第一篇：鋼鐵、石化-節能技術

石油化工生產節能技術

煉油常減壓蒸餾裝置，采用夾點技術優化換熱和預閃蒸等節能型流程；催化裂化裝置，推廣降低焦炭產率和減少裝置結焦技術；芳烴抽提工藝過程，推廣高效溶劑(四乙二醇醚、環丁砜等)技術；用氫裝置發展氫能優化技術；研究開發低能耗的過濾—吸附再生法；推廣應用抽提蒸餾工藝。

研究開發加氫裝置熱高分流程的優化技術；采用液力透平回收壓力能；開發、應用新型加氫催化劑、先進的反應器內構件和循環氫脫硫措施；推廣延遲焦化裝置大型化、雙面輻射加熱爐技術；推廣裝置間熱聯合技術。

推廣乙烯裝置裂解爐空氣預熱技術、乙烯在線燒焦技術，推廣乙烯裂解爐強化傳熱技術；開發加注結焦抑制劑，推廣低能耗分離技術。研發合成樹脂催化劑技術，完善聚丙烯裝置的丙烯原料精制系統。推廣合成橡膠吸收式熱泵技術。研發直接干燥技術。

鋼鐵工業。加快淘汰落后工藝和設備，提高新建、改擴建工程的能耗準入標準。實現技術裝備大型化、生產流程連續化、緊湊化、高效化，最大限度綜合利用各種能源和資源。大型鋼鐵企業焦爐要建設干熄焦裝置，大型高爐配套爐頂壓差發電裝置（TRT）；煉鋼系統采用全連鑄、濺渣護爐等技術；軋鋼系統進一步實現連軋化，大力推進連鑄坯一火成材和熱裝熱送工藝，采用蓄熱式燃燒技術；充分利用高爐煤氣、焦爐煤氣和轉爐煤氣等可燃氣體和各類蒸汽，以自備電站為主要集成手段，推動鋼鐵企業節能降耗。

石油石化工業。油氣開采應用采油系統優化配置技術，稠油熱采配套節能技術，注水系統優化運行技術，油氣密閉集輸綜合節能技術，放空天然氣回收利用技術。石油煉制提高裝置開工負荷和換熱效率，優化操作，降低加工損失。乙烯生產優化原料結構，采用先進技術改造乙烯裂解爐，優化急冷系統操作，加強裝置管理，降低非生產過程能耗。以潔凈煤、天然氣和高硫石油焦替代燃料油（輕油），推廣應用循環流化床鍋爐技術和石油焦氣化燃燒技術，采用能量系統優化、重油乳化、高效燃燒器及吸收式熱泵技術回收余熱和地熱。

第二篇：節能技術

地源熱泵中央空調：地源熱泵機組利用土壤或水體溫度冬季為12-22℃，溫度比環境空氣溫度高，熱泵循環的蒸發溫度提高，能效比也提高；土壤或水體溫度夏季為18-32℃，溫度比環境空氣溫度低，制冷系統冷凝溫度降低，使得冷卻效果好于風冷式和冷卻塔式，機組效率大大提高，可以節約30--40%的供熱制冷空調的運行費用，1KW的電能可以得到4KW以上的熱量或5KW以上冷量。

與鍋爐（電、燃料）供熱系統相比，鍋爐供熱只能將90%以上的電能或70～90%的燃料內能為熱量，供用戶使用，因此地源熱泵要比電鍋爐加熱節省三分之二以上的電能，比燃料鍋爐節省約二分之一的能量；由于地源熱泵的熱源溫度全年較為穩定，一般為10～25℃，其制冷、制熱系數可達3.5～4.4，與傳統的空氣源熱泵相比，要高出40%左右，其運行費用為普通中央空調的50～60%。因此，近十幾年來，尤其是近五年來，地源熱泵空調系統在北美如美國、加拿大及中、北歐如瑞士、瑞典等國家取得了較快的發展，中國的地源熱泵市場也日趨活躍，可以預計，該項技術將會成為21世紀最有效的供熱和供冷空調技術。能量回饋技術：

1、回饋節能基本原理

將運動中負載上的機械能（位能、動能）通過能量回饋裝置變換成電能（再生電能）并回送給交流電網，供附近其它用電設

備使用，使電機拖動系統在單位時間消耗電網電能下降，從而達到節約電能的目的。

2、回饋節能解決方案

能量回饋裝置的作用就是能有效的將電動機的再生電能高效回送給交流電網，供周邊其它用電設備使用，節電效果十分明顯，一般節電率可達15%～45%。此外，由于無電阻發熱元件，機房溫度下降，可以節省機房空調的耗電量，在許多場合，節約空調耗電量往往帶來更優的節電效果。在通用變頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調速傳統系統中，當電動機所傳動的位能負載下放時，電動機將可能處于再生發電制動狀態；或當電動機從高速到低速（含停車）減速時，頻率可以突減，但因電機的機械慣性，電機可能處于再生發電狀態，傳動系統中所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過逆變器的六個續流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態。這時，如果變頻器中沒采取消耗能量的措施，這部分能量將導致中間回路的儲能電容器的電壓上升。如果當制動過快或機械負載為提升機類時，這部分能量就可能對變頻器帶來損壞，所以這部分能量我們就應該考慮考慮了。

在通用變頻器中，對再生能量最常用的處理方式有兩種：(1)、耗散到直流回路中人為設置的與電容器并聯的“制動電阻”中，稱之為動力制動狀態；(2)、使之回饋到電網，則稱之為回饋制動狀態（又稱再生制動狀態）。還有一種制動方式，即直流制動，可以用于要求準確停車的情況或起動前制動電機由于外界因素引起的不規則旋轉。

有許多專家談論過有關變頻器制動方面的設計與應用，尤其是近些時間有過許多關于“能量回饋制動”方面的文章。今天，提供一種新型的制動方法，它具有“回饋制動”的四象限運轉、運行效率高等優點，也具有“能耗制動”對電網無污染、可靠性高等好處。

功率因數補償技術：功率因數是交流電路的重要技術數據之一。功率因數的高低，對于電氣設備的利用率和分析、研究電能消耗等問題都有十分重要的意義。

所謂功率因數，是指任意二端網絡（與外界有二個接點的電路）兩端電壓U與其中電流I之間的相位差的余弦。在二端網絡中消耗的功率是指平均功率，也稱為有功功率，它等于電壓×電流×電壓電流間相位差的余弦。

由此可以看出，電路中消耗的功率P，不僅取決于電壓V與電流I的大小，還與功率因數有關。而功率因數的大小，取決于電路中負載的性質。對于電阻性負載，其電壓與電流的位相差為0，因此，電路的功率因數最大（）；而純電感電路，電壓與電流的位相差為π/2，并且是電壓超前電流；在純電容電路中，電壓與電流的位相差則為－（π/2），即電流超前電壓。在后兩種電路中，功率因數都為0。對于一般性負載的電路，功率因數就介于0與1之間。

一般來說，在二端網絡中，提高用電器的功率因數有兩方面的意義，一是可以減小輸電線路上的功率損失；二是可以充分發揮電力設備（如發電機、變壓器等）的潛力。因為用電器總是在一定電壓U和一定有功功率P的條件下工作，由公式P=UIcosΦ

