<关键词>=炼铁
<正文>= 21世纪，环保将推动钢铁工业技术新的进步。随着这种趋势的发展，对钢铁工业可持续发展起决定作用的炼铁技术的进步与革新将处于首要位置。特别是在解决污染物排放、废物循环利用及CO2 排放等问题的技术方面要有突破性的进展，同时还要重点考虑新的工艺生产路线及操作水平的不断提高。
1．CO2减排工作的方向
在钢铁联合企业的钢铁生产过程中，碳一般是以煤炭的形式输入，在炼铁工序中，焦炭作为还原剂和热源，而一部分煤以微粉喷吹的方式被高炉直接利用。焦炉、高炉产生的煤气则供发电厂、制氧工序、下游工序的加热炉等作为能源使用。这一生产过程产生的CO2总量在概念上可表达为：CO2发生量＝生产量×(能量消费量／生产量)×(CO2发生量／能量消费量)。基于该式来考虑CO2减排的方向，若要减少上游工序的能耗量，即减少炼铁过程中在还原、热源上的消耗量，就要减少碳的消耗量，这样才能进一步地推进节能。与此同时，为了减排CO2，可以考虑利用天然气等氢系还原剂，也可以考虑利用碳中性的生物体等作为减碳的方向。作为系统延伸的推进废弃塑料的再循环利用也将成为有效的策略。现行的钢铁生产过程对碳的依赖性很大，基本上要追求两个方向，既要减少所需碳量，又要降低对碳的依靠性。炼铁过程所需碳量的减少主要通过减少高炉还原剂的使用量来实现。高炉低还原剂比的原理可用李斯特(RIST)线图来表示，减少还原剂的途径有4条，即提高炉身效率、减少热损失、控制气体还原平衡的限制或者投入铁源。可以认为，前两种途径是目前正在努力推进的项目，可挖掘的潜力已几乎接近于极限；而后两种途径则是今后会带来更大效益的现在应积极研究的方向。 2．CO2减排问题的对策
2．1烧结机排放量的控制
烧结机目前是控制污染的主要环节，其中灰尘和二恶英排放等主要问题必须解决。二恶英的产生与烧结所用的铁矿石、石灰石、循环料、固体燃料的特性关系很大。因此，减少循环料的使用和正确选用燃料对二恶英的产生关系很大。另外，在烧结料中加入尿素，不仅可以有效抑制二恶英的产生，而且还可以避免或减少后道工序管道系统处理的费用。通过对不同的处理方法进行比较，可以发现加入尿素后，废气中二恶英的含量可降到0．5～1ng／Nm3。如果想要继续降低二恶英的含量，还需要加入活性碳或对管道中的烟气进行循环处理。 2．2CO2的排放
在炼铁工艺中，碳具有双重作用，一是作为还原剂对铁氧化物进行还原，二是作为热源将参与反应的物质加热到足够的温度，以保证铁氧化物还原反应经济、合理地进行。从热力学的观点出发，CO2的排放可以进行理论估算：
（1）还原Fe203需热能7400MJ／t铁；由铁水转变为钢水产生CO2为2．2kg／t钢。 （2）熔化优质废钢的热能为1350MJ／t钢。
而还原废钢中不纯净的氧化物要消耗几十公斤的碳。全废钢电炉冶炼产生CO2大约为200kg／t钢。 2．3CO2的排放短期限制
在过去的40多年来，能耗随着炼铁和炼钢的成本降低也在不断下降。受这种趋势的影响，欧洲钢厂CO2的排放量不断下降，但传统工艺的减排潜力非常有限，不超过5％～10％。同时也必须看到，高炉炼铁工艺已相当成熟，任何进步都相当困难。喷吹煤粉代替焦炭降低CO2排放量的作用不大，物料平衡与热平衡显示，碳在高炉中的利用效率远高于发电厂。
