钢铁生产基本知识

钢铁生产基本知识

一概述

钢铁自人类历史进入铁器时代后是人类社会所使用的最重要的材料，与人们的生产生活密切相关，从人们的俗语中可见一斑，如百炼成钢、恨铁不成钢、钢筋铁骨、好钢用在刀刃上等等，很难想象如果不使用钢铁材料现代生活会变成怎样？因为钢铁材料在性能、价格上与其他材料相比具有明显的优势，它在21世纪乃至相当长的时期内仍将是人类所使用的最重要的材料之一。

钢铁工业是指黑色金属（铁、铬、锰三种金属元素）作为主要开采、冶炼及压延加工对象的工业产业。现代钢铁工业是个庞大的工业生产系统，主要包括有采矿、选矿、烧结球团、焦化、炼铁、炼钢连铸、轧钢等，另外还有机修、动力、运输、制氧等。目前，钢铁工业已是相当成熟的传统制造业。近百年来，钢铁工业得到了蓬勃发展，全球钢产量从1900年的3000万吨增加到2005年的10亿吨，建国以来，我国钢铁工业得到了快速发展，钢产量从1949年的15.8万吨增长到2005年的3.49亿吨。这是经济发展对钢材需求旺盛的结果，也是钢铁工业加速结构调整，特别是工艺、产品、技术、装备调整的结果。为适应市场、环境的需要，高质量、多品种、低成本、资源节约、环境友好是钢铁生产追求的目标。

图1 钢铁生产主要工艺流程示意图

二 采矿

日常生活中钢铁总是一起并称，那钢与铁有什么区别呢？它们是怎么生产出来的呢？

铁（Fe ）在自然界中大多是以铁的氧化物形态存在于铁矿石中。钢铁工业的主要原料—铁矿石及辅助料如白云石、石灰石、蛇纹石等，要通过开采矿山和选矿来获得。矿山开采是指用人工或机械对有利用价值的天然矿物资源的开采。根据矿床埋藏深度的不同和技术经济合理性的要求，矿山开采分为露天开采和地下开采两种方式。

水泥厂用户

产品

图2 铁矿开采示意图

露天开采是采用采掘设备在敞露的条件下，以山坡露天或凹陷露天的方式，一个阶段一个阶段地向下剥离岩石和采出有用矿物的一种采矿方法。掘沟、剥离和采矿是露天矿生产的三个重要环节。工艺流程一般经过穿孔、爆破、装载和运输。当矿床埋藏地表很深，采用露天开采会剥离系数过高，经比较，地下开采合理时，则采用地下开采。由于矿藏较深，必须开凿由地表通往矿体的巷道，如竖井、斜井、斜坡道、平巷等。地下开采主要包括开拓、采切（采准和切割工作）和回采三个步骤。工艺流程一般是：凿岩、爆破、通风、装载、支护和运输提升等工序。

三选矿

从矿山开采出来未经选矿或其他技术加工的矿石称为原矿。铁矿

石品位即含铁量，用百分数表示，是衡量铁矿石质量的主要指标。一般地说，品位较高，适合直接入炉冶炼的叫做富矿；由于含铁量较低，不应直接入炉冶炼的叫贫矿。贫矿直接入炉冶炼在经济上、技术上都是不合理的，需经选矿处理，提高品位后，再经烧结或球团工艺制成人造富矿后入炉冶炼。这样不但能合理利用资源，又能改善高炉技术经济指标并取得较好经济效益。

优质铁矿石具备条件是：含铁量高，脉石少，有害杂质少，化学成分稳定，粒度合适、均匀，一定的机械强度和良好的高温冶金性能。我国铁矿石平均品位33%左右，低于世界铁矿石平均品位11%，已探明铁矿石储量的97.5%是需要选矿加工的贫铁矿。通过选矿可将各种有用成分分别选出来，得到成分单一的精矿，选矿也可使大量的贫矿资源达到冶炼要求。

图3 选矿流程示意图

四烧结球团

铁矿石的脉石成分绝大多数以酸性为主，含量最高、最应重视的是SiO2，因为铁矿石中SiO2含量的增加，必然需要加入等量以上的CaO，引起高炉渣量成双倍以上的增加，所以，要求铁矿石中含SiO2少些。反之，脉石含CaO较多的矿石，由于相应减少了外加CaO较多的矿石，由于相应减少了外加CaO量，具有较高的冶炼价值。我国铁矿石中SiO2含量普遍较高，与主要进口铁矿石差距较大。

