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王國棟院士:鋼鐵生產(chǎn)的流程還有哪些可以改變?(二)
  發(fā)布時(shí)間:2021年06月14日 點(diǎn)擊數(shù):

  1.2鋼鐵生產(chǎn)流程的融合與柔性化

  1)煉鐵工藝路線選擇

  傳統(tǒng)流程高爐占據(jù)主導(dǎo)地位,過去高爐流程所用原料為燒結(jié)礦(+球團(tuán))、焦炭、噴煤(+氧氣)。所以,高爐流程最大的問題是以碳為還原劑,這成為鋼鐵生產(chǎn)碳排放的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。近年以減少碳排放為目標(biāo),高爐開始由使用化石能源向富氫噴吹、應(yīng)用生物質(zhì)材料等轉(zhuǎn)變。

  以碳還原為主的直接還原、熔融還原等非高爐煉鐵技術(shù),盡管可以大幅減少SOx、NOx的排放,但是只能在有限的程度上減排二氧化碳。由于近年減少碳排放的壓力劇增,所以近年非高爐煉鐵的新趨勢(shì)是從適應(yīng)減排需要,轉(zhuǎn)向提高氫還原的比例。其中氣基豎爐直接還原技術(shù),可以靈活地選用不同比例的煤制氣、天然氣、氫作為還原劑,且目前已經(jīng)達(dá)到單臺(tái)設(shè)備250萬-300萬噸/年的產(chǎn)量規(guī)模,特別受到各方面的重視。高爐煉鐵和非高爐煉鐵的共同融合點(diǎn)是提高氫氣的比例。出于減排的需要,今后非高爐煉鐵,特別是以氫為原料的氣基豎爐直接還原煉鐵,應(yīng)該得到較大的發(fā)展。

  超高溫核反應(yīng)堆(VHTR)的反應(yīng)產(chǎn)物是氫與電能。有人建議,利用核反應(yīng)產(chǎn)生的氫在流化床上還原粉礦,然后制成熱壓塊,只產(chǎn)生非常少的CO2排放。核反應(yīng)產(chǎn)生的電能則可以用于電爐,以熱壓塊為原料,煉出低成本鋼水。

  2)煉鋼工藝路線選擇

  近年隨著我國廢鋼的增加,應(yīng)提高轉(zhuǎn)爐與電爐的原料適應(yīng)性。轉(zhuǎn)爐是我國的主要煉鋼設(shè)備,應(yīng)加強(qiáng)廢鋼預(yù)熱處理技術(shù)研究開發(fā),以適應(yīng)廢鋼逐年增加的趨勢(shì)。

  國際范圍內(nèi),特別是強(qiáng)調(diào)環(huán)境和減排、廢鋼充足、電價(jià)低廉的國家,可以利用余熱對(duì)廢鋼進(jìn)行高效預(yù)熱和連續(xù)加料的智能電弧爐煉鋼得到大力發(fā)展,生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到較好水平。墨西哥Hylsa公司投產(chǎn)普瑞特提供的出鋼量100t的EAF Quantum電弧爐,采用成熟的豎式電弧爐,噸鋼電耗280kWh,出鋼周期縮短至36min,單位生產(chǎn)成本降低20%左右。CO2排放降低30%以上。其生產(chǎn)成本和轉(zhuǎn)爐煉鋼可以媲美,環(huán)境效應(yīng)甚佳,具有全原料適應(yīng)性。我國“十三五”項(xiàng)目將用余熱對(duì)廢鋼進(jìn)行高效預(yù)熱和連續(xù)加料的智能電弧爐煉鋼列入研究計(jì)劃,正在開展相關(guān)研究。

