王国栋院士:钢铁生产的流程还有哪些可以改变?(二)
  发布时间:2017年12月27日 点击数:

1.2钢铁生产流程的融合与柔性化

1)炼铁工艺路线选择

传统流程高炉占据主导地位,过去高炉流程所用原料为烧结矿(+球团)、焦炭、喷煤(+氧气)。所以,高炉流程最大的问题是以碳为还原剂,这成为钢铁生产碳排放的重点环节。近年以减少碳排放为目标,高炉开始由使用化石能源向富氢喷吹、应用生物质材料等转变。

以碳还原为主的直接还原、熔融还原等非高炉炼铁技术,尽管可以大幅减少SOx、NOx的排放,但是只能在有限的程度上减排二氧化碳。由于近年减少碳排放的压力剧增,所以近年非高炉炼铁的新趋势是从适应减排需要,转向提高氢还原的比例。其中气基竖炉直接还原技术,可以灵活地选用不同比例的煤制气、天然气、氢作为还原剂,且目前已经达到单台设备250万-300万吨/年的产量规模,特别受到各方面的重视。高炉炼铁和非高炉炼铁的共同融合点是提高氢气的比例。出于减排的需要,今后非高炉炼铁,特别是以氢为原料的气基竖炉直接还原炼铁,应该得到较大的发展。

超高温核反应堆(VHTR)的反应产物是氢与电能。有人建议,利用核反应产生的氢在流化床上还原粉矿,然后制成热压块,只产生非常少的CO2排放。核反应产生的电能则可以用于电炉,以热压块为原料,炼出低成本钢水。

2)炼钢工艺路线选择

近年随着我国废钢的增加,应提高转炉与电炉的原料适应性。转炉是我国的主要炼钢设备,应加强废钢预热处理技术研究开发,以适应废钢逐年增加的趋势。

国际范围内,特别是强调环境和减排、废钢充足、电价低廉的国家,可以利用余热对废钢进行高效预热和连续加料的智能电弧炉炼钢得到大力发展,生产技术经济指标达到较好水平。墨西哥Hylsa公司投产普瑞特提供的出钢量100t的EAF Quantum电弧炉,采用成熟的竖式电弧炉,吨钢电耗280kWh,出钢周期缩短至36min,单位生产成本降低20%左右。CO2排放降低30%以上。其生产成本和转炉炼钢可以媲美,环境效应甚佳,具有全原料适应性。我国“十三五”项目将用余热对废钢进行高效预热和连续加料的智能电弧炉炼钢列入研究计划,正在开展相关研究。

此外,还有人建议开发电炉-转炉可以转换的电转炉,但是需考虑精炼装置与炼钢装置的匹配。

1.3短流程Mini-Mill

短流程技术本身就是全流程、一体化先进生产技术,例如:薄板坯连铸连轧无头轧制技术、薄带连铸无头轧制技术。它们将冶炼、连铸、轧制甚至热处理刚性地整合成一个前后贯通、连续的生产过程,前工序明显地显示出对后工序的强烈的、关键性的影响。如果我们能够利用前工序的优势,为后工序的组织控制提供条件,令其效果在后工序显现出来,则可以解决许多单一工序难以解决的棘手问题。

1)薄板坯连铸连轧无头轧制

薄板坯无头轧制是低成本、高性能的稳恒轧制过程,适于精确组织调控,开发薄规格先进高强钢,实现“以热代冷”。我国山东日照钢铁引进的薄带无头轧制生产线,铸坯厚度70-90mm,7m/s的高拉速,最小产品厚度0.8mm。该过程大幅降低氧化烧损,无切头、尾损失;能耗降低45%;中间保温-均温装置温度维持1100-1200℃。特别应当强调的是,这是一个稳恒轧制过程,适于稳定的精确组织调控。

薄板坯连铸连轧无头轧制的较快速凝固过程,自然会影响到凝固组织与晶粒尺寸、合金元素及杂质元素的固溶程度,以及夹杂物、析出物的尺寸、分布及数量等,凝固末期进行的超高温粘塑性区热轧过程,对于改善铸坯的心部组织具有重要作用。所以,挖掘薄板坯连铸连轧无头轧制较快速凝固和高温粘塑性区变形的优势,具有重要意义。当然,铸后的热履历也将关系到能源的消耗和最终的材料组织与性能。所以,对这一过程进行总体全流程分析,才会更清晰地揭露组织演变的规律,指导工艺制度的制定、生产装备的设计与制造,以及对再结晶、析出、相变的控制,从而达到改善组织、提高性能的目的。