对炼铁而言，矿石中的有害杂质通常是硫、磷、碱金属，考虑有害杂质有两点注意：一是根据冶炼规定的允许值，在配料中做到高低搭配；二是经高炉冶炼过程之后，有害元素各自的残存率不一样。如磷，在选矿和烧结过程中不易除去，入炉又100%进入铁水。而硫在烧结过程中可除去80%以上，高炉冶炼过程可以除原料和燃料中带入硫量的90%以上。

铁矿石粒度对高炉冶炼过程影响很大。粒度不均匀或过小时，高炉内料柱透气性差，煤气上升阻力增大。粒度过大会减小煤气和铁矿石的接触面积，使矿石中心部分不易还原。因此，粒度小于5mm矿粉应在入炉前筛除，目前高炉矿石粒度常小于25—35mm，这对于炼铁指标改善很有成效。铁矿石的质量性能指标有冷态力学性能、热态及还原条件下的力学性能、冶金性能等等。

由于对贫矿和多种元素共生复合矿分选，选出的精粉品位越高，粒度磨得越细，同时，富矿开采、破碎过程中也产生大量的粉料。粒

度过细的矿粉必须经过人工造矿，达到一定粒度后才能进行高炉冶炼。经过人工造矿并可用于冶炼的矿料称为人造矿块，也称人造富矿或熟料。人造块矿在造块过程中，除了改变矿料的粒度组成、机械强度之外，还可以除去一部分对冶炼有害的元素，提高矿料质量，改变矿相结构和冶金性能，因而使用人造块矿有利于强化高炉冶炼，获得良好的指标。人造块矿生产方法较多，目前世界上应用最广泛的是烧结法和球团法。

烧结球团是将矿粉、熔剂（石灰石、白云石、生石灰等粉料）、燃料（焦粉、煤粉）按指定配料比精心配料，混匀造球，再进行布料，布到烧结台车上，经点火，在抽风机的作用下，借助混合料中固定炭燃烧产生的高温；在高温作用下，烧结料水分蒸发并发生一系列化学反应，使物料软化、熔化，生成一定量液相，产生部分液相黏结。随着烧结过程进行，高温带下移，液相冷却固结，粘结成块而形成烧结矿。

烧结法按生产工艺不同可分为抽风法和鼓风法，目前普遍使用的是抽风法。烧结矿按其成品是否经过冷却，又有冷矿与热矿之分。

图4 烧结流程示意图

五炼焦

焦炭在高炉冶炼中起着发热剂、还原剂和柱骨架的三大作用。炼焦生产的基本原料是炼焦煤。炼焦煤是具有在工业焦炉或模拟工业焦炉的炼焦条件下，结成一定块度和足够强度焦炭的能力的煤，它们分为气煤、肥煤、焦煤和瘦煤。

将炼焦配合煤在密闭的焦炉内隔绝空气高温加热到950~1050℃，经过干燥、热解、熔融、黏结、固化、收缩等过程最终制得焦碳，这一过程叫高温炼焦（高温干馏）。

炼焦过程产生的干馏煤气经冷却、回收、精制，可得到煤气、焦油、粗笨、硫铵等多种化工原料。冶金企业炼焦生产的主要任务是生产优质冶金焦，供高炉冶炼使用，同时回收焦炉煤气及焦煤气中的化工产品。

目前对焦炭常规质量要求是：灰分、硫分、冷强度（M40、M10）、

热反应性及热强度，一般灰分增加1%，焦比升向2%，产量降低3%；硫增加0.1%,焦比增加1.5%,产量下降2%.

