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    1. 改革開放40年煉鋼技術回顧與展望——未來要致力于原始創新和技術集成

      發布時間:2018-12-05 02:37      

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      劉瀏

      1978年十一屆三中全會正式拉開了改革開放新時期的序幕。當時,國內煉鋼技術受到各種因素的制約,嚴重影響轉爐的生產效率。隨著改革開放的不斷深入,國內煉鋼技術發生了天翻地覆的改變,不僅實現了轉爐大型化、高效化發展,建立了現代化煉鋼流程,而且實現了煉鋼技術的重大創新??梢哉f,40年改革開放讓國內煉鋼技術得到了高速發展,也取得了舉世矚目的成就。

      煉鋼技術得到高速發展

      40年前,國內煉鋼技術可以用“小、慢、差、費”4個字形容:

      “小”———爐容量小,多數轉爐容量為15噸~30噸。當時的攀鋼、本鋼和鞍鋼自主建設了120噸轉爐和180噸轉爐,但由于爐容小限制了轉爐高效生產,且存在設計落后、施工質量差等原因,大型轉爐未能很好地發揮其生產能力。

      “慢”———生產工序不配套,完全采用鑄錠工藝。鑄錠凝固時間長、工序復雜、勞動強度高,不僅經常造成“漏鋼”“跑鋼”等生產事故,而且嚴重制約了轉爐生產效率的發揮。這也成為高效化生產的技術瓶頸。

      “差”———產品質量差、品種少。當時,我國尚未建立合理的潔凈鋼生產流程,缺乏爐外精煉和鐵水預處理工序,而單純依靠轉爐很難保證產品質量。鋼水純凈度低,鋼中雜質總量≥500ppm。

      “費”———產品能耗高、消耗高、成本高,污染嚴重。當時,多數轉爐除塵采用燃燒法,不進行煤氣回收,煉鋼工序能耗高達30千克標準煤/噸;缺乏必要的除塵設備,氧化粉塵形成滾滾紅煙,嚴重污染環境。

      而改革開放使國內煉鋼技術發生了天翻地覆的改變。

      一是轉爐實現大型化、高效化。目前國內已完全淘汰了30噸以下的小轉爐,絕大多數轉爐容量超過100噸,最大轉爐容量為350噸。在大型化基礎上,我國轉爐進一步實現了生產高效化。以生產建筑鋼材的轉爐流程為例,其冶煉周期縮短至26分鐘,單座轉爐冶煉爐數超過50爐/日,年作業率超過90%。不少大型轉爐配備了副槍等自動吹煉設施,實現了“一鍵式”自動煉鋼。絕大多數轉爐采用復合吹煉工藝提高鋼水質量,復吹爐齡超過10000爐。轉爐生產技術達到國際先進水平。

      二是多元化全連鑄生產。改革開放40年來,我國連鑄經歷了以下變化:從無到有;從單一機型發展到包括薄板坯、薄帶坯等各種機型;從只能澆注普通鋼種發展到可生產硅鋼、不銹鋼、IF鋼等全部高附加值產品;從引進國外鑄機發展到可以自主設計和制造各種類型的小方坯、大方坯、圓坯、板坯和特厚板坯等多種連鑄機型,滿足國內生產并大量出口。我國通過全連鑄、高速連鑄、薄板坯連鑄和無缺陷鑄坯生產等國家級技術攻關,使連鑄技術迅速發展,連鑄比超過95%,達到發達國家的技術水平,形成我國具備多種連鑄機型(幾乎囊括全世界所有機型)、掌握多品種連鑄工藝的多元化發展特色。

      三是建立現代化煉鋼流程。目前,國內絕大多數鋼廠均已建立現代化煉鋼流程,即鐵水運輸“一包到底”—鐵水脫硫—轉爐復合吹煉—爐外精煉—連鑄—連軋;在滿足各類鋼材質量要求的前提下,實現高效低成本生產。例如,普通建筑鋼材采用轉爐—吹氬—連鑄—熱送—連軋流程,IF鋼、無取向電工鋼等超低碳鋼采用脫硫—轉爐—RH—連鑄—熱送—連軋工藝流程,軸承鋼、齒輪鋼等嚴格控制鋼中夾雜物的鋼種采用(脫硫)—轉爐—LF—RH—連鑄—低溫熱送—連軋流程。鋼材純凈度達到250ppm以下,許多品種可以降低到100ppm以下,最低為65ppm,接近國際先進水平。

