摘要： “十三五”時期，中國煉鋼技術快速發(fā)展，在機理創(chuàng)新、關鍵工藝技術和裝備研發(fā)、高品質鋼高效生產、智能化控制、低碳綠色發(fā)展等方面都取得了長足的進步。中國粗鋼產量持續(xù)增加，達到了世界產量的56.49%，在發(fā)展的同時逐步實現(xiàn)煉鋼結構優(yōu)化，高品質鋼的高效綠色生產為中國經濟高速發(fā)展提供很好的支持作用。通過回顧和分析“十三五”期間中國煉鋼共性關鍵技術取得的科技成果，對“十三五”期間煉鋼科技進步進行了總結。代表性關鍵技術成果總結為兩個方面，即“高品質鋼煉鋼-連鑄關鍵技術開發(fā)與應用”和“潔凈鋼高效、低碳綠色煉鋼-連鑄技術研發(fā)”。“高品質鋼煉鋼-連鑄關鍵技術開發(fā)與應用”技術主要的發(fā)展表現(xiàn)在高品質不銹鋼脫氧及夾雜物控制技術，薄板坯連鑄連軋生產電工鋼技術，重載車軸鋼冶金技術，高速和重載鐵路鋼軌用鋼煉鋼技術，特殊高合金鋼品種冶煉及連鑄關鍵技術；“潔凈鋼高效、低碳綠色煉鋼-連鑄技術研發(fā)”的主要發(fā)展體現(xiàn)在大型轉爐高效、綠色冶煉關鍵技術，綠色電爐高效冶煉技術，高品質特殊鋼綠色高效電渣重熔關鍵技術，高品質鋼高效連鑄技術。同時，煉鋼-連鑄智能化控制技術的應用取得了進展。實現(xiàn)關鍵鋼鐵材料的自主保障和前沿技術的突破是“十四五”鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要任務，結合“十四五”時期發(fā)展需求及定位，今后煉鋼技術的重點發(fā)展方向包括潔凈鋼煉鋼-連鑄高效、協(xié)同生產技術創(chuàng)新和應用；煉鋼-連鑄智能控制技術的集成和應用；低碳綠色生產技術創(chuàng)新應用；近終形連鑄連軋技術。關鍵詞： “十三五”；煉鋼；高品質鋼；高效；低碳；智能化鋼鐵工業(yè)是國民經濟的重要基礎產業(yè)，為國家建設提供了重要的原材料保障，有力支撐了相關產業(yè)發(fā)展，推動了中國工業(yè)化、現(xiàn)代化進程，促進了民生改善和社會發(fā)展?！笆濉睍r期是“三步走”建設制造強國的開局階段，也是鋼鐵工業(yè)結構性改革的關鍵階段?！笆濉逼陂g，中國粗鋼產量持續(xù)增加，達到世界產量的56.49%，煉鋼技術從機理創(chuàng)新、關鍵工藝技術和裝備研發(fā)、高品質鋼高效生產、智能化控制、低碳綠色發(fā)展等方面都取得了長足的進步。本文回顧和總結“十三五”期間煉鋼科技進步及關鍵技術成果，為下一步“十四五”煉鋼技術發(fā)展提供參考。1 “十三五”期間中國粗鋼產量不斷增加，逐步實現(xiàn)煉鋼結構優(yōu)化
圖1所示為2015—2020年期間中國粗鋼產量變化情況。進入“十三五”時期，中國經濟持續(xù)快速發(fā)展，鋼產量持續(xù)增加，2005年中國粗鋼產量為3.49億t，約占全世界鋼產量的1/3。2016年，隨著鋼鐵行業(yè)供給側結構性改革政策拉開帷幕，中國鋼鐵行業(yè)迎來了新的發(fā)展時機，2016年中國粗鋼產量達到8.08億t，占世界鋼產量的49.46%。2017年中國粗鋼產量接近8.7億t，占世界鋼產量的50%以上。之后持續(xù)增加，到2020年，中國粗鋼產量達到10.53億t，占世界鋼產量的56.49%。轉爐煉鋼是中國主要的煉鋼方法，2005—2015年，轉爐鋼比例持續(xù)增加，由88.75%增加到94%，這是由于在經濟快速發(fā)展牽引下，煉鋼設備(轉爐、電爐)大型化發(fā)展及冶煉效率不斷提高提供了支撐。鋼鐵行業(yè)供給側改革不斷深入，尤其是2016年開始，隨著中國“淘汰落后產能，淘汰地條鋼”政策的落實，加上廢鋼供應量持續(xù)增加，使得電爐鋼比例有所增加，轉爐鋼比例相應降低到88.36%。自2018年開始，國內針對轉爐高廢鋼比冶煉技術不斷開發(fā)和推廣，2020年轉爐鋼比例提升到89.60%(圖2)，電爐鋼產量持續(xù)增加，達到約0.96億t。2018—2020年，工信部發(fā)布《堅決打好工業(yè)和通信業(yè)污染防治攻堅戰(zhàn)三年行動計劃》，鋼鐵行業(yè)供給側改革不斷調整、深化，逐步淘汰了小轉爐、小電爐、小連鑄機、中頻爐等落后產能，優(yōu)化了煉鋼產線結構。2 “十三五”期間中國煉鋼共性關鍵技術取得的科技成果分析
