FeO+CO2FeO+CO

Fe+CO2直接还原3Fe2O3+C2Fe3O4+CO，Fe3O4+C

3FeO+COFeO+C

Fe+CO高炉间接还原度~67%，要求料柱，透气性；碳原子约75%耗于燃烧反应，仅有25%耗于矿石的还原反应。因而能耗高，CO2产生量大。高炉还原反应进行数小时，熔融还原反应速度以秒计算。理想高炉流程铁水中含碳：174kgCO2/t铁水输出煤气：764kgCO2/t铁水热风炉：477kgCO2/t铁水总计：1415kgCO2/t铁水加入焦炭300kg/t铁水喷煤150kg/t铁水间接还原70.5%高炉耗能1.5GJ/t铁水输出能量2.4GJ/t铁水20炼钢技术发展历程近代炼钢（1856-1950）酸性转炉

（空气、底吹、酸性炉衬）1864～1880平炉炼钢1879碱性转炉Bessemer酸性转炉，1859年H.Bessmer(1813~1898)英国发明家、工程师Bessemer法方案图19世纪中叶在英国谢菲尔德贝塞麦公司炼钢厂原理：C+O2→CO2铁水中溶解碳）2120世纪50年代平炉钢80%，碱性转炉钢10%，电炉钢10%。

平炉成为主导炼钢工艺。汉阳铁厂10吨平炉，1894年早期平炉示意图大型平炉在该阶段由于平炉比转炉可大量使用废钢、对铁水成分要求不高、冶炼品种多、质量好，为各国普遍采用。早期平炉示意图22炼钢技术发展历程现代炼钢（1951-1975）23氧气炼钢，从简单脱碳到成份控制（Si、Mn、P、Fe、O…）½{O}=[O][Si]=(SiO2)[Mn]=(MnO)2[P]+5[O]=(P2O5)[Fe]+½{O}=(FeO)2(FeO)+½{O}=(Fe2O3)[C]+[O]=(CO)现代氧气转炉的发明，适应了战后全球经济大发展的需求。1950年，全球粗钢~2亿吨/年，1975年，全球粗钢~7亿吨/年。24炼钢技术发展历程现代炼钢（1951-1975）25氧气炼钢，从简单脱碳到成份控制（Si、Mn、P、Fe、O…）½{O}=[O][Si]=(SiO2)[Mn]=(MnO)2[P]+5[O]=(P2O5)[Fe]+½{O}=(FeO)2(FeO)+½{O}=(Fe2O3)[C]+[O]=(CO)现代氧气转炉的发明，适应了战后全球经济大发展的需求。1950年，全球粗钢~2亿吨/年，1975年，全球粗钢~7亿吨/年。26为应对七十年代（1970’s）二次能源危机，钢铁工业

出现了三个“淘汰”的技术变革1、采用连铸，淘汰模铸50年代连铸步入工业化，60年代弧形连铸机引发一场革命，两次能源危机推动全连铸发展（1976年，新日铁大分厂实现全厂全连铸）大型高炉+氧气顶吹转炉+连铸→钢铁大发展的基础27为应对七十年代（1970’s）二次能源危机，钢铁工业

出现了三个“淘汰”的技术变革2、发展转炉炼钢，淘汰平炉高耗能、低效率使得平炉被淘汰成为历史的必然。自20世纪60年代中期起氧气顶吹转炉迅速得到普及。28为应对七十年代（1970’s）二次能源危机，钢铁工业

出现了三个“淘汰”的技术变革1、采用连铸，淘汰模铸50年代连铸步入工业化，60年代弧形连铸机引发一场革命，两次能源危机推动全连铸发展（1976年，新日铁大分厂实现全厂全连铸）大型高炉+氧气顶吹转炉+连铸→钢铁大发展的基础29为应对七十年代（1970’s）二次能源危机，钢铁工业

出现了三个“淘汰”的技术变革2、发展转炉炼钢，淘汰平炉高耗能、低效率使得平炉被淘汰成为历史的必然。自20世纪60年代中期起氧气顶吹转炉迅速得到普及。30为应对七十年代（1970’s）二次能源危机，钢铁工业

