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钢铁生产工艺模板.doc
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1、1.1.1钢板生产基础知识 - 钢和生铁钢和生铁全部是铁和碳合金。它们关键区分是含碳量不一样。钢含碳量通常低于1.7,而生铁含碳量通常在1.7到4.3之间。 钢和生铁另一个显著区分在于杂质硫和磷含量不一样,钢硫、磷含量大大低于生铁。为了使钢取得一些特殊性能,还要有意在钢冶炼过程中加入一些合金元素,因为化学成份不一样,所以钢和生铁在性能上有很大差异。钢有良好物理和力学性能,能够承受多种形式压力加工并能经过热处理改善和提升其性能。而生铁则属于脆性材料,通常不能承受压力加工,只能经过铸造方法来制造多种零件。但生铁生产成本低,铸造性能好,还含有耐磨性、抗震性、耐腐蚀性及对缺口不敏感性,故应用也很广。1
2、.1.2钢板生产基础知识 - 炼铁自然界中铁全部以氧化物形式存在,当含铁氧化物中铁含量达成一定量含有冶炼价值时即为铁矿石。炼铁关键任务就是要把铁矿石中铁从氧化物中还原出来,即为生铁。炼铁入炉原料是铁矿石、燃料和熔剂。除加工成一定块度天然铁矿石外,大型高炉还使用将铁矿石经加工而得烧结矿。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。它有高发烧值且有高强度(可经受加料及料柱在高炉中下行时机械撞击),为高炉炼铁提供热源并用作铁矿石还原剂。铁矿石中除氧化铁外还存在部分杂质如SiO 、Al O 、MnO等;焦炭除关键成份碳外还有超出10灰分其成份也是Al O 、SiO ,这些杂质均需除去。因为
3、它们熔点很高,所以还要加入熔剂石灰石(CaCO )、白云石(MgCO ?CaCO )等使它们和杂质生成熔点低、密度小炉渣,浮于铁水表面经过出渣口排除出炉。现代炼铁设备绝大部分采取高炉。高炉是一个竖直圆筒形炉子,外面用钢板制成炉壳,里面用耐火砖砌筑内衬。高炉大小以其有效容积(出铁口水平面到炉料装满时装料线之间空间容积)命名。宝钢高炉是中国现在最大高炉,l、2号高炉有效容积为4063m ;3号高炉为4350m ;是全国最大高炉。世界上最大高炉为5580m (前苏联)。 高炉结构示意图高炉关键由炉缸(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),
4、在风嘴下方有出渣口(8),靠近炉底有出铁口(9),高炉顶部有排气管(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。所以,高炉内炼铁过程实质为二个方向相反流动着料柱和气流股间相互作用。其冶炼(还原)反应为: 1)FeO十COFe十CO 发生在高炉上部间接还原2)FeO十CFe十CO发生在高炉下部直接还原还原后铁因接触灼热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,还采取了精料、超高压炉顶、高风温
5、、富氧脱湿鼓风、喷煤粉冶炼、余压发电等一系列优异技术,并进行计算机管理,所以各项经济指标达国际优异水平。宝钢高炉另一大特点是因为采取精料冶炼,矿石中含铁率高,焦炭灰分少,所以渣量极少,除了节省能源提升产量外,在高炉结构上对应特点是不设出渣口,少许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 - 炼钢炼钢关键任务就是根据所炼钢种质量要求将炼钢原料(生铁、废钢)熔化,经过氧化作用及加入铁合金将其中碳、锰、硫、磷及其它元素含量调整到要求范围并达成一定出钢温度准备浇铸。1.1.3.1氧气转炉炼钢1.1.3.2平炉炼钢 (平炉炼钢工艺现在已经基础淘汰,无须花时间阅读!)1.1.3.3电炉炼钢
