現代鋼鐵生產實用技術應用

近代鋼鐵生產技術發(fā)展歷程主講教師：翁宇慶內容大綱

鋼鐵材料在經濟建設中的作用和地位近代鋼鐵生產技術發(fā)展的簡要歷程一二三鋼鐵行業(yè)未來發(fā)展關注的幾個問題2一、鋼鐵材料在經濟建設中的作用和地位人類生活在物質世界中，基礎原材料和能源支撐了經濟和社會活動的各種活動和過程。3鋼鐵是主導結構材料4鋼鐵的獨特性能使得從公元前1500年起，鋼鐵便是人類社會最重要的結構材料。資源豐富，地殼中含有約4.2%(重量)的鐵世界鐵礦石陸地保有儲量1542億噸，儲量基礎3473億噸，海洋、大洋錳

結核~3萬億噸。每年開采15~20億噸（原礦）全球目前年生產和使用~14億噸鋼鐵礦山采掘深海采礦鋼鐵具有最高回收利用率5現有鋼鐵儲存量∑=500億噸世界廢鋼發(fā)生量和消費量（單位：萬噸）年份198919901991199220002001發(fā)生量(A)344103266930525289973624036800消費量(B)350353457031646300133669037340A/B(%)98.2294.5096.4596.6198.7098.55現有鋼鐵生產鐵素原料中，廢鋼提供約40%1871-2013美國日本中國獨聯體世界粗鋼總量83.4752.6279.8870.11500.14容易加工成各種類型的鋼材常見的鋼材加工方式軋鋼：板、管、帶、棒、線、絲；鍛鋼、鑄鋼：各種異型，不同的形狀尺寸要求。鋼鐵是所有結構材料中理論強度最高的材料7各種鋼鐵材料工業(yè)強度鐵的理想晶體強度抗拉強度：t≈0.1E≈208.2GPa剪切強度：s≈b/2a=80.65GPa鐵的理論強度：t≈21GPas≈11GPa200~2000Mpa（2GMpa）8優(yōu)良的性能，性能多樣性性能典型鋼實例性能典型鋼實例機械性能1.強度、韌性超高強度不銹鋼電氣電子性能1.超導電性金屬系列超導材料、氧化物系列超導材料2.比強度金屬間化合物、金屬系復合材料2.導電性導向架材料3.硬度、耐磨損新工具鋼3.半導電性人造格子4.剛性、彈性高應力彈簧鋼4.其它蔭罩用冷軋薄鋼板5.延性、塑性超塑性鋼磁性能1.高磁能積稀土類鋼6.易切性超易切鋼2.非磁性非磁性鋼7.減震、防震復合型減震鋼板3.高透磁率非晶金屬8.結構用新型材料特殊不銹鋼管4.電磁波屏蔽電磁波屏蔽材料9.形狀記憶性、加工性、焊接性形狀記憶合金其它1.彩電流行的色彩熱性能1.高溫強度超耐熱鋼、結晶控制合金2.輕量、多孔質疊層薄鋼板2.低溫韌性極低溫鋼3.金屬粉高速鋼粉末3.低溫膨脹低溫膨脹合金4.超微粉金屬超微粉合金/鐵系列合金化學性能1.耐腐蝕（濕法鍍層）鍍特殊金屬鋼材5.金屬箔鐵系金屬箔2.耐腐蝕（干式鍍層）干式鍍層鋼材6.高純度金屬高純度鐵3.耐腐蝕（不銹鋼）特殊不銹鋼材具有不同性能的鋼材4.耐腐蝕（包層）復合（包層）鋼管5.耐腐蝕（有機包層、其它）高溫用有機包層薄鋼板6.儲氫性能、生物合適性儲氫合金9便于大生產，質量穩(wěn)定，價格低廉（日本1998年價格）單重價格（A）￥/kg比強度（B）MPa/比重比強度價格(A/B)鋼鐵（鋼板SS41）46510.9鋁合金（A5062）585966.1水泥（生水泥）57.8（擠壓強度）0.6塑料（聚氯乙烯）125383.3木材（9mm膠合板）1311091.2（日本1994年價格）鋼鋁合金鈦合金水泥Al2O3陶瓷碳纖維木材聚丙烯比強度521111338974160912539比強度價格13.916.70.44.05.20.83.810材料價格變化年份不同材料的價格變化

價格指數（對數）1974年＝100

鋼材塑料水泥鋁1996~2001年主要鋼材品種國內市場掛牌價格的變化趨勢日本1995年1月~2001年10月主要鋼材離岸價格變化趨勢11鋼鐵便宜，且普遍使用，總的價值量遠高于其他材料2007年歐盟統(tǒng)計的價值鋼鋁鎂塑料價值比（鋼/四種材料）7300億

€/年900億

€/年24億

€/年2820億

€/年66.1%數據來源：世界鋼協WVMetalle美國地質局PlasticsEuropeDeutschlande.V鋼塑料1970年/2008年鋼、鋁、鎂全球產量的比較單位：百萬噸/年鋁鎂據日本1997年統(tǒng)計，鋼材占所有基礎原材料（塑料、陶瓷、水泥和木材等）用量的45%12未來對材料和技術的要求13對人類友好從現代鋼鐵材料生產過程排放、污染的觀點看，鋼鐵與塑料、陶瓷、有色金屬等相比是人類最友好的材料14本節(jié)小結