出现了三个“淘汰”的技术变革3、发展连轧和半连轧机，淘汰多火成材的横列式轧机31近代钢铁生产技术发展历程能源危机后的钢铁技术发展第二小节32德国钢产量197453232010000200003000040000500006000018701876188218881894190019061912191819241930193619421948195419601966197219781984199019962002二次能源危机（70’s）后，发达国家钢铁产量计入成熟和稳定区能源危机后的钢铁技术发展发展中国家却先后开始了工业化进程，钢铁生产和消费总量处于增长期能源危机后的钢铁技术发展34全球和中国粗钢产量的增长变化能源危机后的钢铁技术发展1975~2000全球钢产量年增长率平均在1%左右，年总量不超过8亿吨；进入二十一世纪后，以中国为代表的新兴国家崛起，年钢铁产量进入高速增长；中国已成为世界第一产钢大国，2013年比1997年增长了六倍（~8亿吨/年），占全球46%以上。35能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新1、复吹转炉迅速发展36

1952年奥地利Linz-Donawitz厂开发出纯氧顶吹转炉。比空气吹炼，设备简单、费用降低；快速冶炼、生产率高；原料限制少（废钢、钢铁料皆可）；脱磷、硫、钢水杂质低。能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新37

1971~1972年美国开发底吹

转炉（Q-BOP）。

1977年日本川崎公司千叶厂230吨底吹转炉投产。

底吹搅拌激烈，消除了顶吹渣和金属喷溅；钢液中T[O]和渣中（TFe）低；终点锰收得率高，回收煤气容易。问题：炉底耐火材料损耗大，吹入气体中碳氢化合物多，钢中含氢高。能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新38七十年代中后期复吹转炉迅速发展。钢水搅拌目的：吹入气体促进炉内反应，底吹少量氮气、氩气（还可加入CaO）。顶吹炼钢时间30‘~40’（吹氧16‘~20’）；复吹炼钢时间20‘（吹氧~9’）充分发挥顶、底吹各自优点，克服缺点。

能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新39能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新2、电炉冶炼在发达国家迅速发展最早用于工具钢，发展冶炼特殊钢1899年PaulHeroult造出第一台工业用的电弧炉。1906年在美国纽约投产，可熔化3吨废钢。1879年WilliamSiemens造出世界第一台电弧炉，它用20分钟熔化了5磅废钢。1879年WilliamSiemens造出世界第一台电弧炉，它用20分钟熔化了5磅废钢。现代化的大电炉40能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新初期连铸机发展大部分和电炉（特殊钢厂）匹配，使立弯式连铸机得到发展。超高功率电炉发展，废钢资源及非焦炼铁技术等发展，特别由于薄板坯连铸连轧工艺的工业化，形成有竞争力的短流程工艺(mini-mill)。41电炉钢发展视废钢资源、电力供应、吨钢成本和社会环保要求等条件不同，各国发展程度不同中国、美国、日本电炉钢比美国日本中国42能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新3、发展高品质钢的关键技术质量是产品的生命，名牌来自于质量，企业依靠质量优势提升竞争力。在钢铁需求已不再增长的发达国家，提高质量为第一需求。以模具钢为例，我国钢材稳定性差，造成高端模具严重进口。国内外模具平均使用寿命比较示意图

国内高端模具进口状况43能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新热作模具钢（

H13，4Cr5MoSiV）的国内外对比瑞典AvestaAB、SandvikAB吨钢效益都在100欧元以上。瑞典Uddholm生产（8407钢）宝钢特钢生产寿命差距20万模次最高5万模次冶金质量差距保护气氛电渣重熔0.0009P%，0.0005S%普通电渣重熔0.018P%，0.005S%组织控制差距模块心部横向冲击/纵向冲击0.6~0.8模块心部横向冲击/纵向冲击0.2~0.3宝特普通H13宝特ESR宝特PESRASSAB840744能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新3-1发展炉外精炼（钢包冶金、二次冶金）技术转炉终点钢水[O]最优冶炼-连铸终点[O]最优炉外精炼后~400ppm30~60ppm3~5ppm钢中夹杂物质量分数%20世纪70’s20世纪90’s0.0235%0.004%45能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新热作模具钢（

H13，4Cr5MoSiV）的国内外对比瑞典AvestaAB、SandvikAB吨钢效益都在100欧元以上。瑞典Uddholm生产（8407钢）宝钢特钢生产寿命差距20万模次最高5万模次冶金质量差距保护气氛电渣重熔0.0009P%，0.0005S%普通电渣重熔0.018P%，0.005S%组织控制差距模块心部横向冲击/纵向冲击0.6~0.8模块心部横向冲击/纵向冲击0.2~0.3宝特普通H13宝特ESR宝特PESRASSAB840746能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新3-1发展炉外精炼（钢包冶金、二次冶金）技术转炉终点钢水[O]最优冶炼-连铸终点[O]最优炉外精炼后~400ppm30~60ppm3~5ppm钢中夹杂物质量分数%20世纪70’s20世纪90’s0.0235%0.004%47钢包精炼炉(LadleFurnace,LF)简单原理脱气、脱硫（S<10ppm）2.夹杂物上浮3.炼钢-连铸缓冲器48RH真空精炼炉简单原理下降管真空室上升管转炉粗钢~75%被真空处理，

