第92章 炼钢技术的发展（科普章）

　　1、炼钢历程回顾

　　1949年至今，已走过了70多年历程。在此期间，我国钢铁工业在战争的废墟上艰苦创业，一路走来，我国钢铁工业取得了令人瞩目的辉煌成就。从1949年到改革开放的近30年时间里，我国一直把发展钢铁工业作为实现代化的中心环节。经过近30年的努力，我国基本形成比较完整的钢铁工业体系。为改革开放后钢铁工业的快速发展奠定了基础。

　　50年代，重点是对当时现有的钢铁生产工艺装备进行恢复、扩建、改造，以满足新中国经济建设的急需。第一个五年计划(1953~1957年)期间，苏联援助中国建设156个工业项目中，包括鞍钢、本钢改扩建、武钢、包钢、齐齐哈尔钢厂新建等共8个钢铁项目，8个钢铁项目占156个项目的总投资额近一半，投资额最大的是鞍钢的扩建改造。此外，“一五”期间，在苏联帮助下，还开启了对石景山钢铁厂等近20个钢铁企业改造和扩建工程。

　　1956年规划并开始建设的“三大、五中、十八小”，三大是继续进行鞍钢、武钢、包钢三个大型钢铁基地建设；五中指扩建、新建太钢、重钢、马钢、石景山钢铁厂、湘钢；十八小指济钢、临钢、南钢等十八个小型钢厂；此外，1958年各省市自治区还建设一批地方中小钢铁企业，全国掀起了大炼钢铁运动，当年即建钢厂30余家。

　　从1964年开始的“三线建设”高潮。钢铁工业在调整的同时，开始了以西南攀钢、西北酒钢为主的“大三线”建设和以中西部地区军工配套的“小三线”建设。通过这轮新建以及对其他已有钢厂改扩建，使我国初步形成了基本完整的钢铁工业布局。此后，这些企业绝大数成为我国钢铁行业的骨干，至今仍发挥着重要作用，并发展壮大。这对我国钢铁工业发展来说意义重大，为新中国钢铁工业日后发展打下了重要的基础。

　　1949年新中国成立时，我国只有15.8万吨钢，占世界钢产量的0.1%；1978年我国改革开放时粗钢产量只有3178万吨，占当年世界粗钢产量的4.4%；改革开放后1986年突破5000万吨，1996年粗钢年产量突破1亿吨，成为世界最大的产钢国和消费国。2003年突破2亿吨，以后大约每两年增加1亿吨左右，2018年粗钢产量达到9.28亿吨，占当年世界粗钢产量的50%以上。在世界钢铁行业的地位显著提升；钢铁产品的进出口格局也发生了根本性的变化，彻底结束了我国钢材“供不应求”的历史。这有力推动了我国工业化和现代化的进程，显著增强了综合国力，支撑了世界大国的地位。必须看到，我国成为制造业大国，钢铁工业功不可没，对国防工业、石油工业、造船工业、基础建设、装备制造业等都起到了很大的支撑与推动作用。

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　　炼钢技术的进步与发展

　　新中国炼钢科技进步取得举世瞩目的成就，科技成果不断涌现。在很大程度上解决了一些制约炼钢发展的技术瓶颈，我国炼钢技术装备国产化、现代化取得重大进展，品种质量得到优化、提升，整体水平明显提高。节能环保迈出了大步伐，使炼钢整体水平迈上了新台阶。包括鞍钢、包钢等大型老企业的现代化新区陆续建成并投产，一批沿海现代化钢铁基地也正在崛起。

　　目前，国内传统钢材产品基本都以转炉炼钢为主，电炉炼钢的生产优势已被压缩到有限的高合金钢、工模具钢等生产范围（当然大众化钢种也能生产，但在产量、成本上竞争力较低），其市场竞争力明显下降。目前，炼钢生产工艺流程主要有3种：

　　(1)转炉流程：高炉-铁水预处理-转炉-二次精炼-连铸-轧制。

　　(2)电炉流程：电炉-二次精炼-连铸-轧制。

　　(3)特种冶金：电渣重熔、真空感应熔炼、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等（如钛合金生产）—锻造或轧制。

