具有可持续发展特点的先进钢铁冶炼与轧制技术
2002-02-08 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
一.设备与技术的进步
1．炼铁－炼钢 世界范围内的“直接还原”能力在持续提高。在炼铁生产中，高炉中焦炭消耗的世界平均水平大约是每吨铁水消耗４７５ｋｇ焦炭，而最低的高炉焦比大约是２８０ｋｇ／ｔ，因此世界范围内的焦炭消耗量还可以有减少的余地。高炉能够在高生产率和低焦炭消耗率条件下稳定生产的唯一的前提条件是有高质量焦炭。目前已有四个高炉在生产中添加废塑料（一个在日本，三个在德国），但还不能确定今后把塑料作为还原剂在总量上是否会有明显的增长。在高炉工程建设、生产技术方面以及炉料质量方面的进步已经使得高炉炉龄达到了１５年以上。
在碱性氧气转炉炼钢中，由于钢包炉的使用，出钢温度得到降低，这样在碱性氧气转炉生产中，废钢的装入量可以增加。电炉钢的进一步增长依赖于生铁和废钢的质量。
在电炉炼钢中使用水冷零部件的比率持续增长，现在已经应用在低于钢液的水平线以下的区域中了。这种措施提高了耐火衬里的暴露时间，也提高了钢厂的生产力。通过减少熔炼时间，比如提高二级电压，已经使得钢厂在提高生产力方面取得了进步。
2．连铸 在连铸领域中，可以通过增加冶金长度、改进铸模几何形状和二次冷却的方法来提高铸造速度。通过使用动态软压下可以改进板坯的质量。
１１年前，近终形连铸工艺首次进入板材制造领域，其主要的优点是能耗低、生产率高、投资费用低。这种技术的发展使得制造厚度低于传统带材的热轧板带成为可能。现在已经可以生产厚度小于１ｍｍ的热轧带了。在世界范围内，属于ＣＳＰ类型的设备中共有３１部，总的生产能力达到了大约每年２８５０万ｔ。
当今的近终形连铸的发展主要是进一步提高连铸速度，这是把连铸和轧制直接结合起来实现真正的无头轧制的前提，同时也可以进一步节约能源、提高质量和生产率。
把炼钢与带材生产结合起来的方法提供了降低能耗、提高生产率、缩短带材生产时间方面的潜力。使用薄带连铸工艺可以生产厚１.５～４.０mm,宽１４５０mm的不锈钢板卷。使用ＤＳＣ工艺，采用钢水垂直浇铸、双辊铸造的概念。同时正在发展的技术还有Ｍｅｆｏｓ，Ｓａｌｚｇｉｔｔｅｒ ＡＧ和Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｌａｕｓｔｈａｌ共同开发的水平带式连铸ＤＳＣ。
3．金属压力加工 一般在热轧中，对长材和扁平材而言，加热炉控制的优化目标是缩短加热时间和可以采取措施，确保所要求等级钢的加热曲线能进行适当调整。异型连铸技术的引入大大提高了生产力，同时使得异型材的生产效率有所提高。通过应用这种近终形连铸工艺，可以在三种异型坯的基础上生产出超过２２０种的异型材。
在工字钢、普通型钢、棒线材的轧制中，最近开发了一种被称为紧凑式轧机的新型轧机，并且已经在轧钢厂使用。盒型紧凑式轧机（ＣＣＳ）专用于梁和型钢的生产，这种轧机装备有液压位置控制，包括自动尺寸控制系统。这种轧机可以在２０～２５ｍｉｎ内更换机架，包括同时更换轧辊和导卫。这种轧机的另外的好处是可以在一架轧机上轧制比较宽的产品规格――宽缘工字梁、法兰、Ｕ型钢和钢板桩――而这些产品通常必须在２～３架独立的轧机上轧制完成。这些轧机非常灵活，可以很快的变换轧制规程从轧制一种产品到另一种产品。这些轧机的引入使得从钢水到最终产品总的费用有很大降低（大约是传统轨梁轧机的６５％）。这种轧机首次在美国的Ｃｈａｐａｒｒａｌ钢厂得到应用。
在线棒材的轧制方面，一种四辊呈十字形配置、封闭孔型的紧凑式轧机已被应用在实际生产线上，这种轧机以设计简洁为特征，从而使得投资和维护的费用较低。通过比较高的减面率，使得能够得到最好的产品质量，整个轧制过程也简单了。极其相近的轧辊直径允许超精确的轧制，同时使得调整既快又容易。
在热轧中通过无头轧制技术的应用，可以进一步提高生产能力和产量。在这种工艺中，钢坯的头部和尾部在精轧前被焊合在一起。这种工艺已经在两个热轧带钢厂里得到了应用，即川崎钢铁公司的千叶厂和新日铁的大分厂，在这些厂里头尾的焊接在粗轧和终轧机组间进行。去年，第一个全新设计的应用这种技术生产长材的工厂也已在马来西亚投产。
