21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)發(fā)展前景

1現(xiàn)代鋼鐵的技術(shù)發(fā)展歷史在鋼鐵工業(yè)中，原子能工業(yè)的出現(xiàn)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)物。1480年，著名的意大利畫家達(dá)芬奇（dalputin）設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)圖紙，但實(shí)際上促進(jìn)了高速鐵路的工業(yè)應(yīng)用。因?yàn)榘l(fā)明了蒸汽機(jī)。因此,軋鋼工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展歷史也僅百余年。在一百年來(lái)冶金工業(yè)的發(fā)展中,高效能的軋鋼工業(yè)和技術(shù)使得軋鋼始終是鋼鐵工業(yè)中鋼材成型的主要方式。由于軋鋼過(guò)程是連續(xù)、可測(cè)和可控的高效變形過(guò)程,所以軋鋼技術(shù)的進(jìn)步之大,在鋼鐵工業(yè)中始終名列前矛,如計(jì)算機(jī)的應(yīng)用,連續(xù)化的實(shí)現(xiàn)等。預(yù)計(jì)在用高新技術(shù)改造鋼鐵傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中,信息化和智能化管理和控制的軋鋼廠將會(huì)很快出現(xiàn)。盡管鋼材生產(chǎn)面臨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn),但在可以預(yù)見(jiàn)的21世紀(jì)未來(lái)年代里,鋼鐵仍然是全球的主要基礎(chǔ)原材料,軋鋼仍將是鋼材成型的支柱技術(shù),將對(duì)全球(特別是發(fā)展中國(guó)家)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)文明進(jìn)步起到基礎(chǔ)性支持作用。2制造材料產(chǎn)品面臨著更激烈的競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)入21世紀(jì),鋼鐵材料面臨著更加激烈的競(jìng)爭(zhēng),而正是激烈地競(jìng)爭(zhēng)推動(dòng)著軋鋼的技術(shù)進(jìn)步。2.1引領(lǐng)用不斷加強(qiáng)鋼的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)在全球鋼鐵總消費(fèi)量緩慢增長(zhǎng)情況下,工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家鋼鐵產(chǎn)量基本不變或略有下降,其產(chǎn)能過(guò)剩十分明顯;而發(fā)展中國(guó)家的鋼鐵產(chǎn)量則迅速增長(zhǎng),例如,我國(guó)鋼材產(chǎn)量已迅速增長(zhǎng)至1億t以上,連續(xù)3年居世界第1產(chǎn)鋼大國(guó)。國(guó)產(chǎn)鋼材按數(shù)量計(jì),占有率達(dá)90%。這意味著工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家在鋼材產(chǎn)品上的競(jìng)爭(zhēng)必將更加激烈。在長(zhǎng)條材產(chǎn)品上,由于技術(shù)含量相對(duì)較低,屬區(qū)域性銷售產(chǎn)品,因此發(fā)展中國(guó)家的低成本將占有優(yōu)勢(shì)。也由此使鋼材競(jìng)爭(zhēng)將更集中在技術(shù)含量高的扁平材和深加工高附加值產(chǎn)品方面,這些將對(duì)全球的鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生巨大影響。