從二十一世紀看，鋼鐵材料仍是有競爭

力的基礎材料。

鋼鐵材料具有可持續(xù)供應、性能多樣且

優(yōu)良，規(guī)模生產、價格低廉等多種優(yōu)點。

23鋼鐵是最重要的（人造）工程結構材料。115二、近代鋼鐵生產技術發(fā)展的簡要歷程近代世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展的四個階段產量+質量+可持續(xù)發(fā)展（能源、資源、環(huán)保）二戰(zhàn)結束第一次石油危機第二次石油危機世界經濟衰退第一階段：1864年~1950年，產量由3104萬噸增加到2億噸。以平爐煉鋼為主、出現鋼鐵聯合企業(yè)。第二階段：1951年~1974年，產量由2億噸增加到7億噸。以氧氣頂吹轉爐煉鋼為主，出現淘汰平爐、模鑄和橫列式軋機為主的技術創(chuàng)新。第四階段：1999年~現在，源于新興國家發(fā)展，粗鋼產量從7.89億噸提高到14.14億噸（2010年）。年均增長率5.5%，同時向提高品質、降低成本、重視環(huán)境、節(jié)約能源和資源，走社會和諧、可持續(xù)發(fā)展的道路。第三階段：1974年~1999年，受二次石油危機沖擊，全球鋼鐵工業(yè)產生組織、技術及產品結構調整。以后25年全球粗鋼年增長率僅為0.5%（7億增加到7.89億噸）。16二、近代鋼鐵生產技術發(fā)展的簡要歷程十五世紀前后，高爐（熔礦爐）在萊茵河上游出現。1790年英國用焦炭代替木炭煉鐵。1829年英國用高爐煤氣加熱鼓風。幾百年的歷程，現有高爐技術進步成熟。C%≥4%（共析點在內）17高爐還原反應原理及能耗間接還原3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2，Fe3O4+CO

3FeO+CO2FeO+CO

Fe+CO2直接還原3Fe2O3+C2Fe3O4+CO，Fe3O4+C

3FeO+COFeO+C

Fe+CO高爐間接還原度~67%，要求料柱，透氣性；碳原子約75%耗于燃燒反應，僅有25%耗于礦石的還原反應。因而能耗高，CO2產生量大。高爐還原反應進行數小時，熔融還原反應速度以秒計算。理想高爐流程鐵水中含碳：174kgCO2/t鐵水輸出煤氣：764kgCO2/t鐵水熱風爐：477kgCO2/t鐵水總計：1415kgCO2/t鐵水加入焦炭300kg/t鐵水噴煤150kg/t鐵水間接還原70.5%高爐耗能1.5GJ/t鐵水輸出能量2.4GJ/t鐵水18二、近代鋼鐵生產技術發(fā)展的簡要歷程十五世紀前后，高爐（熔礦爐）在萊茵河上游出現。1790年英國用焦炭代替木炭煉鐵。1829年英國用高爐煤氣加熱鼓風。幾百年的歷程，現有高爐技術進步成熟。C%≥4%（共析點在內）19高爐還原反應原理及能耗間接還原3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2，Fe3O4+CO

3FeO+CO2FeO+CO

Fe+CO2直接還原3Fe2O3+C2Fe3O4+CO，Fe3O4+C

3FeO+COFeO+C

Fe+CO高爐間接還原度~67%，要求料柱，透氣性；碳原子約75%耗于燃燒反應，僅有25%耗于礦石的還原反應。因而能耗高，CO2產生量大。高爐還原反應進行數小時，熔融還原反應速度以秒計算。理想高爐流程鐵水中含碳：174kgCO2/t鐵水輸出煤氣：764kgCO2/t鐵水熱風爐：477kgCO2/t鐵水總計：1415kgCO2/t鐵水加入焦炭300kg/t鐵水噴煤150kg/t鐵水間接還原70.5%高爐耗能1.5GJ/t鐵水輸出能量2.4GJ/t鐵水20煉鋼技術發(fā)展歷程近代煉鋼（1856-1950）酸性轉爐

（空氣、底吹、酸性爐襯）1864～1880平爐煉鋼1879堿性轉爐Bessemer酸性轉爐，1859年H.Bessmer(1813~1898)英國發(fā)明家、工程師Bessemer法方案圖19世紀中葉在英國謝菲爾德貝塞麥公司煉鋼廠原理：C+O2→CO2鐵水中溶解碳）2120世紀50年代平爐鋼80%，堿性轉爐鋼10%，電爐鋼10%。

平爐成為主導煉鋼工藝。漢陽鐵廠10噸平爐，1894年早期平爐示意圖大型平爐在該階段由于平爐比轉爐可大量使用廢鋼、對鐵水成分要求不高、冶煉品種多、質量好，為各國普遍采用。早期平爐示意圖22煉鋼技術發(fā)展歷程現代煉鋼（1951-1975）23氧氣煉鋼，從簡單脫碳到成份控制（Si、Mn、P、Fe、O…）?{O}=[O][Si]=(SiO2)[Mn]=(MnO)2[P]+5[O]=(P2O5)[Fe]+?{O}=(FeO)2(FeO)+?{O}=(Fe2O3)[C]+[O]=(CO)現代氧氣轉爐的發(fā)明，適應了戰(zhàn)后全球經濟大發(fā)展的需求。1950年，全球粗鋼~2億噸/年，1975年，全球粗鋼~7億噸/年。24煉鋼技術發(fā)展歷程現代煉鋼（1951-1975）25氧氣煉鋼，從簡單脫碳到成份控制（Si、Mn、P、Fe、O…）?{O}=[O][Si]=(SiO2)[Mn]=(MnO)2[P]+5[O]=(P2O5)[Fe]+?{O}=(FeO)2(FeO)+?{O}=(Fe2O3)[C]+[O]=(CO)現代氧氣轉爐的發(fā)明，適應了戰(zhàn)后全球經濟大發(fā)展的需求。1950年，全球粗鋼~2億噸/年，1975年，全球粗鋼~7億噸/年。26為應對七十年代（1970’s）二次能源危機，鋼鐵工業(yè)

出現了三個“淘汰”的技術變革1、采用連鑄，淘汰模鑄50年代連鑄步入工業(yè)化，60年代弧形連鑄機引發(fā)一場革命，兩次能源危機推動全連鑄發(fā)展（1976年，新日鐵大分廠實現全廠全連鑄）大型高爐+氧氣頂吹轉爐+連鑄→鋼鐵大發(fā)展的基礎27為應對七十年代（1970’s）二次能源危機，鋼鐵工業(yè)

出現了三個“淘汰”的技術變革2、發(fā)展轉爐煉鋼，淘汰平爐高耗能、低效率使得平爐被淘汰成為歷史的必然。自20世紀60年代中期起氧氣頂吹轉爐迅速得到普及。28為應對七十年代（1970’s）二次能源危機，鋼鐵工業(yè)