可持续发展战略在冷轧和表面精整方面主要表现为努力提高产量和生产能力，为此导致冷轧工序的合并越来越多。１９９８年，欧共体各国生产了大约４３００万ｔ的冷轧带材，其中大约１２００万ｔ为酸洗连轧联合机组生产的。这种联合机组的代表是在法国Ｉｓｂｅｒｇｕｅｓ的不锈钢冷轧厂。不锈钢热轧板带的准备、酸洗、冷轧、退火、酸洗、平整所有的工序都在一条线上实现。这就减少了材料的传送和储存等中间保障环节。材料在生产线上的全部时间被大大缩短，生产率得到了提高。
4．表面精整 板带钢的表面精整使得热轧和冷轧的最终产品有更长的使用周期。在欧共体，冷轧钢中的表面精整比率已经达到了６５％。从１９８０年到１９９８年，金属涂层的钢板增加了大约４００％，而同一时期冷轧产品增加了６４％。现在，精整能力的进一步扩大主要在热浸镀锌方面。由于热轧中钢板厚度与公差的减小、表面质量的提高等技术的进步，已大大增加了直接处理热轧板带的可能性。同时，市场对经过表面涂层处理的热轧宽带钢的需求也在上升。这就鼓励了新的特别是专用于热轧材料的热浸镀锌生产线的建立。也正是在这个领域，各工序的联合是其特色。酸洗和涂层工序被合并到了同一条生产线上。
二、研究是可持续发展的前提条件
可持续发展钢材生产技术的关键是科研，因此欧共体研究的焦点集中在：
――降低费用以对抗来自竞争性材料的压力；
――保持并最有效的利用原材料和能源，以便降低资源的损耗；
――应用新的产品控制技术，来提高性能、产量、质量，改善工作环境，增加劳动安全性；
――回收失效的产品，以减小对环境的影响；
――应用新的和更高质量的钢材等级标准，使生产紧跟市场的变化。
1．新钢种 在热轧和冷轧中为得到钢材更高的最终性能而进行开发。在热轧管线钢的生产中，提高抗拉强度和延展性的措施通常集中在增加合金含量和通过适当的热处理来得到更小的晶粒尺寸上。通过在规定温度中进行事先规定好的变形步骤，可以得到较高的屈服应力和较低的缺口冲击转换温度。这种高强度钢具有优良的焊接性能，可用于减轻结构的重量。热机械轧制就是这种有益于客户的制造过程的范例之一。经过热机械轧制，碳含量低的钢可被用作制造管线，来得到在同样强度下更好的焊接性能。
“经过改进的新钢种”具备较宽范围的机械和工艺性能，能够获得更高质量的最终产品――在提高安全性的同时又减轻了总体重量，例如汽车车身。高强度钢材在减轻结构重量方面的应用始于微合金钢。微合金钢的进一步发展就得到了具备从２４０～３００Ｎ／ｍｍ２的各向同性屈服强度的高强度钢。通过把烘烤硬化钢引入到汽车制造领域之中，高强度钢应用于轻量汽车车身的份额明显增加了。而高强度钢的发展脚步并没有慢下来，它的目标是为汽车工业提供更好的材料――令人满意的硬化机制、改良的工序以及使用性能。从多相钢的发展中人们找到了解决方法，这种钢使用硬相和软相的晶体结构来提高强度。最新发展出来的钢材等级是抗拉强度达到１０００Ｎ／ｍｍ２的最高强度复杂相钢，和抗拉强度高达１２００Ｎ／ｍｍ２的半马氏体钢。这种半马氏体钢的特点是具有相对较高的马氏体含量和良好的延伸值。
这些新钢种的一部分在ＵＬＳＡＢ（超轻钢车体）项目中得到了关注，这个项目为我们展示了轻重量汽车结构钢的发展前景。正在进行中的有关汽车悬挂部件的应用的项目研究了这些多相钢和复杂相钢的使用情况。
2．减少生产环节 在钢铁工业中尝试发展新钢种的同时，从工程学方面也缩短了生产的流程。通过应用薄带连铸、不锈钢带生产工序的组合，可望将典型生产流程中的１０个步骤减少到未来的３个步骤。一方面这种生产工序的相当大的缩减会带来能源的节约、更高的产量和原材料的最有效的利用；另一方面有助于使钢材相对于其他材料来说更有竞争力，因为它开创了新的前景――钢得到更优良的产品性能和更高的经济效益。
三、结论
钢材正在并且将继续作为――贯穿本世纪――具备最好性能价格比的、位居首位的材料。就可持续发展来讲钢材具备一套完整的战略。通过工序、材料和产品的革新，资源利用率将得到持续的增长。钢材在生态学方面的优势是其主要的财富。钢材是一种“绿色”材料。
