1.1鋼鐵生產(chǎn)全流程一體化控制
鋼鐵工業(yè)是典型的流程工業(yè)，最終產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，是由全流程的各個環(huán)節(jié)共同確定的。要想獲得穩(wěn)定、優(yōu)良的材料質(zhì)量，必須針對每一個工藝環(huán)節(jié)，進行全流程、一體化控制。控制要素包括溫度（含冷卻速度）、變形條件、成分、夾雜物（潔凈度、種類）控制水平、排放、能源消耗等等。
1）減量化、低成本、低排放的鋼鐵材料與生產(chǎn)工藝設(shè)計
談鋼鐵材料開發(fā)，離不開材料開發(fā)的四面體關(guān)系。材料的“成分、工藝、組織、性能”這四個要素構(gòu)成的四面體關(guān)系告訴我們，材料的工藝和成分決定材料的組織與性能。過去通常的辦法是：如果材料的性能達不到要求，可以增添某一種或某幾種合金元素，或者采用后續(xù)的熱處理工藝進行調(diào)整。這兩種辦法都是“增量化”的辦法，或者消耗昂貴的合金元素，或者消耗能源與資源。
但是，材料設(shè)計的綠色化新理念要求我們做到“減量化、低成本、高性能”。在鋼鐵材料開發(fā)過程中，我們要把這個綠色化新理念全面融入四面體關(guān)系中。要做到：①資源節(jié)約型的成分設(shè)計，盡量減少合金元素含量，或使用廉價元素代替昂貴元素；②要采用節(jié)省資源和能源、減少排放、環(huán)境友好的減量化加工工藝方法；③從市場中發(fā)現(xiàn)新的組織和性能需求，逆向倒推，促進工藝技術(shù)創(chuàng)新和新型材料的創(chuàng)制；④量大面廣產(chǎn)品的升級換代和高端產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)，都要遵循綠色化理念。由此可見，關(guān)鍵工藝技術(shù)的創(chuàng)新與開發(fā)，在新材料的開發(fā)中占據(jù)了越來越重要的地位，材料和產(chǎn)品開發(fā)特別要注重關(guān)鍵共性工藝技術(shù)的創(chuàng)新。
我們現(xiàn)在使用的鋼鐵材料和它們的生產(chǎn)工藝，是過去幾十年來不斷開發(fā)出來的，由于開發(fā)當時技術(shù)水平和支撐條件的限制，在節(jié)省資源和能源方面以及減少排放和污染方面考慮不周，甚至未予考慮，急切需要改進、甚至顛覆的地方很多，技術(shù)創(chuàng)新、提升水平的空間很大。今天，環(huán)境、生態(tài)問題已經(jīng)迫在眉睫，資源、能源問題更是刻不容緩，過去幾十年發(fā)展起來的技術(shù)必須進行脫胎換骨的改造與提升；另一方面，技術(shù)進步和研究條件已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，為對這些產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程進行改造甚至重造，提供了極好的支撐條件。我們已經(jīng)有條件進行這樣一場革命！
2）實行“精料方針”和“源頭治理”
鋼鐵生產(chǎn)過程最重要的任務(wù)就是除去鋼中的雜質(zhì)，生產(chǎn)具有必要潔凈度控制的和規(guī)定化學成分的鋼鐵產(chǎn)品。現(xiàn)有的冶煉過程雖然對作為原料的鐵礦石和作為燃料的煤炭進行了粗略的處理，仍然有大量的有害元素殘留于鋼中，然后在后續(xù)的煉鐵、煉鋼、精煉過程中一點點除去。針對這種情況，行業(yè)里提出了“精料方針”，期望在入爐冶煉之前，盡量提高原料的潔凈度。但是，礙于種種條件的限制，仍然是“泥沙俱下”，大量的有害元素進入到爐中，在隨后的冶煉過程中，不得不建設(shè)大量的巨型設(shè)備，采用各種復雜的工藝，一點點地去除鋼中的各種有害雜質(zhì)，極大地增加了冶煉的負擔和生產(chǎn)成本。
能不能采取徹底的“精料方針”，進行潔凈度的“源頭治理”，把提高潔凈度的主要窗口位置前移到原料、燃料、熔劑的潔凈化處理階段，從流程上進行根本的改變？
這種可能性是有的， TFe將近72%的超級鐵精礦可以制取出來。利用氫冶金進行鐵的氧化物還原也是可行的。但是規(guī)模、生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本與實際應用還有很大的距離，需要進一步從鐵礦石磨礦、選礦等方面大膽創(chuàng)新。目前已經(jīng)提出了一些方案。
當然，對所有的技術(shù)方案，都要針對資源消耗、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本等，進行能量流、物質(zhì)流、信息流、資金流分析，優(yōu)選低成本、高潔凈度路線，實現(xiàn)“精料方針”、“源頭治理”。
3）全流程一體化的鋼材溫度控制
全流程溫度控制不僅涉及到產(chǎn)品的冶金質(zhì)量，而且也涉及到產(chǎn)品的外形尺寸精度、整個流程的能源與資源的消耗、以及污染物的排放，是冶金生產(chǎn)中最活躍的影響因素。因此，應當合理設(shè)計冶金流程中的溫度制度、盡量做到“一火成材”或“最少火次成材”，避免或減少再升溫過程。同時，充分利用煉鐵-煉鋼-連鑄-熱軋-冷卻-熱處理過程中的重要組織變化的溫度區(qū)間，進行組織控制，實現(xiàn)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。這應當是鋼鐵生產(chǎn)的最重要的任務(wù)之一。
在此過程中，我們最關(guān)心的是三個“界面”和三個溫度區(qū)間，以及熱軋后剩余熱量的利用。