可知，功率因數過低，就要用較大的電流來保障用電器正常工作，與此同時輸電線路上輸電電流增大，從而導致線路上焦耳熱損耗增大。另外，在輸電線路的電阻上及電源的內組上的電壓降，都與用電器中的電流成正比，增大電流必然增大在輸電線路和電源內部的電壓損失。因此，提高用電器的功率因數，可以減小輸電電流，進而減小了輸電線路上的功率損失。

提高功率因數，可以充分發揮電力設備的潛力，這也不難理解。因為任何電力設備，工作時總是在一定的額定電壓和額定電流限度內。工作電壓超過額定值，會威脅設備的絕緣性能；工作電流超過額定值，會使設備內部溫度升得過高，從而降低了設備的使用壽命。對于電力設備，電壓與電流額定值的乘積，稱為這臺設備的額定視在功率S額即也稱它為設備的容量，對于發電機來說，這個容量就是發電機可能輸出的最大功率，它標志著發電機的發電潛力，至于發電機實際輸出多大功率，就跟用電器的功率因數有關，用電器消耗的功率為

功率因數高，表示有功功率占額定視在功率的比例大，發電機輸出的電能被充分地利用了。例如，發電機的容量若為15000千伏安，當電力系統的功率因數由0．6提高到0．8時，就可以

使發電機實際發電能力提高3000千瓦，這不正是發揮了發電機的潛力嗎？設備的利用也更合理。從這個角度來講，功率因數可以表示為有功功率與機在功率的比值，即

如何提高功率因數，是電力工業中需要認真考慮的一個重要而又實際的問題。在平常遇到的電感性負載的電路中，例如日光燈電路，一般采用并聯合適的電容器來提高整個電路的功率因數。閉環控制技術：閉環控制是根據控制對象輸出反饋來進行校正的控制方式，它是在測量出實際與計劃發生偏差時，按定額或標準來進行糾正的。閉環控制，從輸出量變化取出控制信號作為比較量反饋給輸入端控制輸入量，一般這個取出量和輸入量相位相反，所以叫負反饋控制，自動控制通常是閉環控制。比如家用空調溫度的控制

在控制論中，閉環通常指輸出端通過“旁鏈”方式回饋到輸入，所謂閉環控制。輸出端回饋到輸入端并參與對輸出端再控制，這才是閉環控制的目的，這種目的是通過反饋來實現的。正反饋和負反饋是閉環控制常見的兩種基本形式。其中負反饋和正反饋從達于目的的角度講具有相同的意義。從反饋實現的具體方式來看，正反饋和負反饋屬于代數或者算術意義上的“加減”反饋方式，即輸出量回饋到輸入端后，與輸入量進行加減的統一性整合后，作為新的控制輸出，去進一步控制輸出量。實際上，輸出量對輸入量的回饋遠不止這些方式。這表現為：運算上，不止于加減運算，還包括更廣域的數學運算；回饋方式上，輸出量對輸入

量的回饋，也不一定采取與輸入量進行綜合運算形成統一的控制輸出，輸出量可以通過控制鏈直接施控于輸入量等等。相控調功技術：相控技術采用閉環反饋系統進行優化控制，通過實時測量電動機的電壓與電流波形，由于電動機為一感性負載，其電流與電壓波形通常存在相位差，該相位差的大小與其負載的大小有關。相控器將實際相位差與依據電動機特性的理想相位差進行比較，并依此來控制SCR可控硅整流橋觸發角以給電動機提供優化的電流和電壓，以便及時調整輸入電機的功率，實現“所供即所需”。電能質量質量技術：

（1）電壓質量。給出實際電壓與理想電壓間的偏差以反映分配的電力是是否合格。電壓質量通常包括：電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、電壓瞬變現象、電壓波動與閃變、電壓暫降、暫升與終端、電壓諧波、電壓陷波、欠電壓、過電壓等。

（2）電流質量。電流質量與電壓質量密切相關，為了提高電能的傳輸效率，除了要求用戶汲取的電流是單一頻率正弦波形外，還應盡量保持該電流波形與供電電壓同相位。電流質量包括：電流諧波、間諧波或次諧波、電流相位超前與之后、噪聲等。

（3）供電質量。包括技術含義和非技術含義兩部分，技術含義有電壓質量和供電可靠性；非技術含義是指服務質量，包括供電部門對用戶投訴與抱怨的反應速度和電力價目的透明度等。

（4）用電質量。包含電流質量和非技術含義等，如用戶是否按時、如數繳納電費等。

治理方法：

一、瞬變現象 在電力系統運行分析里。它表示電力系統運行中一種并不希望而又事實上出現的瞬時事件。由于RLC電路的存在，大多數人的概念里瞬變現象自然是指阻尼振蕩現象。關于此，IEEE里有一個含義更寬，描述也更簡單的定義：變化量的部分變化，且從一種穩態過渡到另一種穩態過程中，該變化逐漸消失的現象。但這樣描述在電能質量領域里會存在潛在的許多分歧。下面對瞬變的兩種普遍類型做一下介紹：

1、沖擊性瞬變現象是在穩態條件下，電壓、電流的非工頻、單極性的突然變化現象。通常用上升和衰減時間來表現沖擊性瞬變的特性，也可以通過其頻譜特性成分表示。

2、振蕩瞬變現象是一種電壓、電流的非工頻、有正負極性的突然變化現象。對于迅速改變瞬時值極性的電壓和電流振蕩問題，常用其頻譜成分（主頻率）、持續時間和幅值大小來描述其特性。

二、短時電壓變動

這一類型包括電壓暫降（也稱為驟降或凹陷）和短時間電壓中斷等現象。若按照持續時間長短來劃分，進一步還可將其分成瞬時、暫時和短時三種類型。順便指出：如此細分的目的是用于電能質量監測中隊電壓干擾分類統計。

1、電壓中斷，當供電電壓降低到0.1p.u以下，且持續時間不超過1min時，我們就認為出現的電壓中斷現象。出現原因可能是系統故障、用電設備故障或控制失靈等。

2、電壓暫降是指工頻條件下電壓方均根值減小到0.1~0.9p.u之間、持續時間為0.5~50周波的短時電壓變動現象。電能質量領域使用暫降（sag）來描述短時電壓降低已經很多年了，IEC把這一現象成為驟降（dips）在國內外行業內這兩個詞可以相互替換，是同意詞。

3、電壓暫升的涵義是指在工頻條件下，電壓均方根值上升到1.1~1.8p.u之間、持續時間為半個到50個周波的電壓變動現象。與暫降的起因一樣，暫升現象也是同系統故障相聯系的。我們可以用幅值大小和持續時間來表征這一現象。由于分類的方法不同，在許多資料中也使用“瞬態過電壓”作為“電壓暫升”的同義詞。電壓暫升現象遠沒有電壓暫降現象那樣常見。

三、長時電壓變動

長時間電壓變動是指，在工頻條件下電壓均方根值偏離額定值，并且持續時間超過1分鐘的電壓變動現象。分兩種情況，即過電壓和欠電壓。通常，過電壓和欠電壓并非由于系統故障造成，而是由于負荷變動或系統開關操作引起的。

1、過電壓過電壓是指在工頻條件下交流電壓方均根值升高，超過額定值10%，并且持續時間大于1分鐘的電壓上升現象。過電壓的出現通常是負荷投切的結果。

2、欠電壓是指在工頻條件下交流電壓方均根值降低，低至額定值的90%且持續時間超過1分鐘的電壓變動現象。與過電壓的出現原因正好相反。某一負荷的投入或某一電容器的切除都可能引起系統欠電壓。

