世界鋼鐵先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的幾個問題

最近世界鋼鐵先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的幾個問題中國金屬學(xué)會洪及鄙2009年5月18日2009年根據(jù)國際貨幣基金（IMF）預(yù)測，世界經(jīng)濟(jì)增長-0.5%，世行預(yù)測-1.5%，是二戰(zhàn)以來最低的增長率。2009年是中國本世紀(jì)以來經(jīng)濟(jì)發(fā)展最困難的一年，也是鋼鐵行業(yè)發(fā)展最困難的一年。國際金融危機影響沒見底對實體經(jīng)濟(jì)的影響正在蔓延、加深中國鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，國內(nèi)外需求嚴(yán)重萎縮鋼鐵全行業(yè)從2008年10月以來，連續(xù)6個月出現(xiàn)全行業(yè)虧損一、鋼鐵工業(yè)的困難形勢，給科技創(chuàng)新提供新的機遇20世紀(jì)以來（1950~2006）世界鋼產(chǎn)量的變化徘徊期第一次高速增長期第二次高速增長期每次經(jīng)濟(jì)調(diào)整和危機都給科技創(chuàng)新帶來新機遇1950年以來鋼鐵工業(yè)二次高速增長第一次高速增長第二次高速增長持續(xù)時間上世紀(jì)50年代中期~1973年20~21世紀(jì)之交~2008年涉及人口約7億約14億增長速度1900萬噸/年6000萬噸/年拉動主體美、歐、日、蘇聯(lián)、東歐二戰(zhàn)后恢復(fù)重建和工業(yè)化發(fā)展中國家（中國）新興工業(yè)國工業(yè)化、大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施建設(shè)推動技術(shù)氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼、連鑄等從發(fā)達(dá)國家引進(jìn)技術(shù)二個高速增長期間有一個徘徊期（1974-1999年，共25年），鋼產(chǎn)量波動在7-8億噸間。二次石油危機帶來經(jīng)濟(jì)衰退，西方世界經(jīng)濟(jì)蕭條市場競爭加劇，價格下跌，鋼企盈利下降，經(jīng)濟(jì)困難，82年美國鋼產(chǎn)量下降40%。（所以有鋼鐵是“夕陽工業(yè)”之說法）在徘徊期，鋼鐵企業(yè)為求生存更加重視技術(shù)進(jìn)步，努力降低消耗，提高產(chǎn)品質(zhì)量，增加效益。2009年后，鋼鐵工業(yè)進(jìn)入另一個徘徊期？21世紀(jì)后，世界鋼產(chǎn)量高速增長，打破長期以來形成的全球資源和能源平衡;地球資源、能源和環(huán)境容量有限性，限制了發(fā)展。金融危機前：石油價格“瘋漲”全球糧食突然大漲資源類產(chǎn)品價格（礦石、煤等）“瘋漲”這些都不完全與供需關(guān)系相關(guān)金融危機后：需求急速萎縮，價格大跌，鋼企盈利大幅下降，經(jīng)營面臨極大困難。各國政府應(yīng)付金融危機，寬松的貨幣政策是否會引發(fā)新通貨膨脹。企業(yè)競爭力如何提高？哪些科技進(jìn)步能幫助企業(yè)更好地渡過難關(guān)？二、國內(nèi)外哪些科技進(jìn)步可幫助鋼鐵工業(yè)渡過難關(guān)（一）解決礦石資源瓶頸世界鐵礦資源量3700億噸，可采儲量1600億噸，靜度可開采150年。中國截止2007年底，查明鐵礦資源613億噸（世界第5）特點：①品位低，貧礦多，占98%