第一個界面是連鑄與熱軋的銜接點。
采用連鑄之后，加熱爐加熱溫度通常不超過1250℃。這是目前絕大多數(shù)企業(yè)里的現(xiàn)實情況。這種情況會造成下述不良后果：①重新加熱，造成能耗提高，浪費資源，增加排放；②重新加熱后連鑄坯的溫度分布為“外熱內(nèi)冷”，與連鑄后的“外冷內(nèi)熱”狀態(tài)恰好相反，采用前者就失去了一個利用后者改善坯料內(nèi)部質(zhì)量的大好時機；③失去利用鑄坯心部的1250-1450℃高溫粘塑性區(qū)的變形改善材料組織、性能的機會。
如果在連鑄機內(nèi)最終凝固點附近進行軋制等高溫粘塑性變形，并盡量防止連鑄坯散熱，減少連鑄坯的溫降，則完全有可能實現(xiàn)免加熱直接軋制。這是一個節(jié)能減排、提高質(zhì)量的重要思想。如果設(shè)法實現(xiàn)連鑄與軋機的產(chǎn)量平衡，則甚至可以實現(xiàn)無頭軋制。無頭軋制在材料加工過程的穩(wěn)定化方面有巨大的優(yōu)勢，是不言自明的。此為第一界面的優(yōu)化。
第二個界面是熱軋與后續(xù)熱處理之間的銜接點。
如果熱軋之后，軋件還要進行離線熱處理（例如調(diào)質(zhì)熱處理），則可以考慮利用熱軋之后的余熱進行在線淬火，然后再進行離線或在線回火。這樣，可以減少一次加熱，其節(jié)能、減排的效果顯而易見。
第三個界面是熱軋后的冷卻與后續(xù)冷軋過程的銜接。
對于含碳量較高的HSLA、DP等鋼種，如果熱軋后還要繼續(xù)進行冷軋和熱處理，則熱軋后的冷卻過程需給予特別的注意。如果這些鋼種熱軋后未達到一定的冷卻速率，會發(fā)生部分珠光體相變。這就意味著發(fā)生了比較充分的擴散，珠光體中偏聚了較多的碳。隨后進行冷軋，碳繼續(xù)維持它的偏聚狀態(tài)。在擴散不是很充分的連續(xù)退火過程后的冷卻過程中，偏聚碳較多的部位，轉(zhuǎn)變?yōu)楹欣L的珠光體的帶狀組織，造成鋼材沖壓等性能劣化，出現(xiàn)沖壓裂紋等缺陷。針對這一問題，這類鋼材熱軋后，以適當高的冷卻速率冷卻，可以抑制珠光體產(chǎn)生，代之以貝氏體等含碳量均勻的基體組織，冷軋及熱處理后，可以避免出現(xiàn)帶狀組織，因而保證了材料具有碳含量分布均勻的組織。同時組織細化、析出物尺寸細小，材料的強度得以提高，而塑性得以改善。
三個重要的組織轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間分別是再結(jié)晶溫度區(qū)間、碳氮化物析出溫度區(qū)間、相變溫度區(qū)間。如果打算利用某個組織演變過程，就可以在該演變的溫度區(qū)間保溫（或空冷），如果想要避開該種組織演變過程，則可以快速冷卻通過該溫度區(qū)間。由于不同的材料，會有不同的組織演變規(guī)律，所以，調(diào)整材料組織演變的溫度制度必須量身定做，這將是一個巨大的工程，智能化可以在此派上用場。因此，進行全流程控制，應配置可以靈活進行組織控制的全軋程冷卻系統(tǒng)。
最后，關(guān)于熱軋后剩余熱量的利用，是目前尚未解決的問題。熱軋鋼材一般在600℃左右結(jié)束控制冷卻過程，采用何種方法，利用這部分余熱，是尚待攻克的問題。現(xiàn)在尚未見有好的處理方法。
4）鋼鐵生產(chǎn)全流程一體化的變形控制
對熱軋變形的控制，必須與對溫度的控制結(jié)合起來。傳統(tǒng)的變形過程主要發(fā)生在1200℃以下，熱軋前的加熱溫度通常不會超過1250℃。但是，如果我們考慮到利用連鑄后的高溫條件，以及可利用的“外冷內(nèi)熱”狀態(tài)，則可以將開軋溫度推到更高，將變形溫度區(qū)間提高到固相線溫度和常規(guī)開軋溫度之間，實現(xiàn)心部組織的粘塑性變形，能夠達到節(jié)能、降耗、改善心部組織的效果。另外，在熱軋的不同階段，例如板材粗軋和精軋，或者棒材的粗軋、中軋、精軋，可以實行不同的負荷分配，從而進行材料組織和性能的調(diào)控。
軋制負荷分配是控制軋制的重要手段。根據(jù)每一個鋼種的物理冶金特點，與軋制過程中的即時冷卻及軋制之后的控制冷卻相配合，進行全流程、一體化的負荷分配的優(yōu)化，將會進一步提升控軋控冷的效果，提高材料的性能。
1.2鋼鐵生產(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(zhì)材料等轉(zhuǎn)變。
以碳還原為主的直接還原、熔融還原等非高爐煉鐵技術(shù)，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(zhuǎn)向提高氫還原的比例。其中氣基豎爐直接還原技術(shù)，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(jīng)達到單臺設(shè)備250萬-300萬噸/年的產(chǎn)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(chǎn)物是氫與電能。有人建議，利用核反應產(chǎn)生的氫在流化床上還原粉礦，然后制成熱壓塊，只產(chǎn)生非常少的CO2排放。核反應產(chǎn)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(zhuǎn)爐與電爐的原料適應性。轉(zhuǎn)爐是我國的主要煉鋼設(shè)備，應加強廢鋼預熱處理技術(shù)研究開發(fā)，以適應廢鋼逐年增加的趨勢。