对于厚板坯和大方坯来讲,连铸坯凝固末端的轧制过程更为重要,它的应用直接解决了厚板坯中心层或大方坯心部疏松、偏析、夹杂等质量问题,使长期困扰钢铁企业厚、大规格产品心部质量问题得到根本性的改善。

2)薄带连铸过程

薄带连铸过程是冷却速度达到102-104K/s的亚快速凝固过程,也是无头轧制,适于制备超高性能硅钢等难变形、易偏析、高合金材料。

美国Nanosteel公司利用薄带连铸开发的纳米钢生产技术,巧妙地将薄带连铸的快速凝固特点加以利用,加大合金元素及夹杂物形成元素的固溶度,并进而控制析出物及夹杂物的尺寸。通过薄带连铸技术与随后热轧-冷轧-热处理技术的合理匹配,利用P-Group元素的析出物(实际是夹杂物的微细析出)来细化组织,获得了晶粒为纳米级尺寸的纳米钢。其典型的塑性和抗拉强度分别可以达到 EL=50%、TS=1200MPa,可应用于生产汽车用AHSS。这是一个通过短流程控制使有害非金属元素有益化的实例。

利用薄带连铸制备超高性能硅钢的E2-Strip技术,主攻方向是Si含量为0.5%-6.5%的高性能取向和无取向硅钢铸带。该技术采用了全新的减量化生产工艺和成分设计,获得了其他工艺难以企及的无取向和取向电工钢性能,真正做到“产品性能优良、生产成本低廉、节能减排低耗、环境友好绿色”。

例如对于取向硅钢,利用MnS等微细析出物作为抑制剂。依赖快速凝固的铸轧过程,可以抑制MnS等在凝固过程中的析出。而在随后的热处理过程中,控制常化等热处理过程的参数,例如加热温度与时间,可以得到适宜的析出物尺寸,用来钉扎取向硅钢初次再结晶的晶界,细化晶粒。这种细化的初次再结晶组织,为随后的二次再结晶晶粒长大,提供了非常良好的基础。

这一过程中,前后工序连续且互相呼应与协调,实行一体化控制,是获得理想组织和性能的关键环节。一体化控制获得的薄带连铸快速凝固的优势,决定了薄带连铸的产品定位,即它非常适于开发高端、特种、难变形、易偏析、高合金材料。采用快速凝固,可以抑制夹杂物的大颗粒析出,利用夹杂物的微细析出钉扎凝固组织晶粒边界,防止晶粒长大,获得细化结晶组织。该过程对于防止成分偏析,防止热轧裂纹缺陷发生,提高加工塑性,降低变形抗力,提高材料的热加工能力具有重要意义。

1.4流程减量化

对生产流程进行简化,实现能源和资源的节约、减少污染和排放、材料性能的提升,是全流程、一体化的重要内容。

1)开发与应用无酸洗还原退火热轧镀锌板生产技术

开发热轧带钢免酸洗还原热镀锌工艺,代替原工艺的酸洗和预氧化工序,能极大地提高生产效率、降低成本,同时可以很好地消除由于合金元素选择性氧化造成的镀层缺陷。

这项技术可以与薄带连铸技术组合,构成薄带连铸+无酸洗热镀锌技术,生产热镀锌热轧板。整体产线长度196m,其中薄带连铸工序长度40m,还原热处理炉全长95m,带钢有效还原时间3min左右;炉内H2浓度为20%-30%。这项工艺的优势在于:缩短工艺流程,取消酸洗和预氧化工序;提高生产效率20%-30%;降低生产成本10%-20%;避免内氧化层造成带钢缺陷,新型涂层成分提高耐蚀性与产品质量;消除酸洗工序带来的污染,减少碳排放,环境效益巨大。

2)高强钢直接淬火(DQ)生产工艺

在热轧线轧机出口采用超快冷系统后,采用在线快速冷却,实现直接淬火,再进行离线或在线回火。这种直接淬火工艺成本低、流程短、易焊接,是高强钢的减量化生产工艺。

来源:世界金属导报

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