学科发展研究(2012-2013)分述
冶金工程技术
2014年04月02日

  一、引言

  冶金工程技术学科是工程技术学科中的重要学科,它是推动冶金行业发展的基础和保证。尤其是2008年世界金融危机出现以来,冶金工程技术学科的新发展已经成为中国钢铁工业战胜困难、优化结构、节能降耗,与国民经济其他部分一起实现持续稳定发展的最重要动力。

  钢铁是21世纪最具创新潜力和可持续发展的材料之一,为机械、能源、化工、交通、建筑、航空航天、国防军工等各行各业提供所需的材料产品。随着冶金新技术、新设备、新工艺的出现以及冶金工程流程学理论和实践的推广应用,钢铁产品将向更洁净和更高性能方向发展,达到资源、能源的高效利用和钢铁行业的绿色发展和可持续发展。

  近些年,我国冶金工程学科发展很快,尤其是冶金工艺流程优化、产品开发和冶金装备制造在理论和工程技术上都有长足的进步,部分研究成果已达到国际先进或领先水平。人才培养也同步发展,中国已成为世界钢铁冶金研发的重点国家之一。

  二、本学科近四年最新研究进展

  中国学者在冶金工程技术学科基础科学研究上提出一些创新理论、观点及应用成果,例如:(1)提出描述硅铝酸盐熔体结构,计算其中氧离子含量,预报复杂熔渣体系黏度和电导率的新模型,建立了电导率和黏度的定量关系;(2)在冶金反应过程动力学上,提出气固相反应动力学新模型,该模型描述材料(如镁碳砖、AlN等)高温氧化动力学预报具有普适性;(3)将熔盐电解和碳热还原结合,有效改进金属钛及合金制备技术;(4)提出了以亚熔盐态的碱金属高浓度离子介质处理钒渣,可提高钒回收率,并同步提取钒和铬。

  在冶金技术学科上,既重视单工序、单体设备、单项技术的技术开发和应用研究,更重视系统集成和交叉学科集成的技术研发。综合利用选矿各种新工艺、新设备,解决了我国低品位、难选矿的综合利用水平。大中型高炉利用自主创新技术在高风温、长寿化取得长足进步。在冶金设备大型化、自动化和智能化上取得新的进展。提出了高效、低成本、转炉洁净钢生产的系统概念和技术。我国自主研发的新一代控轧控冷技术达到国际先进水平。采用现代装备及自动化控制技术在量大面广的产品上普遍提高了钢材的洁净度、均匀性、质量稳定性、强度和韧性的综合性能,在关键高品质特殊钢品种开发上,基本满足了新兴产业发展的需要。利用系统节能理论和能量流网络优化技术,推广“三干三利用”等关键共性技术,我国吨钢综合能耗、吨钢耗新水、污染物综合排放水平大幅度下降。

  进入21世纪以来,冶金热能工程学科在工业领域率先开展了工业生态学的研究,提出“源头治理”是治本,“末端治理”是治标,要求从产品设计、原燃料供应、产品生产、产品使用,一直到产品报废后回收等各个环节,都要符合保护生态环境的要求。

  近几年来,冶金工程技术创新不断取得的新成果中,理论与生产技术相结合取得的最重要进展有以下三个方面:

  (一)冶金流程工程学理论的进一步完善,并形成冶金流程工程学学科

  1993年,由中国工程院院士殷瑞钰提出了“冶金流程工程学”,2004年出版了《冶金流程工程学》专著,2011年出版了英文版,2012年该书日译本出版,2013年出版了《冶金流程集成理论与方法》。这两篇著作是我国独创的关于冶金流程工程理论的重要著作,把钢铁生产流程中相关的物质流、能量流及循环过程所涉及有关“功能-结构-效率”问题上升到工程学角度来认识、研究和分析,形成新的系统的冶金流程工程学体系。研究了节能、清洁生产和钢铁工业绿色制造问题,提出了钢厂环境问题要通过节能、清洁生产-绿色制造过程逐步实现环境友好,展望了钢铁企业有关生态工业链及未来在循环经济社会中的角色,指导了新一代钢铁制造流程实现产业化。

