中国炼钢技术的发展、创新与展望

发表时间：[2007-11-01]　　作者：　　编辑录入：admin　　点击数：5544

摘要：简要回顾了我国57年来炼钢生产技术的发展历程；系统总结了在炼钢产量、工艺结构优化、超纯净钢生产和品种开发以及节能环保等方面的技术进展；详细阐述了“转炉溅渣护炉与长寿复合吹炼技术”、“转炉高效吹炼技术”和“电炉兑铁水冶炼工艺”三项国内自主创新的重大工艺；并对21世纪初先进的炼钢技术进行了展望。

关键词：炼钢技术；发展；创新；展望

1 中国炼钢生产技术发展的简要回顾

　回顾57年来我国炼钢生产工艺技术的发展，大致可划分为3个发展阶段：自力更生阶段、改革开放阶段和集成创新阶段。

　自力更生阶段(1949～1977年)：1949年10月新中国成立后，在自力更生、艰苦奋斗的方针指导下，新中国的炼钢生产得到了迅速恢复和较快发展。但由于受到西方工业发达国家的技术封锁，我国炼钢生产技术与国际先进水平有很大差距，炼钢生产仍以落后的平炉一模铸工艺为主，中小型钢铁企业占相当大的比例。对20世纪50～60年代国际上开发投产并迅速推广的氧气转炉、连铸、钢水炉外精炼和铁水预处理等新工艺、新技术国内迟迟未能大量采用。这一阶段建设了新中国钢铁工业的脊梁，培养了优良的作风和大批优秀的技术、管理人才，为中国钢铁工业的振兴奠定了基础。

　改革开放阶段(1978～1996年)：这一历史时期我国采取对外开放的基本国策，通过学习、引进、消化和吸收国外先进技术使我国炼钢生产技术逐步实现现代化。其中宝山钢铁(集团)公司(以下简称宝钢)的成功建设和迅速发展是最重要的历史标志，在国内第1次建设起现代化的具有国际一流水平大型钢铁联合企业。通过宝钢和武汉钢铁(集团)公司(以下简称武钢)1700工程以及其他企业的建设和发展，国内炼钢生产技术逐步提高，并掌握了铁水预处理、大型转炉炼钢、复合吹炼、终点动态控制、炉外精炼和连铸等重大的现代化炼钢生产技术。随着炼钢技术的飞速发展，中国钢铁工业的产量不断提高，1996年粗钢产量突破1亿t，钢产量位居世界第一。

　集成创新阶段(1997年至今)：20世纪90年代中期国内开始学习并引进美国溅渣护炉技术，通过不断的技术再创新和集成创新形成了具有中国特色的溅渣护炉技术，在全国广泛推广，获得巨大成绩。这标志着我国炼钢生产技术的发展开始从单纯学习、引进国外先进技术为主，逐渐转移到以国内自主创新和集成创新为主的发展道路。随着国内炼钢生产技术的发展，我国钢产量快速增长，从1966年的1亿t增加到2005年的3.49亿t，约占全世界钢产量的三分之一，其生产技术的发展令全世界瞩目。

2 中国炼钢技术发展的主要成绩

　近几年国内许多著名学者纷纷著文总结近10年来中国钢铁工业迅速发展的主要成就、发展动力和技术进步，对此本文仅就炼钢技术的发展作一简单的概括。

　中国炼钢技术发展的成绩主要表现为：

2.1 钢产量迅速增加

　近10年随着国民经济的迅速发展，受市场需求对钢铁生产的拉动，国内粗钢产量迅速增长，1996年中国粗钢产量第1次超过1亿t，2003年国内粗钢产量超过2亿t，2005年达到3.494亿t，国内粗钢产量的迅速增长充分反映了炼钢生产技术的迅速发展。

2.2 建立了现代化的炼钢生产流程

　目前，国内绝大多数炼钢厂均已实现了炼钢生产现代化，建立起包括铁水脱硫预处理-转炉复合吹炼-炉外精炼-连铸的现代化转炉炼钢生产流程和以大型超高功率电炉为主体，实现炼钢-精炼-连铸-连轧四位一体的短流程生产线，淘汰了平炉、模铸、化铁炼钢等落后的生产工艺。2005年我国大、中型钢铁企业连铸比已达到95.68％；转炉平均炉龄达到5647炉，最高炉龄超过30000炉；炉外精炼比接近30%。现代化炼钢生产流程的确立为我国迅速提高炼钢生产效率、改善产品质量和扩大生产品种发挥了极为重要和关键的作用。

