中国钢铁行业面临的困境及对策

中国钢铁行业面临的困境及对策

钢铁工业是中国经济的支柱。在“五一”期间，中国的年粗钢年产量从3.5亿吨增加到6.3亿吨，年均增长12.2%。作为世界上最大的钢铁生产国，2011年中国的粗钢产量占世界各国粗钢产量的45.5%。钢铁工业产能的急剧膨胀带来了一系列问题,如品种质量亟待升级,布局调整进展缓慢,能源、环境、原料约束增强,自主创新能力不强等;另一方面,房地产业调控、“铁公基”建设放缓、汽车销量下降等,又从外部对钢贸行业产生了巨大影响。在外部需求放缓、原材料和资金成本居高不下的情况下,依靠发展新技术,推进品种研发和装备升级、实现节能减排、发展循环经济等已成为未来钢铁工业发展的必然战略选择。1新技术和新工艺的出现随着中国钢铁工业的快速发展,轧钢技术不断进步,出现了很多新技术和新工艺。本文简述无头轧制、异步轧制、薄带连铸和中厚板组织控制技术等方面的最新进展。1.1黑心带钢的速度轧制技术1996年日本川崎制铁(现JFE)千叶厂3号热带轧制线在世界上首先实现无头轧制。该技术就是在粗轧与精轧之间,把粗轧后的前一中间坯的尾部和下一中间坯的头部在数秒内采用感应焊接快速连接起来,在精轧连轧机组实现无头轧制,在卷取机前再由飞剪剪断,由卷取机卷成热卷。这种技术扩大了传统热带轧机的轧制范围,可批量生产0.8mm的超薄带钢。开发这个技术是基于市场上对于“以热代冷”的强烈需求。该生产线可以20m/s的速度轧制生产0.8~1.3mm厚的带钢。其设备主要有在粗轧和精轧之间设置热卷箱、切头剪、中间板坯连接装置及卷取机前的飞剪(见图1)。日本JFE公司千叶厂无头轧制中间带坯连接方式采用感应焊接,要求对带坯接头区进行快速加热,形成热熔区,实现对焊连接,最多可由15块中间坯组成无头轧制。与常规热连轧相比,采用将多块中间带坯快速连接后进行无头轧制的成材率平均提高1%~2%。辊耗降低1%~2%;在厚度命中率上,无头轧制无论是1.2mm还是1.0mm都超过了99%;在精轧出口温度和卷取温度命中率方面,无头轧制的精度都提高2%以上。日本JFE公司千叶厂采用无头轧制技术的特点为:1)将常规的最小板厚1.2mm扩至0.8mm,厚度精度不超过±(20~30)μm,且可轧制如1.2mm×1600mm的宽幅薄材;2)极薄热轧带钢尺寸精度优于传统热轧带钢,材料特性与传统产品相当,但组织性能均匀性和稳定性明显优于传统产品;3)采用分散控制的高响应张力控制技术可在0.5s左右的时间内稳定地实现轧制中板厚变更。韩国浦项制铁通过无头轧制,不仅薄宽规格产品尺寸精度得到显著提高,而且与常规单坯间断式轧制比较,生产效率提高25%~30%,充分发挥了精轧机组的能力。浦项制铁于2007年在其2号热带生产线上采用了一种新的固态连接技术(剪切-压合),即利用切头飞剪完成带坯的瞬间固态连接。1.1.1复合带钢生产设备2009年6月,阿尔维迪公司克莱蒙纳厂建成投产了世界上第1条无头连铸连轧生产线———ESP线(见图2)。ESP线总长仅有191m,能够在4.5min内完成从钢水到卷取的全连续生产。最大铸速6.0mm/min,连铸炉次9×250t,非常适合薄规格板带生产。其中厚度小于等于2.0mm的产品占约50%,厚度小于等于1.2mm的产品超过21%,最薄带钢为(0.8~0.9)mm×1540mm。ESP无头带钢生产线系统主要包括液芯压下系统、动态辊缝调宽和轻压下等工艺包,从而确保最佳内部铸流质量。铸机直接与配有AGC和辊形控制的3机架四辊大压下轧机相连;在单独控制设置点的基础上,感应加热炉可在1100~1200℃的温度范围内灵活地将传送钢带均匀加热。5机架精轧机配有SmartCrown辊以确保带钢具有非常好的平直度。钢带在走出最后一个机架后,由层流冷却系统进行冷却,从而根据需要调整带钢的力学特点。钢带经高速剪切机切割之后,由3个地下卷取机中的1个进行卷取,单卷重量可达32t。ESP线产品厚度、宽度精度,板形,性能均匀度均达到比常规热连轧还高的水平,如厚度公差小于等于30μm,宽度公差小于等于5mm,温差小于等于7℃。