《炼钢原料》PPT课件.ppt

冶金学之炼钢篇,阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2011年5月3日6月30日/1#教学楼301,（No3-4）,2023/7/19,东北大学/阎立懿,2,主 要 内 容,第一章 炼钢概述第二章 炼钢基础理论第三章 炼钢原材料第四章 转炉炼钢法第五章 电炉炼钢法,2023/7/19,东北大学/阎立懿,3,第二章 炼钢基础理论钢液的物理性质钢液的化学反应,2023/7/19,东北大学/阎立懿,4,钢的物理性质,2023/7/19,东北大学/阎立懿,5,钢液的硅锰氧化,2023/7/19,东北大学/阎立懿,6,“四脱、二去”及有利条件,2023/7/19,东北大学/阎立懿,7,第三章 炼钢用原材料,原材料是炼钢的基础，原材料的质量和供应条件对钢材的质量及炼钢生产的各项技术经济指标产生重要影响。对炼钢原料的基本要求是：既要保证原料具有一定的质量和相对稳定的成分，又要因地制宜充分利用本地区的原料资源，不宜苛求。炼钢原材料分为金属料，非金属料或叫辅助料。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,8,原材料种类：,1）金属料 铁水、废钢铁、生铁、直接还原铁、铁合金 2）非金属料（辅助料）造渣剂：石灰、萤石、白云石、火砖块；氧化剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮；冷却剂：废钢、生铁、铁矿石、球团矿、氧化铁皮；增碳剂：焦炭、石墨电极块、生铁、煤块。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,9,3.1 金属料,3.1.1 铁 水 铁水是转炉炼钢的主要原材料，一般占装入量的70%100%。也是转炉炼钢的主要热源。对铁水要求有：温度、成分及带渣量。1）铁水温度 铁水温度是铁水含物理热多少的标志，铁水物理热占转炉热收入的50%。应努力保证入炉铁水的温度，保证炉内热源充足和成渣迅速。我国炼钢规定入炉铁水温度应大于1250，并且要相对稳定。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,10,2）铁水成分（五大常存元素）C 铁水中的碳含量一般达到饱和，为3.54.5，它是主要的发热元素，占元素氧化放热的5060。碳的氧化产物是CO气体，在其上浮排出过程中，对熔池有搅拌作用。氧化放热；搅动熔池、加大渣-钢界面，加速反应；均匀成分、温度；有利于去除钢中气体与夹杂；,2023/7/19,东北大学/阎立懿,11,Si 是主要的发热元素，占元素氧化放热的2530。由于它最先氧化，故对熔池的初始温升和初渣形成以及废钢加入量有重要影响。铁水中Si量增加热量增加，每增加0.1%，废钢加入量可提高1.3%1.5%；但Si量过高时，需要增加石灰保证炉渣碱度，同时也增加渣量。每增加Si量0.1%时，增加石灰约7kg/t铁；初渣（SiO2）过高时，炉衬侵蚀也加剧，降低成渣速度，延长冶炼时间，并增加铁损及氧气消耗。通常铁水中的硅含量为0.30.8%为宜。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,12,Mn 是弱发热元素，对炼钢有益，铁水中Mn氧化后形成的MnO能有效促进石灰溶解，加快成渣，减少助熔剂用量和炉衬侵蚀，并可改善炉渣流动性。同时铁水含Mn高，终点钢中残锰高，从而可以减少合金化时所需的锰铁合金，有利提高钢水纯净度。转炉用铁水对锰/硅比值要求为0.81.0，目前使用较多的为低锰铁水，锰的含量为0.2%0.8%。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,13,P 是强发热元素，但对一般钢种来说是有害元素，因此要求铁水磷含量越低越好，但因高炉炼铁过程无法脱磷，故铁水中的磷多少取决于炼铁原料。尽管氧气转炉脱磷率较高（8595），当磷高或需要冶炼低磷钢时也需要进行铁水预处理。一般要求铁水P0.20%低磷铁水，此时可以采用单渣法冶炼；否则，要采用双渣法或进行铁水炉外脱磷处理。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,14,S 除了含硫易切削钢外，绝大多数钢种要求去除硫这一有害元素。氧气转炉过程脱硫有限，采用单渣操作时脱硫效率只有30%40%，所以我国炼钢规定入炉铁水的硫含量0.05%，希望铁水中的硫越低越好。