鋼鐵冶煉新技術(shù)與耐火材料研究

李淑清

（遼寧冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 本溪 117022）

自上世紀(jì)50年代開始，鋼鐵是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的重要的基礎(chǔ)材料之一，鋼鐵的數(shù)量和鋼鐵冶煉的技術(shù)始終能夠代表和顯示一個國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和綜合國力。在科學(xué)發(fā)展迅速的時代，鋼鐵工藝優(yōu)化也迅速發(fā)展[1]。特別是在現(xiàn)階段，新一代可回收鐵制造工藝已經(jīng)創(chuàng)立并得到了迅速的推廣和普及，現(xiàn)代冶煉鋼鐵的新技術(shù)具有技術(shù)現(xiàn)代化，支持生產(chǎn)大型設(shè)備，節(jié)能生產(chǎn)，高效工藝，產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)，資源回收，優(yōu)質(zhì)施工，高效，低成本，清潔生產(chǎn)系統(tǒng)的優(yōu)勢和特點(diǎn)，為建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會具有十分重要的意義。與此同時，鋼鐵冶煉技術(shù)的發(fā)展也影響了耐火材料的技術(shù)發(fā)展。

1 鋼鐵冶煉與耐火材料概述

1.1 鋼鐵冶煉簡介

我們所熟知的鋼鐵冶金工藝過程，通常被簡稱為鋼鐵冶煉。根據(jù)碳含量，工業(yè)生產(chǎn)的鐵分為生鐵（碳含量大于2%）和鋼（碳含量小于2%）。鋼鐵冶煉的核心和關(guān)鍵在于電子束熔化爐的操作和運(yùn)用，而其中電子槍又是電子束熔化爐的核心。電子槍包括槍頭（通常狀況下由燈絲、陰極、陽極等部件共同組成）、聚焦線圈以及偏轉(zhuǎn)線圈等等[2]?，F(xiàn)階段，較為常用的鋼鐵冶煉操作人員更愿意使用高爐煉鐵，并且單獨(dú)使用直接還原煉鐵方法和高爐煉鐵方法。煉鋼主要由高爐冶煉生鐵和海綿鐵及廢鋼精煉而成，采用直接還原煉鐵制成，并采用不同方法精煉成鋼?；旧a(chǎn)工藝是在煉鐵爐中將鐵礦石冶煉成生鐵，然后以生鐵為原料，采用各式各樣的方法制造鋼鐵，鑄造成鋼錠或連鑄坯[3]。

1.2 耐火材料簡介

耐火材料屬于無機(jī)非金屬材料范疇，其耐火度高于1580℃，耐火性是指經(jīng)過耐火錐形試樣的攝氏溫度，該試樣耐高溫不會在沒有負(fù)荷的情況下軟化和熔化。耐火材料廣泛應(yīng)用于冶金，化工，石油，機(jī)械制造，硅酸鹽，電力等工業(yè)領(lǐng)域。耐火材料的使用率在冶金行業(yè)的材料中比重是最大的，占總產(chǎn)量的50%至60%。耐火材料廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，如鋼鐵，有色金屬，玻璃，水泥，陶瓷，石化，機(jī)械等，是保證材料的必備材料。

2 鋼鐵冶煉的新技術(shù)

2.1 分散控制系統(tǒng)波動溫度穩(wěn)定控制技術(shù)

鋼鐵冶煉的溫度是一個隨時間變化的無法受到線性控制對象，在進(jìn)行實(shí)際操作的過程中很難實(shí)現(xiàn)利用一個完整、準(zhǔn)確的模型進(jìn)行量化操作。數(shù)學(xué)模型技術(shù)在一定程度上無法獲得精準(zhǔn)的控制結(jié)果。因此，相關(guān)操作人員采用了一種全新的分布式控制系統(tǒng)，即在鋼鐵冶煉中的分散控制系統(tǒng)波動溫度穩(wěn)定控制技術(shù)。