出現了三個“淘汰”的技術變革1、采用連鑄，淘汰模鑄50年代連鑄步入工業(yè)化，60年代弧形連鑄機引發(fā)一場革命，兩次能源危機推動全連鑄發(fā)展（1976年，新日鐵大分廠實現全廠全連鑄）大型高爐+氧氣頂吹轉爐+連鑄→鋼鐵大發(fā)展的基礎29為應對七十年代（1970’s）二次能源危機，鋼鐵工業(yè)

出現了三個“淘汰”的技術變革2、發(fā)展轉爐煉鋼，淘汰平爐高耗能、低效率使得平爐被淘汰成為歷史的必然。自20世紀60年代中期起氧氣頂吹轉爐迅速得到普及。30為應對七十年代（1970’s）二次能源危機，鋼鐵工業(yè)

出現了三個“淘汰”的技術變革3、發(fā)展連軋和半連軋機，淘汰多火成材的橫列式軋機31近代鋼鐵生產技術發(fā)展歷程能源危機后的鋼鐵技術發(fā)展第二小節(jié)32德國鋼產量197453232010000200003000040000500006000018701876188218881894190019061912191819241930193619421948195419601966197219781984199019962002二次能源危機（70’s）后，發(fā)達國家鋼鐵產量計入成熟和穩(wěn)定區(qū)能源危機后的鋼鐵技術發(fā)展發(fā)展中國家卻先后開始了工業(yè)化進程，鋼鐵生產和消費總量處于增長期能源危機后的鋼鐵技術發(fā)展34全球和中國粗鋼產量的增長變化能源危機后的鋼鐵技術發(fā)展1975~2000全球鋼產量年增長率平均在1%左右，年總量不超過8億噸；進入二十一世紀后，以中國為代表的新興國家崛起，年鋼鐵產量進入高速增長；中國已成為世界第一產鋼大國，2013年比1997年增長了六倍（~8億噸/年），占全球46%以上。35能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新1、復吹轉爐迅速發(fā)展36

1952年奧地利Linz-Donawitz廠開發(fā)出純氧頂吹轉爐。比空氣吹煉，設備簡單、費用降低；快速冶煉、生產率高；原料限制少（廢鋼、鋼鐵料皆可）；脫磷、硫、鋼水雜質低。能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新37

1971~1972年美國開發(fā)底吹

轉爐（Q-BOP）。

1977年日本川崎公司千葉廠230噸底吹轉爐投產。

底吹攪拌激烈，消除了頂吹渣和金屬噴濺；鋼液中T[O]和渣中（TFe）低；終點錳收得率高，回收煤氣容易。問題：爐底耐火材料損耗大，吹入氣體中碳氫化合物多，鋼中含氫高。能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新38七十年代中后期復吹轉爐迅速發(fā)展。鋼水攪拌目的：吹入氣體促進爐內反應，底吹少量氮氣、氬氣（還可加入CaO）。頂吹煉鋼時間30‘~40’（吹氧16‘~20’）；復吹煉鋼時間20‘（吹氧~9’）充分發(fā)揮頂、底吹各自優(yōu)點，克服缺點。

能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新39能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新2、電爐冶煉在發(fā)達國家迅速發(fā)展最早用于工具鋼，發(fā)展冶煉特殊鋼1899年PaulHeroult造出第一臺工業(yè)用的電弧爐。1906年在美國紐約投產，可熔化3噸廢鋼。1879年WilliamSiemens造出世界第一臺電弧爐，它用20分鐘熔化了5磅廢鋼。1879年WilliamSiemens造出世界第一臺電弧爐，它用20分鐘熔化了5磅廢鋼?，F代化的大電爐40能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新初期連鑄機發(fā)展大部分和電爐（特殊鋼廠）匹配，使立彎式連鑄機得到發(fā)展。超高功率電爐發(fā)展，廢鋼資源及非焦煉鐵技術等發(fā)展，特別由于薄板坯連鑄連軋工藝的工業(yè)化，形成有競爭力的短流程工藝(mini-mill)。41電爐鋼發(fā)展視廢鋼資源、電力供應、噸鋼成本和社會環(huán)保要求等條件不同，各國發(fā)展程度不同中國、美國、日本電爐鋼比美國日本中國42能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新3、發(fā)展高品質鋼的關鍵技術質量是產品的生命，名牌來自于質量，企業(yè)依靠質量優(yōu)勢提升競爭力。在鋼鐵需求已不再增長的發(fā)達國家，提高質量為第一需求。以模具鋼為例，我國鋼材穩(wěn)定性差，造成高端模具嚴重進口。國內外模具平均使用壽命比較示意圖

國內高端模具進口狀況43能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新熱作模具鋼（

H13，4Cr5MoSiV）的國內外對比瑞典AvestaAB、SandvikAB噸鋼效益都在100歐元以上。瑞典Uddholm生產（8407鋼）寶鋼特鋼生產壽命差距20萬模次最高5萬模次冶金質量差距保護氣氛電渣重熔0.0009P%，0.0005S%普通電渣重熔0.018P%，0.005S%組織控制差距模塊心部橫向沖擊/縱向沖擊0.6~0.8模塊心部橫向沖擊/縱向沖擊0.2~0.3寶特普通H13寶特ESR寶特PESRASSAB840744能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新3-1發(fā)展爐外精煉（鋼包冶金、二次冶金）技術轉爐終點鋼水[O]最優(yōu)冶煉-連鑄終點[O]最優(yōu)爐外精煉后~400ppm30~60ppm3~5ppm鋼中夾雜物質量分數%20世紀70’s20世紀90’s0.0235%0.004%45能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新熱作模具鋼（

