12 钢铁冶金分学科发展——炼钢

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1、 钢铁冶金分学科发展炼钢 包燕平 Development of Iron and Steel MetallurgySteel Making Bao Yanping Since the beginning of this new century,Chinas iron and steel industry has been developed constantly and rapidly.As for steel-making technology,some progress has been made in both theoretical innovation and practice of

2、 production.The upgrade of the iron and steel products has been realized and major breakthrough has been achieved in structural adjustment of products.At the same time,an important result has been accomplished in energy saving,emission reduction and environmental protection.Further development of ir

3、on and steel technology is bound to create good conditions for structural optimization and sustainable development of Chinas iron and steel industry.In this paper,the development and the main technological achievements of steel-making technology in China in past two years are systematically summariz

4、ed.The deficiency and gap on the current technology of steel-making subject in China are analyzed by being compared with overseas advanced technology.The main development goals and outlook of Chinas steel-making technology in new century are put forward.The production technology in the process of LD

5、 steelmaking,EAF steelmaking,refining and CC are summarized and analyzed to realize the high-effectiveness and cleanness of steelmaking.The steel-making process is systematically optimized by way of resolving and integrating of metallurgical functions of steel-making process.A new recyclable steel-m

6、aking process technology is formed and the level of Chinas steel-making technology will be further enhanced so as to realize the production of clean steel with high efficiency,low cost and cleanness.一、引一、引 言言 进入新世纪以来，我国钢铁工业得到持续快速发展，炼钢学科技术无论在理论创新与实践方面，还是在品种质量方面都取得重大进展，其中生产工艺优化理论与技术创新、节能降耗、污染物无害化与再资源化

7、技术创新方面都取得了显著进展。以此为基础，炼钢工业所需的装备、相关材料与技术的自主开发、创新也取得了长足的进步。这是中国钢铁工业进入新世纪以来得以持续高速增长最重要的支撑条件之一，也是中国炼钢学科技术快速迈向国际先进水平的重要标志。近两年来，炼钢科学技术的发展，可以归纳为高效化和洁净化两条主线。高效化包括：生产率和生产速率的提高，资源利用效率的提高，能量利用效率的提高等；洁净化包括：钢内部洁净度提高和炼钢生产对外部环境劣化影响的减少两方面。炼钢学科技术发展为钢铁行业的高效清洁生产奠定了良好的基础，是钢铁行业协调发展，优化环境的重要支撑条件。与先进钢铁生产国家相比，我国炼钢科技与生产，在某些方面

8、仍存在着一些不足和差距，主要反映在：大型化的冶炼设备在整个行业中所在的比例，与国外仍有较大差距；炉外处理绝对量增长虽快，但铁水预处理比和钢水精炼比与先进钢铁生产国家仍差距较大；受供电与废钢、废钢代用原料供应的制约，我国电炉钢比例 2008 年不到 10，与世界发达国家接近 40相比，有一定差距；一些炼钢前沿技术的自主开发与产业化步伐也落后于先进钢铁生产国家（如薄带坯连铸直轧、半凝固加工、电磁冶金、连续炼钢等）。为了实现炼钢学科技术新的发展战略目标，必须认真回顾、总结近两年来我国炼钢科学技术发展所取得的成就，分析存在的不足和差距，研究今后炼钢技术的发展趋势和方向，不断创新，为完善和发展炼钢学科的

9、理论和工艺做出贡献。二、炼钢学科技术的发展现状二、炼钢学科技术的发展现状 炼钢学科包括转炉炼钢、电炉炼钢、炉外精炼（铁水预处理与钢水二次精炼）、连铸以及炼钢流程的节能环保。炼钢科学技术的发展，可以归纳为高效化、洁净化两条主线，在大力发展高效化、洁净化过程中，实现炼钢生产过程的节能减排。近两年来，我国炼钢学科的理论和实际应用的技术水平已经发展到国际先进水平，满足了钢铁材料对钢成分、洁净度和连铸坯质量的要求。炼钢学科的理论和工艺的显著进展可以归纳为：（1）建立了洁净钢生产平台：近两年来，我国洁净钢的理论研究和生产实践非常活跃，中国金属学会和鞍钢等企业合作，先后召开了洁净钢生产的专题学术会议，国内各

