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钢是以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下、并含有其它元素的材料。在铬钢中含碳量可能大于2%,但2%通常是钢和铁的分界线。完成了冶炼过程、未经塑性加工的钢称之为粗钢,其形态是液态或铸态固体。粗钢的一小部分用于铸造或锻造机械零部件,绝大部分经压延加工成各种钢材后使用。

钢是应用最广泛的一种金属材料。工业、农业、交通运输、建筑和国防等,都离不开钢。钢的生产对国民经济各部门的发展都有重要作用。

一、炼钢的原理

目前,从铁矿石到炼出钢一般是分为两步进行的,即先在以高炉为主要代表的炼铁设备中将铁矿石(包括烧结矿、球团矿)冶炼成生铁(或海绵铁等),然后再在炼钢炉中将铁冶炼成钢。

炼钢是利用不同来源的氧(如空气、氧气)来氧化炉料(主要是生铁)中所含杂质的复杂的金属提纯过程。主要工艺包括氧化去除硅、磷、碳,脱硫,脱氧和合金化。任务就是根据所炼钢种的要求,把生铁中的含碳量降到规定范围,并使其它元素的含量减少或增加到规定范围,达到最终钢材所要求的金属成分。炼钢过程基本上是一个氧化过程。这些元素氧化以后,有的在高温下与石灰石、石灰等熔剂起反应,形成炉渣;有的变成气体逸出;留下的金属熔体就是钢水。

炼出的钢水,由于在炼钢(氧化)过程中吸收了过量的氧,如不去除这些氧,则会降低成品钢的机械性能。因此,在炼钢最后阶段的操作中,还要用锰铁、硅铁和铝等进行脱氧。这样,达到一定成分和温度的钢水,用连铸机铸成钢坯或用钢锭模铸成钢锭,送到轧钢厂轧成各种钢材;再有一部分钢水直接铸造成铸钢件。

二、炼钢的过程

炼钢是整个钢铁工业生产过程中最重要的环节。在这一环节,主要涉及的生产工艺包括:铁水预处理、熔炼 、二次冶金(炉外精炼)、浇注(连铸)等。

(一)铁水预处理

所谓铁水预处理是指铁水在进入炼钢炉前,为除去某些有害成分或回收某些有益成分而进行的处理过程。针对炼钢而言,主要是利用铁水良好的热力学条件有效地去除其中硅、硫、磷等杂质,提高铁水质量。它可以简化炼钢过程、减少物料消耗、提高钢的质量和增加经济效益。铁水预处理一般分为铁水脱硫预处理和铁水“三脱”(脱硅、脱硫、脱磷)预处理。铁水预处理按需要可以分别在炼铁工序或炼钢工序的设备内,如铁水沟、鱼雷罐、铁水包或专用冶金炉中进行。

1、铁水脱硫预处理

铁水脱硫(或同时脱磷)预处理是二十世纪60年代开发成功的技术,有铺撒法、摇包法、机械搅拌法和喷粉法等方法。常用脱硫剂有碳化钙、石灰、苏打、金属镁和钙,以及它们组成的多种复合脱硫剂。采用较多的是向铁水包或混铁车内喷入脱硫粉剂的方法。该法设备简单、投资少、操作灵活,具有处理量大、效果好、操作费用低的优点,能生产硫不大于0.005%、磷不大于0.01%的优质钢。

2、铁水脱硅预处理

硅虽是氧气炼钢的主要热源,但其含量偏多会导致钢产量下降、渣量增加、收得率降低等不良影响。而在高炉中控制硅含量又非常困难,因此采用在高炉外进行铁水脱硅处理。操作通常使用氧化系脱硅剂(氧化铁皮、锰矿石、烧结矿)在铁水沟或鱼雷罐中进行。为防止铁水温降过大,也有采取吹氧脱硅的。

3、铁水脱磷预处理

铁水预脱磷通常采用向铁水中喷入苏打灰或向铁水深部喷吹FeO、CaO、CaF2等粉剂的方法。但铁水预脱磷要求先脱硅,而且处理过程铁水温降大,需要采取热补偿技术后才能得到广泛应用。苏打灰含大量挥发分,会产生大量烟气,目前正被石灰质脱磷剂所代替。