鋼鐵工業(yè)關鍵共性技術對推動鋼鐵向高效、節(jié)能、優(yōu)質、智能、低碳方向發(fā)展具有重要意義?！笆濉逼陂g，煉鋼共性技術的進步有力支撐了中國鋼鐵行業(yè)的高質量轉型和發(fā)展?！笆濉逼陂g冶煉行業(yè)科學技術進步獎的數量分布以及煉鋼技術獲獎數量的情況見表1。從表中可以看出，“十三五”期間，每年獲一等獎以上獎項由10個左右穩(wěn)定增加到15個以上，尤其是2020年，達到了23個。獲得一(特)等獎項目數量逐漸增加，這說明中國冶金科學技術進步逐步加快，多專業(yè)協(xié)同創(chuàng)新日益深入。“十三五”期間中國煉鋼技術所獲冶金科學技術獎特等獎和一等獎項目的基本情況見表2?？梢钥闯觯笆濉逼陂g，共計11項煉鋼技術獲得冶金行業(yè)一(特）等科技進步獎，其中特等獎1項、一等獎10項，代表了煉鋼技術的主要進步方向，主要包括大型轉爐高效冶煉技術、潔凈鋼冶煉技術、連鑄坯高效高品質連鑄技術、薄板坯連鑄連軋、特殊鋼綠色高效電渣重熔關鍵技術等。圖3所示為所獲一(特)等獎項目的專業(yè)分布狀況?？梢钥闯?，獲獎項目包含的專業(yè)方向為高效連鑄、轉爐煉鋼、精煉、電渣重熔等，其中連鑄相關獲一等獎項目為6項，超過獲獎項目的一半。連鑄專業(yè)項目不斷獲獎，體現(xiàn)了多年來連鑄裝備、技術從引進為主導到較為活躍自主研發(fā)的轉變。針對特定高品質鋼種的煉鋼多工序綜合技術獲獎項目為2項，轉爐、精煉、電渣重熔各1項。煉鋼單工序技術不斷突破，形成關鍵技術，結合煉鋼過程各工序智能化及協(xié)同優(yōu)化，為高品質鋼高效生產提供了保證。下面就“十三五”期間主要煉鋼技術的發(fā)展和應用情況進行歸類總結。3 以企業(yè)為主體高品質鋼煉鋼-連鑄關鍵技術開發(fā)與應用
不銹鋼產品的應用領域逐年增加，對不銹鋼的產品質量提出了更高要求。中國成為全球最大的不銹鋼生產與消費國，但是產品質量與國外還存在較大差距，部分高端行業(yè)用不銹鋼還主要依賴進口。太鋼針對高品質不銹鋼的脫氧及夾雜物控制方面還存在的問題，研究了高品質不銹鋼的脫氧及精煉渣系對夾雜物的影響，針對降低不銹鋼中全氧含量及夾雜物塑性化、純凈化問題，開展了裝飾行業(yè)用不銹鋼硅脫氧下的夾雜物塑性化控制工藝技術、超潔凈含Ti鎳系不銹鋼脫氧及夾雜物控制技術、超低氧不銹鋼脫氧及夾雜物彌散化控制技術和超潔凈含Ti鐵素體不銹鋼脫氧及夾雜物控制技術的開發(fā)，以期開發(fā)出滿足高端行業(yè)用的系列夾雜物控制技術。開發(fā)了不同品種、多種工藝路線的超潔凈不銹鋼生產工藝技術，生產的304、316、430、321、316Ti、Cr13系、436和 441等鋼種在高端裝飾行業(yè)、核電、石油開采和高端汽車排氣系統(tǒng)等得到廣泛應用。鋼鐵研究總院連鑄中心首先在實驗室模擬薄板坯連鑄連軋流程，薄板坯加熱溫度為1 150～1 180 ℃，采用“固有抑制劑法”成功試制了CGO和Hi-B鋼。采用“固有抑制劑法”結合固態(tài)滲氮方式以及氣態(tài)滲氮方式的“獲得抑制劑法”，也成功試制了Hi-B鋼，成品磁性能達到27QG100及以上的水平。通過“十一五”國家科技支撐項目“薄板坯連鑄連軋生產取向電工鋼新技術研究”，武鋼與鋼鐵研究總院等單位進行合作研發(fā)，采用CSP流程成功進行了普通取向硅鋼的試生產，成品磁性能達到30Q130和27Q140的水平。同時，開展了HiB鋼生產的探索工作。武鋼開發(fā)并集成了CSP和HiB鋼生產工藝。連鑄拉速達4 m/min，近2年黏結漏鋼率為0，關鍵成分Als、N雙合格率達96%，連澆爐數可達10爐；HiB率為95%以上。開發(fā)了CSP生產硅鋼的表面質量控制技術，HiB鋼表面缺陷率不超過5%。