钢铁、石化-节能技术

第一篇：钢铁、石化-节能技术

石油化工生产节能技术

炼油常减压蒸馏装置，采用夹点技术优化换热和预闪蒸等节能型流程；催化裂化装置，推广降低焦炭产率和减少装置结焦技术；芳烃抽提工艺过程，推广高效溶剂(四乙二醇醚、环丁砜等)技术；用氢装置发展氢能优化技术；研究开发低能耗的过滤—吸附再生法；推广应用抽提蒸馏工艺。

研究开发加氢装置热高分流程的优化技术；采用液力透平回收压力能；开发、应用新型加氢催化剂、先进的反应器内构件和循环氢脱硫措施；推广延迟焦化装置大型化、双面辐射加热炉技术；推广装置间热联合技术。

推广乙烯装置裂解炉空气预热技术、乙烯在线烧焦技术，推广乙烯裂解炉强化传热技术；开发加注结焦抑制剂，推广低能耗分离技术。研发合成树脂催化剂技术，完善聚丙烯装置的丙烯原料精制系统。推广合成橡胶吸收式热泵技术。研发直接干燥技术。

钢铁工业。加快淘汰落后工艺和设备，提高新建、改扩建工程的能耗准入标准。实现技术装备大型化、生产流程连续化、紧凑化、高效化，最大限度综合利用各种能源和资源。大型钢铁企业焦炉要建设干熄焦装置，大型高炉配套炉顶压差发电装置（TRT）；炼钢系统采用全连铸、溅渣护炉等技术；轧钢系统进一步实现连轧化，大力推进连铸坯一火成材和热装热送工艺，采用蓄热式燃烧技术；充分利用高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气等可燃气体和各类蒸汽，以自备电站为主要集成手段，推动钢铁企业节能降耗。

石油石化工业。油气开采应用采油系统优化配置技术，稠油热采配套节能技术，注水系统优化运行技术，油气密闭集输综合节能技术，放空天然气回收利用技术。石油炼制提高装置开工负荷和换热效率，优化操作，降低加工损失。乙烯生产优化原料结构，采用先进技术改造乙烯裂解炉，优化急冷系统操作，加强装置管理，降低非生产过程能耗。以洁净煤、天然气和高硫石油焦替代燃料油（轻油），推广应用循环流化床锅炉技术和石油焦气化燃烧技术，采用能量系统优化、重油乳化、高效燃烧器及吸收式热泵技术回收余热和地热。

第二篇：节能技术

地源热泵中央空调：地源热泵机组利用土壤或水体温度冬季为12-22℃，温度比环境空气温度高，热泵循环的蒸发温度提高，能效比也提高；土壤或水体温度夏季为18-32℃，温度比环境空气温度低，制冷系统冷凝温度降低，使得冷却效果好于风冷式和冷却塔式，机组效率大大提高，可以节约30--40%的供热制冷空调的运行费用，1KW的电能可以得到4KW以上的热量或5KW以上冷量。

与锅炉（电、燃料）供热系统相比，锅炉供热只能将90%以上的电能或70～90%的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40%左右，其运行费用为普通中央空调的50～60%。因此，近十几年来，尤其是近五年来，地源热泵空调系统在北美如美国、加拿大及中、北欧如瑞士、瑞典等国家取得了较快的发展，中国的地源热泵市场也日趋活跃，可以预计，该项技术将会成为21世纪最有效的供热和供冷空调技术。能量回馈技术：

1、回馈节能基本原理

将运动中负载上的机械能（位能、动能）通过能量回馈装置变换成电能（再生电能）并回送给交流电网，供附近其它用电设

备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降，从而达到节约电能的目的。

2、回馈节能解决方案

能量回馈装置的作用就是能有效的将电动机的再生电能高效回送给交流电网，供周边其它用电设备使用，节电效果十分明显，一般节电率可达15%～45%。此外，由于无电阻发热元件，机房温度下降，可以节省机房空调的耗电量，在许多场合，节约空调耗电量往往带来更优的节电效果。在通用变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传统系统中，当电动机所传动的位能负载下放时，电动机将可能处于再生发电制动状态；或当电动机从高速到低速（含停车）减速时，频率可以突减，但因电机的机械惯性，电机可能处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升。如果当制动过快或机械负载为提升机类时，这部分能量就可能对变频器带来损坏，所以这部分能量我们就应该考虑考虑了。

在通用变频器中，对再生能量最常用的处理方式有两种：(1)、耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中，称之为动力制动状态；(2)、使之回馈到电网，则称之为回馈制动状态（又称再生制动状态）。还有一种制动方式，即直流制动，可以用于要求准确停车的情况或起动前制动电机由于外界因素引起的不规则旋转。

有许多专家谈论过有关变频器制动方面的设计与应用，尤其是近些时间有过许多关于“能量回馈制动”方面的文章。今天，提供一种新型的制动方法，它具有“回馈制动”的四象限运转、运行效率高等优点，也具有“能耗制动”对电网无污染、可靠性高等好处。

功率因数补偿技术：功率因数是交流电路的重要技术数据之一。功率因数的高低，对于电气设备的利用率和分析、研究电能消耗等问题都有十分重要的意义。

所谓功率因数，是指任意二端网络（与外界有二个接点的电路）两端电压U与其中电流I之间的相位差的余弦。在二端网络中消耗的功率是指平均功率，也称为有功功率，它等于电压×电流×电压电流间相位差的余弦。

由此可以看出，电路中消耗的功率P，不仅取决于电压V与电流I的大小，还与功率因数有关。而功率因数的大小，取决于电路中负载的性质。对于电阻性负载，其电压与电流的位相差为0，因此，电路的功率因数最大（）；而纯电感电路，电压与电流的位相差为π/2，并且是电压超前电流；在纯电容电路中，电压与电流的位相差则为－（π/2），即电流超前电压。在后两种电路中，功率因数都为0。对于一般性负载的电路，功率因数就介于0与1之间。

一般来说，在二端网络中，提高用电器的功率因数有两方面的意义，一是可以减小输电线路上的功率损失；二是可以充分发挥电力设备（如发电机、变压器等）的潜力。因为用电器总是在一定电压U和一定有功功率P的条件下工作，由公式P=UIcosΦ

可知，功率因数过低，就要用较大的电流来保障用电器正常工作，与此同时输电线路上输电电流增大，从而导致线路上焦耳热损耗增大。另外，在输电线路的电阻上及电源的内组上的电压降，都与用电器中的电流成正比，增大电流必然增大在输电线路和电源内部的电压损失。因此，提高用电器的功率因数，可以减小输电电流，进而减小了输电线路上的功率损失。

