摘要： “十三五”时期，中国炼钢技术快速发展，在机理创新、关键工艺技术和装备研发、高品质钢高效生产、智能化控制、低碳绿色发展等方面都取得了长足的进步。中国粗钢产量持续增加，达到了世界产量的56.49%，在发展的同时逐步实现炼钢结构优化，高品质钢的高效绿色生产为中国经济高速发展提供很好的支持作用。通过回顾和分析“十三五”期间中国炼钢共性关键技术取得的科技成果，对“十三五”期间炼钢科技进步进行了总结。代表性关键技术成果总结为两个方面，即“高品质钢炼钢-连铸关键技术开发与应用”和“洁净钢高效、低碳绿色炼钢-连铸技术研发”。“高品质钢炼钢-连铸关键技术开发与应用”技术主要的发展表现在高品质不锈钢脱氧及夹杂物控制技术，薄板坯连铸连轧生产电工钢技术，重载车轴钢冶金技术，高速和重载铁路钢轨用钢炼钢技术，特殊高合金钢品种冶炼及连铸关键技术；“洁净钢高效、低碳绿色炼钢-连铸技术研发”的主要发展体现在大型转炉高效、绿色冶炼关键技术，绿色电炉高效冶炼技术，高品质特殊钢绿色高效电渣重熔关键技术，高品质钢高效连铸技术。同时，炼钢-连铸智能化控制技术的应用取得了进展。实现关键钢铁材料的自主保障和前沿技术的突破是“十四五”钢铁行业实现创新发展的重要任务，结合“十四五”时期发展需求及定位，今后炼钢技术的重点发展方向包括洁净钢炼钢-连铸高效、协同生产技术创新和应用；炼钢-连铸智能控制技术的集成和应用；低碳绿色生产技术创新应用；近终形连铸连轧技术。关键词： “十三五”；炼钢；高品质钢；高效；低碳；智能化钢铁工业是国民经济的重要基础产业，为国家建设提供了重要的原材料保障，有力支撑了相关产业发展，推动了中国工业化、现代化进程，促进了民生改善和社会发展。“十三五”时期是“三步走”建设制造强国的开局阶段，也是钢铁工业结构性改革的关键阶段。“十三五”期间，中国粗钢产量持续增加，达到世界产量的56.49%，炼钢技术从机理创新、关键工艺技术和装备研发、高品质钢高效生产、智能化控制、低碳绿色发展等方面都取得了长足的进步。本文回顾和总结“十三五”期间炼钢科技进步及关键技术成果，为下一步“十四五”炼钢技术发展提供参考。1 “十三五”期间中国粗钢产量不断增加，逐步实现炼钢结构优化
图1所示为2015—2020年期间中国粗钢产量变化情况。进入“十三五”时期，中国经济持续快速发展，钢产量持续增加，2005年中国粗钢产量为3.49亿t，约占全世界钢产量的1/3。2016年，随着钢铁行业供给侧结构性改革政策拉开帷幕，中国钢铁行业迎来了新的发展时机，2016年中国粗钢产量达到8.08亿t，占世界钢产量的49.46%。2017年中国粗钢产量接近8.7亿t，占世界钢产量的50%以上。之后持续增加，到2020年，中国粗钢产量达到10.53亿t，占世界钢产量的56.49%。转炉炼钢是中国主要的炼钢方法，2005—2015年，转炉钢比例持续增加，由88.75%增加到94%，这是由于在经济快速发展牵引下，炼钢设备(转炉、电炉)大型化发展及冶炼效率不断提高提供了支撑。钢铁行业供给侧改革不断深入，尤其是2016年开始，随着中国“淘汰落后产能，淘汰地条钢”政策的落实，加上废钢供应量持续增加，使得电炉钢比例有所增加，转炉钢比例相应降低到88.36%。自2018年开始，国内针对转炉高废钢比冶炼技术不断开发和推广，2020年转炉钢比例提升到89.60%(图2)，电炉钢产量持续增加，达到约0.96亿t。2018—2020年，工信部发布《坚决打好工业和通信业污染防治攻坚战三年行动计划》，钢铁行业供给侧改革不断调整、深化，逐步淘汰了小转炉、小电炉、小连铸机、中频炉等落后产能，优化了炼钢产线结构。2 “十三五”期间中国炼钢共性关键技术取得的科技成果分析