      四是實現綠色化生產。國內轉爐已全部實現煤氣、蒸汽回收,噸鋼煤氣回收量一般為110標準立方米,最高為130標準立方米;蒸汽回收量一般為60千克/噸,最高為75千克/噸。高效化生產大幅度降低了煉鋼能耗,使煉鋼工序能耗降到-26千克標準煤/噸,實現“負能煉鋼”。在OG法除塵(濕法除塵)基礎上,絕大多數轉爐已采用干法或半干法除塵工藝,取消了污泥、污水處理環節;除塵后轉爐煙氣含塵量由100毫克/標準立方米降低到≤20毫克/標準立方米。以提高轉爐脫磷效率為中心,不少鋼廠研究開發少渣冶煉工藝,石灰消耗量從55千克~60千克/噸降低到25千克~30千克/噸,渣量從110千克/噸下降到70千克/噸左右;研究開發多種轉爐渣處理和循環利用技術,基本實現爐渣零排放。

      煉鋼技術取得多項重大創新成果

      我國煉鋼技術的巨大變革離不開技術創新。改革開放40年來,我國鋼鐵工業始終遵循引進、消化、再創新的科技發展方針大力開展煉鋼工藝技術創新,通過引進國外先進生產設備,消化吸收國外先進生產經驗,逐步建立起新的技術理念,并結合國內實際情況和各鋼廠的具體實踐進行再創新。40年來,國內煉鋼領域取得了多項重大技術創新成果。

      一是濺渣護爐與長壽復吹工藝。濺渣護爐是美國發明的一項重大工藝技術,將轉爐爐齡從2000爐提高到10000爐以上。我國是全世界最早引進該項先進技術的國家,并在全國范圍內大量推廣。國內學者首先研究證明不同煉鋼產品和生產工藝所形成的濺渣層及與爐襯相結合的機理完全不同,由此提出低碳高FeO高MgO爐渣(美國發明)和高碳低FeO高堿度爐渣兩種濺渣工藝,分別適合于低碳鋼和中高碳鋼冶煉,完善并發展了濺渣護爐工藝;進一步優化大中小各類轉爐的濺渣操作,解決了爐膛變形和爐口大量粘渣的技術難題。我國自主研發了利用濺渣護爐形成透氣性蘑菇頭保護復吹轉爐底部噴嘴的工藝技術,解決了復吹轉爐底部噴嘴壽命無法與濺渣后轉爐壽命同步的世界性難題。通過這些技術創新,我國轉爐爐齡普遍超過10000爐,最高達到30000爐,底吹噴嘴壽命基本與濺渣后轉爐壽命同步,整個爐役期內終點鋼水[C]·[O]在0.0023%~0.0027%波動。

      二是薄板坯連鑄連軋高效化生產技術。薄板坯連鑄連軋新工藝與裝備技術最先由歐洲開發,與電爐聯合生產。我國是在自主研發薄板坯連鑄連軋工藝的基礎上,引進了國外技術,并實施了世界首次將薄板坯連鑄連軋工藝與轉爐生產相結合。在引進基礎上,我國根據轉爐高效化生產特點創造了世界薄板坯連鑄連軋產量最高紀錄和生產效率的最佳紀錄。薄板坯連鑄連軋的生產能力從150萬噸/年提高到250萬噸~300萬噸/年。與此同時,我國還開展了薄板坯連鑄連軋新產品的開發工作,可以生產高強鋼、深沖鋼、無取向和取向電工鋼等高端產品。我國已成為全世界薄板坯連鑄連軋生產線配備最多、生產能力最大、機型最齊全(包括CSP、ESP、Castrip等)的國家。

