我国是世界上最大的钢铁生产国，2021年，全国钢产量10.3亿吨，超过世界钢产量的50%。钢铁行业工艺流程长、产污环节污染物排放量大，其中二氧化硫、氮氧化物、颗粒物排放总量在工业行业中均居前三位，推进实施钢铁行业超低排放是推动行业绿色发展的必经之路。同时钢铁行业是我国重要的CO2排放源，作为典型的资源能源密集型产业,钢铁行业加快低碳转型、尽早实现碳达峰并有效降碳,既是行业自身高质量发展的内在需要,也是支撑落实国家碳达峰、碳中和目标的客观要求。
在装备、资金不占优势的情况下，如何在这次绿色革命的进程中抢占先机，技术转型，实现企业的绿色健康发展，是绝大部分中小型钢铁企业面临的严峻课题。
无锡新三洲特钢作为城市钢厂，在限制污染物排放、保护周边环境方面面临更大的挑战。自2018年开始，新三洲特钢充分利用北京科技大学包燕平教授研发平台，在产能严格控制的情况下，以高效、低耗、低排为目标，通过一系列技术优化和改革，开发了“高效、低耗、低成本炼钢新工艺”，提高了冶炼效率、降低了吨钢铁耗、减少了污染物排放，炼钢成本降低至同行业内的最低水平，实现了企业的绿色健康良性发展。
1.基于少渣冶炼的快速脱磷技术
目前，转炉炼钢方式是我国钢铁企业的主要炼钢流程。国内的钢铁企业，每生产1t钢水需要消耗35～50kg石灰，8～30kg镁球或轻烧自云石，并且会产生100～120kg转炉钢渣。由于转炉钢渣经济价值低，数量庞大，综合利用率低，因此大量钢渣无法得到有效利用，储存未利用的钢渣浪费了大量土地资源，并对渣场周边的土壤、水源造成了一定程度的污染。因此降低造渣材料的消耗、实现少渣高效冶炼己成为转炉炼钢工艺的重要发展方向，对钢铁行业节约能源、降低污染物排放等具有重要意义。无锡新三洲特钢在少渣冶炼方面的技术突破集中在三个方面，一方面通过适当提高转炉废钢比，减少熔池中磷元素的整体数量，为降低钢渣碱度提供了有利条件，通过钢渣碱度控制，减少渣量。废钢比由15%提高到35%，熔池中磷元素的整体数量下降23.5%，钢渣碱度能够降低15%。其次，在造渣过程中通过配加多元少渣剂并配合规定时间内的小批量多批次造渣操作，在吹炼3～4min内将熔剂全部加入，实现转炉冶炼前期的快速成渣，充分利用冶炼前期熔池低温的脱磷条件，达到快脱磷、早脱磷的目的，其中前期脱磷温度控制在1400～1450℃，在冶炼前期控制熔池温度稳定缓慢上升，并保证前期快速成渣，在转炉冶炼前期脱除熔池中大部分的磷元素。最后，在冶炼过程中采用“全程化渣”操作，采用低—高—低—高—低的变压变枪供氧工艺的控制，在冶炼中后期有效避免回磷问题，实现了转炉少渣冶炼。其中石灰消耗降低至16-18kg/t，镁球消耗降低至6kg/t，总渣量减少至55-60kg/t，由此可降低钢铁料7-10Kg/t。
2.基于少渣冶炼的低铁耗操作工艺
降低转炉吨钢铁耗的主要手段包括增加废钢比，避免喷溅损失、减少钢渣铁珠量，降低钢渣(FeO)含量。在优化了脱磷造渣工艺后实现了转炉的少渣冶炼，降低了渣量以及渣中铁珠量。但是由于高废钢比条件下会出现钢水终点温度不能保证的情况，如果通过后吹提高钢水温度，会造成渣中(FeO)含量过高，并且导致钢水过氧化严重、钢中夹杂物升高、合金收得率下降合金成本升高、炉况恶化。
为了稳定转炉高废钢比冶炼，避免后吹导致的生产、质量问题，实现稳定的低铁耗操作，新三洲特钢建立了全过程热量控制的系统思维，将热量高效利用贯穿于整个“低铁耗冶炼”操作中。首先，在转炉炼钢过程中冶炼造渣仅局限于脱磷，通过北科大的研究并经新三洲现场试验，针对螺纹钢等P≤0.045%要求的钢种，在转炉高废钢比冶炼的条件下钢渣碱度控制在1.8-2.2之间，可以满足脱磷的需要。最关键的是炼钢石灰的利用率必须达到90%以上，转炉前期造渣料熔化充足。根据铁水Si成分的变化，石灰加入量能够稳定控制在16-18kg/t。