供稿|趙欣 / ZHAO Xin

中國(guó)鋼鐵工業(yè)盡管在裝備水平、大宗鋼材品種質(zhì)量、生產(chǎn)效率等方面已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，但與以日本、韓國(guó)等為代表的鋼鐵科技最高水平的國(guó)家相比，差距主要表現(xiàn)在少數(shù)高端重要用途鋼種生產(chǎn)技術(shù)、進(jìn)一步節(jié)能環(huán)保、重大關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新等方面。此外，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，國(guó)內(nèi)鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩，今后一段時(shí)間必須大幅縮減產(chǎn)能轉(zhuǎn)型發(fā)展。

20世紀(jì)80年代后，韓國(guó)、日本、德國(guó)、瑞典等國(guó)家的鋼鐵工業(yè)都經(jīng)歷了大幅縮減產(chǎn)能的轉(zhuǎn)型發(fā)展階段，其成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)中國(guó)鋼鐵工業(yè)的發(fā)展有重要的參考價(jià)值。當(dāng)前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵工業(yè)也面臨很大困難和挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：市場(chǎng)需求嚴(yán)重不足，鋼材價(jià)格低迷，鋼鐵企業(yè)盈利水平大幅降低；為了應(yīng)對(duì)可能實(shí)行的碳排放管制法規(guī)，發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵企業(yè)在更進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)工藝流程之外，已開(kāi)始研究新一代鋼鐵冶金流程，如全氧高爐、連鑄直軋等；鋼廠污染“零排放”管控更加嚴(yán)格，日本、韓國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)加強(qiáng)了對(duì)煉鋼生產(chǎn)固體廢棄物再利用方面的研究。

國(guó)外煉鋼技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向

韓國(guó)

圖1 韓國(guó)鋼鐵工業(yè)面臨的三個(gè)亟待解決的問(wèn)題

韓國(guó)鋼鐵工業(yè)正面臨著三個(gè)亟待解決的問(wèn)題(見(jiàn)圖1)：第一是環(huán)保問(wèn)題。韓國(guó)環(huán)保新規(guī)定提升了鋼材的生產(chǎn)成本。為滿足韓國(guó)政府提出減少CO2排放量的要求，韓國(guó)鋼鐵行業(yè)一定要找出適應(yīng)新政策的對(duì)策。同時(shí)，韓國(guó)近五年來(lái)的電價(jià)提升了近80%，由于韓國(guó)的電爐煉鋼占很大比例，因此電爐鋼鐵生產(chǎn)成本提升很大。第二是技術(shù)問(wèn)題。韓國(guó)新的鋼材市場(chǎng)對(duì)鋼材性能提出了更高的要求。首先，韓國(guó)傳統(tǒng)的鋼液脫氧和節(jié)能工藝都已經(jīng)達(dá)到較高水平，提升空間不大，因此只有開(kāi)發(fā)新工藝才能突破這些傳統(tǒng)工藝束縛。其次，由于韓國(guó)為能源進(jìn)口國(guó)家，節(jié)能技術(shù)對(duì)韓國(guó)煉鋼很重要，比如轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝要多使用廢鋼從而降低CO2排放量等。此外，韓國(guó)的煉鐵原料基本依賴于進(jìn)口，原料供應(yīng)對(duì)韓國(guó)鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展是一個(gè)挑戰(zhàn)。第三是市場(chǎng)問(wèn)題。隨著社會(huì)發(fā)展對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高，因而需要開(kāi)發(fā)具有更高性能的新型鋼鐵材料[1]。

針對(duì)目前韓國(guó)鋼鐵工業(yè)存在的三個(gè)問(wèn)題，在使用廢鋼、造泡沫渣、鋼水潔凈化與夾雜物控制、重點(diǎn)開(kāi)發(fā)高錳鋼方面做了較多的研究，提出了“3E”策略(見(jiàn)圖1)。

(1) 使用節(jié)能技術(shù)解決能耗及污染物排放量問(wèn)題。

在電爐方面，電爐廢鋼預(yù)熱技術(shù)可以有效節(jié)約能源。例如，東國(guó)制鋼公司(DONGKUK Steel)的ECOARC電爐煉鋼項(xiàng)目(圖2)出鋼量可達(dá)120 t，將廢鋼預(yù)熱至800℃所需電力能源低至300 kWh/t，對(duì)電爐預(yù)熱產(chǎn)生的有害氣體進(jìn)行了有效控制，達(dá)到國(guó)際較高水平。

