钢铁的工业生产

一、钢铁生产的重要性

人类自进入铁器时代以来，积累了数千年生产和加工钢铁材料的丰富经验，已具有成熟的生产技术。自古至今，与其他工业相比，钢铁工业相对生产规模大、效率高、质量好和成本低，钢铁在工农业生产和国防建设等方面都有广泛的应用，到目前为止还没有其他材料能代替钢铁现有的地位。

如何炼钢，如何科学炼钢，受到各国的重视，并将之放在国家安全的地位。

优良的炼钢技术不仅对国家的钢铁行业起着至关重要的影响，同时对于国家的经济以及硬实力也是不可或缺。任何领域都离不开对钢铁的依赖，可以毫不夸张地说，钢铁在国民经济建设各领域中都有十分重要的作用，对于整个社会是“一荣俱荣，一损俱损”。

二、钢铁的生产

现代钢铁生产流程是将铁矿石在高炉中冶炼成生铁，将铁水注入转炉或电炉冶炼成钢，再将钢水铸成连铸坯或钢锭，经轧制等塑性变形方法加工成各种用途的钢材。

现代钢铁工业是个庞大的工业部门，它包括矿山建设、采矿、选矿、烧结、焦化、炼铁、炼钢、轧钢、能源供应等一系列生产环节，以及运输、机修、动力等辅助服务部门，是一个复杂而庞大的生产体系。我国的首钢、宝钢、鞍钢等都是这样的联合企业。

1、矿山建设及铁矿开采

发展钢铁工业，首先要建设矿山，离开矿山，钢铁工业就成了“无米之炊”。炼一吨铁，大约需要4吨铁矿石(铁矿石含铁量在30%-40%)。一百万吨规模的钢铁企业，要维持20-30年的生产大约需要1亿吨的铁矿石，因此发展钢铁工业离不开矿山建设。铁矿石埋藏条件较为复杂，开采难度较大。建设矿山比较艰苦，铁矿石一般藏于交通不便的大小山脉中，建设大型矿山，要先修筑公路，铺设铁路，建设电站等。

矿石的主要参数为：含铁量，国内矿石品位一般为20-40%，我国是贫铁矿的国家，只有海南有富矿，品位在60%左右。国外矿石(印度、巴西、南非、澳大利亚)品位在60-70%，我国进口的矿石主要从这四个国家进口。

2、选矿

从矿山开采出来的矿石不仅含铁矿物，而且还含有其它矿物脉石及有害杂志，选矿就是把铁矿石中的铁矿中富集起来得到一种产物叫做铁精矿(精矿粉)。

选矿的任务有三条:

⑴ 矿石中有用矿物与脉石分开；

⑵ 共生的其它金属矿物分别选出来；

⑶ 把矿尾的铁储藏量降到最低限度。

选矿的流程是：铁矿石--破碎--磨矿--选矿。

①铁精矿(精矿粉)

②矿尾精矿粉对炼铁影响很大，精矿粉每提高1%含铁量，生铁产量可提高5%左右。

破碎就是把大块矿石破碎成40-10mm 的小矿石，常用的设备是各类破碎机。

磨矿就是将小块矿石磨到1mm以下的颗粒。

选矿就是通过磁、重选、浮选等方法将精矿粉与矿尾分离。

3、焦化

焦碳是炼铁的主要燃料和还原剂，也是整个高炉料柱的支持剂和疏松剂，在高炉内的一切活动中焦炭起着主要的作用，离开焦炭，高炉的正常生产是不可能的，因此炼焦也就成为钢铁生产的重要环节之一。

焦炭是怎样生产的呢？它是利用烟煤在高温高热下形成的。当烟煤加热到400℃以后时就会烤融成胶质体，并不断地自身裂解而放出气体。这类气体经过冷凝加工以后就成为焦化产品，当温度继续升高，至650℃左右以后，烟煤成为胶质体基本固化，最后成为焦炭。

4、烧结

从矿山生产出来的精矿粉，必须先造块才能够进入高炉冶炼。(含铁量较高的富铁矿可以直接入高炉冶炼)。烧结的任务就是将精矿粉烧结“造块”为高炉提供“熟料”。

造块的方法有：烧结法、球团法、焦化法。

烧结法是将精矿粉、燃料(焦末和无烟煤粉)和溶剂(石灰石或石灰粉)按一定比例混和，利用其中燃料燃烧产生的热量，使原料局部生产液相物，利用生产的熔融体使散粒粘成块狀烧结矿。

5、高炉炼铁

⑴冶炼原料

原料是高炉冶炼的物质基础，精料是高炉操作稳定顺行，获得高产、优质、低耗及长寿的基本保证。

高炉冶炼用的原料主要有铁矿石(天然富矿和人造富矿)、燃料(焦炭与喷吹燃料)、熔剂(石灰石和白云石等)。冶炼一吨生铁大概需要品位为63%的铁矿石1.60-1.65吨，0.3-0.6吨焦炭，0.2-0.4吨熔剂。