H13，4Cr5MoSiV）的國內外對比瑞典AvestaAB、SandvikAB噸鋼效益都在100歐元以上。瑞典Uddholm生產（8407鋼）寶鋼特鋼生產壽命差距20萬模次最高5萬模次冶金質量差距保護氣氛電渣重熔0.0009P%，0.0005S%普通電渣重熔0.018P%，0.005S%組織控制差距模塊心部橫向沖擊/縱向沖擊0.6~0.8模塊心部橫向沖擊/縱向沖擊0.2~0.3寶特普通H13寶特ESR寶特PESRASSAB840746能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新3-1發(fā)展爐外精煉（鋼包冶金、二次冶金）技術轉爐終點鋼水[O]最優(yōu)冶煉-連鑄終點[O]最優(yōu)爐外精煉后~400ppm30~60ppm3~5ppm鋼中夾雜物質量分數%20世紀70’s20世紀90’s0.0235%0.004%47鋼包精煉爐(LadleFurnace,LF)簡單原理脫氣、脫硫（S<10ppm）2.夾雜物上浮3.煉鋼-連鑄緩沖器48RH真空精煉爐簡單原理下降管真空室上升管轉爐粗鋼~75%被真空處理，

~85%被二次精煉真空脫氣、脫碳（扁平材、低碳、超低碳）低[O]、[H]、[N]49現代煉鋼廠已經發(fā)展成為“冶煉-精煉-連鑄”三位一體的系統(tǒng)系統(tǒng)流程日本爐外精煉比和連鑄比中國連鑄比~95%50能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新尺寸最細尺寸極限尺寸最佳尺寸再結晶軋制40m15~20m國際TMPC碳素鋼15~20m國際TMPC微合金鋼10m（工業(yè)）5m（理論計算）以DIFT為主導的技術無碳鋼：2~4m微合金鋼：1~2m當代國際晶粒最細尺寸水平3-2微合金鋼和控軋控冷（TMCP）迅速采用和發(fā)展采用少量合金元素加入（V、Ti、Nb…≤0.1%）形成微合金鋼，并在軋鋼過程發(fā)展控制軋制，控制冷卻（TMCP）技術，擴大了鋼材品種，形成多類高強度、高韌性鋼。51微合金鋼和控軋控冷（TMCP）迅速采用和發(fā)展控軋控冷和微合金化的發(fā)展，使品種和材料性能出現多樣化與優(yōu)化過去100年來，結構鋼成分變化示例（19mm,ReL=350MPa）C-Mn鋼下屈服點（ReL）和晶粒尺寸的關系工程結構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微合金鋼和控軋控冷（TMCP）迅速采用和發(fā)展管線鋼的發(fā)展53能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新3-3市場板帶產品日益增加，促進自動控制和相應技術的發(fā)展54市場板帶產品日益增加，促進自動控制和相應技術的發(fā)展適應市場需求板帶比增大日本、美國（1996年）和中國（1998年）板帶比情況比較（美國冷軋和涂鍍層板比例為59.9%，熱軋薄板為-2.8%，即進口熱軋薄板生產冷軋板，所以熱軋薄板出現負值）板帶比增大，相應涂鍍層板比例增大世界板帶比變化55板厚/板形控制技術：在線測量，人工智能綜合技術，連續(xù)可變凸度軋輥技術，在線磨輥技術……型鋼生產：柔性技術、無孔型平輥技術、切分技術……涂鍍層技術：各種合金鍍（Zn-Fe、Zn-Ni、Zn-Al）及彩鍍技術、多層復合、雙面異鍍、基板表面激光活化、輕質夾層……各種新冶金工藝流程和控制技術得到快速發(fā)展形成了高精度軋制產品：日本軋機軋制速度的變化采用控制技術后，例如采用液壓AGC后，厚度偏差中厚板熱軋帶鋼冷軋帶鋼平直度≤±0.1mm≤±30m≤±5m5~10I市場板帶產品日益增加，促進自動控制和相應技術的發(fā)展56能源危機使鋼鐵技術注重節(jié)能減排，在三淘汰同時，發(fā)展帶有系統(tǒng)性和綜合性的技術創(chuàng)新4、1990’s后，信息/管理技術的推進六級信息化過程控制級作業(yè)管理級營銷管理級經營決策級流程制造業(yè)四級信息化(4)戰(zhàn)略規(guī)劃企業(yè)決策指揮系統(tǒng)綜合營銷系統(tǒng)(3)ERP(企業(yè)資源計劃：物流、資金流、信息流同步(2)MES系統(tǒng)(制造執(zhí)行系統(tǒng))(1)基礎自動化通過數學模型（各工序數模）連接實時數據庫/非實時關系數據庫，在生產過程中進行物料平衡和過程優(yōu)化，對物流、能量流、質量流、生產流在制造系統(tǒng)內部的統(tǒng)一監(jiān)控。整合訂貨－生產－銷售全路徑、物料及質量監(jiān)控、動態(tài)成本控制、購銷、運輸、財務、設備維修和備件管理、人力資源管理、網上辦公和遠程管理，管理形成系統(tǒng)。CIMS、DSS、EI（專家系統(tǒng)）檢測級設備驅動級45/58家企業(yè)應用ERP571990′s后，信息/管理技術的推進傳統(tǒng)數據和控制流程MES監(jiān)控系統(tǒng)控制工程師層(向工程部門經理報告)MIS系統(tǒng)(向CFO報告)工單“生成”概要建點,寫塊模擬,離散信號批處理/流程完成通告ERP通過數學模型（各工序數模）連接實時數據庫/非實時關系數據庫，在生產過程中進行物料平衡和過程優(yōu)化，對物流、能量流、質量流、生產流在制造系統(tǒng)內部的統(tǒng)一監(jiān)控。批處理指令流581990′s后，信息/管理技術的推進運用網絡通訊、計算機和控制技術的新進展提升鋼鐵生產技術和管理水平59近代鋼鐵生產技術發(fā)展歷程

未來鋼鐵技術發(fā)展關注的幾個問題（一）(1)資源(2)能源第三小節(jié)(一)近代鋼鐵生產發(fā)展分為三個階段60對上節(jié)“近代鋼鐵生產技術發(fā)展的簡要流程”作小結：

