首钢开发生产转炉特殊钢可行性的分析报告

 

　　特殊钢是钢铁工业的一个重要领域，特殊钢的品种繁多，性能各异，质量要求高，应用范围广，国家的经济建设、国防建设乃至人们的日常生活都与特殊钢有密切关系，因而通常把特殊钢品种、质量、产量作为衡量一个国家钢铁工业科学技术和工业化水平的重要尺度。

 

　　由于早期特殊钢大都采用电炉冶炼，习惯上形成了特殊钢厂就是电炉钢厂，特殊钢一定要用电炉冶炼。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和特殊钢本身产品特点决定的。然而电炉冶炼也存在着冶炼周期长、生产效率低、电价昂贵、成本高和炉容小等去点。

 

　　随着社会废钢资源的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电炉炼钢技术（大容积电炉、超高功率电炉等）、铁水预处理和炉外精炼技术的飞速发展，转炉钢厂越来越多地生产特殊钢，而电炉钢厂也越来越多地生产普通钢。

 

　　本文论述了特殊钢市场需求、转炉生产特殊钢在技术经济上的优势和目前国内外转炉生产特殊钢概况，指出首钢开发生产转炉特殊钢具有技术、经济、市场上的优势。

 

 

　　近几年来，我国特殊钢产量呈上升趋势，并处于发展阶段。近年我国特殊钢及其钢材的产量情况如表1。

 

表1      近几年我国特殊钢钢材的产量         单位：万吨
 

 

　　从以上可以看出，合结钢、轴承钢、不锈钢及弹簧钢是合金钢的主要品种，它们占合金钢总产量的比例达到了97%，是推动特殊钢产量增长的主要动力。目前国外采用转炉生产特殊钢比较成熟的钢种有不锈钢（有的国家不将其计入特殊钢）、轴承钢及弹簧钢等。首钢目前不具备生产不锈钢的设备和条件，因此下面仅针对轴承钢、弹簧钢及合金结构钢进行有关市场战略分析。

 

　　2003年我国特钢企业轴承钢钢材产量为134.3万吨。其中，华东地区为69.8万吨，占53%，居位；东北地区为30.5万吨，占23%，居第二位；而华北地区仅产0.5万吨。

 

　　2003年我国特钢企业弹簧钢钢材产量为43.3万吨。其中，华东地区为25.1万吨，居全国首位；中南地区为12.4万吨，居全国第二；华北地区仅为3406吨。

　　下面分别示出我国特钢企业轴承钢钢材、弹簧钢钢材、合金结构钢钢材产量分布情况。

 

　　从图1可以看出，华北地区轴承钢及弹簧钢产量很低，远远落后于其它地区。由此可以看出，华北地区生产特殊钢的企业少，规模小，竞争对手弱。同时，特殊钢的产量又在连年增长，所以首钢生产特殊钢的竞争对手少，极具生产特殊钢的优势。

 

　　华北地区实际上有一些生产特殊钢的企业。承德建龙以主要生产棒材而建设的，年产能力50万吨，其中生产特殊钢棒材20万吨。邢钢主要以生产线材为主，目前正积极地为打入汽车用为主的特殊钢线材市场开展研发。

 

　　特殊钢主要应用范围较广，在发达工业国家70%以上用于汽车和机械制造业。其中直接或间接用于汽车消费的特殊钢钢材量可达总量的50%（直接用量占其总量的25-27%）以上，其它为机械工业用。

 

　　我国特钢产品的主要流向则是机械制造业（包括农机）30%；汽车行业20%；石油、化工行业10-15%，铁路20%，其他行业15-20%。

 

　　随着我国工业经济的发展，国外一些企业正纷纷进入我国市场。由于在特殊钢领域生产和产品的技术含量较高，因此高水平的国外企业具有很强的优势且较容易地进入国内市场。如日本的大同特钢、爱知制钢及神户制钢等公司相继到我国建合资企业。日本神户制钢公司已做出至2010年在我国汽车悬架弹簧用钢市场领域要占有40%市场份额的目标。为实现该目标先后建立神钢线材加工（佛山）有限公司（2006年4月投产）和位于江苏江阴的一家合资公司（公司名称待定，2006年10月投产）等两家公司。前者原料全部采用日本神户制钢公司生产的进口光亮棒钢，而后者则以前者产品为原料。由于神户制钢公司具有丰富的为汽车行业提供产品的经验，质量也属上乘，因此会很快打开市场。国内特殊钢企业的产品若想替代它们尚需时日。

