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一、钢材特性和产品 （一）钢材特性 1、原材料 铁（Ferrum）是一种化学元素，具有可塑性（即被拉长的能力）和延展性（即被锻造或滚轧成形的能力）。 钢材原材料主要由三部分组成： n铁矿石，由铁氧化物、磷、二氧化硅、硫、硫和硅组成 n焦炭，通过加热煤，除去煤中的挥发性物质； n除去杂质的石灰石。 2、钢材生产 钢材生产过程如下（图1和图2）： n采矿，即采掘铁矿石、煤炭和石灰石； n选矿，即成型或烧结、炼焦、以及碾碎和筛选； n粗炼，采用氧化设备来熔化铁和采用鼓风炉来浇铸生铁； n精炼，采用氧气顶吹转炉、开口床式反射炉和电炉来获得钢锭； n中轧，通过热轧和冷轧获得：厚钢板（用来制造钢板、管子和管道，以及马口铁）、钢锭（用来制造结构外形、铁轨、圆管和无缝钢管）和钢坯（用来制造钢筋、铁丝、冷拔钢筋、圆管和无缝钢管）； n精轧，通过热轧获得薄钢板和钢带（盘圆），通过冷轧获得冷轧板和未镀锡的黑钢带； n电镀，即退火、回火冷轧和镀锌或涂锡。 3、根据含碳量分类： n熟铁，碳＜0.1%； n生铁，碳＜2～4%，生铁直接来自鼓风炉，使用时必须要再熔化，要拿掉不必要的元素，非建筑用途。 n铸铁，碳＜2～4%； n钢材，碳＜2%。 4、碳钢分类 n低碳，碳＜0.25%； n中碳，碳＜0.25～0.50%； n高碳，碳＞0.5%。 n软钢，类似于熟铁，钢坯滚轧后强度会增强0.8%，可塑性会减少0.8%。 n不锈钢，不锈钢是钢材和其它金属（镍，铬）的合金，抗腐蚀。 5、 结构钢材 根据GB700，主要的结构钢材包括：Q235A、Q235B、Q235C和Q235D。 （二） 钢材产品 1、结构钢材形状 国内钢结构建筑产业起步较晚，对于结构钢材形状的定义也只是遇到一个定义一个，到目前为止还没有系统的给出结构钢材形状的定义，下面只是一些主要的结构钢材形状（其中没有国家标准号的是美国结构钢材形状代号）： nH型钢，H型钢比工字钢的翼缘宽度大，并且是等厚度，截面材料分布比较合理。H型钢的翼缘为等厚度，因而便于和其它的构件连接。根据《热轧H型钢和剖分T型钢》（GB/T11263-1998），热轧H型钢分为宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢和窄翼缘H型钢。它们的代号分别是HW、HM和HN，型号采用高度（或高度的近似值）×宽度（或宽度的近似值）来表示。例如HW400×400、HM500×300、HN700×300。 nT型钢，参见《热轧H型钢和剖分T型钢》（GB/T11263-1998）。 nL型角钢，分为等边（GB9787-88）和不等边角钢（GB9788-88）。角钢的标注符号是：L（角钢代号）边宽×厚度（等边角钢）或L（角钢代号）长边宽×短边宽×厚度（不等边角钢），单位为mm。例如L100×8和L100×80×8。 nC型冷轧卷边槽钢（GB6723-86） nZ型冷轧钢 nHP承重桩形状（美国标准） nS，美国标准梁 nM不属于H、HP、S的形状 nMC不属于C形的型钢，例如： ²双L型角钢 ²组合截面 ²结构管子包括：方形、矩形和开口截面。 ²钢材管道包括：标准、超强和双超强。 ²可以使用的管道包括：电阻焊、无缝、冷轧、热轧和高强度低合金管道。 ²方形和圆形杆件包括：宽度等于或小于152.4mm，厚度等于和超过5.16mm。宽度在152.4mm～203mm，厚度等于和超过5.16mm。 ²钢板包括： Ø宽度在203mm～1219mm，厚度等于和超过5.16mm。 Ø厚度超过1219mm，厚度等于和超过4.57mm。 Ø切边的中厚钢板——所有边缘都导角。 Ø通用钢板——只在端部导角。 Ø带板——从宽钢板上切割下来。 