在转炉工艺中多用1kg废钢可减少排放1．5kg的CO2。也就是说，转炉中增加废钢用量，减少铁水用量是一条减少炼钢中CO2排放量的有效途径。安塞勒钢铁公司近年来在转炉炼钢中废钢用量已大幅度提高，已将废钢的比例提高到80～230kg／t钢，目前正在考虑能否将废钢的单耗提高到250kg／t钢。如果进一步提高转炉能源管理，如提高转炉废气的二次燃烧率(造泡沫渣、二次燃烧枪的使用)，废钢的比例还可以进一步提高。
2．4CO2的排放中期限制
有关炼铁专家对高炉炼铁工艺与CO2的排放进行了详细研究。结果表明，CO2的排放与铁水产量有很大关系，而与用于发电的煤消耗关系不大。在法国，因核能发电占很大比例，因此在法国CO2的排放量不大。
电炉炼钢工艺产生的CO2相对较少，但受废钢资源与废钢中有害元素的影响，仅依靠电炉工艺来降低CO2的排放量仍有一定的局限。特别是生产汽车用的涂层板材时，对钢水的要求更高，因此，高炉—转炉工艺在将来仍占重要地位。近年来，对高炉工艺做了不少改进，但高炉排出的CO2基本变化不大。对炉顶煤气进行循环处理后，CO2的排放能够进一步降低。
2．5CO2的排放长期限制
碳、氢、电均可以作为钢铁冶炼所需要的还原剂和热源，因此，实现低CO2排放的炼钢生产，可以有许多不同的生产途径可供探索。第一条途径就是能源转变，可以用非碳还原剂如H2、等离子进行冶炼。第二条途径是捕集或贮藏CO2的碳基新工艺，采用这种工艺，即使用高炉炼铁工艺也可降低CO2的排放，但这种工艺目前正处于探索阶段。第三条途径是将钢铁冶炼工艺与自然界的碳循环联系起来，比如使用植物燃料。
2．6炉顶煤气循环炼铁新工艺
在对炼铁工艺进行深入研究后，有人提出一种高炉无氮气(或低氮气)冶炼。按照这种工艺，高炉中铁氧化物的还原主要在炉身上部900℃以下的还原温度中完成，其优点是减少了碳在高炉下部进行的吸热量很大的直接还原。采用这种工艺，炉顶煤气经过脱碳后，含有大量的CO和H2的还原气体经过预热到900℃以后，从风口喷入高炉，以加速铁氧化物的还原。这种工艺所需要的热能是通过煤粉在氧气中燃烧或采用等离子喷射法来提供的，而采用等离子喷射法不再另外需要氧气和煤粉。
高炉炉顶循环还原气中N2含量很低，而焦炭的用量能保证炉料的透气性即可。生产实践经验表明，此时焦炭的单耗约在230kg／t铁左右，而整个还原剂的消耗为232kg／t铁的焦炭和137kg／t铁的煤粉。 该工艺关键的一点是铁氧化物的还原在900℃以下经气体还原完成。从热力学的角度考虑，这种工艺是完全能实现的，但在还原的最终阶段，铁氧化物表面还原出的一层金属铁会阻止还原气体进入铁氧化物继续进行还原。因此，控制铁氧化物表层金属铁的组织形态对改善铁氧化物的还原具有重要作用。
上世纪70年代，在AIRBO高炉(炉缸直径为4．6m)上进行了该工艺的工业试验，其中处理后的炉顶煤气加热到1000℃后从风口喷入高炉。炉体内的探头测试和取样结果表明，处理后的炉顶煤气与高炉内的煤气混合效果非常好，其中处理后的炉顶煤气与焦炭的置换比为0．25～0．35kg·焦炭／m3，该置换比与理论计算是相符合的。
2．7以大幅度减少CO2发生量为目标的炼铁工艺