電爐造泡沫渣有利于節(jié)約能源。目前，主要通過(guò)電爐傳感器的應(yīng)用來(lái)檢測(cè)泡沫渣的各項(xiàng)參數(shù)，從而揭示電爐造泡沫渣的形成機(jī)理與影響因素：

其中，Σ為泡沫渣指標(biāo)(Foaming Index)；Δh為泡沫渣高度，cm；sgV 表面氣體速率，cm/s。

電爐爐渣余熱回收工藝、電極的冷卻技術(shù)、電爐的密封技術(shù)、電爐爐底吹氣技術(shù)改善爐內(nèi)動(dòng)力學(xué)條件等都可有效節(jié)約電爐能源。

在轉(zhuǎn)爐方面應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)的對(duì)策是多用廢鋼少用鐵水從而減小CO2排放量。

(2) 開(kāi)發(fā)新工藝解決技術(shù)問(wèn)題。

在轉(zhuǎn)爐精煉鋼液潔凈度和夾雜物控制方面，需要采取脫氧、防止鋼液污染和夾雜物控制等措施，實(shí)現(xiàn)將鋼中C、N、P、S和O等有害元素控制到質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于55×10-6的目標(biāo)。傳統(tǒng)的脫氧工藝是通過(guò)鋼中鋁、硅單獨(dú)和復(fù)合脫氧等方式進(jìn)行脫氧。目前，韓國(guó)學(xué)者嘗試了電化學(xué)脫氧，用此方法可將鋼中的氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從傳統(tǒng)工藝的10×10-6降低到3×10-6，雖然目前只是實(shí)驗(yàn)室研究，但探索了突破傳統(tǒng)脫氧工藝的新方法。電化學(xué)方法還可以分解鋼水中的氧化夾雜物，防止水口堵塞。通過(guò)中間包中添加一層高堿度還原渣層對(duì)鋼中夾雜物進(jìn)行吸附，實(shí)驗(yàn)室研究表明該技術(shù)可去除鋼中50%的夾雜物[1]。

(3) 開(kāi)發(fā)新鋼種解決市場(chǎng)問(wèn)題。

韓國(guó)通過(guò)研發(fā)新鋼種應(yīng)對(duì)新的市場(chǎng)要求，而主要突破口就是開(kāi)發(fā)高錳鋼。因而高錳鋼的開(kāi)發(fā)是目前韓國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。高錳鋼因其強(qiáng)度高、塑性好的特點(diǎn)被稱之為超級(jí)鋼。高爐冶煉后，將高爐鐵水和錳鐵合金熔合到一起，然后再進(jìn)入轉(zhuǎn)爐冶煉。錳鐵合金熔合過(guò)程的保溫、防止錳的氧化和防止吸收空氣中的氮進(jìn)入鋼水是冶煉控制的關(guān)鍵。通過(guò)表面加渣技術(shù)可以有效地進(jìn)行高爐鐵水和錳鐵合金的熔合冶煉控制。

日本

日本鋼鐵生產(chǎn)的主要特點(diǎn)：生產(chǎn)消耗低、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品性能高、環(huán)境友好。近年來(lái)，隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的日益關(guān)注，要求鋼鐵及其生產(chǎn)過(guò)程所產(chǎn)生的副產(chǎn)品能夠更好的被回收利用。廢鋼比較容易回收而且回收途徑比較成熟。而爐渣作為鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的副產(chǎn)品，其回收利用途徑仍然有待創(chuàng)新，而且為減少爐渣排放，應(yīng)開(kāi)發(fā)高性能的爐渣。日本每年的鋼產(chǎn)量約1億t，對(duì)應(yīng)的高爐渣約2500萬(wàn)t，轉(zhuǎn)爐和電爐渣約1300萬(wàn)t。所有的爐渣都應(yīng)該進(jìn)行回收利用，而回收途徑主要有作水泥、路基、民用建筑材料或添加劑以及燒結(jié)使用。除此以外，減少爐渣產(chǎn)出量也需要重點(diǎn)關(guān)注[2]。