钢铁工业关键共性技术对推动钢铁向高效、节能、优质、智能、低碳方向发展具有重要意义。“十三五”期间，炼钢共性技术的进步有力支撑了中国钢铁行业的高质量转型和发展。“十三五”期间冶炼行业科学技术进步奖的数量分布以及炼钢技术获奖数量的情况见表1。从表中可以看出，“十三五”期间，每年获一等奖以上奖项由10个左右稳定增加到15个以上，尤其是2020年，达到了23个。获得一(特)等奖项目数量逐渐增加，这说明中国冶金科学技术进步逐步加快，多专业协同创新日益深入。“十三五”期间中国炼钢技术所获冶金科学技术奖特等奖和一等奖项目的基本情况见表2。可以看出，“十三五”期间，共计11项炼钢技术获得冶金行业一(特）等科技进步奖，其中特等奖1项、一等奖10项，代表了炼钢技术的主要进步方向，主要包括大型转炉高效冶炼技术、洁净钢冶炼技术、连铸坯高效高品质连铸技术、薄板坯连铸连轧、特殊钢绿色高效电渣重熔关键技术等。图3所示为所获一(特)等奖项目的专业分布状况。可以看出，获奖项目包含的专业方向为高效连铸、转炉炼钢、精炼、电渣重熔等，其中连铸相关获一等奖项目为6项，超过获奖项目的一半。连铸专业项目不断获奖，体现了多年来连铸装备、技术从引进为主导到较为活跃自主研发的转变。针对特定高品质钢种的炼钢多工序综合技术获奖项目为2项，转炉、精炼、电渣重熔各1项。炼钢单工序技术不断突破，形成关键技术，结合炼钢过程各工序智能化及协同优化，为高品质钢高效生产提供了保证。下面就“十三五”期间主要炼钢技术的发展和应用情况进行归类总结。3 以企业为主体高品质钢炼钢-连铸关键技术开发与应用
不锈钢产品的应用领域逐年增加，对不锈钢的产品质量提出了更高要求。中国成为全球最大的不锈钢生产与消费国，但是产品质量与国外还存在较大差距，部分高端行业用不锈钢还主要依赖进口。太钢针对高品质不锈钢的脱氧及夹杂物控制方面还存在的问题，研究了高品质不锈钢的脱氧及精炼渣系对夹杂物的影响，针对降低不锈钢中全氧含量及夹杂物塑性化、纯净化问题，开展了装饰行业用不锈钢硅脱氧下的夹杂物塑性化控制工艺技术、超洁净含Ti镍系不锈钢脱氧及夹杂物控制技术、超低氧不锈钢脱氧及夹杂物弥散化控制技术和超洁净含Ti铁素体不锈钢脱氧及夹杂物控制技术的开发，以期开发出满足高端行业用的系列夹杂物控制技术。开发了不同品种、多种工艺路线的超洁净不锈钢生产工艺技术，生产的304、316、430、321、316Ti、Cr13系、436和 441等钢种在高端装饰行业、核电、石油开采和高端汽车排气系统等得到广泛应用。钢铁研究总院连铸中心首先在实验室模拟薄板坯连铸连轧流程，薄板坯加热温度为1 150～1 180 ℃，采用“固有抑制剂法”成功试制了CGO和Hi-B钢。采用“固有抑制剂法”结合固态渗氮方式以及气态渗氮方式的“获得抑制剂法”，也成功试制了Hi-B钢，成品磁性能达到27QG100及以上的水平。通过“十一五”国家科技支撑项目“薄板坯连铸连轧生产取向电工钢新技术研究”，武钢与钢铁研究总院等单位进行合作研发，采用CSP流程成功进行了普通取向硅钢的试生产，成品磁性能达到30Q130和27Q140的水平。同时，开展了HiB钢生产的探索工作。武钢开发并集成了CSP和HiB钢生产工艺。连铸拉速达4 m/min，近2年黏结漏钢率为0，关键成分Als、N双合格率达96%，连浇炉数可达10炉；HiB率为95%以上。