~85%被二次精炼真空脱气、脱碳（扁平材、低碳、超低碳）低[O]、[H]、[N]49现代炼钢厂已经发展成为“冶炼-精炼-连铸”三位一体的系统系统流程日本炉外精炼比和连铸比中国连铸比~95%50能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新尺寸最细尺寸极限尺寸最佳尺寸再结晶轧制40m15~20m国际TMPC碳素钢15~20m国际TMPC微合金钢10m（工业）5m（理论计算）以DIFT为主导的技术无碳钢：2~4m微合金钢：1~2m当代国际晶粒最细尺寸水平3-2微合金钢和控轧控冷（TMCP）迅速采用和发展采用少量合金元素加入（V、Ti、Nb…≤0.1%）形成微合金钢，并在轧钢过程发展控制轧制，控制冷却（TMCP）技术，扩大了钢材品种，形成多类高强度、高韧性钢。51微合金钢和控轧控冷（TMCP）迅速采用和发展控轧控冷和微合金化的发展，使品种和材料性能出现多样化与优化过去100年来，结构钢成分变化示例（19mm,ReL=350MPa）C-Mn钢下屈服点（ReL）和晶粒尺寸的关系工程结构CSiSPMnCrAlNbCEVForthRailBridge(1890)0.230.020.0240.0460.69***0.35SydneyHarbourBridge(1929)0.340.20**1.00***0.51MelbourneKingStreetBridge(1961)0.230.190.0260.0171.580.24﹤0.005*0.54OffshoreUK(1994)0.080.310.0020.0121.410.0270.0340.0280.3252微合金钢和控轧控冷（TMCP）迅速采用和发展管线钢的发展53能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新3-3市场板带产品日益增加，促进自动控制和相应技术的发展54市场板带产品日益增加，促进自动控制和相应技术的发展适应市场需求板带比增大日本、美国（1996年）和中国（1998年）板带比情况比较（美国冷轧和涂镀层板比例为59.9%，热轧薄板为-2.8%，即进口热轧薄板生产冷轧板，所以热轧薄板出现负值）板带比增大，相应涂镀层板比例增大世界板带比变化55板厚/板形控制技术：在线测量，人工智能综合技术，连续可变凸度轧辊技术，在线磨辊技术……型钢生产：柔性技术、无孔型平辊技术、切分技术……涂镀层技术：各种合金镀（Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-Al）及彩镀技术、多层复合、双面异镀、基板表面激光活化、轻质夹层……各种新冶金工艺流程和控制技术得到快速发展形成了高精度轧制产品：日本轧机轧制速度的变化采用控制技术后，例如采用液压AGC后，厚度偏差中厚板热轧带钢冷轧带钢平直度≤±0.1mm≤±30m≤±5m5~10I市场板带产品日益增加，促进自动控制和相应技术的发展56能源危机使钢铁技术注重节能减排，在三淘汰同时，发展带有系统性和综合性的技术创新4、1990’s后，信息/管理技术的推进六级信息化过程控制级作业管理级营销管理级经营决策级流程制造业四级信息化(4)战略规划企业决策指挥系统综合营销系统(3)ERP(企业资源计划：物流、资金流、信息流同步(2)MES系统(制造执行系统)(1)基础自动化通过数学模型（各工序数模）连接实时数据库/非实时关系数据库，在生产过程中进行物料平衡和过程优化，对物流、能量流、质量流、生产流在制造系统内部的统一监控。整合订货－生产－销售全路径、物料及质量监控、动态成本控制、购销、运输、财务、设备维修和备件管理、人力资源管理、网上办公和远程管理，管理形成系统。CIMS、DSS、EI（专家系统）检测级设备驱动级45/58家企业应用ERP571990′s后，信息/管理技术的推进传统数据和控制流程MES监控系统控制工程师层(向工程部门经理报告)MIS系统(向CFO报告)工单“生成”概要建点,写块模拟,离散信号批处理/流程完成通告ERP通过数学模型（各工序数模）连接实时数据库/非实时关系数据库，在生产过程中进行物料平衡和过程优化，对物流、能量流、质量流、生产流在制造系统内部的统一监控。批处理指令流581990′s后，信息/管理技术的推进运用网络通讯、计算机和控制技术的新进展提升钢铁生产技术和管理水平59近代钢铁生产技术发展历程