  新一代钢铁制造流程实现了产品制造、能源高效利用和转化、消纳社会废弃物三大功能,高效集成了国内外行业先进技术,采用新的全三脱工艺(脱硅、脱硫、脱磷)、快速RH真空精炼、高效连铸和高效轧制的低成本高效洁净钢生产技术,实现节能减排,使产品质量达世界先进水平。新一代钢铁制造流程实质是一个流程工程学与技术集成和优化的命题,京唐钢铁公司和重庆钢铁公司等新一代大型生产流程的设计、建设和投产后运行,以及沙钢、唐钢等原有钢铁生产流程中的局部优化、改造都是冶金工程流程学研究成果的应用结晶。新一代钢铁厂“动态—精准”设计理论和方法对冶金厂设计理念、理论和方法提出新的认识,并将最新的研究成果应用于工程实践,推动了钢铁厂结构调整和优化,为钢铁厂节省了工程投资,实现了生产集约化、工艺现代化、装备大型化、调控信息化、产品洁净化、资源循环化、环境友好化、效益最佳化和社会和谐发展。

  (二)钢铁产品升级换代,促进品种结构优化取得重大成绩

  利用我国自主开发的高效低成本转炉洁净钢生产系统技术、新一代控轧控冷技术、细晶钢轧制理论、组织控制和相变控制新技术,有力地促进了钢铁产品升级换代。

  首先,在量大面广的产品升级和质量稳定性控制上取得较好的成效。如:≥400MPa和≥500MPa螺纹钢已达55%,抗震钢筋、高强度硬线、耐火耐候钢板、H型钢、造船用耐蚀钢板、大型液化天然气(LNG)低温压力容器板、汽车用高强度钢板(700-1500MPa),汽车高质量表面板、家电用薄规格防指纹镀锌铝板、厚规格管线钢X80等多数钢材品种质量接近或达到国际先进水平。

  此外,在关键品种开发上取得重大突破,基本满足我国新兴产业发展需求。如电力工业用超超临界火电机组用耐热、耐高压管(600℃)、核电机组用高性能不锈钢、合金钢管、耐蚀合金U型管等高品质特殊钢过去靠进口,现在已可立足国内;采用低温工艺生产高牌号取向硅钢(HiB)铁损低于0.80瓦/千克,已成功用于500kv大型变压器制造;400系铁素体不锈钢和双相不锈钢、实物质量达国际先进水平,得到广泛应用,不仅满足国内需要还开拓了国外市场。

  (三)我国大型化、自动化、智能化冶金装备的自主设计、制造取得较大进步

  我国自主研发的5000m3特大型高炉及配套特大型焦炉、烧结机、球团设备,其自动化、智能化达国际先进水平。自主研发了200吨级电炉成套设备、世界最大断面圆坯连铸机、特大方矩型连铸机、特厚板坯连铸机、400吨矿用汽车、大型模锻设备,2000mm以下宽带钢连轧机组和4000mm以下中厚板生产机组全部实现国产化。冷连轧机组国产化已从单机架向连轧机推进,从普冷板轧机向汽车板、镀锡板、不锈钢板、硅钢板轧机推进,从中宽带钢向宽带轧机推进。

  宝钢自主开发的“特薄带钢高速酸轧工艺与成套装备研究开发”、“低温高磁感取向硅钢制造技术的开发和产业化”、“先进高强度薄带钢制造技术与产业化”分别获冶金科技奖2011、2012、2013年度特等奖。不仅解决了冷连轧宽带钢轧机、高取向硅钢片和高强度薄规格冷轧板成套设备制造、自动化和智能化控制装备技术,还创新开发了新工艺技术。

  以上三项重大研究进展与成果代表了冶金工程技术学科近几年来的主要发展方向,同时也带动了冶金原料与预处理、冶金反应工程学、钢铁冶金、轧制等分学科全面的技术进步。如:钢铁冶金分学科中的高炉高风温、高炉长寿、高温高压干熄焦、转炉少渣炼钢、特大型高炉与转炉干法除尘、机械真空泵系统真空精炼、电炉集束氧枪与顶底复合冶炼、电磁冶金,轧制分学科的新一代控轧控冷、薄板坯连铸——半无头轧制等众多自主创新的技术成果,迅速达到国际先进或领先水平,为钢铁工业的结构优化做出了贡献。

  冶金工程技术学科的进步还反映在冶金科技进步奖和中国金属学会冶金青年科技奖等奖项的评审中。例如:2010-2013年评出3项冶金科学技术特等奖,并有306项成果分获冶金科学技术一、二、三等奖;2010-2012年并有25项获国家发明奖和国家科技进步奖,4人获中国青年科技奖,2人获光华工程科技奖;2010年和2012年评出中国金属学会冶金青年科技奖26人,冶金先进青年科技工作者36人。

  冶金企业、科研院所和高校重视自主创新能力的提升,既重视国外专利、专有技术的引进、消化、吸收、再创新,更重视自主专利技术的研发和申报以及创新方法的推广应用。此外,学科人才培养机制也有新进展,例如:以冶金工程技术学科为主要专业的重点高校实施“211”工程三期、“985”工程、“优秀学科创新平台”建设等;企业、高校和研究院所创建国家工程技术中心、国家工程研究中心、国家工程实验室等都有较大进展。