10、高校、研究单位和钢铁企业的技术人员发表了大量的学术论文，对洁净钢的理论与实践均进行了大量的研究，取得了一批突出成果。以宝钢、鞍钢、武钢、太钢等为代表的企业建成了洁净钢生产平台，满足了高质量汽车板、高等级管线钢、取向硅钢、高质量不锈钢等高附加值钢对钢的洁净度要求，使我国钢铁产品水平档次有了突破性提高。（2）炼钢装备的高效化取得显著进展：我国两年来，在炼钢生产高效化方面取得了显著进展，一些重大冶金技术与装备已基本立足国内，达到或超过国际先进水平。例如 KR 铁水脱硫技术在脱硫剂减量化、搅拌棒长寿、处理效率等方面已处于世界领先水平；RH 真空精炼技术和装备是二次冶金中水平最高、难度最大的，2003

11、年前几乎全部引进，发展也很慢，但 2004 年开始有了较快发展，并且国产技术和装备迅速占据主导地位。现有 59 台 RH 装备，20072008 年就新建 25 台，而国产 RH 18 台占 72%，快速RH 多功能真空精练技术研究也已取得新成果。（3）炼钢生产过程中的节能减排技术发展迅速：近年来，国内钢铁企业高度重视节能减排工作，研究开发和应用各种先进的节能环保技术。我国炼钢过程中节能环保技术的新进展，主要表现在：国内主要的转炉炼钢厂实现了负能炼钢；我国自主研究开发的转炉渣闷渣处理和滚筒法或轮淬法炉渣连续处理等新工艺，实现了炼钢渣和烟尘实现回收与循环利用；马钢、包钢等企业试验采用 1520k

12、g/t钢的转炉渣作为石灰的替代品返回转炉使用也取得一定成效；部分转炉炼钢厂实现干法除尘，基本解决了转炉烟尘对环境的严重污染，达到节水、节能和保护环境的目标，如太钢、包钢等钢厂推广采用转炉干法除尘新工艺获得了明显的效益。如表1 所示1。表 1 国内投产的转炉干法除尘技术经济指标 工厂 投产时间 除尘水耗 t/t 除尘电耗 kWh/t 煤气回收 Nm3/t 蒸汽回收 kg/t 作业率%太钢 2006.8 0.01 1.6 103 83 100 包钢 2006.9 0.05 3.54 85 21 100 宝钢 2006.9 0.01 1.25 100.27 70.23 100 莱芜 2004.7 0

13、.01 2.95 76.17 27.72 96 （4）现代化炼钢生产流程的建立京唐钢铁公司 两年来，经过对新一代可循环钢铁流程工艺技术有关理论的深入研究和实践，具有新一代可循环钢铁流程特点的京唐钢铁公司。2009 年二季度将全面投产。其中在炼钢技术上的成果主要有：?是一个以简捷的流程网络，具有动态、有序、连续、紧凑的运行特点，实现铁水全“三脱”；?铁水罐多功能化：实现取消鱼雷罐车运输、多罐倒包等环节，节省倒罐站建设，减少系统温降，节能高效；?工艺设计上专用脱磷脱硅转炉与脱碳转炉分跨布置，互相衔接，高效、低耗；?脱碳转炉干法除尘，回收煤气和蒸汽指标先进、节能减排；?快速 RH 真空精炼和高效连铸

