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1、钢铁是怎样炼成的,-冶金生产全流程- 2012.7,概 述,钢具有优良的通用性和适用性 钢铁是现在和未来人们生活和生产用材料的第一选择（有2000多个钢种，其中有1500多个特殊钢种） 与其他材料比总体上性价比最适宜 钢铁是可循环资源（铁矿石是不可再生资源） 2011年我国粗钢产量68327万吨（全球粗钢产量13亿吨）,表观消费量6.6亿吨,估计产能8.2亿吨;2012年预计粗钢产量7.4亿吨,从铁矿石到钢及钢材的工艺,铁矿石主要是由铁-氧化合物和脉石组成，提取铁即是还原铁矿，使铁氧分离，还原成铁水或固体海绵铁(直接还原铁DRI），铁是Fe、C化合物，性能局限没有韧性 钢的成分主要是铁，炼钢是
2、去除铁中大部分的C，并向钢水中按需加入合金元素，达到各种特性 最理想的是把铁矿石直接还原成钢，但目前技术上还达不到，从铁矿石-钢必须分成上述两步走 利用钢的韧性等，按用户的要求加工成各种钢材,提取Fe元素（钢）的途径,高炉-转炉冶炼长流程途径，主要用于液体铁水原料 电炉炼钢短流程，主要用于固体原料（废钢、直接还原铁） 短流程比长流程节约能源60%、节水40%、减排废水76%、减排废气86%、减排废渣72%,长流程,目前世界上用铁水作原料炼钢的占62%，用废钢作原料炼钢的平均占34%（美国57%、欧盟50%以上），我国不到20%，预计2020年可达20%-25%（今天中国钢铁的年产量是美国的7倍
3、，而人均钢铁积蓄量只有美国的16） 尽管直接还原工艺取代高炉是研究方向，但在世界上只占4%，我国2010年产能只有105万吨/年,钢铁是怎样炼成的总目录,第一部分 冶炼-从矿石到钢 第二部分 钢的加工（轧制）成形 第三部分我国钢铁工业技术发展的探讨,第一部分 冶炼-从矿石到钢（目录）,1 原、燃料 2 铁矿还原 3 炼钢,1 原、燃料（目录）,1.1 黑色金属材料 1.1.1 铁矿石 1.1.2 废钢 1.2 还原剂（焦炭、媒、油、燃气） 1.3 辅料（石灰、合金添加料） 1.4 原料的储运,1.1 黑色金属材料,1.1.1 铁矿石及其准备 铁矿石是铁氧化合物与脉石混杂在一起的物质 铁矿石品位
4、45%的可以直接用高炉炼铁 铁矿石品位45%的需选矿用烧结、球团（烧结矿含铁56-58%，球团造块含铁68-70%）,选矿 方法：矿石磨碎，研磨至粉状或超细粉末状，利用矿石和脉石不同的物理特征分离出铁精矿粉。 利用不同的密度、浮力、离心力进行螺旋分离 利用不同的吸水性进行泡沫浮选。铁矿石粉置于水中，加入起泡剂，铁矿石随涌入的气体上浮并分离 利用不同的磁性，用磁棒吸附矿石颗粒，将其分离,烧结 精矿粉粒度0.1-6.3mm的选用烧结工艺造块 烧结矿比块矿品位高，还原及造渣性能好，成分稳定，粒度均匀，有利于高炉冶炼的优化和提高指标 精矿粉、富矿粉、其它粉状含铁料，取入适量的焦炭、熔剂（石灰石、白云石
5、）、水混匀，在烧结机上借助焦炭燃烧，发生物理化学变化并产生一定数量的液相，将矿粉颗粒粘结成块-烧结矿,烧结机图,球团 球团是将60%，冷强度高耐压2800-3600n/球，透气性好，高温还原性好，具有热膨胀性。,6m的圆盘造球机,球团厂图,炼铁汇报p24,炼铁汇报p24,球团厂主要设备；圆盘造球机及链算机-回转窑-环冷机,1.1 黑色金属材料,1.1.2 废钢 转炉炼钢消耗废钢比约10% 电炉炼钢消耗废钢比约100% 废钢是载能体，它有效地节能和推动co2 减排 废钢需要加工后，才适于使用,废钢来源,炼钢厂、轧钢厂回收废钢（炼钢渣中的钢、连铸的切头尾、轧钢的切废等） 从用钢铁材料的行业回收的废
