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狼行天下 
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发表于 2006-11-21 08:34:26
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发表于 2006-11-21 09:00:15
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近年面对中国废钢资源日益短缺，优质废钢价格和用电成本居高不下促使以电弧炉为主要冶炼工艺的特钢企业也开始致力于研究用转炉冶炼特殊钢的工艺技术。 综合媒体2006年6月22日报道，目前，国外用转炉生产的特殊钢已占特殊钢总量的60％左右（日本更高，约占70％）。特殊钢中的主要钢种如：轴承钢、齿轮钢、弹簧钢以及冷镦钢等均可采用“高炉供热铁水至转炉＋二次精炼至连铸至连轧”工艺生产。目前，中国重点普钢企业的转炉都已配备了rh和lf等二次精炼手段，而且已有相当比例的优特钢产品被普钢企业以低成本、低价格的绝对优势所占领。在未来钢铁工业的发展中，科学合理地选择特钢冶炼工艺流程是每个企业都非常关注的课题。 特殊钢生产工艺。目前，特殊钢生产工艺流程主要有3种：电炉流程：电炉至二次精炼至连铸至轧制。转炉流程：高炉至铁水预处理至转炉至二次精炼至连铸至轧制。特种冶金：真空感应熔炼、电渣重熔、真空电弧重熔、电子束熔炼、等离子熔炼等至锻造或轧制。 由于早期特殊钢大都采用电炉冶炼，习惯上形成了特殊钢厂就是电炉钢厂，特殊钢一定要用电炉冶炼，而电炉一定要生产特殊钢才够水平，才可以有好的经济效益。这主要是由于早期电炉炼钢的特点和特殊钢本身产品特点决定的。电炉炼钢是依靠电能感应的物理热进行冶炼的，可在炉内熔化大量合金和废钢铁，这样电炉钢在合金化等方面较转炉炼钢有一定的优越性。但其缺点是冶炼周期长、生产效率低、电价昂贵、成本高和炉容小等。又由于特殊钢产品有合金含量高、多品种、小批量和附加值高等特点，因此早期用电炉冶炼特殊钢达到了扬长避短之目的，但同时人们也一直认为转炉主要是用来冶炼普通钢的。 随着社会废钢资源的积累，直接还原技术的开发，电力工业的发展，电炉炼钢技术（大容积电炉、超高功率电炉等）、铁水预处理和炉外精炼技术的飞速发展，电炉钢厂越来越多地转向生产普通钢，而转炉钢厂越来越多地生产特殊钢。 电炉与转炉生产流程的优劣势分析。铁水预处理及二次精炼技术的发展，使得转炉流程在特殊钢生产方面发挥了重要的作用。转炉流程生产特殊钢技术首先是由日本开发的。日本于1957年引进氧气转炉技术，1961年使用转炉生产特殊钢28万t，占当时特殊钢产量的10％；1967年生产156万t，占23％；1971年生产528万t，占51％；1985年产量达1200万t，近年来一直保持在1000万t以上的水平，占特殊钢产量的70％左右。 电炉流程的优劣势。电炉炼钢配以lf／vd二次精炼生产特殊钢的优势在于使用化学性质为中性的电弧作为热源，冶炼过程中加热与化学反应相互独立，从而保证了工艺的灵活性。又由于允许加入较多数量的合金，因而在生产高合金钢方面具有更明显的优势。电炉炼钢工艺适合于生产小批量、多品种、合金含量较高的钢种。 由于电炉加热钢水时会使熔池增碳，而电炉冶炼过程成分控制较为容易，故其优势钢类为中、高碳钢和高合金钢。由于电弧区钢液吸氮，因而难以生产氮含量低的产品。 电弧加热炉料时，产生的物理热大部分被包围在炉料中，而且带走的热损失少，所以热效率比转炉炼钢法要高。