 

　　3、转炉生产特殊钢的优势

 

　　目前，特殊钢生产工艺流程主要有三种：   

 

　　（1）电炉流程：电炉→二次精炼→连铸（模铸）→轧制

 

　　（2）转炉流程：高炉→铁水预处理→转炉→二次精炼→连铸（模铸）→轧制。

 

　　（3）特种冶金：真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等→锻造或轧制。

　　

　　由于早期特殊钢大都采用电炉冶炼，习惯上形成了特殊钢厂就是电炉钢厂，特殊钢一定要用电炉冶炼，而电炉一定要生产特殊钢才够水平，才可以有好的经济效益。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和特殊钢本身产品特点决定的。电炉炼钢是依靠电能感应的物理热进行冶炼的，可在炉内熔化大量合金和废钢铁，这样电炉钢在合金化等方面较转炉炼钢有一定的优越性。但其缺点是冶炼周期长、生产效率低、电价昂贵、成本高和炉容小等。又由于特殊钢产品有合金含量高、多品种、小批量和附加值高等特点，因此早期用电炉冶炼特殊钢，达到了扬长避短之目的，但同时人们也一直认为转炉主要是用来冶炼普通钢的。

 

　　随着社会废钢资源的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电炉炼钢技术（大容积电炉、超高功率电炉等）、铁水预处理和炉外精炼技术的飞速发展，电炉钢厂越来越多地转向生产普通钢，而转炉钢厂越来越多地生产特殊钢。

 

　　3.2转炉特殊钢生产

 

　　随着我国经济的发展，钢材消费结构正在发生变化，特殊钢的市场需求将会逐渐扩大，为转炉生产特殊钢提供了市场机遇。现在转炉流程在特殊钢的生产领域已经占据了一定的地位，尤其在用量大、适于连铸生产的钢种领域，如不锈钢、轴承钢和弹簧钢等，并取得了很好的效果。

 

　　传统转炉冶炼过程一般包括脱碳、脱硅、脱磷及脱硫操作。由于无法进行时间较长的还原操作，因此难以实现良好的脱氧、脱硫、大量合金化以及成分的微调，所以以前不能生产出质量要求较高的钢种，一般只用来生产普通钢。但随着铁水预处理技术和炉外精炼技术的出现和快速发展，使转炉生产特殊钢成为可能。通过铁水预处理可以使铁水中的磷含量达到100ppm、硫含量达到十几个ppm的水平，再经过炉外精炼脱气、脱硫、脱氧及夹杂物变性处理可以使钢水达到很高的纯净度，并得到合理的夹杂物形态。此外，转炉与铁水预处理和炉外精炼技术相结合，可以生产出一些电炉流程难以生产的品种，例如汽车行业以及其它行业所需的深冲钢。总之，转炉流程生产特殊钢已越来越受到业内人士的关注。

 

　　转炉与电炉生产特殊钢的主要区别之一是原料不同。废钢的添加数量取决于铁中硅、碳和磷的含量以及废钢的预热温度。

 

　　转炉吹炼的技术特点是：

 

　　（1）反应速度快，吹氧时间仅12-16min，生产周期短、节奏快；

 

　　（2）采用“自热法”升温，热效率高、成本低、升温速度快；

 

　　（3）渣-钢反应接近平衡。

 

　　此外，采用转炉生产特殊钢，必须适应转炉炼钢的技术特点。在保证钢材质量的前提下，特殊钢生产必须适应转炉高效率、快节奏的生产方式，充分发挥转炉反应速度快、渣钢反应接近平衡以及钢中气体含量低的技术优势。特殊钢的需求是多品种、小批量。转炉生产特殊钢，必须适应转炉的冶金特点，发挥转炉炼钢的技术优势。应在保证转炉高效快节奏的生产条件下，以尽可能低的成本生产高纯净度的特殊钢。

 

　　基于转炉原料中金属杂质含量低，冶炼过程没有电弧区钢液增氮过程，加上脱碳效果好，利于生产低碳、低氮和低金属杂质钢种。目前，在工业化国家优特钢材的消费中，汽车工业占50% 左右，机械工业占24%左右，所以汽车工业是特殊钢的主要市场。发展转炉特殊钢生产，必须瞄准国内汽车工业市场。表3给出了满足汽车工业需求，适宜转炉冶炼的特殊钢品种（不锈钢除外）。