3.3重載車軸鋼冶金技術研發(fā)創(chuàng)新與應用為了改變高鐵及重載鐵道車輛用車軸等關鍵部件嚴重依賴進口的局面，組織開展了一系列科研攻關，包括國家973重大基礎研究項目和安徽省科技重大專項計劃項目等，馬鋼聯(lián)合北京科技大學、中國鐵道科學研究院集團有限公司承擔了其中關鍵冶金技術的研發(fā)任務。通過研發(fā)和應用形成了具備自主知識產權的成套工藝技術。高鐵及重載鐵道車輛用車軸鋼成分體系與歐系車軸鋼相比，鎳、釩和鈦含量較大增加，對鋼材強度與抗疲勞性能進行了更合理匹配；簡化LF精煉任務(主要進行調鋁、造渣)，由RH精煉擔負超低氧控制任務，將車軸鋼液w(T［O］)控制在0.000 55％以內；利用固態(tài)夾雜物比液態(tài)夾雜物更易聚合和去除的機理，通過爐外精煉或將固態(tài)夾雜物近乎全部去除，或使其轉變?yōu)樵谶B鑄過程不易聚合的液態(tài)夾雜物，顯著降低了車軸大型夾雜物探傷不合格比例；解決了長期困擾特殊鋼大圓坯、大方坯冶金質量的1/4直徑或厚度處正偏析問題。馬鋼產40 t軸重車軸鋼和時速250、350 km中國標準動車組車軸鋼，冶金質量和綜合性能明顯優(yōu)于進口產品，已順利通過中鐵CRCC認證，并于2017年實現(xiàn)全路推廣應用。馬鋼開始批量生產高鐵及重載鐵道車輛用車軸鋼后，進口車軸價格由4萬元／件降低到2.5萬元／件。3.4高速和重載鐵路鋼軌用鋼煉鋼技術集成和優(yōu)化針對高速和重載鋼軌鐵路發(fā)展需求、鋼軌標準提升、安全長壽要求、稀土資源利用等方面新的挑戰(zhàn)，結合包鋼資源條件、裝備條件和工藝特點，包鋼聯(lián)合北京科技大學等單位開發(fā)了高效和精準潔凈化集成關鍵技術、均質化連鑄關鍵技術、稀土處理性能提升關鍵技術。優(yōu)化了硅鐵-硅鈣鋇合金精準化高效復合脫氧工藝，實現(xiàn)精煉過程中鋼液和精煉渣的深度脫氧，將高速軌和重載軌用鋼中總氧質量分數降低至0.000 61%。揭示了鋼中純液態(tài)非金屬夾雜物尺寸大、難上浮去除、軋制后呈長條串狀的現(xiàn)象，開發(fā)了精煉渣和合金成分協(xié)同作用的非金屬夾雜物半液態(tài)化精準成分控制技術，將大尺寸非金屬夾雜物引起的鋼軌探傷不合格率降低至0.1%；發(fā)現(xiàn)了大方坯結晶器多孔水口流場下弱電磁攪拌改善連鑄坯元素偏析的規(guī)律，開發(fā)了大方坯結晶器弱電磁攪拌和末端輕壓下協(xié)同控制技術，解決了高速軌和重載軌用鋼的大方坯中心偏析和1/4偏析的難題，鋼軌碳偏析度降至1.03；開發(fā)了重載鋼軌連鑄坯控溫緩冷技術，首次構建重載鋼軌用鋼連鑄坯控溫緩冷平臺，對固體連鑄坯進行控制加熱和控制緩冷，將鋼坯中氫元素極限脫除至0.000 06%；發(fā)現(xiàn)了稀土處理細化非金屬夾雜物的特征，細化了非金屬夾雜物尺寸和凝固組織，提升了鋼軌的性能，實現(xiàn)了稀土鋼軌的規(guī)?；a。通過技術應用，顯著提升了包鋼高速和重載鋼軌的潔凈化和均質化水平，滿足國內外各個級別的鋼軌需求，應用于包鋼年產100萬t的鋼軌鋼生產。隨著國民經濟快速、高質量發(fā)展，國家對特殊高合金鋼的品種、質量、產量提出更高的需求。由于技術制約，這些特殊品種國外僅有個別企業(yè)實現(xiàn)部分連鑄生產，長期以來國內不能生產或只能采用模鑄生產，且成本高、效率低，限制了后步軋制流程、產品規(guī)格和產品開發(fā)推廣應用，一些產品長期依賴進口。特殊高合金鋼在冶煉、澆鑄及凝固過程中存在諸多難題。太鋼通過“產學研”合作，實現(xiàn)了特殊高合金鋼品種系列化、高質量穩(wěn)定連鑄生產。開發(fā)了VOD鋁合金化、KOBMS錳合金化和高鋁保鈦(稀土)等工藝，解決了高含量下合金化過程氧化和揮發(fā)難題，Al、Mn收得率分別達到94.8%和95.8%，合金化時間不超過50 min，Ti和RE收得率提高了50%。開發(fā)了高鋁、高鈦、高稀土鋼的超低氧／氮冶煉及夾雜物微細彌散化控制技術，解決了Al、Ti、RE與O、N形成大尺寸夾雜物的難題，氮化物夾雜尺寸不大于5 μm，鈦系和稀土夾雜物尺寸不大于10 μm，顯著改善了可澆性。開發(fā)了高鋁、高鈦鋼的CaO-SiO2基保護渣和高稀土鋼的CaO-Al2O3基保護渣，形成了特殊鋼連鑄保護渣的解決方案。形成了高碳高錳、高碳高鉻鋼的連鑄冷卻、鑄流電磁攪拌、鑄坯紅送等系列關鍵技術，首次實現(xiàn)了6Cr13、Mn13、第三代汽車鋼Mn5等品種的高質量多爐連澆。4 以院校為基礎潔凈鋼高效、綠色煉鋼-連鑄技術研發(fā)
