1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

第一章 设计概述

1.1 国内外钢铁行业现状

钢铁行业是指从事加工黑色金属采集以及冶炼加工等生产活动的行业。首先，它对于每个国家来说都是非常重要的原材料行业；其次，它是很多领域的上游产业。综合以上两点，钢铁行业的发展对于国家来说至关重要。

我国目前的钢铁产量位于世界第一位，还处于成长的时期。钢铁行业是否能稳定发展与第二产业的发展息息相关，当前中国的第二产业在国民经济中所占比例越来越多，这给我国钢铁行业的发展提供的十足的保障以及源源不断的动力。因为钢铁产业属于上游产业，我国建筑、航天、船舶等等下游行业的蓬勃发展，加大了宏观市场对钢铁行业的需求，使得钢铁行业具有很大的潜力。

单看2019年，我国钢铁行业整体表现出了先涨后跌的走势。在7月份创下了年内新高水平。上半年原料铁矿石价格的上涨以及下半年市场需求未达预期是造成这样走势的主要原因。总而言之，2019年国内钢铁行业的行情整体来说还是比较低迷的。但2020年，从原料上来看，由于淡水河谷有部分矿区复产并增加了S11D项目，澳洲在飓风影响后也会恢复产量，四大矿山均有扩产计划，因而未来全球矿石的供应量会继续增加。从市场需求上来看，2020年是全面建成小康社会和十三五计划收官之年，钢材的市场需求或有好转，其中房地产市场依旧低迷但基建需求或有增加。因此预测2020年国内钢铁整体或有先跌后涨的趋势。

随着一带一路的蓬勃发展，我国钢铁业即获得了机遇同时也面对着挑战。在此前提下，我国的钢铁行业逐渐朝着减量发展努力，2018-2020这三年，我国努力的推进这兼并重组，以求提高效益和质量^[1]。而说到钢铁业兼并重组，日本在这方面取得了很大的进展，根据姚志敏等人研究发现^[2]，钢铁行业往往是随经济以及城镇化的前进趋势而发展，同时也伴随着经济的高速发展，这给我国钢铁行业的发展提供了前例，对比我国城镇化的现状，显然，我国钢铁行业依然有很好的可成长区间。而且日本钢铁行业的转型也可以给我国的钢铁行业提供不少经验和启示。首先日本钢铁行业的转型是在政府的大力支持下，进行大规模的产能转化、对技术进行改进、使得生产过程更加专业化并且将污染控制在可接受范围内。在转型过程的中期，主要是控制好成本，加快行业全球化进程，因而提高了出口竞争力。另外，关注国外多元化的下游产业和与全球性的客户之间的密切关系也有利于刺激出口。最后对劳动体制和雇佣体制的的改革也对缓解剩余劳动力问题有益。

总而言之，虽然我国钢铁行业的总产量巨大，但问题是大部分都不是集中化生产，规模比较分散，与其他国家相比，我国还没有大量成型的具有规模经济效应的钢铁集中生产区。

1.2 电炉炼钢技术发展概况

1899年，法国人Heroult（海劳尔特）发明了世界上第一个电炉后，以电弧炉炼钢为代表的许多短程炼钢工艺都表现出了莫大的优势，这些工艺排放的污染量小，占地面积少，而且对资源的利用率高，前期所需的投入也较少。因此，电弧炉从它被发明后开始，在钢铁生产中的地位越来越高，所占的比重也越来越大。在国外，电炉炼钢生产量已经占钢铁生产总量的近42%，但在我国，这一数据仅仅不到10%。

1.2.1国内外电炉炼钢发展现状

正如表1所示，我国废钢资源在逐年的增加，但我国利用率不高，循环率也很低，与发达国家还有明显的差距。而且目前国内的电炉炼钢还在采用最传统的顶装料炼钢方法，这种方法的成本高，而且排污量巨大，最无法忽视的就是二噁英的污染问题。所以近几年，随着电力市场价格逐年下降，对环保要求的不断提高，增加我国电炉炼钢比例，改进我国电炉生产方式已经刻不容缓。

表12008-2017年粗钢与电炉钢产量

资源节约和环保问题作为越来越受到重视的两大问题，也促使着电炉炼钢技术的不断进步，驱使着电炉电钢朝着高效率，低污染，更智能的方向发展。在节能方面，国内外的研究人员也做了如图1所示的许多工作^[3]。针对环保问题，日本株式会社开发了Ecoarc生态电弧炉。从目前的应用结果来看，使用此电弧炉的二噁英排放量均低于各国限值^[4]。