②分布相對集中（河北、四川、遼寧）

③目前開采主要品種磁鐵礦占儲量55%，釩鈦磁鐵礦占儲量14%，其他紅礦（赤鐵礦、菱鐵礦、褐鐵礦）難選成本高

④2008年產(chǎn)原礦82401萬噸，成品礦33500萬噸，（華北60.9%，東北14.5%，西南9.0%）2008年世界成品礦14-15億噸，國際貿(mào)易量8.5億噸，中國占世界貿(mào)易量52%，中國對外礦石依存度50%以上。礦石進(jìn)口價大幅度上漲200020012002200320042005200620072008價格變化%5.424.31-2.48.918.6471.5019.009.580/90與2002年比，2008年已漲到5.48倍對策①提鐵降雜貧赤鐵礦選礦工藝達(dá)國際領(lǐng)先水平連續(xù)磨礦—弱磁—強磁—陰離子反浮選階段磨礦—粗細(xì)分選—重選—磁選—陰離子反浮Fe品位SiO2精礦回收率66%3.9%84.28%磁鐵礦選礦工藝陽離子反浮選—磁選—中礦再磨Fe品位SiO2精礦回收率68.89%4.09%80%②釩鈦磁鐵礦綜合利用尾礦選礦鈦精礦礦熱爐高鈦渣熔鹽氯化（TiCl4）Mg金屬還原（海綿鈦）鐵水鐵精礦高爐高爐渣高溫炭化、低溫氯化（TiCl4）鐵水提釩渣V2O3,V2O5,VFe,VN煉鋼軋材③難選礦的利用在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上已突破長沙院對菱鐵礦、褐鐵礦采用“全粒級回轉(zhuǎn)窯焙燒—弱磁—反浮選”流程，解決了焙燒設(shè)備爐內(nèi)結(jié)圈和微細(xì)粒級鐵礦反浮選（-43微米級大于98%）等技術(shù)問題。鐵精礦品位64%，回收率72%，目前已建200萬噸選礦廠，二期規(guī)模800萬噸/年。④中國要提高礦石談判的話語權(quán)提高鋼鐵企業(yè)集中度，統(tǒng)一協(xié)調(diào)對外談判有礦石需求和供給的調(diào)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年耗盡焦煤價格現(xiàn)在是普通煤的2倍單價2007年2008年三季度四季度一季度二季度三季度動力煤澳大利亞離岸價US/T47.050.056.069.0125.0煉焦煤澳大利亞離岸價US/T90.090.0100.0300.0300.0冶金焦中國離岸價US/T183.0215.0240.0400.0520.02007年我國煤炭查明儲量11597億噸，煉焦煤只占24.2%，明顯偏少。2007年生產(chǎn)煤炭252341萬噸，其中煉焦煤97967萬噸，占煤炭總量38.82%。預(yù)計2008年煤炭產(chǎn)量27億噸，其中煉焦煤產(chǎn)量10.5億噸，與焦化行業(yè)約需煉焦煤6.6億噸相比，可滿足需求，但焦煤和肥煤僅3.4億噸，與焦化行業(yè)需求3.3-3.6億噸相比，數(shù)量不足。如何降低焦煤和焦炭①熔融還原工藝COREX3000（寶鋼）：運營成本高，能耗高，投資大FINEX（浦項）：運營成本↓10-15%，建設(shè)成本↓15-20%，煤比700-800kg，作業(yè)率95%采用技術(shù)措施：流化床反應(yīng)溫度降低，還原溫度降低，保流化床穩(wěn)定流化床出來鐵粉壓成餅煤一部分噴入，一部分壓塊加入增加CO2脫除工藝HISMELT（澳大利亞）不成熟②直接還原按還原劑分有：氣基法煤基法世界上DRI主要用天然氣作能源高品位塊礦作原料，豎爐直接還原生產(chǎn)，我國天然氣少，煤多，所以限制發(fā)展最近研究采用煤制氣技術(shù)、豎爐直接還原，只要制氣成本0.5元/m3以內(nèi)，這工藝是