中國大型轉爐煉鋼技術起步晚，但是發(fā)展迅速，自2008年以來，通過引進和研發(fā)逐步實現(xiàn)裝備現(xiàn)代化和穩(wěn)定生產。但與國際先進水平相比，仍存在鋼水潔凈度低(終點氧質量分數為0.060%~0.100%)、冶煉過程效率低、消耗排放大、生產不穩(wěn)定等難題。鋼鐵研究總院持續(xù)對煉鋼機理、關鍵工藝及裝備、工藝模型、智能化控制及成套技術進行多年攻關，與寶鋼、馬鋼、鞍鋼等鋼鐵企業(yè)合作研發(fā)，成功突破了技術和應用瓶頸。鋼鐵研究總院與鋼鐵企業(yè)合作，揭示了大型復吹轉爐熔池均衡攪拌的機理，并創(chuàng)建了熔池均衡攪拌的定量化工藝。實現(xiàn)了0.20 m3/(t·min)左右高強度底吹攪拌；基于機理技術創(chuàng)新，自主開發(fā)了轉爐高強度長壽命復合吹煉關鍵裝備及控制模型；形成了大流量低噴濺氧槍技術，研發(fā)了具有自主知識產權的新一代大流量長壽命底吹環(huán)縫式供氣元件及底吹智能控制系統(tǒng)；針對大型復吹轉爐高底吹強度與底吹壽命相矛盾難題，自主研發(fā)了高強度、長壽命復合吹煉工藝，實現(xiàn)了全爐役100%復吹比，全爐役碳氧積降至0.001 33的世界領先水平；建立了大型轉爐高效率脫磷機理模型，在較少渣量和較低氧化鐵的條件下實現(xiàn)了高效率脫磷；研發(fā)了基于節(jié)能高效的快速出鋼技術，出鋼時間達到了70 t/min的世界最好水平；基于高效冶煉，開發(fā)了大型轉爐綠色冶煉集成技術，主要包含低鐵耗少渣控制技術、煙塵控制技術、爐渣循環(huán)利用技術、低能耗和低CO2排放技術。生產效率提高18%，鋼鐵料消耗降低5 kg/t以上，合金消耗、爐渣排放減少20%，工序能耗達到-32 kgce/t，減少CO2排放12 kg/t以上。大型轉爐高效、綠色冶煉關鍵技術在工藝機理創(chuàng)新研究、技術與裝備研發(fā)和工藝貫通的生產實踐上均取得突破，并在中國的主要鋼鐵企業(yè)獲得應用，實現(xiàn)了中國大型轉爐技術關鍵工藝指標的引領。圍繞“高效、低耗、綠色化和智能化”的生產目標，近年來電弧爐煉鋼領域開發(fā)出一系列新技術、新工藝、新裝備，電弧爐煉鋼技術及裝備水平不斷提高。國產電弧爐裝備技術水平與國外相比，在綠色節(jié)能、自動化、智能化、生產服務以及配套檢測、機器人技術等方面差距很大，先進大型電弧爐基本依賴進口。中冶賽迪、北科大研發(fā)團隊針對長期困擾國內外全廢鋼電弧爐煉鋼生產的能量消耗高、質量不穩(wěn)定、二英污染等重大關鍵問題，以電弧爐煉鋼綠色節(jié)能、高效潔凈為目標，與相關機構聯(lián)合完成了超高功率智能供電、高效深度潔凈冶煉、綠色輸送廢鋼預熱和跨尺度高效協(xié)同控制集成和應用。通過研究獲得主要成果如下：技術團隊研發(fā)出超高功率電弧爐變壓器和電極自動調節(jié)技術，形成了超高功率電弧爐供電技術標準；發(fā)明了熔池內氣-固噴吹、CO2-Ar動態(tài)底吹、出鋼過程在線噴粉脫氧等新方法，實現(xiàn)了低成本快速深脫磷、脫氮和鋼液氧含量控制，解決了長期制約電弧爐潔凈化冶煉的世界性難題；開發(fā)了適應多元爐料結構的全余熱回收、低阻尼除塵、高效急冷二英治理、階梯擾動函道廢鋼預熱等新技術，顯著提高了電弧爐煉鋼節(jié)能環(huán)保水平；提出了以質量為核心的煉鋼潔凈生產與綠色制造協(xié)同運行新思路，開發(fā)了非接觸鋼液連續(xù)測溫、爐氣成分在線分析、終點預報和成本質量控制軟件等，實現(xiàn)了電弧爐煉鋼綠色-潔凈技術集成，進一步提升了電弧爐煉鋼運行效率和產品質量，顯著降低了生產成本。