提高功率因数，可以充分发挥电力设备的潜力，这也不难理解。因为任何电力设备，工作时总是在一定的额定电压和额定电流限度内。工作电压超过额定值，会威胁设备的绝缘性能；工作电流超过额定值，会使设备内部温度升得过高，从而降低了设备的使用寿命。对于电力设备，电压与电流额定值的乘积，称为这台设备的额定视在功率S额即也称它为设备的容量，对于发电机来说，这个容量就是发电机可能输出的最大功率，它标志着发电机的发电潜力，至于发电机实际输出多大功率，就跟用电器的功率因数有关，用电器消耗的功率为

功率因数高，表示有功功率占额定视在功率的比例大，发电机输出的电能被充分地利用了。例如，发电机的容量若为15000千伏安，当电力系统的功率因数由0．6提高到0．8时，就可以

使发电机实际发电能力提高3000千瓦，这不正是发挥了发电机的潜力吗？设备的利用也更合理。从这个角度来讲，功率因数可以表示为有功功率与机在功率的比值，即

如何提高功率因数，是电力工业中需要认真考虑的一个重要而又实际的问题。在平常遇到的电感性负载的电路中，例如日光灯电路，一般采用并联合适的电容器来提高整个电路的功率因数。闭环控制技术：闭环控制是根据控制对象输出反馈来进行校正的控制方式，它是在测量出实际与计划发生偏差时，按定额或标准来进行纠正的。闭环控制，从输出量变化取出控制信号作为比较量反馈给输入端控制输入量，一般这个取出量和输入量相位相反，所以叫负反馈控制，自动控制通常是闭环控制。比如家用空调温度的控制

在控制论中，闭环通常指输出端通过“旁链”方式回馈到输入，所谓闭环控制。输出端回馈到输入端并参与对输出端再控制，这才是闭环控制的目的，这种目的是通过反馈来实现的。正反馈和负反馈是闭环控制常见的两种基本形式。其中负反馈和正反馈从达于目的的角度讲具有相同的意义。从反馈实现的具体方式来看，正反馈和负反馈属于代数或者算术意义上的“加减”反馈方式，即输出量回馈到输入端后，与输入量进行加减的统一性整合后，作为新的控制输出，去进一步控制输出量。实际上，输出量对输入量的回馈远不止这些方式。这表现为：运算上，不止于加减运算，还包括更广域的数学运算；回馈方式上，输出量对输入

量的回馈，也不一定采取与输入量进行综合运算形成统一的控制输出，输出量可以通过控制链直接施控于输入量等等。相控调功技术：相控技术采用闭环反馈系统进行优化控制，通过实时测量电动机的电压与电流波形，由于电动机为一感性负载，其电流与电压波形通常存在相位差，该相位差的大小与其负载的大小有关。相控器将实际相位差与依据电动机特性的理想相位差进行比较，并依此来控制SCR可控硅整流桥触发角以给电动机提供优化的电流和电压，以便及时调整输入电机的功率，实现“所供即所需”。电能质量质量技术：

（1）电压质量。给出实际电压与理想电压间的偏差以反映分配的电力是是否合格。电压质量通常包括：电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降、暂升与终端、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等。

（2）电流质量。电流质量与电压质量密切相关，为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。电流质量包括：电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与之后、噪声等。

（3）供电质量。包括技术含义和非技术含义两部分，技术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量，包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。

（4）用电质量。包含电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数缴纳电费等。

治理方法：

一、瞬变现象 在电力系统运行分析里。它表示电力系统运行中一种并不希望而又事实上出现的瞬时事件。由于RLC电路的存在，大多数人的概念里瞬变现象自然是指阻尼振荡现象。关于此，IEEE里有一个含义更宽，描述也更简单的定义：变化量的部分变化，且从一种稳态过渡到另一种稳态过程中，该变化逐渐消失的现象。但这样描述在电能质量领域里会存在潜在的许多分歧。下面对瞬变的两种普遍类型做一下介绍：

1、冲击性瞬变现象是在稳态条件下，电压、电流的非工频、单极性的突然变化现象。通常用上升和衰减时间来表现冲击性瞬变的特性，也可以通过其频谱特性成分表示。

2、振荡瞬变现象是一种电压、电流的非工频、有正负极性的突然变化现象。对于迅速改变瞬时值极性的电压和电流振荡问题，常用其频谱成分（主频率）、持续时间和幅值大小来描述其特性。

二、短时电压变动

这一类型包括电压暂降（也称为骤降或凹陷）和短时间电压中断等现象。若按照持续时间长短来划分，进一步还可将其分成瞬时、暂时和短时三种类型。顺便指出：如此细分的目的是用于电能质量监测中队电压干扰分类统计。

1、电压中断，当供电电压降低到0.1p.u以下，且持续时间不超过1min时，我们就认为出现的电压中断现象。出现原因可能是系统故障、用电设备故障或控制失灵等。

2、电压暂降是指工频条件下电压方均根值减小到0.1~0.9p.u之间、持续时间为0.5~50周波的短时电压变动现象。电能质量领域使用暂降（sag）来描述短时电压降低已经很多年了，IEC把这一现象成为骤降（dips）在国内外行业内这两个词可以相互替换，是同意词。

3、电压暂升的涵义是指在工频条件下，电压均方根值上升到1.1~1.8p.u之间、持续时间为半个到50个周波的电压变动现象。与暂降的起因一样，暂升现象也是同系统故障相联系的。我们可以用幅值大小和持续时间来表征这一现象。由于分类的方法不同，在许多资料中也使用“瞬态过电压”作为“电压暂升”的同义词。电压暂升现象远没有电压暂降现象那样常见。

三、长时电压变动

长时间电压变动是指，在工频条件下电压均方根值偏离额定值，并且持续时间超过1分钟的电压变动现象。分两种情况，即过电压和欠电压。通常，过电压和欠电压并非由于系统故障造成，而是由于负荷变动或系统开关操作引起的。

1、过电压过电压是指在工频条件下交流电压方均根值升高，超过额定值10%，并且持续时间大于1分钟的电压上升现象。过电压的出现通常是负荷投切的结果。

2、欠电压是指在工频条件下交流电压方均根值降低，低至额定值的90%且持续时间超过1分钟的电压变动现象。与过电压的出现原因正好相反。某一负荷的投入或某一电容器的切除都可能引起系统欠电压。

3、持续中断是指系统电压迅速降到0且持续时间大于1min。这种长时间电压中断往往是持久的。当系统事故发生后，往往需要人工应急处理以恢复正常供电，通常需数分钟或数小时。持续电压中断是特有的电力系统现象。但如果是电气设备检修或线路更改导致停电，或由于工程设计不当或电力供应不足引起的持续中断，则不属于电能质量问题。

四、电压不平衡

电压不平衡，时常被定义为与三相电压或电流的平均值的最大偏差，并且用该偏差与平均值的百分比表示。电压不平衡也可以用对称分量发来定义即用负序或零序分量的百分比加以衡量。电压不平衡的起因主要是负荷不平衡（如单相运行）所致，或者是三相电容器组的某一相熔断器熔断造成的。大于5%的电压不平衡属于电压严重不平衡，它的起因很可能是由于单相负荷过重引起的。