通过少渣冶炼能够大大减少造渣料熔化吸收的热量以及钢渣热量，多余热量可以根据转炉热平衡，充分利用下部废钢斗和高位废钢料仓组合的废钢加入方式进行调节，即使用钢铁料代替传统冶炼模式下冶炼过程使用冷却剂进行热量平衡的操作，从而实现转炉温度的稳定控制，达到降低铁耗的目的。其次，摒弃传统的造渣一批、二批操作模式，要求在C-O反应达到中期之前按照多批次、小批量的原则（石灰每批料≤120Kg、镁球每批料≤150Kg）加完所有渣料（石灰及镁球），减少冶炼中期化渣的压力，缩短化渣时间、减少冶炼周期，高温钢水在炉内停留时间缩短，钢水辐射等热损失大大降低，由此节省的热量可以利用废钢进行平衡，进一步降低了铁耗。最后，通过转炉热平衡的准确计算，保证钢水温度合格率达到了95%以上，有效避免了后吹导致的钢铁料损失，同时降低了渣中（FeO）含量以及钢水氧含量，减少了合金烧损，出钢过程热量损失减少，出钢温度降低能够进一步提高废钢比，降低吨钢铁耗。根据新三洲炼钢厂现场实际数据统计，2021年转炉钢铁料消耗1051Kg/t（其中铁耗743Kg/t）、渣中（FeO）稳定控制在25%以下。渣料和钢铁料成本与同行业相比分别降低15元/吨和31元/吨。
3.基于连铸高拉速的低温控制技术
温度是炼钢的生命线，所有温度控制的目标是确保连铸工序生产稳定顺行。理论的转炉出钢温度=钢种液相线温度+过热度+各过程温度损失。在工艺确定的情况下，“过程温度损失”能够通过以下措施进行调整：最大化的钢包周转率保证红包出钢、周转钢包全程加盖保温、转炉合金烘烤、智能底吹气控制等，通过这些措施能够相对比较容易地减少钢水周转过程中的热量损失。然而，如何降低连铸过程中对钢水过热度的要求是十分困难的，受限于生产场地和资金投入，中间包离子加热等方式对于中小型钢铁企业是难以实现的。因此，新三洲特钢开发了以及连铸高拉速的低温控制技术，通过大幅提高连铸拉速，降低中间包钢水过热度的要求。通过对连铸机二冷喷淋架、导向辊、拉矫电机、火切机等设备的改造，结合结晶器铜管、二冷配水曲线及水嘴选型等工艺的优化，新三洲特钢装备的弧形半径8m的5机5流150方连铸机拉速可以稳定控制在5.0-5.5m/min，单流拉速突破6.0m/min，即单包浇注时间控制在14min以内，浇注过程钢水过热度控制在10-13℃，同时通过严格的调度组织（钢包周转和生产时序控制），转炉出钢温度最低实现1585℃，正常情况下控制在1610℃，较一般建筑钢筋生产企业的出钢温度降低40℃以上，使得转炉及中间包耐材、合金辅料、钢铁料成本得到大幅度降低。
4.低铁耗操作模式下供氧及溅渣制度优化稳定炉况
保证转炉低铁耗生产的稳定运行，必须保证两个重点，一是避免冶炼终点钢水过氧化，二是钢水温度满足连铸机正常生产的要求。因此，在转炉冶炼过程中，必须达到2个方面的控制要求，其一是确保在正常的供氧时间内废钢完全熔化，废钢熔化会经历碳传质过程控制的溶解熔化和传热过程控制的熔化两个过程，尤其在前期温度较低时，废钢熔化受制于碳元素的传质过程，若要加快废钢的熔化速度，必须促进碳元素的传质过程，增加钢水的搅拌强度。新三洲特钢为了实现废钢的快速熔化，对氧枪枪头进行了特殊的设计，通过调整喉口尺寸和倾角，保证氧气射流具备足够的冲击深度，同时也满足了化渣的需要。在采用新型氧枪的基础上，采用低—高—低—高—低的变压变枪供氧制度，避免了高供氧强度情况下的喷溅问题。其二是确保全程化渣，多批量小批次的快速加料模型配合吹炼过程枪位调整实现了前期早成渣、过程不返干的造渣模式，有效控制了冶炼中期返干造成大幅温度损失的问题。针对铁水Si低情况下开发了保碳剂，在低硅条件下保证了造渣料的充分、快速熔化，保证了前期造成渣、快成渣的要求。