图5 炼焦工艺流程示意图

图6 煤化工流程示意图

六高炉炼铁

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。高炉炼铁是目前获得大量生铁的主要手段。它的原料是富矿或人造块矿。燃料主要是焦炭，其次是煤粉、重油等，熔剂是石灰、白云石、蛇纹石等。

高炉冶炼是还原过程。把氧化铁还原成含有碳、硅、锰、硫、磷等杂质的生铁。副产品有煤气和炉渣。

自然界中没有纯铁存在，多数是与氧结合成的氧化物，如赤铁矿（Fe2O3），理论含铁70%，含氧量30%，是世界上贮量最大的矿种，且含氧量也最大；磁铁矿（Fe3O4），含水的Fe2O3称为褐铁矿（2Fe2O3·3H2O），还有菱铁矿（FeCO3）、黄铁矿（FeS2）等。

高炉炼铁是一个比较经济合理的办法，利用C、CO、H2做还原剂，将铁还原出来。它们的还原反应过程如下：

（1） 用CO还原，属间接还原。

大于570℃时： Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2+↑（热）

Fe3O4+CO→FeO+CO2—↓

FeO+CO→Fe+CO2+↑

小于570℃时：（FeO不能稳定存在）

Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2+↑

Fe3O4+CO→FeO+CO2+↑

（2） 固体碳还原，属直接还原。

大于570℃时： Fe2O3+C→Fe3O4+CO—↓

Fe3O4+C→FeO+CO—↓

FeO+C→Fe+CO—↓

小于570℃时：Fe2O3+C→Fe3O4+CO—↓

Fe3O4+C→FeO+CO—↓

（3） 一部分氢在低温代替CO还原，另一部分氢在高温代替碳直接还原。

大于570℃时： Fe2O3+H2→Fe3O4+H2O+↑

Fe3O4+ H2→FeO+ H2O—↓

FeO+ H2→Fe+ H2O—↓

小于570℃时：（FeO不能稳定存在）

Fe2O3+ H2→Fe3O4+ H2O +↑

Fe3O4+ H2→FeO+ H2O —↓

由上可知：铁矿石的还原过程是逐级进行的，是由含氧量多的高级氧化物逐步失去氧最后成为金属铁。FeO是中间产物，在自然界中不单独存在，只有在炉内还原气氛条件下，或与其他成分组成复杂矿物才能存在。每个还原反应都伴有热量的吸入或放出，用CO作还原剂总的效果是放热，用H2作还原剂总的效果为吸热，用碳用还原剂则为强烈的还原反应，即必须额外供给大量的热，否则反应不能完成。

高炉生产包括如下环节：1、备料：天然富矿和熔剂经分级、混匀、堆积运到高炉车间装入料仓。人造富矿（烧结矿或球团矿）

和焦炭分别运至高炉料仓。2、上料：通过料车或带式运输机上料系统，按一定比例将原料、燃料和熔剂一批批有程序地经炉顶装料设备按一定的工作制度装入炉喉。3、冶炼：高炉冶炼是连续进行的。鼓风机将冷风送至热风炉加热到1200~1300℃（也有达到1400℃），通过炉缸周围的风口送入高炉。同时在风口区加入各种喷吹燃料和富氧。焦炭和鼓入的热空气燃烧后产生大量的煤气和热量，使矿石源源不断地熔化、还原。产生的铁水和熔渣贮存在高炉炉缸内，定期出渣和出铁。4、产品处理：对于设有渣口的高炉，出铁前，先从渣口放出熔渣，炉渣的处理有干渣和水渣，用于筑路或生产水泥。出铁时，用开口机打开出铁口，让铁水流入铁水罐车，运到炼钢厂炼钢或运到铸铁车间用铸铁机浇铸成铁块。和铁水一起出来的熔渣经撇渣器和渣沟流入渣罐车。每次出铁完毕后用泥炮把出铁口堵上。经高炉导出的煤气通过除尘器、洗涤塔、文氏管清洗除尘后，沿煤气管道输往各用户使用。从除尘器排出的炉尘经车辆运送烧结工序作为烧结原料，从洗涤塔和文氏管系统排出的污水导入沉淀池，回收起来的污泥块也作烧结原料。

高炉利用系数是衡量高炉生产率的一项重要指标。在中国以每立方米高炉有效容积一个昼夜的合格生铁产量表示。生铁产量是以合格炼钢生铁为标准，其他铁种乘以相应的系数。高炉有效容积是高炉有效高度内的内型容积，对有效高度各国的规定不同，我国是以铁口中心线至料线的垂直距离。

高炉生产的主要指标有焦比，它是高炉炼铁过程中冶炼单位

生铁所消耗的焦炭量（kg/t），常讲的有综合焦比，是在高炉喷吹燃料后将喷吹燃料计入焦比的指标。冶炼强度是高炉过程强化程度指标，是以每立方米高炉有效容积每昼夜燃烧的干焦量衡量。