  此外,還有人建議開發(fā)電爐-轉(zhuǎn)爐可以轉(zhuǎn)換的電轉(zhuǎn)爐,但是需考慮精煉裝置與煉鋼裝置的匹配。

  1.3短流程Mini-Mill

  短流程技術(shù)本身就是全流程、一體化先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù),例如:薄板坯連鑄連軋無頭軋制技術(shù)、薄帶連鑄無頭軋制技術(shù)。它們將冶煉、連鑄、軋制甚至熱處理剛性地整合成一個(gè)前后貫通、連續(xù)的生產(chǎn)過程,前工序明顯地顯示出對(duì)后工序的強(qiáng)烈的、關(guān)鍵性的影響。如果我們能夠利用前工序的優(yōu)勢(shì),為后工序的組織控制提供條件,令其效果在后工序顯現(xiàn)出來,則可以解決許多單一工序難以解決的棘手問題。

  1)薄板坯連鑄連軋無頭軋制

  薄板坯無頭軋制是低成本、高性能的穩(wěn)恒軋制過程,適于精確組織調(diào)控,開發(fā)薄規(guī)格先進(jìn)高強(qiáng)鋼,實(shí)現(xiàn)“以熱代冷”。我國山東日照鋼鐵引進(jìn)的薄帶無頭軋制生產(chǎn)線,鑄坯厚度70-90mm,7m/s的高拉速,最小產(chǎn)品厚度0.8mm。該過程大幅降低氧化燒損,無切頭、尾損失;能耗降低45%;中間保溫-均溫裝置溫度維持1100-1200℃。特別應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是,這是一個(gè)穩(wěn)恒軋制過程,適于穩(wěn)定的精確組織調(diào)控。

  薄板坯連鑄連軋無頭軋制的較快速凝固過程,自然會(huì)影響到凝固組織與晶粒尺寸、合金元素及雜質(zhì)元素的固溶程度,以及夾雜物、析出物的尺寸、分布及數(shù)量等,凝固末期進(jìn)行的超高溫粘塑性區(qū)熱軋過程,對(duì)于改善鑄坯的心部組織具有重要作用。所以,挖掘薄板坯連鑄連軋無頭軋制較快速凝固和高溫粘塑性區(qū)變形的優(yōu)勢(shì),具有重要意義。當(dāng)然,鑄后的熱履歷也將關(guān)系到能源的消耗和最終的材料組織與性能。所以,對(duì)這一過程進(jìn)行總體全流程分析,才會(huì)更清晰地揭露組織演變的規(guī)律,指導(dǎo)工藝制度的制定、生產(chǎn)裝備的設(shè)計(jì)與制造,以及對(duì)再結(jié)晶、析出、相變的控制,從而達(dá)到改善組織、提高性能的目的。

  對(duì)于厚板坯和大方坯來講,連鑄坯凝固末端的軋制過程更為重要,它的應(yīng)用直接解決了厚板坯中心層或大方坯心部疏松、偏析、夾雜等質(zhì)量問題,使長期困擾鋼鐵企業(yè)厚、大規(guī)格產(chǎn)品心部質(zhì)量問題得到根本性的改善。

  2)薄帶連鑄過程

  薄帶連鑄過程是冷卻速度達(dá)到102-104K/s的亞快速凝固過程,也是無頭軋制,適于制備超高性能硅鋼等難變形、易偏析、高合金材料。

  美國Nanosteel公司利用薄帶連鑄開發(fā)的納米鋼生產(chǎn)技術(shù),巧妙地將薄帶連鑄的快速凝固特點(diǎn)加以利用,加大合金元素及夾雜物形成元素的固溶度,并進(jìn)而控制析出物及夾雜物的尺寸。通過薄帶連鑄技術(shù)與隨后熱軋-冷軋-熱處理技術(shù)的合理匹配,利用P-Group元素的析出物(實(shí)際是夾雜物的微細(xì)析出)來細(xì)化組織,獲得了晶粒為納米級(jí)尺寸的納米鋼。其典型的塑性和抗拉強(qiáng)度分別可以達(dá)到 EL=50%、TS=1200MPa,可應(yīng)用于生產(chǎn)汽車用AHSS。這是一個(gè)通過短流程控制使有害非金屬元素有益化的實(shí)例。