开发了CSP生产硅钢的表面质量控制技术，HiB钢表面缺陷率不超过5%。为了改变高铁及重载铁道车辆用车轴等关键部件严重依赖进口的局面，组织开展了一系列科研攻关，包括国家973重大基础研究项目和安徽省科技重大专项计划项目等，马钢联合北京科技大学、中国铁道科学研究院集团有限公司承担了其中关键冶金技术的研发任务。通过研发和应用形成了具备自主知识产权的成套工艺技术。高铁及重载铁道车辆用车轴钢成分体系与欧系车轴钢相比，镍、钒和钛含量较大增加，对钢材强度与抗疲劳性能进行了更合理匹配；简化LF精炼任务(主要进行调铝、造渣)，由RH精炼担负超低氧控制任务，将车轴钢液w(T［O］)控制在0.000 55％以内；利用固态夹杂物比液态夹杂物更易聚合和去除的机理，通过炉外精炼或将固态夹杂物近乎全部去除，或使其转变为在连铸过程不易聚合的液态夹杂物，显著降低了车轴大型夹杂物探伤不合格比例；解决了长期困扰特殊钢大圆坯、大方坯冶金质量的1/4直径或厚度处正偏析问题。马钢产40 t轴重车轴钢和时速250、350 km中国标准动车组车轴钢，冶金质量和综合性能明显优于进口产品，已顺利通过中铁CRCC认证，并于2017年实现全路推广应用。马钢开始批量生产高铁及重载铁道车辆用车轴钢后，进口车轴价格由4万元／件降低到2.5万元／件。针对高速和重载钢轨铁路发展需求、钢轨标准提升、安全长寿要求、稀土资源利用等方面新的挑战，结合包钢资源条件、装备条件和工艺特点，包钢联合北京科技大学等单位开发了高效和精准洁净化集成关键技术、均质化连铸关键技术、稀土处理性能提升关键技术。优化了硅铁-硅钙钡合金精准化高效复合脱氧工艺，实现精炼过程中钢液和精炼渣的深度脱氧，将高速轨和重载轨用钢中总氧质量分数降低至0.000 61%。揭示了钢中纯液态非金属夹杂物尺寸大、难上浮去除、轧制后呈长条串状的现象，开发了精炼渣和合金成分协同作用的非金属夹杂物半液态化精准成分控制技术，将大尺寸非金属夹杂物引起的钢轨探伤不合格率降低至0.1%；发现了大方坯结晶器多孔水口流场下弱电磁搅拌改善连铸坯元素偏析的规律，开发了大方坯结晶器弱电磁搅拌和末端轻压下协同控制技术，解决了高速轨和重载轨用钢的大方坯中心偏析和1/4偏析的难题，钢轨碳偏析度降至1.03；开发了重载钢轨连铸坯控温缓冷技术，首次构建重载钢轨用钢连铸坯控温缓冷平台，对固体连铸坯进行控制加热和控制缓冷，将钢坯中氢元素极限脱除至0.000 06%；发现了稀土处理细化非金属夹杂物的特征，细化了非金属夹杂物尺寸和凝固组织，提升了钢轨的性能，实现了稀土钢轨的规模化生产。通过技术应用，显著提升了包钢高速和重载钢轨的洁净化和均质化水平，满足国内外各个级别的钢轨需求，应用于包钢年产100万t的钢轨钢生产。随着国民经济快速、高质量发展，国家对特殊高合金钢的品种、质量、产量提出更高的需求。由于技术制约，这些特殊品种国外仅有个别企业实现部分连铸生产，长期以来国内不能生产或只能采用模铸生产，且成本高、效率低，限制了后步轧制流程、产品规格和产品开发推广应用，一些产品长期依赖进口。特殊高合金钢在冶炼、浇铸及凝固过程中存在诸多难题。太钢通过“产学研”合作，实现了特殊高合金钢品种系列化、高质量稳定连铸生产。开发了VOD铝合金化、KOBMS锰合金化和高铝保钛(稀土)等工艺，解决了高含量下合金化过程氧化和挥发难题，Al、Mn收得率分别达到94.8%和95.8%，合金化时间不超过50 min，Ti和RE收得率提高了50%。开发了高铝、高钛、高稀土钢的超低氧／氮冶炼及夹杂物微细弥散化控制技术，解决了Al、Ti、RE与O、N形成大尺寸夹杂物的难题，氮化物夹杂尺寸不大于5 μm，钛系和稀土夹杂物尺寸不大于10 μm，显著改善了可浇性。开发了高铝、高钛钢的CaO-SiO2基保护渣和高稀土钢的CaO-Al2O3基保护渣，形成了特殊钢连铸保护渣的解决方案。形成了高碳高锰、高碳高铬钢的连铸冷却、铸流电磁搅拌、铸坯红送等系列关键技术，首次实现了6Cr13、Mn13、第三代汽车钢Mn5等品种的高质量多炉连浇。4 以院校为基础洁净钢高效、绿色炼钢-连铸技术研发
