黑色金属冶金技术钢铁知识讲座.ppt

黑色金属冶金技术钢铁知识讲座,主要内容,一：钢铁基础知识二：钢铁的冶炼三：钢铁行业的产业政策,一钢铁基础知识,黑色金属包括铁、铬、锰三种。但后两种在实际生产中很少单独使用，故黑色金属就泛指钢、铁。本文主要讲述有关钢铁冶炼的基本知识。自从1980年阿尔温托夫勒（《第三次浪潮》的作者，美国未来学家）到处鼓吹钢铁是夕阳工业以来，使人们产生了一种错觉，似乎发展信息产业必须压缩钢铁工业，钢铁生产技术没有必要，也不可能继续发展。而二十多年来的事实表明：钢铁生产需求接近饱和，世界产钢量没有显著增长，但是也没有萎缩；钢铁生产技术和冶金工程科学仍在不断更新，新技术层出不穷；钢铁材料品种继续增多，钢的性能和品质有大幅度提高。为什么非常古老的钢铁有这样强的生命力呢？这首先决定于钢铁的基体特性。,铁是元素周期表上第26位元素，原子量为55.85，在大气压下于1534℃熔化，2740℃气化。固态铁的密度是7870Kg/m3。高纯度的铁是很柔软的，没有多少使用价值。但当纯铁中含有一定量的碳后，就变成我们在各方面使用的钢铁了。钢与生铁都是以铁为主，并含有少量碳，硅，锰，硫等元素的铁碳合金，根据碳和其它元素含量的不同而区分为钢和生铁，特别是碳含量的差别，引起铁碳合金在不同温度下所处的状态和结构的变化，因而使钢和生铁具有不同的性能和用途。钢铁中常见元素的含量见表1-1,分类见图1-1。,表1-1钢和生铁中主要元素的含量（%）,,生铁含碳量高，其性质硬而脆，不能锻造，它主要用于铸造电动机外壳，变速箱壳体，机床体与支架以及其它机械零件。在世界各国铁产量中，大部分是作为炼钢原料，而只有10%左右用于铸造各种部件和零件。,图1-1钢铁的分类,第二章钢铁的冶炼,2.1钢铁的冶炼历史2.2铁的生产工艺2.3钢的生产工艺,2.1钢铁的冶炼历史,钢铁冶炼技术大致可分为三个发展阶段。(1)13世纪末以前，古代人的冶炼方法十分简单，利用自然地形将铁矿石与木炭一起放入称为地窑炉的炉膛内，加热冶炼，因不能获得熔化矿石的高温，仅能制成半熔融状态的铁块，其中混杂有相当多的氧化铁渣，称为海绵铁。其含碳量极低，所以塑性较高，经锻打成型，制成器具，在此时期，冶炼工场在出产铁矿石和木材丰富的山区非常发达。,(2)13世纪末至19世纪中叶，随着铁的需要以及鼓风技术的发展，炉子越来越高，逐渐形成现代高炉的雏形-木炭炉。由于炉容增大，采用鼓风技术，使单位时间内燃烧的燃料量增加了，炉内温度提高，能得到熔融状态的生铁，这种生铁冷却后很脆，不能锻造成器具。后来将生铁作原料和矿石、木炭一起在炉内再进行冶炼，得到性能比生铁好的粗钢（也叫熟铁）。从此钢铁冶炼就开始了一直沿用至今的二步冶炼法：第一步，从矿石中冶炼出生铁，第二步把生铁精炼成钢。(3)19世纪中期至今，以生铁为原料在高温下精炼成钢，一直是钢铁生产的主要方法。在此期间，高炉鼓风由热风代替冷风，并建产了蓄热式热风炉，鼓风动力采用电力。建立了作为生铁精炼炉的转炉、平炉、电炉的炼钢法。,2.2铁的生产工艺,铁的化学性质较为活泼,自然界中的铁都是以铁的化合物形式存在的。炼铁用的多数是铁的氧化物。含铁比较多的、并且具有冶炼价值的矿物称为铁矿石。炼铁就是从铁矿石中提取铁及有用元素形成生铁的过程。炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质CO、H2、C；适宜温度等）通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分是作为炼钢原料。下面分别介绍这三种冶炼方法的工艺。,1概述高炉炼铁是一种古老的冶炼方法，高生产率、低消耗、低成本是它的最大优势,加上不断地吸收新技术，高炉炼铁法仍然不断地在发展。因而在可以预见的将来，高炉炼铁仍然是炼铁的主力军。经过了几个世纪的发展，现代高炉技术已经达到非常高的水平。现代巨型高炉的炉容积已有4000-5000m3,年产生铁达250万-300万吨。高炉的寿命很多都达到了10-15年。,2.2.1高炉炼铁法,2原料高炉炼铁使用的原料是块状的铁矿石、燃料、熔剂和鼓风形态的空气。（1）含铁原料铁矿石种类较多，在自然界中已发现的有300多种含铁矿物。目前世界上常用的铁矿石，主要有磁铁矿石，赤铁矿石，褐铁矿石和菱铁矿石等。各种矿石的组成及性能见表2-1。,表2-1常用铁矿石的分类、组成及性能,(1)磁铁矿石主要矿物是磁铁矿，呈黑色金属光泽，磁性强（复合矿可通过磁选富集铁分），在自然界中纯磁铁矿矿石较少，常含有TiO2及V2O3组成复合矿石，即钒钛磁铁矿，由于受氧化作用，磁铁矿易被氧化成赤铁矿，有的仍保留着磁铁矿石的结晶形态，但无磁性，被称为假象赤铁矿或半假象赤铁矿。