1.1鋼鐵生產(chǎn)全流程一體化控制
鋼鐵工業(yè)是典型的流程工業(yè)，最終產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，是由全流程的各個(gè)環(huán)節(jié)共同確定的。要想獲得穩(wěn)定、優(yōu)良的材料質(zhì)量，必須針對(duì)每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)，進(jìn)行全流程、一體化控制。控制要素包括溫度（含冷卻速度）、變形條件、成分、夾雜物（潔凈度、種類(lèi)）控制水平、排放、能源消耗等等。
1）減量化、低成本、低排放的鋼鐵材料與生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)
談鋼鐵材料開(kāi)發(fā)，離不開(kāi)材料開(kāi)發(fā)的四面體關(guān)系。材料的“成分、工藝、組織、性能”這四個(gè)要素構(gòu)成的四面體關(guān)系告訴我們，材料的工藝和成分決定材料的組織與性能。過(guò)去通常的辦法是：如果材料的性能達(dá)不到要求，可以增添某一種或某幾種合金元素，或者采用后續(xù)的熱處理工藝進(jìn)行調(diào)整。這兩種辦法都是“增量化”的辦法，或者消耗昂貴的合金元素，或者消耗能源與資源。
但是，材料設(shè)計(jì)的綠色化新理念要求我們做到“減量化、低成本、高性能”。在鋼鐵材料開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們要把這個(gè)綠色化新理念全面融入四面體關(guān)系中。要做到：①資源節(jié)約型的成分設(shè)計(jì)，盡量減少合金元素含量，或使用廉價(jià)元素代替昂貴元素；②要采用節(jié)省資源和能源、減少排放、環(huán)境友好的減量化加工工藝方法；③從市場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)新的組織和性能需求，逆向倒推，促進(jìn)工藝技術(shù)創(chuàng)新和新型材料的創(chuàng)制；④量大面廣產(chǎn)品的升級(jí)換代和高端產(chǎn)品的規(guī)?；a(chǎn)，都要遵循綠色化理念。由此可見(jiàn)，關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新與開(kāi)發(fā)，在新材料的開(kāi)發(fā)中占據(jù)了越來(lái)越重要的地位，材料和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)特別要注重關(guān)鍵共性工藝技術(shù)的創(chuàng)新。
我們現(xiàn)在使用的鋼鐵材料和它們的生產(chǎn)工藝，是過(guò)去幾十年來(lái)不斷開(kāi)發(fā)出來(lái)的，由于開(kāi)發(fā)當(dāng)時(shí)技術(shù)水平和支撐條件的限制，在節(jié)省資源和能源方面以及減少排放和污染方面考慮不周，甚至未予考慮，急切需要改進(jìn)、甚至顛覆的地方很多，技術(shù)創(chuàng)新、提升水平的空間很大。今天，環(huán)境、生態(tài)問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫，資源、能源問(wèn)題更是刻不容緩，過(guò)去幾十年發(fā)展起來(lái)的技術(shù)必須進(jìn)行脫胎換骨的改造與提升；另一方面，技術(shù)進(jìn)步和研究條件已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，為對(duì)這些產(chǎn)品及其生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行改造甚至重造，提供了極好的支撐條件。我們已經(jīng)有條件進(jìn)行這樣一場(chǎng)革命！
2）實(shí)行“精料方針”和“源頭治理”
鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程最重要的任務(wù)就是除去鋼中的雜質(zhì)，生產(chǎn)具有必要潔凈度控制的和規(guī)定化學(xué)成分的鋼鐵產(chǎn)品?，F(xiàn)有的冶煉過(guò)程雖然對(duì)作為原料的鐵礦石和作為燃料的煤炭進(jìn)行了粗略的處理，仍然有大量的有害元素殘留于鋼中，然后在后續(xù)的煉鐵、煉鋼、精煉過(guò)程中一點(diǎn)點(diǎn)除去。針對(duì)這種情況，行業(yè)里提出了“精料方針”，期望在入爐冶煉之前，盡量提高原料的潔凈度。但是，礙于種種條件的限制，仍然是“泥沙俱下”，大量的有害元素進(jìn)入到爐中，在隨后的冶煉過(guò)程中，不得不建設(shè)大量的巨型設(shè)備，采用各種復(fù)雜的工藝，一點(diǎn)點(diǎn)地去除鋼中的各種有害雜質(zhì)，極大地增加了冶煉的負(fù)擔(dān)和生產(chǎn)成本。
能不能采取徹底的“精料方針”，進(jìn)行潔凈度的“源頭治理”，把提高潔凈度的主要窗口位置前移到原料、燃料、熔劑的潔凈化處理階段，從流程上進(jìn)行根本的改變？
這種可能性是有的， TFe將近72%的超級(jí)鐵精礦可以制取出來(lái)。利用氫冶金進(jìn)行鐵的氧化物還原也是可行的。但是規(guī)模、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本與實(shí)際應(yīng)用還有很大的距離，需要進(jìn)一步從鐵礦石磨礦、選礦等方面大膽創(chuàng)新。目前已經(jīng)提出了一些方案。
當(dāng)然，對(duì)所有的技術(shù)方案，都要針對(duì)資源消耗、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本等，進(jìn)行能量流、物質(zhì)流、信息流、資金流分析，優(yōu)選低成本、高潔凈度路線，實(shí)現(xiàn)“精料方針”、“源頭治理”。
3）全流程一體化的鋼材溫度控制
全流程溫度控制不僅涉及到產(chǎn)品的冶金質(zhì)量，而且也涉及到產(chǎn)品的外形尺寸精度、整個(gè)流程的能源與資源的消耗、以及污染物的排放，是冶金生產(chǎn)中最活躍的影響因素。因此，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計(jì)冶金流程中的溫度制度、盡量做到“一火成材”或“最少火次成材”，避免或減少再升溫過(guò)程。同時(shí)，充分利用煉鐵-煉鋼-連鑄-熱軋-冷卻-熱處理過(guò)程中的重要組織變化的溫度區(qū)間，進(jìn)行組織控制，實(shí)現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。這應(yīng)當(dāng)是鋼鐵生產(chǎn)的最重要的任務(wù)之一。
在此過(guò)程中，我們最關(guān)心的是三個(gè)“界面”和三個(gè)溫度區(qū)間，以及熱軋后剩余熱量的利用。
第一個(gè)界面是連鑄與熱軋的銜接點(diǎn)。
采用連鑄之后，加熱爐加熱溫度通常不超過(guò)1250℃。這是目前絕大多數(shù)企業(yè)里的現(xiàn)實(shí)情況。這種情況會(huì)造成下述不良后果：①重新加熱，造成能耗提高，浪費(fèi)資源，增加排放；②重新加熱后連鑄坯的溫度分布為“外熱內(nèi)冷”，與連鑄后的“外冷內(nèi)熱”狀態(tài)恰好相反，采用前者就失去了一個(gè)利用后者改善坯料內(nèi)部質(zhì)量的大好時(shí)機(jī)；③失去利用鑄坯心部的1250-1450℃高溫粘塑性區(qū)的變形改善材料組織、性能的機(jī)會(huì)。
如果在連鑄機(jī)內(nèi)最終凝固點(diǎn)附近進(jìn)行軋制等高溫粘塑性變形，并盡量防止連鑄坯散熱，減少連鑄坯的溫降，則完全有可能實(shí)現(xiàn)免加熱直接軋制。這是一個(gè)節(jié)能減排、提高質(zhì)量的重要思想。如果設(shè)法實(shí)現(xiàn)連鑄與軋機(jī)的產(chǎn)量平衡，則甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)頭軋制。無(wú)頭軋制在材料加工過(guò)程的穩(wěn)定化方面有巨大的優(yōu)勢(shì)，是不言自明的。此為第一界面的優(yōu)化。