未来钢铁技术发展关注的几个问题（一）(1)资源(2)能源第三小节(一)近代钢铁生产发展分为三个阶段60对上节“近代钢铁生产技术发展的简要流程”作小结：

1975~现在，从技术创新和科技进步而论，

带有系统性和综合性发展。

1951~1975年，氧气顶吹转炉出现，现代

冶金开始；

231856~1950年，平炉炼钢为主；161对上节“近代钢铁生产技术发展的简要流程”作小结：(二)现代冶金出现后，钢铁工业呈现大发展时期

第二阶段形成三大技术，出现三个淘汰：

出现：氧气转炉淘汰平炉；

出现：连铸淘汰模铸；

出现：连续轧钢淘汰横列式轧机

1975年全球粗钢产量达到7亿吨/年，是1950年（2亿

吨/年）的3.5倍，是1900年（3104万吨/年）的23倍，

20世纪从原材料讲，是“钢铁世纪”。

23

钢铁工厂形成，大型高炉（炼铁）+氧气顶吹转炉（炼钢）+连铸+连轧的系统流程；162对上节“近代钢铁生产技术发展的简要流程”作小结：(三)由于石油危机后的推动，在科技进步和创新与市场

需求的双轮驱动下，钢铁工业竞争力迅速提高

23

1出现炼钢-精炼-连铸三位一体的炼钢流程；出现非

高炉冶炼（与环境改善同步）炼铁流程；出现高质

量、多品种的板带轧钢流程；出现控轧控冷、微合

金钢发展的精品生产流程。由产量增长转变为质量改善、品种增加、成本下降、重视环境的新阶段；九十年代后信息技术、网络通讯、计算机和控制技术等在钢铁工业的迅速应用，正把钢铁工业提升为连续可控流程的制造业，形成高炉率、重要的原材料工业。三、钢铁行业未来技术发展关注的几个问题63在可预见的未来，钢铁由于它的众多优点（性能优良及多样化，成本低廉及批量化、环境友好及回收率高、人均可年产达300万元￥/年…），它始终会占据人造最主要的结构材料和产量最大的人造功能材料的地位。但是，绿色制造的要求和多种人造材料的相互竞争，钢铁必须要思考未来发展的几个主要问题：3-1资源（国内资源不足，每年进口付出2万亿￥）3-2能源（“高能耗”工业之一，占全国年总能耗1/6）3-3环境（特别是温室气体排放）3-4产品（面对日益苛严的市场需求）中国钢铁工业目标：从大国转变为强国；发展绿色制造流程，生产新一代钢铁产品。3-1资源64全球及中国铁矿石资源简况保有储量储量基础资源量2008年产量能支撑使用年限进口依存度铁矿（亿吨）国内（2007年）223.64613.36

(2013年，773亿吨)365.15亿吨原矿9.53成品矿3.74按每年1亿吨生铁计算，吨铁消耗4.1吨，可供30年左右。65%世界（2008年）1542347317.22锰矿（亿吨）国内1.32.01亿吨品位~22%，合计6883万吨4.87按支持1~1.3亿吨钢/年计算，可供15~20年。（每年700~800万吨）60%世界125.50亿吨潜在资源（金属锰68亿吨）172.92大洋锰结核资源有3万亿吨。铬矿国内231.8万吨567.5万吨443.49万吨98%世界36亿吨76亿吨3-1资源65照目前的使用量，可供应全世界需求近300年。所有其它国家2802202205431181240101611095664022美国地质调查局,《矿产品概要》,2005年1月89%44%61%79%39%100%85%65%19%14%2004年世界铁矿石产量125029%出口未出口单位：百万吨全球铁矿石资源保有储量1542亿吨储量基础3473亿吨3-1资源66近年来进口铁矿石依存度变化图2011年上半年，我国进口铁矿石3.34亿吨，由于铁矿石涨价，