图1 电炉炼钢装备与技术发展

在降低电耗方面，我国正在不断的淘汰掉小型的电炉，采用更大功率的电炉。目前国内新建的电炉容量普遍都在100t以上。废钢预热技术也是降低能耗的一种重要手段，由于竖井式电炉应用效果还有待验证，我们最终决定采用康斯迪（consteel）电炉。康斯迪电炉可以在连续加料的时候，利用冶炼时产生的废气的温度为炉料进行预热，这样一来，废钢在进入电炉前就可被加热到250-300摄氏度。为了提高使用效率，康斯迪电炉对预热系统进行了技术改进，改进后的康斯迪电炉留钢量变得更大，留渣效果也更好，再安装上了喷吹系统，节能降耗。图2是增强型康斯迪电炉的基本构造^[3]。

图2 增强型康斯迪电炉的基本构造

1.2.2国内外全连铸技术发展现状

连铸技术是钢铁生产中非常先进的技术。传统的钢铁加工工艺是将铁水先铸造成铁块，再进行轧制成形。而连铸技术可以一步到位，浇注成形。与传统技术相比，连铸的生产效率更高，而且对钢铁资源的利用率也更好。全连铸生产体系已经成为衡量一个钢铁生产工艺水平高低的重要标志。前苏联在1959年便成为了国外最早实现全连铸的国家，并且在1966年开创了连铸和氧气转炉配合使用的先例。70年代以后，日本、德国等工业发达国家后来居上。全连铸技术优越性显而易见，它在质量上更加稳定，成本更低。除去一些特殊情况，全连铸完全可以替代传统的模铸工艺^[5]。

我国连铸技术的发展方向在于铸机型式和软压下技术的发展。铸机型式方面，直弧型板坯铸机将代替其他弧型，可以减缓内坯侧夹杂物聚集；大断面的方坯铸机可以防浇注水口堵住，提高钢材质量。另外，控制技术方面采用动态（自动）控制二冷水，提高了安全性。搅拌技术采用电磁搅拌，很大程度提高了铸坯质量^[6]。

为了紧跟时代的步伐，连铸技术的创新尤为重要，优化连铸技术的工艺，掌握连铸技术的前进方向才能更好的提高生产效率，促进钢铁行业发展。

1.3 炼钢厂选址以及304钢的优点及应用

1.3.1炼钢厂选址

百色市，位于广西壮族自治区西部，占地达3.62万平方公里。边境线更是长达365公里，与越南接壤，是滇、黔、桂三地区的中心城市，是通往太平洋地区的黄金走廊。

从地形地貌出发。百色市位于右江上游，有天然的供水来源，且地形地貌以山区丘陵为主，平原仅占4.6%，选址确定带有天然坡度，防止天然江水，山洪以及向外排水等反注入车间。

从交通运输出发。百色市是西南地区出海或出境的重要途径地，交通运输部将百色市确定为国家公路运输的交通枢纽。百色市的五位一体立体化交通格局，非常有利于各个途径的运输，如海运，空运，铁路运输还有公路运输。这些发达的交通条件足以满足原料以及产品的运输条件。不仅如此，百色市还是开放的先行城市，连接起了中国与东盟的贸易往来。百色的工业基地目前主要以铝为主，还没有大规模的炼钢厂定址。

本设计根据以上情况决定将炼钢厂选址为广西壮族自治区百色工业园区。以求平衡工业生产结构，获取规模化经济生产效应。

1.3.2 304钢的优点及应用

304不锈钢是很常见的一种不锈钢种类，在业内也常称18/8钢，凭借其优良的性能主要应用在医疗食品，工业，家装等领域。

表2304不锈钢的主要物理性质

表2为304不锈钢的主要物理性质。因此，304不锈钢在应用中表现出了以下优点：

1.环保性好。作为可用于视频领域的钢种，它在使用过程中无有害物质渗出，且不含铅，不会伤害人体健康。

2.耐腐蚀性能好。304不锈钢最大的特点就是内部镍和铬的元素含量比较高，这很大程度上限制了304不锈钢的腐蚀倾向。

3.耐磨性好。可以长时间保持干净清洁，使用寿命较长，不生锈，不断裂。

4.保温性能好。从它的热膨胀系数可以看出，不锈钢在受温度影响的热胀冷缩速度缓慢。

目前，304不锈钢的工艺目标正在朝着提高产品结构的完整性和防水性的方向发展，由于管道直饮水的普及，304不锈钢出的优越性能，推广不锈钢水管材已经是必然趋势。在此要求下，虽然食品级的不锈钢管材的产品以及趋向于成熟，但不锈钢材依然在朝着管厚更薄，精度更高，生产成本更低的方向努力，最终期望薄壁不锈钢材能够实现国产化，并且全面推广应用。