1975~現在，從技術創(chuàng)新和科技進步而論，

帶有系統(tǒng)性和綜合性發(fā)展。

1951~1975年，氧氣頂吹轉爐出現，現代

冶金開始；

231856~1950年，平爐煉鋼為主；161對上節(jié)“近代鋼鐵生產技術發(fā)展的簡要流程”作小結：(二)現代冶金出現后，鋼鐵工業(yè)呈現大發(fā)展時期

第二階段形成三大技術，出現三個淘汰：

出現：氧氣轉爐淘汰平爐；

出現：連鑄淘汰模鑄；

出現：連續(xù)軋鋼淘汰橫列式軋機

1975年全球粗鋼產量達到7億噸/年，是1950年（2億

噸/年）的3.5倍，是1900年（3104萬噸/年）的23倍，

20世紀從原材料講，是“鋼鐵世紀”。

23

鋼鐵工廠形成，大型高爐（煉鐵）+氧氣頂吹轉爐（煉鋼）+連鑄+連軋的系統(tǒng)流程；162對上節(jié)“近代鋼鐵生產技術發(fā)展的簡要流程”作小結：(三)由于石油危機后的推動，在科技進步和創(chuàng)新與市場

需求的雙輪驅動下，鋼鐵工業(yè)競爭力迅速提高

23

1出現煉鋼-精煉-連鑄三位一體的煉鋼流程；出現非

高爐冶煉（與環(huán)境改善同步）煉鐵流程；出現高質

量、多品種的板帶軋鋼流程；出現控軋控冷、微合

金鋼發(fā)展的精品生產流程。由產量增長轉變?yōu)橘|量改善、品種增加、成本下降、重視環(huán)境的新階段；九十年代后信息技術、網絡通訊、計算機和控制技術等在鋼鐵工業(yè)的迅速應用，正把鋼鐵工業(yè)提升為連續(xù)可控流程的制造業(yè)，形成高爐率、重要的原材料工業(yè)。三、鋼鐵行業(yè)未來技術發(fā)展關注的幾個問題63在可預見的未來，鋼鐵由于它的眾多優(yōu)點（性能優(yōu)良及多樣化，成本低廉及批量化、環(huán)境友好及回收率高、人均可年產達300萬元￥/年…），它始終會占據人造最主要的結構材料和產量最大的人造功能材料的地位。但是，綠色制造的要求和多種人造材料的相互競爭，鋼鐵必須要思考未來發(fā)展的幾個主要問題：3-1資源（國內資源不足，每年進口付出2萬億￥）3-2能源（“高能耗”工業(yè)之一，占全國年總能耗1/6）3-3環(huán)境（特別是溫室氣體排放）3-4產品（面對日益苛嚴的市場需求）中國鋼鐵工業(yè)目標：從大國轉變?yōu)閺妵话l(fā)展綠色制造流程，生產新一代鋼鐵產品。3-1資源64全球及中國鐵礦石資源簡況保有儲量儲量基礎資源量2008年產量能支撐使用年限進口依存度鐵礦（億噸）國內（2007年）223.64613.36

(2013年，773億噸)365.15億噸原礦9.53成品礦3.74按每年1億噸生鐵計算，噸鐵消耗4.1噸，可供30年左右。65%世界（2008年）1542347317.22錳礦（億噸）國內1.32.01億噸品位~22%，合計6883萬噸4.87按支持1~1.3億噸鋼/年計算，可供15~20年。（每年700~800萬噸）60%世界125.50億噸潛在資源（金屬錳68億噸）172.92大洋錳結核資源有3萬億噸。鉻礦國內231.8萬噸567.5萬噸443.49萬噸98%世界36億噸76億噸3-1資源65照目前的使用量，可供應全世界需求近300年。所有其它國家2802202205431181240101611095664022美國地質調查局,《礦產品概要》,2005年1月89%44%61%79%39%100%85%65%19%14%2004年世界鐵礦石產量125029%出口未出口單位：百萬噸全球鐵礦石資源保有儲量1542億噸儲量基礎3473億噸3-1資源66近年來進口鐵礦石依存度變化圖2011年上半年，我國進口鐵礦石3.34億噸，由于鐵礦石漲價，