炼铁过程按机能分工为焦炉内的煤炭的干馏，烧结机上的烧结造块，高炉中的还原、熔融。焦炉、烧结机各自供给能满足高炉所需要的强度和还原性能的炉料。只有重新认识这些过程，通过还原与受热的高效配合重组，才能有降低高炉负荷和减少总体还原剂比的可能性。这就是说，人造块矿和碳基料只有达到更好的接触强化、碳基料配置的最佳化，才有实现低还原剂比操作的可能性。可以认为，高炉的新原料就是人造块矿中含有金属铁的预还原矿和含有金属铁的焦炭。在焦炭含有金属铁的情况下，加上投入铁的效果，借助金属铁的催化作用，可以大大提高焦炭的反应性。依靠这种焦炭的高反性化，可以降低还原平衡温度，大幅度降低还原剂比。
在粉矿造块的同时实现部分还原的工艺，是在烧机上将碳基料加入有一定粒度的烧结料中，在烧成时施行部分性还原的方法。高炉内主要靠气体还原铁矿石，所以通常受到气体还原平衡的制约，但在本方法中，因为依靠加入烧结料中的碳基料进行没有平衡制约的固体还原，产生的气体再以热的形式加以利用，故而所需碳基料可以减少。因此，预还原过的烧结矿装入高炉后，高炉可以大大减小还原剂比，炼铁工序整体的耗碳量就减少。按70％的还原率考虑，整个炼铁工序的耗碳量大约可以减少10％以上。另外，在焦炭含有金属铁的情况下，借助焦炭的高反应性，可将热保存带温度降低100℃，高炉还原剂比就将降低300kg／t。再者，涉及到有关氧化铁和碳基料的接触强化问题，那么宏观性的方法是最近在高炉上实行的混合装入法，而含碳基料的块矿等则可视为微观上的接触强化的方法，其研究开发工作都在进展之中。
2．8依靠高炉工艺发展系统减排CO2的可能性
从未来的观点出发，以谋求增进高炉功能的氧气高炉(无氮高炉)为对象来探讨CO2减排。氧气高炉不是从风口鼓送热风，而是送入无氮的冷冻氧的工艺，能够大幅度提高生产率，同时容易借助喷吹大量的煤粉而实现低焦比操作。氧气高炉在国际上也有一些研究的例子，但都停留在脱离实际的讨论阶段。
通过模拟计算，对比了基于有代表性的各种操作因素的现行高炉、氧气高炉、熔融还原(DIOS)过程中需要输入的碳量。结果表明，对氧气高炉来说，虽然也有由于生产率提高而导致热损失减少、低温还原等优点，但因大量供氧使得所需电能增加，总之与现行高炉差别不大。熔融还原工艺也基本相同，要达到与熔融还原法的性能有关的高二次燃烧率也存在技术上的限制。关键是按照降低氧能耗量，并有效地利用发生的气体，将周边社会纳入的整个系统来进行评价。可以推断，氧气高炉发生的气体不含N2，因而分离CO2比现行高炉容易。当将来能够在工艺规模上应用CO2分离技术的时候，针对大幅度减排CO2可以考虑各种各样的方式。
以氧气高炉为基础加上分离CO2的工艺方式，可以把高炉炉顶煤气中未予利用的CO再用作高炉的碳源，可大量减少输入碳量。在这类工艺中，对炼铁工序投入的碳与对下道工序的供能量有关。如上述所述，通过分离CO2而循环利用未利用的CO，可望减排大约15％的CO2。但是，这里没有将预热循环煤气的补加能量考虑在内。应该注意到，供给下道工序的能量是减少的。因而，此类方式是以实现下道工序的节能和输入补充用廉价的氢系能源为前提的。只要具备这些条件，这类方式就有可能作为将来大幅度减排CO2的可选工艺。