多支出160.2亿美元。3-1资源672000年以来中国铁矿石进口量及单价我国如何缓解铁矿石的资源瓶颈？68（1）到国外采购，获得有股权的资源保证国家国外矿山（企业）名称中方股东中方股比%合资时间拟投产时间资源储量（亿吨）按股比分配的储量（亿吨）成品矿(万吨/年)按股比分配的成品矿（万吨/年）澳大利亚Sino铁矿中信泰富、中冶集团100200620091010.0024002400Balmoral铁矿中信泰富100200620101010.0012001200CapeLambert铁矿中冶集团252008200915.63.901500375Midwest矿业公司中钢集团1002008201055.0015001500Karara铁矿鞍钢5020072010147.00800400Aquila矿业公司宝钢15200920131890284CXM矿业公司武钢15200920122031000150WPG矿业公司武钢502009201252.5600300BalmoralSouth铁矿首钢49200720105.472.68500245MountGibson矿业公司首钢69.0220081.61.10700483FMG公司湖南华菱17.420092009427.315500957GoldenWest矿业公司湖南华菱11.3920081.20.141000114BungalowMagnetite铁矿包钢5020082.51.25300150BallaBalla铁矿天津荣程10200820101.040.1030030加拿大CLM矿业公司Bloomlake铁矿武钢2520092009235.75400100阿根廷希拉格兰德铁矿中冶集团70200720092.61.8212084俄罗斯别列佐夫铁矿西洋集团100200520087.477.47545545老挝邦双铁矿昆钢6520080.030.02印尼川威200810.00250蒙古额仁达铁矿包钢7320051.10.8010073巴日格勒图铁矿包钢4920040.440.224623合计169.0570.06206519413我国在国外前期建设准备矿山情况我国如何缓解铁矿石的资源瓶颈？69（2）对国内的低品位矿、难选矿和共生矿给与优先技术研发类型比例，%采选特点磁铁矿型55.4分段强力磁选，不断进步赤铁矿型18.1红矿攻关成绩巨大菱铁矿型14.4长沙院和余院士在大西沟攻关取得显著成果钒钛磁铁矿型5.3长期努力，持续进步。例如转底炉（RHF）V-Ti-Fe分离技术和承钢与过程所合作，开发梯度氯化回收钒渣有价元素，引人注目。镜铁矿型3.4尚待在选矿工艺中努力节能降耗，提高收益品位。褐铁矿型1.1混合型2.3铁矿石品位33%，低于国际平均品位20个百分点。全国已勘探2034处铁矿产地中，单一铁矿型只占78%（1588处），其它为共生和伴共生矿（共占21.9%）我国铁矿石类型我国如何缓解铁矿石的资源瓶颈？70（3）深部铁矿探测与开采，当前重点是技术关键要突破目前勘矿找矿，重点是物探、化探和异常点找矿，勘查深度仅限于500m线。深部探、采工作在长远突破“资源瓶颈”意义重大；目前探明的613亿吨铁矿石资源储量，主要集中在600m以内，峰值储量在50m~200m区间；从大型、深部（~1000m）资源分析（成矿理论与技术，初探），我国在陆地深部有1000亿吨铁矿资源待查，包括已开采点（鞍本、兖煤……）和未探测点；工程院已建议国家立项在2020年前以Fe、Cr、Ni、Au为重点，深部选区矿进行选取研究，2030年前提出勘察重点选区，并完成探测技术方法研发，为长期资源开采提供基础。我国如何缓解铁矿石的资源瓶颈？71（4）深海金属资源探索全球大洋底多金属结核资源3万亿吨，目前有商业开采潜力的资源750亿吨；大洋名称MnCuNiFeCo多金属结核太平洋22.50.750.8911.60.25大西洋2521.30.22钴结核太平洋23.060.160.4716.090.73大西洋20.070.110.4018.560.53印度洋18.040.130.3916.160.38中国已向国际海底管理局申请并获准二块优先勘探权和采矿权（15年）；地点面积西南印度洋中脊990×200Km2东太平洋7.5万Km2我国如何缓解铁矿石的资源瓶颈？722010年~2020年我国铁矿石需求平衡从长远看已查明国内资源储量（2007年）613.36亿吨

（2013年）773亿吨；深部资源储量约1000亿吨；国外可供投资资源储量148~243亿吨合计可供我国钢铁工业资源应用年限＞200年海洋资源应用、二次资源（废钢）回收、城市矿山资源开拓。结论:我国钢铁工业有可持续发展的资源基础。73钢铁工业的能源与节能：从二次石油危机以来，全球（含中国）钢铁界做了持续不懈的努力年份综合能耗kgce/t1980年20391985年17461990年16111995年11522000年9202005年7412009年619欧盟15国、北美和日本吨钢能耗的变化以1975年吨钢能耗为100我国钢铁工业的能耗变化3-2能源74进一步节能：（1）应淘汰能耗过高的设备项目3200m3380m3焦比,kg/t铁346437燃料及动力费用，元983.01140.79制造成本，元2478.322613.78应淘汰小型冶炼设备，以邯钢