2.2大型聯(lián)合企業(yè)退出市場(chǎng),小刑帶材競(jìng)爭(zhēng)激烈在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,鋼產(chǎn)量的增長(zhǎng)點(diǎn)主要來(lái)自小鋼廠的興起。在長(zhǎng)條材產(chǎn)品上,利用其高生產(chǎn)率和低成本的優(yōu)勢(shì),迫使大型聯(lián)合企業(yè)逐漸從市場(chǎng)退出。當(dāng)一批新建的生產(chǎn)板帶材的小鋼廠,主要是薄板坯連鑄連軋板帶廠出現(xiàn),使得扁平材的競(jìng)爭(zhēng)也開(kāi)始激烈,尤其是較低等級(jí)的板帶材。我國(guó)也有類似現(xiàn)象,一批短流程小鋼廠,而且包括一批地方長(zhǎng)流程的小鋼廠,不僅在長(zhǎng)條材上具有成本和區(qū)域優(yōu)勢(shì),而且在扁平材上也開(kāi)始遇到薄板坯連鑄連軋板帶廠和地方小鋼廠的競(jìng)爭(zhēng)。2.3與代用材料競(jìng)爭(zhēng)與鋼材競(jìng)爭(zhēng)的材料主要是鋁材、塑料和玻璃鋼等,它們?cè)谄?、建筑和家電等市?chǎng)上所占有的份額在不斷擴(kuò)大,因而使競(jìng)爭(zhēng)變得更加激烈。如汽車用的涂鍍層板,不僅需要改進(jìn)防腐性能等,而且必須降低售價(jià),才可能與代用材料競(jìng)爭(zhēng)。在建筑業(yè)最明顯的例子是我國(guó)建筑用的上水管已禁用鍍鋅焊管,而改用鋁塑料管代替;鋼窗也已被鋁和塑鋼窗替代,等等。當(dāng)然,其進(jìn)展是緩慢的,但這使得某些鋼材領(lǐng)域明顯出現(xiàn)萎縮。競(jìng)爭(zhēng)是技術(shù)進(jìn)步的動(dòng)力。一切軋鋼技術(shù)進(jìn)步將永恒地體現(xiàn)在為用戶服務(wù)的優(yōu)質(zhì)性能、有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格(成本)和良好的環(huán)境上。3軋鋼過(guò)程控制理統(tǒng)集成設(shè)計(jì)世界軋鋼工業(yè)和技術(shù)進(jìn)步集中表現(xiàn)在生產(chǎn)工藝流程的連續(xù)化和緊湊化,過(guò)程控制實(shí)現(xiàn)軋材性能高品質(zhì)化、品種規(guī)格多樣化及控制和管理的計(jì)算機(jī)化和信息化,即軋鋼生產(chǎn)轉(zhuǎn)向質(zhì)量型和低成本型的軌道上,其相互關(guān)系示意圖見(jiàn)圖1。3.1棒、4.2—工藝流程的連續(xù)化和緊湊化是軋鋼技術(shù)發(fā)展的方向和主流短流程、上下游工序的連續(xù)化和緊湊化的軋鋼技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),表現(xiàn)在以下方面:(1)短流程技術(shù)的發(fā)展近終形連鑄的開(kāi)發(fā),使傳統(tǒng)的軋鋼工藝流程發(fā)生了巨大變革,使軋鋼工藝流程簡(jiǎn)化和縮短,全連鑄的發(fā)展導(dǎo)致初軋工序的消亡。連鑄坯直接軋制成材,連鑄連軋工藝技術(shù)的不斷成熟,熱送熱裝和直接軋制技術(shù)的進(jìn)展,最終將實(shí)現(xiàn)無(wú)需補(bǔ)熱的直接軋制技術(shù),使軋制工序成為不需補(bǔ)熱的“零”熱能工序,達(dá)到最低熱能消耗。薄帶鋼連鑄的工業(yè)化,將成為首先取消熱軋工序的帶鋼生產(chǎn)線。(2)連續(xù)軋制和無(wú)頭軋制技術(shù)得到發(fā)展70年代初冷軋帶鋼實(shí)現(xiàn)無(wú)頭軋制后,相繼實(shí)現(xiàn)了酸洗與冷軋,冷軋與連續(xù)退火、平整全連續(xù)生產(chǎn)的冷連軋機(jī)。90年代中期,熱軋帶鋼也實(shí)現(xiàn)了無(wú)頭軋制。以后相繼又開(kāi)發(fā)了棒、線材無(wú)頭軋制技術(shù);薄板坯連鑄連軋已實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)坯料軋制(半無(wú)頭軋制),并正在向無(wú)頭軋制邁進(jìn)。