(2)赤铁矿石。颜色呈红色或红褐色，故又称为红矿。主要矿物为赤铁矿，无磁性，但组织疏松，易破碎，还原性优于磁铁矿。赤铁矿石广泛分布于自然界中，常形成巨大的矿床，就世界范围而言，其储量最多（占铁矿石总储量的48.3%），是炼铁的最主要铁矿石资源。,(3)褐铁矿石常为含不同分子结晶水的赤铁矿，褐铁矿吸附着大量水分，加热时失去结晶水和游离水，使矿石气孔率增加，故还原性好，同时，由于去掉了水分，相应提高了矿石的品位。(4)菱铁矿石。它是含铁的碳酸盐。在自然界中，有工业开采价值的菱铁矿比其它三种矿石要少，含铁量不高，但受热分解放出CO2后，不仅含铁量显著提高，而且也变得疏松多孔，易还原。当铁矿石含铁量过低，就需要将它们粉碎(0.074－0.044mm)，然后富选成含铁高的精矿粉，一般精矿粉的含铁量在63%-68%之间。由于高炉炼铁需要气流通畅，所以只能加入块矿，精矿粉要通过烧结的办法制成烧结矿或通过球团的办法焙烧成球团矿。烧结矿和球团矿统称人造富矿。,所谓烧结，就是将精矿粉、富矿粉（小于8mm）与配入的熔剂粉（小于3mm的石灰石粉和白云石粉）和燃料粉（焦粉或无烟煤粉）组成混合料，同时加入一定量的水，将混合料制成小球。然后将基本上都是小球的混合料铺在有箅子的烧结台车上，厚度在400-700mm。将混合料中的燃料颗粒点着燃烧，产生1250-1500℃的高温，与此同时，在箅子下面抽空气，使混合料的燃料从上往下燃烧，直到料层底部。在高温下，混合料中的一些熔化温度低的矿物转变成液体，这些液体将周围的矿粉溶入,形成新的矿物质，当温度降低时，液体冷凝析出晶体，并将周围颗粒较大而没有溶入液体的矿粒粘结在一起，形成大块的多孔蜂窝状的烧结矿。烧结矿生产的流程见图2-2。,图2-2烧结生产流程,所谓球团生产就是将极细的精矿粉与添加剂混合后，在旋转着的造球机（圆盘式和圆筒式两种）上加水制成8-15mm的圆球。这种圆球经过干燥、焙烧成为强度很高的球团矿。（2）燃料燃料是高炉冶炼不可缺少的基本原料之一，几乎所有高炉都使用焦炭作燃料。在高炉炼铁中，焦炭起三种作用：(1)提供冶炼所需的热量；(2)还原矿石所需的还原剂；(3)在高温区，焦炭是惟一的固体物，是支撑料柱的骨架和使气流畅通的透气通路。强度好的块状焦炭是高炉炼不可缺少的燃料。但因炼焦煤资源的匮乏，而且炼焦生产还给环境造成严重的污染。因些，向高炉喷吹补充燃料，特别是喷吹煤粉来替代部分焦炭，就是20世纪高炉炼铁技术进步最成功的一项。,所谓喷吹煤粉，就是将不能炼焦的煤磨成细粉，与鼓风一起通过风口喷入炉缸的燃烧带，如同焦炭一样，煤粉在燃烧带内与鼓风中的氧反应形成煤气并放出热量，所以喷吹煤粉可以代替焦炭的还原剂和热源两个作用，但是不能代替焦炭的料柱骨架作用。目前世界各国的喷煤数量占单位生铁总燃料消耗的30-50%。（3）熔剂矿石中的脉石与焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它们的熔点均较高（SiO21713℃,Al2O32050℃），在高炉冶炼条件下很难熔化，为使其形成低熔点物质，需加入一定数量助熔剂（简称熔剂），以形成许多低熔点的化合物和共熔体，即所谓的炉渣，并能达到完全熔化，且具有良好的流动性，使渣铁容易分离。,熔剂按其性质可分为碱性和酸性两种。高炉最常用的是碱性熔性，即石灰石和白云石等。当脉石中碱性氧化物含量较高时，则用酸性熔剂，常用的有硅石等。为充分利用钢铁工业废弃物，有些高炉用高碱度的转炉钢渣代替碱性熔剂。（4）鼓风鼓风是经风机压缩后具有很高压强的空气，在现代大高炉上鼓风压强可达0.4兆帕以上。为了强化高炉冶炼和向高炉喷吹补充燃料，常将制氧机生产的氧气加入鼓风中，使鼓风的含氧量达到22%-30%。风机出来的鼓风都要经热风加热到1000℃以上，然后送入高炉。,3主要设备高炉是用焦炭、铁矿石和熔剂炼铁的一种竖式的反应炉（如图2-3）。高炉是一个竖立的圆筒形炉子，其内部工作空间的形状称为高炉内型，即通过高炉中心线的剖面轮廓。现代高炉内型一般由圆柱体和截头圆锥体组成，由下而上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五段。由于高炉炼铁是在高温下进行的，所以它的工作空间是用耐火材料围砌而成，外面再用钢板作炉壳。,图2-3高炉的结构1-炉底耐火材料；2-炉壳；3-生产后炉内砖衬侵蚀线；4-炉喉钢砖；5-煤气导出管；6-炉体夸衬；7-带凸台镶砖冷却壁；8-镶砖冷却壁；9-炉底碳砖；10-炉底水冷管；11-光面冷却壁；12-耐热基墩；13-基座,在高炉炉顶设有装料装置，通过它将冶炼用的炉料（由焦炭和矿石按一定比例组成）按批装入炉内。