東北大學針對傳統(tǒng)電渣重熔技術的局限性，如耗能高、氟污染及產品質量不穩(wěn)定等問題，開展了系統(tǒng)研究，解決了傳統(tǒng)電渣鋼質量提升和節(jié)能環(huán)保問題；系統(tǒng)集成電極稱量、電流、渣阻擺動、同軸導電等技術，形成可控氣氛電渣重熔技術；集成雙極串聯(lián)、氣氛保護、低頻供電、鋼錠在線保溫等關鍵技術，開發(fā)特厚板坯電渣重熔技術；集成三相三電極、中點平衡法、組合式結晶器、氣霧強化冷卻等技術，形成電渣重熔特大型鋼錠技術；研發(fā)基于單電源雙回路導電結晶器、曲面錐度強化冷卻等多項技術的半連續(xù)電渣重熔實心和空心鋼錠技術；自主創(chuàng)新電流擺動、爐內氣氛檢測及控制、鋼錠二次冷卻等多項具有自主知識產權的關鍵技術。姜周華項目組自2003年起共建造新型電渣爐180多臺，國內市場占有率超過50%。成果推廣到20多家特鋼企業(yè)中，節(jié)能減排效果顯著，噸鋼節(jié)電200 kW·h/t以上，除氟后廢氣中氟化物小于1 mg/m3(標準態(tài))，電渣鋼質量及成材率顯著提升。中國連鑄從單一機型發(fā)展到包括薄板坯、薄帶等各種機型，硅鋼、不銹鋼、IF鋼、高品質特殊鋼等高附加值產品的連鑄技術不斷進步。通過多個品種高效連鑄的機理及關鍵技術和裝備的自主研發(fā)，逐步促進了連鑄技術高質量發(fā)展。中國的薄板坯連鑄連軋產線技術由最初的成套引進向自主設計集成開發(fā)方向轉變，產品也由最初的普通品種鋼向高端品種鋼轉變，硅鋼、低合金高強鋼、中高碳合金特殊鋼等鋼種已經逐步成為產線的主要品種。然而，高端品種鋼合金含量高，裂紋敏感性強，特別是在薄板坯連鑄生產條件下難度大，漏鋼、裂紋、夾雜以及由合金成分偏析引起的帶狀組織等缺陷問題尤為突出，成為產線品種結構調整、穩(wěn)定順行的主要限制性環(huán)節(jié)。武鋼聯(lián)合鋼鐵研究總院等單位開發(fā)了“高端品種鋼鑄坯整體偏析控制技術”，采用二冷分功能冷卻配合連鑄過程低過熱度和高拉速的控制工藝，鑄坯中心碳偏析比降低到1.04，帶狀組織級別由3級降為1級；創(chuàng)新性地引入鑄坯凝固收縮和坯殼變形低應力的理念，解決了高端品種鋼裂紋發(fā)生率高和銅板使用壽命低的難題。鑄坯裂紋發(fā)生率降低了54.22%，銅板壽命達到12.7萬t；以“動態(tài)邏輯判斷算法”為核心判據的新型薄板坯漏鋼預報系統(tǒng)，實際應用中無漏報，報警準確率達到95.8%；通過技術應用，武鋼薄板坯產線連鑄硅鋼、合金高強鋼、高品質中高碳鋼等高端品種鋼突破100萬t/a，占整個產線年產量的50%以上。大方坯的中心偏析與疏松缺陷長期以來未能得到根本性解決，已成為制約高端大規(guī)格型棒材高效化生產的共性技術難題。鑒于此，攀鋼集團、東北大學等單位從理論研究、裝備設計、工藝開發(fā)、控制技術集成等方面聯(lián)合研發(fā)形成了具有自主知識產權的連鑄大方坯重壓下裝備與工藝技術。針對大方坯重壓下過程應變速率高、溫度跨度大、組織差異明顯的特點，建立了準確表征大變形條件下金屬流變行為的本構方程，揭示了大方坯大變形行為與應力應變規(guī)律，為重壓下關鍵工藝技術與裝備研發(fā)奠定了重要的理論基礎；建立了基于“壓力-壓下量”在線測定數據及溶質偏析非均勻分布計算的凝固末端在線定位技術，研發(fā)了連續(xù)、多點、動態(tài)的大方坯凝固末端動態(tài)重壓下技術(SEDHR)；研制了大方坯重壓下核心裝備-漸變曲率凸型輥(CSC-Roll)，解決了常規(guī)凸型輥輥坯接觸應力大而導致鑄輥使用壽命低、壓下限定多的難題，大方坯的中心致密度與均質度顯著提高。應用上述研究成果，建成了首條可實現(xiàn)凝固末端及鑄坯完全凝固后連續(xù)、穩(wěn)定重壓下大方坯連鑄生產線，實現(xiàn)了產業(yè)化應用。生產的連鑄大方坯中心疏松區(qū)域寬度由原來的95.5 mm降至55.3 mm；鑄坯中心致密度比原來提升了0.86%，對應軋材中心區(qū)域致密度提升了12.05%；大規(guī)格合金結構鋼探傷合格率由原來的70%提高到100%；突破了軋制壓縮比大于6∶1的嚴格限定，在國際上率先實現(xiàn)軋制壓縮比3.73∶1條件下42CrMo、45M等結構鋼、車軸方鋼、氧氣瓶鋼等大規(guī)格型棒材產品的成功制備。