這些新技術(shù)的應(yīng)用明顯提高了成材率,降低了切頭切尾損耗,減少了廢品,提高了尺寸精度。例如,熱連軋機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)頭軋制后,可使熱軋帶鋼全長(zhǎng)的99.5%達(dá)到厚差在±30μm以內(nèi)(常規(guī)生產(chǎn)僅能達(dá)到全長(zhǎng)的96%),而且可使成材率提高0.5%~1.5%,產(chǎn)量提高約20%。全連續(xù)軋制的實(shí)現(xiàn),還將改變傳統(tǒng)的冷、熱軋機(jī)生產(chǎn)規(guī)格的分工,如0.8~1.2mm的熱軋帶鋼可替代同規(guī)格的冷軋產(chǎn)品。這樣,相對(duì)低成本的熱軋產(chǎn)品可取代一部分相對(duì)高成本的冷軋產(chǎn)品,從而大大提高了熱軋產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。棒線材的無(wú)頭軋制技術(shù)和小規(guī)格產(chǎn)品也已投入工業(yè)生產(chǎn);線材軋機(jī)的高精度4機(jī)架減定徑機(jī)組的應(yīng)用,除可達(dá)到提高軋制精度、速度和性能目的外,還可生產(chǎn)小于Φ5.5mm規(guī)格的產(chǎn)品,據(jù)稱,可為Φ4.0mm規(guī)格軋制創(chuàng)造條件。連續(xù)化生產(chǎn)流程的推進(jìn),可大大提高鋼材軋制成材率,使成材率接近100%,并逐步實(shí)現(xiàn)金屬“零”損耗。由于連續(xù)化軋制工藝的高效率、低成本,將使其繼續(xù)得到多種形式的發(fā)展。例如,美國(guó)IPSCO鋼廠已建成世界上第1個(gè)連續(xù)式中厚板生產(chǎn)廠。這表明連續(xù)化工藝的應(yīng)用已由帶鋼向中厚板生產(chǎn)發(fā)展。高成本、低成材率的間隙式和周期式的軋制生產(chǎn)方式將被淘汰,我國(guó)橫列式中小型和線材軋機(jī)、疊軋薄板軋機(jī)的加速淘汰就是例證。(3)實(shí)現(xiàn)鋼材性能、鑄坯厚度、軋鋼工藝最佳組合目前,正在不斷研究不同厚度的連鑄坯與軋制工序的銜接,從組織性能上解決薄板坯生產(chǎn)產(chǎn)品性能的逐步高級(jí)化,實(shí)現(xiàn)軋材性能、鑄坯厚度和軋制工藝的最優(yōu)組合,以提高連鑄連軋產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。(4)低成本、高效率的板帶生產(chǎn)將進(jìn)一步發(fā)展低成本、高效率的板帶生產(chǎn)將繼續(xù)發(fā)展,并不斷提高其在鋼材生產(chǎn)中的比例;熱彎、冷彎和焊管生產(chǎn)也將隨著板帶材生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展;而無(wú)縫鋼管和型材占鋼材中的比例將繼續(xù)降低。(5)鋼材生產(chǎn)周期縮短連續(xù)化短流程生產(chǎn)將大大縮短鋼材生產(chǎn)周期,由傳統(tǒng)生產(chǎn)的數(shù)十天改變?yōu)閿?shù)十小時(shí),甚至數(shù)十分鐘,從而加速了資金周轉(zhuǎn),降低了生產(chǎn)成本,并實(shí)現(xiàn)了快速供貨。3.2利用木材的性能潛力是壓延過(guò)程的主要任務(wù)(1)采用微鋼生產(chǎn)制和熱處理工藝應(yīng)進(jìn)一步推廣和開(kāi)發(fā)各種新的控軋控冷工藝(形變熱處理工藝),包括鐵素體軋制、低溫軋制和在線熱處理工藝等,充分發(fā)揮形變強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的作用,特別是微合金鋼的生產(chǎn),通過(guò)軋制工藝充分發(fā)揮鋼的強(qiáng)韌性潛力。多種牌號(hào)的控軋控冷微合金化高強(qiáng)鋼板的生產(chǎn),以及重軌在線淬火就是控軋控冷工藝應(yīng)用的典范。