炼钢生产概述

第一节炼钢生产概述钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2％以下，并含有其它元素的金属材料。在铬钢中含碳量可能大于2％，但2％通常是钢和铸铁的分界线。钢的一小部分用于铸造或锻造机械零部件，绝大部分经压延加工成各种钢材后使用。钢是应用最广泛的一种金属材料。工业、农业、交通运输、建筑和国防等，都离不开钢。钢的生产对国民经济各部门的发展都有重要作用。一、炼钢的原理目前，从铁矿石到炼出钢一般是分为两步进行的，即先在以高炉为主要代表的炼铁设备中将铁矿石（包括烧结矿、球团矿）冶炼成生铁（或海绵铁等），然后再在炼钢炉中将铁冶炼成钢。铁矿石中的铁是以氧化铁状态存在的。从铁的氧化物中提炼铁的过程叫做还原。高炉冶炼生铁，是利用焦炭燃烧以及焦炭产生的一氧化碳，在高温下将铁从铁矿石中还原出来。炼钢，是利用不同来源的氧（如空气、氧气）来氧化炉料（主要是生铁）所含杂质的复杂的金属提纯过程。主要工艺包括氧化去除硅、磷、碳，脱硫、脱氧和合金化。任务就是根据所炼钢种的要求，把生铁中的含碳量降到规定范围，并使其它元素的含量减少或增加到规定范围，达到最终钢材所要求的金属成分。炼钢过程基本上是一个氧化过程。这些元素氧化以后，有的在高温下与石灰石、石灰等熔剂起反应，形成炉渣。有的变成气体逸出，留下的金属熔体就是钢水。炼出的钢水，在炼钢（氧化）过程中吸收了过量的氧，如不去除这些氧，则会降低成品钢的机械性能。因此，在炼钢最后阶段的操作中，还要用锰铁、硅铁和铝等进行脱氧。这样，达到一定成分和温度的钢水，用钢锭模铸成钢锭，或用连铸机铸成钢坯。钢锭或连铸坯送到轧钢厂，轧成各种钢材。再有一部分钢水直接铸造成铸钢件。炼钢是整个钢铁工业生产过程中最重要的环节。在这一环节，主要涉及的生产工艺包括铁水预处理、熔炼、二次冶金（炉外精炼）、浇注（模铸、连铸）等。二、铁水预处理铁水预处理是指铁水在进入炼钢炉前，为除去某些有害成分或回收某些有益成分而进行的处理过程。就炼钢而言，主要是利用铁水良好的热力学条件有效地去除其中硅、硫、磷等杂质，提高铁水质量。它可以简化炼钢过程、减少物料消耗、提高钢的质量和增加经济效益。铁水预处理一般分为铁水脱硫预处理和铁水“三脱”（脱硅、脱硫、脱磷）预处理。铁水预处理按需要可以分别在炼铁工序和（或）炼钢工序的设备内，如铁水沟、鱼雷罐、铁水包或专用冶金炉中进行。（一）铁水脱硫预处理铁水脱硫（或同时脱磷）预处理是20世纪60年代开发成功的技术，有铺撒法、摇包法、机械搅拌法和喷粉法等方法。常用脱硫剂有碳化钙、石灰、苏打、金属镁和钙，以及它们组成的多种复合脱硫剂。采用较多的方法是向铁水包或混铁车内喷人脱硫粉剂。该法设备简单、投资少、操作灵活，具有处理量大、效果好、操作费用低的优点，能生产[S]不大于0.005％、[P]不大于0.01％的优质钢。（二）铁水脱硅预处理硅虽是氧气炼钢的主要热源，但其量偏多会导致钢产量下降、渣量增加、收得率降低等不良结果。而在高炉中控制硅含量又非常困难，因此采用高炉铁水炉外脱硅。操作通常使用氧化系脱硅剂（氧化铁皮、锰矿石、烧结矿）在铁水沟或鱼雷罐中进行。为防止铁水温降过大，也有采取吹氧脱硅的。（三）铁水脱磷预处理铁水预脱磷通常采用向铁水中喷入苏打灰或向铁水深部喷吹FeO、CaO、CaF2等粉剂的方法。但铁水预脱磷要求先脱硅，而且处理过程铁水温降大，需要采取热补偿技术后才能广泛应用。苏打灰含大量挥发分，会产生大量烟气，目前正被石灰质脱磷剂所代替。三、钢的冶炼目前世界各国采用的炼钢方法主要是转炉（碱性氧气转炉为主）、电弧炉和平炉三种。（一）转炉炼钢转炉（氧气顶吹转炉、底吹转炉、顶底复合吹炼转炉）炼钢，是利用吹入炉内的氧与铁水中的元素碳、硅、锰、磷反应放出的热量来进行冶炼的。我国转炉炼钢发展较快，近几年占钢总产量的比重已接近70％。从世界主要产钢国家来看，转炉炼钢也仍然占据着主要份额。虽然近年电炉钢发展很快，但转炉有着铁源来自矿石、钢质纯净等优势，在生产汽车板等钢铁工业顶级产品方面尚不能为其它工艺所代替。