 

表3  适宜转炉冶炼的特殊钢品种
 

 

　　注：钢中全氧T[O]均为质量分数

 

　　由于铁水预处理和二次精炼技术的发展，使得转炉流程在特殊钢生产方面发挥了重要作用。转炉与铁水预处理及二次精炼设备相结合，特别是转炉冶炼是采用金属杂质含量低的铁水作原料，而且冶炼时没有电炉冶炼过程中电弧区钢液吸氮问题，转炉流程不仅可以生产出过去只能靠电炉生产的轴承钢、不锈钢等钢种，而且可生产出一些电炉流程难以生产的品种，如含碳、氮总量低于50ppm，含铜、镍、铬、钼、锡总量低于0.14%的深冲钢板。

　　

　　二十世纪八十年代中后期，原本由电炉冶炼的高碳铬轴承钢，由于高炉厂家的参与，开始了转炉也生产轴承钢的时代。由于低含氧量钢已正常生产，各厂家争先试验由炉外精炼、脱气和连铸组合的高纯净化工艺。1986年首次报道了采用铁水预处理→转炉→钢包精炼工艺流程生产高洁净轴承钢。并进行了一系列相关的研究，推动了转炉炼特殊钢的发展。

 

　　3.3转炉生产特殊钢的优势

 

　　铁水预处理及二次精炼技术的发展，使得转炉流程在特殊钢生产方面发挥了重要的作用。转炉流程生产特殊钢技术首先是由日本开发的。日本于1957年引进氧气转炉技术，1961年使用转炉生产特殊钢28万吨，占当时特殊钢产量的10%；1967年生产156万吨，占23%；1971年生产528万吨，占51%；1985年产量达1200万吨，近年来一直保持在1000万吨以上的水平，占特殊钢产量的70%左右。两种生产流程炼钢工艺比较见表2.2。

 

 

　　（1）电炉流程的优缺点

 

　　① 电炉炼钢配以LF/VD二次精炼生产特殊钢的优势在于使用化学性质为中性的电弧作为热源，冶炼过程中加热与化学反应相互独立，从而保证了工艺的灵活性。又由于允许加入较多数量的合金，因而在生产高合金钢方面具有更明显的优势。采用电炉炼钢工艺适合于生产小批量、多品种、合金含量较高的钢种。

 

　　② 由于电炉加热钢水时会使熔池增碳，而电炉冶炼过程成分控制较为容易，故其优势钢类为中、高碳钢和高合金钢。由于电弧区钢液吸氮，因而难以生产氮含量低的产品。

 

　　③ 电弧加热炉料时，产生物理热大部分被包围在加热的炉料中，而且带走的热损失少，所以热效率比转炉炼钢法要高。但使用小容量的电弧炉生产特殊钢的首要问题在于无法配置有效的二次精炼手段；其次是装备水平难以提高，影响了成分和温度的精确控制；第三是由于出钢量小，炉间成分波动范围大。

 

　　④ 采用电炉冶炼消耗高、生产成本高。

 

　　⑤ 电炉由于采用的原料是废钢，因此残余元素较多，影响铸坯成分和质量。

 

　　（2）转炉流程的优势

　　转炉生产虽然存在工艺灵活性较差和不适合冶炼冶炼高合金钢尤其是合金工具钢等缺点，但与电炉生产相比存在如下优势：

　　

　　① 铁水的纯净度和质量稳定性均优于废钢。

 

　　② 采用铁水预处理工艺，进一步提高铁水纯净度：[S]≤50ppm，[P]≤100ppm。

 

　　③ 氧气转炉炼钢配以RH二次精炼的工序优势在于极高的生产速率和优异的纯净度，因而适于低碳/超低碳、低残余元素的钢种，尤其是批量很大、合金含量较低的钢种。

 

　　④ 转炉的终点控制水平高，渣钢反应比电炉更接近平衡。

 

　　⑤ 转炉钢水的气体含量低，N≤20ppm，H≤3ppm。

 

　　⑦ 转炉冶炼周期短，生产效率高，成本低，易于与精炼、连铸形成高效化生产。

 

　　⑧ 转炉与LF炉匹配，可灵活生产高、中碳及含有一定合金量的低合金钢。

 

　　4、转炉特殊钢生产现状

 