微合金鋼是鋼鐵生產的主力產品，但在微合金鋼板坯連鑄過程中經常出現(xiàn)各種鑄坯表面缺陷，如鑄坯角部裂紋、厚板坯窄面鼓肚、“S彎”以及由兩者引起的寬面偏離角凹陷及裂紋缺陷，薄板坯邊部翹皮、爛邊、掉塊等，這些已成為制約微合金鋼高質、高效與綠色化生產的共性技術難題。東北大學針對微合金鋼板坯連鑄過程頻發(fā)邊角裂紋難題，研發(fā)出了基于鑄坯邊角部組織高塑化的表面無缺陷連鑄新技術，并實現(xiàn)了規(guī)模化工業(yè)應用。揭示了微合金鋼板坯邊角裂紋產生的根本原因及機理，即鑄坯邊角部凝固過程因晶界集中析出微合金碳氮化物并生成先共析鐵素體膜而大幅降低塑性，鑄坯在矯直等變形過程發(fā)生沿晶開裂并擴展；探明了微合金鋼板坯角部碳氮化物彌散析出與晶粒細化工藝條件，提出了根治裂紋的新思想及途徑，即鑄坯角部通過結晶器快冷以彌散化析出碳氮化物和二冷高溫區(qū)循環(huán)相變以超細化晶粒，實現(xiàn)其凝固組織高塑化而根治裂紋產生。研制出角部高效傳熱新型曲面結晶器，定量化探明了耦合坯殼-結晶器銅板間保護渣膜與氣隙動態(tài)分布行為的微合金鋼凝固熱/力學行為規(guī)律，研制出了“上部快補償、中下部緩補償、角部多補償”連續(xù)曲面變化的角部高效傳熱新型曲面結晶器；在凝固過程中，鑄坯中下部的角部的冷速可以達到傳統(tǒng)窄面直板結晶器冷速的3倍，鑄坯角部微合金碳氮化物彌散析出，并顯著細化原奧氏體晶粒(細化程度大于60%)；從源頭控制了致使微合金鋼連鑄板坯邊角裂紋產生的析出物沿晶界集中析出與生成粗大原奧氏體晶粒降低角部塑性的關鍵成因。開發(fā)了連鑄坯角部晶粒超細化二冷控冷新技術，基于鋼高溫相轉變機制，全新開發(fā)形成了基于連鑄機窄面足輥區(qū)鑄坯角部局部超強冷、彎曲區(qū)快回溫的“γ→α→γ循環(huán)相變”晶粒超細化二冷控冷新工藝與裝備技術，實現(xiàn)了各系列微合金鋼鑄坯角部組織由傳統(tǒng)粗大的“奧氏體＋晶界先共析鐵素體膜”低塑性結構向尺寸不大于20 μm的高塑化組織轉變(塑性提升30％)。技術規(guī)?；瘧弥涟颁摗氫?、河鋼以及韓國現(xiàn)代鋼鐵等國內外12家大型鋼企21條產線，實現(xiàn)了薄板坯、中薄板坯、常規(guī)板坯、寬厚板坯以及特厚板坯等全系列板坯坯型應用，微合金鋼鑄坯邊角裂紋率穩(wěn)定控制至不大于0.08%的水平。連鑄成為鋼鐵生產的主流工藝，但由于選分結晶和強制冷卻等特點，連鑄坯往往出現(xiàn)柱狀晶發(fā)達、宏觀偏析嚴重、凝固裂紋和夾雜物偏聚等缺陷。連鑄凝固過程控制成為冶金工業(yè)技術發(fā)展亟需解決的問題。上海大學聚焦凝固過程研究方法的迫切需求，提出基于特征單元熱相似性的凝固過程熱模擬方法，發(fā)明了連鑄凝固過程熱模擬技術及裝備。歷時20年，在不斷完善連鑄凝固過程熱模擬技術及裝備的同時，發(fā)明了異質形核、凝固裂紋和亞快速凝固等熱模擬技術及裝備，構建了一套比較完整的面向冶金生產工藝流程的凝固熱模擬試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產條件下凝固過程的離線再現(xiàn)。這一成果對認識凝固過程、組織及缺陷形成規(guī)律和優(yōu)化工藝具有重要價值，并為凝固數值模擬提供了簡單可靠的試驗支撐。綠色化、智能化鋼鐵制造流程及品種技術集成研發(fā)與應用是“十三五”時期中國鋼鐵行業(yè)發(fā)展的總體任務。圍繞鋼鐵流程結構優(yōu)化及智能化升級是重點內容之一。鋼鐵企業(yè)不斷加大對智能化研發(fā)、應用的投入力度，分別在轉爐、電爐、精煉、連鑄關鍵環(huán)節(jié)實現(xiàn)了數字化、模型化和自動控制。“十三五”期間，中國主要大中型轉爐逐步實現(xiàn)了“一鍵煉鋼”，寶鋼實現(xiàn)了300 t轉爐“一鍵煉鋼+全自動出鋼”，開展合金智能化控制、一鍵煉鋼技術優(yōu)化、自動出鋼、轉爐冶煉過程可視化4模塊技術集成等工作。