鋼鐵行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展方向

◎趙沛

當(dāng)前我國鋼鐵工業(yè)正在深入開展結(jié)構(gòu)性改革，科技進(jìn)步是改革的著力點(diǎn)和推動力。鋼鐵工業(yè)科技進(jìn)步的指導(dǎo)思想可以概括為：努力提高自主創(chuàng)新能力，加快發(fā)展綠色制造和智能制造，不斷提升鋼鐵產(chǎn)品的有效供給水平，使我國鋼鐵業(yè)成為可持續(xù)發(fā)展、具有國際競爭力的現(xiàn)代化制造業(yè)。

我國鋼鐵業(yè)共性技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用

1.節(jié)能減排集成技術(shù)

節(jié)能減排集成技術(shù)包括“三干”技術(shù)和“三利用”技術(shù)?！叭伞奔夹g(shù)包括：高溫、高壓鍋爐干法熄焦技術(shù)；高爐煤氣干法除塵技術(shù)；轉(zhuǎn)爐煤氣干法（半干法）除塵技術(shù)?！叭谩奔夹g(shù)包括：冶金煤氣綜合利用，水綜合利用和高爐渣、轉(zhuǎn)爐渣綜合利用。如首鋼京唐公司實(shí)現(xiàn)5500m3特大型高爐煤氣全干法除塵、鐵水“全三脫”冶煉工藝下的300t大型轉(zhuǎn)爐煤氣干法除塵。

2.高爐高風(fēng)溫技術(shù)

目前國內(nèi)先進(jìn)高爐的長期風(fēng)溫超過1250℃。高爐高風(fēng)溫技術(shù)主要包括：熱風(fēng)爐高風(fēng)溫技術(shù)，摻燒高熱值煤氣、低熱值煤氣高效利用、換熱器預(yù)熱煤氣和助燃空氣、熱風(fēng)爐自身預(yù)熱、高溫空氣燃燒預(yù)熱、熱風(fēng)爐系統(tǒng)仿真、智能控制和防止拱頂爐殼晶間應(yīng)力腐蝕等；熱風(fēng)管道輸送高風(fēng)溫技術(shù)：高風(fēng)溫管道配套設(shè)備、管道監(jiān)控系統(tǒng)；高爐高風(fēng)溫操作技術(shù)，理論燃燒溫度控制、風(fēng)口監(jiān)測、精料、煤粉混吹和煤氣流分布控制技術(shù)。

3.高爐長壽技術(shù)

我國高爐平均爐齡水平與先進(jìn)高爐爐齡目標(biāo)差距較大，一般一代爐役壽命低于10年，僅少數(shù)高爐可實(shí)現(xiàn)15年以上長壽目標(biāo)。高爐長壽主要取決于以下因素的綜合效果：高爐大修設(shè)計(jì)或新建時采用的合理爐型、優(yōu)良的設(shè)備制造質(zhì)量、高效冷卻系統(tǒng)、優(yōu)質(zhì)耐火材料；良好的施工水平；穩(wěn)定的高爐操作和優(yōu)質(zhì)的原燃料條件；有效的爐體維護(hù)技術(shù)。高爐長壽技術(shù)發(fā)展趨勢包括：采用全爐體冷卻；采用無料鐘爐頂，通過控制煤氣流分布來控制爐身熱負(fù)荷，使高爐煤氣流分布穩(wěn)定合理，從而實(shí)現(xiàn)高爐長壽。在爐腹、爐腰至爐身下部高熱負(fù)荷區(qū)域安裝銅冷卻壁；在軟熔帶以上的爐身中部采用合適的冷卻系統(tǒng)與耐材結(jié)構(gòu)；爐缸長壽保護(hù)層技術(shù)；高爐冷卻設(shè)備的水質(zhì)控制；爐缸爐底侵蝕在線監(jiān)測技術(shù)。

4.生產(chǎn)過程和生產(chǎn)管理智能化技術(shù)