当硫高或需要冶炼低硫钢时，如洁净钢甚至要求铁水S0.005时就必须进行铁水预处理。3）铁水带渣量 高炉渣中含S、SiO2、和Al2O3量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大，石灰消耗增加，造成喷溅，降低炉衬寿命，因此，进入转炉的铁水要求带渣量0.5%。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,15,3.1.2 废钢铁,转炉和电炉炼钢均使用废钢铁，氧气顶吹转炉用废钢作为冷却剂，一般是总装入量的10%30%。废钢铁是电炉炼钢的主要原料（100%），吨钢消耗约1150 1200kg。,世界废钢的利用情况,2023/7/19,东北大学/阎立懿,16,1）废钢铁资源情况 自从有钢铁产品以来，即从1856年开始，按全世界所生产的粗钢产量逐年相加，所得的钢产量累计量（积累钢产量）到2010年末已超过452亿吨。按废钢循环动态平衡的观点来分析，粗钢总要变成废钢的，一般钢铁产品大约几年几十年将转化为废钢，如日本轿车也就23年报废，中国房屋平均就30年，也有建筑50100年的，如鸟巢若按20年折旧计算，每年由此而产生的废钢量将达到22.6亿吨。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,17,目前，废钢利用率较低，尤其中国30%，最高美国超过70%，若按55%的利用率，全世界每年可利用的废钢超过12亿吨，除转炉用的部分废钢（34亿吨）外，其余可以用来生产近8亿吨电炉钢，这相当于目前电炉钢产量的2倍。这说明就目前世界范围来看，废钢资源是不缺乏的，而且随着钢产量累计量的增加，废钢利用率的提高，可利用的废钢量将继续增加。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,18,目前，世界废钢总消费量在4亿吨左右，消费量较大的国家有中国、美、日、韩、原苏联、土耳其、德、意、法及西班牙等，废钢消费量均超过1000万吨/年。其中进口量较大的国家有意、西班牙、土耳其、韩、印度、印尼及中国等，废钢进口量均在300万吨/年以上。出口量较多的国家有比-卢联盟、法、德、荷兰、英、罗马尼亚、原苏联、美及日本等，出口量均在200万吨/年以上。总体上看，世界发达国家如欧洲各国、美、日等国家，钢产量累计量较大，废钢资源丰富，基本能够满足钢铁工业发展所需要的废钢原料。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,19,中国解放前的钢产量很少，自1949年至2010年，钢产量累计量超过57亿吨，加之钢产品变为废钢的折旧期很长（大多3040多年还在使用），废钢利用率也很低，造成我国废钢短缺。此现象将随着每年6亿吨钢产量的增加，大量钢铁设备、流程改造更新，废钢再生流程的正常启动，而使得废钢循环进入动态平衡，并在不久的将来得到明显好转。但目前，中国还是个废钢缺乏、质量低劣的，解决途径有二：进口废钢；使用直接还原铁等废钢代用品。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,20,2）废钢分类 按来源可分为以下三种：自产废钢 即钢铁厂内返回废钢，质量好、成分易控制；加工厂废钢 即制造加工厂内边角余料等，质量较好，但回收后注意分类；循环废钢 即外购废钢，数量最大、成分复杂、质量最差。它是从废旧钢制品中回收的，包括机械与建筑结构、废旧车辆、仪器仪表、家电炊具以及军火兵器等。它们不可避免地存在其它金属和有害元素，其中有些越循环是越多（如Cu），尤其有害残余元素Sn、Pb、As、Sb、Bi、Cu、Zn 等的存在，使得生产优质钢的难度增加。国际范围解决废钢质量的措施：配一部分直接还原铁等稀释；去除废钢中有害残余元素。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,21,循环废钢,2023/7/19,东北大学/阎立懿,22,3）对废钢的要求 废钢的外形尺寸和块度要合适，使其符合装炉、冶炼的要求；废钢中不得混有封闭器皿，爆炸物、易燃物及毒品；废钢中不得混铜、锌、铅、锡、砷等有色金属，废钢的硫、磷含量均不大于0.05%；废钢应清洁干燥，要求少锈，少混有泥沙、水泥及耐火材料，尤其是转炉用废钢；按性质分类存放，以免贵重合金损失或非要求元素存在而影响钢的质量。