6、钢（如切削丝等） 从社会收集的旧钢铁废料，需要进行加工，除去其中的杂质和夹带元素，如橡胶、木料、塑料、放射性元素、铜等有色金属元素等,1 原、燃料1.2 还原剂,高炉炼铁所需的还原剂一般有焦炭、煤、油、煤气，产生还原工艺所需的燃气，促进高炉内块矿、烧结矿、球团矿中氧化铁的融化和还原，最终生产出生铁水 还原剂最常用和的是焦炭,焦炭 焦炭用低硫煤（肥煤和气煤）作原料 焦化工艺流程： 煤破碎、研磨、混匀在焦炉的碳化室内900-1200摄氏度干镏炭化16-20小时成焦碳推焦机将焦炭推进焦车送到冷却塔急冷（干熄焦） 筛选后分级使用,焦炉图,炼铁汇报p28,焦炭在高炉中的作用 高炉冶炼的还原剂 提供冶炼所
7、需的大部分热量 为高炉炉身内的炉料提供支撑作用 焦炭粒度大于块矿、烧结矿、球团矿，焦炭相互间产生大量空隙，为高炉炉料提供良好的透气性 尽管通过高炉风口可向炉内喷油（最高达150kg/t）、喷煤（最高达230kg/t）、喷煤气、塑料等来降低焦炭耗量，焦炭的作用在高炉冶炼工艺中不能完全被取代,1 原、燃料1.3 辅料,铁矿石中脉石、焦炭中的灰份熔点很高(可高达1799-2000摄氏度，高于铁的熔化温度1590摄氏度)，因此要在高炉中添加辅料，使杂质熔点降至1300-1400摄氏度，进而降低炉渣黏度，易于渣铁分离。液态高炉渣可以吸收Si、Al、P、S等不需要的夹带杂质。 辅料主要有石灰石（CaCO3
8、） 、白云石（CaCO3MgCO2） 、硅石（SiO2） 、矾土、莹石、石英石 辅料还用于铁水预处理、炼钢、炉外精炼,1.4原料的储运,炼铁汇报 P32 149XX,第一部分 冶炼-从矿石到钢（目录）,1 原、燃料 2 铁矿还原 3 炼钢,第一部分 冶炼-从矿石到钢2 铁矿还原,铁矿还原即铁矿脱氧 方法有： 高炉炼铁 直接还原 熔融还原,2 铁矿石还原(目录）,2.1 高炉炼铁 2.2 直接还原 2.3 熔融还原 2.4 铁水预处理,2.1 高炉炼铁,高炉以收集铁水和炉渣的炉缸容积来定名为xxxxm高炉，世界最大高炉-新日铁2#炉6000m，最高日产铁水1.3万吨，年产480万吨 我国最大高炉
9、5500m，我国010年有3200m以上高炉26座 我国现规定淘汰450m以下高炉，新建必须1000m,高炉流程及主要设备图,炼铁汇报p37,高炉炼铁工艺 料柱连续由上而下，煤气由下而上，其反应如下： 向炉内送进1300热风，热风中的氧与加热变红的焦炭快速反应达到2200行成CO CO吸收矿石里的氧形成CO2，矿石被还原成铁水，铁水中含4-4.7%的溶解碳，及一些不受欢迎的夹带元素P、Si、Mn、S（主要来自焦炭）,高炉产品： 主产品铁水，用于炼钢或铸造 附带产品： 炉渣。含92-95%氧化钙、氧化镁和铝、硅等，处理可用于铺路、建筑、水泥原料等 高炉煤气。含50-60%N2，22%CO2，22
10、%可燃气体CO，发热值仅910大卡； 高炉煤气分级除尘的粉尘有很多细矿石，焦炭、辅料粉，约20kg/t铁，可作为返矿用于烧结 高炉煤气压差发电（有无料钟的高炉煤气压力25mpa以上，而用于热风炉的煤气压力只需0.25mpa）,对高炉炼铁的评说 还原进程中碳顶替铁矿石中的氧成为铁水，而炼钢工艺则是从铁水中分离碳 高炉对原燃料要求苛刻，高炉前工序必须建焦化厂、烧结厂和球团厂 用高炉生产1吨铁水，需要3倍数量的炉料，综合工艺、物料运送较复杂 高炉工艺正在渐进完善，焦炭降到270kg/t铁，30年来高炉单位产能增加65% 高炉目前仍为炼铁的首选工艺,2 铁矿石还原2.2 直接还原,通过矿石脱氧还原，生
11、成固态海绵铁，成为直接还原铁（DRI）或热压块铁（HBI），海绵铁中含铁85-95%，含碳约1%，其余为脉石矿物。直接用于电炉炼钢，但直接还原铁生产成本高 直接还原工艺上世纪50年代末开始，拟取代高炉，至今未成，因为生产成本高于长流程;也比不过废钢市场发展的直接用废钢 直接还原工艺分为气基还原和煤基还原 气基还原，在世界范围内只能就地用廉价的天然气，在我国不可取,气基还原 全球直接还原铁80%用此法，其中Midrex工艺占市场份额之首，以球团、块矿为原料，用竖炉，依逆向原理还原矿石，还原气中含CO和55%H2，产品为糊状直接还原铁，可在竖炉中冷却成DRI，也可在下游热压成HBI 煤基还原 矿石