包括選礦自動化控制、燒結(jié)機(jī)智能閉環(huán)控制、高爐操作專家系統(tǒng)、“一鍵式”自動煉鋼、加熱爐燃燒優(yōu)化控制、熱連軋和冷連軋模型控制；煉-鑄-軋一體化生產(chǎn)計(jì)劃編制和動態(tài)調(diào)整、全流程物流的動態(tài)控制；在線檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全流程質(zhì)量動態(tài)管理；企業(yè)能源中心對各種能源介質(zhì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、集中動態(tài)優(yōu)化調(diào)配。

5.高效低成本生產(chǎn)潔凈鋼集成技術(shù)

包括全量鐵水預(yù)處理，轉(zhuǎn)爐高效復(fù)吹煉鋼技術(shù)，轉(zhuǎn)爐少渣煉鋼技術(shù)，高效爐外精煉技術(shù)，夾雜物控制技術(shù)，恒拉速、高拉速、無缺陷連鑄技術(shù)等。

6.控軋控冷技術(shù)和無頭軋制技術(shù)

包括新一代TMCP技術(shù)，通過在線淬火、回火和時效等熱處理工藝使鋼材強(qiáng)韌性大幅度提高，在板帶、型材和棒線材等生產(chǎn)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。板材無頭軋制技術(shù)在國際上已經(jīng)取得成功，我國尚處于引進(jìn)消化吸收階段。

7.燒結(jié)脫硝技術(shù)

目前可供選擇的燒結(jié)脫硝技術(shù)有兩個。一是活性炭脫硫脫硝一體化技術(shù)。太鋼從日本引進(jìn)活性炭脫硫脫硝一體化技術(shù)，但投資和運(yùn)行成本高，國內(nèi)未掌握核心技術(shù)，因此沒有在國內(nèi)鋼鐵企業(yè)推廣開來。中冶長天和寶鋼節(jié)能環(huán)保公司等單位在湛江和寶鋼股份等工程應(yīng)用活性炭脫硫脫硝技術(shù)，取得一定技術(shù)突破。二是選擇性催化還原脫硝技術(shù)。該技術(shù)是將氨噴入燒結(jié)煙氣中，在催化劑作用下發(fā)生脫硝反應(yīng)。選擇低溫催化劑是該技術(shù)的難點(diǎn)，而采用中溫催化劑，則需將燒結(jié)煙氣升溫至催化劑最佳活性溫度350℃，增加了工序能耗。全球僅有11套用于燒結(jié)煙氣脫硝的SCR裝置，國內(nèi)寶鋼股份4#燒結(jié)機(jī)組采用了這一裝置。目前，我國鋼鐵企業(yè)亟需高效、經(jīng)濟(jì)的燒結(jié)脫硝技術(shù)。

8.新一代電弧爐復(fù)合吹煉技術(shù)

我國電弧爐煉鋼企業(yè)在集束射流基礎(chǔ)上，成功研發(fā)和應(yīng)用集氧氣、燃?xì)夂头蹌┯谝惑w的埋入式吹氧和模塊化供能系統(tǒng)技術(shù)。同時，解決了電弧爐底吹元件壽命問題，通過透氣元件制備、底吹安全預(yù)警、分段底吹模型等關(guān)鍵技術(shù)，使得底吹元件壽命與電弧爐爐齡同步，促進(jìn)了電弧爐復(fù)吹技術(shù)和電弧爐冶煉潔凈鋼技術(shù)的發(fā)展。

9.鋼結(jié)構(gòu)綜合技術(shù)

發(fā)達(dá)國家鋼結(jié)構(gòu)建筑占30%-70%，我國僅占5%，因此，應(yīng)大力推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑、鋼結(jié)構(gòu)橋梁、水利設(shè)施和地下管廊用鋼等，替代傳統(tǒng)鋼筋混凝土體系，改變“水泥城市”。在推廣鋼結(jié)構(gòu)建筑過程中，需要“裝備、工藝、產(chǎn)品”一體化創(chuàng)新，這樣才能生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高性能、厚規(guī)格的建筑用鋼。

國外鋼鐵業(yè)共性技術(shù)的開發(fā)