高炉从点火投产至停炉大修期间的实际运行时间称高炉炉龄，它与每立方米高炉有效容积在以上时间内的产铁量构成衡量高炉生产一代炉役的一对重要技术经济指标。

图7 高炉生产工艺流程示意图

七转炉炼钢连铸

氧气转炉的几种方法中顶吹转炉是目前的主要方法，国外称LD 转炉。下面主要叙述顶吹转炉工艺技术。

将炼钢的原料（主要是铁水、废钢、造渣剂）按量、按时加入炉

中，用水冷氧枪将一定压力、一定纯度的氧气从炉顶部吹到炉内，氧气将铁水中的硅、锰、碳、磷等元素迅速氧化到一定含量范围，并产生大量化学反应热，使加入的废钢熔化并使钢水温度提高到规定值。这些元素氧化后，有的在高温下与造渣剂（石灰石、石灰等）反应生成炉渣，有的变成气体逸出，去除炉渣就得到了钢水。由于此时钢水在炼钢过程中吸收了过量的氧，因此要用锰铁、硅铁和铝等进行脱氧，这样就得到了所需的钢水，再通过连铸机铸成钢坯，也有的直接铸成钢件减少吹损，提高金属收得率，降低原材料消耗，提高了脱硫，去夹杂物和夹杂物变性处理，调整成分，控制钢水温度等。。

由于吹送氧气方式的不同，还有氧气底吹转炉，及综合顶吹与底吹优点、克服两者缺点的顶底复吹转炉炼钢法。顶底复吹工艺是从转炉顶部氧气喷枪保持一定距离向金属熔池喷吹氧气外，为了加强对金属熔池的搅拌能力，还通过炉底向金属熔池喷吹一定量的惰性气体，以加快冶金反应，并使之趋近于平衡状态，顶底复吹改善了转炉冶炼过程的冶金条件，生产效率。

炉外精炼是把转炉中初炼的钢水移到另一个容器中进行精炼的过程，也叫二次精炼。炉外精炼把传统的炼钢方法分为两步，即初炼加精炼。初炼——在氧化性气氛下进行炉料熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼——在真空、惰性气体或可控气氛下进行深脱碳、除气、脱氧、

炉外精炼的方法很多，按手段分类有1、常压下处理法：渣洗法

（合成渣洗法、同炉渣洗法），合金元素等特殊添加法和喷粉法（弹丸发射法、喂丝法、喷粉法），氩气精炼法（钢包吹氩法Gazal 、带盖钢包吹氩法CAB 、氩氧脱碳精炼法AOD 、气氩脱碳精炼法CLU ）。2、用真空手段精炼法：以脱气为主的精炼法（钢包除气法、DH 、RH 法等），以脱碳、脱氧、脱气为主的精炼法（VOD 、RH-OB 、RH-PI 等）。

3、采用真空和加热手段精炼法：ASEA-SKF 法，V AD （VHD ）法，LF 法采用加热设施有电弧加热，等离子加热或增加钢水中的化模铸相比，连铸镇静钢的钢材综合成材率可以提高。

尽管炉外精炼方法各异，但共同特点是：1、有一个理想的精炼气氛条件，通常是应用真空、惰性气氛或还原气氛；2、搅动钢水，可采用电磁力，惰性气体或机械搅拌的方法；3、为补偿精炼过程的钢水温度损失，学热等。

钢水连续浇铸是20世纪60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，最后由输送辊道将其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10个百分点。

连铸机机型主要有立式、立弯式、弧形、直弧形、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、方坯一板坯连铸机、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，使小钢厂进人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。断面厚度l～5毫米的带钢连铸，各国接为冷轧机供料，可省去热轧机，大大节省投资和提高生产效率。

钢坯检验量=转炉钢坯合格量十转炉钢（水、坯）废品量； 钢坯实际检验合格量一下工序和用户退 按计划钢种出钢炉数 也在积极开发中。它能直转炉炼钢技术经济指标:

