钢铁冶炼.docx

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一、几个概念
钢铁冶炼〔iron and steel smelting〕
钢、铁冶金工艺的总称。工业生产的铁依据含碳量分为生铁〔含碳量 2％以上〕 和钢〔含碳量低于 2％〕。根本生产过程是在炼铁炉内把铁矿石炼成生铁，再以生铁为原料，用不同方法炼成钢，再铸成钢锭或连铸坯。
铁冶炼
在炼铁炉内把铁矿石炼成生铁。现代炼铁绝大局部承受高炉炼铁，个别承受直接复原炼铁法和电炉炼铁法。高炉炼铁是将铁矿石在高炉中复原，熔化炼成生铁， 此法操作简便，能耗低，本钱低廉，可大量生产。生铁除局部用于铸件外，大局部用作炼钢原料。由于适应高炉冶炼的优质焦炭煤日益短缺，相继消灭了不用焦炭而用其他能源的非高炉炼铁法。直接复原炼铁法，是将矿石在固态下用气体或固体复原剂复原，在低于矿石熔化温度下，炼成含有少量杂质元素的固体或半熔融状态的海绵铁、金属化球团或粒铁，作为炼钢原料〔也可作高炉炼铁或铸造的原料〕。电炉炼铁法，多承受无炉身的复原电炉，可用强度较差的焦炭〔或煤、木炭〕作复原剂。电炉炼铁的电加热代替局部焦炭，并可用低级焦炭，但耗电量大，只能在电力充分、电价低廉的条件下使用。
钢冶炼
炼钢主要是以高炉炼成的生铁和直接复原炼铁法炼成的海绵铁以及废钢为原料， 用不同的方法炼成钢。主要的炼钢方法有转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法等 3 种。以上 3 种炼钢工艺可满足一般用户对钢质量的要求。为了满足更高质量、更多品种的高级钢，便消灭了多种钢水炉外处理〔又称炉外精炼〕的方法。如吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等，对转炉、平炉、电弧炉炼出的钢水进展附
加处理之后，都可以生产高级的钢种。对某些特别用途，要求特高质量的钢，用炉外处理仍达不到要求，则要用特别炼钢法炼制。如电渣重熔，是把转炉、平炉、电弧炉等冶炼的钢，铸造或锻压成为电极，通过熔渣电阻热进展二次重熔的精炼工艺；真空冶金，即在低于 1 个大气压直至超高真空条件下进展的冶金过程，包括金属及合金的冶炼、提纯、精炼、成型和处理。钢液在炼钢炉中冶炼完成之后， 必需经盛钢桶〔钢包〕注入铸模，凝固成肯定外形的钢锭或钢坯才能进展再加工。钢锭浇铸可分为上铸法和下铸法。上铸钢锭一般内部构造较好，夹杂物较少，操作费用低；下铸钢锭外表质量良好，但因通过中注管和汤道，使钢中夹杂物增多。近年来，在铸锭方面消灭了连续铸钢、压力浇铸和真空浇铸等技术。
二、炼铁的原理及方法
炼铁过程实质上是将铁从其自然形态——矿石等含铁化合物中复原出来的过程。
炼铁方法主要有高炉法、直接复原法、熔融复原法等，其原理是矿石在特定的气氛中〔复原物质 CO、H2、C；适宜温度等〕通过物化反响猎取复原后的生铁。生铁除了少局部用于铸造外，绝大局部是作为炼钢原料。
1、 高炉炼铁的冶炼原理〔应用最多的〕
现代炼铁的主要方法，钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖炉炼铁进展、改进而成的。尽管世界各国争论进展了很多的炼铁法，但由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简洁，生产量大,劳动生产率高,能耗低，这种方法生产的铁仍占世界铁总产量的 95％以上。早期高炉使用木炭或煤作燃料，18 世纪改用焦炭， 19 世纪中叶改冷风为热风(见冶金史)。20 世纪初高炉使用煤气内燃机式和蒸汽涡轮式鼓风机后，高炉炼铁得到快速进展。20 世纪初美国的大型高炉日产生铁量达 450 吨，焦比 1000 公斤／吨生铁左右。70 年月初，日本建成 4197 米高炉， 日产生铁超过 1 万吨，燃料比低于 500 公斤／吨生铁。中国在清朝末年开头进呈现代钢铁工业。1890 年开头筹建汉阳铁厂，1 号高炉〔248 米,日产铁 100 吨〕 于 1894 年 5 月投产。1908 年组成包括大冶铁矿和萍乡煤矿的汉冶萍公司。1980
年，中国高炉总容积约 8 万米,其中 1000 米以上的 26 座。1980 年全国产铁 3802
万吨，居世界第四位。
〔1〕 高炉冶炼用的原料
高炉冶炼用的原料主要由铁矿石、燃料〔焦炭〕和熔剂〔石灰石〕三局部组成。通常，冶炼 1 吨生铁需要 - 吨铁矿石，- 吨焦炭〔供给热量；供给复原剂；作料柱的骨架〕，- 吨熔剂〔即石灰石、白云石、萤石等，使炉渣熔化为液体；去除有害元素硫〕，总计需要2-3 吨原料。为了保证高炉生产的连续性，要求有足够数量的原料供给。因此，无论是生铁厂家还是钢厂选购原料的工作是尤其重要。
冶炼原理
炼铁的根本原理方程式：3CO+ Fe2O3=2Fe+3CO2
冶炼工艺
生铁的冶炼虽原理一样，但由于方法不同、冶炼设备不同，所以工艺流程也不同。
