世界钢铁先进技术发展几个问题

最近世界钢铁先进技术发展的几个问题中国金属学会洪及鄙2009年5月18日2009年根据国际货币基金（IMF）预测，世界经济增长-0.5%，世行预测-1.5%，是二战以来最低的增长率。2009年是中国本世纪以来经济发展最困难的一年，也是钢铁行业发展最困难的一年。国际金融危机影响没见底对实体经济的影响正在蔓延、加深中国钢铁工业产能严重过剩，国内外需求严重萎缩钢铁全行业从2008年10月以来，连续6个月出现全行业亏损一、钢铁工业的困难形势，给科技创新提供新的机遇20世纪以来（1950~2006）世界钢产量的变化徘徊期第一次高速增长期第二次高速增长期每次经济调整和危机都给科技创新带来新机遇1950年以来钢铁工业二次高速增长二个高速增长期间有一个徘徊期（1974-1999年，共25年），钢产量波动在7-8亿吨间。二次石油危机带来经济衰退，西方世界经济萧条市场竞争加剧，价格下跌，钢企盈利下降，经济困难，82年美国钢产量下降40%。（所以有钢铁是“夕阳工业”之说法）在徘徊期，钢铁企业为求生存更加重视技术进步，努力降低消耗，提高产品质量，增加效益。2009年后，钢铁工业进入另一个徘徊期？21世纪后，世界钢产量高速增长，打破长期以来形成的全球资源和能源平衡;地球资源、能源和环境容量有限性，限制了发展。金融危机前：石油价格“疯涨”全球粮食突然大涨资源类产品价格（矿石、煤等）“疯涨”这些都不完全与供需关系相关金融危机后：需求急速萎缩，价格大跌，钢企盈利大幅下降，经营面临极大困难。各国政府应付金融危机，宽松的货币政策是否会引发新通货膨胀。企业竞争力如何提高？哪些科技进步能帮助企业更好地渡过难关？二、国内外哪些科技进步可帮助钢铁工业渡过难关（一）解决矿石资源瓶颈世界铁矿资源量3700亿吨，可采储量1600亿吨，静度可开采150年。中国截止2007年底，查明铁矿资源613亿吨（世界第5）特点：①品位低，贫矿多，占98%

②分布相对集中（河北、四川、辽宁）

③目前开采主要品种磁铁矿占储量55%，钒钛磁铁矿占储量14%，其他红矿（赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿）难选成本高

④2008年产原矿82401万吨，成品矿33500万吨，（华北60.9%，东北14.5%，西南9.0%）2008年世界成品矿14-15亿吨，国际贸易量8.5亿吨，中国占世界贸易量52%，中国对外矿石依存度50%以上。矿石进口价大幅度上涨与2002年比，2008年已涨到5.48倍对策①提铁降杂贫赤铁矿选矿工艺达国际领先水平连续磨矿—弱磁—强磁—阴离子反浮选阶段磨矿—粗细分选—重选—磁选—阴离子反浮Fe品位SiO2精矿回收率66%3.9%84.28%磁铁矿选矿工艺阳离子反浮选—磁选—中矿再磨Fe品位SiO2精矿回收率68.89%4.09%80%②钒钛磁铁矿综合利用尾矿选矿钛精矿矿热炉高钛渣熔盐氯化（TiCl4）Mg金属还原（海绵钛）铁水铁精矿高炉高炉渣高温炭化、低温氯化（TiCl4）铁水提钒渣V2O3,V2O5,VFe,VN炼钢轧材③难选矿的利用在技术、经济指标上已突破长沙院对菱铁矿、褐铁矿采用“全粒级回转窑焙烧—弱磁—反浮选”流程，解决了焙烧设备炉内结圈和微细粒级铁矿反浮选（-43微米级大于98%）等技术问题。铁精矿品位64%，回收率72%，目前已建200万吨选矿厂，二期规模800万吨/年。④中国要提高矿石谈判的话语权提高钢铁企业集中度，统一协调对外谈判有矿石需求和供给的调控能力（二）如何降低焦比和焦炭使用量世界焦煤按目前使用量30年耗尽焦煤价格现在是普通煤的2倍2007年我国煤炭查明储量11597亿吨，炼焦煤只占24.2%，明显偏少。