14、技术水平世界一流。快速 RH 精炼在终点C15ppm 条件下，周期将达 25min，2 个处理工位和 3 个待机位的新设计；2m/min 的高连铸铸速。（一）转炉炼钢技术 氧气转炉冶炼是我国主要炼钢方法，转炉钢产量从 2000 年的 1.058 亿吨增长到 2008 年的 5.0048 亿吨，转炉钢比例 2008 年达 90%以上。我国转炉炼钢的技术水平已经接近、部分达到了国际先进水平，各项技术经济指标进步显著，表2给出了 2003 年至 2007 年国内转炉的主要技术经济指标变化情况1。表 2 近五年国内大中型冶金企业转炉的主要技术经济指标变化 2003 年 2004 年 2005 年 20

15、06 年 2007 年 钢铁料消耗，kg/t 1087.66 1091.62 1088.6 1085.9 1085 日历作业率，%77.75 83.88 80.82 83.96 82.68 平均炉龄，炉 4630 5218 5785 6823 7921 我国转炉炼钢技术进步主要体现在2：（1）转炉溅渣护炉和长寿复吹技术。采用溅渣护炉技术以来，炉龄发生了质的飞跃，最高炉龄已达 3 万炉以上。在转炉溅渣长寿条件下，实现全炉役保证100复吹的技术是我国自主研究开发的先进技术，目前国内近 200 座转炉上采用了该项新工艺技术，获得良好的冶金效果和经济效益3 4。（2）转炉高效吹炼工艺技术。为了提高转炉

16、的生产效率，不少转炉将供氧强度从传统的 3.23.5Nm3/(tmin)提高到 3.64.4Nm3/(tmin)，缩短了冶炼周期，加快转炉生产节奏，提高转炉生产效率。（3）全自动转炉炼钢与终点控制技术。宝钢、武钢、迁钢等大型转炉采用副枪终点动态控制技术取得良好的应用效果：转炉全自动吹炼控制成功率达到90%，碳温双命中率达到 93%，补吹率降到 5%以下，不倒炉直接出钢比例达到95%以上，达到国际先进水平5。（4）转炉负能炼钢技术。宝钢、武钢、太钢等 10 余家钢厂转炉炼钢工序实现了负能炼钢。（二）电弧炉炼钢技术 电弧炉炼钢是我国一种重要的炼钢方法，虽然近两年来电炉钢所占比例在我国不断下降，但是

17、电炉钢产量持续增长，2008 年和 2000 年相比电炉钢产量翻了一番。近几年来，我国电炉炼钢的各项技术经济指标不断优化，表3 给出了 2003年至 2007 年国内电炉的主要技术经济指标变化情况1。表 3 近五年国内大中型冶金企业电炉的主要技术经济指标变化 2003 年 2004 年 2005 年 2006 年 2007 年 电耗，kWh/t 403.29 422 385.2 352.5 328 电极消耗，kg/t 2.85 3.01 2.81 2.6 2.427 冶炼周期，min 107.4 97.2 87.6 103.2 76.2 近年来电弧炉炼钢技术的发展，可以归纳为以下几个方面69：

18、（1）电气运行合理化数模控制技术。电弧炉炉容量不断增加，相应的电炉变压器容量、电弧功率、吨钢所承受的功率级别都大大提高，加之辅助能源的应用，炉料结构的多样化，特别是精炼操作移至炉外，使电弧炉炼钢的功能逐渐简化为“高效熔化”，所有这些都促使对电弧炉炼钢过程的合理电气运行予以新的认识，并产生了相应的技术。（2）强化供电技术和多元化的能量利用技术。在电弧炉电气运行合理化的基础上实现电能输入的最大化，为降低电(能)耗、提高能量输入强度、缩短冶炼周期，多种形式的能量利用技术被采用，如氧碳枪、二次燃烧、炉壁烧嘴等。（3）加强环保措施。三级除尘、综合利用电炉粉尘、炉渣再利用等已成为常规的环保措施。近两年受重