中国大型转炉炼钢技术起步晚，但是发展迅速，自2008年以来，通过引进和研发逐步实现装备现代化和稳定生产。但与国际先进水平相比，仍存在钢水洁净度低(终点氧质量分数为0.060%~0.100%)、冶炼过程效率低、消耗排放大、生产不稳定等难题。钢铁研究总院持续对炼钢机理、关键工艺及装备、工艺模型、智能化控制及成套技术进行多年攻关，与宝钢、马钢、鞍钢等钢铁企业合作研发，成功突破了技术和应用瓶颈。钢铁研究总院与钢铁企业合作，揭示了大型复吹转炉熔池均衡搅拌的机理，并创建了熔池均衡搅拌的定量化工艺。实现了0.20 m3/(t·min)左右高强度底吹搅拌；基于机理技术创新，自主开发了转炉高强度长寿命复合吹炼关键装备及控制模型；形成了大流量低喷溅氧枪技术，研发了具有自主知识产权的新一代大流量长寿命底吹环缝式供气元件及底吹智能控制系统；针对大型复吹转炉高底吹强度与底吹寿命相矛盾难题，自主研发了高强度、长寿命复合吹炼工艺，实现了全炉役100%复吹比，全炉役碳氧积降至0.001 33的世界领先水平；建立了大型转炉高效率脱磷机理模型，在较少渣量和较低氧化铁的条件下实现了高效率脱磷；研发了基于节能高效的快速出钢技术，出钢时间达到了70 t/min的世界最好水平；基于高效冶炼，开发了大型转炉绿色冶炼集成技术，主要包含低铁耗少渣控制技术、烟尘控制技术、炉渣循环利用技术、低能耗和低CO2排放技术。生产效率提高18%，钢铁料消耗降低5 kg/t以上，合金消耗、炉渣排放减少20%，工序能耗达到-32 kgce/t，减少CO2排放12 kg/t以上。大型转炉高效、绿色冶炼关键技术在工艺机理创新研究、技术与装备研发和工艺贯通的生产实践上均取得突破，并在中国的主要钢铁企业获得应用，实现了中国大型转炉技术关键工艺指标的引领。围绕“高效、低耗、绿色化和智能化”的生产目标，近年来电弧炉炼钢领域开发出一系列新技术、新工艺、新装备，电弧炉炼钢技术及装备水平不断提高。国产电弧炉装备技术水平与国外相比，在绿色节能、自动化、智能化、生产服务以及配套检测、机器人技术等方面差距很大，先进大型电弧炉基本依赖进口。中冶赛迪、北科大研发团队针对长期困扰国内外全废钢电弧炉炼钢生产的能量消耗高、质量不稳定、二英污染等重大关键问题，以电弧炉炼钢绿色节能、高效洁净为目标，与相关机构联合完成了超高功率智能供电、高效深度洁净冶炼、绿色输送废钢预热和跨尺度高效协同控制集成和应用。通过研究获得主要成果如下：技术团队研发出超高功率电弧炉变压器和电极自动调节技术，形成了超高功率电弧炉供电技术标准；发明了熔池内气-固喷吹、CO2-Ar动态底吹、出钢过程在线喷粉脱氧等新方法，实现了低成本快速深脱磷、脱氮和钢液氧含量控制，解决了长期制约电弧炉洁净化冶炼的世界性难题；开发了适应多元炉料结构的全余热回收、低阻尼除尘、高效急冷二英治理、阶梯扰动函道废钢预热等新技术，显著提高了电弧炉炼钢节能环保水平；提出了以质量为核心的炼钢洁净生产与绿色制造协同运行新思路，开发了非接触钢液连续测温、炉气成分在线分析、终点预报和成本质量控制软件等，实现了电弧炉炼钢绿色-洁净技术集成，进一步提升了电弧炉炼钢运行效率和产品质量，显著降低了生产成本。