二种高炉比较（2010），实际运行

成本差135.5元/吨.铁75进一步节能：（2）提高各种节能技术和工艺设备的节能要求CDQ：2009年底共143套，处理能力14138万吨，占大中型企业焦炭产量

65%以上。CDQ类型技术参数占有率高温高压CDQ540℃/9.5MPa~30%中温中压CDQ450℃/3.82MPa~70%发电量：高温高压比中温中压高10%，

沙钢高压CDQ（12.8MPa），发电120kWh/t焦TRT：1000m3以上高炉普及率超过90%。日本TRT发电41kWh/吨铁我国TRT发电25kWh/吨铁（平均）我国现要求干式TRT≥35kWh/吨铁湿式TRT≥30kWh/吨铁我国最高54kWh/吨铁供电优化：大型电机采用变频技术可节电约20%。京唐公司1#焦炉干熄焦装置杭钢高炉煤气余压透平发电装置76进一步节能：（3）重视余热（显热）回收的技术和装备开发产品显热回收率50.04%烟气显热回收率14.92%冷却水显热回收率1.90%炉渣显热回收率1.59%钢铁工业余热回收率25.8%其中高温余热回收率44.4%中温余热回收率30.2%低温余热回收率~1%我国钢铁工业的余热和显热耗能占总能耗的30%左右。首钢和山钢都在试验“钢渣显热回收”项目。

20家大中型钢铁企业的余热（显热）利用率情况77进一步节能：（4）建设和运营好能源管控中心宝钢对全厂25个变电站、5个煤气加压站、13套煤气混合装置、天然气加压站、4个排水泵站、全长600余千米动力管网/水道管网等进行集中远程化监控、扁平化管理。能源系统劳动生产率取得显著提升。宝钢本部能源中心宝钢、鞍钢、首钢、马钢等企业不断建设和完善能源管理中心，提高科学用能和管

逐步将能源中心和生产调度中心联网并行。形成物流（生产流）、能源流、成本计算流…在MES系统上集成，上报ERP系统，形成成本流、合同完成流、销售流→三张企业财务报表（资产负载表、现金流量表和利润表）。理水平，平均可使企业节约能源总量的5%~7%。78进一步节能：（5）广泛采用非化石能源，降能和环保减排统一采用风能发电。例如鞍钢鲅鱼圈风机，每台1650万kwh/年，已有3台已满足全部非生产用电。采用太阳能。例如鞍钢鲅鱼圈5800人洗浴全解决。大力发展天然气、页岩气发电。使节能和CO2减排相统一。79中长远发展节能工作，要从系统、流程及新技术采用研究可以看出，不同制造流程，能耗是大不相同的，要创造新流程以降低成本，减轻压力！我国和世界其他工业国都在制定新世纪发展规划，并明确发展目标。以美国规划中的能耗(kgce/t)为例2010年2020年电炉长形材270.15226.93电炉扁平材277.35255.74电炉-薄带连铸234.13212.52高炉-转炉扁平材626.75536.7080高炉-转炉流程要重视炼铁系统（高、烧、焦）如何进一步降低能耗重点统计企业主要工序能耗（单位：kgce/t)年烧结焦化炼铁转炉炼钢电炉炼钢轧钢总能耗200267.75149.38454.2127.04230.20101.32843.502004.1~866.05147.72465.6023.71205.0294.20817.53国际先进（1999）50.89128.10437.93-8.88198.60热轧47.82冷轧80.28炼铁工序能耗占总工序能耗：53.8%~57.2%炼铁系统能耗占总工序能耗：75.4%~79.6%81日本提出新的“高校低能耗高炉”目标：高炉能耗降低50%；CO2排放量降低50%；研发“矮胖型立式富氧高炉”高炉利用系数>6t/m3.d。关键技术：氢气高速还原技术；低熔点高炉炉渣廉价制氧技术；全新高炉设计。82现有冶金工艺虽能进一步节能，但节能潜力有一定限制理论最低能耗：331/0.95+193.4=552kgce/t材（以电力折换系数约0.35计算）国际钢铁界以吨钢总能耗20GJ（683.4kgce）为标准合理耗能（1GJ=34.17kgce）其中还原反应理论能耗：331kgce/t铁生产过程耗能：193.4kgce/t材煤气及余热余能：490kgce/t材（理论）节能潜力：683.4－552=131.4kgce/t材（理论）CO2最低排放：3.05×131.4≈400kgCO2/t材）（不考虑煤气COCO2二次燃烧排放）以高炉-转炉联合流程为例83未来钢铁技术发展第四小节