多支出160.2億美元。3-1資源672000年以來中國鐵礦石進口量及單價我國如何緩解鐵礦石的資源瓶頸？68（1）到國外采購，獲得有股權的資源保證國家國外礦山（企業(yè)）名稱中方股東中方股比%合資時間擬投產時間資源儲量（億噸）按股比分配的儲量（億噸）成品礦(萬噸/年)按股比分配的成品礦（萬噸/年）澳大利亞Sino鐵礦中信泰富、中冶集團100200620091010.0024002400Balmoral鐵礦中信泰富100200620101010.0012001200CapeLambert鐵礦中冶集團252008200915.63.901500375Midwest礦業(yè)公司中鋼集團1002008201055.0015001500Karara鐵礦鞍鋼5020072010147.00800400Aquila礦業(yè)公司寶鋼15200920131890284CXM礦業(yè)公司武鋼15200920122031000150WPG礦業(yè)公司武鋼502009201252.5600300BalmoralSouth鐵礦首鋼49200720105.472.68500245MountGibson礦業(yè)公司首鋼69.0220081.61.10700483FMG公司湖南華菱17.420092009427.315500957GoldenWest礦業(yè)公司湖南華菱11.3920081.20.141000114BungalowMagnetite鐵礦包鋼5020082.51.25300150BallaBalla鐵礦天津榮程10200820101.040.1030030加拿大CLM礦業(yè)公司Bloomlake鐵礦武鋼2520092009235.75400100阿根廷希拉格蘭德鐵礦中冶集團70200720092.61.8212084俄羅斯別列佐夫鐵礦西洋集團100200520087.477.47545545老撾邦雙鐵礦昆鋼6520080.030.02印尼川威200810.00250蒙古額仁達鐵礦包鋼7320051.10.8010073巴日格勒圖鐵礦包鋼4920040.440.224623合計169.0570.06206519413我國在國外前期建設準備礦山情況我國如何緩解鐵礦石的資源瓶頸？69（2）對國內的低品位礦、難選礦和共生礦給與優(yōu)先技術研發(fā)類型比例，%采選特點磁鐵礦型55.4分段強力磁選，不斷進步赤鐵礦型18.1紅礦攻關成績巨大菱鐵礦型14.4長沙院和余院士在大西溝攻關取得顯著成果釩鈦磁鐵礦型5.3長期努力，持續(xù)進步。例如轉底爐（RHF）V-Ti-Fe分離技術和承鋼與過程所合作，開發(fā)梯度氯化回收釩渣有價元素，引人注目。鏡鐵礦型3.4尚待在選礦工藝中努力節(jié)能降耗，提高收益品位。褐鐵礦型1.1混合型2.3鐵礦石品位33%，低于國際平均品位20個百分點。全國已勘探2034處鐵礦產地中，單一鐵礦型只占78%（1588處），其它為共生和伴共生礦（共占21.9%）我國鐵礦石類型我國如何緩解鐵礦石的資源瓶頸？70（3）深部鐵礦探測與開采，當前重點是技術關鍵要突破目前勘礦找礦，重點是物探、化探和異常點找礦，勘查深度僅限于500m線。深部探、采工作在長遠突破“資源瓶頸”意義重大；目前探明的613億噸鐵礦石資源儲量，主要集中在600m以內，峰值儲量在50m~200m區(qū)間；從大型、深部（~1000m）資源分析（成礦理論與技術，初探），我國在陸地深部有1000億噸鐵礦資源待查，包括已開采點（鞍本、兗煤……）和未探測點；工程院已建議國家立項在2020年前以Fe、Cr、Ni、Au為重點，深部選區(qū)礦進行選取研究，2030年前提出勘察重點選區(qū)，并完成探測技術方法研發(fā)，為長期資源開采提供基礎。我國如何緩解鐵礦石的資源瓶頸？71（4）深海金屬資源探索全球大洋底多金屬結核資源3萬億噸，目前有商業(yè)開采潛力的資源750億噸；大洋名稱MnCuNiFeCo多金屬結核太平洋22.50.750.8911.60.25大西洋2521.30.22鈷結核太平洋23.060.160.4716.090.73大西洋20.070.110.4018.560.53印度洋18.040.130.3916.160.38中國已向國際海底管理局申請并獲準二塊優(yōu)先勘探權和采礦權（15年）；地點面積西南印度洋中脊990×200Km2東太平洋7.5萬Km2我國如何緩解鐵礦石的資源瓶頸？722010年~2020年我國鐵礦石需求平衡從長遠看已查明國內資源儲量（2007年）613.36億噸

（2013年）773億噸；深部資源儲量約1000億噸；國外可供投資資源儲量148~243億噸合計可供我國鋼鐵工業(yè)資源應用年限＞200年海洋資源應用、二次資源（廢鋼）回收、城市礦山資源開拓。結論:我國鋼鐵工業(yè)有可持續(xù)發(fā)展的資源基礎。73鋼鐵工業(yè)的能源與節(jié)能：從二次石油危機以來，全球（含中國）鋼鐵界做了持續(xù)不懈的努力年份綜合能耗kgce/t1980年20391985年17461990年16111995年11522000年9202005年7412009年619歐盟15國、北美和日本噸鋼能耗的變化以1975年噸鋼能耗為100我國鋼鐵工業(yè)的能耗變化3-2能源74進一步節(jié)能：（1）應淘汰能耗過高的設備項目3200m3380m3焦比,kg/t鐵346437燃料及動力費用，元983.01140.79制造成本，元2478.322613.78應淘汰小型冶煉設備，以邯鋼

二種高爐比較（2010），實際運行

成本差135.5元/噸.鐵75進一步節(jié)能：（2）提高各種節(jié)能技術和工藝設備的節(jié)能要求CDQ：2009年底共143套，處理能力14138萬噸，占大中型企業(yè)焦炭產量

65%以上。CDQ類型技術參數占有率高溫高壓CDQ540℃/9.5MPa~30%中溫中壓CDQ450℃/3.82MPa~70%發(fā)電量：高溫高壓比中溫中壓高10%，

沙鋼高壓CDQ（12.8MPa），發(fā)電120kWh/t焦TRT：1000m3以上高爐普及率超過90%。日本TRT發(fā)電41kWh/噸鐵我國TRT發(fā)電25kWh/噸鐵（平均）我國現要求干式TRT≥35kWh/噸鐵濕式TRT≥30kWh/噸鐵我國最高54kWh/噸鐵供電優(yōu)化：大型電機采用變頻技術可節(jié)電約20%。京唐公司1#焦爐干熄焦裝置杭鋼高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置76進一步節(jié)能：（3）重視余熱（顯熱）回收的技術和裝備開發(fā)產品顯熱回收率50.04%煙氣顯熱回收率14.92%冷卻水顯熱回收率1.90%爐渣顯熱回收率1.59%鋼鐵工業(yè)余熱回收率25.8%其中高溫余熱回收率44.4%中溫余熱回收率30.2%低溫余熱回收率~1%我國鋼鐵工業(yè)的余熱和顯熱耗能占總能耗的30%左右。首鋼和山鋼都在試驗“鋼渣顯熱回收”項目。

20家大中型鋼鐵企業(yè)的余熱（顯熱）利用率情況77進一步節(jié)能：（4）建設和運營好能源管控中心寶鋼對全廠25個變電站、5個煤氣加壓站、13套煤氣混合裝置、天然氣加壓站、4個排水泵站、全長600余千米動力管網/水道管網等進行集中遠程化監(jiān)控、扁平化管理。能源系統(tǒng)勞動生產率取得顯著提升。寶鋼本部能源中心寶鋼、鞍鋼、首鋼、馬鋼等企業(yè)不斷建設和完善能源管理中心，提高科學用能和管