部分钢铁企业实行低铁耗生产工艺后，由于终点控制不稳定（如废钢不能完全熔化、温度不够进行严重后吹、后期返干磷高进行加石灰吊枪处理等），影响了一次命中率，后吹频率增加，导致钢渣氧化铁含量过高，溅渣护炉效果减弱，炉况严重恶化，部分企业转炉炉龄由正常的20000炉降低至10000炉以下。新三洲特钢经过近2年的实践探究，确定了不同冶炼阶段不同炉渣作用的控制模式（如前期高磷容量脱磷渣、中期适当高FeO泡沫渣、溅渣护炉高MgO低FeO炉渣），成功开发了用于铁水Si低情况下快速成渣的非CaF、NaO系的保碳剂和针对严重后吹情况下的炉内喷粉集成技术，使得低铁耗操作导致终点控制不稳定（FeO高、MgO低、炉渣稀）从而使炉况恶化的问题得到了有效解决。经过实践，新三洲炼钢厂于2021年10月7日和11月15日进行炉役检修的2座转炉炉龄分别达到了19562炉和19451炉，炉役期间铁耗分别达到743Kg/t和745Kg/t。
5.硅碳合金替代硅铁的合金优化工艺
转炉低铁耗生产工艺模式的运行难点是冶炼终点钢水温度的稳定控制，如果钢水温度过低，无法满足连铸机生产要求而进行后吹，就会导致钢水过氧化严重，后续出钢合金化过程增碳剂及合金的收得率产生较大波动。进而造成出钢后氩站钢水必须进行大幅度的成分调整，在没有精炼炉进行节奏和温度调节的情况下，转炉--连铸正常的生产节奏被打乱。由此造成的不良后果是在氩站补加增碳剂或合金后由于需要保证连铸机的上钢时间，被迫缩短钢包在氩站的底吹搅拌时间，造成钢水成分的不均匀，对最终的产品质量造成不利影响。为了保证出钢过程中钢水成分的稳定控制，减少合金的损耗。新三洲特钢在传统的增碳剂+硅铁合金+硅锰合金的基础上，使用5-7mm的硅碳合金（成分和粒度有别于普通SiC）代替硅铁合金，与MnSi合金一起进行转炉出钢合金化。硅碳合金能够对钢水进行一定的预脱氧处理，降低钢水氧化量，进而减少了后续加入的增碳剂和硅锰合金的烧损，稳定了增碳剂和合金的收得率，同时能够起到一定的增碳和增硅作用。现场实践证明，连铸坯Si成分要求0.4-0.5%时出钢过程加入4.5Kg/t的硅碳合金，既实现了钢水的预脱氧又可以完全替代FeSi合金进行硅含量调整，合金成本能够降低4元/吨。
6.Ti替代N-V进行HRB400E建筑钢筋微合金化技术
铌对钢的强化作用主要是细晶强化和弥散强化。铌作为微合金化元素加入钢中并不改变铁的结构，而是与钢中的碳、氮结合形成稳定的碳化物和碳氮化物，改变钢的显微结构，同时通过诱导析出和控制冷却速度实现碳化物和碳氮化物的弥散分布，从而生产具有细晶化的钢。但是钢中添加Nb后会产生以下方面的不利影响：一是高拉速情况下（V:5.0-5.5m/min）钢水在凝固过程中的高温脆性区间在连铸坯表面易产生横裂纹；二是所生成的碳氮化物的不稳定性导致钢筋没有屈服平台；三是保证钢材达到一定屈服强度使用的Nb合金的成本，相对于使用Ti合金要高。使用N-V合金可以有效解决上述问题，但是合金成本相对较高。新三洲炼钢厂在北京科技大学包燕平教授团队的指导下，在连铸坯中添加微量的Ti及其他稀土元素替代Nb和N-V进行微合金化，解决低合金钢高拉速条件下高温脆性区的连铸坯表面裂纹问题，改善钢筋的强韧性，在确保抗震钢筋性能稳定的基础上实现了成本最优。含钛钢内部存在大量弥散细小的析出相，通过弥散细小的TiN阻碍位错运动实现析出强化，并且通过TiN在加热保温过程中阻碍奥氏体晶粒长大和在轧过程中抑制奥氏体再结晶实现细晶强化，有效改善钢材性能。新三洲炼钢厂通过将Ti及其他稀土元素加工成包芯线，在氩站吹氩过程中在合适的钢水温度情况下通过喂丝机喂进钢水中，Ti元素的吸收率可以稳定在60-70%。根据新三洲炼钢厂的现场实践数据统计，消耗3.0-3.3m/t的Ti包芯线可以保证连铸坯的Ti含量控制在0.006-0.010%，在轧制φ25mm螺纹钢抛钢温度860-880℃情况下，钢筋屈服强度稳定控制在430Mpa以上。相对于Nb或N-V进行微合金化，合金成本降低30元/吨以上。
7.综述
无锡新三洲特钢炼钢厂充分利用北京科技大学包燕平教授科研团队的技术平台，发挥自身的主动创新能动性，自主开发的“高效、低耗、低成本炼钢新工艺”技术，为建筑钢筋生产企业适应当前严格产能管控形势下的低成本生产战略提供了全方位的技术改进方案。经与江苏省建筑钢筋生产企业进行成本对标，炼钢渣料、合金、耐材、钢铁料等综合成本降低90-100元/吨。