3、持續中斷是指系統電壓迅速降到0且持續時間大于1min。這種長時間電壓中斷往往是持久的。當系統事故發生后，往往需要人工應急處理以恢復正常供電，通常需數分鐘或數小時。持續電壓中斷是特有的電力系統現象。但如果是電氣設備檢修或線路更改導致停電，或由于工程設計不當或電力供應不足引起的持續中斷，則不屬于電能質量問題。

四、電壓不平衡

電壓不平衡，時常被定義為與三相電壓或電流的平均值的最大偏差，并且用該偏差與平均值的百分比表示。電壓不平衡也可以用對稱分量發來定義即用負序或零序分量的百分比加以衡量。電壓不平衡的起因主要是負荷不平衡（如單相運行）所致，或者是三相電容器組的某一相熔斷器熔斷造成的。大于5%的電壓不平衡屬于電壓嚴重不平衡，它的起因很可能是由于單相負荷過重引起的。

五、波形畸變

波形畸變是指電壓或電流波形偏離穩態工頻正弦波形的現象，可以用偏移頻譜描述其特征。波形畸變有五種重要類型，即直流偏置、諧波、間諧波陷波和噪聲。

1、直流偏置，在交流系統中出現直流電壓或電流稱為直流偏置。這可能是由于地磁干擾或半波整流引起的。例如為延長燈管的壽命在照明系統中采用的半波整流器電流，會是交流變壓器偏磁以至于發生磁飽和，引起鐵芯發熱縮短壽命直流分量還會引起接地極和其它電氣設備連接的電解腐蝕。

2、諧波，把含有供電系統設計運行頻率整數倍頻率的電壓或電流定義為諧波。可以把畸變波分解成工頻和各次諧波分量的綜合。電力系統中的非線性負荷是造成波形畸變的源頭。

3、間諧波，與諧波定義方法類似，只是將整數倍于工頻的條件換成非整數倍。

4、陷波是電力電子器件在正常工作情況下，交流輸入電流從一相切換到另一相時產生的周期性電壓擾動。由于陷波的連續出現，可以用受影響電壓的波形頻譜來表征該量。但由于陷波的相關頻率相當高，很難用諧波分析中習慣采用的測量手段來反映它的特征量，通常把它作為特殊問題處理。例如，一種評價指標規定，出現的陷波以其下陷深度和寬度來衡量。

5、噪聲是指帶有低于200kHz寬帶頻譜，混疊在電力系統的相線、中性線或信號線中的有害干擾信號。電力電子裝置、控制器、電弧設備、整流負荷以及供電電源投切等都可能產生噪聲。由于接地線配置不當，未能把噪聲產地至遠離電力系統，常常會加重對系統的噪聲干擾和影響。噪聲可以對點射設備的正常工作造成危害。采用濾波器、隔離變和電力線調節器等措施能減緩噪聲的影響

第三篇：鋼鐵污水處理方案技術

鋼鐵污水處理方案技術

工業廢水對水體環境的影響較大，使水體中懸浮物、油、重金屬、酚、氰、COD等污染因子超標。在眾多工業中，鋼鐵工業的廢水排放量很大，據統計，我國鋼鐵工業外排水量約占工業外排廢水量的10%，且廢水中含有大量的污染物質和有害物質。因此，治理鋼鐵工業廢水，對解決水體污染，保護和節約水資源具有重要的意義。

污染物也是原料存在的一種形式，只不過這種存在形式使可利用資源量減少，損害了人們的經濟利益，也影響了人們的身體健康。由于物質是可以轉化的，只要措施得當，存在于污染物中的物質就可能變為可以被利用的形式。因此，人們一直在尋找有效、合理處理鋼鐵廢水的方法，并盡可能多的對處理后的廢水和廢水中所含的有用物質進行資源化利用。

1、鋼鐵廢水的來源、特點及處理

鋼鐵大多是集燒結、焦化、煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等各生產工序和機械、動力、耐火材料等輔助工序為一體的聯合，各生產工序在生產過程中均產生并排放大量的廢水。一般將排至外部的一種或多種工序的綜合排水稱為鋼鐵總排水，鋼鐵總排水具有排水量大、含有多種污染物且污染負荷大等特點。

1.1 焦化廢水

這是焦化廠產生的廢水，其特點是含有高濃度酚。焦化廢水中酚可回收利用，常用熔劑萃取法和氣提法，對蒸氨后廢水進行冷卻，作為洗氨補充水循環使用。對于最終硝化生化系統產生的外排水，可將其稀釋用于焦爐熄焦補充水。1.2 高爐煤氣洗滌水

高爐煤氣洗滌水是煉鐵廠的主要污水，其特點是含有大量的固形物和雜質。這類廢水需進行懸浮物去除、水質穩定、冷卻處理以達到水的循環使用。目前大型煉鋼廠在污水中投加混凝劑，沉淀池采用軸流式，沉淀污泥經濃縮和過濾脫水為濾餅，可作為燒結原料，處理后廢水可循環使用。1.3 轉爐煙氣廢水

轉爐煙氣廢水是煉鋼廠的主要污水，含有大量懸浮物。這類廢水主要采用自然沉降、絮凝沉淀和磁力分離。處理后廢水可以進入循環水系統。1.4 軋鋼廢水

熱軋廢水主要污染物為氧化鐵皮、懸浮物和油類。熱軋廢水主要采用藥劑混凝沉淀以去除懸浮物和油類，經冷卻后循環使用；冷軋廢水主要污染物為懸浮油、乳化油等，懸浮油需用刮油機除去，含乳化油廢水必須破乳，然后浮選除去油；另外，還有鋼材酸洗廢水，其中主要含酸和鐵鹽。

2、鋼鐵廢水的處理技術

根據以上分析的鋼鐵廢水來源及特點，可見鋼鐵的廢水處理及資源化，主要是考慮去除污水中的懸浮物、油、鹽類還有酚類物質等。

2.1 鋼鐵廢水中懸浮物的處理

目前，在鋼鐵行業常見的處理工藝主要有混凝沉淀、過濾。通過投加一定量的混凝劑、助凝劑于廢水中，使廢水中難以自然沉淀的污染物和一部分細小懸浮物形成絮凝體，再在后

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續沉淀池中沉淀分離，從而使大部分懸浮顆粒物以泥漿的形式從池底部排出，清水從池頂排出。混凝沉淀處理后的廢水，經 冷卻塔冷卻后循環使用，處理后水中的SS<30mg/L。

混凝法和其他處理方法聯合使用處理鋼鐵的廢水，可以取得更好的處理效果。采用曝氣-混凝沉淀法處理。高爐煤氣洗滌水進入沉淀池之前，通過曝氣將水中游離CO2吹脫，使溶解在水中的碳酸鹽析出，在沉淀池中一并去除。這種方法有利于高爐煤氣洗滌水的水質穩定，可減緩高爐煤氣洗滌水系統的結垢。