1、转炉钢坯合格率

钢坯合格量（吨）

钢坯检验量（吨）

（转炉×100% 钢坯合格率（％）=

钢坯合格量=报告期内转炉废量）

2、按计划钢种出钢率

×100% 出钢总炉数 钢坯按计划钢种出钢率（％）=

3、转炉炼钢金属料消耗 量（吨）

（料消耗包括焦炭、燃料油、氧气、电力、镁砂、耐火量。其计 某种物料耗用量（计算单位） 换新炉衬止一 个

动力能耗，都要计入炼钢工序能耗中，除以实均低位发热量折算成标 入炉金属料量（千克）

合格钢生产转炉炼钢金属料消耗量（干克／吨）=

金属料量= 钢铁料量十其它原料含铁量十合金料量）

4、转炉炼钢其它物料消耗

转炉炼钢其它物砖、钢坯模等。它是指每炼1吨转炉钢所消耗某种物料的数算公式为：

合格钢生产量（吨）

5、转炉炉衬寿命

转炉炼钢某种物料消耗量（计算单位／吨） =

转炉炉衬寿命是指自转炉炉村投入使用起到更炉役期间炼钢的炉数。其计算公式为：

6、炼钢工序单位能耗

炼钢工序能耗包括从铁水（原料）进厂到钢锭（坯）出厂全部工艺过程所消耗的一次和二次能源。铁水预处理、连铸工艺、炉 外精炼、电除尘设施等的燃料（含煤气、燃油）能耗及服务于炼钢的各种蒸汽、压缩空气、电力、水等物量形式分别计算其吨钢消耗外，还要按其平煤。其计算公式为：

燃料消耗量十动力消耗量－转炉煤气等余热回收外供量）（千克）

从投入产出角度来评价整个炼钢生产过程中生产工作质量水平高低的重要指标。它是指报告期产出的金属 入炉金属料量（吨）

图8 炼钢生产工艺流程示意图

（炼钢 合格钢产量（吨）

7、炼钢金属收得率

炼钢工序金属收得率是总量与投入金属总量的比率。

其计算公式为：

图9 连铸生产工艺流程示意图

炼钢工序单位 能耗折标煤量 （千克／吨）= ×100％

八轧钢

炼钢系统生产的钢坯或连铸坯不能直接作为其他工业生产的原材料或直接用于社会消费，必须对其作进一步的塑性加工，制成各种形状并能满足各种用途的钢材。塑性加工，即用不同的工具对金属施加压力，使之产生塑性变形，制成具有一定尺寸、形状产品的加工方法。塑性加工的主要方法有：1、热轧法。将钢料加热到1000~1250℃左右用轧钢机制成钢材的方法；2、冷加工法。将热轧后的钢材在再结晶温度以下继续加工，使之成为冷加工钢材，冷加工法包括冷轧、冷拔和冷弯、冷拉、冷挤压等方法；3、锻压法。用锻锤,精锻机，快锻机或液压机将钢坯锻压成钢材，钢坯或锻件；4、挤压法。将坯料装入挤压机的挤压筒中加压，使之从挤压筒的孔中挤出，形成比坯料断面小，并有一定断面形状的型材、管材或空心材等。此外还有涂镀

层钢材，也是钢材生产方法的重要组成内容。上述四种方法中，热轧

法是最主要的生产方法，约有90%的钢是采用热轧法直接成材或经热轧，然后再采用其他加工方法成材的。

轧钢机的定义：1、狭义的定义。使轧件在转动的轧辊间产生塑性变形，轧出所需断面形状和尺寸的钢材，这个机器叫轧钢机。2、广义的定义。用于轧制钢材生产的工艺全部所需的主要和辅助工序成套机组称为轧钢机，它包括轧制、运输、翻钢、剪切、矫直等设备。轧钢机的标称：钢坯和型钢车间轧机用轧辊名义直径标称。如果在一个轧钢车间中装有若干架轧机时，则以最后一架精轧机的轧辊名义直径作为轧钢机的标称。钢板轧机则由辊身长度标称。钢管轧机用其所轧钢管最大外径来标称。

主要技术经济指标：

成材率：是指用1吨原料能够轧制出的合格成品重量的百分数，反映了生产过程中金属的收得情况。.

合格率：合格的轧制产品数量占产品总检验量与中间废品量总和的百分比。

合格产品数量

产品总检验量+中间废品量×100%

合格率=

轧机有效作业率：实际工作时间占计划作业时间的百分比。

实际生产作业时间计划工作时间×100%

轧机有效作业率=

图10 轧钢生产工艺流程示意图

定尺率= ×100%