分散控制系統(tǒng)波動溫度穩(wěn)定控制技術(shù)在實(shí)際操作的過程中，采用PC機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)整體控制和調(diào)度，而將PLC作為下位機(jī)，方便監(jiān)控電子束熔化爐內(nèi)的溫度變化狀況。除此之外，還配備了相應(yīng)的配套熱電偶等組件，共同完成分散控制系統(tǒng)波動溫度穩(wěn)定控制任務(wù)。分散控制系統(tǒng)波動溫度穩(wěn)定控制技術(shù)的操作系統(tǒng)是一種較為經(jīng)典的常規(guī)的DCS系統(tǒng)，在實(shí)際操作過程中，鮮少出現(xiàn)不可控制的意外狀況，當(dāng)操作系統(tǒng)的主計算機(jī)出現(xiàn)意外狀況或故障時，在短時間內(nèi)依然可以依靠下位計算機(jī)進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行，在一定范圍內(nèi)并不會對系統(tǒng)的整體運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。在DCS系統(tǒng)運(yùn)行期間，冶煉爐中的溫度由于外部環(huán)境的干擾而波動。為了確保產(chǎn)品的冶煉質(zhì)量，需要穩(wěn)定控制波動溫度。啟動控制后，PC將接收相應(yīng)的信號，PC將設(shè)置爐內(nèi)的溫度值。

2.2 節(jié)能技術(shù)

經(jīng)過幾十年的發(fā)展和變化，我國的經(jīng)濟(jì)社會環(huán)境發(fā)生了翻天覆地的變化，這少不了鋼鐵在其中發(fā)揮的重要作用。時至今日，我們在進(jìn)行社會勞動生產(chǎn)和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)時，依然離不開對鋼鐵的消耗和使用。隨著我國工業(yè)行業(yè)的日益壯大，鋼鐵的消費(fèi)總量也在日益增加，鋼鐵冶煉所消耗的技術(shù)力量和各種材料的數(shù)量幾乎是難以預(yù)估的。目前，我國鋼鐵業(yè)產(chǎn)生的能源消耗過多，如果缺乏節(jié)能技術(shù)，現(xiàn)有的資源和能源利用面臨巨大壓力，這要求我們將節(jié)能減排作為鋼鐵冶煉過程的重要組成部分。在冶煉鋼鐵的實(shí)際操作過程中，將能源節(jié)約技術(shù)融入到實(shí)際操作中，有許多節(jié)能方法可以應(yīng)用。例如轉(zhuǎn)爐冶金純凈鋼技術(shù)，廢鋼預(yù)熱電弧爐等等，這些節(jié)約能源的方式均是被相關(guān)操作人員所廣泛使用的。近年來，在我國，在冶煉鋼鐵的實(shí)際操作過程中融入節(jié)能方法后起到了十分明顯的作用。在節(jié)約能源的同時，還起到了降低成本的作用。如今，我國正在面臨著嚴(yán)峻的能源問題，進(jìn)而對鋼鐵生產(chǎn)行業(yè)也提出了更嚴(yán)格的要求。因此，節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用是大勢所趨。

2.3 環(huán)保技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵冶煉的方式和方法已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，現(xiàn)代國際鋼鐵工業(yè)的先進(jìn)工藝及產(chǎn)品在系列化、緊湊性、專業(yè)化等方向上均取得了較為強(qiáng)勁的發(fā)展。但是，鋼鐵冶煉的主要工藝依然離不開勘探，采礦，冶金爐，鍛造或軋制。冶金工業(yè)最重要的原材料是礦床開采的鐵礦石。鐵礦石含量越高，用于生產(chǎn)鐵的原料越少，時間越短。故而提高鐵礦石質(zhì)量是環(huán)保技術(shù)發(fā)展的重要方向。鋼鐵工業(yè)是一個資源密集型，能源密集型和高污染行業(yè)。為了實(shí)現(xiàn)用最少的資源消耗進(jìn)行高效率生產(chǎn)，最好的辦法是質(zhì)量控制，把對環(huán)境的傷害降低到最小。這便需要將環(huán)保技術(shù)與鋼鐵冶煉工藝相融合，加強(qiáng)工藝過程的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)資源的重復(fù)利用。當(dāng)前較為常見的環(huán)保技術(shù)包括：高效連鑄技術(shù)、干熄焦（CDQ）技術(shù)、煤調(diào)濕技術(shù)、廢鋼預(yù)熱電弧爐技術(shù)等等。上述技術(shù)能夠幫助相關(guān)人員在進(jìn)行冶煉鋼鐵的過程中適應(yīng)環(huán)境變化，應(yīng)對資源，能源甚至環(huán)境問題。

2.4 鐵浴熔融還原技術(shù)

