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张立峰:​炼钢技术的发展历程和未来展望(Ⅱ)——炼钢的未来展望

2023-01-31 15:13:30

来源:钢铁

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张立峰
(北方工业大学机械与材料工程学院, 北京 100144)


01

摘 要 



首先讨论了科技进步为推动力的铁水预处理技术、转炉冶炼技术、炉外精炼技术和连铸技术的进步。传统的KR铁水预处理技术采用了载气枪喷入脱硫剂粒子之后,增大了脱硫剂粒子进入铁液的深度并降低了粒子之间聚合的发生,既节省了脱硫剂的使用又提高了脱硫的效率;使用铬矿粉为原料通过转炉冶炼不锈钢过程中,采用副枪燃气燃烧送料技术,既实现了温度达标,也降低了铬的氧化烧损;钢液炉外精炼技术是在吹氩技术、真空技术和电磁技术等多项技术支撑下逐渐发展的;连铸技术也是在电磁技术、机械压下、数字技术的支撑下实现了无缺陷连铸坯的制造和近终形薄带连铸的产业化。然后,从钢洁净度的极限、未来的炼钢工艺展望和连续炼钢工艺3个方面讨论了炼钢技术的未来。目前钢中氧、碳、氮、磷、硫、氢6大元素总和已经能达到0.006 0%以下,特别是钢中总氧质量分数可以达到0.000 5%以下,但是关于钢中金属杂质元素包括锌、锡、铅、锑、铋、砷等去除的研究还需要加强;在信息化和自动化技术充分发展的条件下,无喷溅、无人工操作、无人工维护的“全智能转炉”是有可能实现的;连铸的大数据技术、软件技术和信息物理系统已经在一些先进钢厂得到应用;欧盟已经开始尝试铁矿石的纯氢气直接还原路线;随着科技进步和各种技术支持的提升,连续炼钢工艺在未来50年将成为可能。最后,对炼钢过程的基础研究进行了思考,针对炼钢过程的跨尺度、多相、多元物理现象,第一性原理计算、基于材料基因计算的钢种设计和物理化学反应的热力学动力学以及与钢液流动、传热和凝固行为的耦合研究将得到越来越多的关注。


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关 键 词 



炼钢; 科技进步; 铁水预处理; 转炉冶炼; 炉外精炼; 连铸; 全智能转炉; 连续炼钢; 炼钢基础研究


03

前 言 



在从1850年开始至今已经170余年的炼钢历程中,科学技术发生了天翻地覆的变化,在未来的几十年里,炼钢技术的发展将面临新的挑战。一方面对钢产品质量的要求更高,另一方面以铁矿石和废钢为代表的原材料的质量会下降,其价格尽管会有所波动,但会逐渐下降。特别是在低碳要求下,以中国为代表的钢铁生产大国将越来越多地以废钢为原料进行炼钢。在当前国际、国内的科技条件和经济条件下,炼钢技术向哪个方向发展是值得炼钢工作者思考的问题。
广义上的炼钢包含铁水预处理、转炉或电炉冶炼、炉外精炼和后续的连铸或模铸过程。到目前为止,每一个生产阶段都有尚未完全解决的挑战。例如,在炼钢过程中,通过降低热损失和热回收技术的进步以提高能源效率成为紧迫的任务;在炉外精炼方面的技术进步应该落脚于冶金化学反应的效率和获得钢高洁净度技术的开发;在冶金渣方面,除了通过提升反应效率而减少渣的产生之外,渣化学组分的回收和热回收是一个重要方向,利用冶金渣开发新的功能材料是必须发展的技术;将来的连铸技术既要满足高速连铸的要求,也要满足无表面缺陷和中心偏析的零缺陷连铸产品的要求。
本文首先以铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼和连铸技术为例,讨论了科技进步是如何促进炼钢技术发展的,然后从钢洁净度的极限、未来的炼钢工艺展望和连续炼钢工艺3个方面展望了炼钢技术的未来,最后对炼钢过程的基础研究进行了思考。


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精 选 图 表 



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结  语



本文第一部分追本溯源,详细总结了炼钢的发展历程,从19世纪50年代开始贝塞麦炼钢炉到平炉、氧气炼钢炉和电弧炉几个主要阶段,展示了以社会需求和科技进步为推动力的炼钢技术的诞生和逐渐改进的发展历程。本文为第二部分,主要讨论了炼钢技术的未来展望,特别讨论了科技进步为推动力的铁水预处理技术、转炉冶炼技术、炉外精炼技术和连铸技术的进步,并从钢洁净度的极限、未来的炼钢工艺展望和连续炼钢工艺3个方面讨论了炼钢技术的未来,最后对炼钢过程的基础研究进行了思考。本文力图从炼钢发展的历史,结合现在科技的发展方向,理清炼钢技术未来的发展蓝图和炼钢方面的基础研究应该关注的方向,为炼钢技术的继续进步提供指导。