6、 1.1.3.1氧气转炉炼钢转炉炉体为梨形图2所表示,它能够大角度倾转,故称转炉。 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,以后在世界范围内得到了广泛快速发展,成为产钢量最多一个炼钢方法。LD转炉关键原料是铁水另加少许废钢,所以炼钢过程中关键任务是降碳(铁水含碳约4)。冶炼中热量起源是靠吹入铁水中氧使碳氧化(燃烧)所产生热量,不需另加燃料。转炉大小是以每次熔炼时装入铁水重量命名。转炉冶炼一炉钢耗时约为2030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
7、,造成熔池中铁水搅动,氧气流搅入熔池开始铁水中碳氧化,反应关键为:O2十2C2CO2CO十O22CO2铁水中碳燃烧所产生高温及生成CO、CO2所引发气流使熔池搅动更为猛烈,反应速度愈加快,所以可在较短时间内完成炼钢作业(2030分钟)。为了调整剩下热量以预防钢水温度过高,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抵达预定目标,则转炉冶炼任务完成可准备出钢。1.1.3.2平炉炼钢 (该工艺在中国已经淘汰)图3平炉结构示意图平炉炉体像一座平顶房子,故称其为平炉(见图3)。它是一个有蓄热室反射炉,是LD转炉问世前关键炼钢方法。金属原料(生铁、废
8、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热量。平炉大小是以每一炉所炼钢重量来表示,从几十吨到几百吨不等。平炉冶炼一炉钢耗时通常为6一10小时。平炉炼钢和转炉炼钢在冶炼过程中关键区分关键是:平炉炼钢氧化作用(降碳及氧化其它杂质)关键是经过复盖在钢水上炉渣在钢水炉渣界面上进行,正如所谓“炼钢即炼渣”,所以调整渣成份造好渣是平炉炼钢关键步骤。冶炼过程氧化反应以下: (FeO)FeO FeO+CFe+COCOCO()为渣中成份 为钢水中成份(FeO)+CCO因为CO生成及上浮造成熔池猛烈“沸腾”,将钢
9、水中其它被氧化杂质及气体带至炉渣中可使钢水纯净,待钢水成份、温度抵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(石墨电极和金属熔池间产生电弧所放出热)进行冶炼一个炼钢方法。原料关键是废钢,造渣材料为石灰、萤石、炭粉等。电炉形状像一把茶壶,图4所表示,它大小是以设计出钢量和图4电弧炉结构示意图配置变压器(每台电弧炉均需配变压器方便将交流电变换为直流电)容量(KVA)来表示,通常容量为320吨,多年来有大型化趋势,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,由电极和炉料间电弧放出热量熔化炉料,待炉料熔清后经过富氧炉渣和钢水
10、界面反应(类似平炉)和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达成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,还原期任务是在炉内进行脱氧、去硫(需还原气氛)、加铁合金调整成份同时提升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机会极少,钢成份也轻易正确控制,并能很好地去除硫、磷等有害元素,所以钢质量很好,尤其是可利用它冶炼高合金特殊钢。 1.1.4钢板生产基础知识 - 钢脱氧及浇铸在任何一个炼钢方法炼钢过程中,为了达成炼钢预定目标全部需要加入充足氧来氧化碳及其它杂质。所以,不可避免地在炼钢终了时钢水中
11、溶有过多氧。高温时氧在钢水中溶解度较大,但伴随温度降低,溶解度急剧下降。若不进行合适处理就会使钢水在浇铸过程中产生猛烈沸腾而不能正常进行操作,并降低钢塑性、韧性。所以,在炼钢终了时必需进行一定程度脱氧,也就是说脱氧就是在出钢或浇铸过程中合适地降低钢水含氧量作业。脱氧具体操作是向炉内或钢包中加入和氧结协力强脱氧剂。作为脱氧剂多种不一样元素其脱氧程度和效果是不一样。它是依据不一样元素平衡氧量来决定。以常见脱氧剂Mn、Si、Al而言,锰为弱脱氧剂,铝为强脱氧剂,硅脱氧能力居中。脱氧剂加入钢水后即和钢水中氧作用,生成脱氧剂元素氧化物,从而降低钢中含氧量。钢产品质量优劣,除决定于炼钢过程、化学成份及钢水