2.3 大幅度提高钢的纯净度

　现代化炼钢生产流程的建立为我国大幅度提高钢材质量特别是提高钢的纯净度作出了巨大的贡献，使我国钢水的纯净度，即钢中杂质元素质量分数的总量∑(S+P+T.O+N+H)从传统流程(550～600)×10^-6直接跨越到现代化钢铁流程(200～250)×10^-6，宝钢、武钢等先进钢铁企业已经达到小于100×10^-6的国际先进水平。表1给出典型高附加值钢的纯净度要求及国内外的对比数据。

　从表1可以看出，国内生产钢的纯净度水平已接近国际先进水平，但和国际领先水平尚有较大差距。进一步提高钢水的纯净度，稳定和扩大超纯净钢的生产是今后国内炼钢技术中急待解决的重大技术问题。

表1　典型高附加值钢的纯净度要求及国内外水平的对比

标准	线材		长型材			薄板		管线钢		电工钢
	帘线钢		轴承钢	齿轮钢	弹簧钢	IF钢		X70		无取向
	w_B/10^-6	d_S	w_B/10^-6	w_B/10^-6	w_B/10^-6	w_B/10^-6	d_S	w_B/10^-6	d_S	w_B/10^-6	d_S
纯净度	(T.O)≤30	≤10μm	(T.O)≤10	(T.O)≤20	(T.O)≤15	C≤20	≤20μm	S≤20	≤10μm	C≤20	≤20μm
标准	Als≤4		Ti≤30	Ti≤20	Ti≤30	N≤25		P≤100		S≤20
						S≤25
						P≤100
国际领先		≤5μm	(T.O)≤6	(T.O)≤10	(T.O)≤8	杂质总量		S≤5		C+S≤20
						∑≤80
国际先进		≤10μm	(T.O)≤8	(T.O)≤15	(T.O)≤15	杂质总量		S≤10		C+S≤30
						∑≤100
国内先进		≤20μm	(T.O)≤12	(T.O)≤20	(T.O)≤20	C+N≤100		S≤20		C+S≤50

　注：d_S为夹杂的直径。

　随着我国钢的纯净度的大幅度提高，国内钢材的生产品种正在逐年扩大，表2给出我国典型高品质钢种的增长率。从表2可以看出，2000～2005年期间，国内钢铁厂生产的高品质、高附加值钢种(如重轨钢、大型工程结构钢、冷轧薄板、电工钢、无缝钢管等)增长率波动在96.6％～287.6％，平均增长率为174.4%，说明国内钢铁厂已逐步从规模发展为主的模式走向产品效益的发展模式。

表2 　2000～2005年典型高品质钢种增长率

钢种	2000年产量/万t	2005年产量/万t	增长率/%
铁道用钢	158	311	96.6
大型型钢	360	726	101.4
特厚板	76	219	187.6
中厚板	1668	6466	287.6
冷轧薄板	495	1527	203.8
镀层板	328	796	142.8
冷轧电工钢板	64	212	228.7
无缝管	415	1023	146.6

2.4 炼钢节能与环保技术迅速发展

　节能与环保是21世纪钢铁工业可持续发展的重要研究方向，对于炼钢而言，转炉炼钢主要应实现“负能炼钢”，而对于电炉炼钢应努力降低冶炼电耗，提高资源、能源转换效率。总结近几年国内转炉“负能炼钢”的基本经验是：

　 (1)提高转炉作业率，例如本溪钢铁集团公司(以下简称本钢)炼钢厂150t转炉采用顶底复吹和终点动态控制技术后，大幅度提高供氧强度，使转炉冶炼周期缩短45％，生产能力提高44％，每吨钢冶炼能耗降低了5.04kg标准煤，实现了“负能炼钢”；

　 (2)优化二次除尘风机运行参数，实现节电。降低氧气消耗，如武钢采用计算机终点控制技术后，每吨钢氧气消耗(在标准状态下)从57m³下降到50.9m³，每吨钢工序能耗降低1.4kg标准煤；