Ø楼层板——有凸起花纹图案（GB/T3277-91）。 2、产品加工 钢材产品加工方式有： n拉丝，拔（或拉）制； n挤出，除了圆形外，类似于拉制； n铸造，把熔化的钢材倒进铸模； n模锻，打进锻模里 3、再加工 钢材产品再加工方式有： n切割，分为剪切、锯开、冲压和火焰切割； n机械加工，分为钻、刨、磨、靠模（即仿形切割）和在车床上旋转切削； n弯曲，适用于可延展的金属：薄金属板、钢板和线性要素； n冲压，类似于模锻，冲进模子里形成三维形状； n滚轧，重新把线性要素弯曲成型。 4、组装 钢材产品组装方式有： n装配，可以采用螺纹部件、互锁技术和舌榫进行装配； n摩擦，分为夹紧、楔紧和挤压； n销子连接，有钉子类的装置、螺栓、铆钉和钉子等； n钉子，主要是钉子和螺钉； n焊接，分为气焊和电焊；粘合剂连接，分为化学连接和材料的吸引。 图1 图2 （二）冶金生产工艺的变革 冶金生产已有数百年的历史，形成大规模的工业生产也有百年以上。纵观大工业冶金生产技术发展的历史，冶金生产过程大体上可以分为三个阶段。 1、 第一阶段 第一阶段大致到20世纪40年代，冶金生产工艺过程的基本模式是： 炼焦→烧结→高炉冶炼→平炉冶炼→铸锭→初轧开坯→成品轧制。 这种工艺流程的特点是轧钢生产有二个阶段，即半成品生产和成品生产，形成了不同类型的轧钢生产系统。 2、 第二阶段 进入20世纪50年代，奥地利发明了纯氧顶吹转炉炼钢法，在此前后，前苏联、瑞士又发明了连续铸钢法。纯氧顶吹转炉炼钢法的应用，大大提高了炼钢效率，缩短了钢的冶炼时间，而连续铸钢技术的发展，省去了铸锭、均热、初轧开坯等工序，使冶金生产过程的能耗降低到一个新水平，并使钢的收得率提高了8～10%，与此同时，轧钢生产向连续化方向发展，各类连续式轧机相继出现，这时冶金生产工艺过程的基本模式是： 炼焦→烧结→高炉冶炼→转炉冶炼→连铸→各类成品轧机轧制。 这种工艺流程的特点是：平炉炼钢逐步被转炉炼钢代替；连铸坯作为轧钢生产的原料得到广泛采用和连轧技术在更为广泛的范围内得到推广和应用，初轧开坯的作用逐步降低。 这种新工艺流程，简化了轧钢生产系统，使冶金企业取得了明显的经济效益。 3、 第三阶段 进入20世纪80年代，冶金生产过程又发生了新的变化，出现了冶金生产工艺过程的新模式： 电炉(炉外精炼)→连铸→成品连轧。 （三）冶金工艺的进步 电炉(炉外精炼)→连铸→成品连轧。这种新的流程即被称为“短流程”，那么以前旧的流程就自然称之为“长流程”了。 建设冶金生产工艺过程的短流程必须具备两个条件，即要有足够的“废钢”和“电力供应”。 冶金生产工艺过程短流程的建设成功，使冶金生产过程大为缩短，轧钢生产系统更为简化，企业获得更为明显的经济效益。因为短流程与传统的冶金生产工艺流程(即所谓的长流程)相比具有如下优点： n吨钢投资少。据美国测算，长流程吨钢投资为1100～1150美元，短流程吨钢投资只需500～550美元； n经营成本低。美国生产数字表明，长流程平均钢材成本为484美元/t，短流程棒材成本只有295美元/t； n环境容易得到保护； n钢材质量容易控制。 （四） 为什么要用废钢? 电炉炼钢就是全部用废钢铁做原料冶炼优质钢材的工艺，在钢铁冶金行业叫做短流程工艺。 即便是长流程的转炉炼钢主要是用铁水冶炼，为了热平衡的需要，也要加入15%的废钢做原料。 在铁矿石价格奇高，节能减排压力、环保投入加大的现实压力下，钢铁短流程生产成为钢铁行业追求的目标。“十二五”期间，我国《钢铁产业发展政策》已做出明确规定，要逐步减少铁矿石比例和增加废钢比。 作为节能环保的绿色原料，是唯一可代替生铁炼钢的大宗钢铁原料废钢铁作为节能环保的绿色原料，是惟一可代替生铁炼钢的大宗钢铁原料，已越来越受到业界青睐。可以说，废钢铁产业的发展直接决定着钢铁行业能否突破铁矿石资源制约、环保压力、淘汰落后产能等现实困境。 