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关键短流程冶金技术体系——钢铁转型升级发动机

来源:未知 时间:2015-10-29 10:15 阅读次数:

  钢铁材料作为最重要的结构和功能材料,在国民经济、人民生活、国家安全等方面具有不可替代的作用。我国钢铁工业历经十余年的快速发展,通过引进、消化、吸收与再创新,产线装备基本实现了机械化、自动化、电气化,拥有了几乎全部国际先进装备,产能、产量迅速增长,有力地支撑了我国经济的快速发展。但同时也面临前所未有的严峻挑战,产品利润率低,行业效益低下;资源、能源消耗大,环境污染等问题严峻。实际上,其重要根源在于我国钢铁行业关键工艺技术缺乏创新、产品研发限于跟跑,缺乏自主创新能力,从而导致产品缺乏特色,中低端产品严重过剩。

  调整存量,做优增量,构建高效强大的我国钢铁工业关键短流程冶金技术供给体系,实现钢铁行业的高效绿色化转型发展,减少钢铁生产工艺过程的资源和能源消耗,减少污染和排放,推动我国钢铁材料产品从中低端向中高端迈进,是我国钢铁工业和钢铁材料产品科技发展的最重要任务。
  由东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室为主体,协同东北大学材料与冶金学院、北京科技大学、上海大学、武汉科技大学、宝钢、鞍钢、首钢、武钢等单位,组建的2011 钢铁共性技术协同创新中心工艺与装备开发平台,其任务是研发冶炼、连铸、轧制、热处理等工序的新技术、新工艺、新装备,降低生产能耗、提高材料性能,实现“钢铁绿色制造”。该中心围绕3个重点生产流程,凝练出5个研究方向。
  铁矿资源集约化高效利用共性关键技术
  随着我国经济发展和国家财力的增强,资源约束正替代资本约束逐步上升为国家经济发展新常态的主要矛盾,我国铁矿供应不足已成为制约国家经济发展的“瓶颈”。2011钢铁共性技术协同创新中心铁矿资源绿色开发利用研究方向针对我国铁矿资源禀赋差、利用效率低、优质铁精矿匮乏的现状,提出了铁矿资源“劣质能用、优质优用”的学术思想,成功开发了复杂难选铁矿石“预富集—悬浮焙烧—磁选(PSRM)”高效利用新技术和“超级铁精矿与洁净钢基料”高效绿色制备技术,为我国铁矿资源的集约化高效利用开辟了新的途径。
  针对我国复杂难选铁矿资源的特点,东北大学系统开展了预富集脱泥提铁、悬浮焙烧过程中热力学及动力学、大型悬浮焙烧装备研发等方面的研究工作,突破了铁矿物多相转化精准调控、非均质矿石颗粒悬浮态保持、蓄热式高效还原等一系列的技术与装备难题,完成了多种类型铁矿石的PSRM扩大连续试验,均获得了铁精矿品位63%~66%,回收率达78%~89%的优异指标。该技术可实现我国贫杂赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿资源的高效利用,可盘活目前尚不能利用的复杂难选铁矿资源100亿吨以上,属我国复杂难选铁矿石高效利用方面的重大突破。
  针对我国部分粗粒结晶的优质磁铁矿资源特点,通过铁精矿深度除杂、超纯铁精矿直接还原、零污染熔炼等关键技术研究,形成了基于“源头杂质控制”的超级铁精矿和洁净钢基料高效绿色制备成套工艺技术,建成了多条超级铁精矿的工业生产线。以国内普通磁铁矿为原料,获得了TFe72.12%、SiO2含量0.15%的超级铁精矿产品,通过直接还原和电炉熔炼实验室试验,最终获得了TFe>99.90%、C<0.0011%的超纯铁,为我国洁净钢基料的工业化生产奠定了基础。
  先进冶炼、连铸工艺与装备技术
  冶炼和连铸是绿色钢铁制造的重要基础和保障,是钢铁工业实现绿色发展和转型的关键。“先进冶炼与连铸工艺及装备”结合聚焦的3个生产流程,围绕高效低成本洁净钢冶炼,高品质连铸坯生产,特种冶金、炼钢原料及二次资源高效利用等研究方向开展工作,重点突破“新一代钢包喷射冶金工艺与装备技术”“品种钢高品质连铸坯生产工艺与装备技术”两项重大关键技术,经过4年研究开发,实现工业应用与推广。