　 (3)缩短钢包周转时间可使出钢温度降低8℃，每吨钢工序能耗降低0.7kg标准煤。采用蓄热燃烧技术烘烤钢包，钢包烘烤实现节能38％。

　 (4)加强设备维护，减少煤气、蒸汽放散比例。如图1所示，为了实现转炉“负能炼钢”，转炉煤气回收量每吨钢应大于90m³。

　表3给出我国转炉主要技术参数与能耗指标。从表3可以看出，以实现“负能炼钢”为目标，国内转炉炼钢尚有较大的节能空间。

表3　我国转炉主要能耗指标

炉型	铁水比/%	冶炼周期/min	氧耗^※/(m³·t^-1)	钢铁料消耗/(kg·t^-1)	电耗/(kW·h·t^-1)	煤气消耗(标准煤)/(kg·t^-1)	工序能耗(标准煤)/(kg·t^-1)
大型转炉	86.98	37.57	56.71	935.42	37	1.1	11.55
中型转炉	90.35	30.89	56.74	1094.61	20	1.6	16.40
小型转炉	85.15	24.70	58.90	1079.50	16	2.6	25.66

　※ 在标准状态下。

　对电炉炼钢流程，采用兑铁水冶炼的生产工艺使吨钢冶炼电耗大幅度降低。采用铁水比30％的电炉，国内最好指标已达到冶炼周期46min，每吨钢冶炼电耗234kW·h，每吨钢电极消耗0.847kg。

3 中国炼钢技术的重大创新

3.1 溅渣护炉与长寿复吹转炉工艺技术

　自1997年以来，国内大力开展溅渣护炉技术的研究开发和推广应用工作，使转炉炉龄大幅度提高，如图2所示。至2002年国内95.2％的转炉采用了溅渣护炉技术，大型转炉平均炉龄达到10181.5炉，中型转炉平均炉龄达到15298.2炉，地方骨干企业的小型转炉钢厂的平均炉龄也已达到10316炉。国内在引进美国溅渣护炉技术的基础上开展了以下技术创新：

　 (1)美国研究开发了溅渣护炉技术是以大型转炉生产板带材为基础，终点碳含量较低，属于高氧化铁炉渣溅渣工艺。针对国内大量的中、小型转炉以生产中、高碳钢、长型材为主，炉渣FeO含量较低的特点，研究开发了低FeO渣溅渣工艺，获得成功；

　 (2)研究提出不同溅渣工艺溅渣层与炉衬的结合机理，以及溅渣层熔损的热力学、动力学条件，提出正确选择开始溅渣的时机，实现炉衬零浸蚀的工艺技术；

　 (3)研究开发出适宜钒、钛铁水冶炼的溅渣护炉工艺，通过添加含碳镁球对终渣进行改质，降低炉渣Fe0含量，保证溅渣效果。

　转炉采用溅渣护炉后炉龄大幅度提高，如何实现全程复吹，提高底吹喷嘴的寿命是全世界钢铁厂急待解决的重大技术难题。为了解决这一问题，武钢与钢研总院合作，率先发明了炉渣蘑菇头保护底吹透气砖的先进技术，使底吹喷嘴的一次寿命与炉龄同步，并保证复吹比100％。表4给出炉渣透气蘑菇头与金属蘑菇头的技术比较。炉渣蘑菇头以氧化物为主，体积大，透气性良好。经水模实验证明，在相同的气量下，可使熔池混匀时间缩短40％～50％。

表4　两种“蘑菇头”的技术比较

炉渣蘑菇头
形貌	w_B/%				生成机理	与熔池的作用
	CaO	SiO₂	MgO	T.Fe
体积大,表面有微细孔	47.9	13.78	11.6	15.18	气流冷凝炉渣后形成	出口流速低,流股细小,成微小气泡上浮;透气面积增大,混匀时间缩短50%,搅拌时熔池平稳,不易喷溅.

金属蘑菇头
形貌	w_B/%			生成机理	与熔池的作用
	Fe	C	其它
体积小,中心孔较大,侧面有微细孔	≥91	1.48	4.7	气体冷凝金属后形成	出口流速高,气流较大, 上浮的大气泡形成气泡柱;搅拌时熔池不平稳,有喷溅.

　转炉复合吹炼技术开发成功近30年，但如何提高底吹喷嘴的寿命，进而提高复吹比和复吹转炉的作业率是全世界炼钢工作者多年来致力于解决的重大技术难题。表5给出国际上主要国家发明的各种提高复吹转炉作业率的工艺技术比较，从表中可以看出，中国研究开发的长寿复吹转炉技术保证了炉底喷嘴与溅渣后转炉炉龄同步，转炉平均寿命达到10000炉，最高炉龄可长达30000炉，并实现复吹比100％，各项技术指标优于国外开发的各种工艺方法。