　　世界特殊钢生产主要集中在瑞典、日本、美国、德国、法国、英国、意大利和韩国，这些国家特殊钢产量约占世界特殊钢产量的60%。其中，特殊钢产业总体水平Z高的国家首推日本和德国，其它一些发达国家在某些特殊钢品种居领先地位，如瑞典SKF公司的轴承钢、Sandvik公司工模具钢在上具有很高的知名度；法国的不锈钢冷轧薄板、精密合金，奥地利的工具钢，美国和英国的高温合金也都处于一流水平。

 

　　用转炉生产特殊钢（不锈钢除外）的国家主要集中在日本、德国及韩国，主要企业有：日本的神户制钢、住友金属、川崎制铁公司、德国的蒂森钢公司和韩国的浦项钢铁公司等。其中日本和德国用转炉生产轴承钢采用完全不同的生产工艺。它们主要的技术差别在于对炼钢终点碳的控制。日本采用全量铁水“三脱”预处理工艺，转炉采用少渣冶炼、高碳出钢技术，生产低磷低氧钢。德国采用转炉低碳出钢，保证转炉后期脱磷效果，依靠出钢时增碳生产轴承钢。

 

　　目前我国特殊钢生产企业有29家，这些特钢企业承担着我国51%以上的特殊钢生产任务，并且其规模、技术、人才、产品品种及质量方面在我国优特钢行业都占据着主导地位。这29家特钢均采用电炉生产特殊钢。此外，我国的一些普钢企业和为数众多的钢材深加工企业也生产特殊钢产品，其产能和产量约占特殊钢行业总量的49%，其中普钢企业所生产的产品大多是不锈钢产品。

 

　　我国具有转炉生产能力的一些企业如宝钢、首钢、鞍钢、武钢、攀钢、邯钢、本钢、太钢、莱钢、沙钢、石钢、八钢、重钢和青钢等，它们分别采用转炉生产了一些特殊钢种，比如轴承钢、弹簧钢、非调质钢、齿轮钢和易切削钢等。试制或生产的品种主要集中在轴承钢、弹簧钢和齿轮钢方面。

 

　　国内用转炉生产轴承钢的企业主要有首钢、武钢、本特、太钢、莱钢等钢厂；生产弹簧钢的企业主要是宝钢、鞍钢、邯钢、石钢、重钢等；生产齿轮钢的企业有宝钢、首钢和攀钢等企业。由于各企业转炉生产特殊钢大多处于研发阶段，并且涉及各企业的核心技术机密，其公开发布一般较滞后，因此，本文仅对国内外公开发布的转炉生产特殊钢的工艺流程及相关动态进行概述。

　　

　　随着用户要求的日益提高和市场竞争的激烈化，我国应该在提高特殊钢质量及降低生产成本上下功夫，以便在国内外市场中处于不败之地。我国冶金企业应在以下几方面积极开展工作：   

 

　　（1）进一步提高钢水清洁度，以达到稳定降低氧含量的目的。进一步改进钢包的材质，开发新的渣系和脱氧剂，进行搅拌功能的研究。    

 

　　（2）鉴于一些特殊钢钢种连铸工艺已在世界范围采用，故我国应以冶炼→精炼→连铸→连轧“四位一体”为方向，尽快开展特殊钢连铸工艺的研究、（包括铸坯断面的确定等），保护渣研制等工作，以进一步提高成材率，达到节能降耗的目的。   

 

　　（3）积极采用连轧工艺，以实现无扭、无张力高精度轧制，提高尺寸精度。   

 

　　（4）加强产品检验手段，确保成品质量。   

 

　　（5）采用在线检测、自动化控制和在线自动打包机以保证外观质量。

 

　　5、首钢发展转炉特殊钢的分析

 

 

　　随着我国汽车工业和现代制造业的发展，特殊钢的需求将稳步提高。目前华北地区轴承钢、齿轮钢和弹簧钢的产量较低，首钢生产特殊钢具有地域上的优势，应该说可以占领这一领域。特别是后两个钢种，其生产是可行的。

 

　　另外，京津地区是汽车工业和机械加工业比较发达的地区。首钢可根据目前特殊钢产品市场的情况，优先研究、发展及完善市场用量较大的一些钢种，优先、重点打入和占领汽车用钢市场。

 

　　5.2 技术

 

　　利用转炉生产轴承钢、齿轮钢和弹簧钢的技术国外在二十世纪八十年代就已开始研究，目前有些生产厂家已经能够进行规模生产。生产上述钢种所采用的基本技术如下：

 