(二)钢的冶炼

目前在世界各国采用的炼钢方法主要是转炉(碱性氧气转炉为主)和电弧炉两大类。

1、转炉炼钢

转炉(包括氧气顶吹转炉、底吹转炉、侧吹转炉、顶底复合吹炼转炉)炼钢,是利用吹入炉内的氧与铁水中的元素碳、硅、锰、磷反应放出的热量来进行冶炼的。我国转炉炼钢发展较快,近几年其占钢总产量比重在80%以上。改革开放以来,我国钢产量的迅猛增长,1996年突破一亿吨大关以来,连续多年位居世界第一,主要依赖于转炉钢的发展。从世界上看,转炉炼钢也仍然占据着主要份额。虽然近年电炉炼钢发展很快,但转炉炼钢有着铁源来自矿石、钢质纯净等优势,在生产汽车板等钢铁工业顶级产品方面尚不能为其它工艺所代替。目前世界上每年约有60%的钢是用转炉(碱性氧气转炉)生产的。

(1)氧气顶吹转炉炼钢

转炉的主要形式是氧气顶吹转炉,国外称LD转炉,美国称BOF炉。转炉在冶炼时炉子保持不动,从上部吹氧,但在装料和出钢时可以前后倾动。

外部是用钢板制成的炉壳,里面砌有镁炭砖等耐火砖。炼钢的原料主要是铁水、废钢。

冶炼时,用一支水冷喷枪将压力0.8~1.2兆帕、纯度99.5%以上的氧气通过炉口喷入炉内。氧气将铁水中的硅、锰、碳、磷等元素迅速氧化到一定的含量范围,并发出大量的热,使加入的废钢(10~20%)熔化和使钢水温度提高到规定值,杂质氧化物与造渣剂反应生成炉渣上浮,覆盖在钢水表面。去除炉渣,即得到钢水。

氧气顶吹转炉主要的优点是生产速度快、效率高,基建投资少,操作费用低。

(2)底吹转炉

氧气底吹转炉炼钢法开始出现于欧洲,第一座炉子于1967年12月在联邦德国投入生产,以后在欧洲其它国家以及美国和日本都得到了一定的发展。

它与氧气顶吹转炉的根本区别是在冶炼过程中吹送氧气的方式不同。氧气底吹转炉是由炉底通过带有保护措施的喷嘴向金属熔池吹送氧气。在冶炼含磷较高的铁水时,底吹转炉通常还要配备喷吹石灰粉的设施。

由于炼钢过程所需要的氧气全部是通过炉底直接吹入金属熔池的,所以在底吹转炉冶炼过程中,氧气对深池的搅拌作用比顶吹转炉要大得多,因而使炼钢过程的各项物理化学反应比较容易趋近于平衡状态,又由于氧气流股的动能大部分为金属熔池所吸收,所以吹炼过程要比氧气顶吹转炉操作平稳,烟尘少,由炉口喷出的渣和金属也少。

氧气底吹转炉在我国没有得到发展。

(3)侧吹转炉

从转炉炉身侧面吹入空气或氧气以氧化去除铁水中的杂质元素并提供热量而获得钢水的转炉炼钢方法。根据转炉炉衬材料和吹入的氧化性气体的不同,侧吹转炉炼钢法有:空气侧吹酸性转炉炼钢法,即小型贝塞麦法,空气侧吹碱性转炉炼钢法和氧气侧吹转炉炼钢法3种。

(4) 顶底复合吹炼转炉

由于氧气顶吹转炉和氧气底吹转炉,在冶炼过程中存在着各自的弱点,因此卢森堡、日本、美国于1977年开始在氧气顶吹转炉炼钢过程中采用了顶底复合吹炼工艺。

复合吹炼工艺对氧气顶吹转炉而言,就是除了从原有的顶部氧气喷枪保持一定距离向金属熔池喷吹氧气外,为了强化对金属熔池的搅拌,还通过炉底向金属熔池喷吹一定量的气体,以加快冶金反应,并使之趋近于平衡状态。