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,23,3.1.3 废钢代用品 废钢代用品，美国最先提出的，原文Steel Scrap Substitude，简称3S。目前，主要用于生产中的废钢代用品有：生铁与铁水、直接还原铁与热压块铁，具有的优点：杂质元素含量极低，其中微量元素Cu、Zn、Sn、Pb、Ni、Mo等均为痕量，可以对废钢中的残余元素进行稀释；去氮效果好，因其碳含量高，熔化过程产生大量的CO，去气效果好。废钢代用品的使用，不仅可以弥补废钢的不足，而且能够提高钢水的清洁度，生产高质量的钢材。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,24,废钢代用品,2023/7/19,东北大学/阎立懿,25,1）生铁/铁水 生铁 主要在电炉炼钢中使用，主要目的：提高炉料或钢中的碳含量，并解决废钢或重料来源不足的困难。目前，为了实现高效节能电炉采取强化供氧，要求提高炉料中的碳含量，当采用生铁配碳时，炉料中生铁配比通常达到30%。电炉还原期碳低时，常用优质生铁增碳。炼钢生铁成分要求：C 3.5，Si 1.20，Mn 2.0，P 0.4，S 0.05。目前，中国铁/钢比接近1，生铁较富裕，且价格与优质废钢相当，加之废钢质与量不佳，故可用生铁/铁水补充废钢的不足，生产高质量的钢材。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,26,铁水 是转炉主要原料，一般为70100。当铁水有富裕时，电炉也可以兑部分铁水。如宝钢、天管等电炉兑30%40%铁水生产石油管，改善废钢质量的不足；国内还有部分电炉兑30%50%铁水，提高生产率、降低电耗。但从长远观点看，新建高炉向电炉提供铁水炼钢，不但能耗和成本高于转炉流程，还将破坏生态环境。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,27,2）直接还原铁与热压块铁 直接还原铁（Direct Reduced Iron，简称DRI）与热压块铁（Hot Briquetted Iron，简称HBI）都是铁矿粉在低于熔化温度下进行还原得到的直接还原品种俗称海棉铁，DRI与HBI的生产方法有气基法与煤基法，以气基法为主。其中HBI可以由DRI热压成形，HBI堆比重大，不易氧化、破碎。最初，DRI/HBI只是作为废钢的代用品，补充废钢的不足。现在成为生产优质钢材必需配入的精料，以降低钢中杂质元素，一般配入量在 15%60%。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,28,DRI产品,2023/7/19,东北大学/阎立懿,29,HBI产品,2023/7/19,东北大学/阎立懿,30,炼钢用DRI/HBI具有以下特点：A、化学成分稳定，杂质含量极低 扩大废钢资源，提高钢材质量，化学成分：,注：金属化率指直接还原铁的产品中金属铁含量占总铁量的百分率。B、DRI/HBI的价格较高 吨价与优质废钢价格相当，但若单纯用DRI/HBI代替废钢，按含铁量折算的话，其价格高于优质废钢。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,31,C、渣量大、能耗高 能耗高是DRI最大的缺点，因脉石含量高（SiO2+Al2O3），引起渣量增加，石灰用量大，使电耗、电极消耗增加，耐火材料消耗提高，冶炼周期延长等，增加操作成本。能耗比较如下：全废钢/440kWh/t，50%废钢+50%DRI/500kWh/t，20%废钢+80%DRI/560kWh/t。综上，目前生产一般钢种用DRI/HBI还不合算，但生产某些优质钢是必要的，如天津钢管公司150吨电炉配50%DRI生产高质量的石油套管，市场很好。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,32,3.1.4 铁合金,铁合金按用途分为脱氧剂与合金剂。脱氧剂：用来脱除钢中的（多余的）氧。常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Al、Fe-V、Mn-Si、Ca-Si等。复合脱氧剂：Mn-Si，Ca-Si，Al-Mn-Si，Cr-Si，Ba-Ca-Si，Ba-Al-Si合金等。合金剂：用来调整钢液的化学成分，种类取决于钢种的要求，有近40余种。