钢铁生产工艺

第1页共66页1.1.1钢板生产基础知识-钢和生铁钢和生铁都是铁和碳的合金。它们的主要区别是含碳量的不同。钢的含碳量一般低于1.7％，而生铁的含碳量一般在1.7％到4.3％之间。钢和生铁的另一个显著区别在于杂质硫和磷含量的不同，钢的硫、磷含量大大低于生铁。为了使钢获得某些特殊性能，还要有意在钢的冶炼过程中加入某些合金元素，由于化学成份不同，所以钢和生铁在性能上有很大的差别。钢有良好的物理和力学性能，可以承受各种形式的压力加工并能通过热处理改善和提高其性能。而生铁则属于脆性材料，一般不能承受压力加工，只能通过铸造方式来制造各种零件。但生铁的生产成本低，铸造性能好，还具有耐磨性、抗震性、耐腐蚀性及对缺口的不敏感性，故应用也很广。1.1.2钢板生产基础知识-炼铁自然界中的铁都以氧化物形式存在，当含铁氧化物中的铁含量达到一定量具有冶炼价值时即为铁矿石。炼铁的主要任务就是要把铁矿石中的铁从氧化物中还原出来，即为生铁。炼铁的入炉原料是铁矿石、燃料和熔剂。除加工成一定块度的天然铁矿石外，大型高炉还使用将铁矿石经加工而得的烧结矿。燃料使用焦炭，焦炭是用炼焦煤技要求配比经炼焦炉生产而得。它有高发热值且有高强度(可经受加料及料柱在高炉中下行时的机械撞击)，为高炉炼铁提供热源并用作铁矿石的还原剂。铁矿石中除氧化铁外还存在一些杂质如SiO、AlO、MnO等；焦炭除主要成分碳外还有超过10％的灰分其成分也是AlO、SiO，这些杂质均需除去。由于它们的熔点很高，所以还要加入熔剂石灰石(CaCO)、白云石(MgCO?CaCO)等使它们与杂质生成熔点低、密度小的炉渣，浮于铁水表面通过出渣口排除出炉。现代炼铁的设备绝大部分采用高炉。高炉是一个竖直的圆筒形炉子，外面用钢板制成炉壳，里面用耐火砖砌筑内衬。高炉的大小以其有效容积(出铁口水平面到炉料装满时的装料线之间的空间容积)命名。宝钢的高炉是我国目前最大的高炉，l、2号高炉的有效容积为4063m；3号高炉为4350m；是全国最大的高炉。世界上最大的高炉为5580m(前苏联)。第2页共66页高炉的构造示意图高炉主要由炉缸(1)、炉腹(2)、炉腰(3)、炉身(4)、炉喉(5)等部分组成。在炉缸上部有风嘴(6)和风管(7)，在风嘴下方有出渣口(8)，靠近炉底有出铁口(9)，高炉的顶部有排气管(10)和加料设备(11)。高炉冶炼时，将炼铁原料按一定配比组成炉料(料批)由炉顶经大、小料斗进入高炉在炉内形成料柱；经热风炉予热后的空气从风口鼓入炉内。炉中焦炭燃烧，矿石熔化还原形成铁水、炉渣，燃后废气上升从排气管排出。因此，高炉内炼铁过程实质为二个方向相反流动着的料柱和气流股间相互作用。其冶炼(还原)反应为：1)FeO十CO→Fe十CO↑发生在高炉上部的间接还原2)FeO十C→Fe十CO↑发生在高炉下部的直接还原还原后的铁因接触灼热的焦炭而渗碳并熔化为铁水聚积，定时从出铁口放出。宝钢高炉除了容积为全国之最外，还采用了精料、超高压炉顶、高风温、富氧脱湿鼓风、喷煤粉冶炼、余压发电等一系列先进技术，并进行计算机管理，因此各项经济指标达第3页共66页国际先进水平。宝钢高炉的另一大特点是由于采用精料冶炼，矿石中含铁率高，焦炭灰分少，因此渣量极少，除了节约能源提高产量外，在高炉结构上的相应特点是不设出渣口，少量炉渣在出铁结束后由出铁口放出。1.1.3钢板生产基础知识-炼钢炼钢的主要任务就是按照所炼钢种的质量要求将炼钢原料(生铁、废钢)熔化，通过氧化作用及加入铁合金将其中的碳、锰、硫、磷及其他元素含量调整到规定的范围并达到一定的出钢温度准备浇铸。1.1.3.1氧气转炉炼钢1.1.3.2平炉炼钢（平炉炼钢工艺目前已经基本淘汰，不必花时间阅读！）1.1.3.3电炉炼钢1.1.3.1氧气转炉炼钢转炉的炉体为梨形如图2所示，它可以大角度倾转，故称转炉。第4页共66页图2氧气顶吹转炉示意图氧气顶吹(现己发展为顶、底复合吹)转炉(LD转炉)炼钢诞生于1952年，从此在世界范围内得到了广泛快速的发展，成为产钢量最多的一种炼钢方法。