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    王國棟院士:鋼鐵生產的流程還有哪些可以改變?(一)
      發布時間:2021年06月07日 點擊數:

      1.1鋼鐵生產全流程一體化控制

      鋼鐵工業是典型的流程工業,最終產品質量的優劣,是由全流程的各個環節共同確定的。要想獲得穩定、優良的材料質量,必須針對每一個工藝環節,進行全流程、一體化控制??刂埔匕囟龋ê鋮s速度)、變形條件、成分、夾雜物(潔凈度、種類)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工藝設計

      談鋼鐵材料開發,離不開材料開發的四面體關系。材料的“成分、工藝、組織、性能”這四個要素構成的四面體關系告訴我們,材料的工藝和成分決定材料的組織與性能。過去通常的辦法是:如果材料的性能達不到要求,可以增添某一種或某幾種合金元素,或者采用后續的熱處理工藝進行調整。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,材料設計的綠色化新理念要求我們做到“減量化、低成本、高性能”。在鋼鐵材料開發過程中,我們要把這個綠色化新理念全面融入四面體關系中。要做到:①資源節約型的成分設計,盡量減少合金元素含量,或使用廉價元素代替昂貴元素;②要采用節省資源和能源、減少排放、環境友好的減量化加工工藝方法;③從市場中發現新的組織和性能需求,逆向倒推,促進工藝技術創新和新型材料的創制;④量大面廣產品的升級換代和高端產品的規?;a,都要遵循綠色化理念。由此可見,關鍵工藝技術的創新與開發,在新材料的開發中占據了越來越重要的地位,材料和產品開發特別要注重關鍵共性工藝技術的創新。

      我們現在使用的鋼鐵材料和它們的生產工藝,是過去幾十年來不斷開發出來的,由于開發當時技術水平和支撐條件的限制,在節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、甚至顛覆的地方很多,技術創新、提升水平的空間很大。今天,環境、生態問題已經迫在眉睫,資源、能源問題更是刻不容緩,過去幾十年發展起來的技術必須進行脫胎換骨的改造與提升;另一方面,技術進步和研究條件已經發生了翻天覆地的變化,為對這些產品及其生產過程進行改造甚至重造,提供了極好的支撐條件。我們已經有條件進行這樣一場革命!

      2)實行“精料方針”和“源頭治理”

      鋼鐵生產過程最重要的任務就是除去鋼中的雜質,生產具有必要潔凈度控制的和規定化學成分的鋼鐵產品?,F有的冶煉過程雖然對作為原料的鐵礦石和作為燃料的煤炭進行了粗略的處理,仍然有大量的有害元素殘留于鋼中,然后在后續的煉鐵、煉鋼、精煉過程中一點點除去。針對這種情況,行業里提出了“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”,大量的有害元素進入到爐中,在隨后的冶煉過程中,不得不建設大量的巨型設備,采用各種復雜的工藝,一點點地去除鋼中的各種有害雜質,極大地增加了冶煉的負擔和生產成本。

      能不能采取徹底的“精料方針”,進行潔凈度的“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,從流程上進行根本的改變?

      這種可能性是有的, TFe將近72%的超級鐵精礦可以制取出來。利用氫冶金進行鐵的氧化物還原也是可行的。但是規模、生產效率、生產成本與實際應用還有很大的距離,需要進一步從鐵礦石磨礦、選礦等方面大膽創新。目前已經提出了一些方案。

      當然,對所有的技術方案,都要針對資源消耗、產品質量、生產成本等,進行能量流、物質流、信息流、資金流分析,優選低成本、高潔凈度路線,實現“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品的冶金質量,而且也涉及到產品的外形尺寸精度、整個流程的能源與資源的消耗、以及污染物的排放,是冶金生產中最活躍的影響因素。因此,應當合理設計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程。同時,充分利用煉鐵-煉鋼-連鑄-熱軋-冷卻-熱處理過程中的重要組織變化的溫度區間,進行組織控制,實現組織結構的優化。這應當是鋼鐵生產的最重要的任務之一。