东北大学针对传统电渣重熔技术的局限性，如耗能高、氟污染及产品质量不稳定等问题，开展了系统研究，解决了传统电渣钢质量提升和节能环保问题；系统集成电极称量、电流、渣阻摆动、同轴导电等技术，形成可控气氛电渣重熔技术；集成双极串联、气氛保护、低频供电、钢锭在线保温等关键技术，开发特厚板坯电渣重熔技术；集成三相三电极、中点平衡法、组合式结晶器、气雾强化冷却等技术，形成电渣重熔特大型钢锭技术；研发基于单电源双回路导电结晶器、曲面锥度强化冷却等多项技术的半连续电渣重熔实心和空心钢锭技术；自主创新电流摆动、炉内气氛检测及控制、钢锭二次冷却等多项具有自主知识产权的关键技术。姜周华项目组自2003年起共建造新型电渣炉180多台，国内市场占有率超过50%。成果推广到20多家特钢企业中，节能减排效果显著，吨钢节电200 kW·h/t以上，除氟后废气中氟化物小于1 mg/m3(标准态)，电渣钢质量及成材率显著提升。中国连铸从单一机型发展到包括薄板坯、薄带等各种机型，硅钢、不锈钢、IF钢、高品质特殊钢等高附加值产品的连铸技术不断进步。通过多个品种高效连铸的机理及关键技术和装备的自主研发，逐步促进了连铸技术高质量发展。中国的薄板坯连铸连轧产线技术由最初的成套引进向自主设计集成开发方向转变，产品也由最初的普通品种钢向高端品种钢转变，硅钢、低合金高强钢、中高碳合金特殊钢等钢种已经逐步成为产线的主要品种。然而，高端品种钢合金含量高，裂纹敏感性强，特别是在薄板坯连铸生产条件下难度大，漏钢、裂纹、夹杂以及由合金成分偏析引起的带状组织等缺陷问题尤为突出，成为产线品种结构调整、稳定顺行的主要限制性环节。武钢联合钢铁研究总院等单位开发了“高端品种钢铸坯整体偏析控制技术”，采用二冷分功能冷却配合连铸过程低过热度和高拉速的控制工艺，铸坯中心碳偏析比降低到1.04，带状组织级别由3级降为1级；创新性地引入铸坯凝固收缩和坯壳变形低应力的理念，解决了高端品种钢裂纹发生率高和铜板使用寿命低的难题。铸坯裂纹发生率降低了54.22%，铜板寿命达到12.7万t；以“动态逻辑判断算法”为核心判据的新型薄板坯漏钢预报系统，实际应用中无漏报，报警准确率达到95.8%；通过技术应用，武钢薄板坯产线连铸硅钢、合金高强钢、高品质中高碳钢等高端品种钢突破100万t/a，占整个产线年产量的50%以上。大方坯的中心偏析与疏松缺陷长期以来未能得到根本性解决，已成为制约高端大规格型棒材高效化生产的共性技术难题。鉴于此，攀钢集团、东北大学等单位从理论研究、装备设计、工艺开发、控制技术集成等方面联合研发形成了具有自主知识产权的连铸大方坯重压下装备与工艺技术。针对大方坯重压下过程应变速率高、温度跨度大、组织差异明显的特点，建立了准确表征大变形条件下金属流变行为的本构方程，揭示了大方坯大变形行为与应力应变规律，为重压下关键工艺技术与装备研发奠定了重要的理论基础；建立了基于“压力-压下量”在线测定数据及溶质偏析非均匀分布计算的凝固末端在线定位技术，研发了连续、多点、动态的大方坯凝固末端动态重压下技术(SEDHR)；研制了大方坯重压下核心装备-渐变曲率凸型辊(CSC-Roll)，解决了常规凸型辊辊坯接触应力大而导致铸辊使用寿命低、压下限定多的难题，大方坯的中心致密度与均质度显著提高。应用上述研究成果，建成了首条可实现凝固末端及铸坯完全凝固后连续、稳定重压下大方坯连铸生产线，实现了产业化应用。