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(guò)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(wèn)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(kāi)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(wàn)-300萬(wàn)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(guó)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(guó)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(kāi)發(fā)，以適應(yīng)廢鋼逐年增加的趨勢(shì)。
國(guó)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(guó)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(guó)“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(kāi)展相關(guān)研究。
此外，還有人建議開(kāi)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(wú)頭軋制技術(shù)、薄帶連鑄無(wú)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(guò)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(lái)，則可以解決許多單一工序難以解決的棘手問(wèn)題。
1）薄板坯連鑄連軋無(wú)頭軋制
薄板坯無(wú)頭軋制是低成本、高性能的穩(wěn)恒軋制過(guò)程，適于精確組織調(diào)控，開(kāi)發(fā)薄規(guī)格先進(jìn)高強(qiáng)鋼，實(shí)現(xiàn)“以熱代冷”。我國(guó)山東日照鋼鐵引進(jìn)的薄帶無(wú)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(guò)程大幅降低氧化燒損，無(wú)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(guò)程，適于穩(wěn)定的精確組織調(diào)控。
薄板坯連鑄連軋無(wú)頭軋制的較快速凝固過(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(lái)講，連鑄坯凝固末端的軋制過(guò)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(wèn)題，使長(zhǎng)期困擾鋼鐵企業(yè)厚、大規(guī)格產(chǎn)品心部質(zhì)量問(wèn)題得到根本性的改善。
2）薄帶連鑄過(guò)程
薄帶連鑄過(guò)程是冷卻速度達(dá)到102-104K/s的亞快速凝固過(guò)程，也是無(wú)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(guó)Nanosteel公司利用薄帶連鑄開(kāi)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(guò)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(lái)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(chē)用AHSS。這是一個(gè)通過(guò)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(wú)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(wú)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(guò)程，可以抑制MnS等在凝固過(guò)程中的析出。而在隨后的熱處理過(guò)程中，控制?；葻崽幚磉^(guò)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(lái)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(zhǎng)大，提供了非常良好的基礎(chǔ)。
這一過(guò)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(kāi)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(zhǎng)大，獲得細(xì)化結(jié)晶組織。該過(guò)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(jiǎn)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用無(wú)酸洗還原退火熱軋鍍鋅板生產(chǎn)技術(shù)
開(kāi)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(wú)酸洗熱鍍鋅技術(shù)，生產(chǎn)熱鍍鋅熱軋板。整體產(chǎn)線長(zhǎng)度196m，其中薄帶連鑄工序長(zhǎng)度40m，還原熱處理爐全長(zhǎng)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(lái)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。
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