五、波形畸变

波形畸变是指电压或电流波形偏离稳态工频正弦波形的现象，可以用偏移频谱描述其特征。波形畸变有五种重要类型，即直流偏置、谐波、间谐波陷波和噪声。

1、直流偏置，在交流系统中出现直流电压或电流称为直流偏置。这可能是由于地磁干扰或半波整流引起的。例如为延长灯管的寿命在照明系统中采用的半波整流器电流，会是交流变压器偏磁以至于发生磁饱和，引起铁芯发热缩短寿命直流分量还会引起接地极和其它电气设备连接的电解腐蚀。

2、谐波，把含有供电系统设计运行频率整数倍频率的电压或电流定义为谐波。可以把畸变波分解成工频和各次谐波分量的综合。电力系统中的非线性负荷是造成波形畸变的源头。

3、间谐波，与谐波定义方法类似，只是将整数倍于工频的条件换成非整数倍。

4、陷波是电力电子器件在正常工作情况下，交流输入电流从一相切换到另一相时产生的周期性电压扰动。由于陷波的连续出现，可以用受影响电压的波形频谱来表征该量。但由于陷波的相关频率相当高，很难用谐波分析中习惯采用的测量手段来反映它的特征量，通常把它作为特殊问题处理。例如，一种评价指标规定，出现的陷波以其下陷深度和宽度来衡量。

5、噪声是指带有低于200kHz宽带频谱，混叠在电力系统的相线、中性线或信号线中的有害干扰信号。电力电子装置、控制器、电弧设备、整流负荷以及供电电源投切等都可能产生噪声。由于接地线配置不当，未能把噪声产地至远离电力系统，常常会加重对系统的噪声干扰和影响。噪声可以对点射设备的正常工作造成危害。采用滤波器、隔离变和电力线调节器等措施能减缓噪声的影响

第三篇：钢铁污水处理方案技术

钢铁污水处理方案技术

工业废水对水体环境的影响较大，使水体中悬浮物、油、重金属、酚、氰、COD等污染因子超标。在众多工业中，钢铁工业的废水排放量很大，据统计，我国钢铁工业外排水量约占工业外排废水量的10%，且废水中含有大量的污染物质和有害物质。因此，治理钢铁工业废水，对解决水体污染，保护和节约水资源具有重要的意义。

污染物也是原料存在的一种形式，只不过这种存在形式使可利用资源量减少，损害了人们的经济利益，也影响了人们的身体健康。由于物质是可以转化的，只要措施得当，存在于污染物中的物质就可能变为可以被利用的形式。因此，人们一直在寻找有效、合理处理钢铁废水的方法，并尽可能多的对处理后的废水和废水中所含的有用物质进行资源化利用。

1、钢铁废水的来源、特点及处理

钢铁大多是集烧结、焦化、炼铁、炼钢、连铸、轧钢等各生产工序和机械、动力、耐火材料等辅助工序为一体的联合，各生产工序在生产过程中均产生并排放大量的废水。一般将排至外部的一种或多种工序的综合排水称为钢铁总排水，钢铁总排水具有排水量大、含有多种污染物且污染负荷大等特点。

1.1 焦化废水

这是焦化厂产生的废水，其特点是含有高浓度酚。焦化废水中酚可回收利用，常用熔剂萃取法和气提法，对蒸氨后废水进行冷却，作为洗氨补充水循环使用。对于最终硝化生化系统产生的外排水，可将其稀释用于焦炉熄焦补充水。1.2 高炉煤气洗涤水

高炉煤气洗涤水是炼铁厂的主要污水，其特点是含有大量的固形物和杂质。这类废水需进行悬浮物去除、水质稳定、冷却处理以达到水的循环使用。目前大型炼钢厂在污水中投加混凝剂，沉淀池采用轴流式，沉淀污泥经浓缩和过滤脱水为滤饼，可作为烧结原料，处理后废水可循环使用。1.3 转炉烟气废水

转炉烟气废水是炼钢厂的主要污水，含有大量悬浮物。这类废水主要采用自然沉降、絮凝沉淀和磁力分离。处理后废水可以进入循环水系统。1.4 轧钢废水

热轧废水主要污染物为氧化铁皮、悬浮物和油类。热轧废水主要采用药剂混凝沉淀以去除悬浮物和油类，经冷却后循环使用；冷轧废水主要污染物为悬浮油、乳化油等，悬浮油需用刮油机除去，含乳化油废水必须破乳，然后浮选除去油；另外，还有钢材酸洗废水，其中主要含酸和铁盐。

2、钢铁废水的处理技术

根据以上分析的钢铁废水来源及特点，可见钢铁的废水处理及资源化，主要是考虑去除污水中的悬浮物、油、盐类还有酚类物质等。

2.1 钢铁废水中悬浮物的处理

目前，在钢铁行业常见的处理工艺主要有混凝沉淀、过滤。通过投加一定量的混凝剂、助凝剂于废水中，使废水中难以自然沉淀的污染物和一部分细小悬浮物形成絮凝体，再在后

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续沉淀池中沉淀分离，从而使大部分悬浮颗粒物以泥浆的形式从池底部排出，清水从池顶排出。混凝沉淀处理后的废水，经 冷却塔冷却后循环使用，处理后水中的SS<30mg/L。

混凝法和其他处理方法联合使用处理钢铁的废水，可以取得更好的处理效果。采用曝气-混凝沉淀法处理。高炉煤气洗涤水进入沉淀池之前，通过曝气将水中游离CO2吹脱，使溶解在水中的碳酸盐析出，在沉淀池中一并去除。这种方法有利于高炉煤气洗涤水的水质稳定，可减缓高炉煤气洗涤水系统的结垢。

污水的预处理还可以通过物理法，即采用各种筛网、滤网、斜形筛、格栅等方法拦截去除大颗粒悬浮物和部分石油类，有利于污水后续处理设施运行及节约药剂。除此之外，微滤与振动筛技术作为一种简单的机械过滤方法，也逐渐被应用到污水的预处理中去。它适用于把废水中存在的微小悬浮物质、有机物残渣及其他悬浮固体等最大限度地分离出来，大大降低了后处理负荷，且处理水量大，管理方便，可成为钢铁污水预处理中很有发展前途的技术。2.2 钢铁废水中油的处理

国内钢铁通常采用含油处理方法如气浮法、吸附法、生化法和化学法，处理效果一直不甚理想。现已开发出用膜技术处理污水中的油，这是一种具有耐腐蚀、机械强度高、孔径分布窄、使用寿命长等突出优点的陶瓷膜技术，它对油的截留率达到了99%，通过对陶瓷膜系统处理后的透过水可作为冲洗水使用，浓缩液经加热、离心分离后的油可作为燃料利用。这种新型的方法具有可观的经济价值。2.3 钢铁废水中盐的处理

