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    王國棟院士:鋼鐵生產的流程還有哪些可以改變?(二)
      發布時間:2021年06月14日 點擊數:

      1.2鋼鐵生產流程的融合與柔性化

      1)煉鐵工藝路線選擇

      傳統流程高爐占據主導地位,過去高爐流程所用原料為燒結礦(+球團)、焦炭、噴煤(+氧氣)。所以,高爐流程最大的問題是以碳為還原劑,這成為鋼鐵生產碳排放的重點環節。近年以減少碳排放為目標,高爐開始由使用化石能源向富氫噴吹、應用生物質材料等轉變。

      以碳還原為主的直接還原、熔融還原等非高爐煉鐵技術,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是從適應減排需要,轉向提高氫還原的比例。其中氣基豎爐直接還原技術,可以靈活地選用不同比例的煤制氣、天然氣、氫作為還原劑,且目前已經達到單臺設備250萬-300萬噸/年的產量規模,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,應該得到較大的發展。

      超高溫核反應堆(VHTR)的反應產物是氫與電能。有人建議,利用核反應產生的氫在流化床上還原粉礦,然后制成熱壓塊,只產生非常少的CO2排放。核反應產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

      近年隨著我國廢鋼的增加,應提高轉爐與電爐的原料適應性。轉爐是我國的主要煉鋼設備,應加強廢鋼預熱處理技術研究開發,以適應廢鋼逐年增加的趨勢。

      國際范圍內,特別是強調環境和減排、廢鋼充足、電價低廉的國家,可以利用余熱對廢鋼進行高效預熱和連續加料的智能電弧爐煉鋼得到大力發展,生產技術經濟指標達到較好水平。墨西哥Hylsa公司投產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,單位生產成本降低20%左右。CO2排放降低30%以上。其生產成本和轉爐煉鋼可以媲美,環境效應甚佳,具有全原料適應性。我國“十三五”項目將用余熱對廢鋼進行高效預熱和連續加料的智能電弧爐煉鋼列入研究計劃,正在開展相關研究。

      此外,還有人建議開發電爐-轉爐可以轉換的電轉爐,但是需考慮精煉裝置與煉鋼裝置的匹配。

      1.3短流程Mini-Mill

      短流程技術本身就是全流程、一體化先進生產技術,例如:薄板坯連鑄連軋無頭軋制技術、薄帶連鑄無頭軋制技術。它們將冶煉、連鑄、軋制甚至熱處理剛性地整合成一個前后貫通、連續的生產過程,前工序明顯地顯示出對后工序的強烈的、關鍵性的影響。如果我們能夠利用前工序的優勢,為后工序的組織控制提供條件,令其效果在后工序顯現出來,則可以解決許多單一工序難以解決的棘手問題。

      1)薄板坯連鑄連軋無頭軋制

      薄板坯無頭軋制是低成本、高性能的穩恒軋制過程,適于精確組織調控,開發薄規格先進高強鋼,實現“以熱代冷”。我國山東日照鋼鐵引進的薄帶無頭軋制生產線,鑄坯厚度70-90mm,7m/s的高拉速,最小產品厚度0.8mm。該過程大幅降低氧化燒損,無切頭、尾損失;能耗降低45%;中間保溫-均溫裝置溫度維持1100-1200℃。特別應當強調的是,這是一個穩恒軋制過程,適于穩定的精確組織調控。

      薄板坯連鑄連軋無頭軋制的較快速凝固過程,自然會影響到凝固組織與晶粒尺寸、合金元素及雜質元素的固溶程度,以及夾雜物、析出物的尺寸、分布及數量等,凝固末期進行的超高溫粘塑性區熱軋過程,對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頭軋制較快速凝固和高溫粘塑性區變形的優勢,具有重要意義。當然,鑄后的熱履歷也將關系到能源的消耗和最終的材料組織與性能。所以,對這一過程進行總體全流程分析,才會更清晰地揭露組織演變的規律,指導工藝制度的制定、生產裝備的設計與制造,以及對再結晶、析出、相變的控制,從而達到改善組織、提高性能的目的。