1.4炼钢工艺流程以及拟采用的先进工艺技术

1.4.1炼钢的工艺操作

炼钢的工艺操作主有以下几步：

1）加料：将铁水或者废钢等加入到转炉或者电炉中即为加料。这是炼钢工艺开始的第一步。

2）造渣：为了获得理化性质良好的熔渣，以满足机械保护以及冶金处理两方面的要求。

3）出渣：是指电弧炉在不同条件的冶炼过程采取不同的放渣操作，或者扒渣操作以实现不同的目的。

4）熔池搅拌：为了改善冶金时的动力条件，借助气体、电磁感应等等方法来提供能量给熔池。

5）脱磷：磷是钢铁中的杂质元素，磷的含量过高可能会导致冷脆。所以一般钢铁对于磷含量都有严格的要求（≤0.045%）。磷含量越少，钢铁的质量就越好。所以脱磷是炼钢流程中很重要的一步。

6）电炉底吹：用喷嘴将混合气体吹到电炉里的熔池内，可以加速熔化，加快反应的速率。底吹工艺与顶吹工艺想比，耗电量少，但效果好，最终得到的钢材的质量也更好。

7）熔化期：对于电炉而言，从开始加热的时候起，到炉中的钢花和拌料都溶解完全，这一过程就是熔化期。这一过程的重点是改造好炉渣。

8）氧化期（采用电弧炉冶炼的所有工艺在熔化期结束时，氧化期就开始了，不氧化法冶炼除外）：这一时期主要是为了把熔化的钢液中的碳去除（脱碳量＞0.2%），以及把磷、气体和夹杂物去掉，以追求钢材的纯净度。重点是精确控制钢液在反应末期的温度以及终点碳，为还原期做好准备。

9）精炼期：通过造渣和其他方法进一步去除钢材中的其他物理或化学物质。这一步完成后就该连铸机出坯。10）还原期：高功率的电弧炉已经没有还原期。

11）炉外精炼：也称二次冶金，将前面初炼好的炉料再深一步的加工去除有害成分，最终获得高质量的精钢。12）钢液搅拌：是钢液均匀，促进反应的进行，加快生产进程。13）钢包喂丝：将含有各种微调成分的粉剂用钢丝包裹喂入钢包，或者直接将铝线碳线等直接喂入，以便于清洁钢液，提高钢的质量和性能。

1.4.2 电炉炼钢流程

图3 炼钢工艺流程图

1.4.3拟采用的先进工艺

在此工艺流程中，在加料步骤（向炉内加入废钢），我们拟采用自动控制上料系统，韩国新等研究人员对这一系统有详细的概述以及应用介绍^[7]。在铁水的预处理部分，虽然喷吹工艺日渐成熟，但由于镁粉价格较为昂贵，使用成本问题迟迟无法解决，因此，我们拟采用镁粉与氧化钙混合脱硫，并且制定新的捞渣方案，使得成本降低^[8]。另外，我们拟采用了溅渣氮气智能管理系统，可以监控查询溅渣时长以及耗氮量。优化了固体脱硫剂的结构，利用石灰石，白云石以及矿渣磁分离代替原本的固体脱硫剂，缩短了溅渣的时长，降低氮的消耗量^[9]。

1.5 炼钢厂拟采用的辅助系统以及预期目标

1.5.1辅助系统

关于炼钢厂的设计，供氧系统方面我们拟采用由山钢朱立等研发的全自动智能炼钢系统，这一系统可以快速精准的调节氧气流量，且非常稳定。完全满足生产过程中对氧气的要求^[10]。

净化回收系统我们拟采用薛海，李峰，王永刚，李朝阳等改造后的转炉一次烟气湿化净化与回收系统。拆除脱水器再增加湿式电除尘器后，基本不会影响到风机能耗。这一系统设备投资少，且比较安全可靠^[11]。

在物流系统方面我们拟采用天车物流系统与地面轨道相结合的方式。主要是因为天车物流系统可以解决因环境因素导致地面轨道称无法实现准确称重导致称重结果误差大的弊端，而且可以实时监控天车的数据;同时利用该系统,维护人员可以在机房完成对天车称几乎所有工作,降低了工作人员的工作强度，同时提高安全性^[12]。