目前，在水处理行业中已经应用的除盐工艺有：离子交换除盐、蒸馏法除盐水处理、膜分离技术等。钢铁废水盐浓度高，采用离子交换除盐方法成本高，而且除盐率相对不是很高，且生酸碱废液排放量大，会造成环境再次污染。蒸馏法工艺仅适用于小水量的除盐水处理，而且耗较大，处理成本很高，不宜于钢厂大水量的除盐工艺。

随着经济技术的发展和环保要求的提高，膜分离技术到广泛的应用。反渗透膜除盐技术作为膜分离技术的一种，具有分离度高、脱盐率最高、可达95%以上、单位面积的透水速度快、化学稳定性好、系统运行定、出水水质可靠、环保效果好、易于实现自动化等优点，是钢铁行业水处理方面有很好的应用价值。2.4 含酚废水处理

对焦化厂的含酚氰废水，国外普遍采用的是延时曝气或强化曝气生化法处理技术。焦化的含酚氰废水采用预曝—中和—气浮—曝气—沉淀—除氰一混凝 沉淀—过滤—吸附处理后外排，排水中酚<0.1mg/L，CN<0.5mg/L，油<1.0mg/L，COD<40.0mg/L，完全可以达标排放，该废水处理工艺是目前国内较先进的工艺。

3、结语

环境污染是当今人类面临最大的危害之一，特别是工业生产的发展，排出了大量的废水，这些废水如直接排放或处理不当，将影响水体的自净，因而使水质恶化。人们日益意识到环境污染带来的危害，现在污水必须通过处理才能排放已成为人们的共识。山东思源水业，为您提供优质的污水处理工艺方案。

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第四篇：化工节能技术

化工节能技术

化工08-1 任龙

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夹点技术原理与最新应用

摘要：夹点技术是过程集成技术的一门方法学.它将热力学原理和系统工程相结合，用以确定过程系统能量利用与回收的优化配置，提高能量利用率，降低能耗。本文论述夹点技术的原理，概述它的工业应用情况。

关键词：夹点技术原理

应用

夹点技术是英国Bodo Linnhoff教授等人于70年代末提出的换热网络优化设计方法，后来又逐步发展为化工过程综合的方法论。夹点技术是能量回收系统的重大突破，80年代以来夹点技术在欧洲、美国、日本等工业发达国家迅速得到推广应用，现已充公的应用于各种工业生产的连续和间歇工艺过程，应用领域十分广阔，在世界各地产生了巨大的经济效益。

夹点技术的基本原理

夹点技术是以化工热力学为基础，以经济效益为目标函数，对换热网络整体进行优化设计。优化过程包括冷热物流之间的匹配，冷热公用工程的类型和能级选择;加热器、冷凝器及系统中一些分离器、蒸发器等设备在网络中的合适放置位置；节能、投资和可操作性的三维平衡。最终的优化目标是确定出具有最小的设备、投资费用和操作费用，并满足把每一个工艺物流由初始温度加热或冷却到目标翁杜的换热网络。

夹点技术的应用领域

夹点技术起源于换热网络设计，经过近几十年的不断发展，其应用领域不断扩大，已延伸到除反应过程以外的所有化工过程，在热电联产、分离序列、蒸馏塔、热泵、热机、干燥器、公用工程系统及一般的工艺过程设计与发行等方面均有应用，涉及到众多工业部门。

夹点技术的应用效果

（1）降低能耗

通过改进能量回收系统及公用工程系统节约能量费用，实现区域热联合，充分利用废热或废料发生热量。

（2）提高生产能力，改进质量控制

通过解除过程系统瓶颈而不改变加热炉及主要机泵设备，可达到增产的目的。

（3）降低投资费用

对工厂建设投资和操作费用加以评估，并提出解决办法，可在少投资或不投资、少增加或不增加能耗的条件下完成工程改造和扩建，提高能效。在新设计中可以做到操作费用和设备投资又节省，在改造中可更好利用已有设备，也可减少新增抽象换热面积。

（4）降低环境污染

可以用排放废气或废液最少为目标进行优化设计，减少三废，降低温室效应。

夹点技术的发展 夹点技术自问世以来呈现出三维的发展趋势。第一维：应用范围不断扩大：换热网络→热电联产网络→整个工艺过程→涉及若干过程和服务系统的整个工厂；第二维:网络优化的评价指标逐步深入：能量费用→投资费用→原材料费用→可操作性，弹性，安全性，可近控性等定性指标→水费用→污染物排放量；第三维：设计类型逐渐发展：新工厂设计→老工厂改造→间歇工艺过程综合。

夹点技术的最新发展方向

夹点技术的最新发展方向：压力降优化，柔性设计，蒸馏塔目标设定，低温过程设计，间歇过程综合，降低水流率，全局能量系统综合，排放目标设定。

夹点技术的最新应用

鉴于夹点技术的节能减排效应和经济效益，其在石油、化工等过程工业中的应用越来越广泛。

常减压装置消耗的能量约占炼油厂总能量的25%~30%，已成为炼油厂消耗能量最大的装置。某规模为250吨t/a的常减压装置，换热网络终温较低，装置能耗较高，换热网络的可操作性差。针对此问题，在夹点技术的基础上，李哲等结合工艺流程模拟软件和换热网络计算软件对原有常减压换热装置进行优化，得到了近于最优的换热网络。新的换热网络实际运行后，使原油的换热终温提高了27℃，装置能耗降低2.35Kg 标油/t 原油，年创效益接近1200万元，取得了良好的经济效益。

中国石油宁夏炼化公司100万t/a 常压蒸馏装置建成投产后，长期处于低负荷状态下运行，近年来随着原油加工量不断增加，装置“瓶颈”逐渐显现—原油换热终温偏低、加热炉效率低、产品出装置温度高等，能耗长期偏高，迫使装置优化改造。采用夹点技术改造后，原油换热终温由271℃提高到了294℃，装置加工量由140万t提高到200万t，装置能耗由原来的10.5kgEO/t降低到9.76kgEO/t，加热炉效率由85.72%提高到了90.36%。由以上数据可以看出，装置能量利用率和装置加工量提高显著。

蔡砚等[7]对一套20世纪80年代引进的加氢裂化装置进行用能分析，发现存在跨越夹点的传热的不合理用能情况。结合工程实际和经济因素，运用夹点技术对装置进行分析，发现该装置节能潜力高达31323kw/h。根据夹点换热原则结合对现有换热网络的利旧问题的考虑，得出两种具有显著优势的换热网投资1122.7万元，可获得节省2174.4万元/a的经济效益 夹点技术不仅局限于热力学问题，更加广泛的延伸到水系统设计中。近年来，水夹点技术的应用对于节约过程工业的新鲜水、大幅减少废水排放量方面优势显著。中油公司大庆石化分公司炼油厂[8]应用水夹点技术确定了全系统最小的新鲜水用量9.83t/h，与原用新鲜水量为24.3t/h相比，该项目实施可使该厂用水量节约59.5%，在获得81.02万元/a的经济效益的同时，对解决目前面临的水资源危机意义重大。袁一星等[9]运用水夹点技术对M炼油厂进行分析计算，得出了最小用水量114.25t/h，与原用水量为148t/h相比，该项目实施可使该厂用水量节约23%。