在高炉下部炉缸的上沿，沿圆周均匀地布置了若干个风口（100m3小高炉有8-10个，4000m3以上的大高炉则有36-42个）。加热到1000℃以上的热风，经铜质水冷风口送入炉内，供焦炭燃烧形成高温煤气。在炉缸的底部设有铁口，可周期性或连续性地排放出液态生铁和炉渣。在风口和铁口之间还设有渣口以排放部分炉渣，减轻铁口负担。现代高炉采用优质耐火材料，例如炉底、炉缸部位用微碳孔碳砖，炉身下部和炉腰部位用铝碳砖或碳化硅砖，其它部位用优质高铝砖和高致密度的粘土砖等作炉衬。炉壳用含锰的高强度低合金钢制作，安装有性能好的含铬耐热铸铁、球墨铸铁或铜质立式冷却器，或铜质的卧式冷却器。,4工艺流程：高炉冶炼过程是一个连续的生产过程，全过程是在炉料自上而下，煤气自下而上的相互接触过程中完成的。如图2-4所示。炉料从受料斗进入炉腔。在高炉底部的炉缸和炉腹中装满焦炭。炉腰和炉身中则是铁矿石、焦炭和石灰石，层层相间，一直装到炉喉。从风口鼓入的热风温度高达1000-1300℃，炉料中焦炭在风口前燃烧，迅速产生大量的热，使风口附近炉腔中心温度高达1800℃以上。由于底部焦炭很厚，燃烧不完全，因此，炉气中存在大量CO气体，在炉内造成了良好的还原性气氛，产生的CO气体在炉体中上升。,同时，由于下部的焦炭燃烧产生空隙，上面的焦炭、矿石和熔剂在炉体内缓慢下降，速度大约为0.5-1mm/s。炽热的CO气体在炉内上升过程中加热缓慢下降的炉料，并把铁矿石中铁氧化物还原为金属铁，铁矿石在570-1200℃之间受到CO气体和红热焦炭的还原，形成了海绵铁。海绵铁在1000-1100℃的高温下溶入大量的碳，因而铁的熔点下降，形成了生铁。生铁的熔点约为1200℃，以液体状态滴入炉缸。矿石中未被还原的物质形成熔渣，实现渣铁分离。最后调整铁液的成分和温度达到终点，定期从炉内排入炉渣和生铁。上升的高炉煤气流，由于将能量传给炉料而温度不断下降，最终形成高炉煤气从炉顶导出管排出。,图2-3高炉治炼过程示意图1-料斗；2-大钟；3-焦炭；4-燃料带；5-炉渣；6-铁水；7-渣罐；8-铁罐；9-铁口；10-风口；11-矿石；12-上升煤气,在高炉中主要进行下面几个步骤：（1）铁的间接还原和直接还原反应这是高炉炼铁的主要反应。铁矿石在下降过程中，从400℃开始就被CO和H2按Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe逐步从高价铁还原到低价铁，直到金属铁，当矿石进入高温区（850℃-1000℃）后，又被固体碳还原。铁的间接还原是指铁氧化物与CO、H2反应生成铁的过程。以FeO与CO为例，反应式是：FeO┼CO─Fe┼CO2铁的直接还原是指利用固体碳和铁氧化物反应生成铁的过程。以FeO还原为例，反应式是：FeO┼C─Fe┼CO,直接还原反应是不可逆的，虽然它还原单位铁所消耗的还原剂量少，但它是吸热反应，需要燃烧更多的焦炭来补偿反应的吸热量。间接还原的特点之一是反应可逆。为使反应向我们所要求的方向-形成低价氧化铁和金属铁的方向进行，就要用过量的还原剂CO和H2。（2）造渣过程造渣过程是物料尚处在固体状态下就开始的。脉石与从高价氧化物还原出来的FeO和MnO等形成低熔化点的矿物，在一定的温下软化和熔融成初渣。它在滴落过程中不断与煤气和焦炭接触，连续发生化学反应，逐渐失去FeO和MnO，同时吸收焦炭灰分及上升煤气中所携带的物质。也是吸收熔剂,中的CaO、MgO。随着成分的变化，炉渣的熔点逐步升高，但它进入了高温区，有足够的热量对它加热，保证它透过炉内的焦炭区，而汇集在炉缸中，在铁液的上面形成渣层。铁液穿过渣层时，在渣铁界面上发生渣铁间的反应，调整生铁成分和炉渣成分，最后形成终渣。（3）生铁的形成刚从铁矿石还原出来的金属铁呈固体多孔状，几乎不含碳，称为海绵铁。它的熔化温度很高，在1500℃以上。随着炉料从还原地带向下方运动，煤气中CO分解形成的碳黑具有很高的活性，它附着或觉积在海绵铁表面的孔隙里，使其渗C，形成铁的碳化物。随着碳的渗入，海绵铁的熔化熔化温度降低；在到达高炉内的软化熔融带时，海绵铁,由固体转变为铁滴。在液态铁滴穿过焦炭区时，渗入的碳量继续增加，最终达到饱和状态。炼钢生铁的含碳量可达5%以上。生铁形成过程中，还伴随着有害元素硫，磷等的去除。,2.2.2直接还原炼铁法,1概述直接还原法是指在铁矿石熔化温度下把铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程，产品叫直接还原铁或海绵铁。