采用无头连铸连轧的ESP技术可使得成材率进一步提高,钢水到热轧卷的收得率达到97%~98%。能源消耗比常规热轧工艺大幅降低,生产普通规格产品时,其能耗可以降低40%~50%;生产薄规格产品时,其能耗可以降低65%~70%。目前,国内还没有板带热轧无头轧制技术的生产实例,但已有研究人员着手开展了热带无头轧制技术的前期研究,如北京科技大学的康永林提出了一种新的热带无头轧制中间坯的连接方法,并申请了国内和国际发明专利。1.1.2半发挥带钢的应用技术德国发展的是半无头轧制技术,他们利用薄板坯连铸连轧的生产线,铸造较长的铸坯,如200m,进入精轧,并且轧后进行剪切,在精轧机组中形成有限的无头连轧。这种生产线的特点是适合于稳定生产薄规格的带钢,减少了薄规格带钢生产中的轧废和工具损失。近几年,中国在半无头轧制技术的消化吸收、技术集成与创新方面取得了显著进展。涟钢和北京科技大学合作在CSP线上进行了半无头轧制技术集成与创新工作,实现了半无头轧制低碳钢、微合金高强钢和无取向硅钢等薄和超薄规格板带大批量、稳定化和低成本生产,而且板带尺寸形状精度高,组织性能优良、均匀。另外,唐钢和本钢也分别在其FTSR线上开展了半无头轧制薄规格的生产性试验和相关技术开发,并取得了进展。1.2rentdi音频接口日本近年发明了在热连轧机组的最后3个机架上采用单辊驱动和不同辊径工作辊轧制技术(singlerolldrivewithdifferentdiamete,简称SRDD)。该技术是轧制中驱动大直径的下工作辊(620mm),小直径的上工作辊从动,其优点是轧制中有剪应力产生,降低轧制力、减少边降和增大压下量。SRDD的技术原理如图3所示。SRDD技术在国内称为异步轧制技术,国内的实验室实验也表明该生产方法对降低轧制力有明显的效果。在采用低温大变形工艺生产超细晶粒钢和超高强度钢时这种设备是很有效的,但是尚无质量、稳定性等方面的进一步报道。1.3国外试验研究正在开发的生产热带钢的技术是薄带直接连铸并轧制的技术,钢水在2个辊中铸成5~6mm的带钢,经过1架或2架轧机进行小变形的轧制和平整,生产出热带钢卷。欧洲、日本和澳大利亚都进行过类似的试验,2004年美国NUCOR建立了工业试验厂,如图4所示。该带钢连铸生产线的主要参数为:钢包容量110t,带钢厚度2.1~0.7mm;在线热轧机为四辊热轧机,卷取机为2台40t卷取机。使用带钢连铸技术可大大减少产品的残余偏析。1.4厚板织物性能控制技术1.4.1termediatecoing从目前国内控制轧制工艺应用情况看,最广泛和最典型的控制轧制是两阶段轧制,即再结晶区轧制和未再结晶区轧制。控制轧制的两阶段中需要避开部分再结晶区,粗轧完的中间坯空冷待温就是为适应工艺要求而采取的措施。控制轧制采用的中间冷却(intermediatecooling,简称IC)装置是在双机架生产线的粗轧机和精轧机之间或单机架轧机的机前或机后增加冷却装置,以降低中间坯在辊道上的待温时间,提高轧机的生产能力。按理论计算,采用IC装置后,不同厚度中间坯的待温时间可以缩短35%~80%。该结合中间冷却的控制轧制和轧后控冷,还可以用于生产表面超细晶粒钢,或者叫三明治钢,这种钢因为有一定厚度(4mm)的超细晶粒层,因此具有很高的止裂性能。北京科技大学和东北大学都能够提供中间坯冷却的成套设备与技术,且已有多家企业采用了该技术设备并获得显著的经济效益,如唐钢FTSR生产线、南钢2800mm轧机等均加设了中间坯冷却设备,不但提高了轧机生产能力,而且强化了对钢组织性能的控制能力,扩大了钢材品种范围,提高了产品重量。1.4.2矫直机与辊道相结合的方式预矫直机可以安装在精轧机和钢板冷却装置之间。此预矫直机的用途是减轻钢板头或尾翘曲,并修正钢板中间段的平直度缺陷。矫直作业可以避免在钢板上蓄积有害的水并改善冷却均匀性,从而获得最终板形良好的产品。预矫直机要与辊道同步,并且具有与冷却技术完美结合的速度精度。在正常作业中根据来料钢板厚度设定矫直机,以便获得钢板产生塑性变形需要的足够咬合力,并使上出口辊获得一个水平曲率。