生产的连铸大方坯中心疏松区域宽度由原来的95.5 mm降至55.3 mm；铸坯中心致密度比原来提升了0.86%，对应轧材中心区域致密度提升了12.05%；大规格合金结构钢探伤合格率由原来的70%提高到100%；突破了轧制压缩比大于6∶1的严格限定，在国际上率先实现轧制压缩比3.73∶1条件下42CrMo、45M等结构钢、车轴方钢、氧气瓶钢等大规格型棒材产品的成功制备。微合金钢是钢铁生产的主力产品，但在微合金钢板坯连铸过程中经常出现各种铸坯表面缺陷，如铸坯角部裂纹、厚板坯窄面鼓肚、“S弯”以及由两者引起的宽面偏离角凹陷及裂纹缺陷，薄板坯边部翘皮、烂边、掉块等，这些已成为制约微合金钢高质、高效与绿色化生产的共性技术难题。东北大学针对微合金钢板坯连铸过程频发边角裂纹难题，研发出了基于铸坯边角部组织高塑化的表面无缺陷连铸新技术，并实现了规模化工业应用。揭示了微合金钢板坯边角裂纹产生的根本原因及机理，即铸坯边角部凝固过程因晶界集中析出微合金碳氮化物并生成先共析铁素体膜而大幅降低塑性，铸坯在矫直等变形过程发生沿晶开裂并扩展；探明了微合金钢板坯角部碳氮化物弥散析出与晶粒细化工艺条件，提出了根治裂纹的新思想及途径，即铸坯角部通过结晶器快冷以弥散化析出碳氮化物和二冷高温区循环相变以超细化晶粒，实现其凝固组织高塑化而根治裂纹产生。研制出角部高效传热新型曲面结晶器，定量化探明了耦合坯壳-结晶器铜板间保护渣膜与气隙动态分布行为的微合金钢凝固热/力学行为规律，研制出了“上部快补偿、中下部缓补偿、角部多补偿”连续曲面变化的角部高效传热新型曲面结晶器；在凝固过程中，铸坯中下部的角部的冷速可以达到传统窄面直板结晶器冷速的3倍，铸坯角部微合金碳氮化物弥散析出，并显著细化原奥氏体晶粒(细化程度大于60%)；从源头控制了致使微合金钢连铸板坯边角裂纹产生的析出物沿晶界集中析出与生成粗大原奥氏体晶粒降低角部塑性的关键成因。开发了连铸坯角部晶粒超细化二冷控冷新技术，基于钢高温相转变机制，全新开发形成了基于连铸机窄面足辊区铸坯角部局部超强冷、弯曲区快回温的“γ→α→γ循环相变”晶粒超细化二冷控冷新工艺与装备技术，实现了各系列微合金钢铸坯角部组织由传统粗大的“奥氏体＋晶界先共析铁素体膜”低塑性结构向尺寸不大于20 μm的高塑化组织转变(塑性提升30％)。技术规模化应用至鞍钢、宝钢、河钢以及韩国现代钢铁等国内外12家大型钢企21条产线，实现了薄板坯、中薄板坯、常规板坯、宽厚板坯以及特厚板坯等全系列板坯坯型应用，微合金钢铸坯边角裂纹率稳定控制至不大于0.08%的水平。连铸成为钢铁生产的主流工艺，但由于选分结晶和强制冷却等特点，连铸坯往往出现柱状晶发达、宏观偏析严重、凝固裂纹和夹杂物偏聚等缺陷。连铸凝固过程控制成为冶金工业技术发展亟需解决的问题。上海大学聚焦凝固过程研究方法的迫切需求，提出基于特征单元热相似性的凝固过程热模拟方法，发明了连铸凝固过程热模拟技术及装备。历时20年，在不断完善连铸凝固过程热模拟技术及装备的同时，发明了异质形核、凝固裂纹和亚快速凝固等热模拟技术及装备，构建了一套比较完整的面向冶金生产工艺流程的凝固热模拟试验系统，实现了生产条件下凝固过程的离线再现。这一成果对认识凝固过程、组织及缺陷形成规律和优化工艺具有重要价值，并为凝固数值模拟提供了简单可靠的试验支撑。绿色化、智能化钢铁制造流程及品种技术集成研发与应用是“十三五”时期中国钢铁行业发展的总体任务。围绕钢铁流程结构优化及智能化升级是重点内容之一。钢铁企业不断加大对智能化研发、应用的投入力度，分别在转炉、电炉、精炼、连铸关键环节实现了数字化、模型化和自动控制。