2007年生产煤炭252341万吨，其中炼焦煤97967万吨，占煤炭总量38.82%。预计2008年煤炭产量27亿吨，其中炼焦煤产量10.5亿吨，与焦化行业约需炼焦煤6.6亿吨相比，可满足需求，但焦煤和肥煤仅3.4亿吨，与焦化行业需求3.3-3.6亿吨相比，数量不足。如何降低焦煤和焦炭①熔融还原工艺COREX3000（宝钢）：运营成本高，能耗高，投资大FINEX（浦项）：运营成本↓10-15%，建设成本↓15-20%，煤比700-800kg，作业率95%采用技术措施：流化床反应温度降低，还原温度降低，保流化床稳定流化床出来铁粉压成饼煤一部分喷入，一部分压块加入增加CO2脱除工艺HISMELT（澳大利亚）不成熟②直接还原按还原剂分有：气基法煤基法世界上DRI主要用天然气作能源高品位块矿作原料，竖炉直接还原生产，我国天然气少，煤多，所以限制发展最近研究采用煤制气技术、竖炉直接还原，只要制气成本0.5元/m3以内，这工艺是可行的转底炉处理共生矿，综合回收利用Fe、V、Ti或处理炼钢废弃物、回收Zn等有益元素按还原主体设备分：竖炉回转窑转底炉隧道窑③现有工艺如何降低焦炭、焦煤用量烧结预还原技术日本钢厂在烧结机上采用含碳球团，金属化率可达40-60%，成本不高，预还原金属化球团进高炉后，提高产量，降低焦比日本SCOPE21炼焦技术日本钢铁联盟从1994-2008年，历时14年共同开发技术，新日铁大分厂第5号焦炉于2008年5月30日首台正式投产。低品位弱粘接性煤可达50%（过去20%），提高生产率，由于预处理工序，大幅度缩短炼焦时间。干馏炉产生NOx可减30%，显著节能，100万吨焦炉（10万kl原油）节能20%CO2减排的新炼铁工艺欧盟2004年成立了ULCOS（超低CO2排放）14个欧盟国家，48个企业参加，力争2010年试验规模应用，这些技术包括采用高炉炉顶煤气，在脱除CO2后再重新进入高炉，也包括CO2捕集和储藏等。风口用冷态氧气和循环煤气代替空气，促进燃烧。三、转炉冶炼洁净钢技术洁净钢：钢中非金属夹杂物的数量、尺寸或分布对产品的加工和性能都没影响。生产洁净钢是个系统工程，但有几项关键技术高炉铁水全量三脱：转炉少渣，高效冶炼，稳定生产洁净钢提供保证转炉少渣炼钢：仅脱碳（或硅），升温，高速吹炼，方便计算机智能控制多功能炉外精炼工艺：非真空精炼，以LF炉为主，真空精炼以RH为主钢水全程保护浇注：钢包顶渣覆盖，大包-中包长水口，中包-结晶器侵入式水口，中包精炼（加挡渣墙、吹Ar、微调合金），结晶器和凝固末端电磁搅拌炉渣监控和优化、铁水扒渣、转炉出钢挡渣、炉渣改质、大包-中包下渣自动监测、结晶器保护渣优化：也是洁净钢生产关键技术典型钢种洁净度生产水平（10-6）四、转炉“负能”炼钢转炉炼钢工序消耗总能量小于回收的总能量支出能量包括：氧气、氮气、焦炉煤气、电、蒸汽、耗新水等回收能量包括：转炉煤气（LDG)和蒸汽转炉出口总能量潜热83.6%，显热16.4%LDG潜热回收60.5%LDG回收炉气排放潜热损失6.4%炉口烟罩回收热量7.9%辐射部吸收热量9.6%排气显热损失15.6%蒸汽回收转炉排气能量回收概略图提高转炉煤气和蒸汽回收数量与品质回收蒸汽得到高效利用关键技术：德国鲁奇公司和蒂森钢厂在上世纪60年代末开发的转炉煤气干式回收宝钢等少数企业做到全年负能炼钢（-786kgce/t），有不少企业可以做到部分炉次负能炼钢。武钢2001年转炉工序能耗-6.3kgce/t，转炉烟气热量回收率92%，吨钢煤气回收量112.33m3，吨钢蒸汽回收量108吨，达国际先进水平。