如果需要,矫直机可以设定为大开口度以便过钢。此时下辊只用作支撑钢板的辊道。预矫直机通常采用全自动作业,也可以实现手动控制。1.4.3超压线冷却设备轧后快速冷却系统中传统的ACC冷却装置投资成本较低、维护方便、运行成本不高,同时可以使得钢板获得适当的冷却速率,因此几乎能覆盖中厚板的所有品种。最近,日本JFE开发了一种SuperOLAC冷却设备,该设备具有比传统ACC更高的冷却速率,更适合于高强度贝氏体、马氏体钢的生产,但其投资相对较高、维护工作量大、运行成本较高。目前北京科技大学开发了超高密层流冷却系统SUPIC-USTB,该冷却系统不仅可以大幅提高钢板冷却速度,改善钢材性能,同时可以在不增加运行成本的基础上,降低合金成本。其冷速比加密ACC提高50%,对20mm厚度的钢板其冷速可达到45℃/s。目前,利用该设备系统,已经成功开发了DQT型高强度钢Q550-Q800和高强容器板N610E。1.4.4在线退火工艺为适应控制轧制技术的发展,日本住友公司开发了SHT(sumitomohightoughness)工艺,SHT工艺是一种用于生产厚壁管及高韧性低温钢板的二次加热和轧制工艺,该工艺是使钢坯轧制到指定厚度,中断轧制(中间坯允许冷却到Ar1以下温度),然后将中间坯在Ar3以上温度实施二次加热(相当于常化处理)轧制。该工艺的缺点是需要在轧机旁再增加一座加热炉,投资增加较多,生产线布置复杂,生产节奏降低,因此没有得到推广应用。直接淬火-在线回火工艺(DQ+HOP)比直接淬火-回火工艺(DQ-T)工艺流程和生产周期更短,节能幅度也更大。在线淬火的终冷温度并非室温,而是低温相变的温度区间,因此,在线回火HOP(heat-treatmentonlineprocess)可以充分利用余热。据介绍,在线加热速率度在10~20℃/s,保温时间少于5min,较离线回火时间大大缩短。1.4.5现行cc技术常化是提高钢板组织均匀性和韧性的重要工艺手段。常规的常化处理通常采用加热后空冷。常化控制冷却(normalizingcontrolledcooling,简称NCC)技术的原理是:常化后通过控制冷却速度和终冷温度来控制钢板的相变温度,并抑制微合金元素碳氮化物的长大,细化晶粒和析出物,提高钢板强度,而韧性和塑性基本不变。对铁素体-珠光体类型钢,采用NCC技术后晶粒尺寸可以从8级提高到10级以上;对于低成本的低碳贝氏体类型钢,采用常规常化工艺其力学性能将无法保证。常化控制冷却装置为无约束类型的冷却装置,可采用气雾+高密度(或超密度)层流形式,可以实现6~150mm钢板的常化冷却。部分薄规格产品采用NCC技术可以实现淬火,用于生产调质板。2特殊钢铁品种在我国基长期以来,中国钢铁产业存在着生产装备雷同、原创能力不足、高端产品少、中低档产品比例大且产能过剩等问题。考虑到中国大飞机、高速重载铁路、海洋平台、核(火、水)电、西气东输、南水北调等重大工程以及国民经济重要行业对特殊钢材的急切需要,目前关键钢铁品种不能自给已成为中国重大工程任务的瓶颈。如超临界火电机组用锅炉管用钢就是制约我国相关工程建设的“瓶颈”,目前全部依靠进口;又如深海超大型海洋工程所需的高强、高韧、耐海洋环境腐蚀钢板,耐腐蚀、耐浪涌、长寿命的海洋用管,第3代核电站、700℃超超临界机组的耐热钢,超深油气田开采用长寿命钢管等,这类钢材必须满足复杂环境、复合载荷、长寿命等十分苛刻的服役要求。随着国民经济发展向近海(远海)经济延伸,资源开采向地表深层拓展,电力工业向高温、高压临界区逼近,适应这些新需求的高性能钢铁材料的自主研发已迫在眉睫。2.1长期依赖进口的海洋关键技术大量依赖进口中国一直没有把海洋工程用钢的研发考虑进海洋科技发展规划中,以至于海洋重大工程及装备的关键技术长期大量依赖进口,特别是在深海领域尤其如此。2.1.1平台结构用特厚板ht80目前中国海洋平台用钢强度不高、规格不全、耐腐蚀性能较差,极大地限制了中国自主开采海洋资源的能力。