在欧洲，ULCOS（超低二氧化碳炼钢工艺）的研究课题正在进行之中。这是欧洲14个国家的48个企业、研究机构参加的、在欧盟支持下由欧洲单独推进的课题。从长远的观点出发，到2050年减少50％的CO2为目标，自2000年开始基础研究。以ULCOS研究课题为核心的新高炉几乎符合上述氧气高炉加上CO2分离工艺的概念。据计算预测，减排CO2大约会达到25％，再考虑到可大量利用生物质能，将总体目标定为减排50％。该研究项目所涉及的一些技术包括高炉炉顶煤气在脱碳之后的重新利用、CO2的捕集与贮藏、电解、氢的利用等等。在经历第一阶段的5年之后，将会选择一种或更多种的方法再进行为期5年的工业化试验，以检验其技术和经济性能，随后才投放商业性应用。
作为面向未来的准备工作，欧洲正在进行各式各样的研究开发。实际上，以新高炉为中心，正在对减碳，开发有效使用氢系还原剂、电能等多方面的各种工艺评价，弄清未来的发展方向。从长远的观点出发，欧洲以产业革命为基准，树立了于2050年使气温上升幅度控制在2℃之内的地球暖化目标。从这样的长远观点来看，面对地球环境问题，ULCOS研究课题也积极展示了欧洲钢铁业界有价值的课题研究动态。虽然这是高难度的设定目标，但这是一项技术内容广泛的课题，连同涉及效应也考虑在内的话，其动向值得今后关注。
2．9超前的理念
利用电解法进行铁氧化物还原目前是一种比较超前的设想，但该设想目前还仅限于实验室研究。该理念有以下设想：在苏打溶液中用电解法还原铁氧化物，利用HCl对废钢进行酸洗，然后经过滤电解还原生产钢箔，铁氧化物在高温下熔入高温盐液(如Na2CO3＋B2O3)后经电解还原。采用这些工艺还原铁氧化物其能耗大致在20～25GJ／t钢，但对产量的影响目前还不能确定。
采用植物燃料还原也有很大的研究空间，CO2转化成C是一种自然的生物过程。这里特别要提到的是在巴西有几座高炉目前正在采用桉树生产的木炭(焦炭)进行炼铁，铁产量每年达800万t左右，同时木炭磨碎后同喷煤粉一样喷入高炉。从长远来看，采用植物燃料进行还原可有效降低能耗。 3．几点启示
钢铁冶炼技术今后的发展方向将集中在提高对环境的适应能力、减少有害气体的排放、减少CO2的排放等方面，而这些因素均与煤的使用有关。
在过去的40多年来，由于新技术的进步，CO2排放已大幅减少。从短期发展来看，通过进一步提高高炉冶炼效率并结合当地情况合理使用资源，CO2的排放可减少5％～10％；从中期发展来看，进一步增加转炉中废钢的比例和扩大电炉钢的比例，是减少CO2排放的有效途径；从长期发展来看，必须开发创
新的或有突破性的技术以减少CO2的排放，如扩大氢气的使用、高炉炉顶煤气脱碳循环使用、CO2的捕集与贮藏等技术均可以进行深入的研究。
对于钢铁企业而言的CO2减排，考虑到在全球的实效性，必须有效地利用其技术能力，从各种角度进行技术组合。在钢铁联合企业，高炉低还原剂比操作法是今后发展的基本方向，必须研究出能顾及到向下游工序供能平衡的对策。此外，不仅需要考虑到适应现有的炼铁工序，而且还必须考虑到促进废弃塑料等的再循环利用、与周边的能量的相互利用等相联合与协调。
对于大幅度减小高炉还原剂比而言，可以考虑预还原块矿，或者借助焦炭高反应性化（同时还含有金属铁的焦炭）等等。对于高炉的发展系统而言，还可探讨以氧气高炉为基础的CO2减排工艺，但引入大规模的CO2分离、固定工艺乃是前提条件。面向未来的彻底减排CO2的工艺组合是整个钢铁业共同的课题，应该积极推进国际间的技术协作。
<导报期号>=200742
<发表时间>=2007/11/06
<作者>=沈文荣;邱松年;钱洪建 <标题>=沙钢宽厚板工艺技术特点 <导报分类>=0101;0104;0213