未来钢铁技术发展关注的几个问题（二）(3)环保(4)产品升级843-3环境保护近年来，我国冶金环保成绩显著，从清洁生产走向绿色制造序号主要环保指标1995年2000年2006年2010年2012年2013年1吨钢新水用量，t/t45.1424.756.864.113.873.502废水处理率，%96.1998.6399.9499.9999.763有组织废气处理率，%93.6496.0199.5099.6899.894废气中SO2排放量，万t76.0265.0480.6074.4872.9470.145吨钢SO2排放量，kg/t9.23.622.651.701.581.126废气中工业粉尘排放量，万t77.0559.3545.6352.0143.5231.137厂区降尘量，t/月.km249.3643.8644.8847.728尘泥利用率，%94.7797.8698.7699.7997.379含铁尘泥利用率，%89.9797.8698.8999.8197.1399.9085大力推进降低SO2排放量生产工序或设施污染物项目即将出台的钢铁工业大气污染物排放标准（烧结、球团）现执行标准GB9078-1996现有企业排放限值新建企业排放限值重点区域特别排放限值II级烧结（球团）设备机头颗粒物80mg/m350mg/m340mg/m3100mg/m3SO2700mg/m3200mg/m3180mg/m32000mg/m3NO2500mg/m3400mg/m3400mg/m3无F6mg/m34mg/m34mg/m36mg/m3二噁英2.0ng-TEQ/m30.5ng-TEQ/m30.5ng-TEQ/m3无烧结机尾、其它颗粒物50mg/m330mg/m320mg/m3100mg/m32002年大中型钢铁企业各工序SO2排放量对比86温室气体减排（CO2↓）责任重大行业CO2排放量亿吨/年化石燃料消耗引起CO2排放量亿吨/年占我国化石燃料消耗引起CO2总排放量的比例%钢铁7.77.414.9化工3.42.75.3石化1.91.22.3水泥6.52.75.3合计19.714.227.8不同行业CO2排放占工业CO2总排放的比例我国承诺：2020年比2005年单位GDP的CO2排放降低40~45%；我国承诺：2020年中国一次能源消费中，非化石资源比例，将接近15%左右2006~2010年2011~2015年2016~2020年CO2排放下降16%17%16%相应能耗下降19%16%＞14%87温室气体减排（CO2↓）责任重大发展电炉流程和非高炉炼铁是环保改善重要方向生产流程CO2排放kg/t电力kWh/tCO2总排放kg/t电炉（160kg铁水）396478619电炉（100%废钢）68458282废钢应用量已接近100%，废钢供应量有极限。2000年~2009年中、日、美、韩、俄、印电炉钢比注：电力生产50%依靠化石燃料为能源。88温室气体减排（CO2↓）责任重大项目CO2减排，kgCO2/t-s占减排的贡献，%淘汰落后13035.83提高能源效率104.0128.65发展CO2减排技术喷吹塑料11.843.26铁/钢渣替代水泥应用50.8114.00电炉和废钢应用54.114.91与化工结合（COG中H2应用）0.700.19共同火力发电11.463.16五项合计128.9135.52总计362.92100预计2015年我国钢铁工业各因素对CO2减排的贡献（在2005年减排的基础上）89温室气体减排（CO2↓）责任重大钢铁工业温室气体来源于：炼铁-炼钢都是碳的还原-氧化反应，产物都是CO2数据源自IanChristmas,SecretaryGeneral,IISI，5thChinaInternationalSteelCongress，Shanghai2June2008炼铁最终反应2Fe2O3+3C4Fe+3CO2C+O2

CO21990年2006年吨钢CO2排放，t1.81.7CO2排放，Bt1.42.190从绿色冶金考虑，电炉具有低排放优势各类排放物占排放总量的比例联合企业电炉钢厂总排放量5921.6kg/t总排放量2327.6kg/t固体废弃物9.9%废水50.7%气体39.4%固体废弃物8.8%废水85.9%气体5.3%固废，kg/t气体，kg/t电炉流程204.8123高-转流程586.22332电炉/高-转0.35:10.053:191不同生产流程1t钢液CO2排放生产流程CO2排放kg/t电力kWh/tCO2总排放kg/t高炉+转炉（153kgPCI)21111872198高炉+转炉（250kgPCI)20841842170COREX+电炉16396321934HISmelt+电炉~1600370~1970电炉（160kg铁水）396478619电炉（100%废钢）68458282注：电力生产50%依靠化石燃料为能源。现代高炉CO2总排放~1900kg/t，世界高炉平均CO2总排放~2200kg/t。92我国钢铁积蓄量虽快速上升，但总量不足，