  三、本学科国内外研究进展比较

  我国冶金工程技术学科总体上达到国际先进水平,部分领域处于国际领先水平。最突出的成果——冶金流程工程学,是我国学者独创的理论,经过近几年发展,不仅实现了新一代钢铁制造流程的产业化,并已形成了冶金工程技术学科其他分学科中两个新的内容,即:冶金流程工程学和冶金厂设计。这两个新的崭新的研究内容和成果正逐渐列入多个冶金高等学校教学内容,并成为冶金设计的新内容、新准则,在理论和实际应用上达国际领先水平。

  1)冶金熔体热力学及物理性质模型方面。我国继续处于国际前沿地位,将熔盐电解与碳热还原结合,改进金属钛及合金制备技术,在亚熔盐法清洁生产铬盐和综合利用钒渣以及处理红土铬矿等研究与应用方面处于国际先进水平。但在冶金热力学、动力学实验研究领域与国际先进水平比仍有较大差距。

  2)冶金反应工程方面。充分吸收计算流体力学的最新成果,应用于冶金反应器内流体流动的数值模拟;开发特大型钢锭凝固过程数值模拟优化工艺等方面都有较好的进展。但在开展高效、节能、减排再资源化中,工艺理论研究和生产工艺研究结合不够。

  3)露天矿采矿和选矿技术方面。在露天陡坡开采和露天转地下联合采矿工艺等都保持国际先进水平。我国选矿工艺的不断创新已达到国际先进(某些方面国际领先)水平,特别在开发高效选矿设备和选矿浮选药剂上已取得突破。但针对一定强度岩石的切割采矿技术,国外已达到开采大型化、生产连续化、装备现代化,我国还处于研发阶段。国外智能矿山的研究与开发向液压化、联动化、自动化发展,我国这方面刚起步。

  4)冶金热能工程学方面。工业炉窑热工理论与控制技术应用于节能型加热炉,使炉子的装备水平、热效率及计算机控制等均达国际先进水平。但钢铁生产过程余热余能回收利用与国外对比仍有差距,基础理论研究滞后,能量系统分析方法及评价指标尚不完善。

  5)钢铁冶金炼铁方面。高炉煤气干法除尘技术和设备,配合TRT发电,取得了节能、减少污染的好效果,并已得到较好普及。一些先进企业的高炉高效长寿技术、高炉高风温技术已达到国际先进水平。但我国高炉炉渣显热基本没回收,部分高炉仍存在燃料比高、装备水平低、环保投入少、环境治理差等问题。

  6)钢铁冶金炼钢方面。具有中国特色的高效率、低成本转炉洁净钢生产技术已达到国际先进水平。钢中非金属夹杂物控制技术、薄板坯连铸连轧技术、常规板坯的恒拉速技术、炼钢工艺过程系统模拟和优化技术等都达到国际先进水平。但在电炉炼钢的研发上大体仍处于跟踪状态,对凝固过程理论和连铸技术缺乏原始创新工作。

  7)轧制分学科方面。新一代TMCP技术在理论开发和实际应用上处于国际领先水平,薄板坯半无头轧制技术处于国际先进水平。应用高效低成本的洁净钢生产技术、细晶钢轧制理论及工艺控制技术,在部分量大面广产品的升级和一些关键品种的开发上达国际先进水平。但板材无头轧制技术在国际上已商业应用,我国还处于研发状态。钢材组织性能精确预报及柔性轧制与国外比仍有差距。此外,学科交叉融合不够、创新能力不足。

  8)冶金机械与自动化方面。板带表面缺陷在线监测方法与系统达到国际先进水平。大型冶金设备集成创新在大型化、智能化上已达国际先进水平。但目前超宽带热-冷连轧机组、薄板坯连铸连轧机组等还需从国外引进。冶金装备技术研发中知识产权申报意识不强,冶金装备缺乏品牌,自主创新不足。在冶金自动化方面,迫切需要研究开发数据驱动和知识驱动相结合的生产过程智能控制软件。在生产管理和能源管控方面,需研究开发综合业务模型、动态调度、智能优化等技术。

  四、本学科发展趋势和展望

  (一)今后本学科的发展趋势和重点

  (1)钢铁行业的绿色发展。钢铁是21世纪最具创新潜力和可持续发展的材料之一。钢铁冶金的绿色发展,不仅在支撑我国国民经济快速发展和满足人民群众消费需求升级上具有重大作用,而且在推动我国经济绿色发展上将发挥重要作用。