可行的轉(zhuǎn)底爐處理共生礦，綜合回收利用Fe、V、Ti或處理煉鋼廢棄物、回收Zn等有益元素按還原主體設(shè)備分：豎爐回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)底爐隧道窯③現(xiàn)有工藝如何降低焦炭、焦煤用量燒結(jié)預(yù)還原技術(shù)日本鋼廠在燒結(jié)機上采用含碳球團(tuán)，金屬化率可達(dá)40-60%，成本不高，預(yù)還原金屬化球團(tuán)進(jìn)高爐后，提高產(chǎn)量，降低焦比日本SCOPE21煉焦技術(shù)日本鋼鐵聯(lián)盟從1994-2008年，歷時14年共同開發(fā)技術(shù)，新日鐵大分廠第5號焦?fàn)t于2008年5月30日首臺正式投產(chǎn)。低品位弱粘接性煤可達(dá)50%（過去20%），提高生產(chǎn)率，由于預(yù)處理工序，大幅度縮短煉焦時間。干餾爐產(chǎn)生NOx可減30%，顯著節(jié)能，100萬噸焦?fàn)t（10萬kl原油）節(jié)能20%CO2減排的新煉鐵工藝歐盟2004年成立了ULCOS（超低CO2排放）14個歐盟國家，48個企業(yè)參加，力爭2010年試驗規(guī)模應(yīng)用，這些技術(shù)包括采用高爐爐頂煤氣，在脫除CO2后再重新進(jìn)入高爐，也包括CO2捕集和儲藏等。風(fēng)口用冷態(tài)氧氣和循環(huán)煤氣代替空氣，促進(jìn)燃燒。三、轉(zhuǎn)爐冶煉潔凈鋼技術(shù)潔凈鋼：鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量、尺寸或分布對產(chǎn)品的加工和性能都沒影響。生產(chǎn)潔凈鋼是個系統(tǒng)工程，但有幾項關(guān)鍵技術(shù)高爐鐵水全量三脫：轉(zhuǎn)爐少渣，高效冶煉，穩(wěn)定生產(chǎn)潔凈鋼提供保證轉(zhuǎn)爐少渣煉鋼：僅脫碳（或硅），升溫，高速吹煉，方便計算機智能控制多功能爐外精煉工藝：非真空精煉，以LF爐為主，真空精煉以RH為主鋼水全程保護(hù)澆注：鋼包頂渣覆蓋，大包-中包長水口，中包-結(jié)晶器侵入式水口，中包精煉（加擋渣墻、吹A(chǔ)r、微調(diào)合金），結(jié)晶器和凝固末端電磁攪拌爐渣監(jiān)控和優(yōu)化、鐵水扒渣、轉(zhuǎn)爐出鋼擋渣、爐渣改質(zhì)、大包-中包下渣自動監(jiān)測、結(jié)晶器保護(hù)渣優(yōu)化：也是潔凈鋼生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)鋼種[C][N][S][P][TO][H]夾雜物其他IF鋼﹤20﹤20﹤30﹤100﹤20﹤2ds﹤20μm高強度汽車板/﹤50﹤50﹤100﹤30﹤2ds﹤20μm管線鋼X80/﹤50﹤10﹤80﹤10﹤1/軸承鋼GCr15//﹤50﹤100﹤10﹤1.5ds﹤10μm[Ti]≤30簾線鋼/﹤40﹤30﹤100﹤30﹤2ds﹤10μm無Al2O3夾雜高速鐵路鋼軌/﹤40﹤30﹤100﹤15﹤1.5ds﹤20μm[Al]﹤40電工鋼35W230﹤24﹤20﹤10﹤100﹤15﹤2ds﹤20μm不銹鋼409L﹤50﹤70﹤10﹤150﹤30﹤2ds﹤20μm典型鋼種潔凈度生產(chǎn)水平（10-6）四、轉(zhuǎn)爐“負(fù)能”煉鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼工序消耗總能量小于回收的總能量支出能量包括：氧氣、氮氣、焦?fàn)t煤氣、電、蒸汽、耗新水等回收