第1章 概论.doc

钢铁冶金学讲义（炼钢部分）刘增勋冶金工程系钢铁冶金学炼钢部分 刘增勋 第一章 概 论 15第一章 概 论1 钢的定义：含碳量2.0%的铁碳合金。（1） 铁碳相图中2.0%C的意义：在高温下存在奥氏体；常温下以珠光体为主。（2） 高温下奥氏体的存在的意义，热加工性能优越。2 为什么要炼钢？生铁不能直接应用。（1） 生铁含碳高：C2.1时，加热时无奥氏体产生，一般不能热加工成型。（2） 性能不良：硬脆，韧性差、焊接性能差，无法加工。（3） 杂质多：S、P多，即使低磷铁水中P在 0.1左右。3 钢中常见元素：为了改善钢的性能以及工艺和原料的限制，除了铁和碳以外，钢中仍含有其它元素。（1） 五大元素：C、Mn、S、P、Si；任何钢种必须表明五大元素的含量。（2） 其它元素：、V、Cr、Ni、Ti、Cu等。（各元素是否存在，决定于钢种的成份性能要求）。l 钢中各元素的含量要求由“国家标准”控制，而“标准”同样来源于实际应用。4 生产设备：目前，最主要炼钢设备有两种：转炉和电炉。5 生产流程：目前最主要的生产流程有两种。（1） 长流程：采矿选矿烧结高炉铁水预处理转炉炉外精炼连铸铸坯轧钢；（2） 短流程：废钢电炉炉外精炼连铸铸坯轧钢；6 炼钢工艺组成：炼钢工艺过程包括三大部分。（1） 冶炼：转炉和电炉；（2） 炉外处理：铁水预处理和炉外精炼；（3） 浇注：连铸和模注7 讲课内容：以冶炼基本理论和工艺为主，不涉及炉外精炼（另外设立课程）。8 教材：钢铁冶金学炼钢部分，陈家祥，冶金工业出版社，1990年9 参考书：有关转炉炼钢、电炉炼钢、炼钢原理、连铸等书籍和资料。第一节 炼钢的发展过程一 钢材应用1 用量：钢是应用最广的金属材料，占金属材料用量的85%以上。这主要取决于铁的储量和钢材性能。2007年世界粗钢产量13亿吨，我国粗钢产量4.9亿吨（官方数据）。2 特点（1） 储量：铁元素在地壳中的蕴藏量5.10%，在金属元素中仅次于铝8.80%。（2） 加工：容易从矿石中提取和加工；（3） 性能：强度高；韧性好；容易加工和焊接，是优良的结构材料；性能适应性强（钢种在1000种以上，具有不同性能）。二 冶炼技术的发展1 古代（1） 商代陨铁，尚无钢铁冶炼技术；（2） 春秋战国：低温下矿石直接还原冶炼熟铁，质地软。温度低，渗碳量少；无合金元素；夹有矿石。如汉武大帝中描述的精钢生产。（3） 生铁出现：鼓风使炉温提高，碳渗入形成生铁，但质脆，锻造性不良。出现了熔化矿石脱碳熔炼工艺，进一步采用加热锻打（打铁）脱碳。2 近代近代钢铁生产的主要方法一直是沿用“二步法”：第一步，先用矿石冶炼出生铁；第二步，再以生铁和废钢为基本原料炼出不同的钢种。l 近年来,虽然有人在“一步法”上作了大量的工作，即直接还原从矿石直接还原出钢,但目前来看，未成为发展方向，原因主要是其技术不成熟，成本太高。（1） 贝塞麦法：即酸性空气底吹转炉炼钢法，是近代炼钢技术的开端。1855年在英国获得专利。将空气直接吹入铁水，利用空气中的氧，氧化铁水中碳、硅、锰等元素，并依靠这些元素氧化释放出的热量将液体金属加热到能顺利进行浇注所需的高温。特点：以铁水为原料，空气为氧化剂；不需要燃料；酸性炉衬无法脱除S、P：粘土砖，只能用酸性渣操作，欧洲矿石为高磷矿石，钢中含磷量太高（12.5%）；钢中氮含量高；不能使用废钢（大量的热被氮气带走）。l 1856年，暮舍（Robert Mushet）发明镜铁（MnSiFe合金）脱氧合金化，解决了钢锭中气泡问题，同时提高了性能。贝塞麦购买了专利，用于工业生产。（2） 托马斯法：即碱性空气底吹转炉炼钢法。1878年开始生产，其工艺设备与贝塞麦法相似，区别在于采用碱性耐火材料制作炉衬（白云石粘土），加入石灰造碱性渣脱磷，适合于处理高磷铁水，为欧洲钢的生产开辟了道路。但仍存在问题：钢中氮含量高；无法利用废钢。因此，出现马丁炉。（3） 马丁炉：即平炉炼钢法。1865年法国人马丁（Mar Tin）发明平炉炼钢法（1880年采用碱性炉衬）。采用燃料加热原料，并通过蓄热室分别预热燃料和助燃用的空气，提高火焰温度，使平炉可以大量利用废钢炼钢。平炉炼钢法对原料的适应性强，冶炼品种广，钢的质量好，熔炼过程容易控制，曾在世界钢生产中长期占据主要地位。19301960年期间，平炉钢占世界钢产量的82。特点：以铁水和废钢为原料，可利用废钢；需要燃料加热，提供热量；矿石为氧化剂，代替空气（以后发展采用了氧气强化冶炼）；钢中氮含量大大降低（不吹空气）。l 2001年12月28日，包头钢铁公司1# 500吨平炉停炉改造，标志我国平炉工艺的结束。因此，不再讲述教材中第五章平炉内容，即P200P211。