总之，当前能源供应短缺成为经济增长的“颈瓶”之一，对于石油、化工等典型的过程工业，用夹点分析的方法对过程系统的用能、用水状况进行诊断，可找到过程系统的用能“瓶颈”所在，夹点技术在换热网络、水网络中的应用为国民经济的发展带来巨大的经济效益和社会效益。大量的工程实例证明，利用夹点分析技术，指导具体过程系统工程的改造或设计，能降低公用工程消耗量和初期的投资费用，实施方法简单，具有明显的优势，应用前景广阔。<1>Linnhoff B,Hindmarsh E.The Pinch Design method for ExchangerNetwork[J].Chemical Engineer Science.<2>Linhoff.B and FlowerJ.R.Synthesis of heat exchanger networks：PartⅠ：SystematicGeneration of energy optimal networks.PartⅡ：Evolutionary generation of networkswith variouse criteria of optimality <3> LinnhoffB.，JRFlower.AIChEJ.<4> Clmeda，T.，F1toh，Kshirko.Ind.Eng.Chem.<5> LinnhoffB.，WDWitherelloilandGasJournal

<6>姜磊.常减压装置能量系统优化改造[J].石油化工应用.<7>蔡砚，冯霄.加氢裂化装置换热网络的节能改造[J].现代化工.<8>张济民，夹点技术原理与应用

<9>王俊美，陈金华，夹点技术原理与最新应用 <10>吴大可，陈树林，夹点技术及其应用

<11>徐文斌.常减压蒸馏换热网络优化与改进[J].高桥石化，<12>李哲，康久常，佟韶辉.常减压装置换热网络的优化设计[J].当代化工 <13> 张玉巍.常减压装置加工高酸原油工艺方案探讨[J].河南化工 <14>高峰.赖桂兰.杨雪梅夹点技术在苯乙烯装置节能上的应用

<15>白玫用Aspen Plus和夹点技术系统调优化工用能-石油化工技术与经济

<16>徐舜华.刘伟.杨帆求解换热网络夹点的Excel电子表格法-计算机与应用化学

<17>徐兵.梁玉祥.易美桂.李春桃.刘经星.刘洪杰煤焦油蒸馏工序的能耗分析-煤炭转化

<18>陈彦霖.崔晓钰.郭广品吸收式制冷系统换热网络优化-流体机械 <19>张国钊,环氧丙烷装置换热网络优化与废液换热器改进研究 <20>金涌.王垚,以循环经济理念推进生态化学工程现代化工

第五篇：先进钢铁材料技术的进展

先进钢铁材料技术的进展

钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心董瀚

摘要：钢铁材料是不断发展的先进材料，它依然是本世纪的主要结构材料。先进钢铁材料具有环境友好、性能优良、资源节约、成本低廉的特征。本文从钢铁材料理论进展出发，评述微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组织性能预报和材料信息化技术等重要的先进钢铁材料技术进展。

关键词：先进钢铁材料技术、微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组织性能预报

WTHZRecent Progress in Advanced Steel TechnologiesWT(Yong GAN and Han DONG

Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China

National Engineering Research Center for Advanced Steel Technology, China)WTHZAbstractWTSteel is generally believed to be as one of the dominant structural materials in the 21st century due to its environmental benign, high performance, resource saving and low cost characteristics.The paper overviewed the newly developments in advanced steel technology.It was stressed on the important progresses of microalloyed steel, ultrafine grained steel, nitrogen alloyed stainless steel, high quality specialty steel, process modeling and steel database technology.WTHZKeywordsWTadvanced steel technology, microalloyed steel, ultrafine grained steel, nitrogen alloyed stainless steel, high quality steel, process modeling, steel databaseWT

一、引言

钢铁材料具有资源相对丰富、生产规模庞大、加工制造容易、性能多样可靠、成本低廉稳定、使用便利习惯和回收利用方便等特点，是基础设施建设、工业设备制造和人民日常生活中广泛使用的材料。目前和可预见的未来还没有任何材料能够全面取代钢铁材料，钢铁材料仍然是占据主导地位的结构材料，是社会和经济发展的物质基础。

经过人类不懈的努力积累和创造，在钢铁材料科学和技术上取得了巨大的进步。钢铁材料的宏观性能和微观组织结构之间的关系已逐渐清楚，可运用量子力学理论解释钢铁材料的某些宏观行为。人们逐渐地可以从理论出发设计和生产钢铁材料。铁水脱硫、转炉复吹、超高功率电炉冶炼、炉外精炼、中间包冶金、连铸、控轧控冷、微合金化等迅速进步的冶金生产工艺技术为钢铁材料的设计和生产提供了技术基础。而计算机等相关行业的技术发展也为钢铁材料设计和生产提供了先进的控制手段。纵观钢铁材料的发展历史，归纳当前钢铁材料精采纷呈的理论和技术的发展，人们不难得出一个结论：基于当前的理论和技术发展，钢铁材料本身在21世纪还会发生重要的变革，最终将会导致钢铁材料的性能显著提高，并将对整个社会发展起巨大的推动作用。先进钢铁材料的含义是：在环境性、资源性和经济性的约束下，采用先进制造技术生产具有高洁净度、高均匀度、超细晶粒特征的钢材，强度和韧度比传统钢材提高，钢材使用寿命增加，满足21世纪国家经济和社会发展的需求。

今天，先进钢铁材料技术发展表现在钢铁生产和应用的各个方面，全面和详尽的述及是不可能的。本文从钢铁材料学科的理论进展出发，结合市场发展的需求，论述微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组织性能预报和材料信息化技术等当前重要的先进钢铁材料技术进展。

二、微合金化钢技术

在钢中添加微量（单独或复合加入含量少于0.1%）的合金化元素（钒、铌、钛等），形成相对稳定的碳化物和氮化物，从而在钢中产生晶粒细化和析出强化效果，使屈服强度较碳素钢和碳锰钢提高23倍的钢类称为微合金化钢。微合金化元素的作用与热变形密切相关。20世纪5070年代是微合金化钢的理论和技术取得重要进展的时期［1］。人们将HallPetch关系式应用于描述低碳钢和微合金钢的强度与晶粒尺寸的关系，提出了晶粒细化不仅有效提高钢的强度还可提高韧性，特别是改善韧脆转折温度。观测到含铌钢的屈服强度与晶粒尺寸关系明显偏离传统的HallPetch关系，并由此发现在铁素体中沉淀析出了非常微细的碳化铌、氮化铌或碳氮化铌沉淀相导致附加强化。这个期间值得提及的重要工作有：第二相阻止晶粒粗化原理的提出及微合金碳氮化物用于控制奥氏体晶粒；微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积公式及微合金元素的溶解与微合金碳氮化物的沉淀规律；稀溶体中第二相的Osterwald熟化过程及微合金碳氮化物的粗化规律；微合金化元素对变形奥氏体再结晶行为的影响；微合金化钢的控轧控冷技术；微合金化钢中夹杂物对性能的影响规律和夹杂物改性控制技术；微合金化钢中渗碳体或珠光体对性能的影响规律及低珠光体钢和针状铁素体钢的研制开发；微合金化钢的组织—性能关系式与微合金化钢设计。标志性的国际会议Microalloying'75对这一时期微合金化钢的研究开发及生产应用工作进行了充分的总结［2］，确立了微合金化钢的地位和进一步发展的方向，使得微合金化钢成为重要发展方向。