⑵冶炼设备

高炉是炼铁的主要设备，参数为立方米，利用系数国内一般为2.0-2.5。

如一个2500立的高炉，利用系数为2.0的话，每天铁的产量为5000吨，一年按360天计算，一个炉子产铁量为180万吨。

世界最大的高炉为5500立，在俄罗斯的马钢。

高炉炼铁的生产设备主要有：

（1）供料

（2）上料设备（即高炉上料机）

（3）炉顶装料设备

（4）炉前渣铁处理设备

（5）送风系统（也称热风系统）设备

（6）煤气除尘及回收系统设备

（7）节能、环保设备。

每一种设备对于炼铁都至关重要，不可或缺。

⑶ 高炉炼铁流程

高炉炼铁是以焦炭为能源基础的传统炼铁方法。它与转炉炼钢相配合，是目前生产钢铁的主要方法。冶炼过程中，炉料(矿石、熔剂、焦炭) 按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶分批装入高炉。从高炉下部的风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。

高炉生产的特点可谓：连续生产、极少中断，物流巨大、生产率高，操作准确。

高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁还原出来。从氧化物或矿物状态(如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4·TiO2等)还原为液态生铁。主要化学反应为：

①还原剂的生成：

C＋O2=(燃烧)CO2，

CO2+C=(高温)2CO(煤气)

②铁的还原：

Fe2O3+3CO=(高温)2Fe

+3CO2+Q(热量)；

2Fe2O3+3C=(高温)4Fe

+3CO2↑

Fe3O4+CO=(高温)3FeO

+CO2+Q

FeO+CO=(高温)Fe+CO2

+Q

③造渣反应：

CaCO3=(高温)CaO＋CO2↑，

CaO＋SiO2=(高温)CaSiO3。

经过还原出来的铁水除含铁外，还含有硅、锰、硫、磷等杂质，需在炼钢过程进行清除。

6、炼钢

钢与生铁都是以铁元素为主，并含有少量碳、硅、锰、磷、硫以及少量的其他元素所组成的合金，二者差别就是C元素的含量。其中除Fe(铁)外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要、也是最主要的，用量最大的金属材料。由于碳含量不同，组织结构不同，导致性能差异。铁含碳量高，硬而脆，冷热加工性能差。一般情况下，把C＜2.11%的铁碳合金称为钢，绝大多数的实用钢种含碳量都小于1.2%。

从高炉炼出的铁含有一定的有害元素，质脆，塑性差。因此炼钢的基本任务就是根据炼钢品种的要求，把生铁中的碳量去除到规定的范围，消除P、S、O、N等有害元素，保留或增加Si、Mn、Ni、Cr等有益元素并调整元素之间的比例，使其它元素的含量增加或减少到规定范围。

⑴ 炼钢过程的主要原料

有生铁、废钢、熔剂(石灰石等)、脱氧剂(硅铁、锰铁、铝等) 、合金料等。

⑵ 炼钢过程的主要设备

主要有转炉、电炉、平炉。

国内钢铁企业目前基本为转炉，一般为50-250吨，炼一炉钢平均需要20分钟。

⑶ 炼钢过程的主要内容

钢铁冶炼主要包括四部分：高炉炼铁、转炉炼钢、连铸、轧钢。

⑷ 炼钢过程的主要任务

①脱碳；②脱磷；③脱硫；④脱氧；⑤升温；⑥脱氮、氢等；⑦脱氧及去除非金属夹杂物；⑧合金化；⑨升温；⑩凝固成型。（节能减排）

⑸ 炼钢过程的反应原理
高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成气体或炉渣而除去。

目的：降碳、调硅锰、去硫磷、脱氧。

⑹ 炼钢过程的主要反应
①降碳

2Fe＋O2=(高温)2FeO+Q
FeO＋C=(高温)CO+Fe-Q

② 去硫、磷
FeS+CaO=(高温)FeO+CaS
CaO+FeS+C=(高温)CaS

+Fe+CO

2P+5FeO+3CaO=(高温)

5Fe+Ca3(PO4)2

④调硅、锰

2FeO+Si=(高温)SiO2

+2Fe＋Q

2FeO+SiO2=(高温)

2FeO·SiO2

2FeO·SiO2+2CaO=(高温)

2CaO·SiO2+2FeO

FeO+Mn=(高温)Fe+MnO+Q

2MnO+SiO2=(高温)

2MnO·SiO2
FeS+MnO=(高温)MnS

+FeO
生成的二氧化硅、氧化锰与造渣材料生石灰相互作用成为炉渣。
④ 脱氧
用硅铁、锰铁或金属铝来还原钢水中含有的少量FeO
2FeO+Si=(高温)SiO2+2Fe
3FeO+2Al=(高温)3Fe+Al2O3
FeO+Mn=(高温)Fe+MnO