12、质量外还和钢浇铸有着十分亲密关系,钢浇铸方法又和脱氧方法相关连。现在,钢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模铸法模铸法立即炼钢炉冶炼完钢水倒入钢水包中,再铸入一定形状钢锭模使之凝固成钢锭工艺过程。以后,钢锭还需经初轧开坯,再深入轧制成多种钢材。铸锭过程并非单纯凝固过程,在凝固过程中同时还发生一定化学反应。不管最终产品是何品种,钢锭质量特征全部将对钢材质量带来较大影响。对钢锭质量起关键作用是钢脱氧方法,按脱氧方法不一样,钢锭可分为沸腾钢、压盖钢、半镇
13、静钢和镇静钢。它们分别有着不一样特征,充足了解这些特征对于钢铁产品质量设计有着关键意义。以下分别叙述多种钢锭特点: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,钢水中保留有一定含氧量(浇铸前通常含氧量为150450ppm)。当钢水浇入钢锭模中时,模壁钢水受急冷立即凝固,钢中氧溶解度也急剧下降,氧和钢水中碳作用O+CCO,放出大量CO气体,CO气体上浮,带动钢水沿钢锭模内壁上升,再经过模子中心下降,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“沸腾”,它保持了钢锭内部钢水温度均匀,因为含有多种杂质偏析成份不停被带往钢锭内
14、部,所以形成纯净表面层,且表面因为钢水将CO气泡带走,钢锭各侧面几乎没有留下气泡,形成了坚实坚壳层(坚壳层愈厚,钢锭质量愈好)。在靠近浇铸完成时,钢锭下部钢水静压力增大,CO生成减弱且上浮困难,沸腾不猛烈,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),气体产生压力再次增高又产生气泡,但因为内压力增大,气泡不能充足生长而形成几乎是球型气泡(二次气泡)。在最终平静凝固中,因为收缩,伴随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区域。 沸腾钢锭内部组织概况示意图5。 因沸腾钢浇铸后钢水在钢锭模中沸腾使
15、沸腾钢锭表面层钢质十分良好。另外,出于气泡产生填补了钢从液相到固相体积收缩,所以钢锭体积基础上和浇铸体积相当,在随即初轧及成品轧制过程中,钢锭中气泡能够完全焊合。和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轧制成材率,其关键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,在轧材不一样部位性能有较显著差异,尤其是硫、磷,因为凝固温度范围大,偏析最为严重。比如,钢锭中心部分硫可为平均含量6倍,磷可为平均含量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(通常加较大量硅铁、铝等强脱氧剂),所以在浇铸和凝固过程中几乎不产生CO气体。浇铸时
16、钢水流动缓慢,钢液凝固平静。 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),在以后凝固过程中,因为锭壁和中心有一定温度梯度,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,开始生成方向不一树枝晶。当几乎没有温度差中心部钢水温度达成液相线温度(凝固温度)时,在钢水内部结晶出独立晶粒,并因为密度不一样而沉降到钢锭底部,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。在镇静钢锭头部最终凝固地方,因为钢水凝固时体积收缩(收缩量约为1.52.5)。就产生很深缩孔和疏松。为了