由于低温还原，得到的直接还原铁未能充分渗碳，因而含碳较低(<2%),属于钢的成分。矿石中的脉石成分既不能熔化造渣脱除,也不能被还原,因而直接还原铁中几乎保留了铁矿石中的全部脉石杂质,实际生产中仍需要用电炉精炼成钢.电炉精炼的主要任务是熔化脱除杂质和调整钢的成分,而不是氧化脱碳.直接还原法-电炉串联生产钢，形成了一个新的钢铁冶金生产工艺流程。,直接还原炼铁法已有百余年的历史，先后提出各种不同的工艺方法400余种，但是真正成为工业生产方法的只有少数几种，而且是到20世纪60年代才有重大突破，这是因为：（1）冶金焦的价格大幅度上涨，而石油、天然气大量开发使用，特别是高效率天然气转化法的应用，提供了直接还原炼铁法需要的还原煤气，解决能源的来源和价格问题。（2）电炉炼钢迅速发展，超高功率新技术的应用使电炉炼钢得到高速发展，合格的废钢供应不足，大大扩展了直接还原铁的需求。（3）废钢（多数是从社会收集的废钢）中往往含有某些对钢性能不利的有色金属，如铜、锡、砷、铅等，无论用氧化熔炼或还原熔炼都无法去除它们。而随着废钢的循环利用，它们在钢中的含量会越积越多。因而需要加入直接还原铁来稀释它们。,（4）选矿技术的提高，扩大了直接还原炼铁法的矿石资源。原来只能使用杂质少且品位高的天然富矿，现在高品位铁精矿粉制造的球团矿，其脉石含量可以降低到不需要在还原生产中脱除，使直接还原技术简化，而且产量提高。从本世纪70年代中期以来，世界钢产量一直在7亿吨左右，而海绵铁的产量却逐年增加工厂，60年代年产几十万吨到1997年已发展到年产3620万吨。海绵铁的稳定增长和电炉炼钢的增长有显著关系。少量金属化率较低的直接还原铁还可用于高炉，以提高产量和降低焦比。直接还原铁的生产主要在天然气资源丰富的地区，拉丁美洲国家生产的海绵铁占全世界产量的一半以上。,2含铁原料品位的高低是最重要的品质，由于直接还原铁大多用于电炉炼钢，它的残留脉石会使电炉炼钢电耗升高，生产率降低，炉衬寿命缩短，危害较大。所以直接还原炼铁法使用的矿石要求SiO2、Al2O3等的含量＜3%-5%。危害电炉钢品质的有害元素，如铜、砷等则因为电炉钢品种不同而有不同的要求。直接还原法炼铁法对于还原性和软化温度也有严格要求。因为还原性是影响直接还原炼铁法生产率的最重要因素，因此这种方法只使用还原性好的球团矿或块矿。3几种主要的直接还原炼铁法根据使用的燃料不同，直接还原炼铁法分为两大类：用煤气作气体还原剂和载热体的气基法；以固体煤作为还原剂和热源的煤基法。,（1）气基法气基法中的煤气常用天然气、焦炉煤气、液化石油气、重油等转化制造。天然气和液化石油气主要使用蒸汽转化，生成CO和H2；重油使用氧气部分氧化法将碳氢化合物转化为CO和H2。目前为止，无论从产量还是产能上看，气基法占主导地位，约占90%左右。气基法的典型代表是Midrex法。Midrex气基法属竖炉法，为美国米德莱克斯（Midrex）公司所发明，是目前最完善、生产能力最强、使用最普遍的直接还原炼铁法。它由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气重整炉组成。这种方法生产的海绵铁占直接还原炼铁法生产海绵铁总量的60%以上。图2-4是它的生产流程示意图。,图2-4Midrex法生产流程,天然气进入转化炉内，在镍基触媒的催化下，通过天然气裂化反应将其转化成煤气和氢气。CH4＋H2O→CO＋3H2(天然气裂化反应)球团矿或天然块矿从炉顶通过布料器（或多个加料管）合理地布入炉中，在还原区与CO、H2进行还原反应。还原气入炉时温度为750-900℃，送入距竖炉顶部2/3处的还原带。炉料在炉内停留约6小时，含铁矿石被CO和H2还原，被还原的海绵铁的金属铁含量在92%以上。然后海绵铁进入下部没有砖衬的冷却带，用专门的冷却气或炉顶气冷却，冷却到30℃时排出炉外，可保证海绵铁在大气中不再氧化，细碎的产品可压制成块存放，供电炉熔炼使用。直接还原后的废气中仍含有大量的CO和H2（约占70%），通过洗涤器从新返回到重整炉，然后进入竖炉循环使用。反应方程式为；Fe2O3＋3H2→2Fe＋3H2OFe2O3＋3CO→2Fe＋3CO2,（2）煤基法煤基法使用的煤以烟煤为宜，这种煤能够与CO2反应生成CO（生产中称这种性能叫煤的反应性），煤中灰分的熔化温度一般要求在1150℃以上，即高于直接还原法操作温度50-100℃，以避免析出的灰分与炉料和炉墙发生粘连，造成生产操作故障。煤基法使用的煤还要求灰分含量低（<25%）和含硫量低(<0.8%)。