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钢铁材料发展的总趋势:实现超纯净钢高效低成本生产

发布时间:2019/10/17 17:24

  我生于1951年,基本与新中国同龄。生在新社会,长在红旗下,与大多数同时代的人一样,经历过“大炼钢铁”和三年自然灾害,参加过“文化大革命”和上山下乡,投身于40年的改革开放,与新中国一同成长。

  1973年,作为工农兵学员,我被选送到北京钢铁学院(现北京科技大学)炼钢专业学习,从此与钢铁工业结下不解之缘,经历了我国钢铁工业的发展与繁荣,并为此奋斗了一生。在46年钢铁生涯中,我经历了钢铁工业三次重大的技术跨越。

国内钢铁工业的三次技术跨越

  第一次跨越是建立现代化钢铁流程。

  大学刚毕业时,我接触到的钢铁工业是大平炉、小转炉和小电炉,铸锭、沸腾钢、镇静钢以及粗轧开坯。在读研究生时,最让我兴奋的事就是听别人介绍国外钢铁技术与装备的发展——大高炉、大转炉、真空处理、连铸、连轧等,好像大梦初醒,发现世界完全改变了。后来宝钢建成,我第一次全面了解到什么是“现代化钢铁流程”,并参与了“转炉复合吹炼”“铁水预处理工艺开发”等研究项目。从宝钢建成至今,我国钢铁工业全面建成了现代化钢铁流程,不仅淘汰了平炉,也淘汰了大部分100吨以下的小型转炉和电炉、1000立方米以下的高炉,实现了生产设备大型化;研发并掌握了全连铸工艺,炉外精炼和铁水脱硫预处理技术,自主设计制造并全面掌握了连轧与铸坯热送工艺,建设了多条薄板坯连铸连轧生产线,实现了全流程生产连续化、管理精细化和产品高质量。在此基础上,我国钢铁工业建立起钢铁全流程的信息管理系统、智能控制系统和以市场为中心的决策运营系统。

  第二次跨越是建立完善的钢铁产品体系。

  我参加工作之初,国内尚未建立起完善的钢铁产品体系,产品档次不高,质量较差,大多数钢厂以生产低档建筑钢材为主。这些低档钢材被戏称为“面条(线材)、麻花(螺纹钢)、裤腰带(窄带钢)”。随着我国钢铁工业日益现代化,产品质量不断提升,新产品层出不穷,逐渐完善了国内钢铁产品体系。上世纪90年代后期,国家立项开发高速重载钢轨。铁道部领导明确指出,建设国内高速铁路网绝不可能依赖进口,因为无法解决运输问题(当时国际上只有2只货船可运输50米长钢轨),必须依靠国内自力更生,自主解决。在国家科技计划的支撑下,短短几年,我国就自主制定了国际最先进的高速钢轨技术标准,引进建设4条(攀钢、包钢、武钢和鞍钢)100米长钢轨轧制线,开展各种生产工艺和质量攻关,使高速钢轨在产品质量和产量上满足国内高速铁路的发展需要,并实现大量出口,到今天已支持“一带一路”的发展。汽车用钢也同样从零起步,建立起完善的产品体系。目前以宝钢为代表的钢企生产的汽车钢,质量和品种均达到国际一流水平。我国不锈钢、电工钢、特殊钢等高端产品,产量已居世界第一位,质量和品种也达到国际先进水平。

  第三次跨越是建立起节能环保的绿色化钢铁流程。

  伴随着国内钢铁工业的现代化建设,新产品开发和产品质量的提升,国内钢铁企业的市场竞争力大幅提高,但也造成环境的严重污染。21世纪初期,国内钢铁工业的吨钢综合能耗高达700千克标准煤,远高于国际先进水平(550千克标准煤);吨钢水耗超过10吨(国际先进水平仅为3吨)。针对这一情况,以徐匡迪院士为代表的一大批学者,提出了“可循环钢铁流程”的理念,推动绿色化钢铁工业的发展。首先,是在全国范围开展“三干一利用”的推广普及工作,重点推广高炉、转炉煤气干法除尘和高炉煤气余压发电3项节能环保新技术,实现“负能炼钢”,降低能耗。其次,是实现全流程节能减排,建设花园式钢铁企业,目前正在积极推进钢铁企业超低排放政策和工艺技术的落实。现在,与国外或10年前国内钢铁企业相比,大多数钢铁企业生产流程先进,技术装备水平达到国际一流,而且设计规范,布局紧凑,物流合理,环境优美,成为花园式工厂,各项能耗、环境指标和排放标准均达到国际领先水平。

  总结国内钢铁工业40年高速发展的巨大成就,成功经验主要有以下几点:一是坚持对外开放。放开眼界,找到差距,学习和借鉴国外先进技术。二是实行举国体制。针对各历史时期钢铁工业的主要问题,联合攻关,迅速解决,全面推广。三是加强创新。在引进、消化和吸收国外先进技术和工艺装备的基础上,结合国内的特点进行再创新。这不仅迅速提升了国内技术水平,而且逐步形成了自主的钢铁工业运行体系和技术特色。

钢铁大国如何转变为钢铁强国

  经过40年的高速发展,我国已成为世界上最大的产钢国,钢产量占全世界总产量的51.3%。我国作为钢铁大国,是否也同时成为了钢铁强国?这一问题,国内长期存在争议。为此,需要明确钢铁强国的标准。纵观国际钢铁的发展,钢铁强国应同时具备以下特征:一是钢铁生产规模巨大,钢产量世界领先;二是钢铁生产技术先进,引领国际钢生产技术的发展潮流;三是产品质量高、品种全,不断开拓新的产品市场,在高附加值钢材生产中居垄断地位。