      對于厚板坯和大方坯來講,連鑄坯凝固末端的軋制過程更為重要,它的應用直接解決了厚板坯中心層或大方坯心部疏松、偏析、夾雜等質量問題,使長期困擾鋼鐵企業厚、大規格產品心部質量問題得到根本性的改善。

      2)薄帶連鑄過程

      薄帶連鑄過程是冷卻速度達到102-104K/s的亞快速凝固過程,也是無頭軋制,適于制備超高性能硅鋼等難變形、易偏析、高合金材料。

      美國Nanosteel公司利用薄帶連鑄開發的納米鋼生產技術,巧妙地將薄帶連鑄的快速凝固特點加以利用,加大合金元素及夾雜物形成元素的固溶度,并進而控制析出物及夾雜物的尺寸。通過薄帶連鑄技術與隨后熱軋-冷軋-熱處理技術的合理匹配,利用P-Group元素的析出物(實際是夾雜物的微細析出)來細化組織,獲得了晶粒為納米級尺寸的納米鋼。其典型的塑性和抗拉強度分別可以達到 EL=50%、TS=1200MPa,可應用于生產汽車用AHSS。這是一個通過短流程控制使有害非金屬元素有益化的實例。

      利用薄帶連鑄制備超高性能硅鋼的E2-Strip技術,主攻方向是Si含量為0.5%-6.5%的高性能取向和無取向硅鋼鑄帶。該技術采用了全新的減量化生產工藝和成分設計,獲得了其他工藝難以企及的無取向和取向電工鋼性能,真正做到“產品性能優良、生產成本低廉、節能減排低耗、環境友好綠色”。

      例如對于取向硅鋼,利用MnS等微細析出物作為抑制劑。依賴快速凝固的鑄軋過程,可以抑制MnS等在凝固過程中的析出。而在隨后的熱處理過程中,控制?;葻崽幚磉^程的參數,例如加熱溫度與時間,可以得到適宜的析出物尺寸,用來釘扎取向硅鋼初次再結晶的晶界,細化晶粒。這種細化的初次再結晶組織,為隨后的二次再結晶晶粒長大,提供了非常良好的基礎。

      這一過程中,前后工序連續且互相呼應與協調,實行一體化控制,是獲得理想組織和性能的關鍵環節。一體化控制獲得的薄帶連鑄快速凝固的優勢,決定了薄帶連鑄的產品定位,即它非常適于開發高端、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,利用夾雜物的微細析出釘扎凝固組織晶粒邊界,防止晶粒長大,獲得細化結晶組織。該過程對于防止成分偏析,防止熱軋裂紋缺陷發生,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

      對生產流程進行簡化,實現能源和資源的節約、減少污染和排放、材料性能的提升,是全流程、一體化的重要內容。

      1)開發與應用無酸洗還原退火熱軋鍍鋅板生產技術

      開發熱軋帶鋼免酸洗還原熱鍍鋅工藝,代替原工藝的酸洗和預氧化工序,能極大地提高生產效率、降低成本,同時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。

      這項技術可以與薄帶連鑄技術組合,構成薄帶連鑄+無酸洗熱鍍鋅技術,生產熱鍍鋅熱軋板。整體產線長度196m,其中薄帶連鑄工序長度40m,還原熱處理爐全長95m,帶鋼有效還原時間3min左右;爐內H2濃度為20%-30%。這項工藝的優勢在于:縮短工藝流程,取消酸洗和預氧化工序;提高生產效率20%-30%;降低生產成本10%-20%;避免內氧化層造成帶鋼缺陷,新型涂層成分提高耐蝕性與產品質量;消除酸洗工序帶來的污染,減少碳排放,環境效益巨大。

      2)高強鋼直接淬火(DQ)生產工藝

      在熱軋線軋機出口采用超快冷系統后,采用在線快速冷卻,實現直接淬火,再進行離線或在線回火。這種直接淬火工藝成本低、流程短、易焊接,是高強鋼的減量化生產工藝。

    來源:世界金屬導報

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