      在此過程中,我們最關心的是三個“界面”和三個溫度區間,以及熱軋后剩余熱量的利用。

      第一個界面是連鑄與熱軋的銜接點。

      采用連鑄之后,加熱爐加熱溫度通常不超過1250℃。這是目前絕大多數企業里的現實情況。這種情況會造成下述不良后果:①重新加熱,造成能耗提高,浪費資源,增加排放;②重新加熱后連鑄坯的溫度分布為“外熱內冷”,與連鑄后的“外冷內熱”狀態恰好相反,采用前者就失去了一個利用后者改善坯料內部質量的大好時機;③失去利用鑄坯心部的1250-1450℃高溫粘塑性區的變形改善材料組織、性能的機會。

      如果在連鑄機內最終凝固點附近進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,則完全有可能實現免加熱直接軋制。這是一個節能減排、提高質量的重要思想。如果設法實現連鑄與軋機的產量平衡,則甚至可以實現無頭軋制。無頭軋制在材料加工過程的穩定化方面有巨大的優勢,是不言自明的。此為第一界面的優化。

      第二個界面是熱軋與后續熱處理之間的銜接點。

      如果熱軋之后,軋件還要進行離線熱處理(例如調質熱處理),則可以考慮利用熱軋之后的余熱進行在線淬火,然后再進行離線或在線回火。這樣,可以減少一次加熱,其節能、減排的效果顯而易見。

      第三個界面是熱軋后的冷卻與后續冷軋過程的銜接。

      對于含碳量較高的HSLA、DP等鋼種,如果熱軋后還要繼續進行冷軋和熱處理,則熱軋后的冷卻過程需給予特別的注意。如果這些鋼種熱軋后未達到一定的冷卻速率,會發生部分珠光體相變。這就意味著發生了比較充分的擴散,珠光體中偏聚了較多的碳。隨后進行冷軋,碳繼續維持它的偏聚狀態。在擴散不是很充分的連續退火過程后的冷卻過程中,偏聚碳較多的部位,轉變為含有拉長的珠光體的帶狀組織,造成鋼材沖壓等性能劣化,出現沖壓裂紋等缺陷。針對這一問題,這類鋼材熱軋后,以適當高的冷卻速率冷卻,可以抑制珠光體產生,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。同時組織細化、析出物尺寸細小,材料的強度得以提高,而塑性得以改善。

      三個重要的組織轉變溫度區間分別是再結晶溫度區間、碳氮化物析出溫度區間、相變溫度區間。如果打算利用某個組織演變過程,就可以在該演變的溫度區間保溫(或空冷),如果想要避開該種組織演變過程,則可以快速冷卻通過該溫度區間。由于不同的材料,會有不同的組織演變規律,所以,調整材料組織演變的溫度制度必須量身定做,這將是一個巨大的工程,智能化可以在此派上用場。因此,進行全流程控制,應配置可以靈活進行組織控制的全軋程冷卻系統。

      最后,關于熱軋后剩余熱量的利用,是目前尚未解決的問題。熱軋鋼材一般在600℃左右結束控制冷卻過程,采用何種方法,利用這部分余熱,是尚待攻克的問題?,F在尚未見有好的處理方法。

      4)鋼鐵生產全流程一體化的變形控制

      對熱軋變形的控制,必須與對溫度的控制結合起來。傳統的變形過程主要發生在1200℃以下,熱軋前的加熱溫度通常不會超過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“外冷內熱”狀態,則可以將開軋溫度推到更高,將變形溫度區間提高到固相線溫度和常規開軋溫度之間,實現心部組織的粘塑性變形,能夠達到節能、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,可以實行不同的負荷分配,從而進行材料組織和性能的調控。

      軋制負荷分配是控制軋制的重要手段。根據每一個鋼種的物理冶金特點,與軋制過程中的即時冷卻及軋制之后的控制冷卻相配合,進行全流程、一體化的負荷分配的優化,將會進一步提升控軋控冷的效果,提高材料的性能。

    來源:世界金屬導報

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