17、预防产生这种情况,通常采取加保温帽方法,使缩孔和偏析集中在保温帽部分,并在初轧开坯中切除。镇静钢锭和沸腾钢锭相比,因为在凝固过程中钢水不流动,所以偏析量少,是质量均匀钢锭。其缺点是因为有缩孔需切除,所以成材率较低,成本较高。同时因为氢等气体在钢锭表面周围形成气泡(皮下气泡)和浇铸(上铸时)中发生冷溅缘故,镇静钢锭表面质量较差,会影响轧制钢材表面产生表面缺点。 1.1.4.1.3半镇静钢半镇静钢是脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间浇铸类型,钢水脱氧时除加锰铁外,也加入少许硅和铝,浇铸时模内仅有很微弱沸腾,排出少许CO。形成钢锭结构也介于镇静钢锭和沸腾钢锭之间。钢锭模形状多为瓶口形。半镇静钢性能靠近镇
18、静钢(偏析较小),但因为缩孔小,切头率低,所以扎制收得率较高(比镇静钢高7一10左右),广泛用于大量生产通常结构钢。它发展有限关键是因为它要求严格脱氧条件,钢水含氧量需稳定在很窄范围(波动5ppm,所以生产和管理要求高,有一定难度。 1.1.4.1.4压盖钢 压盖钢实质上是控制沸腾程度沸腾钢。将不完全脱氧钢水浇到钢锭模中,待钢液沸腾表面生成一定厚度坚壳层时,机械式加铁盖于钢锭模顶部,抑制气泡选出,使沸腾人为地停止,以预防钢锭心部产生严重偏析,它保留了沸腾钢所含有高收得率和良好表面,而部分消除沸腾钢S、P严重偏析。 1.1.4.2连铸法在科技飞速发展背景下,钢铁生产不停向连续化、高速化和大型化方
19、向发展,在钢水处理方面采取连续铸钢法替换传统铸锭开坯法就是一项重大改革。连铸法是将钢水经过结晶器直接冷却,凝固成所需规格板坯或其它截面钢坯一个钢水浇铸方法。连铸设备出回转台、中间包、中间包车、结晶器及结晶器振动装置、二次冷却装置、钢坯矫直装置、切割装置及引锭装置所组成。关键钢水凝固过程是经过结晶器实现。结晶器是连铸设备中关键部件,是一个水冷特殊“钢锭模”,出导热性良好铜板所制成。经过预定处理钢水在钢包内吊至回转台,旋转180度以后将钢包置于中间包上方,打开水口,使钢水注入中间包内,待液面达成要求位置时,打开中间包水口,控制钢水按一定速度流入结晶器。注入结晶器钢水被事先送入结晶器底部引锭头挡住,
20、当沿结晶器壁外层快速凝固成有一定厚度坯壳同时结晶器内钢水抵达要求高度时,开启拉辊,经过引锭杆以一定速度把铸坯拉出。铸坯出结晶器后经二次冷却喷雾区,经过辊道向前输送,经切割辊道由火焰切割装置切成定尺长度,除去两端切割中毛刺,送至铸坯精整场地,即完成连铸过程。和模铸法相比,连铸法优点是显而易见。首先连铸可省去庞大模铸、初轧工序,大大地简化了从钢水到钢坯生产工艺,缩短了生产周期(设备费用约可降低70);其次,因为钢水连铸成坯没有残钢损失,又不需切头,所以金属收得率大幅度提升,且能提升生产效率,降低能量消耗;另外,连铸可、实现自动化、机械化并能改善工作条件和工作环境。因为连铸时钢水凝固速度很快,所以可
21、得到成份均匀、组织致密、晶粒细小、非金属夹杂物少连铸坯。另外,因为连铸坯表面是经过钢水接触加工精细水冷铜结晶器而形成,所以连铸坯表面质量很好。在稳定生产条件下,铸坯可不加清理或稍加清理就送至下一道工序进行轧制。也正是因为连铸坯在生产中快速凝固,所以决定了连铸法不适适用于生产沸腾钢,连铸坯所适用脱氧方法为镇静钢。多种浇铸方法比较见表21。 浇铸方法项目 模铸沸腾钢模铸压盖钢模铸半镇静钢模铸镇静钢连铸钢坯脱氧方法用弱脱氧剂进行不全脱氧同左进行中等程度控制脱氧强脱氧剂进行完全脱氧同左化学成份限制通常:C0.25%,Mn0.60%同左比沸腾钢限制较少低碳钢没有成份限制,可生产全部碳素钢、合金钢除少数高
22、合金钢外无成份限制表面质量最好好于镇静钢,但比沸腾钢差较差易产生针孔、翻皮等表面缺点,轧坯后需清理很好初轧成材率90939080约98(钢坯量/钢水量)偏析钢锭头部有较严重偏析头部有偏析、但比沸腾钢有所改善偏析比压盖钢还有所改善有轻微偏析,程度最轻有轻微偏析用选因为受化学成份限制,只能生产含碳量较低碳素钢,不能生产中、高碳碳素钢及合金钢,但表面质量很好,所以关键用于生产中、低强度碳素结构钢,品种关键是线材、薄板、 钢带、焊管等同左基础上和沸腾钢相同,但因半镇静钢含碳量可比沸腾钢提升,所以可生产中等强度结构钢,品 种能够有中板、厚板、型钢等可按其钢种不一样生产多种类别、多种品种产品如机械结构钢、
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