逐步將能源中心和生產調度中心聯網并行。形成物流（生產流）、能源流、成本計算流…在MES系統(tǒng)上集成，上報ERP系統(tǒng)，形成成本流、合同完成流、銷售流→三張企業(yè)財務報表（資產負載表、現金流量表和利潤表）。理水平，平均可使企業(yè)節(jié)約能源總量的5%~7%。78進一步節(jié)能：（5）廣泛采用非化石能源，降能和環(huán)保減排統(tǒng)一采用風能發(fā)電。例如鞍鋼鲅魚圈風機，每臺1650萬kwh/年，已有3臺已滿足全部非生產用電。采用太陽能。例如鞍鋼鲅魚圈5800人洗浴全解決。大力發(fā)展天然氣、頁巖氣發(fā)電。使節(jié)能和CO2減排相統(tǒng)一。79中長遠發(fā)展節(jié)能工作，要從系統(tǒng)、流程及新技術采用研究可以看出，不同制造流程，能耗是大不相同的，要創(chuàng)造新流程以降低成本，減輕壓力！我國和世界其他工業(yè)國都在制定新世紀發(fā)展規(guī)劃，并明確發(fā)展目標。以美國規(guī)劃中的能耗(kgce/t)為例2010年2020年電爐長形材270.15226.93電爐扁平材277.35255.74電爐-薄帶連鑄234.13212.52高爐-轉爐扁平材626.75536.7080高爐-轉爐流程要重視煉鐵系統(tǒng)（高、燒、焦）如何進一步降低能耗重點統(tǒng)計企業(yè)主要工序能耗（單位：kgce/t)年燒結焦化煉鐵轉爐煉鋼電爐煉鋼軋鋼總能耗200267.75149.38454.2127.04230.20101.32843.502004.1~866.05147.72465.6023.71205.0294.20817.53國際先進（1999）50.89128.10437.93-8.88198.60熱軋47.82冷軋80.28煉鐵工序能耗占總工序能耗：53.8%~57.2%煉鐵系統(tǒng)能耗占總工序能耗：75.4%~79.6%81日本提出新的“高校低能耗高爐”目標：高爐能耗降低50%；CO2排放量降低50%；研發(fā)“矮胖型立式富氧高爐”高爐利用系數>6t/m3.d。關鍵技術：氫氣高速還原技術；低熔點高爐爐渣廉價制氧技術；全新高爐設計。82現有冶金工藝雖能進一步節(jié)能，但節(jié)能潛力有一定限制理論最低能耗：331/0.95+193.4=552kgce/t材（以電力折換系數約0.35計算）國際鋼鐵界以噸鋼總能耗20GJ（683.4kgce）為標準合理耗能（1GJ=34.17kgce）其中還原反應理論能耗：331kgce/t鐵生產過程耗能：193.4kgce/t材煤氣及余熱余能：490kgce/t材（理論）節(jié)能潛力：683.4－552=131.4kgce/t材（理論）CO2最低排放：3.05×131.4≈400kgCO2/t材）（不考慮煤氣COCO2二次燃燒排放）以高爐-轉爐聯合流程為例83未來鋼鐵技術發(fā)展第四小節(jié)

未來鋼鐵技術發(fā)展關注的幾個問題（二）(3)環(huán)保(4)產品升級843-3環(huán)境保護近年來，我國冶金環(huán)保成績顯著，從清潔生產走向綠色制造序號主要環(huán)保指標1995年2000年2006年2010年2012年2013年1噸鋼新水用量，t/t45.1424.756.864.113.873.502廢水處理率，%96.1998.6399.9499.9999.763有組織廢氣處理率，%93.6496.0199.5099.6899.894廢氣中SO2排放量，萬t76.0265.0480.6074.4872.9470.145噸鋼SO2排放量，kg/t9.23.622.651.701.581.126廢氣中工業(yè)粉塵排放量，萬t77.0559.3545.6352.0143.5231.137廠區(qū)降塵量，t/月.km249.3643.8644.8847.728塵泥利用率，%94.7797.8698.7699.7997.379含鐵塵泥利用率，%89.9797.8698.8999.8197.1399.9085大力推進降低SO2排放量生產工序或設施污染物項目即將出臺的鋼鐵工業(yè)大氣污染物排放標準（燒結、球團）現執(zhí)行標準GB9078-1996現有企業(yè)排放限值新建企業(yè)排放限值重點區(qū)域特別排放限值II級燒結（球團）設備機頭顆粒物80mg/m350mg/m340mg/m3100mg/m3SO2700mg/m3200mg/m3180mg/m32000mg/m3NO2500mg/m3400mg/m3400mg/m3無F6mg/m34mg/m34mg/m36mg/m3二噁英2.0ng-TEQ/m30.5ng-TEQ/m30.5ng-TEQ/m3無燒結機尾、其它顆粒物50mg/m330mg/m320mg/m3100mg/m32002年大中型鋼鐵企業(yè)各工序SO2排放量對比86溫室氣體減排（CO2↓）責任重大行業(yè)CO2排放量億噸/年化石燃料消耗引起CO2排放量億噸/年占我國化石燃料消耗引起CO2總排放量的比例%鋼鐵7.77.414.9化工3.42.75.3石化1.91.22.3水泥6.52.75.3合計19.714.227.8不同行業(yè)CO2排放占工業(yè)CO2總排放的比例我國承諾：2020年比2005年單位GDP的CO2排放降低40~45%；我國承諾：2020年中國一次能源消費中，非化石資源比例，將接近15%左右2006~2010年2011~2015年2016~2020年CO2排放下降16%17%16%相應能耗下降19%16%＞14%87溫室氣體減排（CO2↓）責任重大發(fā)展電爐流程和非高爐煉鐵是環(huán)保改善重要方向生產流程CO2排放kg/t電力kWh/tCO2總排放kg/t電爐（160kg鐵水）396478619電爐（100%廢鋼）68458282廢鋼應用量已接近100%，廢鋼供應量有極限。2000年~2009年中、日、美、韓、俄、印電爐鋼比注：電力生產50%依靠化石燃料為能源。88溫室氣體減排（CO2↓）責任重大項目CO2減排，kgCO2/t-s占減排的貢獻，%淘汰落后13035.83提高能源效率104.0128.65發(fā)展CO2減排技術噴吹塑料11.843.26鐵/鋼渣替代水泥應用50.8114.00電爐和廢鋼應用54.114.91與化工結合（COG中H2應用）0.700.19共同火力發(fā)電11.463.16五項合計128.9135.52總計362.92100預計2015年我國鋼鐵工業(yè)各因素對CO2減排的貢獻（在2005年減排的基礎上）89溫室氣體減排（CO2↓）責任重大鋼鐵工業(yè)溫室氣體來源于：煉鐵-煉鋼都是碳的還原-氧化反應，產物都是CO2數據源自IanChristmas,SecretaryGeneral,IISI，5thChinaInternationalSteelCongress，Shanghai2June2008煉鐵最終反應2Fe2O3+3C4Fe+3CO2C+O2