常用的有：Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Al、Fe-V、Fe-Cr、Mn、Cr、Ni、Co、Fe-Co、Fe-Ti、Fe-B等。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,33,由上可见，有些合金如，Fe-Mn、Fe-Si、Al等即可作脱氧剂，也可作合金剂。这主要取决于加入炉内的时间，其原则是：作为脱氧剂的合金要先加，作为合金剂调整成分的要后加，要在钢液脱氧良好的情况下加入，以提高合金的收得率。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,34,3.2 非金属料（辅助料）,1）造渣剂石灰（CaO）是主要的造渣剂，由石灰石煅烧而成，用来提高炉渣的碱度，是脱P、脱S不可缺少的材料，在造渣剂中的用量最大、效果最好；石灰的活度也称水活度，是石灰反应能力的标志，也是衡量石灰质量的重要参数。萤石（CaF2）用于化渣，降低氧化钙的熔点、改善炉渣的流动性，但大量使用萤石会增加喷溅，加剧炉衬侵蚀，并污染环境。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,35,白云石（CaCO3.MgCO3）石灰替代品，是经过焙烧成为轻烧白云石，其主要成分为CaO.MgO。氧气转炉采用生白云石或轻烧白云石代替部分石灰造渣，对减轻炉渣（因MgO的存在）对炉衬的侵蚀、提高炉衬寿命具有明显效果。火砖块（Al2O3+SiO2）是浇铸系统用的废旧耐火砖，用于改善炉渣的流动性，特别是对含MgO高的炉渣，稀释作用优于萤石。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,36,合成造渣剂 简称合成渣，是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰或其他氧化物等熔剂，在低温下预制成。合成渣因其熔点低、碱度高、成分均匀、粒度小，且在高温下易碎裂、成渣速度快，改善了冶金效果，减轻了炼钢造渣负荷，因而得到广泛采用，尤其是用在洁净钢的冶炼及炉外精炼过程中。另外，高碱度烧结矿或球团矿也可做合成造渣剂使用，其化学成分和物理性能稳定，造渣效果良好。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,37,2）氧化剂氧气 为主要氧源，是炼钢的主要氧化剂，其纯度达到或超过99.5%，氧气压力要稳定，并脱除水分。铁矿石 铁矿石作为氧化剂使用要求高（全铁），杂质量少，块度合适。因普遍采用氧气炼钢，所以，目前在炼钢中很少使用。氧化铁皮亦称铁磷 是钢坯加热，轧制和连铸过程中产生的氧化壳层，铁量约占70%75%。氧化铁皮脱磷效果好，还有助于化渣和冷却作用，使用时应加热烘烤，保持干燥。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,38,3）冷却剂 氧气转炉炼钢过程热量有富余，因而，可根据热平衡计算加入一定数量的冷却剂，以准确地命中终点温度。用作冷却剂有废钢、生铁、铁矿石、氧化铁皮、球团矿、烧结矿等。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,39,4）增碳剂焦炭粉 是主要的、也是最普通的增碳剂；石墨电极块 增碳效果最好，但价格贵；生铁 还属于金属料，配料时常用来配碳，精炼期增碳要求用优质生铁；国内也曾使用过煤来代替生铁增碳，以补充生铁的不足；石油焦 杂质很少，价格较贵。对炼钢用增碳剂的要求是固定碳要高，灰分、挥发分和硫、磷、氮等杂质含量要低，且干燥、粒度适中。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,40,3.3 配料,炼钢配料是根据冶炼钢种及其冶炼操作方法进行的。配料力求准确，配料不准指重量或（和）成分不准。重量不准导致合金加入不准，成分不易控制；而成分不准增加操作上的难度，严重使钢报废。即配料不准影响过程操作及钢的产量、质量及消耗等，故应予以重视。电炉氧化法的配料计算主要指废钢铁配入量与配碳量的计算；转炉的配料主要是指冷却剂，如废钢的加入量。,2023/7/19,东北大学/阎立懿,41,课后思考题,14、炼钢用金属料和非金属料种类；15、转炉炼钢用铁水对温度及铁水成分有何要求；16、废钢代用品主要有哪些、特点及用途如何？,