國際范圍內(nèi)，特別是強調(diào)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(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟指標達到較好水平。墨西哥Hylsa公司投產(chǎn)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(chǎn)成本降低20%左右。CO2排放降低30%以上。其生產(chǎn)成本和轉(zhuǎn)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(guān)研究。
此外，還有人建議開發(fā)電爐-轉(zhuǎn)爐可以轉(zhuǎn)換的電轉(zhuǎn)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(shù)本身就是全流程、一體化先進生產(chǎn)技術(shù)，例如：薄板坯連鑄連軋無頭軋制技術(shù)、薄帶連鑄無頭軋制技術(shù)。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(chǎn)過程，前工序明顯地顯示出對后工序的強烈的、關(guān)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(diào)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(chǎn)線，鑄坯厚度70-90mm，7m/s的高拉速，最小產(chǎn)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(diào)的是，這是一個穩(wěn)恒軋制過程，適于穩(wěn)定的精確組織調(diào)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(zhì)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(guān)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(chǎn)裝備的設(shè)計與制造，以及對再結(jié)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(zhì)量問題，使長期困擾鋼鐵企業(yè)厚、大規(guī)格產(chǎn)品心部質(zhì)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(chǎn)技術(shù)，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(shù)與隨后熱軋-冷軋-熱處理技術(shù)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(chǎn)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(shù)，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(shù)采用了全新的減量化生產(chǎn)工藝和成分設(shè)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(chǎn)品性能優(yōu)良、生產(chǎn)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，控制常化等熱處理過程的參數(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(jié)晶的晶界，細化晶粒。這種細化的初次再結(jié)晶組織，為隨后的二次再結(jié)晶晶粒長大，提供了非常良好的基礎(chǔ)。
這一過程中，前后工序連續(xù)且互相呼應與協(xié)調(diào)，實行一體化控制，是獲得理想組織和性能的關(guān)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(chǎn)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(jié)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(chǎn)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(nèi)容。
1）開發(fā)與應用無酸洗還原退火熱軋鍍鋅板生產(chǎn)技術(shù)
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(chǎn)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(shù)可以與薄帶連鑄技術(shù)組合，構(gòu)成薄帶連鑄+無酸洗熱鍍鋅技術(shù)，生產(chǎn)熱鍍鋅熱軋板。整體產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)效率20%-30%；降低生產(chǎn)成本10%-20%；避免內(nèi)氧化層造成帶鋼缺陷，新型涂層成分提高耐蝕性與產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)工藝。
來源：世界金屬導報
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