減少爐渣產(chǎn)出量的途徑主要有：提高爐渣的精煉能力、爐渣組成的設(shè)計(jì)，從而提高CaO的利用率。爐渣中需要加入一部分螢石，由于螢石對(duì)環(huán)境有污染，因此日本政府制定了爐渣中使用螢石的嚴(yán)格限制政策。螢石用量減少就需要加大氧化鐵的量以提高爐渣流動(dòng)性，而渣中氧化鐵含量高易導(dǎo)致渣量增大，同時(shí)對(duì)耐火材料有腐蝕。為了減小爐渣量，就要提高爐渣中CaO的利用率。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液相渣中存在固相CaO時(shí)，這種多相脫磷渣的CaO利用率顯著提高[2]。日本鋼鐵協(xié)會(huì)的學(xué)者對(duì)多相脫磷渣的物理化學(xué)性能進(jìn)行了研究，進(jìn)而使總的爐渣產(chǎn)出量顯著降低。

提高爐渣回收利用的辦法就是開(kāi)發(fā)其新的利用途徑。例如，爐渣可以作為日本稻田土壤的改質(zhì)劑，以及用于恢復(fù)海洋生物。把爐渣磨碎后作為土壤的改質(zhì)劑，能夠提高日本大海嘯地震破壞的土壤的肥性，實(shí)驗(yàn)證明水稻能夠在該土壤中正常生長(zhǎng)。爐渣開(kāi)發(fā)利用的另一個(gè)方面就是近海土壤的恢復(fù)，由于近海污染物的排放會(huì)造成近海土壤的“荒漠化”，意味著海洋土壤中缺乏養(yǎng)分，這已經(jīng)成為海洋環(huán)境保護(hù)的關(guān)鍵，解決對(duì)策就是向海洋中注入海洋生物需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如含有鐵離子、磷元素的物質(zhì)。將海洋土壤和爐渣混合起來(lái)可以提高土壤的營(yíng)養(yǎng)成分，以達(dá)到恢復(fù)海洋生物的目的。

德國(guó)

目前，德國(guó)連鑄生產(chǎn)的典型特點(diǎn)主要表現(xiàn)為大型化發(fā)展、緊湊化生產(chǎn)、自動(dòng)化控制和深入性研究[3]。

大型化發(fā)展方面，表現(xiàn)為連鑄生產(chǎn)的厚板更厚更寬、圓坯直徑更大。

緊湊化生產(chǎn)方面，薄板更薄、線材更細(xì)、異形坯成形性更好。具體表現(xiàn)為：取代冷軋連退等環(huán)節(jié)；取代熱軋工序，后續(xù)進(jìn)行冷軋，縮短流程；取消傳統(tǒng)的輸送環(huán)節(jié)，連鑄-熱軋實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)操作。其中，采用移動(dòng)結(jié)晶器的輥式、帶式連鑄生產(chǎn)僅停留在工業(yè)試驗(yàn)階段，技術(shù)并不成熟，沒(méi)有得到有效推廣；而最為成功的實(shí)例是采用平行或漏斗形振動(dòng)結(jié)晶器的薄板坯連鑄。

自動(dòng)化控制方面，測(cè)量技術(shù)、傳感器及人機(jī)交互數(shù)學(xué)模型廣泛應(yīng)用于結(jié)晶器液面、保護(hù)渣潤(rùn)滑、澆鑄過(guò)熱度、坯殼膨脹收縮、扇形段彎矯力、凝固終點(diǎn)位置及宏觀偏析控制等方面。

深入性研究方面，研究尺度跨越了10個(gè)數(shù)量級(jí)，從原子間納米級(jí)距離(10-9m)到鑄機(jī)彎曲段長(zhǎng)度(101m)。熱點(diǎn)研究仍然是凝固組織，其中相場(chǎng)模型可用于研究新鋼種的凝固行為。以德國(guó)亞琛大學(xué)為例，研究C-Mn-B-V鋼的韌脆轉(zhuǎn)化行為是一個(gè)主要課題。此外，夾雜物在凝固前沿、水口堵塞和軋制變形過(guò)程中的行為也不容忽視。