<关键词>=沙钢宽厚板 <正文>= 1．工艺布置
江苏沙钢集团5m宽厚板厂位于江苏扬子江国际冶金工业园区内，主厂房总长1356m，宽度方向最宽246m，总面积200610m2，由板坯库、上料跨、加热炉跨、主轧跨、剪切跨、厚板处理中转跨、成品库、磨辊间、主电室及预留热处理跨和涂漆线跨组成。产品规格5～150×900～4800×～25000mm，最大重量32300kg。常规轧制、控制轧制及热处理钢板比5：3：2，生产碳素、低合金结构、船板、管线、桥梁、海洋、建筑、锅炉压力容器及机械工程用板，设计年产量180万t／a。 采用5m高刚度轧机、大功率主电机和MULPIC加速冷却装置并扩大精整能力，辊系带HAGC和WRB装置，沙钢宽厚板轧机单位轧制力20KN／mm及单位轧制功率4KW／mm，用自动测压、测厚与测宽测长仪及板型仪确保自动轧制钢板板型和平直度。在线钢板精整和钢板质量跟踪，从加热炉上料辊道至钢板进入成品库止，由计算机物料跟踪系统对板坯、轧件母板及成品子板全线跟踪，确定其确切位置，对相应设备设定和控制，通过全厂L1～L3三级控制系统，确保高强船板、锅炉压力容器板、桥梁板和石油管线板的两阶段或三阶段TMCP＋ACC／DQ轧制工艺要求。 2．生产工艺
2．1加热
10．7×52m2八段步进梁式加热炉以焦炉煤气为燃料，热装率达60％～70％。炉内236个烧嘴，上部为平焰和侧向烧嘴，下部为侧烧嘴，800m3／h和110m3／h平焰烧嘴各有60和72个；4000m3／h、4500m3／h和500m3／h侧烧嘴分别为28、48和28个。风量助燃风机70000m3／h，风压13KPa，1450r／min；现场有炉压测量差压变送器、压力变送器、流量控制器、液位控制器、压力控制器，带黑度补偿板坯高温计、炉内残氧分析仪和NOx分析仪表，各段煤气和高温空气控制阀及煤气总管调节阀。
钢板加热温度、加热速度、加热时间等工艺参数及炉温制度、炉内气氛、炉压均由计算机设定、控制，进行坯料温度预报与热态跟踪、最佳炉温设定、动态空燃比设定、在线热平衡计算、炉压的前馈控制及耽误策略，上、下供热滚轮斜台面全液压驱动。箱型多区供热，分区控制各段温度适应热坯和冷坯热坯交替装炉变化；高背化耐热垫块和千鸟型布置；水梁及立柱双层绝热，高效保温复合炉衬，最大限度回收显热。 2．2轧制
18MPa高压水除鳞箱有上下各两排喷嘴出口水压，上部喷嘴垂直可调，清除出炉板坯表面氧化铁皮。Φ1000×600mm立辊轧机配有液压宽度控制系统（AWC）和轧制头尾部分短行程控制（SSC），控制轧件平面形状和宽度尺寸精度及钢板头尾部形状，轧制头尾部短行程控制对板坯矩形化，能使轧件延伸道次全
长宽度均匀偏差最小。对轧件施以侧压立辊轧制，减少轧件边部折叠和改善边部质量，提高成材率。Φ1210×5050／Φ2300×4900mm宽厚板轧机轧制力20KN／mm，轧制功率4KW／mm。
组合式轧机牌坊立柱和横梁间用预紧拉杆连接。无限冷硬铸铁工作辊，配用4列园锥滚柱轴承；工作辊弯辊（WRB）8个上弯辊缸在上支承辊轴承座内，8个下弯辊缸位于轧机牌坊上4个弯辊块内；上下支承辊油膜轴承承受径向负载，2列锥形止推轴承承受轴向负载，由集中稀油系统供稀油润滑和流体动力润滑。