“十三五”期间，中国主要大中型转炉逐步实现了“一键炼钢”，宝钢实现了300 t转炉“一键炼钢+全自动出钢”，开展合金智能化控制、一键炼钢技术优化、自动出钢、转炉冶炼过程可视化4模块技术集成等工作。宝钢、马钢基于高强度顶底复合吹炼技术和高效脱磷技术，优化了动态控制模型，实现了冶炼终点不倒炉出钢。莱钢和钢铁研究总院合作以数学模型为基础，在创新应用激光炉气分析技术的基础上，完善转炉基础数据信息在线检测技术，开发静态和动态智能控制模型、自动出钢技术。莱钢、梅钢、首钢、河钢等企业也相继实现自动出钢技术的应用，提高了冶炼的连续性和生产效率。中冶京诚、中冶赛迪等设计院相继开发转炉全自动冶炼技术，中冶京诚副枪系统的过程碳温测成率达到96%，终点碳偏差可控制在0.009 9%以内。宝钢开发了一键RH精炼技术，实现了真空排气开始到排气结束的RH吹氧、合金化、冷材、真空、环流气、测温取样等所有工艺操作按时间进程有序自动控制，一键RH精炼率近90%。2020年，鞍钢和本钢通过构建系统参数模型，优化三级网络通信，相继实现了一键RH操作，整体系统更稳定、更精准、更智能、更快速。中冶赛迪、北科大研发了新一代绿色电弧炉高效智能控制技术，将冶炼过程信息采集与过程基本机理结合起来，进行分析、决策和控制，追求电弧炉炼钢过程的最优化解决方案。以更短的冶炼周期、更少的能源消耗和电极消耗、更高的废钢收得率和尽可能低的人力成本为目标，形成控制手段更加多元化，性能更加稳定、可靠和高效的控制系统，实现了电弧炉冶炼过程的高度自动化和初步智能化。钢铁研究总院根据CSP等连铸结晶器特点，采用“动态逻辑判断算法”为核心判据，开发了开浇漏钢、黏结起步再黏结漏钢等非稳态凝固状态下的控制模块，完善了薄板坯高拉速结晶器漏钢预报系统，攻克了复杂工况条件下误报率高、漏报率高的技术难题。东北大学开发了连铸结晶器智能化专家系统，具备热监控、振动及摩擦力监控、结晶器润滑效果评价、漏钢预报监控、液位自动控制等功能，有效降低了漏钢误报率。北京科技大学开发出在线使用的新一代三维动态配水软件，全面准确模拟连铸过程中钢水凝固传热过程，通过不同季节、浇注周期测温和喷嘴喷水量分布测定， 对换热系数进行了修正，确定了更为接近实际二次冷却的复杂边界条件。基于机理、关键工艺及装备一体的漏钢预报、液位控制、电磁搅拌及二冷配水系统等智能控制技术，为高质量铸坯的稳定生产提供了保证，提高了连铸生产过程的生产效率。“十三五”期间，中国在炼钢的机理、关键技术与装备技术创新方面取得了长足的进步。当前，中国正加快构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局，国际形势不确定性和国内大循环倒逼钢铁行业补短板，解决“卡脖子”等问题，实现关键钢铁材料的自主保障和前沿技术的突破是“十四五”钢铁行业实现创新发展的重要任务。加强炼钢、精炼、连铸关键工艺技术的创新，结合炼钢多工序高效协同的需求，建立炼钢-精炼-连铸多工序协同的高效低碳生产技术系统并开发关键技术是今后的攻关方向。结合“十四五”时期发展需求及定位，今后炼钢技术需关注如下方面的工作。(1)持续推进洁净钢炼钢-连铸高效、协同生产技术创新和应用。随着技术的进步，提高炼钢过程单体炉/机的生产能力，并使之相互匹配形成“动态-有序”、“协同-连续”的准一体化的炼钢模式，是实现全流程高效、绿色稳定生产炼钢技术的重要抓手。根据企业现场调研分析，转炉冶炼周期和连铸拉速普遍存在是限制性环节。