寶鋼、馬鋼基于高強度頂底復合吹煉技術和高效脫磷技術，優(yōu)化了動態(tài)控制模型，實現(xiàn)了冶煉終點不倒爐出鋼。萊鋼和鋼鐵研究總院合作以數學模型為基礎，在創(chuàng)新應用激光爐氣分析技術的基礎上，完善轉爐基礎數據信息在線檢測技術，開發(fā)靜態(tài)和動態(tài)智能控制模型、自動出鋼技術。萊鋼、梅鋼、首鋼、河鋼等企業(yè)也相繼實現(xiàn)自動出鋼技術的應用，提高了冶煉的連續(xù)性和生產效率。中冶京誠、中冶賽迪等設計院相繼開發(fā)轉爐全自動冶煉技術，中冶京誠副槍系統(tǒng)的過程碳溫測成率達到96%，終點碳偏差可控制在0.009 9%以內。寶鋼開發(fā)了一鍵RH精煉技術，實現(xiàn)了真空排氣開始到排氣結束的RH吹氧、合金化、冷材、真空、環(huán)流氣、測溫取樣等所有工藝操作按時間進程有序自動控制，一鍵RH精煉率近90%。2020年，鞍鋼和本鋼通過構建系統(tǒng)參數模型，優(yōu)化三級網絡通信，相繼實現(xiàn)了一鍵RH操作，整體系統(tǒng)更穩(wěn)定、更精準、更智能、更快速。中冶賽迪、北科大研發(fā)了新一代綠色電弧爐高效智能控制技術，將冶煉過程信息采集與過程基本機理結合起來，進行分析、決策和控制，追求電弧爐煉鋼過程的最優(yōu)化解決方案。以更短的冶煉周期、更少的能源消耗和電極消耗、更高的廢鋼收得率和盡可能低的人力成本為目標，形成控制手段更加多元化，性能更加穩(wěn)定、可靠和高效的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電弧爐冶煉過程的高度自動化和初步智能化。鋼鐵研究總院根據CSP等連鑄結晶器特點，采用“動態(tài)邏輯判斷算法”為核心判據，開發(fā)了開澆漏鋼、黏結起步再黏結漏鋼等非穩(wěn)態(tài)凝固狀態(tài)下的控制模塊，完善了薄板坯高拉速結晶器漏鋼預報系統(tǒng)，攻克了復雜工況條件下誤報率高、漏報率高的技術難題。東北大學開發(fā)了連鑄結晶器智能化專家系統(tǒng)，具備熱監(jiān)控、振動及摩擦力監(jiān)控、結晶器潤滑效果評價、漏鋼預報監(jiān)控、液位自動控制等功能，有效降低了漏鋼誤報率。北京科技大學開發(fā)出在線使用的新一代三維動態(tài)配水軟件，全面準確模擬連鑄過程中鋼水凝固傳熱過程，通過不同季節(jié)、澆注周期測溫和噴嘴噴水量分布測定， 對換熱系數進行了修正，確定了更為接近實際二次冷卻的復雜邊界條件?；跈C理、關鍵工藝及裝備一體的漏鋼預報、液位控制、電磁攪拌及二冷配水系統(tǒng)等智能控制技術，為高質量鑄坯的穩(wěn)定生產提供了保證，提高了連鑄生產過程的生產效率。“十三五”期間，中國在煉鋼的機理、關鍵技術與裝備技術創(chuàng)新方面取得了長足的進步。當前，中國正加快構建以國內大循環(huán)為主體、國內國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局，國際形勢不確定性和國內大循環(huán)倒逼鋼鐵行業(yè)補短板，解決“卡脖子”等問題，實現(xiàn)關鍵鋼鐵材料的自主保障和前沿技術的突破是“十四五”鋼鐵行業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要任務。加強煉鋼、精煉、連鑄關鍵工藝技術的創(chuàng)新，結合煉鋼多工序高效協(xié)同的需求，建立煉鋼-精煉-連鑄多工序協(xié)同的高效低碳生產技術系統(tǒng)并開發(fā)關鍵技術是今后的攻關方向。結合“十四五”時期發(fā)展需求及定位，今后煉鋼技術需關注如下方面的工作。(1)持續(xù)推進潔凈鋼煉鋼-連鑄高效、協(xié)同生產技術創(chuàng)新和應用。隨著技術的進步，提高煉鋼過程單體爐/機的生產能力，并使之相互匹配形成“動態(tài)-有序”、“協(xié)同-連續(xù)”的準一體化的煉鋼模式，是實現(xiàn)全流程高效、綠色穩(wěn)定生產煉鋼技術的重要抓手。