另外，在连铸车间中还应该设立专门的维修区域，这样做一可以减少设备在线安装、调整、漏钢事故处理等作业时间，二便于定期检查设备和预防设备在生产中可能出现的问题，提高连铸机的作业率。这一维修区域我们决定采用扇形维修区工艺流程^[13]。

最后是为了达到绿色生产的目的，污水处理处理系统我们拟采用PLC系统。PLC的全称是可编程逻辑控制器。这一系统的精髓在于模糊控制，抗干扰能力强，简单易实现，节省岗位，降低成本，且有良好的调节品质^[14]。

1.5.2不锈钢的热处理

在生产过程中，本研究的重点在于不锈钢的热处理。热处理工艺是指在固态下，通过加热、保温和冷却的方式，改变金属表面或内部的组织以及化学成分，从而使得金属材料的性能更加优良，更加能满足我们的使用需求的一种方法。我们分别从固溶处理和敏化处理两方面来讨论对不锈钢组织的影响。

固溶处理对304不锈钢的组织有非常大的影响，经过实验发现经过固溶处理后的304不锈钢经水冷、空冷、炉冷后，组织中碳化物充分溶解，得到了单相奥氏体，减少了不锈钢的晶界腐蚀倾向性，消除了应力与软化，改善了加工性能、冲击韧性。特别是水冷后，固溶处理现象比较明显，表面硬度值较大，对力学性能有利。而通过304不锈钢分别在不同温度下进行不同保温时间敏化实验。我们发现在750 ℃加热并保温1h后，不锈钢试样晶界附近存在碳化物较多，造成的晶间腐蚀倾向性较大。因此，应选择其他温度对304不锈钢热处理^[15]。

我们对敏化问题进行深入探究。首先在一定腐蚀条件下，敏化奥氏体不锈钢将沿着或紧挨着晶界发生严重的局部腐蚀破坏，即晶间腐蚀。晶间腐蚀最严重时可导致材料强度几乎完全消失。为了抵御这种损失，我们需要解决的关键问题是如何快速准确地预测奥氏体不锈钢晶间腐蚀的敏感性，以便于指导钢种开发、质量控制与合理使用^[15]。经过控制变量，对比DOS曲线与TTS曲线下用EPR法测得的结果，以及金相组织的区别，最终发现：（1）304奥氏体不锈钢晶粒尺寸随着固溶处理温度升高而增大；经过相同条件的敏化处理，其敏化度随着固溶处理温度升高而减小；304奥氏体不锈钢的TTS曲线为C型曲线。（2）950℃固溶且在相同敏化温度下，304奥氏体不锈钢的敏化度随时间延长先增大，120 min后仍增大。1050℃固溶且相同敏化时间下，304奥氏体不锈钢的敏化度在敏化温度区间内随着敏化温度增加先增大再减小；（3）EPR法能便捷快速地测定奥氏体不锈钢的敏化度。^[17][18]

而在不锈钢在热轧、热处理等过程中表面产生的氧化铁皮会对后续加工及表面质量产生不良影响，要及时清除就要合理选择酸洗的方法。根据带卷轧制状态及钢种，最终决定冷轧带卷的预处理采用中性盐电解法，300 系奥氏体不锈钢采用混酸酸洗方法去除氧化铁皮。^[19]

综上，我简要对即将开始的课题做了初步的了解，虽然华南地区钢铁行业的盈利能力一般，但依然有发展的潜力。在炼钢厂的设计方面，无论是物流系统，维修系统还是水处理系统，国内外都有很好的示范，加以改造利用即可。在生产过程中，我们所遇到的问题不管是从研究层面还是应用方面都处于比较保守的状态，依然没有很好的办法来精准的确定生产过程中的各种参数模型，如晶间腐蚀腐蚀损害模型，水处理中药品剂量调整模型等等。总而言之，有关于金属热处理方面的研究与应用的关系非常密切，所以我们不能将实验与应用脱离开，必须在应用中求发展。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、本课题要研究的问题

本设计旨在根据以上情况并结合华南地区的预估市场需求，生铁市场，电力市场，交通运输情况，以及地理环境，研究怎样在华南地区设计建造一个年产320万吨304钢带卷的全连铸电炉车间，主要是对炼钢厂设计进行概述，并且对炼钢厂的生产参数以及在生产过程中所需要的设备参数进行计算，然后对其中所涉及的不锈钢热处理部分进行深入研究，最后从环保和安全的角度出发选择正确的处理方案以求绿色生产。

二、拟采用的研究手段：