污水的預處理還可以通過物理法，即采用各種篩網、濾網、斜形篩、格柵等方法攔截去除大顆粒懸浮物和部分石油類，有利于污水后續處理設施運行及節約藥劑。除此之外，微濾與振動篩技術作為一種簡單的機械過濾方法，也逐漸被應用到污水的預處理中去。它適用于把廢水中存在的微小懸浮物質、有機物殘渣及其他懸浮固體等最大限度地分離出來，大大降低了后處理負荷，且處理水量大，管理方便，可成為鋼鐵污水預處理中很有發展前途的技術。2.2 鋼鐵廢水中油的處理

國內鋼鐵通常采用含油處理方法如氣浮法、吸附法、生化法和化學法，處理效果一直不甚理想。現已開發出用膜技術處理污水中的油，這是一種具有耐腐蝕、機械強度高、孔徑分布窄、使用壽命長等突出優點的陶瓷膜技術，它對油的截留率達到了99%，通過對陶瓷膜系統處理后的透過水可作為沖洗水使用，濃縮液經加熱、離心分離后的油可作為燃料利用。這種新型的方法具有可觀的經濟價值。2.3 鋼鐵廢水中鹽的處理

目前，在水處理行業中已經應用的除鹽工藝有：離子交換除鹽、蒸餾法除鹽水處理、膜分離技術等。鋼鐵廢水鹽濃度高，采用離子交換除鹽方法成本高，而且除鹽率相對不是很高，且生酸堿廢液排放量大，會造成環境再次污染。蒸餾法工藝僅適用于小水量的除鹽水處理，而且耗較大，處理成本很高，不宜于鋼廠大水量的除鹽工藝。

隨著經濟技術的發展和環保要求的提高，膜分離技術到廣泛的應用。反滲透膜除鹽技術作為膜分離技術的一種，具有分離度高、脫鹽率最高、可達95%以上、單位面積的透水速度快、化學穩定性好、系統運行定、出水水質可靠、環保效果好、易于實現自動化等優點，是鋼鐵行業水處理方面有很好的應用價值。2.4 含酚廢水處理

對焦化廠的含酚氰廢水，國外普遍采用的是延時曝氣或強化曝氣生化法處理技術。焦化的含酚氰廢水采用預曝—中和—氣浮—曝氣—沉淀—除氰一混凝 沉淀—過濾—吸附處理后外排，排水中酚<0.1mg/L，CN<0.5mg/L，油<1.0mg/L，COD<40.0mg/L，完全可以達標排放，該廢水處理工藝是目前國內較先進的工藝。

3、結語

環境污染是當今人類面臨最大的危害之一，特別是工業生產的發展，排出了大量的廢水，這些廢水如直接排放或處理不當，將影響水體的自凈，因而使水質惡化。人們日益意識到環境污染帶來的危害，現在污水必須通過處理才能排放已成為人們的共識。山東思源水業，為您提供優質的污水處理工藝方案。

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第四篇：化工節能技術

化工節能技術

化工08-1 任龍

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夾點技術原理與最新應用

摘要：夾點技術是過程集成技術的一門方法學.它將熱力學原理和系統工程相結合，用以確定過程系統能量利用與回收的優化配置，提高能量利用率，降低能耗。本文論述夾點技術的原理，概述它的工業應用情況。

關鍵詞：夾點技術原理

應用

夾點技術是英國Bodo Linnhoff教授等人于70年代末提出的換熱網絡優化設計方法，后來又逐步發展為化工過程綜合的方法論。夾點技術是能量回收系統的重大突破，80年代以來夾點技術在歐洲、美國、日本等工業發達國家迅速得到推廣應用，現已充公的應用于各種工業生產的連續和間歇工藝過程，應用領域十分廣闊，在世界各地產生了巨大的經濟效益。

夾點技術的基本原理

夾點技術是以化工熱力學為基礎，以經濟效益為目標函數，對換熱網絡整體進行優化設計。優化過程包括冷熱物流之間的匹配，冷熱公用工程的類型和能級選擇;加熱器、冷凝器及系統中一些分離器、蒸發器等設備在網絡中的合適放置位置；節能、投資和可操作性的三維平衡。最終的優化目標是確定出具有最小的設備、投資費用和操作費用，并滿足把每一個工藝物流由初始溫度加熱或冷卻到目標翁杜的換熱網絡。

夾點技術的應用領域

夾點技術起源于換熱網絡設計，經過近幾十年的不斷發展，其應用領域不斷擴大，已延伸到除反應過程以外的所有化工過程，在熱電聯產、分離序列、蒸餾塔、熱泵、熱機、干燥器、公用工程系統及一般的工藝過程設計與發行等方面均有應用，涉及到眾多工業部門。

夾點技術的應用效果

（1）降低能耗

通過改進能量回收系統及公用工程系統節約能量費用，實現區域熱聯合，充分利用廢熱或廢料發生熱量。

（2）提高生產能力，改進質量控制

通過解除過程系統瓶頸而不改變加熱爐及主要機泵設備，可達到增產的目的。

（3）降低投資費用

對工廠建設投資和操作費用加以評估，并提出解決辦法，可在少投資或不投資、少增加或不增加能耗的條件下完成工程改造和擴建，提高能效。在新設計中可以做到操作費用和設備投資又節省，在改造中可更好利用已有設備，也可減少新增抽象換熱面積。

（4）降低環境污染

可以用排放廢氣或廢液最少為目標進行優化設計，減少三廢，降低溫室效應。

夾點技術的發展 夾點技術自問世以來呈現出三維的發展趨勢。第一維：應用范圍不斷擴大：換熱網絡→熱電聯產網絡→整個工藝過程→涉及若干過程和服務系統的整個工廠；第二維:網絡優化的評價指標逐步深入：能量費用→投資費用→原材料費用→可操作性，彈性，安全性，可近控性等定性指標→水費用→污染物排放量；第三維：設計類型逐漸發展：新工廠設計→老工廠改造→間歇工藝過程綜合。

夾點技術的最新發展方向

夾點技術的最新發展方向：壓力降優化，柔性設計，蒸餾塔目標設定，低溫過程設計，間歇過程綜合，降低水流率，全局能量系統綜合，排放目標設定。

夾點技術的最新應用

鑒于夾點技術的節能減排效應和經濟效益，其在石油、化工等過程工業中的應用越來越廣泛。

常減壓裝置消耗的能量約占煉油廠總能量的25%~30%，已成為煉油廠消耗能量最大的裝置。某規模為250噸t/a的常減壓裝置，換熱網絡終溫較低，裝置能耗較高，換熱網絡的可操作性差。針對此問題，在夾點技術的基礎上，李哲等結合工藝流程模擬軟件和換熱網絡計算軟件對原有常減壓換熱裝置進行優化，得到了近于最優的換熱網絡。新的換熱網絡實際運行后，使原油的換熱終溫提高了27℃，裝置能耗降低2.35Kg 標油/t 原油，年創效益接近1200萬元，取得了良好的經濟效益。

中國石油寧夏煉化公司100萬t/a 常壓蒸餾裝置建成投產后，長期處于低負荷狀態下運行，近年來隨著原油加工量不斷增加，裝置“瓶頸”逐漸顯現—原油換熱終溫偏低、加熱爐效率低、產品出裝置溫度高等，能耗長期偏高，迫使裝置優化改造。采用夾點技術改造后，原油換熱終溫由271℃提高到了294℃，裝置加工量由140萬t提高到200萬t，裝置能耗由原來的10.5kgEO/t降低到9.76kgEO/t，加熱爐效率由85.72%提高到了90.36%。由以上數據可以看出，裝置能量利用率和裝置加工量提高顯著。