2010年，钢铁企业消耗废钢铁8670万吨，与长流程生铁炼钢相比，减少二氧化碳等气体排放1675万吨;减少废水排放2.6亿~4.3亿吨；减少冶金固体渣排放约2.8亿吨。“十一五”期间我国共消耗废钢铁3.775亿吨，与用生铁炼钢相比，减少二氧化碳等气体排放9.4亿吨；减少废水排放11.3亿~18.9亿吨;减少冶金固体渣排放11.1亿吨。 （五）节能环保 电炉短流程是有利于循环经济和环境保护的生产流程，可以实现炼钢节能环保、可持续发展。 据统计在满足国民经济需求的钢产量一定时，生产一吨电炉钢比生产一吨转炉钢可以多循环利用废钢500~600公斤，少消耗铁矿石1.3吨，降低可比能耗265公斤标煤，减少二氧化碳排放1126.3公斤。生产一吨转炉钢约排放二氧化碳1.8吨，生产一吨电炉钢约排放0.6吨，为转炉钢的1/3。 与转炉长流程相比，电炉短流程在投资、资源（包括土地）、能源（包括铁矿石、焦煤等）和节能环保、可持续发展等方面都具有优势。 正是因为短流程具有上述明显的优点，可以预计，越来越多的冶金企业将会采取冶金生产过程的短流程。 二、中国的钢铁是怎样炼成的？ （一）我国的炼钢工艺 目前国内炼钢主要为二种长流程炼钢工艺： n炼焦→烧结→高炉冶炼→平炉冶炼→铸锭→初轧开坯→成品轧制。 n炼焦→烧结→高炉冶炼→转炉冶炼→连铸→各类成品轧机轧制。 （二）我国钢铁产业现状 电炉短流程工艺近年来迅速发展，在全球范围内电炉炼钢占总产钢量比例已从20世纪50年代初的7.3％，提高到近年来的32％～35％，特别是美国和欧盟电炉钢比例已达50％以上。但在世界范围内发展情况不平衡，如我国虽然在近年内新建了一批电炉短流程钢厂，但因产钢总量上升快，高炉－转炉流程增产钢能力占比重大，且因短流程电弧炉当前存在成本 因素制约，电炉钢所占比例持续下降。但我国《钢铁产业发展政策》明确指出，要“逐步减少铁矿石比例和增加废钢比重”，这是实现钢铁工业可持续发展的重大战略决策。 “短流程”在产品高端化、能源多样化、原料多元化等方面的优势，引起了人们重视。 但是由于我国粗钢产量的连年猛增，造成电炉钢的比例不增反减，成为世界上少数几个电炉钢比例下降的国家之一。 （三）我国电炉短流程工艺现状分析 近年来，我国新建了一批电炉短流程钢厂，纵观我国电炉短流程工艺及装备，可以发现存在如下特点： n设备方面：我国短流程中的电炉座数逐年减少，炉容向大型化发展。50吨及以上电炉产能约占我国电炉钢总产能的85%，成为我国电炉钢生产的主体设备，但100吨及以上大电炉产能所占比例仅为42%，比例偏低，且国内大部分电弧炉主体设备技术主要依靠进口，从电炉技术领域专利量分析，国内在电炉装备自主研发明显不足。 n工艺方面：近10年来，我国短流程中的电炉炼钢技术得到了持续的发展，围绕如何缩短冶炼周期、降低操作成本和生产高附加值钢冶炼，开发了诸如超高功率合理供电、富氧及燃料喷吹、偏心炉底出钢、热兑铁水等技术，但与国外同行相比，我国电 炉炼钢的综合能耗偏高，尚未达到国际先进水平。 n从全流程的观点来看：出现了在总体上具有国际先进水平的短流程，如兴澄特殊钢厂的合金钢棒材生产流程、珠江钢厂的电炉－薄板坯连铸－连轧生产流程等。 总之，炼钢短流程工艺柔性强，在生产高碳、高合金钢等特殊钢方面具有优势，并且随着短流程工艺技术的进步和完善，通过优化品种结构、提高高技术含量、高附加值钢种的生产比例，短流程钢材的成本逐步降低，同时，在未来随着铁矿石资源的逐步减少，废钢资源的逐步增多，其吨钢盈利率可望远远大于传统长流程。 然而在现有条件下，国内以电弧炉为核心冶炼设备的短流程工艺面临着一系列挑战： n废钢资源的短缺：我国工业化进程短，社会废钢资源不足，而且钢铁制造过程技术进步使自产废钢不断减少，同时废钢进口量也相应下降，所以我国废钢资源短缺、价格居高不下。 