20世纪80年代至今是微合金化钢产品的迅速发展时期，特别是90年代后期世界主要钢铁生产国相继制定和实施新一代钢铁材料研发计划，超细组织、高洁净度、高均匀度和微合金化是钢铁材料的最重要发展趋势，微合金化钢的研发获得了更为广泛的认同和重视［3］。这一时期的主要工作有：复合微合金化原理；微合金碳氮化物的沉淀析出次序；微钛处理控制奥氏体晶粒尺寸的原理及其应用；微合金碳氮化物在铁素体中的固溶度积公式及其在铁素体中的沉淀析出强化原理；奥氏体的变形热处理原理及控轧技术，特别是控制动态再结晶轧制技术的应用；微合金化钢连铸连轧生产技术；微合金化原理的系统理论；无珠光体钢乃至无间隙原子钢（IF Steels）；高等级石油管线钢；变形诱导铁素体相变（DIFT）技术与超细晶粒钢。

钛是早期微合金钢的主要微合金化元素。过去钢铁材料标准中均有许多含钛钢种，如我国的15MnTi、13MnTi、14MnVTi、20Ti、10Ti等。目前钛微合金化主要用于微钛处理（0.02%），利用TiN析出相的高温稳定性来控制奥氏体晶粒长大，改善钢的韧性和焊接性。钒在钢中主要起沉淀强化作用，加入量一般小于0.20%。钒微合金化一般不需要采用低温轧制，因此适合长形材及厚板等品种的开发。厚钢板、厚壁H型钢、微合金非调质钢等品种由于受轧机能力、变形量和孔型轧制等条件的限制，难以实现低温控轧。采用VN微合金化技术结合再结晶轧制，通过VN在奥氏体中析出诱导铁素体在奥氏体晶内形核，从而细化组织。铌在钢中的主要作用是细化晶粒、沉淀强化和相变强化。与其它微合金元素相比，铌对奥氏体再结晶抑制作用最大。利用铌的这一特点发展了传统控轧工艺（未再结晶控轧）以细化晶粒。轧制后未沉淀析出的铌（固溶铌）将在铁素体内析出，起沉淀强化作用。另外，固溶铌还能够降低Ar3温度，有助于获得贝氏体和针状铁素体。近年来，钢铁研究总院研究了铌在变形诱导铁素体相变中的作用机理，与武钢和本钢合作开发了含铌高强度耐大气腐蚀钢，使CuPTiRE和CuPCrNi系两类应用最广泛的耐大气腐蚀钢的屈服强度分别提高到400兆帕和500兆帕以上，与包钢薄板坯连铸连轧厂合作开发了X60管线钢和汽车大梁钢。根据经济建设的需要，结合我国资源，应当发展有中国特色的微合金化高强高韧钢。

三、细晶粒钢和超细晶粒钢技术

20世纪90年代后期以前，工业化生产的钢材的晶粒尺寸大多超过10微米。超细晶粒钢是当今世界钢铁材料理论和技术领域的研发热点。从20世纪90年代末开始，日本、韩国、中国和欧盟等国家先后投入力量进行超细晶粒钢的研发。日本材料研究院采用低温大变形和多轴压下技术，在实验室将铁素体晶粒尺寸细化到0.51微米［4］。韩国POSCO采用应变诱导动态相变(Strain Induced Dynamic Transformation)技术，在实验室轧机上将CMn钢和微合金钢的晶粒尺寸分别细化到45微米和2微米［5］。我国于1998年启动了翁宇庆负责的973项目“新一代钢铁材料的重大基础研究”，其主要研究内容是将目前广泛应用的铁素体—珠光体钢的屈服强度提高一倍，即碳素结构钢屈服强度从200兆帕级提高到400兆帕级，高强度低合金钢的屈服强度从400兆帕级提高到800兆帕级。我国的研究形成了以变形诱导铁素体相变为核心的细晶粒或超细晶粒形成理论和控制技术，实现了细晶粒或超细晶粒钢的工业化生产［6，7］。 为实现超细晶粒钢的工业化生产，日本川崎重工与中山钢厂采用异步辊轧制（SRDD）、机架间冷却和轧后快冷等技术建设了一条可低温大应变量变形的专业化超细晶粒钢生产线。采用低温大应变控制轧制技术可将低碳钢的铁素体晶粒尺寸细化至3微米，屈服强度提高到500兆帕。日本新日铁公司采用“先进TMCP工艺”进行表层超细晶粒厚钢板的生产。该工艺将变形、道次间加速冷却、终轧后加速冷却及轧制过程中变形热控制等技术结合，故称为“复杂TMCPs”技术。利用该技术，新日铁公司已生产出厚度为25毫米、表层铁素体晶粒尺寸2微米，深度达4毫米的表层超细晶粒钢板。该钢具有较高的强度、韧性和良好的抗疲劳和断裂等性能。

我国在开展新一代钢铁材料的基础理论研究工作的同时也安排了超细晶粒钢的工业化试制。其中重点安排了碳素超细晶粒钢扁平材和长型材的工业化试制。在长型材研发方面，利用普通碳素结构钢Q235化学成分，通过有效的工艺控制，钢的组织可细化至5微米左右，开发的带肋钢筋的屈服强度达到了400兆帕级，满足GB14991998标准的热轧带肋钢筋要求。在扁平材研发方面，宝钢与东北大学采对CMn钢利用低温轧制、加速冷却和低温卷取等技术，获得了铁素体晶粒尺寸约为5微米左右的铁素体—珠光体—贝氏体钢。钢板的屈服强度达到400兆帕级，同时具有良好的成形性能，已应用于一汽汽车大梁。攀钢和武钢与钢铁研究总院采用普通碳素结构钢化学成分，利用控制轧制、道次间加速冷却和轧后控冷等技术，获得了铁素体晶粒尺寸约为45微米的铁素体—珠光体钢［8，9］。钢板的屈服强度也达到了400兆帕级，钢板成形性能优异，已开始批量应用于东风汽车大梁。变形诱导铁素体相变现象和理论

变形诱导铁素体相变是指在钢的Ae3温度附近施加变形，变形中奥氏体能量升高，稳定性降低，从而导致相变。由于相变是在变形过程中，而不是在变形之后的冷却过程中发生的，因而又被称为动态相变。这种相变之所以引起人们的关注，一方面是因为它能够获得超细晶粒，另一方面是因为它具有较好的工业化前景。