回转窑法是煤基法中最重要、最有价值、应用较广的工艺。此法还原铁矿石可按不同的作业温度生产海绵铁、粒铁及液态铁水，但以低温作业的回转窑生产海绵铁最有意义。回转窑的优点是能够直接使用固体煤作为能源，能有效地除去某些杂质；缺点是生产率低，热效率也低，所以应用范围不广泛，仅适用于天然气等资源匮乏地区。此法的重要设备是回转窑，它的示意图如图2-5所示。,图2-5回转窑示意图,窑体稍有倾斜（4%的斜度），窑中装有耐火衬，在窑头、窑中、窑尾设有耐火材料挡圈以增加炉料停留时间。煤燃烧所需要的空气通过风管沿轴向吹入窑中，风管安装在沿窑长方向的不同部位。煤不但是还原剂，同时还提供所需要的热量。沿窑长方向分两个区：预热区-煤燃烧将原料的混合物加热至还原温度；还原区-煤进一步燃烧为生产海绵铁提供热量。通过控制向窑内吹入的空气量和喷煤量，可以有效控制窑内的反应。直接还原法煤基回转窑中应用最广泛，而且最具有代表性的一种方法就是SL/RN法。SL/RN是由美国、德国、加拿大的4家创立此法的各公司名字的字首缩与而成的。图2-6为SL/RN法工艺流程。,图2-6SL/RN法工艺流程,原料（铁矿石、煤粒、熔剂）从窑尾加入圆形回转窑中。窑缓慢旋转使矿和煤在被加热和还原的同时向出料端移动。窑头外设有烧嘴燃烧燃料。形成的废气则由窑尾排出。炉料与炉气呈逆向运动，在运动过程中，炉料在预热段被加热，使水分蒸发和石灰石分解，达到800℃后，煤中的固体碳开始还原铁矿石中的氧化铁，直到获得海绵铁或铁料，而碳则转变成CO气体，CO在氧化区被燃烧成CO2，放出热量以满足还原反应的要求，产品排出窑后进入回转冷却筒冷却得到海绵铁或粒铁，也可热送电炉直接炼钢。回转内反应温度应控制在1100℃以下，经8-10h完成还原反应后出窑。回转窑所产生的废气从进料端吸走，高温废气可余热利用。,若炉料在回转窑中经过预热和还原后，再进一步提高温度（1250℃）进入粒铁带，金属铁与炉渣开始软化，在半熔化状态下金属铁由小颗粒堆集成卵状粒铁，炉料出炉后经水淬冷却后很容易用磁选或重选把粒铁与脉石分开，这就是回转窑粒铁法。此法由于作业率低、产量小、耐火材料消耗高等重在缺点，近年来逐渐被淘汰。但此法适应性大，是惟一能直接冶炼SO2含量高的贫铁矿的方法。,2.2.3熔融还原法,1概述熔融还原法是指不以焦炭为燃料，以煤炭为主要能源，使用天然富矿、人造富矿（烧结矿或球团矿）取代高炉生产液态生铁的方法。熔融还原炼铁法与直接还原炼铁法不同，熔融还原的发展目标是代替高炉炼铁法，产品是与高炉铁水性质相近的液态生质，仍是转炉炼钢的原料；而直接还原炼铁法产品是海绵铁，代替废钢供电炉炼钢使用。,熔融还原的特点是在炼铁过程中，使炉渣和生铁熔化而分离，从而可以脱除煤灰分和矿石的脉石。这样它对原料、燃料的要求不像直接还原炼铁法那样严格。因此，熔融还原炼铁法是具有相当的竟争能力和广阔的前景的炼铁方法。2工艺流程熔融还原发展过程中出现过两种方法：一步法和二步法。一步法熔融还原是在一个反应器内完成铁矿石还原和渣铁分离全部过程的方法。二步法熔融还原在预还原炉内进行铁矿石预还原，然后进入终还原器内进一步还原和使渣铁熔化分离，并产生还原性气体供预还原使用。在众多的试验中，一步法都没有获得成功，从20世纪70年代始，国内外研究开发的大多数是二步法。,Corex法是奥地利和德国于20世纪70年代末联合开发的，是目前惟一已形成生产能力的熔融还原炼铁法，而且其投资、生产成本、铁水质量等几个方面已经基本上可以与传统的焦炭高炉炼铁法相竟争。Corex法由预还原竖炉子和熔融制气炉（也称为终还原炉或熔融气化炉）串联，再加上煤气除尘和调温系统组成，它的工艺流程如图2-7所示。,图2-7Corex法示意图1-熔融气化炉；2-预还原竖炉；3-煤仓；4-热旋风除尘器；5-煤气冷却器；6-炉顶煤气冷却器；7-铁矿石；8-煤及石灰；9-外供煤气；10-氧；11-铁水及炉渣；12-原料气；13-冷却气；14-还原气；15-炉顶煤气。,Corex法的预还原竖炉类似于Midrex直接还原炼铁法的竖炉，采用天然富块矿或球团矿作为含铁料，从熔融制气炉来的还原煤气（CO+H2之和大于95%，以CO为主）将铁矿石预还原，由于竖炉是高效率的还原反应器，在短时间内金属化率就可达到90%以上。然后由下部的的螺旋给料器将金属化的炉料连续均匀地输入熔融制气炉。熔融制气炉类似于高炉的炉腹和炉缸部位，在上部连续均匀地输入金属氧化物的同时，煤块亦从上部加入，而从其下部炉缸风口鼓入氧气。氧气将燃烧成CO并放出热量。落下的炉料中残余的氧化铁在这里得到最终还原。还原的金属铁渗碳，炉料熔化而使渣铁分离。形成的煤气上升，从熔融制气炉上部逸出。