目前世界上每年约有60％的钢是用转炉（碱性氧气转炉）生产的。1.氧气顶吹转炉炼钢氧气转炉的主要形式是氧气顶吹转炉，国外称LD转炉，美国称BOF炉。冶炼时炉子保持不动，从上部吹氧，但在装料和出钢时可以前后转动。氧气顶吹转炉的形状如圆筒，外部是用钢板制成的炉壳，里面砌有耐火砖。关于炉衬，由于资源的不同，欧洲各国曾主要用焦油白云石砖，近年来以镁炭砖为主；美国主要用镁质砖；日本主要用含镁较高的白云石砖。炼钢的原料主要是铁水、废钢和造渣剂（石灰石等）。冶炼时，用一支水冷喷枪将压力0.8～1.2兆帕、纯度99.5%以上的氧气通过炉口喷火炉内。氧气将铁水中的硅、锰、碳、磷等元素迅速氧化到一定的含量范围，并发出大量的热，使加入的废钢（10％～20％）熔化和使钢水温度提高到规定值。杂质氧化物与造渣剂反应生成炉渣上浮，覆盖在钢水表面，去除炉渣，即得到钢水。氧气顶吹转炉主要的优点是：（l）生产效率高、生产能力大。一座300吨的炉子吹炼时间不到20分钟，包括辅助时间的冶炼时间不超过一小时。一座30吨氧气顶吹转炉的年产能力超过一座500吨平炉。（2）基建投资相当于同样生产能力的平炉车间的70％，冶炼生产费用相当于平炉的50％。2.氧气底吹转炉炼钢氧气底吹转炉炼钢法开始出现于欧洲，第一座炉子于1967年12月在联邦德国投入生产，以后在欧洲其它国家以及美国和日本都得到了一定的发展。它与氧气顶吹转炉的根本区别是在冶炼过程中吹送氧气的方式不同。氧气底吹转炉是由炉底通过带有保护措施的喷嘴向金属熔池吹送氧气。在冶炼含磷较高的铁水时，底吹转炉通常还要配备喷吹石灰粉的设施。由于炼钢过程所需要的氧气全部是通过炉底直接吹入金属熔池的，所以在底吹转炉冶炼过程中，氧气对熔池的搅拌作用比顶吹转炉要大得多，因而使炼钢过程的各项物理化学反应比较容易趋近于平衡状态，又由于氧气流股的动能大部分为金属熔池所吸收，所以吹炼过程要比氧气顶吹转炉操作平稳，烟尘少，由炉口喷出的渣和金属也少。氧气底吹转炉在我国没有得到发展。3.顶底复合吹炼转炉由于氧气顶吹转炉和氧气底吹转炉在冶炼过程中存在着各自的弱点，因此卢森堡、日本、美国于1977年开始在氧气顶吹转炉炼钢过程中采用了顶底复合吹炼工艺。所谓复合吹炼工艺，对氧气顶吹转炉而言，就是除了从原有的顶部氧气喷枪保持一定距离向金属熔池喷吹氧气外，为了强化对金属熔池的搅拌，还通过炉底向金属熔池喷吹一定量的气体，以加快冶金反应，并使之趋近于平衡状态。氧气顶吹转炉在冶炼过程中，对金属熔池的搅拌力主要来自熔池内部脱碳反应生成的一氧化碳气泡的上浮力与膨胀力，其次才是顶吹氧枪氧气流股对金属熔池的冲击作用。冶炼初期和冶炼低碳钢的末期由于脱碳反应缓慢，生成的一氧化碳很少，因此熔池的搅拌很弱，结果冶金反应随之减慢，很难趋近于平衡状态，这是氧气顶吹转炉炼钢法工艺本身的弱点。采用复合吹炼法后，由于有底吹气体强化了金属熔池的搅拌，使冶炼反应比较容易趋近于平衡状态，从而克服了单纯顶吹的弱点。其结果是降低钢铁料消耗，并节约铁合金的用量，有利于低碳钢的冶炼和减少造渣材料的用量。通常炉底供气采用喷嘴和透气砖两种方法。供气种类可选择非氧化性气体如氩、氮等，也可以选用氧化性气体如氧、空气等。在采用氧气时。只能采用喷嘴并需要使用保护性气体或液体（碳氢化合物和燃料油）。;复合吹炼对氧气底吹转炉而言，除仍保留底吹转炉原有的底部供氧喷嘴外，还在顶部配备供氧喷枪。自金属熔池上部喷吹氧气，能使炉气中的一氧化碳在炉膛内进行二次燃烧，从而提高转炉的热效率，达到增加炉料中废钢比例的目的。总之，转炉顶底复合吹炼工艺是转炉炼钢的一项重大技术改革。从转炉底部吹入适量的惰性气体进行搅拌，可改善转炉冶炼过程的冶金条件，减少吹损，提高金属收得率，降低原材料消耗，提高生产效率，兼具顶吹转炉的优点。因而近几年来，这项技术在一些先进工业国家和我国发展得很快。炼钢生产技术从入门到精通-第二课（二）电炉炼钢电炉炼钢是利用电能作热源来进行冶炼的。最常用的电炉有电弧炉和感应炉两种。而电弧炉炼钢占电炉钢产量的绝大部分。一般所说电炉即是指电弧炉，电弧炉可全部用废钢作金属原料。