液压AGC用于自动厚度控制、动态轧制线调整和锥形轧制。轧辊磨损由阶梯垫系统补偿。轧制线调整系统对工作辊磨损补偿的梯垫有4个位置，每个位置增量25mm。安装在压下丝杆的线性位移传感器测量压下位置，轧机机械压下系统对轧制过程辊缝设定和轧辊更换。HAGC实现钢板自动厚度控制；工作辊最大弯辊力4MN／每侧，并采用板型仪，控制钢板的板凸度和平直度；平面形状控制技术，且液压压下系统响应快。
2．3ACC／DQMULPIC（多功能间断式冷却）装置位于轧机与热矫直机间，采用高密度高压喷嘴，水压5bar，最大与最小单位水流量调节比为10～20，根据钢板宽度调节集管边部冷却水量。横向可移遮挡的24m×5．1mMULPIC装置上下各24根不锈钢集管5．9万个喷嘴组成MULPIC水枕，每个集管配有过滤装置保护喷嘴喷射高密度冷却水，侧喷装置吹扫，水流量850m3／h，20～50mm低C－Mn钢板温降300℃加速冷却速率30～10℃／s；钢板温降700℃直接淬火冷却速率10～40℃／s，可在线加速冷却或直接淬火热处理。与MULPIC装置相连每个辊道单独用矢量电机控制，该MULPIC装置设ABCD4区，每区上下集管供MUPLIC装置喷射加速冷却，该装置对热机轧制后加速冷却或直接淬火钢板表面产生湍流，生产高强韧性钢板。 3．精整 3．1热矫
高刚度全液压4重式9辊式热矫机，最大矫直力40MN，用模型预设定实现矫直过程自动控制。该热矫机全液压调节矫直全过程对上矫直辊组弯辊调节补偿和模型预设定位置调节，实现矫直过程自动控制。液压过载保护上矫直辊组，并可单独升降调节入／出口下矫直辊。
辊缝控制长行程液压缸对上矫直辊系高度、倾斜歪斜调整及过载保护。轧件在热矫机矫直1～3个道次，由宽厚板钢级、温度、厚度选择矫直压下量，由钢板温度、厚度及强度性能确定矫直速度，矫直温度在500～800℃，可在≤900℃温度矫直特厚钢板。热矫机具有动态辊缝调整、整体倾动、矫直辊横向弯曲补偿功能，以消除轧后钢板可能出现的各种板形缺陷。 3．2冷却
采用均匀冷却，不会划伤钢板下表面步进梁冷床，根据钢板尺寸布料，左右及4个提升区分别或联动提高冷床利用率。热矫后宽厚板轧件分流进入2号和3号步进梁冷床及表面检查。在2号或3号冷床上，轧件温降至100～200℃时离开冷床。根据宽厚板轧件长度，单列、双列排放；横向间隔为100～300mm。对需脱氢缓冷处理轧件，从冷床输入辊道上吊至剪切跨缓冷区，在200～500℃间缓冷。
＞50mm宽厚板进3号冷床冷却，冷却到一定温度后，由吊车吊至指定区域堆放继续冷至常温；由吊车将需缓冷船板从由冷床上或其出口处吊至缓冷区缓冷。厚板处理区，经翻板检查、修磨后，船板由火焰切割机切成规定尺寸，人工标志后进船板成品库堆放、发货。
≤50mm宽厚板进2号冷床冷却，冷床下料装置将冷却后的宽厚板轧件托放到冷床输出辊道，运至1号检查修磨台对钢板上、下表面由质量检查确定是否翻板修磨。2组翻板机可单独或同时工作翻转26m以下长度钢板。
3．3剪切
弧形剪刃、三轴三偏心传动双边滚切剪，剪切最小板宽900mm的剖分剪紧靠双边剪出口，经检查、修磨的宽厚板由辊道送入剪切线。轧件母板送至切头剪切除头尾并分段处理；再经激光定位、磁力横移装置对中后送入双边剪同时剪切钢板两边；对需剖分的钢板由剖分剪同步操作剪切。切边后钢板前端切齐后，用测长辊或机械定尺切成定尺长度钢板，按标准规定剪切取样。剖分后钢板可齐头进入定尺剪切，也可由