蔡硯等[7]對一套20世紀80年代引進的加氫裂化裝置進行用能分析，發現存在跨越夾點的傳熱的不合理用能情況。結合工程實際和經濟因素，運用夾點技術對裝置進行分析，發現該裝置節能潛力高達31323kw/h。根據夾點換熱原則結合對現有換熱網絡的利舊問題的考慮，得出兩種具有顯著優勢的換熱網投資1122.7萬元，可獲得節省2174.4萬元/a的經濟效益 夾點技術不僅局限于熱力學問題，更加廣泛的延伸到水系統設計中。近年來，水夾點技術的應用對于節約過程工業的新鮮水、大幅減少廢水排放量方面優勢顯著。中油公司大慶石化分公司煉油廠[8]應用水夾點技術確定了全系統最小的新鮮水用量9.83t/h，與原用新鮮水量為24.3t/h相比，該項目實施可使該廠用水量節約59.5%，在獲得81.02萬元/a的經濟效益的同時，對解決目前面臨的水資源危機意義重大。袁一星等[9]運用水夾點技術對M煉油廠進行分析計算，得出了最小用水量114.25t/h，與原用水量為148t/h相比，該項目實施可使該廠用水量節約23%。

總之，當前能源供應短缺成為經濟增長的“頸瓶”之一，對于石油、化工等典型的過程工業，用夾點分析的方法對過程系統的用能、用水狀況進行診斷，可找到過程系統的用能“瓶頸”所在，夾點技術在換熱網絡、水網絡中的應用為國民經濟的發展帶來巨大的經濟效益和社會效益。大量的工程實例證明，利用夾點分析技術，指導具體過程系統工程的改造或設計，能降低公用工程消耗量和初期的投資費用，實施方法簡單，具有明顯的優勢，應用前景廣闊。<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.常減壓裝置能量系統優化改造[J].石油化工應用.<7>蔡硯，馮霄.加氫裂化裝置換熱網絡的節能改造[J].現代化工.<8>張濟民，夾點技術原理與應用

<9>王俊美，陳金華，夾點技術原理與最新應用 <10>吳大可，陳樹林，夾點技術及其應用

<11>徐文斌.常減壓蒸餾換熱網絡優化與改進[J].高橋石化，<12>李哲，康久常，佟韶輝.常減壓裝置換熱網絡的優化設計[J].當代化工 <13> 張玉巍.常減壓裝置加工高酸原油工藝方案探討[J].河南化工 <14>高峰.賴桂蘭.楊雪梅夾點技術在苯乙烯裝置節能上的應用

<15>白玫用Aspen Plus和夾點技術系統調優化工用能-石油化工技術與經濟

<16>徐舜華.劉偉.楊帆求解換熱網絡夾點的Excel電子表格法-計算機與應用化學

<17>徐兵.梁玉祥.易美桂.李春桃.劉經星.劉洪杰煤焦油蒸餾工序的能耗分析-煤炭轉化

<18>陳彥霖.崔曉鈺.郭廣品吸收式制冷系統換熱網絡優化-流體機械 <19>張國釗,環氧丙烷裝置換熱網絡優化與廢液換熱器改進研究 <20>金涌.王垚,以循環經濟理念推進生態化學工程現代化工

第五篇：先進鋼鐵材料技術的進展

先進鋼鐵材料技術的進展

鋼鐵研究總院先進鋼鐵材料技術國家工程研究中心董瀚

摘要：鋼鐵材料是不斷發展的先進材料，它依然是本世紀的主要結構材料。先進鋼鐵材料具有環境友好、性能優良、資源節約、成本低廉的特征。本文從鋼鐵材料理論進展出發，評述微合金化鋼、超細晶粒鋼、氮合金化不銹鋼、高質量特殊鋼、鋼材組織性能預報和材料信息化技術等重要的先進鋼鐵材料技術進展。

關鍵詞：先進鋼鐵材料技術、微合金化鋼、超細晶粒鋼、氮合金化不銹鋼、高質量特殊鋼、鋼材組織性能預報

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

鋼鐵材料具有資源相對豐富、生產規模龐大、加工制造容易、性能多樣可靠、成本低廉穩定、使用便利習慣和回收利用方便等特點，是基礎設施建設、工業設備制造和人民日常生活中廣泛使用的材料。目前和可預見的未來還沒有任何材料能夠全面取代鋼鐵材料，鋼鐵材料仍然是占據主導地位的結構材料，是社會和經濟發展的物質基礎。

經過人類不懈的努力積累和創造，在鋼鐵材料科學和技術上取得了巨大的進步。鋼鐵材料的宏觀性能和微觀組織結構之間的關系已逐漸清楚，可運用量子力學理論解釋鋼鐵材料的某些宏觀行為。人們逐漸地可以從理論出發設計和生產鋼鐵材料。鐵水脫硫、轉爐復吹、超高功率電爐冶煉、爐外精煉、中間包冶金、連鑄、控軋控冷、微合金化等迅速進步的冶金生產工藝技術為鋼鐵材料的設計和生產提供了技術基礎。而計算機等相關行業的技術發展也為鋼鐵材料設計和生產提供了先進的控制手段。縱觀鋼鐵材料的發展歷史，歸納當前鋼鐵材料精采紛呈的理論和技術的發展，人們不難得出一個結論：基于當前的理論和技術發展，鋼鐵材料本身在21世紀還會發生重要的變革，最終將會導致鋼鐵材料的性能顯著提高，并將對整個社會發展起巨大的推動作用。先進鋼鐵材料的含義是：在環境性、資源性和經濟性的約束下，采用先進制造技術生產具有高潔凈度、高均勻度、超細晶粒特征的鋼材，強度和韌度比傳統鋼材提高，鋼材使用壽命增加，滿足21世紀國家經濟和社會發展的需求。

今天，先進鋼鐵材料技術發展表現在鋼鐵生產和應用的各個方面，全面和詳盡的述及是不可能的。本文從鋼鐵材料學科的理論進展出發，結合市場發展的需求，論述微合金化鋼、超細晶粒鋼、氮合金化不銹鋼、高質量特殊鋼、鋼材組織性能預報和材料信息化技術等當前重要的先進鋼鐵材料技術進展。

二、微合金化鋼技術

在鋼中添加微量（單獨或復合加入含量少于0.1%）的合金化元素（釩、鈮、鈦等），形成相對穩定的碳化物和氮化物，從而在鋼中產生晶粒細化和析出強化效果，使屈服強度較碳素鋼和碳錳鋼提高23倍的鋼類稱為微合金化鋼。微合金化元素的作用與熱變形密切相關。20世紀5070年代是微合金化鋼的理論和技術取得重要進展的時期［1］。人們將HallPetch關系式應用于描述低碳鋼和微合金鋼的強度與晶粒尺寸的關系，提出了晶粒細化不僅有效提高鋼的強度還可提高韌性，特別是改善韌脆轉折溫度。觀測到含鈮鋼的屈服強度與晶粒尺寸關系明顯偏離傳統的HallPetch關系，并由此發現在鐵素體中沉淀析出了非常微細的碳化鈮、氮化鈮或碳氮化鈮沉淀相導致附加強化。這個期間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奧氏體晶粒；微合金碳氮化物在奧氏體中的固溶度積公式及微合金元素的溶解與微合金碳氮化物的沉淀規律；稀溶體中第二相的Osterwald熟化過程及微合金碳氮化物的粗化規律；微合金化元素對變形奧氏體再結晶行為的影響；微合金化鋼的控軋控冷技術；微合金化鋼中夾雜物對性能的影響規律和夾雜物改性控制技術；微合金化鋼中滲碳體或珠光體對性能的影響規律及低珠光體鋼和針狀鐵素體鋼的研制開發；微合金化鋼的組織—性能關系式與微合金化鋼設計。標志性的國際會議Microalloying'75對這一時期微合金化鋼的研究開發及生產應用工作進行了充分的總結［2］，確立了微合金化鋼的地位和進一步發展的方向，使得微合金化鋼成為重要發展方向。