1．炼铁－炼钢 世界范围内的“直接还原”能力在持续提高。在炼铁生产中，高炉中焦炭消耗的世界平均水平大约是每吨铁水消耗４７５ｋｇ焦炭，而最低的高炉焦比大约是２８０ｋｇ／ｔ，因此世界范围内的焦炭消耗量还可以有减少的余地。高炉能够在高生产率和低焦炭消耗率条件下稳定生产的唯一的前提条件是有高质量焦炭。目前已有四个高炉在生产中添加废塑料（一个在日本，三个在德国），但还不能确定今后把塑料作为还原剂在总量上是否会有明显的增长。在高炉工程建设、生产技术方面以及炉料质量方面的进步已经使得高炉炉龄达到了１５年以上。
在碱性氧气转炉炼钢中，由于钢包炉的使用，出钢温度得到降低，这样在碱性氧气转炉生产中，废钢的装入量可以增加。电炉钢的进一步增长依赖于生铁和废钢的质量。
在电炉炼钢中使用水冷零部件的比率持续增长，现在已经应用在低于钢液的水平线以下的区域中了。这种措施提高了耐火衬里的暴露时间，也提高了钢厂的生产力。通过减少熔炼时间，比如提高二级电压，已经使得钢厂在提高生产力方面取得了进步。
2．连铸 在连铸领域中，可以通过增加冶金长度、改进铸模几何形状和二次冷却的方法来提高铸造速度。通过使用动态软压下可以改进板坯的质量。
１１年前，近终形连铸工艺首次进入板材制造领域，其主要的优点是能耗低、生产率高、投资费用低。这种技术的发展使得制造厚度低于传统带材的热轧板带成为可能。现在已经可以生产厚度小于１ｍｍ的热轧带了。在世界范围内，属于ＣＳＰ类型的设备中共有３１部，总的生产能力达到了大约每年２８５０万ｔ。
当今的近终形连铸的发展主要是进一步提高连铸速度，这是把连铸和轧制直接结合起来实现真正的无头轧制的前提，同时也可以进一步节约能源、提高质量和生产率。
把炼钢与带材生产结合起来的方法提供了降低能耗、提高生产率、缩短带材生产时间方面的潜力。使用薄带连铸工艺可以生产厚１.５～４.０mm,宽１４５０mm的不锈钢板卷。使用ＤＳＣ工艺，采用钢水垂直浇铸、双辊铸造的概念。同时正在发展的技术还有Ｍｅｆｏｓ，Ｓａｌｚｇｉｔｔｅｒ ＡＧ和Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｌａｕｓｔｈａｌ共同开发的水平带式连铸ＤＳＣ。
3．金属压力加工 一般在热轧中，对长材和扁平材而言，加热炉控制的优化目标是缩短加热时间和可以采取措施，确保所要求等级钢的加热曲线能进行适当调整。异型连铸技术的引入大大提高了生产力，同时使得异型材的生产效率有所提高。通过应用这种近终形连铸工艺，可以在三种异型坯的基础上生产出超过２２０种的异型材。
在工字钢、普通型钢、棒线材的轧制中，最近开发了一种被称为紧凑式轧机的新型轧机，并且已经在轧钢厂使用。盒型紧凑式轧机（ＣＣＳ）专用于梁和型钢的生产，这种轧机装备有液压位置控制，包括自动尺寸控制系统。这种轧机可以在２０～２５ｍｉｎ内更换机架，包括同时更换轧辊和导卫。这种轧机的另外的好处是可以在一架轧机上轧制比较宽的产品规格――宽缘工字梁、法兰、Ｕ型钢和钢板桩――而这些产品通常必须在２～３架独立的轧机上轧制完成。这些轧机非常灵活，可以很快的变换轧制规程从轧制一种产品到另一种产品。这些轧机的引入使得从钢水到最终产品总的费用有很大降低（大约是传统轨梁轧机的６５％）。这种轧机首次在美国的Ｃｈａｐａｒｒａｌ钢厂得到应用。
在线棒材的轧制方面，一种四辊呈十字形配置、封闭孔型的紧凑式轧机已被应用在实际生产线上，这种轧机以设计简洁为特征，从而使得投资和维护的费用较低。通过比较高的减面率，使得能够得到最好的产品质量，整个轧制过程也简单了。极其相近的轧辊直径允许超精确的轧制，同时使得调整既快又容易。
在热轧中通过无头轧制技术的应用，可以进一步提高生产能力和产量。在这种工艺中，钢坯的头部和尾部在精轧前被焊合在一起。这种工艺已经在两个热轧带钢厂里得到了应用，即川崎钢铁公司的千叶厂和新日铁的大分厂，在这些厂里头尾的焊接在粗轧和终轧机组间进行。去年，第一个全新设计的应用这种技术生产长材的工厂也已在马来西亚投产。