未來(lái)德國(guó)連鑄工業(yè)的發(fā)展仍主要集中在測(cè)量、模型和自動(dòng)化控制方面，下一個(gè)發(fā)展目標(biāo)是“智能化工廠”。智能化以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，連鑄機(jī)、工廠、產(chǎn)品和用戶之間的網(wǎng)絡(luò)交互成為可能。連鑄機(jī)維護(hù)和軟件修正工作可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接由供應(yīng)商予以解決；質(zhì)量部門(mén)可獲取生產(chǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)；依托高性能計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)學(xué)模型采集、篩選及評(píng)估用戶對(duì)產(chǎn)品的體驗(yàn)反饋信息。

瑞典

瑞典鋼鐵生產(chǎn)一直穩(wěn)步增長(zhǎng)并處于世界領(lǐng)先地位。瑞典生產(chǎn)的合金鋼、不銹鋼、合金工具鋼組成了瑞典占大部分的特殊鋼生產(chǎn)。

近終型連鑄開(kāi)辟了新的特殊鋼生產(chǎn)窗口，TU Claustahl和瑞典MEFOS鋼鐵公司開(kāi)發(fā)了適合高錳鋼生產(chǎn)的單輥連鑄技術(shù)(見(jiàn)圖3)，這種薄帶連鑄技術(shù)為特殊鋼的生產(chǎn)提供了更廣闊的空間。

圖3 瑞典MEFOS公司單輥薄帶連鑄示意圖

新的測(cè)量技術(shù)為特殊鋼性能的檢測(cè)提供了支持。例如，在線測(cè)量能夠解決鋼鐵生產(chǎn)中的化學(xué)成分問(wèn)題，特別是合金元素含量的控制。而原材料、爐渣成分、液面波動(dòng)、耐火材料厚度等參數(shù)的在線分析將決定著生產(chǎn)高等級(jí)特殊鋼的可能性。另外，無(wú)傷探測(cè)技術(shù)也為特殊鋼生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

瑞典特殊鋼生產(chǎn)面臨的挑戰(zhàn)：人口增加及城鎮(zhèn)化將導(dǎo)致特殊鋼的種類、運(yùn)輸方式及市場(chǎng)規(guī)模的改變；生產(chǎn)基地的大型化對(duì)于需要小批量多品種供貨的特殊鋼不利；適時(shí)交貨的理念正改變著鋼材貿(mào)易的物流模式；大型企業(yè)的兼并重組問(wèn)題；如何吸引人才；附加制造理念將成為未來(lái)制造業(yè)的新概念；環(huán)境與氣候問(wèn)題等。

國(guó)內(nèi)煉鋼新技術(shù)

通過(guò)對(duì)比我國(guó)近年來(lái)GDP增速情況和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的宏觀調(diào)整，我國(guó)鋼鐵行業(yè)發(fā)展的當(dāng)今歷史階段的特征為：經(jīng)濟(jì)增速由高速增長(zhǎng)進(jìn)入中高速增長(zhǎng)階段；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中第三產(chǎn)業(yè)的比例與國(guó)內(nèi)消費(fèi)需求成為經(jīng)濟(jì)的主體；經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力由要素驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?chuàng)新驅(qū)動(dòng)。我國(guó)鋼鐵行業(yè)可采取的主要措施為：通過(guò)關(guān)停落后企業(yè)、鋼鐵企業(yè)兼并、聯(lián)合重組等手段消化過(guò)剩產(chǎn)能；通過(guò)加強(qiáng)管理、使用廉價(jià)原材料、工藝優(yōu)化等手段降低生產(chǎn)成本；加強(qiáng)環(huán)保；提高客戶服務(wù)質(zhì)量等。而在這些過(guò)程中，先進(jìn)技術(shù)的開(kāi)發(fā)將發(fā)揮非常重要的作用。

轉(zhuǎn)爐仍然在中國(guó)煉鋼工藝中占主導(dǎo)地位，轉(zhuǎn)爐鋼比始終保持在87%～92%。轉(zhuǎn)爐的高效率、自動(dòng)煉鋼生產(chǎn)技術(shù)取得了很大進(jìn)步。轉(zhuǎn)爐在鐵水預(yù)處理脫[Si]、脫[P]中的應(yīng)用使轉(zhuǎn)爐工藝全面優(yōu)化的系統(tǒng)技術(shù)也有了全新的進(jìn)步，更加緊湊、低耗、高效節(jié)能的轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)體系已成為生產(chǎn)的主流。中國(guó)電爐鋼產(chǎn)量持續(xù)增長(zhǎng)，節(jié)電、高效節(jié)能技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)應(yīng)用，大大提高了電爐生產(chǎn)的工藝水平。