能量包括：轉(zhuǎn)爐煤氣（LDG)和蒸汽轉(zhuǎn)爐出口總能量潛熱83.6%，顯熱16.4%LDG潛熱回收60.5%LDG回收爐氣排放潛熱損失6.4%爐口煙罩回收熱量7.9%輻射部吸收熱量9.6%排氣顯熱損失15.6%蒸汽回收轉(zhuǎn)爐排氣能量回收概略圖提高轉(zhuǎn)爐煤氣和蒸汽回收數(shù)量與品質(zhì)回收蒸汽得到高效利用關(guān)鍵技術(shù)：德國魯奇公司和蒂森鋼廠在上世紀(jì)60年代末開發(fā)的轉(zhuǎn)爐煤氣干式回收寶鋼等少數(shù)企業(yè)做到全年負(fù)能煉鋼（-786kgce/t），有不少企業(yè)可以做到部分爐次負(fù)能煉鋼。武鋼2001年轉(zhuǎn)爐工序能耗-6.3kgce/t，轉(zhuǎn)爐煙氣熱量回收率92%，噸鋼煤氣回收量112.33m3，噸鋼蒸汽回收量108噸，達(dá)國際先進(jìn)水平。五、高效連鑄技術(shù)高作業(yè)率、高連澆率、高拉速、無缺陷鑄坯當(dāng)作業(yè)率在80%以上時，再想提高產(chǎn)量，關(guān)鍵在提高拉速日本200-300mm大板坯：2m/min左右歐、美、中國40-120mm薄板坯：4-6m/min歐、美、中國40-50mm薄板坯：8-9m/min方坯最高鑄速：4m/min電磁冶金技術(shù)電磁攪拌、電磁制動、即增大鑄坯等軸晶率，又可抑制鑄坯中心偏析和疏松中間包技術(shù)低過熱度澆鑄（等離子和感應(yīng)加熱技術(shù)可補償25℃）電磁攪拌離心式中間包精煉技術(shù)中間包湍流控制器及旋轉(zhuǎn)閥，鋼流卷渣檢測技術(shù)動態(tài)輕壓下技術(shù)20世紀(jì)90年代后期首先在日本新日鐵取得成功，進(jìn)一步消除連鑄大方坯和板坯宏觀偏析的最好方法薄板坯連鑄發(fā)展中國已建14條共30流（2008）薄板坯連鑄生產(chǎn)線，產(chǎn)量達(dá)3530萬噸。在生產(chǎn)高效化、設(shè)備國產(chǎn)化，中國取得較好成績，在開發(fā)薄規(guī)格、高強度等品種上顯著成效。在改善表面質(zhì)量和提高深沖性能擴(kuò)大冷軋產(chǎn)品產(chǎn)量上有很大進(jìn)步。六、鑄軋一體化技術(shù)（Castrip）美國紐柯鋼鐵公司建成世界第一條商業(yè)化雙輥澆鑄薄帶鋼生產(chǎn)線鋼包容量110噸設(shè)計有轉(zhuǎn)換鑄軋帶核心噴嘴位于二個軋輥中間典型鑄速60-100m/min厚度小于1.7mm在帶鋼進(jìn)入熱軋機前的部分，使用含有還原氣氛保溫箱連續(xù)熱軋機組壓下量可達(dá)50%，典型壓下量30%UCS產(chǎn)品較低總延伸率，更好的各向同性和優(yōu)良的拉伸性能CASTRIP生產(chǎn)過程主要設(shè)備示意圖七、新一代可循環(huán)鋼鐵流程（典型工程:京唐鋼鐵公司）特點：具有動態(tài)、有序、連續(xù)、緊湊運行特點鐵水全三脫、單個鋼產(chǎn)970萬噸，全板材生產(chǎn)企業(yè)建成世界第一個5000m3級（5500m3）全干式除塵高爐，炭化室高度7.63m的世界最大焦?fàn)t和料層厚度720mm的大型燒結(jié)機，設(shè)計高爐利用系數(shù)2.3t/d.m3，焦比270kg/t，屬世界先進(jìn)水平。