但使用小容量的电弧炉生产特殊钢的首要问题在于无法配置有效的二次精炼手段；其次是装备水平难以提高，影响了成分和温度的精确控制；第三是由于出钢量小，炉间成分波动范围大。 消耗高、生产成本高。现代大型超高功率电炉技术的不断完善，基本解决了上述问题。 转炉流程的优劣势。铁水的纯净度和质量稳定性均优于废钢。 采用铁水预处理工艺，进一步提高铁水纯净度：硫含量小于等于0．005％，磷含量小于等于0．01％。 氧气转炉炼钢配以rh二次精炼的工序优势在于极高的生产速率和优异的纯净度，因而适于低碳／超低碳、低残余元素的钢种，尤其是批量很大、合金含量较低的钢种。 转炉的终点控制水平高，渣钢反应比电炉更接近平衡。 转炉钢水的气体含量低，n小于等于20ppm，h小于等于3ppm。 由于冶炼过程所需的能量依靠钢中易氧化元素与氧作用而释放的化学能供应，因而温度控制与冶金过程密切相关，工艺灵活性较差。 转炉冶炼周期短，生产效率高，易于与精炼、连铸形成高效化生产。 转炉与lf炉匹配，可灵活生产高、中碳及含有一定合金量的低合金钢。 转炉冶炼是采用化学热和物理热，富裕热量只能熔化10％至15％废钢或合金，故不适宜冶炼高合金钢，尤其不适宜炼合金工具钢、难熔钨铁等高熔点合金。 |
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三、钢的冶炼 目前世界各国采用的炼钢方法主要是转炉（碱性氧气转炉为主）、电弧炉和平炉三种。 （一）转炉炼钢 转炉（氧气顶吹转炉、底吹转炉、顶底复合吹炼转炉）炼钢，是利用吹入炉内的氧与铁水中的元素碳、硅、锰、磷反应放出的热量来进行冶炼的。我国转炉炼钢发展较快，近几年占钢总产量的比重已接近70％。从世界主要产钢国家来看，转炉炼钢也仍然占据着主要份额。虽然近年电炉钢发展很快，但转炉有着铁源来自矿石、钢质纯净等优势，在生产汽车板等钢铁工业顶级产品方面尚不能为其它工艺所代替。目前世界上每年约有60％的钢是用转炉（碱性氧气转炉）生产的。 1. 氧气顶吹转炉炼钢 氧气转炉的主要形式是氧气顶吹转炉，国外称ld转炉，美国称bof炉。冶炼时炉子保持不动，从上部吹氧，但在装料和出钢时可以前后转动。氧气顶吹转炉的形状如圆筒，外部是用钢板制成的炉壳，里面砌有耐火砖。关于炉衬，由于资源的不同，欧洲各国曾主要用焦油白云石砖，近年来以镁炭砖为主；美国主要用镁质砖；日本主要用含镁较高的白云石砖。炼钢的原料主要是铁水、废钢和造渣剂（石灰石等）。 冶炼时，用一支水冷喷枪将压力0.8～1.2兆帕、纯度99.5%以上的氧气通过炉口喷火炉内。氧气将铁水中的硅、锰、碳、磷等元素迅速氧化到一定的含量范围，并发出大量的热，使加入的废钢（10％～20％）熔化和使钢水温度提高到规定值。杂质氧化物与造渣剂反应生成炉渣上浮，覆盖在钢水表面，去除炉渣，即得到钢水。 氧气顶吹转炉主要的优点是： （l）生产效率高、生产能力大。一座300吨的炉子吹炼时间不到 20分钟，包括辅助时间的冶炼时间不超过一小时。一座 30吨氧气顶吹转炉的年产能力超过一座500吨平炉。 （2）基建投资相当于同样生产能力的平炉车间的70％，冶炼生产费用相当于平炉的50％。 2.氧气底吹转炉炼钢 氧气底吹转炉炼钢法开始出现于欧洲，第一座炉子于1967年12月在联邦德国投入生产，以后在欧洲其它国家以及美国和日本都得到了一定的发展。 它与氧气顶吹转炉的根本区别是在冶炼过程中吹送氧气的方式不同。氧气底吹转炉是由炉底通过带有保护措施的喷嘴向金属熔池吹送氧气。在冶炼含磷较高的铁水时，底吹转炉通常还要配备喷吹石灰粉的设施。 由于炼钢过程所需要的氧气全部是通过炉底直接吹入金属熔池的，所以在底吹转炉冶炼过程中，氧气对熔池的搅拌作用比顶吹转炉要大得多，因而使炼钢过程的各项物理化学反应比较容易趋近于平衡状态，又由于氧气流股的动能大部分为金属熔池所吸收，所以吹炼过程要比氧气顶吹转炉操作平稳，烟尘少，由炉口喷出的渣和金属也少。 