  目前已研制出钢包底喷粉元件和底喷粉工艺设备及控制系统,实施了热态试验。钢包底喷粉精炼(L-BPI)属于原创性技术,其成功开发及应用,将显著提高钢水精炼的效率和效果,不仅可以实现不用铁水预脱硫而实现低硫钢或超低硫钢的生产,可缩短冶炼周期15分钟~25分钟、吨钢降低成本20元~30元、吨钢节能2.5千克标准煤~4.5千克标准煤,对于千万吨级的企业年增效2亿元以上。如BPI与RH结合形成RH-BPI工艺,其发展潜力巨大。
  目前已开发形成内凸型曲面结晶器(ICS-Mold)与连铸二冷双相变控冷相结合的连铸坯裂纹控制技术,有望从根本上消除微合金品种钢连铸坯角部表面横裂纹的频发,实现我国微合金钢连铸坯表面无缺陷化生产目标。正在开发并应用的连铸坯凝固末端重压下技术,有望全面解决宽大断面连铸坯中心偏析与疏松及内裂纹缺陷严重的技术难题,成为低轧制压缩比制备厚板和大规格型材、棒材的有效手段,实现高致密度、均质化连铸坯的稳定生产,铸坯表面无清理率≥99.5%、合格率≥99.9%,质量指标达到世界先进或领先水平。
  先进热轧及热处理工艺与装备技术
  以上的钢铁材料产品需要经历热轧过程,热轧的工艺流程、品种、规格最多,覆盖面最广。先进热轧及热处理工艺与装备技术方向聚焦热轧和热处理工艺过程关键共性技术,量大面广产品与高端产品并重,从全流程的角度,优化钢材组织,提高钢材性能,挖掘钢材潜力,实现钢材性能的优化和高端化,向制造业提供绿色化优质高品质钢铁材料产品。在热轧工序开发减量化的成分设计,发展减量化的工艺技术,稳定化、均匀化生产绿色化的节约型高性能钢材产品;针对高等级热处理关键装备和核心技术,围绕海洋、交通运输、能源和重大装备等国民经济重要领域所需的高端钢材产品,开发各行业急需的特厚、超薄极限规格淬火和极限低温回火等高端板、带钢热处理工艺及装备技术,以实现我国高端中厚板产品的完全自主化生产。
  因此,在热轧工序开发减量化的成分设计,发展减量化的工艺技术,稳定化、均匀化生产绿色化的节约型高性能钢材产品;研发凝固—热轧—冷却—热处理一体化热轧组织性能控制技术,实现以“资源节约、节能减排”为特征的热轧钢材的绿色制造,再造一个绿色化的热轧钢材成分和工艺体系;突破高性能热处理产品的关键共性技术,实现极限规格高端产品的连续稳定开发生产。
  通过开发先进热轧—冷却—热处理一体化组织性能控制技术,实施新一代控轧控冷工艺、装备体系关键技术,将在板、带、型、棒、线、管等热轧领域全面推广和应用,实现新一代控轧控冷工艺在热轧领域的全覆盖。60%~80%以上的热轧钢材强度指标提高100MPa ~200MPa以上,或钢中主要合金元素(Cr、Mo、Mn、Nb等)用量节省20%~30%,实现钢铁材料性能的全面提升。正在开发的高等级热处理关键装备和核心技术,将在极限规格淬火厚度(Min.3mm,Max.250mm)/大型板带钢低温(最低回火温度为100℃)高精度回火装备技术、超高强产品如结构用钢(Max.1300MPa)、耐磨钢( Max.HB600)等高端热处理工艺技术及产品领域实现极限规格热处理装备、工艺技术及产品的创新突破。
  先进短流程生产工艺与装备技术
  短流程生产技术相对钢铁传统生产流程具有工序简洁、低能耗、投资小等优势,节能减排效果显著。同时,它在薄规格产品及特殊性能要求的产品开发与生产方面具有独特优势,是钢铁工业流程技术开发与应用的重要方面。工信部《产业关键共性技术发展指南(2011年)》等产业指导文件多次将“热带无头/半无头轧制”“薄带铸轧”等列为节能关键技术。因此,开发薄板坯无头/半无头连铸连轧与薄带连铸的生产技术,并开展短流程加工理论的深入研究,开发出薄规格热轧产品,对于促进我国绿色化钢铁生产具有重要意义。
  采用双辊薄带连铸技术可有效控制电工钢凝固组织和抑制剂析出行为,是开发低成本、高效率制造高性能硅钢的全新技术途径。在实验室条件下,已经成功制备出高性能低、中、高牌号无取向硅钢原型产品,磁感指标显著优于国内外现有工业化产品。在实验室条件下,成功制备出0.27mm厚的普通取向硅钢,磁感指标B8达到1.85T,与国内外现有CGO产品相当;成功制备出0.23mm厚的高磁感取向硅钢,B8达到1.94T,优于国内外现有Hi-B产品,为制备超高磁感、超低铁损取向硅钢开辟了新途径。