变形诱导铁素体相变现象的发现始于20世纪7080年代，当时称为应变诱导/强化铁素体相变（SIFT/SEFT）。Yada等人较早系统地考察了这一现象：通过在1073K单道次变形或多道次连

续变形，可将0.111.0%Mn钢的铁素体晶粒细化至1(3微米。铁素体数量随变形道次的增加而逐渐增多，同时晶粒尺寸逐步减小，表明铁素体发生了动态再结晶。采用原位X线衍射技术证实了SIFT的存在。同时发现，相变可在钢的平衡相变温度以上发生，提高应变速率有利于SIFT进行。综合各种试验结果（组织观察、微区成分测定和应变应变曲线），Yada等认为SIFT是一个不涉及原子长程扩散的块状转变。DIFT相变的机制有待深入的研究。

在系统地研究温度、应变、应变速率影响规律的基础上，我们提出了以变形诱导铁素体相变(Deformation Induced Ferrite TransformationDIFT)作为描述这一现象的名词［10］。在实验室轧机上成功地实现了微合金钢DIFT轧制，并获得超细晶组织。通过1093K三道次变形诱导铁素体相变轧制，将低碳微合金钢0.09C0.29Si1.42Mn0.045Nb0.008Ti(wt%)的铁素体晶粒细化到0.92微米，屈服强度达到630兆帕。随着总压下量的增大，DIFT铁素体的体积分数增加，铁素体晶粒平均尺寸略有下降。DIFT后卷取使钢带的超细晶粒组织均匀，但是强度下降。固溶铌不利于DIFT，析出铌可促进DIFT，而且还可以阻止铁素体晶粒的长大。

四、氮合金化不锈钢技术 镍是当前多数不锈钢的主要合金化元素，不锈钢生产的快速增长导致了镍的紧缺。应用氮合金化可以替代不锈钢的镍元素，降低成本，提高性能。从20世纪20年代开始，人们发现在不锈钢中氮可以提高强度，后来又陆续发现其对钢的耐蚀性能有益。但氮作为合金化元素使用的最早报道是在1938年。阻碍氮作为合金元素使用的主要因素主要是氮的加入问题。在大气压强下氮在钢中的溶解度低，加入困难。20世纪50年代，由于当时镍的缺乏，促使了人们对铬镍锰氮和铬锰氮奥氏体不锈钢的研究。结果诞生了200系列的CrMnNiN不锈钢，氮含量大多在0.10%～0.25%范围内。60年代由于AOD炉外精炼技术的工业应用，使得氮的加入和控制问题得到了一定程度的解决。人们已认识到氮在显著提高不锈钢力学性能的同时，还提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐局部腐蚀性能如耐晶间腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等。

随着加压冶金技术的发展，氮可以较大含量固溶于钢中，并因此改善钢的性能。氮在钢中的作用再次被人们所广泛关注。目前国外已开发了多种高氮钢的冶炼技术，包括等离子冶炼、加压感应炉冶炼、加压电渣重熔冶炼、粉末冶金以及利用先进的计算机合金设计方法进行的常压下高氮钢的冶炼等。德国、奥地利、保加利亚等工业化生产和应用高氮钢。目前工业化应用的最大加压电渣炉已达20吨，最大工作压力达6兆帕，在奥氏体不锈钢中最高氮的加入量可达2.1%。

作为固溶元素，碳和氮均以间隙固溶的方式在铁素体（体心立方）的八面体和奥氏体（面心立方）的四面体中存在。当元素含量超过溶解度积后，碳和氮以化合物的形式析出。碳在铁素体和奥氏体中的析出规律已得到比较系统的研究，而氮由于在常规冶金条件下溶解度的限制，目前的研究还远没有系统化。氮在奥氏体不锈钢中含量的提高将极大地提高碳在奥氏体中的溶解度，氮和碳之间的这种交互作用可以促进碳在奥氏体不锈钢中的应用［11］。体心立方结构的钢中韧脆转变机制已明了，但提高氮含量而导致的面心立方的奥氏体不锈钢出现韧脆转变机理尚不明了。

氮合金化不锈钢发展的主要趋势有：①高强高韧钢。此类钢主要利用氮对钢力学性能的贡献，通过适当的冶金工艺和恰当的合金设计，将氮固溶于钢中，从而研制出超高强度、超高韧性的不锈钢。已经研究出固溶状态下屈服强度超过2000兆帕，冷变形状态下强度超过3600兆帕的超高强度钢。②以耐蚀性能为主的综合性能优异的不锈钢。此类钢主要利用氮对钢的耐蚀性能的贡献，并兼顾氮在力学性能上的影响，针对特殊的服役环境，研究出一系列新型超级不锈钢。③以节约资源、降低成本为主要目的的经济型不锈钢。此类钢利用氮对钢组织的影响，部分或全部替代贵重金属镍，使得钢在较低的原料成本下仍保持奥氏体组织，从而在性能上兼顾奥氏体钢的特点和氮对钢性能的作用。

我们正在开展氮合金化不锈钢的研究工作，其中有：高洁净度和高均匀度的氮含量控制在0.08%～0.12%的核级控氮304不锈钢，其耐蚀性能优于304不锈钢；高洁净度和高均匀度的氮含量控制在0.06%～0.12%的核级控氮316不锈钢，其耐蚀性能优于316不锈钢；氮含量0.35%～0.46%的含氮奥氏体不锈钢具有优良的力学性能、耐点蚀和缝隙腐蚀性能［12］；已工业化试生产出氮含量达0.6%的高氮奥氏体不锈钢，拟作为钢筋应用于耐腐蚀钢筋建筑。

五、高质量特殊钢技术 特殊钢在线软化退火处理

为了便于机械加工，按照传统冶金生产工艺流程生产出的特殊钢材，如冷镦钢、轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、合结钢和碳结钢等需要先进行软化退火处理。利用轧制热进行在线软化退火处理，不需要离线重新加热，节能降耗效果显著。目前，许多国家相继开展了特殊钢的在线软化处理技术的研发，主要以高碳GCr15轴承钢的控轧控冷和在线球化退火处理为主，而对于中碳钢和中碳合结钢的研究工作有限。神户制钢第7线材厂在1999年进行了改造［13，14］，增加了超重负荷能力的减定径机组，并将输送线从原先的48米加长到100米，可实现低温轧制和较宽温度范围内的控冷。2001年他们在改造后的线材轧机上生产出在线软化的冷镦钢盘条。在线软化处理SCM435线材的强度低于800兆帕，而传统工艺生产的钢材强度大于900兆帕。用其进行球化退火，在达到同样珠光体球化率的情况下，节省等温时间45％。所生产的具有微细组织的S45C钢线材可实现快速球化退火。实现在线软化退火处理的技术关键是降低轧制温度和轧后控冷。对于中碳钢和中碳合金钢，结合轧后控冷，可得到较多体积分数的细铁素体＋球化或退化的珠光体的组织，其硬度较常规线材降低，断面收缩率提高，冷加工性能提高。传统高速线材轧机难以实现在线软化退化的主要原因是不能够进行低温大变形量轧制。