五、高效连铸技术高作业率、高连浇率、高拉速、无缺陷铸坯当作业率在80%以上时，再想提高产量，关键在提高拉速日本200-300mm大板坯：2m/min左右欧、美、中国40-120mm薄板坯：4-6m/min欧、美、中国40-50mm薄板坯：8-9m/min方坯最高铸速：4m/min电磁冶金技术电磁搅拌、电磁制动、即增大铸坯等轴晶率，又可抑制铸坯中心偏析和疏松中间包技术低过热度浇铸（等离子和感应加热技术可补偿25℃）电磁搅拌离心式中间包精炼技术中间包湍流控制器及旋转阀，钢流卷渣检测技术动态轻压下技术20世纪90年代后期首先在日本新日铁取得成功，进一步消除连铸大方坯和板坯宏观偏析的最好方法薄板坯连铸发展中国已建14条共30流（2008）薄板坯连铸生产线，产量达3530万吨。在生产高效化、设备国产化，中国取得较好成绩，在开发薄规格、高强度等品种上显著成效。在改善表面质量和提高深冲性能扩大冷轧产品产量上有很大进步。六、铸轧一体化技术（Castrip）美国纽柯钢铁公司建成世界第一条商业化双辊浇铸薄带钢生产线钢包容量110吨设计有转换铸轧带核心喷嘴位于二个轧辊中间典型铸速60-100m/min厚度小于1.7mm在带钢进入热轧机前的部分，使用含有还原气氛保温箱连续热轧机组压下量可达50%，典型压下量30%UCS产品较低总延伸率，更好的各向同性和优良的拉伸性能CASTRIP生产过程主要设备示意图七、新一代可循环钢铁流程（典型工程:京唐钢铁公司）特点：具有动态、有序、连续、紧凑运行特点铁水全三脱、单个钢产970万吨，全板材生产企业建成世界第一个5000m3级（5500m3）全干式除尘高炉，炭化室高度7.63m的世界最大焦炉和料层厚度720mm的大型烧结机，设计高炉利用系数2.3t/d.m3，焦比270kg/t，属世界先进水平。铁水罐多功能化，取消多罐倒包，减少温降专用脱磷、脱硅转炉，与脱碳转炉分跨布置转炉干法除尘，回收煤气和蒸汽指标先进快速RH真空精炼（25min）和高效连铸（2m/min），高效轧制、减量化轧制和超快冷却全面实现烧结烟气脱硫，干熄焦技术优化（260T/T），炼焦过程可添加1-3%废塑料八、钢材减量化技术用尽量少的资源（不添加或少添加合金元素）来生产高性能钢材-新一代钢铁材料钢材通过成分设计和热处理得到从低强度到高强度的极宽范围的性能-广泛应用原因钢材有多种强化手段，但只有细晶强化可以同时提高强度和韧性控轧控冷（TMCP）主要目的：控制奥氏体的状态和控制奥氏体相变，细化相变产品铁素体晶粒或控制生成一定相比例复相组织，提高性能，实现减量化制造技术400-500MPa减量化带材

200MPa级普通低碳钢通过工艺技术的改造和优化，提高强度和韧性，达到400MPa级钢材综合性能400-500MPa级减量化线材线材不能象板材实施低温终轧，而是轧后穿水快冷，吐丝后水雾冷却400-500MPa棒材常规高温连续热轧+轧后超快速冷却+适宜温度终止冷却（核心是超快速冷却）20MnSi，II级钢筋→HRB400，III级钢筋低成本管线钢开发X70以上管线钢，采用TMCP技术，形成针状铁素体、粒状贝氏体、下贝氏体组织，为得到此组织必须加昂贵的Mo从1999年开始，研究以Nb代替Mo（含Nb0.1%左右）采用HTP（HighTemperatureProcessing）可生产X80级管线钢利用相变强化和冷却路径的控制开发汽车用高强度钢板（AHSS）奥氏体向铁素体转变过程中，随着转变温度的降低，奥氏体相变产物会发生变化，对转变过程的冷却路径进行控制，可得到不同组织的相变产物，因而对应不同性能。细化铁素体的晶粒-提高屈服强度。在铁素体基体上分布马氏体和贝氏体硬相-提高抗拉强度，可降低材料屈强比。