CO21990年2006年噸鋼CO2排放，t1.81.7CO2排放，Bt1.42.190從綠色冶金考慮，電爐具有低排放優(yōu)勢各類排放物占排放總量的比例聯合企業(yè)電爐鋼廠總排放量5921.6kg/t總排放量2327.6kg/t固體廢棄物9.9%廢水50.7%氣體39.4%固體廢棄物8.8%廢水85.9%氣體5.3%固廢，kg/t氣體，kg/t電爐流程204.8123高-轉流程586.22332電爐/高-轉0.35:10.053:191不同生產流程1t鋼液CO2排放生產流程CO2排放kg/t電力kWh/tCO2總排放kg/t高爐+轉爐（153kgPCI)21111872198高爐+轉爐（250kgPCI)20841842170COREX+電爐16396321934HISmelt+電爐~1600370~1970電爐（160kg鐵水）396478619電爐（100%廢鋼）68458282注：電力生產50%依靠化石燃料為能源?，F代高爐CO2總排放~1900kg/t，世界高爐平均CO2總排放~2200kg/t。92我國鋼鐵積蓄量雖快速上升，但總量不足，

CO2↓靠高-轉流程創(chuàng)新改進粗鋼積蓄量，億噸2008年2010年2015年2020年預計消費量，億噸2020年積蓄量/產鋼量全球423.91447.91507.91567.9112.047.3美國78.5080.4685.3690.260.9892.1日本47.3849.6855.4361.181.1553.2中國45.4254.4276.9299.424.522.0993高爐-轉爐流程發(fā)展低碳技術的思路CO2減排的主要對策ⅠⅡⅢ提高碳的利用效率改變還原劑結構實施CO2捕集、封存和碳的資源化94十二五期間，國家科技支撐項目啟動《高爐煉鐵CO2減排與

煤氣高效利用關鍵技術開發(fā)技術》礦石、石灰石風口部分煤氣提氫焦爐部分焦爐煤氣制甲醇焦爐煤氣剩余CH4進燃料管網部分煤氣重整煤氣中：H2~70%，CO~15%900℃1200℃~85%煤氣VPSA分離~15%的煤氣不分離CO2儲存CO加熱課題一焦爐煤氣重整進高爐課題二氧氣高爐爐頂氣

CO/CO2

分離CO2儲存，CO加熱進高爐高爐煤氣H2資源化氧氣~95%課題三焦爐煤氣提氫CO+CO2不分離制甲醇2CH4+O22CO+4H2焦炭953-4鋼鐵產品升級換代供需背景:我國鋼鐵產品供需狀況已進入轉變期數據源自世界銀行官網和世界鋼協（WSA）官網。2011年人均GDP與人均鋼材消費量走減量化道路，把鋼材過度消費降下來。96十二五期間，國家科技支撐項目啟動《高爐煉鐵CO2減排與

煤氣高效利用關鍵技術開發(fā)技術》礦石、石灰石風口部分煤氣提氫焦爐部分焦爐煤氣制甲醇焦爐煤氣剩余CH4進燃料管網部分煤氣重整煤氣中：H2~70%，CO~15%900℃1200℃~85%煤氣VPSA分離~15%的煤氣不分離CO2儲存CO加熱課題一焦爐煤氣重整進高爐課題二氧氣高爐爐頂氣

CO/CO2

分離CO2儲存，CO加熱進高爐高爐煤氣H2資源化氧氣~95%課題三焦爐煤氣提氫CO+CO2不分離制甲醇2CH4+O22CO+4H2焦炭973-4鋼鐵產品升級換代供需背景:我國鋼鐵產品供需狀況已進入轉變期數據源自世界銀行官網和世界鋼協（WSA）官網。2011年人均GDP與人均鋼材消費量走減量化道路，把鋼材過度消費降下來。98十二五期間，國家科技支撐項目啟動《高爐煉鐵CO2減排與

煤氣高效利用關鍵技術開發(fā)技術》礦石、石灰石風口部分煤氣提氫焦爐部分焦爐煤氣制甲醇焦爐煤氣剩余CH4進燃料管網部分煤氣重整煤氣中：H2~70%，CO~15%900℃1200℃~85%煤氣VPSA分離~15%的煤氣不分離CO2儲存CO加熱課題一焦爐煤氣重整進高爐課題二氧氣高爐爐頂氣

CO/CO2

分離CO2儲存，CO加熱進高爐高爐煤氣H2資源化氧氣~95%課題三焦爐煤氣提氫CO+CO2不分離制甲醇2CH4+O22CO+4H2焦炭993-4鋼鐵產品升級換代供需背景:我國鋼鐵產品供需狀況已進入轉變期數據源自世界銀行官網和世界鋼協（WSA）官網。2011年人均GDP與人均鋼材消費量走減量化道路，把鋼材過度消費降下來。1003-4鋼鐵產品升級換代橋梁鋼板技術進步的歷程應用廣泛，但板厚效應嚴重，鐵路橋僅能用到32mmQ345-16MnqQ420-15MnVNq、15MnVqQ370-14MnNbq大跨,重載鋼橋需要高強度等級鋼材;

整體焊接結構需要具有良好焊接性能與高韌性;

現場焊接施工需要能適應大線能量、高濕度與不預熱的條件采用降碳加鈮合金超純凈的冶金方法，具有優(yōu)異的－40℃低溫沖擊韌性(蕪湖橋標準要求－40℃Akv≥12