第二個(gè)界面是熱軋與后續(xù)熱處理之間的銜接點(diǎn)。
如果熱軋之后，軋件還要進(jìn)行離線熱處理（例如調(diào)質(zhì)熱處理），則可以考慮利用熱軋之后的余熱進(jìn)行在線淬火，然后再進(jìn)行離線或在線回火。這樣，可以減少一次加熱，其節(jié)能、減排的效果顯而易見(jiàn)。
第三個(gè)界面是熱軋后的冷卻與后續(xù)冷軋過(guò)程的銜接。
對(duì)于含碳量較高的HSLA、DP等鋼種，如果熱軋后還要繼續(xù)進(jìn)行冷軋和熱處理，則熱軋后的冷卻過(guò)程需給予特別的注意。如果這些鋼種熱軋后未達(dá)到一定的冷卻速率，會(huì)發(fā)生部分珠光體相變。這就意味著發(fā)生了比較充分的擴(kuò)散，珠光體中偏聚了較多的碳。隨后進(jìn)行冷軋，碳繼續(xù)維持它的偏聚狀態(tài)。在擴(kuò)散不是很充分的連續(xù)退火過(guò)程后的冷卻過(guò)程中，偏聚碳較多的部位，轉(zhuǎn)變?yōu)楹欣L(zhǎng)的珠光體的帶狀組織，造成鋼材沖壓等性能劣化，出現(xiàn)沖壓裂紋等缺陷。針對(duì)這一問(wèn)題，這類(lèi)鋼材熱軋后，以適當(dāng)高的冷卻速率冷卻，可以抑制珠光體產(chǎn)生，代之以貝氏體等含碳量均勻的基體組織，冷軋及熱處理后，可以避免出現(xiàn)帶狀組織，因而保證了材料具有碳含量分布均勻的組織。同時(shí)組織細(xì)化、析出物尺寸細(xì)小，材料的強(qiáng)度得以提高，而塑性得以改善。
三個(gè)重要的組織轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間分別是再結(jié)晶溫度區(qū)間、碳氮化物析出溫度區(qū)間、相變溫度區(qū)間。如果打算利用某個(gè)組織演變過(guò)程，就可以在該演變的溫度區(qū)間保溫（或空冷），如果想要避開(kāi)該種組織演變過(guò)程，則可以快速冷卻通過(guò)該溫度區(qū)間。由于不同的材料，會(huì)有不同的組織演變規(guī)律，所以，調(diào)整材料組織演變的溫度制度必須量身定做，這將是一個(gè)巨大的工程，智能化可以在此派上用場(chǎng)。因此，進(jìn)行全流程控制，應(yīng)配置可以靈活進(jìn)行組織控制的全軋程冷卻系統(tǒng)。
最后，關(guān)于熱軋后剩余熱量的利用，是目前尚未解決的問(wèn)題。熱軋鋼材一般在600℃左右結(jié)束控制冷卻過(guò)程，采用何種方法，利用這部分余熱，是尚待攻克的問(wèn)題。現(xiàn)在尚未見(jiàn)有好的處理方法。
4）鋼鐵生產(chǎn)全流程一體化的變形控制
對(duì)熱軋變形的控制，必須與對(duì)溫度的控制結(jié)合起來(lái)。傳統(tǒng)的變形過(guò)程主要發(fā)生在1200℃以下，熱軋前的加熱溫度通常不會(huì)超過(guò)1250℃。但是，如果我們考慮到利用連鑄后的高溫條件，以及可利用的“外冷內(nèi)熱”狀態(tài)，則可以將開(kāi)軋溫度推到更高，將變形溫度區(qū)間提高到固相線溫度和常規(guī)開(kāi)軋溫度之間，實(shí)現(xiàn)心部組織的粘塑性變形，能夠達(dá)到節(jié)能、降耗、改善心部組織的效果。另外，在熱軋的不同階段，例如板材粗軋和精軋，或者棒材的粗軋、中軋、精軋，可以實(shí)行不同的負(fù)荷分配，從而進(jìn)行材料組織和性能的調(diào)控。
軋制負(fù)荷分配是控制軋制的重要手段。根據(jù)每一個(gè)鋼種的物理冶金特點(diǎn)，與軋制過(guò)程中的即時(shí)冷卻及軋制之后的控制冷卻相配合，進(jìn)行全流程、一體化的負(fù)荷分配的優(yōu)化，將會(huì)進(jìn)一步提升控軋控冷的效果，提高材料的性能。
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