目前高速棒线材轧机多为20世纪8090年代所建，多数已进入更新改造期。其改造的重点是配备能实现低温轧制的超重负荷精轧机组，使其具有控轧的生产能力。对Steor控冷线进行设备改造和加长，更容易地实现控冷。特殊钢线材的在线软化处理属正在发展中的技术。我们正在对冷镦钢的在线软化处理技术进行研究，已经能够实现离线快速球化退火。特殊钢夹杂物控制技术

疲劳失效是钢制机械零部件的主要失效方式。影响疲劳性能的主要因素包括硬度、夹杂物和表面缺陷。通常改善疲劳性能的方法是减少易成为疲劳破坏源的夹杂物、表面缺陷和脱碳等。当采用工艺方法(如对线材或半产品采用车削、磨削等去皮技术)获得无表面缺陷和脱碳的光亮材后，进一步改善疲劳性能就需要控制杂质元素和夹杂物。

针对起源于非金属夹杂物的“鱼眼”型疲劳断裂，应控制钢中的非金属夹杂物使其无害化来提高的疲劳极限。可以降低钢中氧含量、细化非金属夹杂物的尺寸和控制其分布、减少非金属夹杂物的数量、对非金属夹杂物变性处理等。早期的工作侧重于降低钢中的杂质元素（特别是氧含量）来减少非金属夹杂物的数量，细化非金属夹杂物。日本大同特殊钢研究了采用ULO(超低氧)、ULO+UL〃TiN(超低氧+超低TiN)和VI+VAC(真空感应+真空重熔)等工艺生产汽车悬挂和气门弹簧用钢SUP6、SUP7及SUP12。钢中氧含量小于0.0011%，比常规RH脱气处理的0.0021%～0.0033%大幅度下降，从而使夹杂物数量和尺寸较RH脱气法显著降低。由于减少了B型和C型夹杂物，ULO钢的疲劳极限提高约100兆帕。采用ULO法冶炼的SUP6和SUP7钢的疲劳极限与SUP12钢处于相同水平。高纯净度ULO+UL〃TiN钢的疲劳极限显著提高，与VI+VAR钢的疲劳极限相近。ULO钢中的Al2O3和TiN夹杂物的尺寸明显小于常规处理钢中的夹杂物尺寸。在ULO+UL〃TiN钢的疲劳源上夹杂物出现的几率减少，成为疲劳源的夹杂物尺寸变小，而在VI+VAR钢的疲劳源处未观察到夹杂物。 由于不可能无限制地降低钢中夹杂物含量，并考虑到生产成本的要求，需要将降低钢中夹杂物含量变为使夹杂物无害化。控制夹杂物的成分在钙斜长石和假硅灰石之间的共晶成分，可降低熔点和使其软化。在热轧时可使夹杂物产生塑性变形而使其尺寸减小。夹杂物硬度与基体硬度相当可减轻夹杂物周围的应力集中。同时控制夹杂物数量和形态够明显提高弹簧钢的疲劳寿命。

目前的疲劳数据源自107周次以下的循环载荷试验。然而许多发动机、汽车承力运动、铁路车轮和轨道等部件需要承受108～1012周次的循环载荷而不发生断裂。在过去几年中，对于通常认为存在疲劳极限的高强度钢，仍有部件和结构在更高循环周次下发生疲劳断裂。这就需要研究高循环周次下疲劳断裂的现象和机制。

六、钢材组织性能预报和材料信息化技术长期以来，钢材加工工艺设计和生产控制大多建立在经验基础上。近年来，随着物理金属学理论和计算机数值计算技术的发展，人们研发了钢材加工过程模拟技术。近二十年来，过程模拟技术已经逐渐从对产品尺寸和表面质量控制延伸到了对生产过程中的组织演变模拟和产品的组织性能预报和控制。近年来，世界各国的学者开发了钢材组织性能预报和控制系统，如MM，SLIMMER，VAIQ Strip，METMODEL，STRIPCAM等。有的作为离线的模拟工具软件，有的已经应用到了热轧生产线上。组织性能预报技术的关键是建立钢材加工过程的定量模型。目前阶段组织性能预报技术以扁平材和长型材生产为主，可以延伸到管材生产。所涉及的钢种主要是CMn钢和部分高强度低合金钢。钢铁研究总院结合珠钢CSP生产线和宝钢厚板坯热连轧带钢生产线，已初步开发了系统模拟预测模型，有关组织演变、变形和传热机理的定量模型的进一步验证和优化在进行之中。

各工业国家重视材料数据库的建设。美国是世界上数据库工作最活跃的国家，仅材料数据库就有几百个。美国国家标准参考数据系统包括了数十个各类数据库，其中有材料力学性能、金属弹性性能、金属扩散、材料腐蚀、材料摩擦磨损、合金相图等材料数据库。西欧和日本等国也在加强数据库的建设，德国卡尔斯鲁厄的科技信息中心，设有一个庞大的科技信息网络，是欧洲的大型数据网络系统。该系统包括100多个数据库，主要涉及材料、物理、化等领域，如材料性能数据库，金属性能数据库等。日本的数据库建设起步较晚，多数开始于20世纪80年代初，目前已建起的各类数据库1000多个。目前各国先进的数据库已经互通联网，提供联机检索。

我国材料数据库技术的研究开始于20世纪80年代初期，目前有清华大学等建立的新材料数据系统库、北京科技大学等建立的材料腐蚀数据库、北京航空材料研究院建立的航空材料数据库、钢铁研究总院建立的合金钢数据库和军工钢材数据库等。我国的材料数据库数量比较少，在互联网络上目前很少有国内拥有的可以公开查询的数据库。

钢铁生产流程中的组织性能预报技术和信息化数据库技术都属于目前和今后的行业关键性共性技术，随着企业和整个社会对信息化技术的重要性认识程度加深和实际需求，上述技术必将有广阔的应用前景。

七、结语

必须看到，钢铁材料是一类不断发展的先进材科。无论是品种还是质量，21世纪的钢铁材料已经完全不同于从前的钢铁材料。伴随着需求变化和相关技术进展，21世纪的钢铁材料将会以质量高和多样化的面貌出现在人类面前。为了适应未来的社会和经济发展，应不断地运用新技术、新工艺和新装备，研发出环境友好、性能优良、资源节约、成本低廉的先进钢铁材料与相关信息化技术。

致谢作者的同事刘正东、刘清友、雍歧龙、苏杰、杨才福和杨忠民等教授级高工、惠卫军、孙新军、苏航和荣凡等高工近年来从事先进钢铁材料技术的研发，对本文的撰写提供了帮助，籍此致以衷心的感谢。参考文献

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