鐵水罐多功能化，取消多罐倒包，減少溫降專用脫磷、脫硅轉(zhuǎn)爐，與脫碳轉(zhuǎn)爐分跨布置轉(zhuǎn)爐干法除塵，回收煤氣和蒸汽指標(biāo)先進(jìn)快速RH真空精煉（25min）和高效連鑄（2m/min），高效軋制、減量化軋制和超快冷卻全面實現(xiàn)燒結(jié)煙氣脫硫，干熄焦技術(shù)優(yōu)化（260T/T），煉焦過程可添加1-3%廢塑料八、鋼材減量化技術(shù)用盡量少的資源（不添加或少添加合金元素）來生產(chǎn)高性能鋼材-新一代鋼鐵材料鋼材通過成分設(shè)計和熱處理得到從低強度到高強度的極寬范圍的性能-廣泛應(yīng)用原因鋼材有多種強化手段，但只有細(xì)晶強化可以同時提高強度和韌性控軋控冷（TMCP）主要目的：控制奧氏體的狀態(tài)和控制奧氏體相變，細(xì)化相變產(chǎn)品鐵素體晶?；蚩刂粕梢欢ㄏ啾壤龔?fù)相組織，提高性能，實現(xiàn)減量化制造技術(shù)400-500MPa減量化帶材

200MPa級普通低碳鋼通過工藝技術(shù)的改造和優(yōu)化，提高強度和韌性，達(dá)到400MPa級鋼材綜合性能400-500MPa級減量化線材線材不能象板材實施低溫終軋，而是軋后穿水快冷，吐絲后水霧冷卻400-500MPa棒材常規(guī)高溫連續(xù)熱軋+軋后超快速冷卻+適宜溫度終止冷卻（核心是超快速冷卻）20MnSi，II級鋼筋→HRB400，III級鋼筋低成本管線鋼開發(fā)X70以上管線鋼，采用TMCP技術(shù)，形成針狀鐵素體、粒狀貝氏體、下貝氏體組織，為得到此組織必須加昂貴的Mo從1999年開始，研究以Nb代替Mo（含Nb0.1%左右）采用HTP（HighTemperatureProcessing）可生產(chǎn)X80級管線鋼利用相變強化和冷卻路徑的控制開發(fā)汽車用高強度鋼板（AHSS）奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過程中，隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，奧氏體相變產(chǎn)物會發(fā)生變化，對轉(zhuǎn)變過程的冷卻路徑進(jìn)行控制，可得到不同組織的相變產(chǎn)物，因而對應(yīng)不同性能。細(xì)化鐵素體的晶粒-提高屈服強度。在鐵素體基體上分布馬氏體和貝氏體硬相-提高抗拉強度，可降低材料屈強比。薄板坯連鑄連軋（TSCR）生產(chǎn)雙相鋼和TRIP鋼包鋼利用CSP線進(jìn)行C-Mn系雙相鋼開發(fā)雙相鋼與鐵素體/珠光體鋼相比，屈服強度基本相同，但抗拉強度提高，屈強比顯著降低CSP工藝控制高度穩(wěn)定性，使帶鋼在長度和寬度方向上具良好組織性能均勻性利用TSCR短流程生產(chǎn)硅鋼傳統(tǒng)取向硅鋼采用MnS和AlN作抑制劑，為形成需要的抑制劑，必須將材料加熱到高溫（1350-1400℃）這既消耗能源，又增加工藝難度。TSCR將高溫熔融狀態(tài)的鋼液（MnS和AlN自然完全溶解其中）→澆注成連鑄坯→通道式均熱爐保溫均熱→軋機由于板坯不經(jīng)過鐵素體相變過程，在軋機之前不進(jìn)行變形，所以多數(shù)MnS和AlN保持溶解狀態(tài)，在隨后精軋中微細(xì)析出，可作為一部分抑制劑加以利用，同時在隨后的PR和脫碳后在較低溫度（如900℃）利用NH3滲碳，補充一部分抑制劑。中厚板在線熱處理通常中厚板熱處理是利用?；癄t或調(diào)質(zhì)爐離線進(jìn)行，需重新加熱。日本JFE公司福山厚板廠在矯直機后面安裝鋼板在線熱處理與新型強力冷卻裝置（超級OLAC）對鋼板進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理該裝置采用幾臺高頻電源通過感應(yīng)線圈加熱，可加熱最大寬度4.5m的厚板，熱流量105-107W/m2，其加熱能力相當(dāng)于氣體的100倍。