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，必須針對每一個工藝環(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）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
談鋼鐵材料開發(fā)，離不開材料開發(fā)的四面體關(guān)系。材料的“成分、工藝、組織、性能”這四個要素構(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(fā)過程中，我們要把這個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，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(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)品的升級換代和高端產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)，都要遵循綠色化理念。由此可見，關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新與開發(fā)，在新材料的開發(fā)中占據(jù)了越來越重要的地位，材料和產(chǎn)品開發(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，是過去幾十年來不斷開發(fā)出來的，由于開發(fā)當(dāng)時技術(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)問題已經(jīng)迫在眉睫，資源、能源問題更是刻不容緩，過去幾十年發(fā)展起來的技術(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，為對這些產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程進(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)行這樣一場革命！
2）實(shí)行“精料方針”和“源頭治理”
鋼鐵生產(chǎn)過程最重要的任務(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。現(xiàn)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(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、精煉過程中一點(diǎn)點(diǎn)除去。針對這種情況，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%的超級鐵精礦可以制取出來。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，對所有的技術(shù)方案，都要針對資源消耗、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(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。
在此過程中，我們最關(guān)心的是三個“界面”和三個溫度區(qū)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(diǎn)。
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(shù)企業(yè)里的現(xiàn)實(shí)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(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利用后者改善坯料內(nèi)部質(zhì)量的大好時機(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。
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)無頭軋制。無頭軋制在材料加工過程的穩(wěn)定化方面有巨大的優(yōu)勢，是不言自明的。此為第一界面的優(yōu)化。
第二個界面是熱軋與后續(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。
第三個界面是熱軋后的冷卻與后續(xù)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(xù)進(jìn)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(dá)到一定的冷卻速率，會發(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)退火過程后的冷卻過程中，偏聚碳較多的部位，轉(zhuǎn)變?yōu)楹欣L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。針對這一問題，這類鋼材熱軋后，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。如果打算利用某個組織演變過程，就可以在該演變的溫度區(qū)間保溫（或空冷），如果想要避開該種組織演變過程，則可以快速冷卻通過該溫度區(qū)間。由于不同的材料，會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，這將是一個巨大的工程，智能化可以在此派上用場。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題。熱軋鋼材一般在600℃左右結(jié)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。現(xiàn)在尚未見有好的處理方法。
4）鋼鐵生產(chǎn)全流程一體化的變形控制
對熱軋變形的控制，必須與對溫度的控制結(jié)合起來。傳統(tǒng)的變形過程主要發(fā)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(nèi)熱”狀態(tài)，則可以將開軋溫度推到更高，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)每一個鋼種的物理冶金特點(diǎn)，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(jìn)行全流程、一體化的負(fù)荷分配的優(yōu)化，將會進(jìn)一步提升控軋控冷的效果，提高材料的性能。
1.2鋼鐵生產(chǎn)流程的融合與柔性化
1）煉鐵工藝路線選擇
傳統(tǒng)流程高爐占據(jù)主導(dǎo)地位，過去高爐流程所用原料為燒結(jié)礦（+球團(tuán)）、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(chǎn)碳排放的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。近年以減少碳排放為目標(biāo)，高爐開始由使用化石能源向富氫噴吹、應(yīng)用生物質(zhì)材料等轉(zhuǎn)變。
以碳還原為主的直接還原、熔融還原等非高爐煉鐵技術(shù)，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(yīng)減排需要，轉(zhuǎn)向提高氫還原的比例。其中氣基豎爐直接還原技術(shù)，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(jīng)達(dá)到單臺設(shè)備250萬-300萬噸/年的產(chǎn)量規(guī)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(diǎn)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(yīng)該得到較大的發(fā)展。