逸出煤气经除尘后，部分煤气调温到800-850℃，再输入上部的预还原竖炉供矿石预还原使用，多余的部分煤气则外供给其它用户。,2.3钢的生产工艺,2.3.1概述2.3.2转炉炼钢法2.3.3平炉炼钢法2.3.4电炉炼钢法,钢和铁都是以铁元素为基本成分的铁碳合金。生铁和钢所以在性能上有较大的差异，主要原因是由于含碳量的不同使铁碳合金的组织结构不同而造成的。生铁除了含有较高的碳外，还含有一定量的的其它杂质。所谓炼钢，就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高强度、高韧性或其它特殊性能的钢。因此，炼钢的基本任务可归纳为：1脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量不但是引起生铁和钢性能差异的决定性因素，同样也是控制钢性能的最主要元素。钢中含碳量增加，则硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降。,2.3.1概述,2去除杂质，主要包括：（1）脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S均为有害杂质。P可引起钢的冷脆，而S则引起钢的热脆。（2）脱氧：由于在氧化精炼过程中，会钢液中溶入一定量的氧，它将大大影响钢的质量。一般是向钢液中加入比铁有更大亲氧力的元素来降低钢中的含氧量（如Al、Si、Mn等合金）（3）去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要是指溶解在钢中的氢和氟。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化合物。在一般炼钢方法中，主要靠碳-氧反应时产生CO气泡的逸出，所引起的熔池沸腾来降低钢中气体和非金属夹杂物。3调整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、化学性能还应加入适量的合金元素使其含量达到规定。,炼钢的基本过程是氧化。向铁液中吹入纯氧或加入铁矿石使铁被氧化。生成的FeO溶解在铁液中，与铁液中其它元素发生反应。铁液中的FeO越多，各种元素被氧化得越剧烈。碳被氧化成CO气体，直接从铁液中逸出；硅和锰被氧化生成SiO2和MnO2进入熔渣。铁液中的含碳量降低到一定程度时，氧化即告完成，铁液炼成了钢液。此时，钢液中剩余相当多的FeO，因此要在炼钢炉中和盛钢桶中加入适量的锰铁、硅铁和铝等脱氧剂进行脱氧，来还原钢液中的FeO，以改善钢的力学性能。炼钢方法主要有转炉法、平炉法、电炉法等。,2.3.2转炉炼钢,1概述贝塞麦于１８５６年发明了梨形可动式转炉，将熔化的生铁放入转炉内，吹进高压空气，使生铁中所含的硅、锰、碳、磷燃烧掉，只花１０分钟就把１０～１５吨铁水炼成钢。若是用搅拌法需几天时间才能完成。但是，贝塞麦发明的转炉是酸性转炉，在酸性转炉环境中，磷很难被氧化除掉。１８７９年，托马斯提出了碱性转炉炼钢法，即采用白云石高温烧成的熟料，混合焦油做成碱性的耐火砖炉衬，冶炼过程中吹入空气并加入生石灰。这样便使整个反应在碱性高温条件下进行，被氧化的磷与石灰结合起来，残留于渣内而不返回钢内，脱磷问题因此得以解决。20世纪中叶，由于制氧机的制造成功，成本低廉的氧气在工业中大量使用，氧气炼钢的技术迅速发展起来。,氧气炼钢法分为氧气斜吹转炉炼钢法、卧式转炉双管吹氧法、纯氧顶吹的转炉炼钢法等。氧气顶吹转炉是目前的主要办法，国外称LD转炉，美国称BOF炉。氧气顶吹转炉炼钢法反应速度快，生产率高，不需要燃料,热效率高，成为冶金史上发展最迅速的新技术，并逐渐取代平炉成为炼钢方法的主流。与通用的平炉比较，投资少于平炉４０％～５０％；效率高于平炉３～５倍，所需劳力少，占用场地小，炼钢时间短，钢的成本低，质量高。纯氧顶吹炼钢法出现后，世界钢产量急剧增长，各种高质量的特种钢也炼制出来。下面主要介绍顶吹转炉工艺技术。,2设备（1）转炉主体设备转炉主体设备是实现炼钢工艺的主要设备，它由炉体、炉体支撑装置和炉体倾动机构等组成，见图2-8。,图2-8转炉炉体结构1-炉壳；2-挡渣板；3-托圈；4-轴承及轴承座；5-支撑系统；6-耳轴；7-制动装置；8-减速机；9-电机及制动器,炉壳：由锥形炉帽、圆筒形炉身及球形炉底三部分组成。各部分用钢板成型后再焊接成整体。钢板厚度主要取决于炉子容量，炉壳和损坏主要是产生裂纹和变形。因此，要求炉壳材质有良好的焊接性能和抗蠕变性能。为防止炉帽变形，近年来广泛采用水冷炉口。