20世紀80年代至今是微合金化鋼產品的迅速發展時期，特別是90年代后期世界主要鋼鐵生產國相繼制定和實施新一代鋼鐵材料研發計劃，超細組織、高潔凈度、高均勻度和微合金化是鋼鐵材料的最重要發展趨勢，微合金化鋼的研發獲得了更為廣泛的認同和重視［3］。這一時期的主要工作有：復合微合金化原理；微合金碳氮化物的沉淀析出次序；微鈦處理控制奧氏體晶粒尺寸的原理及其應用；微合金碳氮化物在鐵素體中的固溶度積公式及其在鐵素體中的沉淀析出強化原理；奧氏體的變形熱處理原理及控軋技術，特別是控制動態再結晶軋制技術的應用；微合金化鋼連鑄連軋生產技術；微合金化原理的系統理論；無珠光體鋼乃至無間隙原子鋼（IF Steels）；高等級石油管線鋼；變形誘導鐵素體相變（DIFT）技術與超細晶粒鋼。

鈦是早期微合金鋼的主要微合金化元素。過去鋼鐵材料標準中均有許多含鈦鋼種，如我國的15MnTi、13MnTi、14MnVTi、20Ti、10Ti等。目前鈦微合金化主要用于微鈦處理（0.02%），利用TiN析出相的高溫穩定性來控制奧氏體晶粒長大，改善鋼的韌性和焊接性。釩在鋼中主要起沉淀強化作用，加入量一般小于0.20%。釩微合金化一般不需要采用低溫軋制，因此適合長形材及厚板等品種的開發。厚鋼板、厚壁H型鋼、微合金非調質鋼等品種由于受軋機能力、變形量和孔型軋制等條件的限制，難以實現低溫控軋。采用VN微合金化技術結合再結晶軋制，通過VN在奧氏體中析出誘導鐵素體在奧氏體晶內形核，從而細化組織。鈮在鋼中的主要作用是細化晶粒、沉淀強化和相變強化。與其它微合金元素相比，鈮對奧氏體再結晶抑制作用最大。利用鈮的這一特點發展了傳統控軋工藝（未再結晶控軋）以細化晶粒。軋制后未沉淀析出的鈮（固溶鈮）將在鐵素體內析出，起沉淀強化作用。另外，固溶鈮還能夠降低Ar3溫度，有助于獲得貝氏體和針狀鐵素體。近年來，鋼鐵研究總院研究了鈮在變形誘導鐵素體相變中的作用機理，與武鋼和本鋼合作開發了含鈮高強度耐大氣腐蝕鋼，使CuPTiRE和CuPCrNi系兩類應用最廣泛的耐大氣腐蝕鋼的屈服強度分別提高到400兆帕和500兆帕以上，與包鋼薄板坯連鑄連軋廠合作開發了X60管線鋼和汽車大梁鋼。根據經濟建設的需要，結合我國資源，應當發展有中國特色的微合金化高強高韌鋼。

三、細晶粒鋼和超細晶粒鋼技術

20世紀90年代后期以前，工業化生產的鋼材的晶粒尺寸大多超過10微米。超細晶粒鋼是當今世界鋼鐵材料理論和技術領域的研發熱點。從20世紀90年代末開始，日本、韓國、中國和歐盟等國家先后投入力量進行超細晶粒鋼的研發。日本材料研究院采用低溫大變形和多軸壓下技術，在實驗室將鐵素體晶粒尺寸細化到0.51微米［4］。韓國POSCO采用應變誘導動態相變(Strain Induced Dynamic Transformation)技術，在實驗室軋機上將CMn鋼和微合金鋼的晶粒尺寸分別細化到45微米和2微米［5］。我國于1998年啟動了翁宇慶負責的973項目“新一代鋼鐵材料的重大基礎研究”，其主要研究內容是將目前廣泛應用的鐵素體—珠光體鋼的屈服強度提高一倍，即碳素結構鋼屈服強度從200兆帕級提高到400兆帕級，高強度低合金鋼的屈服強度從400兆帕級提高到800兆帕級。我國的研究形成了以變形誘導鐵素體相變為核心的細晶粒或超細晶粒形成理論和控制技術，實現了細晶粒或超細晶粒鋼的工業化生產［6，7］。 為實現超細晶粒鋼的工業化生產，日本川崎重工與中山鋼廠采用異步輥軋制（SRDD）、機架間冷卻和軋后快冷等技術建設了一條可低溫大應變量變形的專業化超細晶粒鋼生產線。采用低溫大應變控制軋制技術可將低碳鋼的鐵素體晶粒尺寸細化至3微米，屈服強度提高到500兆帕。日本新日鐵公司采用“先進TMCP工藝”進行表層超細晶粒厚鋼板的生產。該工藝將變形、道次間加速冷卻、終軋后加速冷卻及軋制過程中變形熱控制等技術結合，故稱為“復雜TMCPs”技術。利用該技術，新日鐵公司已生產出厚度為25毫米、表層鐵素體晶粒尺寸2微米，深度達4毫米的表層超細晶粒鋼板。該鋼具有較高的強度、韌性和良好的抗疲勞和斷裂等性能。

我國在開展新一代鋼鐵材料的基礎理論研究工作的同時也安排了超細晶粒鋼的工業化試制。其中重點安排了碳素超細晶粒鋼扁平材和長型材的工業化試制。在長型材研發方面，利用普通碳素結構鋼Q235化學成分，通過有效的工藝控制，鋼的組織可細化至5微米左右，開發的帶肋鋼筋的屈服強度達到了400兆帕級，滿足GB14991998標準的熱軋帶肋鋼筋要求。在扁平材研發方面，寶鋼與東北大學采對CMn鋼利用低溫軋制、加速冷卻和低溫卷取等技術，獲得了鐵素體晶粒尺寸約為5微米左右的鐵素體—珠光體—貝氏體鋼。鋼板的屈服強度達到400兆帕級，同時具有良好的成形性能，已應用于一汽汽車大梁。攀鋼和武鋼與鋼鐵研究總院采用普通碳素結構鋼化學成分，利用控制軋制、道次間加速冷卻和軋后控冷等技術，獲得了鐵素體晶粒尺寸約為45微米的鐵素體—珠光體鋼［8，9］。鋼板的屈服強度也達到了400兆帕級，鋼板成形性能優異，已開始批量應用于東風汽車大梁。變形誘導鐵素體相變現象和理論

變形誘導鐵素體相變是指在鋼的Ae3溫度附近施加變形，變形中奧氏體能量升高，穩定性降低，從而導致相變。由于相變是在變形過程中，而不是在變形之后的冷卻過程中發生的，因而又被稱為動態相變。這種相變之所以引起人們的關注，一方面是因為它能夠獲得超細晶粒，另一方面是因為它具有較好的工業化前景。

