钢铁新工艺

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近期，中国金属学会主办的“2009年钢铁企业自主创新高级研修班”上，中国工程院院士张寿荣在题为《关于21世纪钢铁工业工艺技术进步的趋向》报告中，详细讲解了近20年来世界钢铁工业在新工艺流程方面的探索历程和未来发展方向，为我国钢铁工业实现全面协调和可持续发展提供了有益参考。
     近 20年来，世界钢铁工业技术创新主要围绕着4大问题展开，即：探寻更好的工艺流程；改进现有工艺流程，减少资源能源消耗，降低污染排放；提高钢铁产品使用性能，降低钢铁产品消耗量，缩小规模，减轻“两高一资”的负作用；强化钢铁资源循环利用，包括有效利用废钢和含铁废弃物。经过不断努力和探索，钢铁工业在以下7个方面，取得了一些突破性进展。
      铁矿石直接还原
      进入21世纪，世界铁矿石直接还原生产规模有显著增长，由年产4000万t水平增至年产6000万t以上，印度、拉丁美洲和中东增长速度最快。
      由于资源条件的限制，直接还原铁产量占世界铁产量的比例不高，但在一定条件下，直接还原流程在经济上是可行的。直接还原铁基本上供电炉使用，与废钢相比，直接还原铁和热压块铁含有害杂质少，有利于冶炼高级钢，但电耗比较高。煤基直接还原由于直接还原铁与煤燃烧剩余物在一起，质量不高。煤基生产规模小、能耗高、环境差，均不如气基直接还原。
      我国各地自然资源条件差别大，是否发展铁矿石直接还原流程，要根据资源条件确定，首先要看经济性，作为主体生产流程应慎重权衡。
      铁矿石熔融还原
      铁矿在熔融还原流程的主要目标是不使用焦炭生产液态铁水，摆脱高炉流程对炼焦煤的依赖。到目前为止，不用焦炭生产铁水在技术上已经可以做到或部分做到，但在工业化上还不可能完全取代高炉。当前，已实现商业化的只有COREX和FINEX，COREX只能在特定条件下采用，FINEX具备了取代1800m3及以下高炉的条件，但均未达到完全取代高炉炼铁的程度。
      在环境排放方面，COREX和FINEX均优于高炉炼铁。HIsmelt目前尚未实现商业化生产。HIsmelt炉渣的氧化程度高，FeO达9%，对脱磷有利，但如此高的FeO，炉衬很难达到高炉的长寿水平，且铁水含硫高。
      到目前为止，已产业化的COREX与FINEX均未完全摆脱使用焦炭。此外开发熔融还原技术之初对CO2的排放问题没有提到议事日程上，所有开发的熔融还原工艺CO2排放量都高于高炉炼铁。现在正在研究低CO2排放钢铁生产工艺，不可能沿着熔融还原的方向走下去，今后炼铁工艺流程如何发展，有待进一步研究确定。
      新炼焦工艺流程
      迄今，高炉炼铁流程的优越性无可置疑，但其致命弱点是对优质焦炭的依赖性。优质焦炭必须依赖优质炼焦煤，而炼焦煤资源相对紧缺。从上世纪80年代就在炼焦方面开展了一些开发研究，寻求减少使用粘结性炼焦煤的途径。现有炼焦工艺的改进技术包括：型煤炼焦工艺、配煤调湿技术、干熄焦技术、巨型单室焦炉、无回收焦炉、焦炉大型化,炭化室高度增高到7m以上，这些技术均属成熟技术，如何采用要依据经济分析确定。
      SCOPE 21炼焦新工艺技术是在日本政府支持下，由日本5大钢铁公司联合开发，均可使用开发成果。2006年新日铁在大分新建5号焦炉采取SCOPE21技术。SCOPE21 的关键技术在于三点：一是煤预热，日本做了大量前期研究，在室兰的焦炉上运用了这项技术；二是热煤管道运输和装炉；三是焦炭成熟后均热（Soaking）提高强度，焦炉尺寸与常规焦炉变化不大。
      降低CO2排放的ULCOS行动方案