为提高钢的质量，可加入一定比例的直接还原铁或生铁，为降低电耗，有条件的情况下也可直接兑入铁水。电炉可冶炼对机械性能和化学成分要求严格的，钢如特殊工具钢、航空钢及不锈钢等。电弧炉按所用的炉衬分为酸性和碱性两种。目前主要用碱性电弧炉。随着世界钢铁蓄积量的不断增加，电炉炼钢本身技术的不断发展，以及以电炉一精炼一连铸一直送轧制为特点的电炉短流程工艺的确立，使电炉钢得到很大的发展。电炉钢在世界钢产量中的比例不断提高，而且已经进入高炉一转炉流程的传统生产领域——板带材市场，给传统的钢铁生产长流程带来挑战。目前世界电炉钢比在30％左右。世界上近年来发展的新型电炉主要有超高功率电炉、直流电炉、双壳电炉、带竖炉式废钢预热装置的竖炉电炉等，甚至出现了双炉壳、同时带有电极和氧枪，能根据炉料变化以电炉和转炉两种工艺操作的CONARC炉，称为转电炉。电炉的冶炼工艺也发生了较大变化，随着二次冶金技术的发展，电炉作为初炼炉的功能更加突出。电炉一精炼炉的联合操作，使电炉的冶炼周期大大缩短，有生产节奏转炉化的趋势，生产效率大大提高。电炉生产节奏加快、效率提高，使电炉能更好地与连铸相衔接，促进了钢铁工业结构的优化。改革开放以来，我国电炉钢发展很快，引进了多座先进的大电炉，为我国钢产量突破1亿吨做出很大贡献。但是，受资源和能源结构的限制，我国电炉钢产量占总钢产量的比例还是比较低的，目前为18％左右。（三）平炉炼钢平炉炼钢生产是利用平炉拱形炉顶反射原理，在高温作用下，对金属原料进行冶炼的生产过程。平炉是用耐火材料砌成形状像一座平顶房子似的炉子。它由炉膛（熔炼室）、炉头、上升道、沉渣室、蓄热室、换向阀、烟道、烟囱等组成。熔炼室的前墙有3～5个炉门，后墙在炉底处有出钢口。平炉炼钢过程是将金属原料（生铁、废钢铁）、熔剂（石灰石和石灰等）、氧化剂（铁矿石及锰矿等）从炉门装入炉内，利用燃料（发生炉煤气、焦炉煤气、高炉煤气、天然气、重油、焦油和空气等）的燃烧火焰直接加热，提供熔炼过程所需要的热量，从而使不需要的和有害的杂质氧化，从钢液分离到炉渣中，浮在钢液面上，进而去除炉渣，得到钢水。平炉炼钢法原料范围宽，设备能力大，冶炼品种多，钢的质量也较好。但是，由于平炉炼钢生产效率低、成本高、耗能大、环境污染严重，尤其是与连铸匹配不顺，所以从世界炼钢技术发展角度看，平炉炼钢属于淘汰工艺。目前，世界主要产钢国的平炉大都已经拆除。在我国钢铁工业结构调整与优化的过程中，近年来也拆除了不少平炉，平炉钢产量在总钢产量中的比重不断下降，最近几年一般在12％左右。我国的目标是在2000年前彻底淘汰平炉炼钢生产技术从入门到精通-第三课四、二次冶金）非合金钢非合金钢按照质量等级又可分为普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。1.普通质量非合金钢普通质量非合金钢是指不规定生产过程中需要特别控制质量要求的、并同时满足下列4种条件的所有钢种：（1）钢为非合金化的；（2）不规定热处理的（退火、正火，消除应力及软化处理不作为热处理对待）；（3）如产品标准或技术条件中有规定，其特性值应符合有关要求；（4）未规定其它质量要求。普通质量非合金钢主要包括：（1）一般用途碳素结构钢，如GB700规定的A、B钢；（2）碳素钢筋钢，如GB13031规定的Q235钢；（3）铁道用一般碳素钢，如GB11264、GB11265、GB2826规定的轻轨和垫板用碳素钢；（4）一般钢板桩型钢。2.优质非合金钢优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢，在生产过程中需要特别控制质量（例如控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面质量或增加工艺控制等），以达到比普通质量非合金钢特殊的质量要求（例如良好的抗脆断性能、良好的冷成形性等），但这种钢的生产控制不如特殊质量非合金钢严格（如不控制淬透性）。优质非合金钢主要包括：（1）机械结构用优质碳素钢，如GB699规定的条钢（但70～8