變形誘導鐵素體相變現象的發現始于20世紀7080年代，當時稱為應變誘導/強化鐵素體相變（SIFT/SEFT）。Yada等人較早系統地考察了這一現象：通過在1073K單道次變形或多道次連

續變形，可將0.111.0%Mn鋼的鐵素體晶粒細化至1(3微米。鐵素體數量隨變形道次的增加而逐漸增多，同時晶粒尺寸逐步減小，表明鐵素體發生了動態再結晶。采用原位X線衍射技術證實了SIFT的存在。同時發現，相變可在鋼的平衡相變溫度以上發生，提高應變速率有利于SIFT進行。綜合各種試驗結果（組織觀察、微區成分測定和應變應變曲線），Yada等認為SIFT是一個不涉及原子長程擴散的塊狀轉變。DIFT相變的機制有待深入的研究。

在系統地研究溫度、應變、應變速率影響規律的基礎上，我們提出了以變形誘導鐵素體相變(Deformation Induced Ferrite TransformationDIFT)作為描述這一現象的名詞［10］。在實驗室軋機上成功地實現了微合金鋼DIFT軋制，并獲得超細晶組織。通過1093K三道次變形誘導鐵素體相變軋制，將低碳微合金鋼0.09C0.29Si1.42Mn0.045Nb0.008Ti(wt%)的鐵素體晶粒細化到0.92微米，屈服強度達到630兆帕。隨著總壓下量的增大，DIFT鐵素體的體積分數增加，鐵素體晶粒平均尺寸略有下降。DIFT后卷取使鋼帶的超細晶粒組織均勻，但是強度下降。固溶鈮不利于DIFT，析出鈮可促進DIFT，而且還可以阻止鐵素體晶粒的長大。

四、氮合金化不銹鋼技術 鎳是當前多數不銹鋼的主要合金化元素，不銹鋼生產的快速增長導致了鎳的緊缺。應用氮合金化可以替代不銹鋼的鎳元素，降低成本，提高性能。從20世紀20年代開始，人們發現在不銹鋼中氮可以提高強度，后來又陸續發現其對鋼的耐蝕性能有益。但氮作為合金化元素使用的最早報道是在1938年。阻礙氮作為合金元素使用的主要因素主要是氮的加入問題。在大氣壓強下氮在鋼中的溶解度低，加入困難。20世紀50年代，由于當時鎳的缺乏，促使了人們對鉻鎳錳氮和鉻錳氮奧氏體不銹鋼的研究。結果誕生了200系列的CrMnNiN不銹鋼，氮含量大多在0.10%～0.25%范圍內。60年代由于AOD爐外精煉技術的工業應用，使得氮的加入和控制問題得到了一定程度的解決。人們已認識到氮在顯著提高不銹鋼力學性能的同時，還提高鋼的耐腐蝕性能，特別是耐局部腐蝕性能如耐晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等。

隨著加壓冶金技術的發展，氮可以較大含量固溶于鋼中，并因此改善鋼的性能。氮在鋼中的作用再次被人們所廣泛關注。目前國外已開發了多種高氮鋼的冶煉技術，包括等離子冶煉、加壓感應爐冶煉、加壓電渣重熔冶煉、粉末冶金以及利用先進的計算機合金設計方法進行的常壓下高氮鋼的冶煉等。德國、奧地利、保加利亞等工業化生產和應用高氮鋼。目前工業化應用的最大加壓電渣爐已達20噸，最大工作壓力達6兆帕，在奧氏體不銹鋼中最高氮的加入量可達2.1%。

作為固溶元素，碳和氮均以間隙固溶的方式在鐵素體（體心立方）的八面體和奧氏體（面心立方）的四面體中存在。當元素含量超過溶解度積后，碳和氮以化合物的形式析出。碳在鐵素體和奧氏體中的析出規律已得到比較系統的研究，而氮由于在常規冶金條件下溶解度的限制，目前的研究還遠沒有系統化。氮在奧氏體不銹鋼中含量的提高將極大地提高碳在奧氏體中的溶解度，氮和碳之間的這種交互作用可以促進碳在奧氏體不銹鋼中的應用［11］。體心立方結構的鋼中韌脆轉變機制已明了，但提高氮含量而導致的面心立方的奧氏體不銹鋼出現韌脆轉變機理尚不明了。

氮合金化不銹鋼發展的主要趨勢有：①高強高韌鋼。此類鋼主要利用氮對鋼力學性能的貢獻，通過適當的冶金工藝和恰當的合金設計，將氮固溶于鋼中，從而研制出超高強度、超高韌性的不銹鋼。已經研究出固溶狀態下屈服強度超過2000兆帕，冷變形狀態下強度超過3600兆帕的超高強度鋼。②以耐蝕性能為主的綜合性能優異的不銹鋼。此類鋼主要利用氮對鋼的耐蝕性能的貢獻，并兼顧氮在力學性能上的影響，針對特殊的服役環境，研究出一系列新型超級不銹鋼。③以節約資源、降低成本為主要目的的經濟型不銹鋼。此類鋼利用氮對鋼組織的影響，部分或全部替代貴重金屬鎳，使得鋼在較低的原料成本下仍保持奧氏體組織，從而在性能上兼顧奧氏體鋼的特點和氮對鋼性能的作用。

我們正在開展氮合金化不銹鋼的研究工作，其中有：高潔凈度和高均勻度的氮含量控制在0.08%～0.12%的核級控氮304不銹鋼，其耐蝕性能優于304不銹鋼；高潔凈度和高均勻度的氮含量控制在0.06%～0.12%的核級控氮316不銹鋼，其耐蝕性能優于316不銹鋼；氮含量0.35%～0.46%的含氮奧氏體不銹鋼具有優良的力學性能、耐點蝕和縫隙腐蝕性能［12］；已工業化試生產出氮含量達0.6%的高氮奧氏體不銹鋼，擬作為鋼筋應用于耐腐蝕鋼筋建筑。

五、高質量特殊鋼技術 特殊鋼在線軟化退火處理

為了便于機械加工，按照傳統冶金生產工藝流程生產出的特殊鋼材，如冷鐓鋼、軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、合結鋼和碳結鋼等需要先進行軟化退火處理。利用軋制熱進行在線軟化退火處理，不需要離線重新加熱，節能降耗效果顯著。目前，許多國家相繼開展了特殊鋼的在線軟化處理技術的研發，主要以高碳GCr15軸承鋼的控軋控冷和在線球化退火處理為主，而對于中碳鋼和中碳合結鋼的研究工作有限。神戶制鋼第7線材廠在1999年進行了改造［13，14］，增加了超重負荷能力的減定徑機組，并將輸送線從原先的48米加長到100米，可實現低溫軋制和較寬溫度范圍內的控冷。2001年他們在改造后的線材軋機上生產出在線軟化的冷鐓鋼盤條。在線軟化處理SCM435線材的強度低于800兆帕，而傳統工藝生產的鋼材強度大于900兆帕。用其進行球化退火，在達到同樣珠光體球化率的情況下，節省等溫時間45％。所生產的具有微細組織的S45C鋼線材可實現快速球化退火。實現在線軟化退火處理的技術關鍵是降低軋制溫度和軋后控冷。對于中碳鋼和中碳合金鋼，結合軋后控冷，可得到較多體積分數的細鐵素體＋球化或退化的珠光體的組織，其硬度較常規線材降低，斷面收縮率提高，冷加工性能提高。傳統高速線材軋機難以實現在線軟化退化的主要原因是不能夠進行低溫大變形量軋制。