大型转炉冶炼周期缩短到32 min以内，中、小型转炉冶炼周期缩短到25和20 min以内是主要方向，为此需要针对性开发转炉高强度低喷溅供氧技术和匹配的高强度底吹技术。在不断提升恒拉速/高拉速连铸水平的条件下，克服不同钢种连铸坯裂纹、偏析与疏松等冶金缺陷，结晶器、二冷区和凝固末端等连铸机重要部位新技术开发需要关注，以解决高拉速条件下出现的凝固坯壳不均匀、结晶器卷渣、铸坯质量等技术难题。运用流程工程学技术融合单体工序关键技术，实现“铁水预处理-炼钢-精炼-连铸”多工序的高效协同，这是炼钢技术进步的重要方向。(2)以数字化、智能化为手段，集控平台为依托，推进炼钢-连铸智能控制技术的集成和应用。对于炼钢过程而言，冶炼过程涉及多个工位，因其流程长、涉及多物质多种形态(气、液、固)的转变、消耗及排放量大、运行规律复杂、过程控制参数多变，其高质量、高效、绿色低碳、低成本的稳定运行需依赖智能化实施途径做保障。推进炼钢集控平台建设，建立“铁水预处理-炼钢-精炼-连铸”多工序大数据协同控制平台，以满足炼钢多工序工艺升级和炼钢过程动态高效、安全、低碳环保、质量及成本等多目标管控的需求。依托数字化、智能检测及控制、大数据分析、智能算法、装备自动控制等手段，针对不同工序的冶炼功能建立或开发基于机理和关键控制技术的模型，促使关键工艺与检测系统、控制系统耦合，实现全冶炼周期的自动化炼钢、一键式精炼等单体工序智能控制，钢包智能动态调度，实现坯铸机全自动无人浇铸等技术。(3)深入推进低碳绿色生产技术应用。对于低碳绿色发展而言，炼钢技术需要做几个方面的工作：一是提高生产效率，从源头降低辅料、合金、耐火材料等物料的消耗水平，减少渣量，降低钢铁料消耗，降低过程能耗；二是促进炼钢过程低碳绿色生产，最大限度地提高钢水洁净度，减少碳排放污染、降低物料消耗和能耗并实现回收及资源化利用(少渣炼钢、少渣精炼、炉渣热循环、炉渣梯级资源化利用、炼钢烟气和炉渣余热回收、炉渣及烟气钢化联合利用)；三是深化BF-BOF流程高废钢比冶炼技术，配套完善能量平衡体系，开发废钢分拣与杂质元素控制等技术，为BF-BOF流程低碳技术升级提供支撑；四是开发全废钢电炉短流程技术，全废钢电炉流程能耗低、环境负荷小，吨钢CO2排放量仅为高炉-转炉流程的1/3，是典型的低碳、环保、高效的钢铁制造流程，随着社会循环废钢的增加，依托城市铁资源的循环利用，开发高效低成本电炉冶炼技术、废钢冶炼高品质钢技术、全废钢电炉流程技术，逐步发挥电炉低碳冶炼的优势已成为“十四五”发展重要议题；五是推进炼钢工序“CO2捕捉-资源利用”技术，综合评估CO2捕捉、运送过程能耗及碳排放与利用效率的平衡关系，有效提高CO2利用过程效率并降低CO2利用全过程的能耗排放。(4)近终形连铸连轧技术。近终形连铸连轧技术能够极大地精简钢铁制造流程的时间和空间，在实现高效化生产的同时显著降低制造过程能源和二氧化碳排放量。近年来，以无头轧制和薄带连铸连轧为代表的近终形制造技术在中国的钢铁工业得到快速应用，但从总体水平而言，仍处于跟跑阶段。在国家碳中和战略目标的背景下，近终形连铸连轧技术必将成为钢铁工业进行流程再造的重要技术路径之一。杨利彬. “十三五”中国炼钢关键技术进步及思考[J]. 钢铁, 2022, 57(8): 1-10. YANG Li-bin. China steelmaking technology progress in the 13th five-year plan and prospection[J]. Iron and Steel, 2022, 57(8): 1-10.