⑹ 炼钢工艺主要包括

①铁水预处理；②转炉或电弧炉炼钢；③炉外精炼(二次精炼)；④连铸。

⑺ 转炉炼钢生产流程

操作过程：经历装料(铁水和废钢)、吹炼、出钢并脱氧三个阶段。

炼钢过程是个氧化过程，去除杂质的主要手段是向熔池吹入氧气并加入造渣剂形成熔渣。

为了得到具有高的强度和韧性或其他特殊性能的钢，要降低生铁中的碳，去除有害杂质P和S，脱除氧、氮和氢，再根据性能要求加入合金元素，脱除各种杂质元素在钢水中生成的或卷入的夹杂物颗粒。如在高炉中加入CaO可以去除有害元素S和P。冶炼过程需要一定的钢水温度，并且最终能够铸造成为理想形状的铸坯或钢锭，炼钢过程要把钢水温度提高到合适的程度。从装料至倒渣完毕的整个冶炼周期大约为30～40分钟。

转炉炼钢是在大气中进行，易受大气中氧、氮、氢等气体成分的污染。为提高钢质量和生产效率并降低成本，现代炼钢工艺均采用炉外精炼。

（炉外精炼即是把原来要在一般炼钢中完成的脱硫、脱磷、去气、去除非金属夹杂物、调温、脱氧和合金化等移到炉外盛钢桶内进行。这相当于分成两步进行。所以炉外精炼也称二次炼钢。）

⑻ 转炉炼钢生产主要技术经济指标

① 转炉利用系数:每吨容量转炉每昼夜产(合格)钢吨数；

② 转炉作业率:转炉总作业时间与全日历时间之比；

③ 每炉炼钢时间:转炉每炼一炉钢所需的时间；

④ 转炉吹损率:(装入转炉的金属料总量－出钢量)／装入转炉的金属料总量的百分比；

⑤物料消耗量:指生产每吨合格钢所消耗某种物料的量（公斤数或立方米数）；

⑥转炉炉龄:指转炉每换一次炉衬后所能炼钢的炉数。

7、连铸

连续铸钢简称连铸，连续铸钢是通过连铸机将钢液连续地铸成钢坯的工序。

⑴ 连铸生产的主要设备

① 钢包回转台

② 中间包（或称中间罐）

③中间包车

④ 结晶器

⑤二次冷却支承导向装置(也称二冷段或扇形段)

⑥ 拉坯矫直机（简称拉矫机）

⑵ 连铸工艺的流程

连铸是将高温钢水连续不断地浇注到带有活底的铜模（称为结晶器，空心、水冷）结晶器内，开始（连铸没有形成）时，结晶器下口先用一活底（引锭头）堵着，待钢水冷凝成坯壳后，启动拉坯辊，通过引锭头后面的引锭链将铸坯徐徐拉出，沿着弧形排列的二冷段夹辊下移，并喷水或喷水雾冷却。

在铸坯出连铸机前，经矫直机将弧形铸坯矫直，用脱引锭装置使引锭头与铸坯分离，其后，引锭链被卷扬装置收容到引锭链小车上。而铸坯则继续由辊道向前输送。铸坯在切割辊道上被剪切成定尺，在去毛刺辊道上去除两端的切割毛刺，再在喷印辊道上在铸坯前端喷印标记。为避免结晶器内钢水和初生坯壳与结晶器内壁粘结，在浇注过程中，结晶器要上下振动，同时还要在结晶器内壁注入润滑剂。润滑剂是一种渣，撒在结晶器内钢水表面，它会随钢水下移自动流入结晶器内壁。同时也起到结晶器内钢水表面与空气隔离的作用，避免钢水氧化和散热。

⑶ 连铸工艺的优越性

与模铸相比，连铸具有以下优越性：

① 简化工序、节能；

② 铸坯切头率降低、金属收得率比模铸高7-12%；

③ 高效凝固；

④ 优化成型。

8、轧钢

由炼钢出来的钢水经过连铸、连轧（或锭、初轧、轧制）成为钢材。

轧制过程是轧件与轧辊之间的摩擦力将轧件拉进不同旋转方向的轧辊之间使之产生塑性变形的过程。一般的轧钢工序可分为：轧制分冷轧、热轧、粗轧、中轧、精轧、精整。其次有拉拔等。

钢经轧制后既可获得需要的形状，又可改善钢的内部质量，提高钢的机械性能。

轧制的发展方向是：轧制速度越来越快，轧制的精度越来越高，轧制的尺寸越来越大。

轧机的主要参数：250，350，450，550，650，850MM，等等，以轧机的公称直径为参数。

轧钢生产设备按其在生产中所起的作用分主、辅设备两大类。

主设备指使轧件产生塑性变形的主体设备，轧钢生产的主要设备是轧钢机。轧钢机主要由主电机、工作机座、传动装置、三大部分组成。而工作机座主要由：轧辊、轧辊轴承、机架、轧辊调整装置、上轧辊平衡装置、(型钢轧机还有导卫装置)等构成。

辅设备指主机以外的用来完成其它辅助工序的各种设备（主要有加热设备、剪切设备、矫直设备、卷取机、运送辊道、垛板机、打捆机等）

目前钢材品种数很多，大体上分为：板材、管材、型材、线材等几类。