  钢铁冶金企业绿色发展必须实现两个“转变”,即在发展模式上从单纯追求数量扩张的粗放型向注重节能减排、清洁生产、低碳发展的科学发展模式转变;在企业功能上从单纯的钢铁产品制造向产品制造、能源转换和消纳社会废弃物的生态型钢铁企业转变。钢铁企业应重视环境经营,在产品开发上既要重视节能、环保新功能材料的开发,更要重视质量和质量稳定性的提高;既要重视产品本身生产的节能减排,更要关注新产品给其他行业使用过程中所带来的节能减排效果,要把设计、采购、生产、运输、营销和产品回收利用等有机结合起来,尽量减少对环境的影响。

  (2)应重点抓好冶金工程流程学与冶金工厂设计、生产运行的结合。以动态-精准设计的理念,构建我国冶金工厂设计的创新理论和创新设计方法,既重视在新厂建设中的应用,更重视现有工厂改造和指导日常生产中的应用。

  (3)重视信息学科和云计算快速发展给冶金工程和冶金工程技术学科带来的新机遇和挑战,充分发挥信息学科和冶金工程学科交叉,优势叠加,互相促进的作用,带动整个冶金工程和冶金工程学更上新水平。

  (4)重视资源开发和利用,特别是低品位难选共生矿、锰矿、镍矿的开发利用和废钢资源的合理利用。

  (5)关注国际冶金工程学科在各领域的研究热点和重点。集中财力、物力加大对重点发展项目的投入强度,支撑优势团队,力争在重点方向上有较快发展和突破。

  (6)加强行业和学科创新支撑体系建设,包括政策支撑体系、技术服务体系、投融资服务体系、法律(知识产权)服务体系、人才培养和激励体系等。加强以企业为主体的产学研用之间协同创新能力建设,提高冶金行业和企业综合竞争力。

  (二)本学科今后的重点工作

  (1)提高行业和学科自主创新能力,完善行业科技创新支撑体系建设。

  (2)抓好新一代钢铁制造流程工艺技术知识的普及和宣传,抓好钢厂生态文明建设的好典型和关键共性技术的推广。

  (3)利用国家新环保标准和节能减排的新要求,淘汰落后产能,研发和推广节能减排的新工艺、新设备、新技术。

  (4)加大国内铁矿、锰矿和煤炭资源科学勘探力度,提高资源综合利用水平。

  (5)加大对学科基础理论研究的支持,特别是学科前沿和重点关键领域以及学科综合性研究的支持,力争尽快取得突破。

  (6)加强对领军人才和骨干科技人才的培养、培训和激励,提倡创新方法、创新文化,鼓励不同学术见解的争鸣,培育宽容的学术气氛。 

  

Metallurgical Engineering and Technology 

   The Chinese researchers put forward some innovative theories, perspectives and application results with respect to the fundamental scientific research for metallurgical engineering technology, such as: (1)The Chinese researchers make descriptions for alumino-silicatemelt structure, calculate oxygen ions of such structure, set up new models for forecasting viscosity and conductivity of complex slag systems, and establish quantitative relationship between conductivity and viscosity; (2)Gas-solid Phase Reaction Kinetics Model is proposed; (3)Molten salt electrolysis is combined with carbon thermal reduction so as to improve preparation techniques for titanium and alloys effectively; (4)High-concentration ion media of alkali metal under sub-molten salt state is proposed for the disposal of vanadium slag, which can improve the recycling rate of vanadium. Vanadium and chromium can be extracted simultaneously.

   In terms of metallurgical technology, various new techniques and new equipments of beneficiation are comprehensively utilized to upgrade the low comprehensive utilization level which features low grade and great difficulty in beneficiation. Self-developed innovative technologies are applied in large-sized and medium-sized blast furnaces which witness new advancements in terms of high blast temperature and long service life. New progress is made for large scale, automatization and intelligentization of metallurgical equipment. Efficient, low-cost and clean BOF steel production system concepts and technologies are proposed. New-generation TMCP Technology, independently developed by China, has come up to the international advanced level. The applications of modern equipment and automation control technology in wide range of steel products in large quantity generally improve overall performance of steel (i.e., cleanliness, uniformity, quality stability, strength and toughness). The development of key high-quality special steel varieties basically meets the development needs of emerging industries. Systematic energy conservation theory and energy flow network optimization technology are applied to push forward “Three Dry and Three Utilizations (Dry Quenching of Coke, Dry Dedusting of Blast Furnace Gas and Dry Dedusting of Converter Gas; Comprehensive Utilization of Water, Utilization of Secondary Energy (represented by byproduct gases) and Utilization of Solid Waste (represented by blast furnace slag and converter slag))” and other key generic technologies. In China, comprehensive energy consumption per ton of steel, fresh water consumption per ton of steel and comprehensive emission level of pollutants have dropped significantly.