　　（1）铁水预处理工序  

 

　　为了生产出高纯净度的轴承钢、齿轮钢和弹簧钢，首先应加强铁水预处理生产工序的技术研究，实现铁水三脱预处理，降低铁水中的硫、磷和硅的含量，以减少转炉生产工序的操作难度。

 

　　（2）复吹转炉冶炼工序

 

　　加强复吹转炉终点控制技术的研究，精确控制转炉吹炼终点的化学成分和温度，避免钢水过氧化，实现低氧钢冶炼是生产纯净钢的技术关键。所以应当在硫磷含量符合要求时采用高拉碳工艺，依靠钢中碳控制钢水含氧量，这样也可以减少加入增碳剂所带来的钢水污染问题。同时应该注重优化复吹工艺，强化底吹搅拌，促进钢、渣平衡。冶炼时应采用大容量转炉，这样可以减少钢水与耐火材料之间的接触，提高钢水纯净度，同时可以提高生产率，降低生产成本。

 

　　（3）炉外精炼工序

 

　　炉外精炼是生产超纯净钢的重要手段。采用不同的炉外精炼方法组合，可生产不同纯净度的钢种。但与转炉匹配时，在保证钢水纯净度的前提下，要充分注意：

 

　　炉外精炼的生产节奏应与转炉及连铸相适应，保持高的生产效率和设备作业率；必须充分考虑炉外精炼的成本，努力降低精炼电耗、氩耗和耐火材料等消耗；

 

　　搞好挡渣出钢、合成渣洗、吹氩搅拌、合金微调和钙处理以及真空吹氧脱碳等基本工艺，对于转炉冶炼特殊钢尤为重要。

 

　　目前首钢精炼设备为LF+VD，综合国内外生产经验可知生产轴承钢时需采用LF+RH设备，因此建议首钢增加一座RH炉，以扩大品种范围。

 

　　（4）连铸工序

 

　　钢水浇注时应该合理设计水口或采用电磁制动，避免钢水卷渣；充分净化钢水，防止浸入式水口堵塞；减少结晶器内钢水液面波动等技术来控制钢中大型夹杂物的生成。同时应采用低过热度浇注技术，以减少偏析和中心疏松。

 

　　建议采用二冷末段电磁搅拌技术，以改善铸坯表面质量，减少铸坯疏松及成分偏析，提高等轴晶率等。并且中间包处安装等离子加热或感应加热装置，以保证适宜的浇注温度。另外，还应采用凝固末端电磁搅拌、气水雾化冷却、轻压下等技术，进一步减小中心偏析。

   

　　根据国内外生产特殊钢的经验，为了减少铸坯中心偏析，通常采用立弯形大方坯连铸机，Ф50mm以上的棒材采用一次成材；而生产小规格产品，需经初轧开坯。考虑到首钢方坯连铸机生产的方坯尺寸较小，所以产品规格相应地要小，才能保证所需的压缩比以保证质量。今后在钢铁结构调整改造中，应采用大方（矩）坯铸机，以确保特殊钢棒材产品质量，扩大规格、品种。

    

　　有关研究表明，矩形坯理论上可明显改善偏析倾向，所以可以优先考虑矩形坯连铸生产。

   

　　（5）轧制工序

   

　　有关研究表明，特殊钢轧制时采用控轧控冷技术，可实现晶粒细化，达到提高钢材强韧性的目的。因此建议轧制时采用控轧控冷生产工艺。

   

　　（6） 后序工艺

    

　　特殊钢材生产中，钢坯、钢材的探伤检查和修磨处理、缓冷工艺设施以及钢材的热处理（如：正火、退后），是必不可少的工艺环节，是提高产品质量，增加技术含量和附加值的重要保证。这是目前国内转炉钢厂与特殊钢企业在竞争中的重要弱势。首钢发展特殊钢生产应予以充分重视。

   

　　转炉生产特殊钢有着良好的经济效益。2006年首钢生产特殊钢线材140万吨，比生产普通钢线材平均每吨增加效益330元，生产特殊钢棒材40万吨，比生产普通钢棒材平均每吨增加效益480元。

 

　　⑴ 特殊钢用途广泛，市场需求稳定增长，国内华北市场紧缺。

 

　　⑵ 转炉生产特殊钢，技术上可行，经济上合理。

 

　　⑶ 首钢转炉生产特殊钢具有技术、成本、市场上的优势，首钢应大力开发生产转炉合金钢。