高炉生产是连续进展的。一代高炉〔从开炉到大修停炉为一代〕能连续生产几年到十几年。生产时，从炉顶〔一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶〕不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风〔1000～1300 摄氏度〕，喷入油、煤或自然气等燃料。装入高炉中的铁矿石， 主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做复原。铁矿石通过复原反响炼诞生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与参加炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出
的局部煤气发电。生铁是高炉产品〔指高炉冶炼生铁〕，而高炉的产品不只是生铁，还有锰铁等，属于铁合金产品。锰铁高炉不参与炼铁高炉各种指标的计算。高炉炼铁过程中还产生副产品水渣、矿渣棉和高炉煤气等。
高炉炼铁的特点
规模大，不管是世界其它国家还是中国，高炉的容积在不断扩大，如我国宝钢高炉是 4063 立方米，日产生铁超过 10000 吨，炉渣 4000 多吨，日耗焦 4000 多吨。目前国内单一性生铁厂家，高炉容积也以到达 500 左右立方米，但多数仍维持在100-300 立方米之间，甚至仍存在 100 立方米以下的高耗能高污染的小高炉，其产品质量参差不齐，公布分散，不具有期规模性，更不能与国际上的钢铁厂相比。
高炉炼铁的主要技术经济指标
高炉利用系数：每立方米高炉有效容积一昼夜生产生铁的吨数,是衡量高炉生产效率的指标。比方 1000 米高炉，日产 2023 吨生铁，则利用系数为 2 吨/(米·日)。
焦比：每炼一吨生铁所消耗的焦炭量,用公斤/吨生铁表示。高炉焦比在 80 年月初一般为 450～550 公斤/吨生铁，先进的为 380～400 公斤/吨生铁。焦炭价格昂贵，降低焦比可降低生铁本钱。
燃料比：高炉承受喷吹煤粉、重油或自然气后，折合每炼一吨生铁所消耗的燃料总量。每吨生铁的喷煤量和喷油量分别称为煤比和油比。此时燃料比等于焦比加煤比加油比。依据喷吹的煤和油置换比的不同，分别折合成焦炭〔公斤〕，再和焦比相加称为综合焦比。燃料比和综合焦比是判别冶炼一吨生铁总燃料消耗量的一个重要指标。
冶炼强度：每昼夜高炉燃烧的焦炭量与高炉容积的比值，是表示高炉强化程度的指标，单位为吨/〔米·日〕。
休风率：休风时间占全年日历时间的百分数。降低休风率是高炉增产的重要途径一般高炉休风率低于 2％。
生铁合格率：化学成分符合规定要求的生铁量占全部生铁产量的百分数，是评价高炉优质生产的主要指标。
生铁本钱：是从经济方面衡量高炉作业的指标。
2、高炉的主要组成局部
高炉炉壳：现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固的砖壳。炉壳的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体结实，密封炉体， 有的还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备构造形式相适应。
炉喉：高炉本体的最上局部，呈圆筒形。炉喉既是炉料的参加口，也是煤气的导出口。它对炉料和煤气的上局部布起掌握和调整作用。炉喉直径应和炉缸直径、炉腰直径及大钟直径比例适当。炉喉高度要允许装一批以上的料，以能起到掌握炉料和煤气流分布为限。
炉身：高炉铁矿石间接复原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下渐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻找力。炉身角的大小对炉料下降和煤气流分布有很大影响。
炉腰：高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力，在渣量大时可适当扩大炉腰直径，但仍要使它和其他部位尺寸保持适宜的比例关系，
比值以取上限为宜。炉腰高度对高炉冶炼过程影响不很显著，一般只在很小范围内变动。
炉腹：高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形。为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径自上而下渐渐缩小，形成肯定的炉腹角。炉腹的存在，使燃烧带处于适宜位置，有利于气流均匀分布。炉腹高度随高炉容积大小而定，但不能过高或过低，一般为 3．0～3．6m。炉腹角一般为 79～82 ；过大，不利于煤气流分布；过小，则不利于炉料顺行。
炉缸：高炉燃料燃烧、渣铁反响和贮存及排放区域，呈圆筒形。出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位，因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最猛烈的部位，对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。