鐵浴熔融還原技術(shù)是現(xiàn)代鋼鐵冶煉技術(shù)家族的新成員，這項(xiàng)技術(shù)能夠更加有效的控制鋼中其他非金屬雜質(zhì)的含量，還能夠提高鋼的純度。近年來，鐵浴熔融還原技術(shù)得到了發(fā)展和完善，鐵浴熔融還原度的技術(shù)指標(biāo)越來越高，因此，鋼的質(zhì)量可以進(jìn)一步提高。鐵浴熔融還原技術(shù)第一步必須創(chuàng)建模型，然后使用控制設(shè)備將煉鋼爐中的熔池完全混合，以便可以合理地控制爐內(nèi)的溫度和休眠時間，以避免不必要的消耗并減少吹制爐的數(shù)量，這樣一來便能夠?qū)崿F(xiàn)能源節(jié)約并避免不必要的能量損失。

2.5 廢鋼熔煉技術(shù)

廢鋼熔煉技術(shù)在冶煉過程中使用電弧爐將產(chǎn)生高的熱能和化學(xué)能，但經(jīng)過適當(dāng)?shù)难芯?，可以發(fā)現(xiàn)煉鋼爐中的氧化反應(yīng)仍在繼續(xù)，并且能夠通過廢氣將越來越熱的氣體排出。在冶煉鋼鐵的過程中，煙氣釋放的熱量占總能量消耗的很大一部分。如果能夠控制這種問題，勢必將顯著提高鋼鐵冶煉的節(jié)能效應(yīng)。用于預(yù)熱廢料的電弧爐的核心是利用鋼鐵冶煉過程中產(chǎn)生的廢氣來預(yù)熱鋼材原料并降低能耗。據(jù)有關(guān)資料顯示，如果原料溫度上升50℃，則可節(jié)省10千瓦時/噸的能量，因此很容易理解，該技術(shù)的推廣具有難以想象的發(fā)展前景。

3 鋼鐵冶煉新技術(shù)對耐火材料的影響

3.1 煉鐵技術(shù)及耐火材料

煉鐵技術(shù)對于耐火材料的使用還是相對較多的，例如，鐵浴熔融還原技術(shù)在實(shí)際操作過程中需要頻繁的使用到耐火材料。近年來，鐵浴熔融還原的增加和直接還原生鐵冶煉的減少為了達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)，冶煉鐵工藝和新工藝的優(yōu)化也為耐火材料提出了新的要求，如，提高剛玉質(zhì)材料的抗侵蝕性等。

3.2 煉鋼技術(shù)及耐火材料

煉鋼技術(shù)的發(fā)展，使得煉鋼耐火材料的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了一定的變化。冶煉過程中的廢鋼冶煉技術(shù)，與高爐耐火材料工藝相比，回收工藝需要較高熔點(diǎn)的耐火材料，以防止FeO的侵蝕，這需要高耐熱性和更好的熔融區(qū)。該區(qū)域的耐火材料主要以復(fù)合材料為主。

3.3 鋼鐵工藝對未來耐火材料的要求

為了能夠進(jìn)一步適應(yīng)現(xiàn)代化鋼鐵工業(yè)的要求，堅持走自主創(chuàng)新發(fā)展的道路，開發(fā)新材料和新產(chǎn)品，研發(fā)工作要注意以下幾個方面：第一，加強(qiáng)對高導(dǎo)熱率和超微孔產(chǎn)品、無硅和無碳材料以及用堿焙燒的磚的開發(fā)和利用；第二，進(jìn)一步推廣精煉工藝和超純鋼的研究以及冶金節(jié)能耐火材料一體化技術(shù)；第三，加強(qiáng)跨學(xué)科和納米技術(shù)在耐火材料中的應(yīng)用研究；第四，開發(fā)改性和均質(zhì)材料并綜合利用礦產(chǎn)資源等等。

4 結(jié)語

綜上所述，根據(jù)上文對鋼鐵冶煉新技術(shù)及其對耐火材料的影響等內(nèi)容的分析和介紹，可以知道，當(dāng)期我國的鋼鐵冶煉技術(shù)和耐火材料的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，進(jìn)入了國際先進(jìn)行列。鋼鐵冶煉新技術(shù)和耐火材料的相互配合，已經(jīng)能夠滿足我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)所需要的鋼鐵數(shù)量的供應(yīng)。鋼鐵行業(yè)的發(fā)展是需要長期的努力和維護(hù)的，就目前的狀況來看，我國的鋼鐵冶煉和耐火材料的發(fā)展仍然擁有更加廣闊的前景，值得期待。