氧气顶吹转炉在冶炼过程中,对金属熔池的搅拌力主要来自熔池内部脱碳反应生成的一氧化碳气泡的上浮力与膨胀力,其次才是顶吹氧枪氧气流股对金属熔池的冲击作用。冶炼初期和冶炼低碳钢的末期,由于脱碳反应缓慢,生成的一氧化碳很少,因此熔池的搅拌很弱,结果冶金反应随之减慢,很难趋近于平衡状态,这是氧气顶吹转炉炼钢法工艺本身的弱点。采用复合吹炼法后,由于有底吹气体强化了金属溶池的搅拌,使冶炼反应比较容易趋近于平衡状态,从而克服了单纯顶吹的弱点。其结果是降低了钢铁料消耗,并节约铁合金的用量,有利于低碳钢的冶炼和减少造渣材料的用量。

通常炉底供气采用喷嘴和透气砖两种方法。供气种类可选择非氧化性气体如氩、氮等,也可以选用氧化性气体如氧、空气等。在采用氧气时,只能采用喷嘴并需要使用保护性气体或液体(碳氢化合物和燃料油)。

复合吹炼工艺对氧气底吹转炉而言,除仍保留底吹转炉原有的底部供氧喷嘴外,还在顶部配备供氧喷枪。自金属熔池上部喷吹氧气,能使炉气中的一氧化碳在炉膛内进行二次燃烧,从而提高转炉的热效率,达到增加炉料中废钢比例的目的。

总之,转炉顶底复合吹炼工艺是转炉炼钢的一项重大技术改革。从转炉底部吹入适量的惰性气体进行搅拌,改善了转炉冶炼过程的冶金条件,减少吹损,提高金属收得率,降低原材料消耗,提高生产效率,兼具顶吹和底吹转炉的优点,因而近几年来,这项技术在一些先进工业国家和我国发展得都很快。

2、电炉炼钢

电炉炼钢是利用电能作热源来进行冶炼的。最常用的电炉有电弧炉和感应炉两种。电弧炉炼钢占电炉钢产量的绝大部分。一般所说的电炉即是指电弧炉。

电弧炉可全部用废钢作金属原料。为提高钢的质量,可加入一定比例的直接还原铁或生铁;为降低电耗,有条件的情况下也可直接兑入铁水。电炉可冶炼对机械性能和化学成分要求严格的钢,如特殊工具钢、高合金工具钢、航空钢及不锈钢等。

电弧炉按所用的炉衬分为酸性和碱性两种。目前主要用碱性电弧炉。

随着世界钢铁蓄积量的不断增加,电炉炼钢本身技术的不断发展,以及以电炉-精炼-连铸-直送轧制为特点的电炉短流程工艺的确立,使电炉钢得到很大的发展。电炉钢在世界钢产量中的比例不断提高,而且已经进入高炉-转炉流程的传统生产领域——板带材市场,给传统的钢铁生产长流程带来极大的挑战。目前世界电炉钢比在35%左右。

世界上近年来发展的新型电炉主要有超高功率电炉、直流电炉、双壳电炉、带竖炉式废钢预热装置的电炉等,甚至出现了双炉壳、同时带有电极和氧枪,能根据炉料变化以电炉和转炉两种工艺操作的CONARC炉,称之为转电炉。电炉的冶炼工艺也发生了较大变化,随着二次冶金技术的发展,电炉作为初炼炉的功能更加突出。电炉-精炼炉的联合操作,使电炉的冶炼周期大大缩短,有生产节奏转炉化的趋势,生产效率大大提高。

电炉生产节奏加快、效率提高,使电炉能更好地与连铸相衔接,促进了钢铁工业结构的优化。

改革开放以来,我国电炉钢发展很快,引进了多座先进的大电炉,为我国钢产量的不断提高做出很大贡献。但是,受资源和能源结构的限制,我国电炉钢产量占总钢产量的比例还是比较低的,目前为16.73%。

(三) 二次冶金

二次冶金,即所谓的炉外精炼,指为了提高钢的质量或提高生产效率,把在转炉、电炉中经过初炼的钢液移到另一容器中进行精炼的过程。因此,炼钢过程分为两步进行:初炼,炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和出钢过程中主合金化;精炼,将初炼的钢液送入真空、惰性气体或还原气氛的容器中进行脱气、脱硫、深脱碳、去除夹杂物和成分微调等二次冶金操作。这样冶炼出的钢称为二次冶金钢或炉外精炼钢。