炉底：高炉炉底砌体不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到 1400～ 4600℃的高温、机械和化学侵蚀、其侵蚀程度打算着高炉的一代寿命。只有砌体外表温度降低到它所接触的渣铁凝固温度，并且外表生成渣皮〔或铁壳〕，才能阻挡其进一步受到侵蚀，所以必需对炉底进展冷却。通常承受风冷或水冷。目前我国大中型高炉大都承受全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热力量。
炉基：它的作用是将所集中担当的重量依据地层承载力量均匀地传给地层，因而其外形都是向下扩大的。高炉和炉基的总重量常为高炉容积的 10～18 倍〔吨〕。炉基不许有不均匀的下沉，一般炉基的倾斜值不大于 ％～0．5％。高炉炉基应有足够的强度和耐热力量，使其在各种应力作用下不致产生裂缝。炉基常做成圆形或多边形，以削减热应力的不均匀分布。
炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到削减高炉热损失、保护炉壳和其它金属构造免受热应力和化学侵蚀的作用。炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火材料砌筑而成的。炉衬的损坏受多种因素的影响，各部位工作条件不同，受损坏的机
理也不同，因此必需依据部位、冷却和高炉操作等因素，选用不同的耐火材料。
炉喉护板：炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件格外恶劣，维护其圆筒外形不被破坏是高炉上部调整的先决条件。为此，在炉喉设置保护板〔钢砖〕。小高炉的炉喉保护板可以用铸铁做成开口的匣子外形；大高炉的炉喉护板则用 100～150mm 厚的铸钢做成。炉喉护板主要有块状、条状和变径几种形式。变径炉喉护板还起着调整炉料和煤气流分布的作用。
高炉解体：为了在操作技术上能正确处理高炉冶炼中常常消灭的简单现象，就要切实了解炉内状况。在尽量保持高炉的原有生产状态下停炉、注水冷却或充氮冷却后，对从炉喉的炉料开头始终到炉底的积铁所进展的细致的解体调查，称为高炉解体调查。它虽不能完全了解高炉生产的动态状况，但对了解高炉过程、强化高炉冶炼很有参考价值。
高炉冷却装置：高炉炉衬内部温度高达 1400℃，一般耐火砖都要软化和变形。高炉冷却装置是为延长砖衬寿命而设置的，用以使炉衬内的热量传递出动，并在高炉下部使炉渣在炉衬上冷凝成一层保护性渣皮，按构造不同，高炉冷却设备大致可分为：外部喷水冷却、风口渣口冷却、冷却壁和冷却水箱以及风冷(水冷)炉 底等装置。
高炉灰：也叫炉尘，系高炉煤气带出的炉料粉末。其数量除了与高炉冶炼强度、炉顶压力有关外，还与炉料的性质有很大关系。炉料粉末多，带出的炉尘量就大。目前，每炼一吨铁约有 10～100kg 的高炉灰。高炉灰通常含铁 40％左右，并含有较多的碳和碱性氧化物；其主要成分是焦末和矿粉。烧结料中参加局部高炉灰， 可节约熔剂和降低燃料消耗。
高炉除尘器：用来收集高炉煤气中所含灰尘的设备。高炉用除尘器有重力除尘器、离心除尘器、旋风除尘器、洗涤塔、文氏管、洗气机、电除尘器、布袋除尘器等。粗粒灰尘〔＞60～90um〕，可用重力除尘器、离心除尘器及旋风除尘器等除尘；
细粒灰尘则需用洗气机、电除尘器等除尘设备。
高炉鼓风机：高炉最重要的动力设备。它不但直接供给高炉冶炼所需的氧气，而且供给抑制高炉料柱阻力所需的气体动力。现代大、中型高炉所用的鼓风机，大多用汽轮机驱动的离心式鼓风机和轴流式鼓风机。近年来使用大容量同步电动鼓风机。这种鼓风机耗电虽多，但启动便利，易于修理，投资较少。高炉冶炼要求鼓风机能供给肯定量的空气，以保证燃烧肯定的碳；其所需风量的大小不仅与炉容成正比，而且与高炉强化程度有关、～／min 的风量配备。但实际上不少的高炉考虑到生产的进展，配备的风机力量都大于这一比例。三、炼钢
1、炼钢的原理
炼钢的主要反响原理，也是利用氧化复原反响，高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成为气体或炉渣除去。因此，炼钢和炼铁虽然都是利用氧化复原反响，但是炼铁主要是用复原剂把铁从铁矿石里复原出来，而炼钢主要是用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化而除去。炼钢时常用的氧化剂是空气、纯氧气或氧化铁。
目前，炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。在这里，我们只简洁介绍较为广泛承受的氧气顶吹转炉炼钢法。