12、、辅料、煤合成的原料在回转窖里加热还原，产生海绵铁（DRI/HBI），特点：煤耗高、效率低,2 铁矿还原2.3 熔融还原工艺,熔融还原是在没有焦炭的情况下，用铁矿生产铁水的工艺 利用气基直接还原竖炉，将铁矿石先还原成直接还原铁，再利用熔融气化炉(相当于高炉炉缸)还原成铁水的两级还原工艺, 是环境友好，污染物排放少的工艺,当年受到各国重视 宝钢两座COREX 3000炉，年产150万t/座,Corex熔融还原图,对COREX工艺的评说 COREX不一定是最佳的工艺,其缺点： （l）直接使用粉煤、粉矿的比例不能高于15，必须使用块状原料为主,对入炉块状原料的理化性能有很高的要求，提高了原料成本铁水
13、成本 (2) 要依赖稳定的焦炭床来保护炉缸，因此目前COREX生产的冶金焦比例均高于13 (3) 用了全氧冶炼，但按炉缸面积计算的生产率仅为高炉的0.70.9；,2 铁矿还原2.4 铁水预处理,为下游炼钢提供更好的铁水条件，去除炼钢生产不需要的S、P、Si等杂质，都是在运送铁水的鱼雷罐车、铁水包等内用（喷）辅料造渣吸收这些杂质元素 脱S是喷入硫酸钙/碳酸镁 脱Si是添加氧化铁 脱P是添加含碳酸钙的辅料,鱼雷罐车图,p76,第一部分 冶炼-从矿石到钢（目录）,1 原、燃料 2 铁矿还原 3 炼钢,钢与生铁的区别首先是在碳的含量中得到体现，理论上一般把碳含量小于2.11%称之为钢，它的熔点在145
14、0-1500，而生铁的熔点在1100-1200 在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击性降低,钢由生铁炼成，钢有较高的机械强度和韧性，还具有耐热、耐腐蚀、耐磨等特殊性能,3 炼钢,钢与铁的区别,炼钢的任务 把铁水、海绵铁、生铁中的碳通过氧化脱出至规定值，使它们转化成钢， 尽量脱除铁水、海绵铁中的有害元素P、S 加入规定含量的合金元素达到冶炼钢种的特定性能,3炼钢（目录）,3.1 炼钢炉料 3.2 氧气转炉炼钢 3.3 电炉炼钢 3.4 炉外精炼 3.5 特殊熔炼 3.6 钢水浇注 3.7 铁和钢的铸造,3炼钢3.1 炼钢炉料,铁元素（基本炉料）
15、：铁水、海绵铁、废钢 熔剂（造渣、控粘度、控温）：石灰、石灰石、铝矾土、萤石、铁矿石等 合金添加剂（按钢种需要）：常用的铁合金，有铬、硅、锰、钼、钨、钒、钛、铁合金，常用的脱氧剂有铝、硅等,3 炼钢3.2 氧气转炉炼钢,转炉是喷吹纯氧的冶炼方法，现在发展为顶底复吹转炉（BOF） 一般炉容50-400t，我国政策新建必须100t，淘汰30t的炉子 氧气流股冲击区，温度可达2500-3000，出钢温度1650-1720，回收转炉煤气可实现负能炼钢。,顶底复吹转炉炼钢工艺示意图,p87,顶底复吹转炉工艺优点,复吹熔池搅拌好（底吹惰性气体/氧） 比顶吹炉用氧少，钢中氧含量低 吹氧时间短10-20min
16、（冶炼周期30-40min） 使用独立副枪吹炼后期或停吹后测钢水温度、碳氧含量、取样、测熔池液体高度过程测量系统，动态控制实现理想的吹炼重点（钢水温度、含碳量） 顶底复吹转炉与炉外二次精炼相结合可以生产出许多质量高、成本低的洁净钢,3 炼钢3.3 电炉炼钢,电炉炼钢主要是靠电能产生热量来熔炼，现代电炉也吹入可燃气体和氧，以降低电耗，加速融化。电炉一般采用100%废钢，有时也采用海绵铁或部分铁水 工业化炼钢电炉有电弧炉和感应电炉，最先进电炉是超高功率电炉（UNP），变压器的输入功率/炉容1000KVA/t为超高功率，实现供电时间25-40分钟，冶炼周期1小时 90%以上电炉炼钢采用电弧炉，电弧炉可产生集中的热源，电弧区温度达3500 最大电炉400吨,电弧炉分为交流和直流两种 AC-EAF 三根石墨电极，产生三个电弧区，每根电极通过金属炉料与相邻电极之间按照顺序传导电流 DC-EAF 是一根石墨电极，作为阴极，电能以电弧形式穿过金属炉料到达炉底阳极。 近年EAF不断扩大容量至80-250t，（我国政策新建100t，淘