1.歐盟超低二氧化碳煉鋼技術(shù)（ULCOS）

2004年，歐盟結(jié)合鋼鐵工業(yè)發(fā)展實(shí)際決定實(shí)施ULCOS。經(jīng)過多輪選擇，從80多項(xiàng)鋼鐵工藝中選擇出四項(xiàng)突破性技術(shù)：高爐爐頂煤氣循環(huán)利用技術(shù)、新熔融還原工藝、先進(jìn)的直接還原工藝和電解鐵礦石技術(shù)。現(xiàn)階段的重點(diǎn)是高爐爐頂煤氣循環(huán)利用技術(shù)，該項(xiàng)目計(jì)劃持續(xù)的時間為15-20年，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)碳排放量減半。

2.日本創(chuàng)新煉鐵工藝技術(shù)（COURSE50）

2007年，日本首相安倍晉三發(fā)表“美麗星球50計(jì)劃”，提出了開發(fā)節(jié)能技術(shù)，使環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展并舉。日本鋼鐵工業(yè)啟動“COURSE50”，通過抑制CO2排放以及分離、回收CO2，減少CO2排放量約30%。此技術(shù)計(jì)劃2030年成功，2050年普及。

3.韓國POIST工藝和全氫高爐煉鐵技術(shù)

韓國浦項(xiàng)鋼鐵公司大力推廣薄板坯無頭軋制技術(shù)（CEM, Compact Endless Cast & Rolling Mill)，可實(shí)現(xiàn)單條線年產(chǎn)180萬噸，通過高速連鑄（8m/min)與熱軋的直接聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)從鋼水到熱軋產(chǎn)品的連續(xù)生產(chǎn)，中間無需切斷，可以穩(wěn)定生產(chǎn)薄規(guī)格熱軋產(chǎn)品，并且大幅度降低了生產(chǎn)過程的能耗和成本。韓國還計(jì)劃開發(fā)全氫高爐煉鐵技術(shù)，在高爐內(nèi)使用部分H2替代焦炭進(jìn)行還原，從而大幅度減少CO2排放量。設(shè)定的期限是2050年。全氫高爐的近期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)CO2捕獲、分離和儲存技術(shù)（CCS），中長期目標(biāo)是低成本、大批量生產(chǎn)高純度H2。

4.美國低碳煉鐵技術(shù)

美國的煉鐵低碳技術(shù)主要有兩項(xiàng)：一是氫氣閃速熔煉法，鐵精礦粉不經(jīng)過燒結(jié)或者球團(tuán)造塊，在懸浮狀態(tài)下被熱還原氣體還原生產(chǎn)鐵水。二是熔融氧化物電解法（MOE，Molten Oxide Electrolysis），MOE法在電解過程中只有鐵離子還原，不產(chǎn)生二氧化碳，僅產(chǎn)生氧氣作為副產(chǎn)品。熱力學(xué)計(jì)算的MOE工藝能耗為310kg/t標(biāo)準(zhǔn)煤，遠(yuǎn)低于高爐煉鐵能耗。目前麻省理工學(xué)院已完成實(shí)驗(yàn)室研究。

鋼鐵業(yè)未來發(fā)展方向

1.積極推行“綠色制造”體系

綠色化是我國鋼鐵業(yè)的發(fā)展方向，是指把設(shè)計(jì)、采購、生產(chǎn)、運(yùn)輸、營銷、能源和資源回收利用等環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來，盡量減少對環(huán)境的影響。綠色化至少應(yīng)該包括兩個方面：一是綠色物流，即優(yōu)化物流系統(tǒng)，降低原燃料和產(chǎn)品在運(yùn)輸、裝卸和儲存過程的消耗和排放。二是綠色制造，即采用高效、綠色、可循環(huán)的新一代流程；同時，改造傳統(tǒng)生產(chǎn)流程為清潔生產(chǎn)流程，包括工藝及裝備優(yōu)化升級，能源高效利用，污染減量化，廢棄物資源化利用和無害化處理。

2.積極推進(jìn)信息化和智能化

智能化是我國鋼鐵業(yè)發(fā)展的另一重要方向。流程型智能制造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、大規(guī)模個性化定制及遠(yuǎn)程運(yùn)維等智能制造新模式有望在行業(yè)內(nèi)得到進(jìn)一步推廣。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及移動互聯(lián)網(wǎng)等信息化和智能化手段，促進(jìn)鋼鐵企業(yè)因地制宜地升級成為智能型企業(yè)，進(jìn)而建立全流程制造和全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)的綜合信息平臺。綜合信息平臺還可以成為調(diào)節(jié)過剩產(chǎn)能的重要工具，在鋼鐵企業(yè)、用戶以及原料供應(yīng)商之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，從而減少無序競爭，抑制產(chǎn)能和產(chǎn)量的過剩。