表5　提高复吹转炉作业率的各种新工艺技术比较

发明国家	工艺措施	炉衬寿命/炉	底吹喷嘴寿命/炉	复吹比/%
日本	高MgO炉渣快速吹炼更换底吹喷嘴	5000-6000	2000-2500	100
德国	金属蘑菇头保护底枪 (用于不锈钢)	200-300	200	100
瑞典	快速更换炉体	1000-2000	1000-2000	100
美国	溅渣护炉 (更换底吹喷嘴)	＞10000	2000	＜20(100)
中国	溅渣护炉炉渣蘑菇头保护底枪	＞10000	＞10000	100

　长寿复吹转炉技术的开发成功，对炼钢生产技术的发展产生了深刻的影响，不仅降低了转炉炼钢的生产成本，提高了转炉作业率，而且改变了转炉的操作制度，使我国炼钢厂均不再采用“三吹二”或“二吹一”的生产模式，实现了“三吹三”，充分发挥每个转炉的生产效率。

3.2 转炉高效吹炼工艺技术

　为了满足国内市场对钢材产品的巨大需求，国内大力开展提高转炉生产效率，加大供氧强度，实现平稳吹炼的技术研究，开发出一整套转炉高效冶炼技术，使转炉的生产效率得到大幅度提高。表6给出国内大、中、小型转炉生产效率的技术比较。

表6　国内大、中、小型转炉技术经济指标的比较

炉型	统计台数	炉容比/(m³·t^-1)	供氧强度^*/( m³·t^-1·min^-1)	底吹强度^*/( m³·t^-1·min^-1)	钢铁料消耗/(kg·t^-1)	氧耗^*/(m³·t^-1)	冶炼周期/min	炉龄/炉	利用系数/(t·t^-1·d^-1)	日历作业率/%
大型转炉	19	0.88	3.35	0.03-0.22	935.42	56.71	37.57	10181.5	23.920	63.23
中型转炉	25	0.83	3.36	0.02-0.15	1094.61	56.74	30.89	15932.0	32.930	76.35
小型转炉	33	0.60-0.70	3.90	-	1079.50	58.90	24.70	10316.0	64.872	85.91

* 在标准状态下。

　从表6中可以看出，国内小型转炉的作业率、利用系数均高于大、中型转炉，平均冶炼周期为24.7min，最短的可达到23min，接近日本钢铁厂采用“三脱”铁水少渣冶炼转炉的生产效率。其原因主要是小转炉的辅助作业时间(如出钢兑铁时间)短，易于扩装。总结国内小转炉强化冶炼的基本经验归纳为：

　 (1)采用高速供氧技术，强化冶炼。小转炉的供氧强度(在标准状态下)一般在3.5m³/(t·min)以上，其中济钢、莱芜、唐钢二炼等十余家钢厂的供氧强度(在标准状态下)达到4.0m³/(t·min)以上，使纯吹氧时间缩短到11.8min，冶炼周期缩短到24min。

　 (2)加快生产节奏，提高转炉作业率。如表6所示，小转炉的日历作业率平均可达到85％以上，最高达到97.7％。说明小转炉采用各种措施，减少热停时间，避免各类事故，保证转炉高效、有序稳定地生产。

　 (3)采用复合吹炼工艺，加快炉渣熔化速度，保证吹炼平稳是提高供氧强度的技术保证。随着供氧强度的提高，吹炼时间明显缩短，要求用更短的时间实现化渣，并尽可能减小炉渣金属喷溅。实践证明，采用底吹强搅拌技术可以加速转炉初渣的熔化，避免中期炉渣返干，减少喷溅。

　 (4)适当扩大装入量。对于小转炉扩大装入量相对容易，但对大、中型转炉难以实现扩装。同时扩大装入量带来的问题使炉容比变小，给平稳吹炼造成困难。

　如图3所示，传统的观点认为提高转炉供氧强度受到炉容比的严格限制，但采用以下技术有利于进一步提高供氧强度，提高转炉的生产效率：

　 (1)大幅度减少渣量，对于少渣冶炼转炉由于渣量减少，可以大幅度提高供氧强度；

　 (2)优化改进氧枪结构，提高喷枪化渣速度，减少熔池喷溅和避免产生大量FeO粉尘是大幅度提高供氧强度的技术关键；

　 (3)采用底吹强搅拌工艺，促进初渣熔化，实现渣钢反应平衡是提高熔池供氧强度的基础；

　 (4)采用计算机终点动态控制，实现不倒炉出钢以及提高出钢口寿命，缩短出钢时间，进而缩短转炉辅助作业时间，也是提高转炉生产效率的重要技术措施。

3.3 电炉兑铁水高效冶炼工艺

　实践证明各国电炉生产技术的发展深受地区资源特点的影响，例如瑞典水、电发达，电价便宜，通常采用超高功率电炉冶炼技术，比功率每吨钢高达1000kVA，不采用强化供氧技术，冶炼周期可以缩短到1h。而日本电价较高，通常采用高功率电炉强化供氧技术，也使电炉的冶炼周期缩短到1h。而德国通常采用炉壁烧嘴、熔池吹氧、二次燃烧和废钢预热等综合供氧技术，达到降低电耗，缩短冶炼时间的目的。