LD转炉的主要原料是铁水另加少量废钢，因此炼钢过程中的主要任务是降碳(铁水含碳约4％)。冶炼中的热量来源是靠吹入铁水中的氧使碳氧化(燃烧)所产生的热量，不需另加燃料。转炉的大小是以每次熔炼时装入铁水的重量命名的。转炉冶炼一炉钢的耗时约为20—30分钟。当向转炉内加了废钢和兑入铁水后，摇直炉体同时降下氧枪(内送氧气，周围水冷)开始送氧吹炼，氧枪喷咀在熔池上方保持一定高度和一定压力，造成熔池中铁水的搅动，氧气流搅入熔池开始铁水中碳的氧化，反应主要为：O2十2C→2CO↑2CO十O2→2CO2↑铁水中碳的燃烧所产生的高温及生成CO、CO2所引起的气流使熔池的搅动更为激烈，反应速度更快，因此可在较短时间内完成炼钢作业(20—30分钟)。为了调整剩余热量以防止钢水温度过高，要加入废钢、铁矿石，为了造渣(调整碱度，去除磷、硫)要加入石灰、萤石等熔剂。待炉内含碳量和钢水温度到达预定目标，则转炉冶炼任务完成可准备出钢。第5页共66页1.1.3.2平炉炼钢（该工艺在国内已经淘汰）图3平炉构造示意图平炉炉体像一座平顶的房子，故称其为平炉(见图3)。它是一种有蓄热室的反射炉，是LD转炉问世前主要的炼钢方法。金属原料(生铁、废钢等)、熔剂(石灰石或石灰)、氧化剂(铁矿石、锰矿石等)从炉门装入炉内；经蓄热室预热的煤气(燃料)和空气从二侧进口进入后混合燃烧提供冶炼过程所需的热量。平炉的大小是以每一炉所炼钢的重量来表示的，从几十吨到几百吨不等。平炉冶炼一炉钢的耗时一般为6一10小时。平炉炼钢与转炉炼钢在冶炼过程中的主要区别主要是：平炉炼钢的氧化作用(降碳及氧化其他杂质)主要是通过复盖在钢水上的炉渣在钢水—炉渣界面上进行的，正如所谓“炼钢即炼渣”，因此调整渣的成分造好渣是平炉炼钢重要的环节。冶炼过程氧化反应如下：(FeO)→[FeO][FeO]+[C]→[Fe]+[CO]＋[CO]→CO↑()为渣中成分[]为钢水中成分(FeO)+[C]→CO↑第6页共66页由于CO的生成及上浮造成熔池激烈“沸腾”，将钢水中其他被氧化的杂质及气体带至炉渣中可使钢水纯净，待钢水成分、温度到达预定目标即可准备出钢。1.1.3.3电炉炼钢直流电弧炉(简称电炉)是利用电为热源(石墨电极与金属熔池间产生的电弧所放出的热)进行冶炼的一种炼钢方法。原料主要是废钢，造渣材料为石灰、萤石、炭粉等。电炉的形状像一把茶壶，如图4所示，它的大小是以设计出钢量以及图4电弧炉构造示意图配置的变压器(每台电弧炉均需配变压器以便将交流电变换为直流电)容量(KVA)来表示的，一般容量为3—20吨，近年来有大型化趋势，最大可达200吨。电炉炼钢过程通常有熔化期、氧化期和还原期。废钢入炉后即放下电极，由电极和炉料间的电弧放出的热量熔化炉料，待炉料熔清后通过富氧炉渣与钢水的界面反应(类似平炉)以及直接向钢水中吹氧进行去碳、去磷(需氧化气氛)作业，即为氧化期。待C、P达到预定值时将氧化渣全部扒去，加石灰、萤石、炭粉(还原剂)造还原渣进入还原期，还原期的任务是在炉内进行脱氧、去硫(需还原气氛)、加铁合金调整成分同时提高钢水温度至预定出钢温度。出于电炉是用电加热，不用空气和燃料，带入有害气体及杂质的机会很少，钢的成分也容易精确控制，并能很好地去除硫、磷等有害元素，因此钢的质量较好，尤其是可利用第7页共66页它冶炼高合金特殊钢。1.1.4钢板生产基础知识-钢的脱氧及浇铸在任何一种炼钢方法的炼钢过程中，为了达到炼钢的预定目标都需要加入充分的氧来氧化碳及其他杂质。因此，不可避免地在炼钢终了时钢水中溶有过多的氧。高温时氧在钢水中的溶解度较大，但随着温度降低，溶解度急剧下降。若不进行适当处理就会使钢水在浇铸过程中产生剧烈沸腾而不能正常进行操作，并降低钢的塑性、韧性。因此，在炼钢终了时必须进行一定程度的脱氧，也就是说脱氧就是在出钢或浇铸的过程中适当地减少钢水含氧量的作业。脱氧的具体操作是向炉内或钢包中加入与氧结合力强的脱氧剂。