(2)我國(guó)新一代鋼鐵材料的基礎(chǔ)研究日本是國(guó)外新型鋼鐵材料開(kāi)發(fā)的代表,1997年日本啟動(dòng)的超級(jí)鋼鐵材料開(kāi)發(fā)計(jì)劃,是跨世紀(jì)的計(jì)劃,目標(biāo)是開(kāi)發(fā)相當(dāng)于現(xiàn)有鋼鐵材料2倍強(qiáng)度和壽命的STX-21新型鋼鐵材料,其技術(shù)思想的核心是高純凈冶煉、微合金化,以達(dá)到超細(xì)晶粒組織。而軋制工藝的控制是細(xì)化晶粒的重要手段之一。我國(guó)新一代鋼鐵材料重大基礎(chǔ)研究啟動(dòng)項(xiàng)目——新一代微合金高強(qiáng)韌鋼的基礎(chǔ)研究,已取得一些成果。例如,采用熱變形方法已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室制得1.07μm的超細(xì)晶粒試樣,其鋼的強(qiáng)度大幅度提高。為使鋼材利于再生,今后將主要發(fā)展非合金化鋼,提高鋼材性能主要依靠工藝過(guò)程控制。(3)trip的物理—鋼材組織性能在線模型預(yù)報(bào)和控制在高精確控溫技術(shù)的基礎(chǔ)上,正在實(shí)現(xiàn)鋼材組織性能在線模型預(yù)報(bào)和控制。奧鋼聯(lián)林茨鋼廠在熱連軋機(jī)上應(yīng)用的在線性能預(yù)報(bào)和控制系統(tǒng)(VAI-QStrip)已運(yùn)行2年,其核心是軋制過(guò)程及相關(guān)顯微結(jié)構(gòu)的物理—冶金模型。該模型考慮了化學(xué)成分、實(shí)際軋制溫度、形變?cè)俳Y(jié)晶、微合金析出等對(duì)晶粒細(xì)化的影響,并根據(jù)晶粒尺寸進(jìn)一步導(dǎo)出力學(xué)性能模型,目前已用于低碳鋼、結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)鋼(Ti-Nb微合金鋼),在力學(xué)檢驗(yàn)中可減少實(shí)際取樣40%~50%,取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。其預(yù)報(bào)的性能可滿足精度要求,并使生產(chǎn)周期縮短,不需等待力學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果即可交用戶使用或轉(zhuǎn)至下工序冷軋等。(4)柔性生產(chǎn)技術(shù)為滿足用戶對(duì)鋼材多方面的性能要求,及多品種、多規(guī)格和小批量生產(chǎn)要求,發(fā)展了軋鋼的柔性生產(chǎn)技術(shù),如自由規(guī)程軋制技術(shù)等。同時(shí),冶煉工藝和軋制控制技術(shù)的發(fā)展,將大大減少按化學(xué)成分分類的鋼號(hào),同一化學(xué)成分的鋼,僅通過(guò)工藝過(guò)程的控制,即可得到不同性能的鋼材。這樣不僅可實(shí)現(xiàn)軋制規(guī)格的柔性生產(chǎn),而且可實(shí)現(xiàn)不同性能鋼材的柔性生產(chǎn)。(5)服務(wù)的確定與用戶一起研究開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品,開(kāi)展用戶應(yīng)用鋼材產(chǎn)品的咨詢服務(wù),以用戶的要求作為標(biāo)準(zhǔn),最大限度地滿足用戶要求,已成為鋼材生產(chǎn)進(jìn)入21世紀(jì)的特點(diǎn)之一。3.3工藝管理信息網(wǎng)絡(luò)化將成為軋鋼生產(chǎn)的新增長(zhǎng)點(diǎn)(1)高新技術(shù)的應(yīng)用使軋鋼生產(chǎn)達(dá)到全新水平20世紀(jì)后期,軋鋼技術(shù)取得重大進(jìn)步的主要特征是高新技術(shù)的應(yīng)用,如計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制在熱帶連軋機(jī)上的首先應(yīng)用,使得板帶材的尺寸精度控制水平得到飛躍,AGC的廣泛推廣應(yīng)用就是例證。