  为进一步降低能耗、减少钢铁生产对环境造成的污染,研究开发热轧氧化铁皮控制技术,实现免酸洗黑皮冷轧;研究氧化铁皮的还原反应行为及其对热镀锌锌层结构的影响规律,开发出具有自主知识产权的“氧化铁皮还原退火+热镀锌”工业化生产技术。此项技术的工业化应用,将因免去酸洗工序而减少废酸排放,吨钢降低成本120元左右,提高生产效率10%~20%。
  先进冷轧、热处理和涂镀工艺与装备技术
  先进的轧制、退火和涂镀工艺与装备技术是高端冷轧板带钢产品生产的关键。先进冷轧、热处理和涂镀工艺与装备技术方向聚焦高精度冷轧、柔性退火与涂镀以及高硅钢生产工艺技术,重点围绕冷轧板形和硅钢边部减薄控制与装备技术、冷轧带钢热处理和涂镀工艺与装备技术、高硅钢薄带连铸+温轧示范线工艺与制备等关键技术领域开展工作。
  高精度板形控制应用和薄带边部减薄控制技术将基于高精度板形核心控制技术,形成自主知识产权冷轧板形技术并推广应用。通过轧机结构改进、辊形优化、工作辊横移策略优化,实现硅钢薄带边部减薄的有效控制。
  依托典型产线的开发实施和示范应用,实现冷轧板形核心控制技术推广应用,带钢平直度综合控制精度小于7I。基于工作辊横移策略控制,硅钢薄带边部减薄量小于2?滋m~4?滋m,实现硅钢薄带边部减薄的高质量控制。研发横向磁通感应和火焰加热等在线快速提温关键技术,解决薄带钢加热温度不均问题。研发快速冷却自主技术,实现200℃/s~400℃/s的高速冷却能力,完成常规退火线产品升级。建立热镀锌实时自适应预测模型,解决热镀锌板边部增厚问题。研发高硅钢薄带连铸+温轧生产工艺技术,实现高硅钢中试示范生产。
  在教育部等政府部门以及钢铁行业企业各级领导的关怀下,2011钢铁共性技术协同创新中心得到快速建设和全面发展,共性工艺与装备平台将围绕确立的协同创新目标,着力开发国家急需的行业关键共性技术,围绕上述研发内容,产学研用结合、协同创新,为我国钢铁行业的绿色转型发展做出应有的贡献。
  展望未来,2011钢铁共性技术协同创新中心将进一步围绕国民经济和行业产业发展的宏大任务,承担重大科研项目,完成标志性科研成果,力争尽快成长为国际一流、全球领先的绿色钢铁技术创新基地。
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  “靶向式”改造助力河钢转型
  月8日,东北大学王国栋院士、王昭东教授访问河北钢铁集团,就东北大学钢铁协同创新中心与河北钢铁集团的前期合作成果及未来合作方向进行了讨论与交流。
  据介绍,经过厂校半年来的协同创新,唐钢中厚板品种钢百分比得到大幅提升,产品质量和竞争力显著提高。双方相信,通过协同创新,唐山中厚板公司的改造一定会成为中厚板企业改造的样板。
  针对河钢集团亟待改造和产品升级的产线,河钢集团希望东北大学牵头,组织国内外的科研力量和产学研用的各路专家团队,实施协同创新,为产线 “把脉”,找出“病根”,像对唐钢中厚板厂那样,对这些厂实施“靶向式”改造,通过改造出成果、出创新、出差异、出质量、出效益。双方约定,将进一步展开产学研用协同创新,推进全面战略合作,进行炼钢—连铸—热轧—冷轧—热处理及涂镀一体化的系统创新,在此过程中为企业培养创新人才,从而为河钢的转型发展提供技术支撑。
  在河钢期间,王国栋院士以“新形势下钢铁行业的绿色化转型”为题做了专题报告。王国栋院士指出,面对 “模仿型排浪式”无序发展过后的严峻形势,钢铁行业绿色化转型迫在眉睫,这促使我们一定要坚定不移地实施创新驱动发展战略。要通过产学研用的协同创新,调整存量,大力开发关键共性技术,实施产线对标、技术改造、转型发展,使产品由中低端迈向中高端;同时,通过前沿技术的原始创新,优化存量,开发节能、减排、优质、低成本的绿色工艺技术,实现河钢的转型发展和钢材的升级换代,并生产出一批世界首创性新产品,为实现我国在钢铁业的技术领跑贡献力量。
  据了解,东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心已经按照河钢集团领导的指示,在重点厂进行“靶向式”技术改造试点或试点准备工作,通过创新驱动工艺、装备、产品、服务的一体化改造和全生产链的一体化创新,实现技术与产品全面升级,提升企业的技术创新力和核心竞争力,为企业的转型发展建立示范线。
 
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