CO2↓靠高-转流程创新改进粗钢积蓄量，亿吨2008年2010年2015年2020年预计消费量，亿吨2020年积蓄量/产钢量全球423.91447.91507.91567.9112.047.3美国78.5080.4685.3690.260.9892.1日本47.3849.6855.4361.181.1553.2中国45.4254.4276.9299.424.522.0993高炉-转炉流程发展低碳技术的思路CO2减排的主要对策ⅠⅡⅢ提高碳的利用效率改变还原剂结构实施CO2捕集、封存和碳的资源化94十二五期间，国家科技支撑项目启动《高炉炼铁CO2减排与

煤气高效利用关键技术开发技术》矿石、石灰石风口部分煤气提氢焦炉部分焦炉煤气制甲醇焦炉煤气剩余CH4进燃料管网部分煤气重整煤气中：H2~70%，CO~15%900℃1200℃~85%煤气VPSA分离~15%的煤气不分离CO2储存CO加热课题一焦炉煤气重整进高炉课题二氧气高炉炉顶气

CO/CO2

分离CO2储存，CO加热进高炉高炉煤气H2资源化氧气~95%课题三焦炉煤气提氢CO+CO2不分离制甲醇2CH4+O22CO+4H2焦炭953-4钢铁产品升级换代供需背景:我国钢铁产品供需状况已进入转变期数据源自世界银行官网和世界钢协（WSA）官网。2011年人均GDP与人均钢材消费量走减量化道路，把钢材过度消费降下来。96十二五期间，国家科技支撑项目启动《高炉炼铁CO2减排与

煤气高效利用关键技术开发技术》矿石、石灰石风口部分煤气提氢焦炉部分焦炉煤气制甲醇焦炉煤气剩余CH4进燃料管网部分煤气重整煤气中：H2~70%，CO~15%900℃1200℃~85%煤气VPSA分离~15%的煤气不分离CO2储存CO加热课题一焦炉煤气重整进高炉课题二氧气高炉炉顶气

CO/CO2

分离CO2储存，CO加热进高炉高炉煤气H2资源化氧气~95%课题三焦炉煤气提氢CO+CO2不分离制甲醇2CH4+O22CO+4H2焦炭973-4钢铁产品升级换代供需背景:我国钢铁产品供需状况已进入转变期数据源自世界银行官网和世界钢协（WSA）官网。2011年人均GDP与人均钢材消费量走减量化道路，把钢材过度消费降下来。98十二五期间，国家科技支撑项目启动《高炉炼铁CO2减排与

煤气高效利用关键技术开发技术》矿石、石灰石风口部分煤气提氢焦炉部分焦炉煤气制甲醇焦炉煤气剩余CH4进燃料管网部分煤气重整煤气中：H2~70%，CO~15%900℃1200℃~85%煤气VPSA分离~15%的煤气不分离CO2储存CO加热课题一焦炉煤气重整进高炉课题二氧气高炉炉顶气

CO/CO2

分离CO2储存，CO加热进高炉高炉煤气H2资源化氧气~95%课题三焦炉煤气提氢CO+CO2不分离制甲醇2CH4+O22CO+4H2焦炭993-4钢铁产品升级换代供需背景:我国钢铁产品供需状况已进入转变期数据源自世界银行官网和世界钢协（WSA）官网。2011年人均GDP与人均钢材消费量走减量化道路，把钢材过度消费降下来。1003-4钢铁产品升级换代桥梁钢板技术进步的历程应用广泛，但板厚效应严重，铁路桥仅能用到32mmQ345-16MnqQ420-15MnVNq、15MnVqQ370-14MnNbq大跨,重载钢桥需要高强度等级钢材;

整体焊接结构需要具有良好焊接性能与高韧性;

现场焊接施工需要能适应大线能量、高湿度与不预热的条件采用降碳加铌合金超纯净的冶金方法，具有优异的－40℃低温冲击韧性(芜湖桥标准要求－40℃Akv≥12