根據企業(yè)現(xiàn)場調研分析，轉爐冶煉周期和連鑄拉速普遍存在是限制性環(huán)節(jié)。大型轉爐冶煉周期縮短到32 min以內，中、小型轉爐冶煉周期縮短到25和20 min以內是主要方向，為此需要針對性開發(fā)轉爐高強度低噴濺供氧技術和匹配的高強度底吹技術。在不斷提升恒拉速/高拉速連鑄水平的條件下，克服不同鋼種連鑄坯裂紋、偏析與疏松等冶金缺陷，結晶器、二冷區(qū)和凝固末端等連鑄機重要部位新技術開發(fā)需要關注，以解決高拉速條件下出現(xiàn)的凝固坯殼不均勻、結晶器卷渣、鑄坯質量等技術難題。運用流程工程學技術融合單體工序關鍵技術，實現(xiàn)“鐵水預處理-煉鋼-精煉-連鑄”多工序的高效協(xié)同，這是煉鋼技術進步的重要方向。(2)以數字化、智能化為手段，集控平臺為依托，推進煉鋼-連鑄智能控制技術的集成和應用。對于煉鋼過程而言，冶煉過程涉及多個工位，因其流程長、涉及多物質多種形態(tài)(氣、液、固)的轉變、消耗及排放量大、運行規(guī)律復雜、過程控制參數多變，其高質量、高效、綠色低碳、低成本的穩(wěn)定運行需依賴智能化實施途徑做保障。推進煉鋼集控平臺建設，建立“鐵水預處理-煉鋼-精煉-連鑄”多工序大數據協(xié)同控制平臺，以滿足煉鋼多工序工藝升級和煉鋼過程動態(tài)高效、安全、低碳環(huán)保、質量及成本等多目標管控的需求。依托數字化、智能檢測及控制、大數據分析、智能算法、裝備自動控制等手段，針對不同工序的冶煉功能建立或開發(fā)基于機理和關鍵控制技術的模型，促使關鍵工藝與檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)耦合，實現(xiàn)全冶煉周期的自動化煉鋼、一鍵式精煉等單體工序智能控制，鋼包智能動態(tài)調度，實現(xiàn)坯鑄機全自動無人澆鑄等技術。(3)深入推進低碳綠色生產技術應用。對于低碳綠色發(fā)展而言，煉鋼技術需要做幾個方面的工作：一是提高生產效率，從源頭降低輔料、合金、耐火材料等物料的消耗水平，減少渣量，降低鋼鐵料消耗，降低過程能耗；二是促進煉鋼過程低碳綠色生產，最大限度地提高鋼水潔凈度，減少碳排放污染、降低物料消耗和能耗并實現(xiàn)回收及資源化利用(少渣煉鋼、少渣精煉、爐渣熱循環(huán)、爐渣梯級資源化利用、煉鋼煙氣和爐渣余熱回收、爐渣及煙氣鋼化聯(lián)合利用)；三是深化BF-BOF流程高廢鋼比冶煉技術，配套完善能量平衡體系，開發(fā)廢鋼分揀與雜質元素控制等技術，為BF-BOF流程低碳技術升級提供支撐；四是開發(fā)全廢鋼電爐短流程技術，全廢鋼電爐流程能耗低、環(huán)境負荷小，噸鋼CO2排放量僅為高爐-轉爐流程的1/3，是典型的低碳、環(huán)保、高效的鋼鐵制造流程，隨著社會循環(huán)廢鋼的增加，依托城市鐵資源的循環(huán)利用，開發(fā)高效低成本電爐冶煉技術、廢鋼冶煉高品質鋼技術、全廢鋼電爐流程技術，逐步發(fā)揮電爐低碳冶煉的優(yōu)勢已成為“十四五”發(fā)展重要議題；五是推進煉鋼工序“CO2捕捉-資源利用”技術，綜合評估CO2捕捉、運送過程能耗及碳排放與利用效率的平衡關系，有效提高CO2利用過程效率并降低CO2利用全過程的能耗排放。(4)近終形連鑄連軋技術。近終形連鑄連軋技術能夠極大地精簡鋼鐵制造流程的時間和空間，在實現(xiàn)高效化生產的同時顯著降低制造過程能源和二氧化碳排放量。近年來，以無頭軋制和薄帶連鑄連軋為代表的近終形制造技術在中國的鋼鐵工業(yè)得到快速應用，但從總體水平而言，仍處于跟跑階段。在國家碳中和戰(zhàn)略目標的背景下，近終形連鑄連軋技術必將成為鋼鐵工業(yè)進行流程再造的重要技術路徑之一。楊利彬. “十三五”中國煉鋼關鍵技術進步及思考[J]. 鋼鐵, 2022, 57(8): 1-10. YANG Li-bin. China steelmaking technology progress in the 13th five-year plan and prospection[J]. Iron and Steel, 2022, 57(8): 1-10.