19、视的全封闭冶炼有助于进一步降低噪音和控制炉气散发。（三）炉外精炼技术（三）炉外精炼技术 炉外精炼包括铁水预处理和钢水二次精炼。采用炉外精炼技术，一方面使炼钢工艺流程更趋于高效、经济的系统优化，另一方面，炉外精炼处理由于具备独特的热力学和动力学优势，使高炉/转炉流程得以经济有效地生产低硫、低磷优质的钢水，成为洁净钢冶炼的重要手段。我国的炉外精炼技术发展很快，主要发展方向是高效、低成本、清洁化和精确化。炉外精炼所取得进展归纳如下：（1）一些炉外精炼技术与装备已基本立足国内，达到或超过国际先进水平。例如 KR 铁水脱硫技术在脱硫剂减量化、搅拌棒长寿、处理效率等方面已处于世界领先水平；RH 真空精炼国

20、产技术和装备迅速占据主导地位。（2）转炉双联法处理全部铁水技术在我国得到发展，京唐钢铁厂应用此项技术处理全部铁水。（3）炉外精炼技术的发展使国内钢材的洁净度得到显著的提高：15 年前国内绝大多数转炉厂生产的钢水洁净度（(S+P+T.O+N+H)）波动在 30035010-6，目前国内多数钢厂已可以大批量生产钢水洁净度25010-6的洁净钢，宝钢、武钢、鞍钢和首钢等大型钢铁企业生产的部分钢种洁净度可以达到10010-6。（4）炉外精炼装备已经实现了高效化、专业化、精确化和多功能化，在优质钢生产中得到广泛应用，尤其在高质量的汽车用钢、特殊钢、电工钢、管线钢、桥梁及船板钢等钢种的生产中成为最关键的技

21、术之一。（四）连铸技术（四）连铸技术 连续铸钢（简称连铸）是钢铁科技发展的重要领域。近几年我国连铸比已经达到或超过了发达国家的水平。在连铸技术方面已经进入世界先进行列，在连铸的装备上，我国目前拥有世界上各种类型的连铸机，都可以立足国内制造。其中最突出的成果是薄板坯连铸连轧的生产和技术水平已经进入世界先进行列10。近两年来，我国连铸技术最新发展主要表现在：（1）高效连铸技术。包括提高连铸机拉速和提高连铸机的作业率两个方面。高速连铸技术在我国进行了广泛的推广，不仅提高了连铸机的产量，而且进一步改善了铸坯的表面质量和内部质量，基本可以实现无缺陷坯生产。（2）连铸恒速浇铸技术。为解决拉速波动引起的铸坯

22、质量问题，武钢炼钢厂开发出“典型拉速下连铸恒速浇注”技术11，该项技术的提出为稳定生产高质量连铸坯提供了技术保证。（3）近终形连铸技术。近终形连铸主要包括薄板坯连铸连轧、异型坯连铸和薄带连铸 3 个方面，我国在薄板坯连铸的技术、连铸品种的开发上均居于世界领先水平；马钢、莱钢等企业已经掌握异型坯连铸技术，并且不断开发新品种；以宝钢为首的研发团队已经对薄带连铸进行了深入的研究，取得了显著成果。（4）节能降耗技术。高效连铸、连铸坯热送热装快速发展，受到企业广泛重视，为钢铁工业节能降耗发挥了巨大作用。三、炼钢学科技术发展的国内外对比和差距三、炼钢学科技术发展的国内外对比和差距（一）学科总体上接近或达到

23、国际先进水平 经过近两年的发展，我国炼钢学科的技术水平已经接近国际先进水平，部分水平达到国家先进水平。如：（1）新一代可循环钢铁流程的炼钢工艺技术已实现产业化，世界领先；（2）以宝钢、武钢、鞍钢、太钢为代表的洁净钢生产平台的技术水平接近或达到世界先进水平；（3）炼钢高效化技术，如 KR、RH 法的技术水平达到国际先进水平；（4）薄板坯连铸技术水平达到国际领先水平；（5）薄带连铸技术水平接近国际先进水平。（二）还存在的不足与差距 在认真总结近两年国内炼钢技术发展的同时，还必须充分注意到目前尚存在的主要生产技术问题。与先进钢铁生产国家相比，我国炼钢科技与生产，在某些方面仍存在着一些不足和差距，主要