作为脱氧剂的各种不同元素其脱氧程度和效果是不一样的。它是根据不同元素的平衡氧量来决定的。以常用的脱氧剂Mn、Si、Al而言，锰为弱脱氧剂，铝为强脱氧剂，硅的脱氧能力居中。脱氧剂加入钢水后即和钢水中的氧作用，生成脱氧剂元素的氧化物，从而减少钢中的含氧量。第8页共66页钢产品的质量优劣，除决定于炼钢过程、化学成分及钢水质量外还与钢的浇铸有着十分密切的关系，钢的浇铸方法又与脱氧方法相关连。目前，钢的浇铸分为模铸法和连铸法二大种。1.1.4.1模铸法1.1.4.1.1沸腾钢1.1.4.1.2镇静钢1.1.4.1.3半镇静钢1.1.4.1.4压盖钢1.1.4.2连铸法1.1.4.1模铸法模铸法即将炼钢炉冶炼完的钢水倒入钢水包中，再铸入一定形状的钢锭模使之凝固成钢锭的工艺过程。此后，钢锭还需经初轧开坯，再进一步轧制成各种钢材。铸锭过程并非单纯的凝固过程，在凝固过程中同时还发生一定的化学反应。无论最终产品是何品种，钢锭质量的特性都将对钢材的质量带来较大的影响。对钢锭质量起重要作用的是钢的脱氧方式，按脱氧方式的不同，钢锭可分为沸腾钢、压盖钢、半镇静钢和镇静钢。它们分别有着不同的特性，充分了解这些特性对于钢铁产品质量设计有着重要的意义。以下分别叙述各种钢锭的特点：1.1.4.1.1沸腾钢沸腾钢在浇铸前钢水几乎不脱氧或仅使用弱脱氧剂(通常是锰铁)进行脱氧，所以属不完全脱氧，钢水中保存有一定的含氧量(浇铸前通常含氧量为150—450ppm)。当钢水浇入钢锭模中时，模壁的钢水受急冷立即凝固，钢中的氧溶解度也急剧下降，氧与钢水中的碳作用[O]+C→CO↑，放出大量CO气体，CO气体的上浮，带动钢水沿钢锭模内壁上升，再通过模子中心下降，造成钢水流动。这种钢水流动再加上CO气泡上升，形成了钢水的“沸腾”，它保持了钢锭内部的钢水温度均匀，由于含有各种杂质的偏析成分不断被带往钢锭内部，因而形成纯净的表面层，且表面由于钢水将CO气泡带走，钢锭各侧面几乎没有留下气泡，形成了坚实的坚壳层(坚壳层愈厚，钢锭质量愈好)。在接近浇铸完毕时，钢锭下部钢水静压力增大，CO生成减弱且上浮困难，沸腾不激烈，在钢水缓慢凝固过程中气泡被留在原处，形成蜂窝气泡(一次气泡)有规律地分布在钢锭下半部。当钢锭头部完全凝固时(钢锭内部未凝固)，气体产生的压力再次增高又产生气泡，但由于内压力增大，气泡不能充分生长而形成几乎是球型的气泡(二次气泡)。在最后平静的凝固中，由于收缩，随着气体压力下降在钢锭头部中心带又产生粒状气泡，它也是偏析最为严重的区域。第9页共66页沸腾钢锭内部组织的概况示意图5。因沸腾钢浇铸后钢水在钢锭模中的沸腾使沸腾钢锭表面层钢质十分良好。此外，出于气泡的产生填补了钢从液相到固相的体积收缩，所以钢锭体积基本上和浇铸体积相当，在随后的初轧及成品轧制过程中，钢锭中的气泡能够完全焊合。与镇静钢在浇铸过程中产生缩孔需切除头部缩孔部分相比，沸腾钢比镇静钢有着较高的轧制成材率，其主要缺点是钢锭偏析较严重，造成组织不均匀，且轧后钢材仍存在偏析，在轧材不同部位性能有较明显的差别，尤其是硫、磷，由于凝固温度范围大，偏析最为严重。例如，钢锭中心部分的硫可为平均含量的6倍，磷可为平均含量的5倍左右。1.1.4.1.2镇静钢镇静钢在浇铸过程前钢水经完全脱氧(通常加较大量的硅铁、铝等强脱氧剂)，因此在浇铸和凝固过程中几乎不产生CO气体。浇铸时钢水流动缓慢，钢液凝固平静。第10页共66页镇静钢内部组织情况示意图6。浇铸镇静钢时，当钢水进入钢锭模，钢水接触模壁就急剧凝固形成激冷层(微晶区)，在以后的凝固过程中，由于锭壁与中心有一定的温度梯度，所以，结晶呈柱状垂直模壁略向上倾斜地生长。当柱状晶长到一定程度时，钢锭内部温度差变小，柱状晶就停止生长，开始生成方向不一的树枝晶。当几乎没有温度差的中心部钢水温度达到液相线温度(凝固温度)时，在钢水内部结晶出独立晶粒，并由于密度不同而沉降到钢锭底部，形成致密沉淀晶粒，当钢锭再向内部进行凝固时，钢锭中部生成等轴晶粒。在镇静钢锭头部最后凝固的地