　　2.1转炉炼钢

　　氧气顶吹转炉是1952年首次提出，并在过去的近70年里迅速发展，随着用户对钢材性能和质量的要求越来越高，钢材的应用范围越来越广，用户对提高产品产量和质量，扩大品种越来越重视。在这种情况下，转炉生产工艺流程发生了很大变化。铁水预处理、复吹转炉、炉外精炼、连铸技术的发展，打破了传统的转炉炼钢模式。已由单纯用转炉冶炼发展为铁水预处理—复吹转炉冶炼—炉外精炼—连铸这一新的工艺流程。这一流程以设备大型化、现代化和连续化为特点，目前国内最大转炉已达350t。氧气转炉已由原来的主导工序变为新流程的一个工序环节，主要承担钢水脱碳和升温的任务了。负能炼钢，节约能源，转炉炼钢成为当代炼钢的主流。随着炼钢技术的不断进步，传统的生产流程(高炉→转炉→铸锭)，已逐步被新的流程(高炉→铁水预处理→转炉→炉外精炼→连铸)所代替，炉外精炼在现代钢铁生产中已经占有重要地位。以不锈钢冶炼为例：不锈钢可采用一步法、二步法和三步法。一步法是指在电弧炉内完成所有的冶金任务，包括废钢和合金的熔化、脱碳精炼、钢渣还原和合金化，目前一步法工艺由于冶炼周期长、耐火材料烧损严重、成本高等原因已经被淘汰；二步法是指以初炼炉（如转炉、电弧炉）熔化废钢及合金料生产不锈钢母液，然后在转炉（电炉）精炼炉中精炼成合格的不锈钢钢水；三步法是在两步法的基础上增加了深脱碳的装备，用以生产超低碳或超低碳氮不锈钢。

　　2.2电炉炼钢

　　我国电弧炉炼钢20世纪70年代前，电炉一般都是30t以下的普通功率电炉。20世纪80年代开始建设50t~75t普通功率和高功率电炉，同时引进建设了50~150t高功率和超高功率电炉。配备不同型式的炉外精炼装置，炼钢工艺由传统的电炉一步炼钢法转变为电炉与炉外精炼配合的二步炼钢法，电炉承担熔化任务，还原精炼移到了炉外精炼装置中进行。工艺流程由传统的电炉炼钢—模铸的生产流程演变成采用高功率或者超高功率电炉—炉外精炼—连续铸钢的新流程。

　　电炉炼钢在这70年中，其发展速度虽然比不上20世纪60年代后转炉发展的那样快，但随着电炉炼钢技术的进步，大型超高功率电炉技术的发展以及炉外精炼技术的采用，使电炉炼钢技术有了长足进步，电炉钢产量及其占比有所增长。目前我国最大电炉已达220吨（最大电渣重熔炉已达450吨；最大的真空感应熔炼炉已达13吨），这为我国核电站、高温合金、航天航空材料等特殊材料需求提供了保证。m.xqikuaiwx.cOm

　　目前我国炼钢企业中，转炉炼钢仍然占据主导地位，而电炉炼钢仅仅占炼钢总量的11％左右，远远低于世界平均水平。随着我国废钢产量的增加以及电力成本的降低，我国电弧炉炼钢产量有很大的成长空间。然而我国真正开始大力发展电弧炉则是在20世纪80年代～90年代初，电炉正在成为转炉炼钢的一个竞争者。目前电弧炉除电极提供能量外，还可以通过氧枪和燃料燃烧器补充（如二次燃烧技术），电弧炉是最有效的废钢熔化炉（可采用废钢预热技术，以减少能量需求），减少碳排放量，鉴于电弧炉炼钢产能的增加，社会上也要求减少碳排放量，以及他的灵活操作方式，电炉还是有潜力和发展前景的炼钢方法。

　　2.3精炼

　　我国早在20世纪50年代～60年代上钢五厂、大连、抚顺、太钢等一些特钢厂就在炼钢生产中采用高碱度合成渣在出钢过程中脱硫冶炼轴承钢、钢包静态脱气等初步精炼技术，但没有精炼的装备，受当时工艺技术的限制效果不够理想。1967年大冶钢厂从西德引进第一代rh(循环法)真空处理设备，在我国特钢企业中率先采用炉外精炼技术，20世纪70年代后期，我国又从瑞典、西德、日本引进了多种炉外精炼设备，并自行研制开发了lf、vod、vd、aod等精炼炉，各特钢厂根据自己生产的品种和质量要求，以及具体条件纷纷建设多种形式的炉外精炼装置。如太钢炼钢采用电炉—aod生产不锈钢，经济效益显著；上钢三厂与长城钢厂用vod生产不锈钢效益也很好；上钢五厂与大冶钢厂用lfv和vhd/vod(实际按lf/vd使用)生产轴承钢、齿轮钢等，使钢中气体含量降至h≤2ppm，o≤10ppm，n≤20ppm；钢水中s≤0.005％，p≤0.008％，达到国际轴承钢的水平。能生产高质量品种，炉外精炼成为不可缺少的手段，炉外精炼在生产中的效能充分发挥。以炉外精炼技术为核心的“三位一体”短流程工艺广泛应用于国内各钢铁企业，取得了很好的效果。初炼(转炉或电炉)→精炼→连铸，成了现代化典型的工艺短流程。