      2004 年，在欧盟支持下，48家钢铁企业组成的共同体启动了超低CO2炼钢（ULCOS）项目，行动方案有14个分方案，整个项目需15～20年。行动计划包括多种减排CO2的概念，如：将高炉与碳捕获和储存（CCS）结合；熔融还原与CCS结合；大量使用天然气；低CO2工艺；氢炼钢；铁矿石电解等。 2004～2005年，ULCOS项目一期工作已结束，正在进行二期。基于一期的工作结果，已在瑞典LKAB公司的试验高炉上进行了新工艺流程试验。
      洁净钢技术的发展
      20世纪以来，对钢材使用性能要求不断提高，促进了洁净钢技术的发展。炼钢工序已发展为3个步骤：铁水预处理、转炉脱碳、炉外精炼。实践证明，为把钢材使用性能提高到新的台阶，钢厂要建立洁净钢生产平台。
      近终形铸造
      近终形铸造是使钢水浇铸时就与最终使用的形状相近。连铸是走向近终形铸造的起点，将钢水铸锭与初轧开坯整合为一个工序——连铸；薄板坯连铸则是走向近终形铸造的第一步，将连铸与粗轧开坯整合为一个工序；带钢铸造将是走向近终形铸造的第二步，钢水直接铸成热轧带钢，向近终形的目标又迈进了一步。
      基于目前的实践，常规连铸、薄板坯连铸与带钢铸造各有其最合适的应用领域，还不能互相完全取代。应根据建厂的特点、生产规模、产品的品种、规格，选用适合的工艺。大型联合企业，生产规模大，深加工高技术含量品种多，常规连铸有优势。若生产规模在年产300万t以下，可选择薄板坯连铸连轧。带钢铸造的年生产规模难以超过50万t，而还有许多限制因素。
      利用轧钢工艺过程控制钢材性能
      提升钢材使用性能，降低钢的消费量是钢铁工业减轻环境负荷重要途径之一。提升钢材使用性能通常采用的方法是添加合金元素，但缺点是增加了合金资源消耗，同时对钢材循环使用增加了难度。在钢材加工过程中，采用的工艺对钢材使用性能能起到决定性作用。化学成分相同，加工工艺不同，得到的钢材性能也明显不同。上世纪90年代以来，利用轧钢工艺控制钢材性能的技术有很大发展，许多高性能钢材是依靠轧钢工艺控制生产。
      结语
      21世纪钢铁工业将在20世纪大发展的基础上继续发展，钢铁工业仍将继续是人类社会实现繁荣的支柱产业之一。如何克服钢铁工业的“两高一资”弱点，实现可持续发展是21世纪钢铁工业工艺技术创新的基本趋向。
      钢铁工业从铁矿石生产钢的基本工艺流程不会改变，即：铁矿石→生铁→（脱碳）钢水→钢材。为减轻环境负荷，必须增强钢材回收循环利用的力度，使废钢→炼钢→钢水→钢材的比例增加。如何实现废钢高效循环利用和提升炼钢水平，将是技术进步内容之一。
      铁矿石直接还原工艺的影响因素多，发展受多重条件限制，在我国不可能有大的发展。COREX、HIsmelt现有水平不可能替代高炉炼铁，FINEX已达到的水平具备替代中、小高炉（≤1800m3）的条件。高炉炼铁仍将是21世纪从铁矿石炼钢工艺的主流。炼焦工艺技术进步前景广阔。对炼焦新工艺应予以更大的关注。炼钢工艺的发展方向应是准确控制钢的成分、提高钢的纯净度，在有条件的工厂构建洁净钢生产平台。21世纪将是常规连铸，薄板坯连铸与带钢铸造共存、互补。节能减排是今后钢铁工业工艺技术进步的永恒主题。任何工艺技术进步必须符合节能减排的基本原则。
      实践已经证明，技术创新是钢铁工业发展的推动力，今后仍然如此。技术创新必须从具体条件出发，与社会需求一致，不能为创新而创新。高附加值产品，超过了社会需求，生产多了社会也容纳不了。

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