可持续发展战略在冷轧和表面精整方面主要表现为努力提高产量和生产能力，为此导致冷轧工序的合并越来越多。１９９８年，欧共体各国生产了大约４３００万ｔ的冷轧带材，其中大约１２００万ｔ为酸洗连轧联合机组生产的。这种联合机组的代表是在法国Ｉｓｂｅｒｇｕｅｓ的不锈钢冷轧厂。不锈钢热轧板带的准备、酸洗、冷轧、退火、酸洗、平整所有的工序都在一条线上实现。这就减少了材料的传送和储存等中间保障环节。材料在生产线上的全部时间被大大缩短，生产率得到了提高。
4．表面精整 板带钢的表面精整使得热轧和冷轧的最终产品有更长的使用周期。在欧共体，冷轧钢中的表面精整比率已经达到了６５％。从１９８０年到１９９８年，金属涂层的钢板增加了大约４００％，而同一时期冷轧产品增加了６４％。现在，精整能力的进一步扩大主要在热浸镀锌方面。由于热轧中钢板厚度与公差的减小、表面质量的提高等技术的进步，已大大增加了直接处理热轧板带的可能性。同时，市场对经过表面涂层处理的热轧宽带钢的需求也在上升。这就鼓励了新的特别是专用于热轧材料的热浸镀锌生产线的建立。也正是在这个领域，各工序的联合是其特色。酸洗和涂层工序被合并到了同一条生产线上。
二、研究是可持续发展的前提条件
可持续发展钢材生产技术的关键是科研，因此欧共体研究的焦点集中在：
――降低费用以对抗来自竞争性材料的压力；
――保持并最有效的利用原材料和能源，以便降低资源的损耗；
――应用新的产品控制技术，来提高性能、产量、质量，改善工作环境，增加劳动安全性；
――回收失效的产品，以减小对环境的影响；
――应用新的和更高质量的钢材等级标准，使生产紧跟市场的变化。
1．新钢种 在热轧和冷轧中为得到钢材更高的最终性能而进行开发。在热轧管线钢的生产中，提高抗拉强度和延展性的措施通常集中在增加合金含量和通过适当的热处理来得到更小的晶粒尺寸上。通过在规定温度中进行事先规定好的变形步骤，可以得到较高的屈服应力和较低的缺口冲击转换温度。这种高强度钢具有优良的焊接性能，可用于减轻结构的重量。热机械轧制就是这种有益于客户的制造过程的范例之一。经过热机械轧制，碳含量低的钢可被用作制造管线，来得到在同样强度下更好的焊接性能。
“经过改进的新钢种”具备较宽范围的机械和工艺性能，能够获得更高质量的最终产品――在提高安全性的同时又减轻了总体重量，例如汽车车身。高强度钢材在减轻结构重量方面的应用始于微合金钢。微合金钢的进一步发展就得到了具备从２４０～３００Ｎ／ｍｍ２的各向同性屈服强度的高强度钢。通过把烘烤硬化钢引入到汽车制造领域之中，高强度钢应用于轻量汽车车身的份额明显增加了。而高强度钢的发展脚步并没有慢下来，它的目标是为汽车工业提供更好的材料――令人满意的硬化机制、改良的工序以及使用性能。从多相钢的发展中人们找到了解决方法，这种钢使用硬相和软相的晶体结构来提高强度。最新发展出来的钢材等级是抗拉强度达到１０００Ｎ／ｍｍ２的最高强度复杂相钢，和抗拉强度高达１２００Ｎ／ｍｍ２的半马氏体钢。这种半马氏体钢的特点是具有相对较高的马氏体含量和良好的延伸值。
这些新钢种的一部分在ＵＬＳＡＢ（超轻钢车体）项目中得到了关注，这个项目为我们展示了轻重量汽车结构钢的发展前景。正在进行中的有关汽车悬挂部件的应用的项目研究了这些多相钢和复杂相钢的使用情况。
2．减少生产环节 在钢铁工业中尝试发展新钢种的同时，从工程学方面也缩短了生产的流程。通过应用薄带连铸、不锈钢带生产工序的组合，可望将典型生产流程中的１０个步骤减少到未来的３个步骤。一方面这种生产工序的相当大的缩减会带来能源的节约、更高的产量和原材料的最有效的利用；另一方面有助于使钢材相对于其他材料来说更有竞争力，因为它开创了新的前景――钢得到更优良的产品性能和更高的经济效益。
三、结论
钢材正在并且将继续作为――贯穿本世纪――具备最好性能价格比的、位居首位的材料。就可持续发展来讲钢材具备一套完整的战略。通过工序、材料和产品的革新，资源利用率将得到持续的增长。钢材在生态学方面的优势是其主要的财富。钢材是一种“绿色”材料。