n电能短缺与电价成本：我国电力紧缺，短时期内仍难满足国内电炉钢生产用电需求，缺电和限电导致电炉间歇式生产，生产成本更趋升高。 n废钢循环过程中有害元素的富集：废钢作为短流程的主要原料，其质量在不断恶化。一方面随着废钢循环次数的增加，有害元素不断富集；另一方面钢材表面涂层技术和复合材料的广泛应用使回收的废钢带有Cu、Zn、Pb、Sn、Mo、Ni等元素，这会不同程度地对钢材质量造成影响。 n大部分短流程没有实现全线优化，生产效率不理想。因此应以循环经济的要求来衡量，保证生产顺行，减少设备故障和生产事故，合理调度，提高作业率。 n在节能环保方面存在较大差距：由于认识不足、生产管理不善以及缺乏技术和投资等原因，造成大量的能源浪费及环境污染。 n最可恨的是，千辛万苦的从铁矿石、焦炭、石灰石开始冶炼，既浪费资源，又污染环境苦炼出来的钢铁却都被浇筑到混凝土中烂掉了。 （四）废钢从哪里来？ 全国80%以上的废钢铁资源分布在东北（辽、黑）华北（京、津、唐、晋）华东（江苏、沪、鲁）鄂、川、粤这12个工矿企业比较集中、人口比较稠密的省市；其它地区由于地理条件较差、人口较少，生成的废钢资源不足20%。 n社会回收：主要来源于百姓生活中所淘汰，质量较差，一般归类到中废或以下等级。 n工业回收：主要来源于工厂生产中淘汰的切边，质量优，一般被划分到重废、精炉料、优质废钢、水洗废钢、特优、纯净废钢。 n进口：中国每年废钢需求在8000万吨左右，并不断增加，进口废钢正常水平下占总用量的5-6%。进口主要来源于美国、日本。美国主要提供HMS#1号废钢、破碎料、优质废钢。 钢铁行业业内人士早前提出，短流程模式需要两大支撑因素：充足的电力和废钢供给，这两点正是中国钢铁工业的短板。以美国为例，美国炼钢全部采用短流程工艺。因为经历了工业化的美国，有着充足的废钢资源作为支撑。但目前，我国钢铁产业消耗废钢比重仍大大低于国际水平；我国正处于工业化中期，国内废钢处于积累阶段，资源短缺。而且建筑用钢基本都浇筑到混凝土里，无法回收，“烂掉”了！ 从中国废钢铁应用协会得到一组数据，按照2010年的比例测算，2011年钢铁企业自产废钢铁3380万吨；社会采购废钢铁5600万吨，两项合计8980万吨，扣除调出量200万吨，保持库存不变，则缺口在420万吨～920万吨，还需进口约1000万吨废钢补充国内资源不足。 从中国废钢铁应用协会了解到，2010年废钢铁产业的发展取得了显着进步。废钢铁产业的理念逐步得到认可，产业体系建设日趋完善，相关加工配送基地数量和规模不断增加，废钢铁回收应用量稳步增长，为发展循环经济、节能减排做出积极的贡献。 中国一年消耗大量外汇从澳大利亚、巴西、印度等国进口铁矿石，从美国、日本进口废钢，不但花费了大量社会资源，而且中国大部分钢铁都是从铁矿石、焦炭、石灰石这三大初始原料开始，采用严重污染环境的转炉长流程工艺冶炼，其冶炼工艺过程对于环境的污染也是巨大的。 辛辛苦苦生产出来的8亿多吨钢材，有56.3%（4.504亿吨）的钢材却被浇筑到不可回收的混凝土中，烂掉了，这不是天大的笑话吗？ 三、发达国家的钢铁是怎样炼成的？ （一）电炉“短流程”工艺。 电炉“短流程”特指电弧炉与连铸－连轧相结合的紧凑型生产流程，主要表现为原料准备一电弧炉冶炼－LF炉精炼－连铸－轧制，形成“三位一体”或“四位一体”的紧凑式流程。电弧炉短流程炼钢方法因其在投资、效率、环保等方面的优势，已成为世界钢铁生产的两大主要流程之一。 电炉短流程工艺近年来迅速发展，在全球范围内电炉炼钢占总产钢量比例已从20世纪50年代初的7.3％，提高到近年来的32％～35％，特别是美国和欧盟电炉钢比例已达50％以上。 以美国为例，美国炼钢全部采用短流程工艺。 （二）现代短流程炼钢工艺的发展 1、国外炼钢短流程现状 “短流程”在产品高端化、能源多样化、原料多元化等方面的优势，引起了人们重视。 