隨后的板形自動(dòng)控制(AFC)、中厚板平面形狀自動(dòng)控制、自由規(guī)程軋制技術(shù)等,無(wú)一不是以計(jì)算機(jī)為核心的高技術(shù)應(yīng)用的結(jié)果。先進(jìn)的、高精度的、多參數(shù)在線綜合測(cè)試技術(shù),與高響應(yīng)速度的控制系統(tǒng)相結(jié)合,保證了軋鋼生產(chǎn)的高精度、高速度以及產(chǎn)品的高質(zhì)量。AGC、AWC、AFC、激光測(cè)速、激光測(cè)徑以及在線智能化產(chǎn)品質(zhì)量(如板材的r值)測(cè)量手段的問(wèn)世,使軋鋼生產(chǎn)達(dá)到了全新水平。例如,熱軋帶鋼的厚度偏差達(dá)±30μm(占全長(zhǎng)98%),冷軋帶鋼厚度差達(dá)±(2~5)μm(占全長(zhǎng)98%),板形達(dá)5~10I,棒線材偏差±0.1mm,線材正在向±0.05mm邁進(jìn)。又如,帶材的表面缺陷光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng),可在帶材以每分鐘幾百米甚至千米運(yùn)動(dòng)條件下,有效地分辨出0.5~1.0mm的缺陷,其準(zhǔn)確度與肉眼相當(dāng),但效率高得多,從而使冷軋帶鋼生產(chǎn)能滿足食品、包裝和汽車等行業(yè)對(duì)表面質(zhì)量日益嚴(yán)格的要求。(2)軋機(jī)控制轉(zhuǎn)向人工智能控制軋機(jī)的控制已開(kāi)始由計(jì)算機(jī)模型控制轉(zhuǎn)向人工智能控制,并隨著信息技術(shù)的發(fā)展,信息網(wǎng)絡(luò)的建立,與系統(tǒng)科學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合,形成通常大家所謂的工業(yè)信息化技術(shù),軋鋼工藝控制與管理相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的工業(yè)信息技術(shù)系統(tǒng),將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化和高品質(zhì)化,同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低庫(kù)存,提高資金利用率和降低成本。管理信息網(wǎng)絡(luò)化,將可使軋鋼廠原料庫(kù)和成品庫(kù)均實(shí)現(xiàn)“零”庫(kù)存。(3)計(jì)算力學(xué)與數(shù)值模擬相結(jié)合,大大改變了傳統(tǒng)的軋制技術(shù)研究方法,剛塑性有限元法已成功地對(duì)各種軋制過(guò)程進(jìn)行三維解析與模擬,有效地用于力能參數(shù)優(yōu)化和產(chǎn)品質(zhì)量(如板形)的預(yù)報(bào),以及工藝參數(shù)優(yōu)化和軋機(jī)裝備設(shè)計(jì)等。而且可判斷變形過(guò)程是否可行和合理。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬已成功地代替了大部分軋制物理模擬,已由軋件尺寸預(yù)報(bào)和力學(xué)模擬轉(zhuǎn)到金屬組織性能預(yù)報(bào)和控制。今后數(shù)模和人工智能結(jié)合的分析與控制,將成為軋鋼技術(shù)和理論的第4個(gè)里程碑。虛擬技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,將可使軋制試驗(yàn)和軋機(jī)設(shè)計(jì)、工廠設(shè)計(jì)虛擬化,達(dá)到更加直觀和可行。隨著軋鋼高新技術(shù)的廣泛應(yīng)用,大多數(shù)軋制產(chǎn)品就是高新技術(shù)產(chǎn)品的論點(diǎn),將被人們所接受。4輥軋技術(shù)的展望歷經(jīng)百年的軋鋼工業(yè)和技術(shù),在進(jìn)入21世紀(jì)時(shí),正因得到高新技術(shù)的改造而繼續(xù)發(fā)展。以輥軋為特征的連續(xù)變形軋鋼技術(shù),在可預(yù)