　　但我国真正拥有钢包精炼技术是从1975年包钢引进端典两台asea-skf型钢包精炼炉开始的。1979年我国设计了第一台40吨lf/v钢包精炼炉，其配套用的200kg/h六级蒸汽喷射泵也是由国内设计制造。从此，50t以下的钢包精炼炉被各钢厂推广使用。但大型的钢包精炼炉还是依靠进口。在1991年6月天津钢管公司引进一套150吨lf/vd大型钢包精炼炉（真空脱气）投产；1996年我国具备了设计制造大型钢包精炼炉的能力，上海浦钢、上钢五厂、武钢等投产了大型国产lf/vd钢包精炼炉，这样我国的钢包炉设计的技术和装备水平可以替代进口。

　　20世纪80年代以来，我国炉外精炼发展很快，我国钢铁企业建设精炼炉突飞猛进，尤其是重点钢铁企业已普遍装备了炉外精炼，全面向炼钢（转炉、电炉）—炉外精炼—连铸方向发展。1983年我国上钢五厂第一台40吨lf精炼炉研制成功后，大部分电炉炼钢厂都开始配备lf炉，生产能力也可提高15%～30%，钢厂炉外精炼所需的真空脱气(真空脱碳)与成分精确微调等功能，均由精炼装置来实现，目前国内应用最多的精炼装置有lf、rh、vd、aod、vod等。（vod则主要用于超低碳不锈钢的精炼）。从炼钢厂的总体工艺与其生产的品种质量角度考虑，以满足绝大部分钢水脱氢、脱氧和去除夹杂的质量要求，并可通过真空脱碳反应冶炼超低碳钢，并有利于去除夹杂和促进脱硫反应、成分微调功能，对某些成分控制要求严格的钢种(如电站、油井管用钢等)，在真空下或还原性气氛下精确微调成分，当精炼超低硫钢种时，还需具备快速高效的脱硫功能，并通过钙处理改变硫化物夹杂形态，从而提高钢材质量。

　　2.4连铸

　　20世纪90年代我国新建炼钢连铸项目技术水平和设备档次不断提升，新建连铸项目技术水平、设备档次的起点均比较高。连铸过程中，钢水从钢包流出后，再经过中间包流入结晶器。整个过程中钢水容易与空气接触，产生二次氧化物夹杂，影响连铸坯质量，直接影响钢材的产品质量。为了提高连铸坯质量，采用了诸多提升产品质量、增加经济效益的工艺技术，如钢水保护浇注、结晶器液压振动、电磁搅拌装置、二冷动态模型控制技术、铸坯动态轻压下、钢包下渣检测、结晶器漏钢预报等技术。2010年我国在自主连铸装备水平、产品档次提升方面，各种机型连铸机技术均稳步发展并有所突破。特别是采用自主技术的国产连铸机、超大规格连铸机相继创造新的纪录，目前国内最厚的板坯连铸机已达450mm，最大铸坯宽度为2600mm；最大圆坯连铸机断面已达Φ1000mm；国内方坯连铸机断面也达到400mm以上。超大规格的板坯、圆坯、方坯代替模铸，大幅度提高成材率，生产效益得到很大提高。国产连铸装备不仅在国内已经具备与外商同台竞争的实力，而且已经实现成套出口。

　　总之，钢铁工业科技创新成果推广、应用效果明显。炼钢重点推广了工艺、装备、节能、环保、资源综合利用等一大批先进技术。保证了一大批高端产品的研发生产，为各主要用钢下游行业的升级发展做出了贡献。如能源行业中天然气长输管道用x100、x120钢；超低冷lng（液化天然气）储罐钢板；lng运输船用钢板等已实现国产化；能源行业的700℃超超临界锅炉用钢国产化；再以钢管为例，电站用inconel690u型镍基合金钢管；在石油行业中，2006年7月塔深1井完钻井深8408m；2019年7月轮探1井再创完钻井深8882m。这些成绩的取得与炼钢工艺技术进步是分不开的。改革开放我国钢铁工业成效显著，极大促进了炼钢工艺技术结构的变化，并缩小了与世界先进水平的差距。

　　在炼钢工艺技术和装备、产品质量上取得骄人业绩的同时；在节能减排上也取得了巨大进步。优化炼钢生产工艺，降低炼钢能耗，加强精细管理与操作，充分利用钢水中化学反应产生的化学能和排放废气中的物理能，如二次燃烧。

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