美国的电炉钢生产占国际领先地位，其型钢市场已被短流程钢铁企业完全占领，北美地区厚板市场逐渐被IPSCO、North Star、Nucor、Oregon Steel等公司的短流程钢铁企业所占领，热轧带卷、冷轧板、镀锌板等薄板市场也逐渐被SDI、Nucor、Gallation、Deltasteel、Trico、Hylsa等公司的短流程钢铁企业所侵蚀，到2002年时美国已有7个厂共12条CSP生产线相继建成投产，产量超过1000万吨 ，约为当时全世界CSP产量的三分之一。欧洲在20世纪90年代兴起了电弧炉短流程发展的一个高潮，并在发展短流程炼钢的过程中开发了一大批电弧炉新工艺和新装备，其中有ABB、MAN-GHH、VAI、Clecim 等公司开发的不同类型直流电弧炉，Fuchs公司的竖式电弧炉、超音速水冷氧枪等技术，Danieli 公司的高阻抗交流电弧炉、基于底吹和二次燃烧技术的DANARC炉，奥钢联的Comelt 、ABB公司的ARCON、MDH公司的CONARC和CONTIARC，此外还有双壳电弧炉，以及薄板坯连铸－连轧技术CSP 、德兴公司的Consteel电弧炉等。随着连铸、连轧技术的逐渐成熟，面向高附加值产品、综合先进技术的电炉短流程钢厂的新扩建也越来越多，如：Ezz带钢公司在埃及AinSukna新建短流程钢厂，采用Danarc交流电弧炉、二次精炼、达涅利最新的薄板坯连铸连轧工艺，半无头轧制和热态铁素体轧制，是世界上具竞争力的超薄带钢生产厂；美国ＡＫ钢铁公司投资18亿美元扩建俄亥俄州赞恩斯威勒特殊钢厂的电炉炼钢车间，新添新型高阻抗电弧炉、新型钢包精炼炉、新型连铸机和电炉钢精加工设备等设备用于生产高附加值、取向电工钢等钢材。 四、中国那么多钢铁去哪儿了？ 目前，我国已经成为钢铁大国，2015年钢产量突破8亿吨，钢结构产量5000万吨，钢材累积量突破70亿吨，千吨规模以上的钢结构制造企业超过3000家，专项施工资质企业突破1万家。2007～2015年期间，我国钢结构产量保持了年平均增长率15%以上的速度，已经成为名副其实的钢结构大国。 我国钢产量已经20多年保持世界第一，钢结构的整体技术已处于国际水平，产业规模全球第一。在大型公共建筑（体育场馆、影剧院、飞机航站楼、高铁车站）、超高层建筑（高度100m以上）、大跨度桥梁（跨度200m以上）、工业厂房、大型市场、仓储等建筑中，钢结构的使用已经占有较高比例；但是在其他房屋建筑（办公、商厦、住宅、学校、医院）中钢结构房屋所占比例仅在6%左右，在桥梁中钢结构所占比例更不到1%。建筑领域钢结构用钢量仅占我国粗钢产量的5%左右，远低于发达国家20～30%的水平。 据统计：截至2013年底我国建筑钢行业总产能达到4.62亿吨，行业生产线数量为624条，年度产量为3.55亿吨，行业产能利用率为77%。当中螺纹钢是我国建筑钢行业的主力品种。 中国产业信息网发布的《2014-2019年中国建筑钢材行业市场研究与投资战略规划报告》指出：当前统计的建筑钢品种主要包括大型型钢、中小型型钢、棒材、钢筋、盘条（线材）和轨道用钢，从2014年1-4月份的分品类比例来看，上述五类品种的表观需求量比例分为为3%、10%、15.8%、41%、29%和1%，棒材、钢筋和盘条的比例占比绝大多数。 不算不知道，一算吓一跳！从上表可以清晰的看出来，中国钢铁行业每年辛辛苦苦，消耗大量资源，严重污染环境，而炼出来的8亿多吨钢，有34.1%（2.728亿吨）的钢被浇筑到房地产不可回收的钢筋混凝土建筑中；有22.2%（1.776亿吨）的钢被浇筑到基建/工程不可回收的钢筋混凝土建筑中；合计56.3%（4.504亿吨）的钢被浇筑到不可回收的钢筋混凝土建筑中。这是一笔多大的资源浪费，并造成多大的环境污染！ |
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