国外的0X812、SE702或DSE690V等高强度海洋平台用钢已能满足30~100mm板厚固定平台结构的要求,屈服强度达到690、750和700MPa,低温冲击功分别为100J(-80℃)、120J(-40℃)和74J(-60℃),碳当量比较低,已经成功用于海洋平台。新日铁开发的210mm厚自升式海洋平台用特厚板(HT80),屈服强度超过了700MPa,抗拉强度超过了850MPa;JFE开发出了厚度为140mm、屈服强度为700MPa、抗拉强度为800MPa的含镍平台用钢;迪林根生产的正火后355MPa级钢板可以在保证焊接性能的条件下厚度达到120mm,而采用TMCP生产的钢板厚度一般不超过90mm。2.1.2海底油气管道海底油气管道与陆上油气管道一样,为降低成本需要向长距离、大口径、高压力和大流量方向发展,用钢需求向高等级(X65以上)、厚规格(19.1~31.8mm)、良好的焊接性和低温韧性、抗HIC方面发展;与陆上油气管道不同的是,海底油气管道不仅要求钢管的横向强度,还要求钢管的纵向强度。当海水深度超过2000m以后,出于抗海水压溃的需要,对钢的厚度要求显著增加,其重要指标是管径与厚度比D/t要小。海洋工程用钢的服役环境要求必须采用超低碳、超低硫、低锰、低磷的方法以减少元素偏析,同时通过控制钙硫比来减少长条状硫化锰的产生,降低氢气形核,减少氢致裂纹。总之,海底管线钢要求集超厚度、高强度、抗层状撕裂、耐酸性介质和耐腐蚀等特点于一体,代表了当前国际冶金行业的最高技术水平。2.1.3船板钢的发展趋势舰船用钢在服役期间要承受复杂的动态载荷。船舶的建造和组装过程中,结构件会产生巨大的应力,舰艇的无限航区的航行要承受位置及温度的考验,为了使船舶能在恶劣环境下持续航行,同时,从资源和环保考虑,为减轻船体自重,增加船舶的载重量、提高船速,要求船板钢具有高强度、高精度、良好的低温冲击韧性以及焊接性能等,而这些需要冶炼成分、纯净度、轧制工艺来保证。国际上船板钢的发展趋势表现为:开发大规格的高强度、高韧性和高塑性产品;开发可抑制船舶涂膜劣化的新型钢板;开发无需涂装耐蚀厚板,减轻船舶对环境的影响,并降低船舶的建造和维修成本。日本新日铁开发的无需涂装耐蚀厚板NSGP-1已用在日本邮船会社(NYK)正在建造的VLCC船上。2.1.4耐候桥梁钢用随着国际社会对海洋开发进程的持续推进,近海设施结构用钢市场需求巨大,如五大跨海工程的建设对桥梁用钢的发展产生了极大的推动作用。尽管中国在耐候桥梁钢方面做了一些研究工作,但耐候桥梁钢的应用并不广泛。从桥梁钢构件的制作到后期维护整体上看,使用耐候桥梁钢具有经济性,但是由于合金成本增加,购买钢板的单项投资要高于同等级普通桥梁钢,这一点很难为市场接受。使用耐候桥梁钢的相关国家或行业标准还未建立或健全,影响设计者对耐候桥梁钢选用的积极性。国际上近海设施用钢的发展趋势表现为:第一是发展免涂装耐海洋大气腐蚀钢;第二是发展高强度桥梁结构钢,第三是发展功能性桥梁结构钢。NKK公司采用TMCP技术,并添加适当的微合金元素,控制淬火工艺,开发出了570MPa级和780MPa级的低预热型桥梁用钢板,这种钢板实现了强度与韧性最佳的配合,并具有优良的焊接性。2.2当前和发展趋势2.2.1控制高端钻井管市场国外油井管主要生产商包括3大跨国集团公司(即阿根廷的Tenaris公司、欧洲的V&M公司和日本钢管联盟)以及俄罗斯TMK集团。3大跨国集团公司以其完整的产业结构和强大的开发能力,不断开发新产品以适应国际石油行业发展的需要,基本上控制了高端油井管的技术和市场。国外油井管主要生产商年产量已达到737×104t,分布在日本、美国、俄罗斯、乌克兰、德国、意大利、英国、法国、阿根廷。其中美国、俄罗斯的产品以国内消费为主,英国、法国进出口大体相当,其他国家大都是输出国,出口量占各自总产量的30%~80%。国际上大量使用的油井管主要依据API标准生产。在特殊的工况环境下,现行API标准不能满足要求,当前非API标准油井管已占油井管总量的30%。除无缝钢管外,高频电阻焊管(ERW)的用量已占到油井管总量的30%。