钢铁冶炼.docx

钢铁冶炼一、几个概念1.钢铁冶炼（iron and steel smelting）钢、铁冶金工艺的总称工业生产的铁根据含碳量分为生铁（含碳量2％以上）和钢（含碳量低于2％）基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2. 铁冶炼在炼铁炉内把铁矿石炼成生铁现代炼铁绝大部分采用高炉炼铁，个别采用直接还原炼铁法和电炉炼铁法高炉炼铁是将铁矿石在高炉中还原，熔化炼成生铁，此法操作简便，能耗低，成本低廉，可大量生产生铁除部分用于铸件外，大部分用作炼钢原料由于适应高炉冶炼的优质焦炭煤日益短缺，相继出现了不用焦炭而用其他能源的非高炉炼铁法直接还原炼铁法，是将矿石在固态下用气体或固体还原剂还原，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，多采用无炉身的还原电炉，可用强度较差的焦炭（或煤、木炭）作还原剂电炉炼铁的电加热代替部分焦炭，并可用低级焦炭，但耗电量大，只能在电力充足、电价低廉的条件下使用3.钢冶炼炼钢主要是以高炉炼成的生铁和直接还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，便出现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行附加处理之后，都可以生产高级的钢种对某些特殊用途，要求特高质量的钢，用炉外处理仍达不到要求，则要用特殊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，通过熔渣电阻热进行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行的冶金过程，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，必须经盛钢桶（钢包）注入铸模，凝固成一定形状的钢锭或钢坯才能进行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结构较好，夹杂物较少，操作费用低；下铸钢锭表面质量良好，但因通过中注管和汤道，使钢中夹杂物增多近年来，在铸锭方面出现了连续铸钢、压力浇铸和真空浇铸等新技术二、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还原出来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发展、改进而成的尽管世界各国研究发展了很多新的炼铁法，但由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，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，高炉炼铁得到迅速发展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年代初，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始发展现代钢铁工业1890年开始筹建汉阳铁厂，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）三部分组成。

通常，冶炼1吨生铁需要1.5-2.0吨铁矿石，0.4-0.6吨焦炭（提供热量；提供还原剂；作料柱的骨架），0.2-0.4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应因此，无论是生铁厂家还是钢厂采购原料的工作是尤其重要2) 冶炼原理炼铁的基本原理方程式：3CO+ Fe2O3=2Fe+3CO2(3) 冶炼工艺生铁的冶炼虽原理相同，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行的一代高炉（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、煤或天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，这个过程叫做还原铁矿石通过还原反应炼出生铁，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加入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，用导出的部分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加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4) 高炉炼铁的特点规模大，不论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，高炉容积也以达到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5) 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如1000米高炉，日产2000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年代初一般为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成本。

燃料比：高炉采用喷吹煤粉、重油或天然气后，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根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成本：是从经济方面衡量高炉作业的指标2、高炉的主要组成部分 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，保证高炉砌体牢固，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、冷却设备结构形式相适应 炉喉：高炉本体的最上部分，呈圆筒形。

炉喉既是炉料的加入口，也是煤气的导出口它对炉料和煤气的上部分布起控制和调节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，以能起到控制炉料和煤气流分布为限 炉身：高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，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合适的比例关系，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，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角炉腹的存在，使燃烧带处于合适位置，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、渣铁反应和贮存及排放区域，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剧烈的部位，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、其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命只有砌体表面温度降低到它所接触的渣铁凝固温度，并且表面生成渣皮（或铁壳），才能阻止其进一步受到侵蚀，所以必需对炉底进行冷却通常采用风冷或水冷目前我国大中型高炉大都采用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能力 炉基：它的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状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0.1％～0．5％高炉炉基应有足够的强度和耐热能力，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，以减少热应力的不均匀分布 炉衬：高炉炉衬组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其它金属结构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，因此必须根据部位、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，工作条件十分恶劣，维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件为此，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形状；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节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经常出现的复杂现象，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，对从炉喉的炉料开始一直到炉底的积铁所进行的细致的解体调查，称为高炉解体调查它虽不能完全了解高炉生产的动态情况，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，按结构不同，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。