   In 1993, YIN Ruiyu (Academician of the Chinese Academy of Engineering) launched the theoretical research on “Metallurgical Process Engineering Science”. He published the monograph entitled Metallurgical Process Engineering Science in 2004 and published the English version of this monograph in 2011. Afterwards, he has published another monograph entitledMetallurgical Process Integration Theory and Methodology in 2013. As important works independently authored by this Chinese scientist with respect to metallurgical process engineering science theory, both of such monographs achieve understanding, research and analysis for material flow and energy flow in steel production process and Element—Function—Structure—Efficiency involved in circulation process from the perspective of engineering science, put forward a number of new concepts, new methods and new theories, and form metallurgical process engineering science. Applications of these theories steer the industrialization of new-generation steel processes, and continue to witness satisfying results, for example, design, construction and operation of production processes in Jingtang Iron and Steel, new base of Chongqing Iron and Steel and other steel enterprises. Modernization and expansion of some existing plants and optimization of production and operation are also achieved under the guidance of these theories. New-generation steel processes embody three functions (i.e., manufacturing of steel products, efficient use and conversion of energy and society-wide waste digestion), and achieve efficient integration of advanced technology, energy saving and emission reduction. The innovative Interface Technology (Turnkey Solution), Technologies of Desulfurization, Desilicication and Dephosphorylation, Rapid RH Vacuum Refining, High-Speed Continuous Casting and Efficient Rolling greatly upgrade the cleanliness of products and help achieve the world-class level of quality.

   The upgrading of steel products and accelerated optimization of product mix also witness significant achievements, particularly significant progress is made for oriented silicon steel sheet, pipeline steel, automotive steel sheet and other key products. Upgrades and quality stability of wide range of steel products in large quantity harvest plentiful results.

   Great progress is made for large scale, automatization and intelligentization of metallurgical equipment designed and manufactured by China independently, such as large-scale blast furnace (with capacity of over 5,000m3) and cold-rolled wide strip mill.

   The appraisal events of Metallurgical Science and Technology Progress Award and Youth Metallurgical Science and Technology Award of the Chinese Society for Metals push forward the scientific and technological advancements in the whole industry. China Metallurgical Science and Technology Award (Special Award) has been grandly presented in 2011, 2012 and 2013 consecutively.

   In China, however, innovation level still needs to be improved, innovative environment needs to be improved, and the steel industry innovation support system should be further improved and strengthened. The funding and human resources inputs for R & D efforts of cutting-edge steel technology should be further reinforced. For China, gaps still exist in corporate environmental protection, ecological civilization construction, energy consumption and core competitiveness of enterprises by comparison with such indicators in foreign countries.

   With outlook on the bright future, Key Development Tasks of Metallurgical Engineering Technology are specified as follows:

   1. Green Development of steel industry. Steel is one of materials with the most innovative potential and sustainable development in the 21st century. Green Development of Steel Metallurgy not only will support the rapid development of China’s national economy and meet the people’s upgraded consumer demand, but also will play an important role in boosting Green Development of the Chinese economy.

   2. It is necessary to perfectly combine metallurgical process engineering science with design, production and operation of metallurgical plants. With Dynamic-Accurate Design Philosophy, it is necessary to set up innovative theories and innovative design approaches for design of metallurgical plants. In other words, it is necessary to focus on applications in the construction of new plants, and pay more attention to transforming the existing plants and giving guidance for applications in the routine production.

   3. It is necessary to emphasize new opportunities and challenges brought by the rapid development of information science and cloud computing to metallurgical engineering and metallurgical engineering science, give full play to the role of interdisciplinary disciplines which link up information science and metallurgical engineering science, integrate strengths and promote each other, and push metallurgical engineering and metallurgical engineering science to a new peak.

   4. It is necessary to attaches great importance to the exploitation and utilization of resources, especially the exploitation and utilization of low-grade refractory intergrown ore, manganese ore and nickel ore and rational use of steel scrap resources.

   5. It is necessary to pay close attention to research highlights and emphases in various fields of international metallurgical engineering disciplines. Financial and material resources should be invested so as to increase the inputs for key development projects, support strong teams, and strive to achieve rapid development and make breakthroughs at focused directions.

   6. It is necessary to strengthen the innovation support system for the relevant industry and disciplines, including policy support system, technical service system, investment and financing service system, legal service (intellectual property rights) system, personnel training and incentive system, etc.