薄板坯连铸连轧（TSCR）生产双相钢和TRIP钢包钢利用CSP线进行C-Mn系双相钢开发双相钢与铁素体/珠光体钢相比，屈服强度基本相同，但抗拉强度提高，屈强比显著降低CSP工艺控制高度稳定性，使带钢在长度和宽度方向上具良好组织性能均匀性利用TSCR短流程生产硅钢传统取向硅钢采用MnS和AlN作抑制剂，为形成需要的抑制剂，必须将材料加热到高温（1350-1400℃）这既消耗能源，又增加工艺难度。TSCR将高温熔融状态的钢液（MnS和AlN自然完全溶解其中）→浇注成连铸坯→通道式均热炉保温均热→轧机由于板坯不经过铁素体相变过程，在轧机之前不进行变形，所以多数MnS和AlN保持溶解状态，在随后精轧中微细析出，可作为一部分抑制剂加以利用，同时在随后的PR和脱碳后在较低温度（如900℃）利用NH3渗碳，补充一部分抑制剂。中厚板在线热处理通常中厚板热处理是利用常化炉或调质炉离线进行，需重新加热。日本JFE公司福山厚板厂在矫直机后面安装钢板在线热处理与新型强力冷却装置（超级OLAC）对钢板进行调质处理该装置采用几台高频电源通过感应线圈加热，可加热最大宽度4.5m的厚板，热流量105-107W/m2，其加热能力相当于气体的100倍。高速铁路钢轨全长在线热处理技术使钢轨抗拉强度达1300MPa利用钢轨轧后余热补充感应加热不补充感应加热在线全长钢轨热处理DP型高强度紧固件用钢一般紧固件生产过程中，热轧线材要经过退火拉拔之后，进行加工（镦帽和加工螺纹）加工后进行调质处理，二次热处理。康力斯公司开发新型DP型高强度紧固件用钢CSiMnCr0.08%1.0%1.7%0.016%线材轧制采用1000℃左右终轧，迅速冷却到铁素体相变温度-Stelmor冷却线上缓冷，一直到析出一定数量铁素体。在铁素体析出过程中，富集碳的残余奥氏体在随后的快速冷却中转变成马氏体。热轧后抗拉强度600MPa，在用户拉拔、镦帽、碾丝过程中，双相钢发生加工硬化，其抗拉强度达800MPa。不需球化退火和调质处理大线热量焊接材料造船板、桥梁、容器等钢板，都需进行大线热量焊接，通常工件HAZ温度高达1400℃，部分TiN粒子发生溶解，一部分TiN粒子发生团聚失去钉扎晶界的作用。国外在钢液中添加氧和硫亲和力强的Mg和Ca，形成1400℃高温下既不固溶，又不易于长大的热稳定的氧化物和硫化物颗粒。这些颗粒分布均匀，尺寸从几十纳米到几百纳米，可很好抑制HAZ奥氏体晶粒长大。无六价铬的镀Zn板和彩涂板铬涂层钢板使用含六价铬的钝化处理以提高涂层板抗白锈性能和涂装性能。欧洲议会在1997年7月规定不准含有六价铬、汞、铅等。随后在2007年在电子和家电用品中严禁使用含有上述有害物资的材料。采用无铅钝化液进行钝化/采用无机涂层Mn-P，Zn-Ni。日本川崎制铁开发Zn-Ni合金无机涂层，涂层厚度4μm。兼有美观、成形性（自润滑性）、耐腐蚀性。燃料油箱用无铅钢板

Pb-8%Sn金属钢板过去广泛用作汽车燃料油箱，但Pb是明令禁止的有害物质。近年国外研究几种绿色环保新产品用于制作燃料油箱。热浸镀Sn-Zn合金钢板热浸镀Al-Si合金钢板G1-双层Ni钢板有机涂层钢板九、在线检测技术先进的高精度、多参数在线综合测试技术和高响应速度的控制系统结合，保证轧钢生产的高精度、高速度及产品高质量。钢材通过超声波、涡流和激光检查其内部质量、表面质量和几何尺寸，确保钢材的内部和外在质量。在线智能化的产品质量测量，北美研究的激光-超声波技术。利用激光发生器生成和检测超声波脉冲，这种脉冲可穿透任何温度甚至到熔点的固态金属和陶瓷材料。可以探测在高温、高速下金属材料内部晶粒大小，各种组织、织构取向等。这种装置已安装在美国铁姆肯公司GLEEBLE3500上。日本三菱重工，石川岛播磨厂及JFE在传统轧机基础上，采用中间坯热卷箱，中间坯对焊机及精轧后带钢高速飞剪技术。实现精轧机组上多块中间坯连续轧制，卷取机前切分卷取的新工艺-即无头轧制技术。效果中间坯全长在恒定张力下进行轧制，带钢厚度