托圈：其主要作用是支撑炉体，传递倾动力矩。大、中型转炉托圈，一般用钢板焊接成箱式结构，可通水冷却。托圈与耳轴连成整体，转炉则坐落在托圈上。耳轴：转炉工艺要求炉体应能正反旋转3600，在不同操作期间，炉子要处于不同的倾动角度。为此，转炉有两根旋转耳轴，一侧耳轴与倾动机构相连而带动炉子旋转。倾动机构：其作用是倾动炉体，以满足兑铁水、加废钢、取样、出钢和倒渣等操作的要求。（2）供氧系统设备炼钢时用氧量极大，要求供氧及时、氧压稳定、安全可靠。供氧系统由输氧管道、阀门和向转炉吹氧的吹氧管装置等设备组成。结构如图2-9所示。,图2-9吹氧管基本结构简图1-吊环；2-中心管；3-中层管；4-上托座；5-外层管；6-下托座；7-喷头,吹氧管是枪身、枪尾与喷头组成。枪尾与进水管、出水管和进氧管相连，枪尾的另一端与枪身的三层套管连接，枪尾还有与升降小车固定的装卡结构，在它的端部有更换氧枪时吊挂用的吊环。枪身是三根同心管。内层管通氧气，上端用压紧密封装置牢固地装在枪尾，下端焊接在喷头上。外层管牢固地固定在枪尾和枪头之间。当外层管承受炉内外显著的温差变化而产生膨胀和收缩时，内层管上的压紧密封装置允许内层管在其中自由竖直伸缩移动。中间管是分离流过氧枪的进、出水之间的隔板，冷却水由内层管和中间管之间的环状通路进入，下降至喷头后转180经中间管与外层管形成的环状通路上升至枪尾流出。,3工艺流程氧气转炉炼钢，就是利用氧气将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素快速氧化到吹炼终点。在吹氧的全部时间内，熔池中始终进行着强烈的元素氧化反应，只是在吹氧结束后的为时很短的脱氧和合金化时间内，熔池中的反应才主要是还原反应。氧化反应放出的热量，将主炉铁水（1200℃-1300℃）加热到1560℃-1660℃。如图2-10所示。,图2-10顶吹转炉法,顶吹转炉炼钢法的基本流程为：（1）上炉出钢倒渣后，迅速检查炉体，必要时进行补炉，然后堵好出钢口，及时加料。每炉装入铁水和废钢的数量称为装入量，氧气顶吹转炉不用外来热源，是依靠铁水物理热和铁水中杂质元素氧化反应生成热来提供热量的。因此，其铁水和废钢的合理配比需根据炉子的热平衡来确事实上，绝大多数情况下，铁水的配比在75-90%之间。（2）装入废钢和兑入铁水后，摇正炉体，下降氧枪并同时加入第一批渣料（石灰、萤石、氧化铁皮、矿石），其量约为总渣量的2/3-1/2。当氧枪降至规定枪位时，即调到规定氧压开始吹炼钢。当氧流与熔池面接触时，产生C、Si、Mn、P的氧化，称为点火。点火后几分钟，初渣形成并覆盖于熔池面。随着氧化的进行，熔池温度升高，火焰亮度增加，炉渣起泡，并有小铁粒从炉口喷溅出来，此时应适当降低氧枪高度。,（3）吹炼中期，脱碳反应剧烈，渣中氧化铁降低，使炉渣熔点增高和粘度加大，并可能出现稠渣现象。此时应适当提高枪位，并可分批加入铁矿石和第二批渣料，以提高渣中氧化铁含量，并调整炉渣。（4）吹炼末期，脱碳速度减弱，火焰变短、透明。最后根据火焰状况、供氧数理和吹炼时间等因素，按所炼钢种的成分和温度要求，确定吹炼终点。判定终点后，提升氧枪并停止供氧，倒炉进行测温和取样。根据分析结果，决定出钢或补吹时间。,（5）当钢水成分和温度均已合格，即可出钢。在出钢过程中，向盛钢桶内加入铁合金，进行脱氧和合金化。出钢完毕，将炉渣倒入渣罐。通常将相邻两炉之间的间隔时间（从装入钢料至倒渣完毕）称为冶炼周期，一般为20-40分钟。,2.3.2平炉炼钢法,1概述1856年威廉西门子得到一项将蓄热原理用于所有需大量热能的炉子的专利。最初，此法主要是用于玻璃熔化炉，可节省50％的燃料。将此法用于炼钢，是在炉的两端建有放置“砖格”的蓄热室，砖格先由炼钢炉排出的热气加热，然后把要进炉的空气预热。但用固态燃料试验时很不顺利，存在着一些问题，诸如炉灰堵塞了蓄热室的砖格等。1864年法国人马丁改造了炉体，又采用了威廉西门子用蓄热提高炉温的办法，用生铁和废铁炼出了优质钢。1868年威廉西门子用生铁和铁矿石炼钢成功。这种炼钢法被称做“西门子─马丁炼钢法”。由于这种炼钢炉形状低平又有一个平展的熔池，所以被称为“平炉”。这种炼钢法也称为“平炉炼钢法”。,平炉炼钢时，经过下层蓄热室预热的空气和煤气被送入上层熔池，在铁水表面吹拂、燃烧，能够比较完全地将铁水中的碳和其他杂质氧化，得到优质的钢。虽然平炉冶炼的时间比较长（一般为24小时），但熔池很大，一炉便可炼百吨钢水，产量较高。而且不限于生铁，废钢、铁屑、熟铁、铁矿石均可，炼出的钢质量稳定、均匀，在１９３０年至１９６０年的３０年间，世界每年钢的总产量近８０％是平炉钢。