高速鐵路鋼軌全長在線熱處理技術(shù)使鋼軌抗拉強度達(dá)1300MPa利用鋼軌軋后余熱補充感應(yīng)加熱不補充感應(yīng)加熱在線全長鋼軌熱處理DP型高強度緊固件用鋼一般緊固件生產(chǎn)過程中，熱軋線材要經(jīng)過退火拉拔之后，進(jìn)行加工（鐓帽和加工螺紋）加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，二次熱處理?？盗λ构鹃_發(fā)新型DP型高強度緊固件用鋼CSiMnCr0.08%1.0%1.7%0.016%線材軋制采用1000℃左右終軋，迅速冷卻到鐵素體相變溫度-Stelmor冷卻線上緩冷，一直到析出一定數(shù)量鐵素體。在鐵素體析出過程中，富集碳的殘余奧氏體在隨后的快速冷卻中轉(zhuǎn)變成馬氏體。熱軋后抗拉強度600MPa，在用戶拉拔、鐓帽、碾絲過程中，雙相鋼發(fā)生加工硬化，其抗拉強度達(dá)800MPa。不需球化退火和調(diào)質(zhì)處理大線熱量焊接材料造船板、橋梁、容器等鋼板，都需進(jìn)行大線熱量焊接，通常工件HAZ溫度高達(dá)1400℃，部分TiN粒子發(fā)生溶解，一部分TiN粒子發(fā)生團(tuán)聚失去釘扎晶界的作用。國外在鋼液中添加氧和硫親和力強的Mg和Ca，形成1400℃高溫下既不固溶，又不易于長大的熱穩(wěn)定的氧化物和硫化物顆粒。這些顆粒分布均勻，尺寸從幾十納米到幾百納米，可很好抑制HAZ奧氏體晶粒長大。無六價鉻的鍍Zn板和彩涂板鉻涂層鋼板使用含六價鉻的鈍化處理以提高涂層板抗白銹性能和涂裝性能。歐洲議會在1997年7月規(guī)定不準(zhǔn)含有六價鉻、汞、鉛等。隨后在2007年在電子和家電用品中嚴(yán)禁使用含有上述有害物資的材料。采用無鉛鈍化液進(jìn)行鈍化/采用無機涂層Mn-P，Zn-Ni。日本川崎制鐵開發(fā)Zn-Ni合金無機涂層，涂層厚度4μm。兼有美觀、成形性（自潤滑性）、耐腐蝕性。燃料油箱用無鉛鋼板

Pb-8%Sn金屬鋼板過去廣泛用作汽車燃料油箱，但Pb是明令禁止的有害物質(zhì)。近年國外研究幾種綠色環(huán)保新產(chǎn)品用于制作燃料油箱。熱浸鍍Sn-Zn合金鋼板熱浸鍍Al-Si合金鋼板G1-雙層Ni鋼板有機涂層鋼板九、在線檢測技術(shù)先進(jìn)的高精度、多參數(shù)在線綜合測試技術(shù)和高響應(yīng)速度的控制系統(tǒng)結(jié)合，保證軋鋼生產(chǎn)的高精度、高速度及產(chǎn)品高質(zhì)量。鋼材通過超聲波、渦流和激光檢查其內(nèi)部質(zhì)量、表面質(zhì)量和幾何尺寸，確保鋼材的內(nèi)部和外在質(zhì)量。在線智能化的產(chǎn)品質(zhì)量測量，北美研究的激光-超聲波技術(shù)。利用激光發(fā)生器生成和檢測超聲波脈沖，這種脈沖可穿透任何溫度甚至到熔點的固態(tài)金屬和陶瓷材料?？梢蕴綔y在高溫、高速下金屬材料內(nèi)部晶粒大小，各種組織、織構(gòu)取向等。這種裝置已安裝在美國鐵姆肯公司GLEEBLE3500上。日本三菱重工，石川島播磨廠及JFE在傳統(tǒng)軋機基礎(chǔ)上，采用中間坯熱卷箱，中間坯對焊機及精軋后帶鋼高速飛剪技術(shù)。實現(xiàn)精軋機組上多塊中間坯連續(xù)軋制，卷取機前切分卷取的新工藝-即無頭軋制技術(shù)。效果中間坯全長在恒定張力下進(jìn)行軋制，帶鋼厚度精度和波形波動減少，與傳統(tǒng)法比，成材率提高0.5-1.0%。按一定軋制速度連續(xù)軋制，不受速度規(guī)范限度，生產(chǎn)效率提高15%左右。能穩(wěn)定生產(chǎn)薄規(guī)格產(chǎn)品（0.8-1.0mm）。有利于潤滑軋制和大壓下