超高溫核反應(yīng)堆（VHTR）的反應(yīng)產(chǎn)物是氫與電能。有人建議，利用核反應(yīng)產(chǎn)生的氫在流化床上還原粉礦，然后制成熱壓塊，只產(chǎn)生非常少的CO2排放。核反應(yīng)產(chǎn)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(yīng)提高轉(zhuǎn)爐與電爐的原料適應(yīng)性。轉(zhuǎn)爐是我國的主要煉鋼設(shè)備，應(yīng)加強(qiáng)廢鋼預(yù)熱處理技術(shù)研究開發(fā)，以適應(yīng)廢鋼逐年增加的趨勢。
國際范圍內(nèi)，特別是強(qiáng)調(diào)環(huán)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(jìn)行高效預(yù)熱和連續(xù)加料的智能電弧爐煉鋼得到大力發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到較好水平。墨西哥Hylsa公司投產(chǎn)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(chǎn)成本降低20%左右。CO2排放降低30%以上。其生產(chǎn)成本和轉(zhuǎn)爐煉鋼可以媲美，環(huán)境效應(yīng)甚佳，具有全原料適應(yīng)性。我國“十三五”項(xiàng)目將用余熱對廢鋼進(jìn)行高效預(yù)熱和連續(xù)加料的智能電弧爐煉鋼列入研究計劃，正在開展相關(guān)研究。
此外，還有人建議開發(fā)電爐-轉(zhuǎn)爐可以轉(zhuǎn)換的電轉(zhuǎn)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(shù)本身就是全流程、一體化先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，例如：薄板坯連鑄連軋無頭軋制技術(shù)、薄帶連鑄無頭軋制技術(shù)。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(xù)的生產(chǎn)過程，前工序明顯地顯示出對后工序的強(qiáng)烈的、關(guān)鍵性的影響。如果我們能夠利用前工序的優(yōu)勢，為后工序的組織控制提供條件，令其效果在后工序顯現(xiàn)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(wěn)恒軋制過程，適于精確組織調(diào)控，開發(fā)薄規(guī)格先進(jìn)高強(qiáng)鋼，實(shí)現(xiàn)“以熱代冷”。我國山東日照鋼鐵引進(jìn)的薄帶無頭軋制生產(chǎn)線，鑄坯厚度70-90mm，7m/s的高拉速，最小產(chǎn)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(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是，這是一個穩(wěn)恒軋制過程，適于穩(wěn)定的精確組織調(diào)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(zhì)元素的固溶程度，以及夾雜物、析出物的尺寸、分布及數(shù)量等，凝固末期進(jìn)行的超高溫粘塑性區(qū)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(qū)變形的優(yōu)勢，具有重要意義。當(dāng)然，鑄后的熱履歷也將關(guān)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(jìn)行總體全流程分析，才會更清晰地揭露組織演變的規(guī)律，指導(dǎo)工藝制度的制定、生產(chǎn)裝備的設(shè)計與制造，以及對再結(jié)晶、析出、相變的控制，從而達(dá)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(yīng)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(zhì)量問題，使長期困擾鋼鐵企業(yè)厚、大規(guī)格產(chǎn)品心部質(zhì)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(dá)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(fā)的納米鋼生產(chǎn)技術(shù)，巧妙地將薄帶連鑄的快速凝固特點(diǎn)加以利用，加大合金元素及夾雜物形成元素的固溶度，并進(jìn)而控制析出物及夾雜物的尺寸。通過薄帶連鑄技術(shù)與隨后熱軋-冷軋-熱處理技術(shù)的合理匹配，利用P-Group元素的析出物（實(shí)際是夾雜物的微細(xì)析出）來細(xì)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(qiáng)度分別可以達(dá)到 EL=50%、TS=1200MPa，可應(yīng)用于生產(chǎn)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(shí)例。
利用薄帶連鑄制備超高性能硅鋼的E2-Strip技術(shù)，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(shù)采用了全新的減量化生產(chǎn)工藝和成分設(shè)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(chǎn)品性能優(yōu)良、生產(chǎn)成本低廉、節(jié)能減排低耗、環(huán)境友好綠色”。
例如對于取向硅鋼，利用MnS等微細(xì)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，控制常化等熱處理過程的參數(shù)，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(jié)晶的晶界，細(xì)化晶粒。這種細(xì)化的初次再結(jié)晶組織，為隨后的二次再結(jié)晶晶粒長大，提供了非常良好的基礎(chǔ)。
這一過程中，前后工序連續(xù)且互相呼應(yīng)與協(xié)調(diào)，實(shí)行一體化控制，是獲得理想組織和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一體化控制獲得的薄帶連鑄快速凝固的優(yōu)勢，決定了薄帶連鑄的產(chǎn)品定位，即它非常適于開發(fā)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(xì)析出釘扎凝固組織晶粒邊界，防止晶粒長大，獲得細(xì)化結(jié)晶組織。該過程對于防止成分偏析，防止熱軋裂紋缺陷發(fā)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(chǎn)流程進(jìn)行簡化，實(shí)現(xiàn)能源和資源的節(jié)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(nèi)容。
1）開發(fā)與應(yīng)用無酸洗還原退火熱軋鍍鋅板生產(chǎn)技術(shù)
開發(fā)熱軋帶鋼免酸洗還原熱鍍鋅工藝，代替原工藝的酸洗和預(yù)氧化工序，能極大地提高生產(chǎn)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(xiàng)技術(shù)可以與薄帶連鑄技術(shù)組合，構(gòu)成薄帶連鑄+無酸洗熱鍍鋅技術(shù)，生產(chǎn)熱鍍鋅熱軋板。整體產(chǎn)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(nèi)H2濃度為20%-30%。這項(xiàng)工藝的優(yōu)勢在于：縮短工藝流程，取消酸洗和預(yù)氧化工序；提高生產(chǎn)效率20%-30%；降低生產(chǎn)成本10%-20%；避免內(nèi)氧化層造成帶鋼缺陷，新型涂層成分提高耐蝕性與產(chǎn)品質(zhì)量；消除酸洗工序帶來的污染，減少碳排放，環(huán)境效益巨大。
2）高強(qiáng)鋼直接淬火（DQ）生產(chǎn)工藝
在熱軋線軋機(jī)出口采用超快冷系統(tǒng)后，采用在線快速冷卻，實(shí)現(xiàn)直接淬火，再進(jìn)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(qiáng)鋼的減量化生產(chǎn)工藝。
來源：世界金屬導(dǎo)報
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