目前高速棒線材軋機多為20世紀8090年代所建，多數已進入更新改造期。其改造的重點是配備能實現低溫軋制的超重負荷精軋機組，使其具有控軋的生產能力。對Steor控冷線進行設備改造和加長，更容易地實現控冷。特殊鋼線材的在線軟化處理屬正在發展中的技術。我們正在對冷鐓鋼的在線軟化處理技術進行研究，已經能夠實現離線快速球化退火。特殊鋼夾雜物控制技術

疲勞失效是鋼制機械零部件的主要失效方式。影響疲勞性能的主要因素包括硬度、夾雜物和表面缺陷。通常改善疲勞性能的方法是減少易成為疲勞破壞源的夾雜物、表面缺陷和脫碳等。當采用工藝方法(如對線材或半產品采用車削、磨削等去皮技術)獲得無表面缺陷和脫碳的光亮材后，進一步改善疲勞性能就需要控制雜質元素和夾雜物。

針對起源于非金屬夾雜物的“魚眼”型疲勞斷裂，應控制鋼中的非金屬夾雜物使其無害化來提高的疲勞極限。可以降低鋼中氧含量、細化非金屬夾雜物的尺寸和控制其分布、減少非金屬夾雜物的數量、對非金屬夾雜物變性處理等。早期的工作側重于降低鋼中的雜質元素（特別是氧含量）來減少非金屬夾雜物的數量，細化非金屬夾雜物。日本大同特殊鋼研究了采用ULO(超低氧)、ULO+UL〃TiN(超低氧+超低TiN)和VI+VAC(真空感應+真空重熔)等工藝生產汽車懸掛和氣門彈簧用鋼SUP6、SUP7及SUP12。鋼中氧含量小于0.0011%，比常規RH脫氣處理的0.0021%～0.0033%大幅度下降，從而使夾雜物數量和尺寸較RH脫氣法顯著降低。由于減少了B型和C型夾雜物，ULO鋼的疲勞極限提高約100兆帕。采用ULO法冶煉的SUP6和SUP7鋼的疲勞極限與SUP12鋼處于相同水平。高純凈度ULO+UL〃TiN鋼的疲勞極限顯著提高，與VI+VAR鋼的疲勞極限相近。ULO鋼中的Al2O3和TiN夾雜物的尺寸明顯小于常規處理鋼中的夾雜物尺寸。在ULO+UL〃TiN鋼的疲勞源上夾雜物出現的幾率減少，成為疲勞源的夾雜物尺寸變小，而在VI+VAR鋼的疲勞源處未觀察到夾雜物。 由于不可能無限制地降低鋼中夾雜物含量，并考慮到生產成本的要求，需要將降低鋼中夾雜物含量變為使夾雜物無害化。控制夾雜物的成分在鈣斜長石和假硅灰石之間的共晶成分，可降低熔點和使其軟化。在熱軋時可使夾雜物產生塑性變形而使其尺寸減小。夾雜物硬度與基體硬度相當可減輕夾雜物周圍的應力集中。同時控制夾雜物數量和形態夠明顯提高彈簧鋼的疲勞壽命。

目前的疲勞數據源自107周次以下的循環載荷試驗。然而許多發動機、汽車承力運動、鐵路車輪和軌道等部件需要承受108～1012周次的循環載荷而不發生斷裂。在過去幾年中，對于通常認為存在疲勞極限的高強度鋼，仍有部件和結構在更高循環周次下發生疲勞斷裂。這就需要研究高循環周次下疲勞斷裂的現象和機制。

六、鋼材組織性能預報和材料信息化技術長期以來，鋼材加工工藝設計和生產控制大多建立在經驗基礎上。近年來，隨著物理金屬學理論和計算機數值計算技術的發展，人們研發了鋼材加工過程模擬技術。近二十年來，過程模擬技術已經逐漸從對產品尺寸和表面質量控制延伸到了對生產過程中的組織演變模擬和產品的組織性能預報和控制。近年來，世界各國的學者開發了鋼材組織性能預報和控制系統，如MM，SLIMMER，VAIQ Strip，METMODEL，STRIPCAM等。有的作為離線的模擬工具軟件，有的已經應用到了熱軋生產線上。組織性能預報技術的關鍵是建立鋼材加工過程的定量模型。目前階段組織性能預報技術以扁平材和長型材生產為主，可以延伸到管材生產。所涉及的鋼種主要是CMn鋼和部分高強度低合金鋼。鋼鐵研究總院結合珠鋼CSP生產線和寶鋼厚板坯熱連軋帶鋼生產線，已初步開發了系統模擬預測模型，有關組織演變、變形和傳熱機理的定量模型的進一步驗證和優化在進行之中。

各工業國家重視材料數據庫的建設。美國是世界上數據庫工作最活躍的國家，僅材料數據庫就有幾百個。美國國家標準參考數據系統包括了數十個各類數據庫，其中有材料力學性能、金屬彈性性能、金屬擴散、材料腐蝕、材料摩擦磨損、合金相圖等材料數據庫。西歐和日本等國也在加強數據庫的建設，德國卡爾斯魯厄的科技信息中心，設有一個龐大的科技信息網絡，是歐洲的大型數據網絡系統。該系統包括100多個數據庫，主要涉及材料、物理、化等領域，如材料性能數據庫，金屬性能數據庫等。日本的數據庫建設起步較晚，多數開始于20世紀80年代初，目前已建起的各類數據庫1000多個。目前各國先進的數據庫已經互通聯網，提供聯機檢索。

我國材料數據庫技術的研究開始于20世紀80年代初期，目前有清華大學等建立的新材料數據系統庫、北京科技大學等建立的材料腐蝕數據庫、北京航空材料研究院建立的航空材料數據庫、鋼鐵研究總院建立的合金鋼數據庫和軍工鋼材數據庫等。我國的材料數據庫數量比較少，在互聯網絡上目前很少有國內擁有的可以公開查詢的數據庫。

鋼鐵生產流程中的組織性能預報技術和信息化數據庫技術都屬于目前和今后的行業關鍵性共性技術，隨著企業和整個社會對信息化技術的重要性認識程度加深和實際需求，上述技術必將有廣闊的應用前景。

七、結語

必須看到，鋼鐵材料是一類不斷發展的先進材科。無論是品種還是質量，21世紀的鋼鐵材料已經完全不同于從前的鋼鐵材料。伴隨著需求變化和相關技術進展，21世紀的鋼鐵材料將會以質量高和多樣化的面貌出現在人類面前。為了適應未來的社會和經濟發展，應不斷地運用新技術、新工藝和新裝備，研發出環境友好、性能優良、資源節約、成本低廉的先進鋼鐵材料與相關信息化技術。

致謝作者的同事劉正東、劉清友、雍歧龍、蘇杰、楊才福和楊忠民等教授級高工、惠衛軍、孫新軍、蘇航和榮凡等高工近年來從事先進鋼鐵材料技術的研發，對本文的撰寫提供了幫助，籍此致以衷心的感謝。參考文獻

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