24、在以下方面：（1）炼钢厂能耗与国际先进水平相比仍有较大差距；（2）炼钢厂环境治理和废弃物回收利用与国外先进水平相比有较大差距；（3）企业管理不够精细，应加强对废钢、石灰等辅料、耐材和铁合金的分类管理，实现炼钢精料，进一步减少渣量，减轻转炉回硫，降低生产成本；（4）钢水成分控制精确度偏低，产品质量稳定性存在差距；（5）与世界电炉钢比持续增长接近 40的形势相反，受供电与废钢、废钢代用原料供应的制约，我国电炉钢比 90 年代中期开始下滑，至今一直保持在小于 16的低水平上。（7）因科技投入不足和缺少有效的科技开发机制，一些前沿技术的自主开发与产业化步伐也落后于先进钢铁生产国家。四、炼钢学科技术发展

25、目标和展望四、炼钢学科技术发展目标和展望（一）炼钢技术发展目标 1.氧气转炉炼钢技术 为了适应国内外转炉技术装备优化的发展要求，我国转炉应向大型化、自动化、冶炼高效化、标准化、绿色化方向发展。（1）转炉实现计算机操作进而实现动态控制全自动炼钢，钢厂转炉工序实现“负能炼钢”。（2）转炉实现高强度供氧和长寿复吹技术，实现氧枪喷头的结构优化和长寿技术，改进炉底透气元件结构和材质，实现 100复吹技术。（3）发展转炉冶炼洁净钢和特殊钢技术；（4）发展转炉内熔融还原合金化冶炼技术，对于双转炉冶炼的脱磷炉加铁矿、脱碳炉加铬矿、锰矿等矿物直接还原、合金化，实现低成本冶炼技术。2.电弧炉炼钢技术 我国电炉炼钢

26、技术发展的总体目标是高效化、低成本以及洁净化。（1）重视炼钢原料技术研究，实现设备大型化、高效化，发展与之相应的自动化和标准化技术；（2）重视电弧炉炼钢的吹氧工艺技术及余热利用技术，全量预热处理废钢，提高供氧强度和利用效率，重点发展集束氧枪、高效氧燃枪的研发及布置应用；（3）实现电弧炉炼钢终点精确控制，电弧炉炼钢成份、低N控制，电弧炉炼钢烟气成分分析与动态控制。3.炉外精炼技术 炉外精炼发展目标是不断提高炉外精炼比和真空处理比例，发展多功能高效低成本的炉外处理技术。（1）对于铁水预处理，实现全量铁水脱硫预处理；（2）采用稳定、高效、低成本洁净钢生产技术达到国际先进水平。随着首钢京唐钢铁公司的投

27、产，新一代炼钢厂的生产模式得到应用，完善全量转炉脱磷预处理脱碳转炉的生产模式；（3）实现高效、低成本洁净钢生产技术达到国际先进水平；（4）发展炉外精炼关键技术指标，包括夹杂物控制、钢水成分和温度控制以及钢中残余元素去除技术、精炼工艺多功能化和高效化处理技术。4.连铸技术 连铸技术发展的主要目标是实现高效化，节约化，提高连铸比。（1）全面提高现有连铸机的水平，实现高效化连铸，根据不同钢种的特点合理提高拉速、确定典型拉速并稳定拉速，实现恒拉速，保证铸坯的内部和表面质量，促进连铸高效化；（2）加快特殊钢连铸装备与技术优化；（3）薄板坯连铸连轧的装备和工艺、品种生产技术国产化并保持走在世界前列，加快薄