  国际钢铁的发展已证明了上述标准的正确性。19世纪末,英国凭借鼓风高炉和平炉炼钢的技术优势,钢产量世界第一,是当时的钢铁强国。20世纪中期,美国凭借转炉,特别是氧气转炉的技术优势和新产品开发能力,奠定了其当代钢铁工业的霸主地位。20世纪后期,日本凭借铁水预处理、复吹转炉、炉外精炼与连铸、连轧的技术创新,也成为钢铁强国。而前苏联虽一度钢铁产量居世界第一,但因采用平炉、模铸等落后技术,未能成为钢铁强国。

  按照以上标准,中国虽然是钢铁生产大国,但还不是钢铁强国。首先,我国采用的各项先进的钢铁生产技术,绝大多数是通过引进国外先进装备,学习国外先进经验逐步积累起来的,并未通过自主创新,形成领先于国际水平的先进技术。其次,国内钢铁新产品开发能力差距较大,钢铁新产品研发以仿制国外同类产品为主,缺乏具有国际竞争力的独立品牌。

  那么,中国钢铁工业可否很快实现由钢铁大国向钢铁强国的转变呢?

  首先,取决于世界钢铁工业发展技术的需求。今后钢铁材料发展的总趋势是实现钢材超纯净、高均匀和组织精细控制。20世纪国际钢铁工业发展的重点是突破化学反应极限生产各种超纯净钢,21世纪的发展总趋势是实现超纯净钢高效、低成本稳定生产。

  为提高钢材纯净度,20世纪中后期,逐步建立起“铁水脱硫预处理—复合转炉炼钢—炉外精炼提纯(LF和HR真空处理)—连铸—连轧”的现代化钢铁生产流程。该流程具有两个显著特点:一是将炉外精炼作为主要提纯手段,通过钢水脱氧,将氧化提纯转变为还原提纯,实现钢水深脱硫。但这也带来了钢水还原势不稳定,脱氧形成大量夹杂物等弊病。二是根据“分阶段冶炼”的理论,将超纯净钢冶炼分在多个独立反应器,分别单独进行氧化或还原提纯。各独立反应器的反应效率虽有提高,但难以避免各反应器间发生的钢水二次污染。如铁水脱硫,还原条件下有很高的反应效率,但在随后的氧化脱碳反应过程中(转炉)脱硫效率大幅降低,造成钢水严重回硫。又如,在氧化条件下钢中钛可降至5ppm以下,但在其后还原精炼(LF)中,钛会大量还原,增加到30ppm以上。除此之外,传统流程还存在着低碳脱磷,钢渣过氧化;沉淀脱氧生成大量夹杂物;反复进行氧化或还原精炼,使提纯过程不断产生新的夹杂物以及反应效率低、炼钢渣量大、环境污染严重等技术弊病,很难实现高效低成本稳定生产超纯净钢的目标。

  日本学者率先认识到传统钢铁流程存在的上述技术缺陷,用20多年时间研究开发出第一代和第二代铁水“三脱”(脱硅、脱硫和脱磷)预处理工艺,力图将钢水提纯的重点从炉外精炼转移到铁水预处理过程中。与钢精炼(即炉外精炼)相比,铁水预处理温度低,具备“天然”还原势,还原能力强,且稳定,不会造成钢渣过氧化,可避免脱氧产生的大量夹杂物。但受传统“分阶段冶炼”的影响,这一工艺未能解决好各独立反应器间钢水的“二次污染”问题,尚未被全世界广泛接受。

  如果我国钢铁界能充分认识到今后钢铁生产技术的发展趋势,下决心研究开发第三代铁水“三脱”工艺,解决好各工序间钢水二次污染问题;在此基础上进一步优化和完善超纯净钢生产流程,真正实现超纯净钢高效低成本生产,将使我国钢铁工业在超纯净钢生产技术方面领先于全世界。

  其次,综合国力也是我国从钢铁大国转变为钢铁强国的重要基础。目前,我国已经建立起全球最完善的制造业产业链,为钢铁工业的发展打下良好的物质基础。但制造业水平偏低,也限制了国内钢铁新产品的研究开发。今后,国内钢铁工业的发展要与制造业水平提升紧密结合,解决好钢铁材料研发落后于制造业发展、制造业水平又束缚钢铁材料发展的矛盾。

  再次,从人力资源方面分析,我国从事钢铁工艺和材料研究的科技人员数量最多,具有最丰富的人力资源,缺点是科技团队的活力不足。具体表现为:一是受人才单位所有制的束缚,研究人员难以自由流动组合,很难迅速形成多专业配合有能力、有经验的攻关团队。二是受职务发明等政策限制,研究人员无法合理分享科研成果,造成科技成果转化的动力不足。三是知识产权未得到充分保护,造成科研投入大,经济效益小,无法实现科研工作的良性循环。尽快解决以上问题,充分调动科研人员的积极性,将释放出无穷的创造力。

  为加快我国从钢铁大国转变为钢铁强国,我认为应从以下几点入手:一是国家应高度重视实体经济,特别是制造业的创新与发展,接受美国制造业空心化的教训,处理好高新技术发展与传统制造业转型升级的关系,在支持高新技术发展的同时进一步加强对传统制造业科技创新与技术进步的支持。二是鼓励和支持技术创新,充分发挥举国体制的政治优势,集中力量研究解决不同制造行业重大、关键、共性的技术问题,着力提升国内制造业的整体水平,应将企业真正视为创新的主体,明确任务、加强考核并给予各种政策扶持。三是加强知识产权保护,打击各种形式的非法侵权行为。一方面保证科研人员充分享受科研成果带来的经济效益,另一方面形成良性循环,使科研团队有足够的财力支撑各种新技术的研发投入。

  来源:国际金属在线