氧气顶吹转炉炼钢设备，依据配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水， 并参加适量的造渣材料〔如生石灰等〕。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内， 吹入氧气〔纯度大于 99％的高压氧气流〕。氧气直接跟高温的铁水发生氧化反响，使局部铁就成了氧化亚铁，并放出大量的热：之后，生成的氧化亚铁再把铁水里的硅、锰、碳等依次氧化，如：生成的一氧化碳气体，能从铁水里直接排出； 生成的二氧化硅和氧化锰以及生铁里的硫、磷跟造渣材料生石灰相互作用成为炉渣排出。用纯氧代替空气可以抑制由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆以及氮
气排出时带走热量的缺点。当钢水的成分和温度都到达要求时，即停顿吹炼，提升喷枪，预备出钢。出钢时使炉倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时参加脱氧剂进展脱氧〔除去过量的氧化亚铁〕和调整成分。通常用硅铁、锰铁或金属铝等使钢脱氧，例如：生成的二氧化硅等大局部形成炉渣而除去，局部的硅、锰等留在钢里以调整钢的成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。因此，必需加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；得到一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量可以副产水蒸汽。此外，炼钢时生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥，等等。氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等很多优点。但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到肯定的限制。
2、炼钢的工艺过程
造渣：调整钢、铁生产中熔渣成分、碱度和粘度及其反响力量的操作。目的是通过渣——金属反响炼出具有所要求成分和温度的金属。例如氧气顶吹转炉造渣和吹氧操作是为了生成有足够流淌性和碱度的熔渣，以便把硫、磷降到打算钢种的上限以下，并使吹氧时喷溅和溢渣的量减至最小。
出渣：电弧炉炼钢时依据不同冶炼条件和目的在冶炼过程中所实行的放渣或扒渣操作。如用单渣法冶炼时，氧化末期须扒氧化渣；用双渣法造复原渣时，原来的氧化渣必需彻底放出，以防回磷等。
熔池搅拌：向金属熔池供给能量，使金属液和熔渣产生运动，以改善冶金反响的动力学条件。熔池搅拌可藉助于气体、机械、电磁感应等方法来实现。
电炉底吹：通过置于炉底的喷嘴将N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2 等气体根
据工艺要求吹入炉内熔池以到达加速熔化，促进冶金反响过程的目的。承受底吹工艺可缩短冶炼时间，降低电耗，改善脱磷、脱硫操作，提高钢中残锰量，提高金属和合金收得率。并能使钢水成分、温度更均匀，从而改善钢质量，降低本钱， 提高生产率。
熔化期：炼钢的熔化期主要是对平炉和电炉炼钢而言。电弧炉炼钢从通电开头到炉料全部熔清为止、平炉炼钢从兑完铁水到炉料全部化完为止都称熔化期。熔化期的任务是尽快将炉料熔化及升温，并造好熔化期的炉渣。
氧化期和脱炭期：一般功率电弧炉炼钢的氧化期，通常指炉料溶清、取样分析到扒完氧化渣这一工艺阶段。也有认为是从吹氧或加矿脱碳开头的。氧化期的主要任务是氧化钢液中的碳、磷；去除气体及夹杂物；使钢液均匀加热升温。脱碳是氧化期的一项重要操作工艺。为了保证钢的纯洁度，要求脱碳量大于 ％ 左右。随着炉外精炼技术的进展，电弧炉的氧化精炼大多移到钢包或精炼炉中进展。
精炼期：炼钢过程通过造渣和其他方法把对钢的质量有害的一些元素和化合物，经化学反响选入气相或排、浮入渣中，使之从钢液中排解的工艺操作期。
复原期：一般功率电弧炉炼钢操作中，通常把氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间称为复原期。其主要任务是造复原渣进展集中、脱氧、脱硫、掌握化学成分和调整温度。目前高功率和超功率电弧炉炼钢操作已取消复原期。
炉外精炼：将炼钢炉〔转炉、电炉等〕中初炼过的钢液移到另一个容器中进展精炼的炼钢过程，也叫二次冶金。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进展。初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进展熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或复原性气氛的容器中进展脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进展成分微调等。将炼钢分两步进展的好处是：可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产本钱。炉外精炼的种类很多，大致可分为常压