28、带坯连铸产业化与优化；（4）加强自主开发新型连铸设备与半凝固加工、电磁连铸等前沿工艺技术，开发和完善近终形连铸技术，开发和研究连铸坯在线质量检测新技术和质量判定专家系统。（二）炼钢-连铸工艺技术发展展望 1.建立新一代炼钢工艺流程 新一代钢铁生产流程将具有高效化、清洁化稳定生产高品质钢材的钢铁产品制造功能，提高资源能源利用效率、显著降低污染物排放的能源、资源转换功能和大量消纳社会废弃物的再资源化功能，研究开发适应社会发展需要的新一代炼钢-连铸流程。新一代炼钢连铸流程应该具备：（1）新流程应具备高效化的生产特点，可以大批量、低成本、稳定地生产各类不同品质的钢材；（2）新流程应具备资源能源减量化、

29、可循环和再利用的基本功能，建设环境友好型清洁生产的新流程；（3）新流程应具备社会大宗废弃物无害化、资源化处理的功能，实现钢铁工业的可持续发展；（4）新流程的工艺程序、流程网络易于实现企业内部生产自动化、控制智能化和管理信息化。2.炼钢工艺冶金功能合理分配 炼钢-连铸生产过程中各单元生产工序冶金功能的合理分配是实现炼钢-连铸工艺流程优化的重要方法。按照不同产品性能的要求，对转炉冶炼功能进行必要的解析和集成，形成目前大量采用炼钢流程：铁水脱硫-转炉脱硅、脱磷、脱碳，对转炉冶炼功能进一步解析和集成，将转炉的脱硅、脱磷操作移至转炉前处理，实现脱磷脱硅转炉脱碳转炉的双转炉冶炼的现代化炼钢流程。炼钢工艺的

30、冶金功能合理分配是优化工艺流程的重要手段，其特点是进一步提高冶金反应效率，实现了高效、低成本生产目标。3.建立高效、清洁化、低成本洁净钢生产平台 建立高效、清洁化、低成本洁净钢生产平台是今后几年国内各类钢铁厂都应努力实现的基本目标之一。深入研究以连续运行为基本特点的炼钢厂，实现高效、低成本、稳定运行的生产模式。建立洁净钢生产平台的基本目标是保证钢厂生产的全部钢材洁净度能达到洁净钢的基本要求。参考文献：1 殷瑞钰我国炼钢-连铸技术发展和 2010 年展望炼钢，2008，24（6）.2 戴云阁，李文秀，龙滕春现代转炉炼钢沈阳：东北大学出版社，1998，12.3 LIU LiuProgress in

31、 Converter Steelmaking in ChinaA.9th China-Japan Symposium on Science and Technology of Iron and Steel C.China2001：116.4 刘 浏,苏天森,李凤喜,Technical Progress of Long Life Combined Blowing Converter Steelmaking in China,第 10 届日中钢铁学术会议论文集,2004,P106-115.5 余志祥,刘路长,肖文斌等.武钢三炼钢计算机炼钢技术的新进展C,第一届中德（欧）冶金技术研究会论文集,200

32、3:80-89.6 EAF Technology State of the Art and Future Trends.International Iron and Steel Institute Association，2000.7 Dr.Karl-HeinzKlein.Sod-west Stahl Group.Germany.Development of the EAF technology during the last decade&the future evolution.IISI-331999，10：5.8 LIU XiaoCurrent EAF Steelmaking Technology:Actuality and DevelopmentJ World Steel，2001，1(5)：1017.9 Kohle SImprovements in EAF Operating Practices Over the Last DecadeA Proceedings of 57th Electric Furnace ConferenceC Pittsburgh，1999.3 10李世俊钢铁工业可持续发展支撑技术（第 2 册），2004.7.11 李凤喜,李具中连铸“典型拉速下恒拉速”的生产实践,第四界发展中国家连铸国际会议,2008.