  利用薄帶連鑄制備超高性能硅鋼的E2-Strip技術(shù),主攻方向是Si含量為0.5%-6.5%的高性能取向和無取向硅鋼鑄帶。該技術(shù)采用了全新的減量化生產(chǎn)工藝和成分設(shè)計(jì),獲得了其他工藝難以企及的無取向和取向電工鋼性能,真正做到“產(chǎn)品性能優(yōu)良、生產(chǎn)成本低廉、節(jié)能減排低耗、環(huán)境友好綠色”。

  例如對(duì)于取向硅鋼,利用MnS等微細(xì)析出物作為抑制劑。依賴快速凝固的鑄軋過程,可以抑制MnS等在凝固過程中的析出。而在隨后的熱處理過程中,控制?;葻崽幚磉^程的參數(shù),例如加熱溫度與時(shí)間,可以得到適宜的析出物尺寸,用來釘扎取向硅鋼初次再結(jié)晶的晶界,細(xì)化晶粒。這種細(xì)化的初次再結(jié)晶組織,為隨后的二次再結(jié)晶晶粒長大,提供了非常良好的基礎(chǔ)。

  這一過程中,前后工序連續(xù)且互相呼應(yīng)與協(xié)調(diào),實(shí)行一體化控制,是獲得理想組織和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一體化控制獲得的薄帶連鑄快速凝固的優(yōu)勢(shì),決定了薄帶連鑄的產(chǎn)品定位,即它非常適于開發(fā)高端、特種、難變形、易偏析、高合金材料。采用快速凝固,可以抑制夾雜物的大顆粒析出,利用夾雜物的微細(xì)析出釘扎凝固組織晶粒邊界,防止晶粒長大,獲得細(xì)化結(jié)晶組織。該過程對(duì)于防止成分偏析,防止熱軋裂紋缺陷發(fā)生,提高加工塑性,降低變形抗力,提高材料的熱加工能力具有重要意義。

  1.4流程減量化

  對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行簡化,實(shí)現(xiàn)能源和資源的節(jié)約、減少污染和排放、材料性能的提升,是全流程、一體化的重要內(nèi)容。

  1)開發(fā)與應(yīng)用無酸洗還原退火熱軋鍍鋅板生產(chǎn)技術(shù)

  開發(fā)熱軋帶鋼免酸洗還原熱鍍鋅工藝,代替原工藝的酸洗和預(yù)氧化工序,能極大地提高生產(chǎn)效率、降低成本,同時(shí)可以很好地消除由于合金元素選擇性氧化造成的鍍層缺陷。

  這項(xiàng)技術(shù)可以與薄帶連鑄技術(shù)組合,構(gòu)成薄帶連鑄+無酸洗熱鍍鋅技術(shù),生產(chǎn)熱鍍鋅熱軋板。整體產(chǎn)線長度196m,其中薄帶連鑄工序長度40m,還原熱處理爐全長95m,帶鋼有效還原時(shí)間3min左右;爐內(nèi)H2濃度為20%-30%。這項(xiàng)工藝的優(yōu)勢(shì)在于:縮短工藝流程,取消酸洗和預(yù)氧化工序;提高生產(chǎn)效率20%-30%;降低生產(chǎn)成本10%-20%;避免內(nèi)氧化層造成帶鋼缺陷,新型涂層成分提高耐蝕性與產(chǎn)品質(zhì)量;消除酸洗工序帶來的污染,減少碳排放,環(huán)境效益巨大。

  2)高強(qiáng)鋼直接淬火(DQ)生產(chǎn)工藝

  在熱軋線軋機(jī)出口采用超快冷系統(tǒng)后,采用在線快速冷卻,實(shí)現(xiàn)直接淬火,再進(jìn)行離線或在線回火。這種直接淬火工藝成本低、流程短、易焊接,是高強(qiáng)鋼的減量化生產(chǎn)工藝。

來源:世界金屬導(dǎo)報(bào)