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(tǒng)流程高爐占據(jù)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(huán)節(jié)。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(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(fā)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(fā)，以適應廢鋼逐年增加的趨勢。

國際范圍內，特別是強調環(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行高效預熱和連續(xù)加料的智能電弧爐煉鋼得到大力發(fā)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(huán)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(xù)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(fā)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(xù)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(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，適于精確組織調控，開發(fā)薄規(guī)格先進高強鋼，實現(xiàn)“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(wěn)恒軋制過程，適于穩(wěn)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(shù)量等，凝固末期進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(guī)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(yè)厚、大規(guī)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(fā)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(yōu)良、生產成本低廉、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(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(xù)且互相呼應與協(xié)調，實行一體化控制，是獲得理想組織和性能的關鍵環(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(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

對生產流程進行簡化，實現(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、一體化的重要內容。

1）開發(fā)與應用無酸洗還原退火熱軋鍍鋅板生產技術

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(yōu)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(huán)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(tǒng)后，采用在線快速冷卻，實現(xiàn)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