2.2.2天然气管道采用高ph值、近中性ph材料等带风压指标地面输送的油气管道的主要载荷是被输送介质(原油、成品油、天然气等)的工作压力。现代油气管道正朝着大口径、高压力的趋势发展,其服役条件也日益苛刻。如管输天然气中H2S含量超过规定值并含有水分时,易引起氢致开裂(HIC)或硫化物应力腐蚀破裂(SSCC)。近年来,高pH值和近中性pH土壤应力腐蚀开裂引起油气管道失效的事故有较多报道。另外,油气长输管道往往需要穿过地震断裂带、冻土带或遭遇各种潜在的地质灾害(滑坡、崩塌、泥石流、湿陷性黄土、冲沟等)。为了进一步提高输送能力,需要开发高强韧性、耐低温、耐腐蚀、长寿命油气输运管线用钢材。2.2.3中国堆场核法第3代堆场中国电力短缺严重,积极发展核电是一项重要的能源战略,根据《核电中长期发展规划(2005—2020年)》,到2020年时,中国核电装机容量将达到4000万kW,目前在建约3000万kW。中国核电技术虽然起步较晚,却是世界上第1个正式建造第3代商业核电站的国家,并且在AP1000和EPR两个第3代核电站技术消化吸收完成后,中国的新建核电站将全部采用第3代技术。第3代核电技术在安全性方面进行了革命性的改进,同时也对材料提出了更高的要求:运行载荷更大、综合性能要求更高、安全性要求更严格,特别是对主管道、主泵、反应堆压力容器、蒸汽发生器等核岛内核一级关键部件所需的特殊性能钢材。2.2.4我国超超临界机组高效发电技术应用分析火电在相当长一段时间内依然是中国电力供应的主体,在国家节能降耗减排政策的导向下,发展高效清洁的大型超超临界燃煤发电机组是中国火电发展的必然选择。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》中,将研究开发高参数超超临界机组高效发电技术与装备,列为优先发展主题中的重点。虽然中国超超临界机组已经取得了重大进展,但超超临界机组设计制造的核心技术尚未掌握,关键零部件和原材料仍需依靠进口。中国要实现高效能超超临界机组设备设计制造的自主化,锅炉过热器及再热器的高温耐蚀合金研发已成为当前急需解决的关键问题。2.3结构材料的影响钢材是交通运输的主要和关键材料,钢材部件占(按重量计)汽车材料的70%、船舶材料的90%、铁道车辆的90%、飞机材料的10%。安全、舒适、快捷、节能是交通运输的发展方向,需要钢材具有高强度、高韧度、高精度、良好的加工性能等。2.3.1先进高强用钢进入21世纪以来,汽车用高强钢已经从传统高强度钢发展为先进高强度钢(advancedhighstrengthsteel,简称AHSS)。对传统高强钢而言,钢的强度和塑性一般是矛盾的,钢的强度提高常常伴随着塑性下降,如碳锰钢(CMn钢)、高强低合金钢(HSLA钢)、高强IF钢(HS-IF钢),烘烤硬化钢(BH钢)等,无不如此。传统高强度钢的另一局限是其强度很难突破600MPa(虽然增加合金含量可以进一步提高强度,但会使钢的焊接性能变得极差,给用户造成难以克服的技术困难)。汽车用先进高强度钢的技术方案是在生产过程中对钢板的组织演变进行控制,最终获得理想的微观组织匹配,从而同时保证材料的高强度和高塑性。目前出现了第3代汽车用先进高强钢(AHSS)。第1代先进高强用钢包括双相钢(DP),相变诱导塑性钢(TRIP),复相钢(CP),马氏体钢(MART)与热压成型钢(HPF),其强塑积为10~20GPa·%;第2代先进高强钢是以孪晶诱导相变钢(twininducedplasticitysteel,简称TWIP)为代表的先进高强钢,是一种高强度(600~1100MPa)和高塑性(60%~95%)的超高强韧钢,有文献将其称为U-AHSS,强塑积可以达到60GPa·%,属于单相奥氏体的高合金钢;近年来强塑积为40GPa·%的第3代的先进高强钢受到人们的重视,有文献将其称为X-AHSS,属于中低合金钢,如含5%~7%Mn的超细晶TRIP钢,TRIP-dual钢、Q&P(quenchingandpartitioning)钢,微观组织中含有高体积分数的亚稳残余奥氏