５０年代初期氧气顶吹转炉投入生产，从６０年代起平炉逐渐失去其主力地位。许多国家的平炉已经或正在陆续被氧气转炉和电炉所代替。,2设备平炉炉体由上、下两部分组成。上部包括熔炼室、炉头，下部结构包括沉渣室、蓄热室、换向阀及排烟系统等。上下两部分由上升道连接。以炉门中心线为界，平炉两边是完全对称的，如图2-11所示：,图2-11平炉构造a-正视图b-侧视图1-煤气喷出口；2-熔炼室外；3-空气喷出口；4-炉顶；5-煤气蓄热室；6-装料口；7-炉底；8-空气蓄热室；9-出钢槽；10-沉渣室；11-蓄热室；12-空气调节阀；13-空气换向阀；14-煤气换向阀,熔炼室是加热和熔炼的空间，为平炉的主要部分。由炉底、前后墙及炉顶等耐火材料砌体所组成，并用钢结构加固。蓄热室内排列着一定高度和适当格孔尺寸的砖格子，其上部与沉渣室相通，下部则通向烟道。高温废气通过蓄热室，将其大部分热量传给格子砖；换向后，格子砖又将热量传给通入的冷空气或煤气，使其升温。这样不断循环地工作。废气进入蓄热室温度通常为1500-1550℃，离开蓄热室时约500℃-700℃；而空气及煤气经蓄热室加热后的温度为1000-1300℃。图2-12为增炉蓄热原理示意图。,图2-12增炉蓄热原理示意图,3工艺废钢矿石法是应用最广泛的平炉炼钢操作方法。金属料中生铁约占50-80%，由于生铁带入大量杂质，为加速供氧，在装料时装入约占金属料重12-20%的铁矿石作氧化剂，故称为废钢矿石法。废钢矿石法的熔炼过程分为：补炉、装料、熔化、精炼、脱氧和出钢。（1）补炉期通常从上炉出完钢至下炉加入原料的一段时间，称为补炉期。常用的补炉材料有镁粉、熟白云石、氧化铁皮等。（2）装料期从装入冷料到兑完铁水，这段时间称为装料期。炉料包括散状料（矿石、石灰、石灰石等）和金属料（轻、重废钢及铁水或生铁块等）。炉料应按一定次序依次从几个炉门装入炉内。若装生铁块，则加在最上层；若装铁水，刚需待冷料装完并加热到表面开始熔化时，再将铁水兑入。,3熔化期从兑完铁水到炉料全部熔化完毕，这段时间称为熔化期，约占总熔炼时间的30-50%。为缩短熔化期，应向平炉供给最大热量，并采用吹氧强化措施。熔化期的重要操作是及时放出初期渣和提前造渣，以达到去除磷，硫并获得合适熔毕碳的目的，同时为精炼操作创造良好条件。当炉料全部熔清后，取样分析，以确定精炼期操作。当温度和炉渣均达到规定要求时，熔化期结束进入精炼期。4精炼期自熔毕到脱氧（炉内脱氧）或出钢（炉外脱氧），这段时称为精炼期。,2.3.3电炉炼钢法,1概述电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，是目前国内外生产特殊钢的主要方法。20世纪初赫劳特等发明了电弧炉炼钢，作为熔炼特殊钢和高合金钢的方法，并获得稳步的发展。目前，世界上95%以上的电炉钢是电弧炉生产的，还有少量电炉钢是由感应炉、电渣炉等生产的。电弧炉根据炉衬性质不同，分为酸性炉和碱性炉，酸性电弧炉因对炉料要求很严格，一般只有少数机械厂采用。所以，所谓电弧炉炼钢，通常是指碱性电弧炉炼钢。,电弧炉炼钢是以电能作为热源，靠电极与炉料间放电产生电弧，用电弧的热量来熔化炉料并进行必要的精炼，冶炼出所需钢和合金的炼钢方法。电弧可以通过电流、电压加以控制，因此电弧炉较其它炼钢方法具有独特的优点：废气带走的热量相对较少，热效率比较高，其热效率可达65%以上；温度高，电弧区划温度高达3000℃以上，可快速熔化种种炉料，并使钢水加热到大于1600℃；同时温度容易调整和控制，可满足冶炼不同钢种的要求；炉内气氛可以控制，既可造成氧化性气氛，又可造成还原性所氛，因此，不仅能去除钢中的磷，而且还具有很强的脱氧、脱硫能力，故钢中非金属夹杂物含量相对较低，合金元素收得率也相对较高，钢的成分容易控制，适于冶炼各种合金钢及优质钢；可用100%的废钢进行熔炼，而且与其它炼钢法相比，设备比较简单。,但是，电弧炉也存在一些不足之处，如由于电弧炉的离解作用，使空气和水蒸气离解出大量氢和氧，在还原期易被钢水吸收，因些，电炉钢若不经特殊处理，其氢、氧含量一般比转炉钢高；由于电弧炉是点热源，炉内温度分布不均匀，熔池平静时，各部位的钢水温度相差较大，尤其大炉子更为突出。2设备电弧炉的构造主要是由炼钢工艺和工艺装备水平来决定的，同时又与电炉的容量大小、装料方式、传动方式等有关。电弧炉的基本结构如图所示。现代电弧炉的典型工艺装备如图2-13所示。炉体是电炉的最主要装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉的炉体由金属构件和耐火