二次冶金的冶金功能表现在:1、进一步净化钢水,去除夹杂物;2、进一步去除杂质,精炼脱硫和真空脱气、脱碳;3、均匀钢水成分、温度;4、精确控制钢水温度和实现“微合金化”;5、调节炼钢与连铸间的生产节奏。

二次冶金分为真空精炼工艺和非真空精炼工艺两大类。目前应用比较广泛的二次冶金设备有钢包炉(LF)、真空脱气装置(VD)、真空循环脱气装置(RH、RH—OB、RH-KTB等)、真空氧气脱碳精炼装置(VOD、VHD或VAD)、氩氧精炼炉(AOD)、钢包吹氩精炼装置(吹氩站、CAS—OB、IR—UT)等。

(四)浇注

经炼钢(包括二次冶金)过程生产出的合格液态钢,必须通过一定的凝固成形工艺制成具有特定要求的固态材料才能使用和进行后续加工。比较典型的凝固成形工艺有铸钢、钢锭浇铸和连铸。

1、铸钢

铸钢是将钢液注入一定形状的金属或耐火材料的型腔中直接凝固成钢制品的过程。铸钢产品在铸造状态下可直接使用,因此称为铸钢件。铸钢分碳钢铸钢和合金铸钢。同变形钢材相比,铸钢的主要优点有,铸钢件较少受尺寸、形状和重量的限制;可以减少机械加工量,提高金属收得率;使难以变形的合金钢成形;纵横向性能差异小等。

2、钢锭浇铸

钢锭浇铸是液态钢经盛钢桶(钢包)注入铸模凝固成钢锭的过程。钢锭按脱氧程度分镇静钢钢锭、半镇静钢钢锭和沸腾钢钢锭,镇静钢钢锭采用上大下小带保温帽的铸模,半镇静钢和沸腾钢钢锭采用上小下大的敞开式铸模。钢锭按断面形状一般分生产型材、棒材的方锭和生产板、带材的扁锭,生产锻材可能还有圆形和多边形锭。钢锭按浇铸方法分上铸法和下铸法。上铸法是钢水直接从铸模上部开口注入;下铸法是钢水通过中注管和汤道从下部进入铸模。浇铸完毕的钢锭需待内部凝固到一定程度后经过脱模工序脱去铸模,再送到下步工序进行加工。

同连续铸钢相比,模铸金属收得率低、生产周期长、劳动强度大、效率不高。目前除某些特定的钢种和产品尚需通过模铸生产外,大部分模铸工艺均可为连铸所替代。

3、连铸

钢水连续浇铸是二十世纪六十年代开始大规模工业生产的一项新技术。浇铸时把盛钢桶内的钢水,通过中间包连续地注入结晶器中,钢液的热量被流经结晶器器壁的冷却介质迅速带走,形成具有一定厚度的坯壳,接着通过拉坯机拉出结晶器,进入二次冷却区直接喷水快速冷却,使坯壳内的钢液全部凝固而成钢坯,经矫直后由切割机切成一定的长度,最后由输送辊道输送到下道工序或铸坯场地。这种工艺方法有成材率和机械化程度高、铸坯质量好、操作方便、劳动强度低、生产率高等优点。同模铸相比,连铸镇静钢的钢材综合成材率可以提高10个百分点。近几年我国把大力发展连铸作为优化钢铁工业结构的主要手段,使连铸得到很快发展,连铸比已从1976年的4%到2002年的91.15%。

连铸机机型,主要是立式、立弯式、弧形、直弧型、超低头弧形(椭圆形)和水平式等。弧形连铸机具有弧形结晶器和弧形二冷段,它具有高度低、拉速快的优点,这种机型在目前发展很快,并保持了领先的地位。从铸坯形状分,有板坯连铸机、薄板坯连铸机、方坯-板坯连铸机、大方坯连铸机、小方坯连铸机、圆坯连铸机和异形坯连铸机等。

近年来,以薄板坯连铸为代表的近终形连铸发展很快,最典型的是德国施罗曼·西马克公司的CSP工艺和曼内斯曼·德马克公司的ISP工艺,世界上已有多条生产线投入工业生产。它同电炉或转炉冶炼工艺相结合,使小钢厂得以进入钢铁联合企业的传统领域——扁平材市场,给世界钢铁工业带来深刻变化。