近年我國(guó)煉鋼工藝來(lái)取得的技術(shù)進(jìn)步主要包括：KR鐵水脫硫預(yù)處理技術(shù)；鐵水包多功能化(“一包到底”)技術(shù)；轉(zhuǎn)爐鐵水預(yù)處理脫磷技術(shù)；頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐工藝優(yōu)化技術(shù)；轉(zhuǎn)爐出鋼滑板擋渣技術(shù)；RH真空脫氣優(yōu)化技術(shù)；高拉速/恒拉速連鑄技術(shù)；倒角結(jié)晶器技術(shù)；高品質(zhì)鋼生產(chǎn)技術(shù)等。

結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，我國(guó)鋼鐵工業(yè)縮減產(chǎn)能轉(zhuǎn)型發(fā)展應(yīng)當(dāng)加以關(guān)注和值得推廣的國(guó)內(nèi)外可持續(xù)煉鋼技術(shù)主要包括：

(1) 連鑄方面。中國(guó)的潔凈鋼生產(chǎn)平臺(tái)技術(shù)、鞍鋼的RH浸漬管?chē)姺鄹咝Ь珶捈夹g(shù)、東北大學(xué)的內(nèi)凸形曲面結(jié)晶器；韓國(guó)浦項(xiàng)高拉速薄板坯無(wú)頭軋制技術(shù)和厚板坯重壓下技術(shù)；日本新日鐵住友公司開(kāi)發(fā)的中間包等離子加熱技術(shù)。

(2) 氧氣煉鋼方面。阿賽洛米塔爾公司加拿大Dofasco廠KOBM轉(zhuǎn)爐冶煉技術(shù)、寶鋼轉(zhuǎn)爐出鋼滑板擋渣技術(shù)、韓國(guó)現(xiàn)代鋼鐵公司轉(zhuǎn)爐De-C/De-P雙聯(lián)冶煉。

(3) 機(jī)理研究和環(huán)保及副產(chǎn)品回收利用方面。①高強(qiáng)汽車(chē)鋼的清潔冶煉技術(shù)。我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量逐年增加，提高車(chē)身強(qiáng)度，可降低汽車(chē)重量，進(jìn)而降低燃油消耗、減少排放；提高車(chē)身塑性則可以提高汽車(chē)的安全性，以TWIP鋼為代表的先進(jìn)高強(qiáng)汽車(chē)鋼技術(shù)將是今后汽車(chē)用鋼的拳頭產(chǎn)品，值得推廣。因此，開(kāi)展高效清潔的高強(qiáng)汽車(chē)用鋼的煉鋼及連鑄技術(shù)值得國(guó)內(nèi)研究者深入廣泛地研究。②無(wú)氟保護(hù)渣技術(shù)。針對(duì)冶金行業(yè)日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，綠色冶金已成為必然方向，由于傳統(tǒng)保護(hù)渣中含有氟，對(duì)設(shè)備、成本、環(huán)境和人體健康均有不利的影響，因此保護(hù)渣的無(wú)氟化是必經(jīng)之路，新型低氟/無(wú)氟保護(hù)渣成為從源頭上解決氟污染的重要手段，因此大力推廣十分必要。

(4) 夾雜物控制方面。隨著社會(huì)發(fā)展，對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高，需要開(kāi)發(fā)具有更高性能的新型鋼鐵材料。高錳鋼因其強(qiáng)度高、塑性好的特點(diǎn)被稱之為超級(jí)鋼。高錳鋼的開(kāi)發(fā)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)。然而高錳高鋁鋼水口結(jié)瘤、高鋁高錳條件下鋼中夾雜物生成熱力學(xué)數(shù)據(jù)的缺乏等問(wèn)題引起過(guò)國(guó)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。

[1] Min D J. Current Status of Steelmaking Technology in Korea//Proceedings of The 6thInternational Congress on the Science and Technology of Steelmaking (I)，2015：3

[2] Matsuura H，Tsukihashi F. Development of highly functional steelmaking slag and its innovative recycling technology//Proceedings of The 6thInternational Congress on the Science and Technology of Steelmaking (I)，2015：11

[3] Senk D. Continuous casting：way of unlimited options//Proceedings of The 6thInternational Congress on the Science and Technology of Steelmaking (I)，2015：19