3.大力促進(jìn)鋼鐵材料和產(chǎn)品的升級換代

（1）發(fā)展重點(diǎn)工程所需關(guān)鍵鋼材。一是在高鐵和汽車用鋼方面，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)高鐵的車輪、車軸、軸承及軌道等抗疲勞高強(qiáng)鋼；深沖雙相鋼（DQDP)、相變誘導(dǎo)塑性鋼（TRIP）；淬火-配分鋼（Q&P）、孿晶誘導(dǎo)塑性鋼（TWIP）；第三代汽車鋼；高性能汽車彈簧鋼等。二是在能源用鋼方面，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)核電機(jī)組用耐高溫、抗輻射不銹耐熱鋼管；700℃超超臨界汽輪機(jī)用耐熱合金；X90、X100高強(qiáng)度和X80特厚規(guī)格管線鋼，耐CO2/H2S腐蝕管線鋼；低鐵損高磁感硅鋼；高壓鍋爐用鋼等。三是船舶和海洋工程用鋼方面，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)600MPa及以上高強(qiáng)韌性船舶和海工鋼、大厚度（100mm）海工鋼、高耐蝕鋼和鎳基耐蝕合金、低溫韌性（-60℃甚至-80℃）優(yōu)異的海工鋼、液化天然氣（LNG）大型運(yùn)輸船用壓力容器板等。四是關(guān)鍵特殊鋼方面，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)飛機(jī)起落架、燃汽輪機(jī)和渦扇發(fā)動機(jī)用高溫合金葉片、航空發(fā)動機(jī)軸承鋼和高性能工模具鋼等。

（2）提高大宗鋼材的質(zhì)量穩(wěn)定性和適用性。2017年汽車和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為拉動鋼鐵需求的增長點(diǎn)。按計(jì)劃新增高速公路5000公里；鐵路計(jì)劃完成投資8000億元，投產(chǎn)新線2100公里、復(fù)線2500公里、電氣化鐵路4000公里。雖然大范圍限購調(diào)控導(dǎo)致房地產(chǎn)用鋼需求有所減弱，但“十三五”時期我國將提高建筑鋼結(jié)構(gòu)比例、加快城市地下管網(wǎng)建設(shè)、加速推進(jìn)PPP基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，有利于拉動鋼材消費(fèi)。對于建筑、機(jī)械和家電用鋼等量大面廣的鋼材產(chǎn)品，應(yīng)全面推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)升級和品牌建設(shè)，提高鋼材的質(zhì)量穩(wěn)定性和適用性。

（3）開展深入基礎(chǔ)研究。2011年美國時任總統(tǒng)奧巴馬簽署Materials Genome Initiative（MGI）科技白皮書，被稱為“材料基因組工程”，我國科技界也提出具有中國特色的材料基因組工程計(jì)劃——“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”建設(shè)。我國鋼鐵業(yè)應(yīng)從重大工程的需求出發(fā)，審視與國際鋼鐵強(qiáng)國在材料研發(fā)方面的差距，確定一批重點(diǎn)研發(fā)任務(wù)，實(shí)施“材料基因組”工程，把成分-原子排列-顯微組織-性能的數(shù)據(jù)庫與材料計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)合起來，在支撐高端制造業(yè)和高新技術(shù)發(fā)展的典型材料上開展研究，催生新一代鋼鐵生態(tài)產(chǎn)品。要實(shí)施“材料基因組”計(jì)劃，目前最重要的是建立材料科學(xué)的平臺，包括材料基因組計(jì)劃所需要的數(shù)據(jù)庫、工藝流程、大量的原始數(shù)據(jù)國內(nèi)外同行已經(jīng)成功的大量材料案例。因此，不但需要大批計(jì)算材料科學(xué)和軟件科學(xué)的科技工作者參與，還特別需要企業(yè)界的積極參與。