      三是“負能煉鋼”工藝與裝備技術?!柏撃軣掍摗辈⒎菄栏竦臒崃W定義,最初由日本學者提出,主要是指轉爐回收煤氣、蒸汽的熱量大于煉鋼消耗的能量。國內最早由寶鋼開始推行,至2000年在全國范圍內大量應用,逐步提升技術水平。國內“負能煉鋼”技術進步分為3個階段:第一階段為轉爐“負能煉鋼”,主要工作是實現煤氣回收和降低煉鋼能源消耗。第二階段為煉鋼廠“負能煉鋼”,以建立現代化煉鋼流程為基礎,通過高效化冶煉和全連鑄生產,使包括轉爐、精煉和連鑄在內的整個煉鋼車間生產能耗小于轉爐回收的熱量。第三階段是煉鋼—軋鋼全線“負能生產”,目前某些生產建筑用鋼的小型鋼廠采用高速連鑄技術提高出坯溫度實現鑄坯直軋,取消加熱爐,達到煉鋼—軋鋼全線“負能生產”。采用以上技術,我國轉爐“負能煉鋼”的最佳水平可達到-26千克標準煤/噸,整個煉鋼車間可達到-2千克標準煤/噸~ -3千克標準煤/噸。

      四是高效低成本潔凈鋼生產技術。高效低成本潔凈鋼生產技術最初由日本提出,其核心是開發采用鐵水“三脫”(脫硅、脫硫、脫磷)預處理工藝使轉爐全部產品的雜質總量≤100ppm,生產效率比傳統轉爐提高1倍,生產成本不高于傳統轉爐普通鋼生產。根據國內煉鋼廠的技術裝備水平,開發采用高效低成本潔凈鋼生產流程的基本特點是根據不同品質鋼材的質量要求采用最經濟、最高效的生產工藝,提高產品的競爭力(見表1)。雖然國內高效低成本潔凈鋼生產工藝與日本的同類工藝相比,在產品質量和生產效率方面尚有一定差距,但與其他國家相比仍具有較強的市場競爭力。技術創新方式須轉變

      今后20年,是我國鋼鐵工業從大國轉變為技術強國的歷史時期,關鍵是要實現技術創新方式的轉變,即由學習借鑒國外先進經驗再創新的方式轉變為自主創新,向國外輸出先進工藝技術,引領國際鋼鐵技術發展新潮流。

      為實現這一目標,我們必須堅決落實中央提出的“大眾創業,萬眾創新”的方針,將國家、企業和科技人員的資源、財力和智慧融合在一起,打破傳統觀念,把握世界煉鋼技術發展的大趨勢,實現原始創新和技術集成。今后,我們要做好以下創新工作。

      其一,打造高效化煉鋼新工藝。新一代高效煉鋼技術應具有3個基本特征:一是要改變傳統熱力學與動力學條件,提高各基元反應的極限和速度;二是要與現代物聯網和大數據相結合,實現萬物互聯,減少緩沖環節,保證各工序間平穩有序地運行;三是要采用智能化操作系統,減少人工操作產生的失誤與遲滯,使傳統冶金與現代信息技術完美融合。

      其二,打造高效低成本潔凈鋼生產工藝。與日本相比,我國普通鋼的生產效率雖高但質量較低;高品質鋼的潔凈度達到較高水平,但生產效率偏低。解決這一問題的根本方法就是要在日本研發的第二代鐵水“三脫”工藝基礎上,進一步開發第三代鐵水“三脫”預處理工藝,建立自主知識產權的高效低成本潔凈鋼生產平臺。針對第二代鐵水“三脫”工藝存在的脫硫與脫硅、脫磷相分離,脫磷爐回硫較嚴重,低溫下難以形成高堿度爐渣,影響脫磷、硫效果,以及爐渣無法循環利用等技術問題,我們可以大膽創新,突破傳統束縛,研究開發出更高效率更完美的新工藝方法。

      其三,打造新型全廢鋼冶煉工藝。當前,我國廢鋼積聚量日益增多,廢鋼產量已超過1.5億噸/年,預計到2020年可達到2億噸/年。降低鐵鋼比可以最大限度地減少污染、降低能耗。增加煉鋼生產中的廢鋼用量,一方面要努力提高轉爐廢鋼比,通過加快生產節奏降低熱量損失和改進吹煉工藝等方法,將轉爐廢鋼用量提高1倍,廢鋼比從15%提高到30%;另一方面要積極研究開發新型高效的全廢鋼冶煉工藝,以解決傳統電爐熔化廢鋼能耗高、消耗高、成本高、污染嚴重等問題,使電爐鋼冶煉成本基本與轉爐相當,提升電爐煉鋼的市場競爭力。

      (作者系鋼鐵研究總院原副總工程師、江蘇冶金技術研究院院長)

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