（4） LD转炉：即氧气顶吹转炉炼钢法。1952年在奥地利首先投产的顶吹氧气转炉炼钢开创了发展炼钢生产的新阶段。LD转炉，首先在奥地利林茨（Linz）和多纳维茨（Donawitz）两座城市建成投产，因此而得名。美国引进后，改称BOF（Basic Oxygen Furnace）或BOP（Basic Oxygen Process）。第二次世界大战后，制氧技术的发展提供了大量廉价的氧气，为实行氧气炼钢提供了条件。转炉改用氧气吹炼，进一步发挥了转炉炼钢不用燃料，吹炼迅速和生产率高的优点。到1978年氧气转炉钢的产量约占世界钢产量的50，在各种炼钢方法中居首位。l 其特点在以后专门讲述。（5） 氧气底吹转炉：1968年以来，西欧在传统的托马斯转炉基础上发展了底吹氧气转炉炼钢法处理铁水（OBM法等），美国又进而在底吹氧气转炉上采用喷石灰分吹炼低磷铁水（Q-BOP）。l 底吹氧与LD相比，具有很多优点，以后专门讲述。包括：对熔池搅拌强烈；脱磷能力强；能冶炼超低碳钢；铁和锰的氧化损失较少；炉内反应平稳，减少钢渣喷溅；更接近平衡态等优越性。（6） 顶底复合吹炼：把顶吹及底吹工艺结合，形成了顶底复合吹炼转炉炼钢法，既利用各自的优点，也克服了彼此的不足。（P182）1973年奥地利人Dr.Eduard开始研试复吹工艺，1980年大量投入工业生产。目前，复吹法在大型转炉上得到了迅速普及和发展。（7） 电炉炼钢法：1904年出现了电弧炉。以后专门讲述特点：以废钢和铁水作为主要原料，通过电弧加热获得高温，可控制炉内气氛，特别是适合冶炼合金钢，尤其是高级合金钢和特殊钢，被各国普遍采用，产量稳定增长。近年来，有些国家采用大型超高功率电弧炉（容量最大已达400t）生产普通碳素钢，与氧气转炉炼钢相竞争。3 现代炼钢工艺：长流程（顶底复吹转炉为主）和短流程（超高功率电炉为主）。第二节 我国钢铁冶金的发展1 冶金史：我国是世界上炼铁最早的国家，炼钢也是如此，早在春秋战国时期，我国已用渗碳法炼成宝剑。（电视剧汉武大帝中，汉朝开始大量冶炼精钢）2 现代：我国的钢铁冶炼技术曾处于领先地位，但旧中国钢铁工业十分落后。目前，改革开发之后钢铁数量和质量均得到迅速发展。（1） 1890年1948年：59年共产钢不到200万吨。1890年汉阳铁厂标志中国现代钢铁生产的开端。（2） 1949年：解放时年产量仅为15.8万吨；只能生产100多个钢种。（3） 1980年：年产量3712万吨，360多万钢铁人员。（4） 1985年：年产量4679万吨；可生产钢种达到1000多个钢种。（5） 2003年：世界产量9.6亿吨，国内产钢2.2亿吨。（6） 2004年：世界粗钢产量10.32亿吨，国内产钢2.72亿吨（官方数字，估计已经超过3亿吨）。产量占世界的26.36%，处于首位，是处于24位的日本、美国和俄罗斯三国年产量的总和。（7） 2005、2006和2007年：年产达到3.3、4.3和4.9亿吨。3 质量和结构（1） 质量：产量有了很大提高，但与世界先进国家相比，我国先进国家的差距还很大。其中，私营企业的产量占全国总产量的45%，其产品主要以普碳钢为主（尤其是河北省内私营企业）。（2） 规模：企业数量多（2007年河北钢产量1.1吨，占全国的22.4%。仅唐山地区有钢厂50多家），但规模不断扩大。2004年宝钢集团以2140万吨，仅列入世界第6位。到2004年底，年钢产量超过500万吨的企业增加到15家，占全国钢产量的比重提高到45%。（3） 产品结构：供需之间结构性矛盾依然存在。2004年，我国国产钢材自给率已经达到95%，市场占有率达90.4%，板管带比达到43.9%。2005年上半年我国产品结构情况： 供大于求的品种：线材、螺纹钢、棒材、大型材、特厚板、厚板、中板、中厚宽钢带、热轧窄带钢、冷轧窄带钢、无缝管、焊管等品种； 供不应求的品种：（自给率）电工钢63.52%、镀层板61.84%、涂层板83.15%、冷轧薄板67.8%，不锈钢45.4%。l 书中数据有些已经过时，仅供参考。例如，1984年有平炉，但2001年底已经淘汰；转炉、电炉、连铸数量和规模也发生了很大变化。第三节 钢铁工业生产的主要技术经济指标l 教材中P3，基本自学。生产中应用较多的指标：1 连铸比：连铸坯产量与钢总产量之比。有人认为，连铸比标志着钢铁工业综合技术水平，1982年世界40%，我国10%；1989年我国达到13.5%；2004年已达到94.0%，高于世界平均水平10。2 废钢比：废钢消耗量和钢铁料总消耗量之比，一般是指转炉工序。国内1030%，与钢种、操作、铁水等具体情况有关。例如，转炉冶炼H08钢可以达到30%，而77B则要求不加或少见废