　我国大型电炉最初的发展受德国的影响较深，曾大量引进直流电弧炉、交流高阻抗电炉、竖炉电炉和Consteel等国际上最先进的电炉装备技术，综合采用了超高功率供电、炉门氧枪和炉壁烧嘴以及废钢预热等先进工艺技术，但并未达到预期的效果。由于我国煤炭资源丰富，炼铁成本较低。结合国内的这一资源特点，为进一步缩短电炉冶炼周期，降低电耗，推广采用了电炉兑铁水冶炼工艺，取得了明显的效果。如表7所示，大型电炉采用兑铁水工艺比全废钢工艺平均降低冶炼电耗每吨钢约67kW·h，缩短冶炼周期10min，减少电极消耗35％，降低生产成本约200元/t。2003年安阳钢铁集团公司100t电炉采用兑铁水工艺后，最高H产炉数达到37炉，平均冶炼周期41min，冶炼电耗220kW·h，达到国际先进水平。

表7　国内大型电炉全废钢与兑铁水冶炼工艺的技术经济指标比较

统计工厂数/个	吨位/t	生产工艺	铁水比/%	电耗/(kW·h·t^-1)	氧耗^*/(m³·t^-1)	电极消耗/(kg·t^-1)	冶炼周期/min
4	50-120	全废钢+预热	0	334.25	36.59	2.57	57.00
10	50-150	兑铁水	20-30	267.32	43.24	1.67	47.39

　* 在标准状态下。

　电炉采用兑铁水冶炼工艺不仅仅是增加了铁水的物理热，更重要的是改变了废钢的熔化方式，基本解决了传统电炉熔池缺乏搅拌，炉渣上部供热充足，电炉上、下部热量传递困难的主要弊病。如表8所示，电炉采用兑铁水冶炼后，废钢的熔化由高温传热转为碳扩散溶解，使炉料的熔化温度和过热度降低，有利于提高废钢的熔化速度，减少炉衬和电极损耗，全面提高电炉生产的技术经济指标。

表8　两种电炉冶炼工艺的技术比较

冶炼工艺	炉料结构	炉料熔化温度/℃	炉料熔化机理	炉料熔化过热度/℃	冶炼周期/min	电耗/(kW·h·t^-1)	电极消耗/(kg·t^-1)
全废钢	100%废钢或70%废钢+30%海绵铁 30%铁+70%废钢	≥1400	高温传热	＞100	60	400	1.3(直流)
冶炼							1.7(交流)
兑铁水		1300-1400	碳扩散降低熔点	20-50	50	220-280	0.8
冶炼			碳扩散降低熔点

4 21世纪初我国炼钢技术的发展展望

　 21世纪初炼钢生产技术的发展方向是实现大批量、低成本、稳定生产超纯净钢。为实现这一目标要求在20世纪现代化炼钢的基础上研究和开发21世纪初更先进的炼钢技术，其主要内容应包括：

　 (1)进一步优化国内炼钢生产工艺装备技术，加速实现设备大型化，加快淘汰小转炉、小电炉、小连铸等落后设备；

　 (2)在设备大型化的基础上研究开发高效化生产工艺技术，推广采用转炉铁水“三脱”预处理工艺、少渣转炉高速吹炼技术、高速连铸技术，使炼钢生产效率大幅度提高；

　 (3)研究开发转炉全自动吹炼、连铸机无人操作等先进的控制技术，实现生产过程自动化、工艺控制智能化和生产调度信息化；

　 (4)积极推广转炉负能炼钢、干法除尘、转炉渣集成处理与溅渣、留渣操作等先进工艺，实现炼钢厂“零”排放，无公害化生产。

　为了加速21世纪初先进钢铁厂的建设，应加大国内自主创新、原始创新和集成创新的力度，使中国炼钢生产工艺技术达到国际领先水平。