氧气底吹转炉在我国没有得到发展。 3.顶底复合吹炼转炉 由于氧气顶吹转炉和氧气底吹转炉在冶炼过程中存在着各自的弱点，因此卢森堡、日本、美国于1977年开始在氧气顶吹转炉炼钢过程中采用了顶底复合吹炼工艺。 所谓复合吹炼工艺，对氧气顶吹转炉而言，就是除了从原有的顶部氧气喷枪保持一定距离向金属熔池喷吹氧气外，为了强化对金属熔池的搅拌，还通过炉底向金属熔池喷吹一定量的气体，以加快冶金反应，并使之趋近于平衡状态。 氧气顶吹转炉在冶炼过程中，对金属熔池的搅拌力主要来自熔池内部脱碳反应生成的一氧化碳气泡的上浮力与膨胀力，其次才是顶吹氧枪氧气流股对金属熔池的冲击作用。冶炼初期和冶炼低碳钢的末期由于脱碳反应缓慢，生成的一氧化碳很少，因此熔池的搅拌很弱，结果冶金反应随之减慢，很难趋近于平衡状态，这是氧气顶吹转炉炼钢法工艺本身的弱点。采用复合吹炼法后，由于有底吹气体强化了金属熔池的搅拌，使冶炼反应比较容易趋近于平衡状态，从而克服了单纯顶吹的弱点。其结果是降低钢铁料消耗，并节约铁合金的用量，有利于低碳钢的冶炼和减少造渣材料的用量。 通常炉底供气采用喷嘴和透气砖两种方法。供气种类可选择非氧化性气体如氩、氮等，也可以选用氧化性气体如氧、空气等。在采用氧气时。只能采用喷嘴并需要使用保护性气体或液体（碳 氢化合物和燃料油）。 复合吹炼对氧气底吹转炉而言，除仍保留底吹转炉原有的底部供氧喷嘴外，还在顶部配备供氧喷枪。自金属熔池上部喷吹氧气，能使炉气中的一氧化碳在炉膛内进行二次燃烧，从而提高转炉的热效率，达到增加炉料中废钢比例的目的。 总之，转炉顶底复合吹炼工艺是转炉炼钢的一项重大技术改革。从转炉底部吹入适量的惰性气体进行搅拌，可改善转炉冶炼过程的冶金条件，减少吹损，提高金属收得率，降低原材料消耗，提高生产效率，兼具顶吹转炉的优点。因而近几年来，这项技术在一些先进工业国家和我国发展得很快。 （二）电炉炼钢 电炉炼钢是利用电能作热源来进行冶炼的。最常用的电炉有电弧炉和感应炉两种。而电弧炉炼钢占电炉钢产量的绝大部分。一般所说电炉即是指电弧炉， 电弧炉可全部用废钢作金属原料。为提高钢的质量，可加入一定比例的直接还原铁或生铁，为降低电耗，有条件的情况下也可直接兑入铁水。电炉可冶炼对机械性能和化学成分要求严格的，钢如特殊工具钢、航空钢及不锈钢等。 电弧炉按所用的炉衬分为酸性和碱性两种。目前主要用碱性电弧炉。 随着世界钢铁蓄积量的不断增加，电炉炼钢本身技术的不断发展，以及以电炉一精炼一连铸一直送轧制为特点的电炉短流程工艺的确立，使电炉钢得到很大的发展。电炉钢在世界钢产量中的比例不断提高，而且已经进入高炉一转炉流程的传统生产领域——板带材市场，给传统的钢铁生产长流程带来挑战。目前世界电炉钢比在30％左右。 世界上近年来发展的新型电炉主要有超高功率电炉、直流电炉、双壳电炉、带竖炉式废钢预热装置的竖炉电炉等，甚至出现了双炉壳、同时带有电极和氧枪，能根据炉料变化以电炉和转炉两种工艺操作的conarc炉，称为转电炉。电炉的冶炼工艺也发生了较大变化，随着二次冶金技术的发展，电炉作为初炼炉的功能更加突出。电炉一精炼炉的联合操作，使电炉的冶炼周期大大缩短，有生产节奏转炉化的趋势，生产效率大大提高。 电炉生产节奏加快、效率提高，使电炉能更好地与连铸相衔接，促进了钢铁工业结构的优化。 改革开放以来，我国电炉钢发展很快，引进了多座先进的大电炉，为我国钢产量突破1亿吨做出很大贡献。但是，受资源和能源结构的限制，我国电炉钢产量占总钢产量的比例还是比较低的，目前为18％左右。 （三）平炉炼钢 平炉炼钢生产是利用平炉拱形炉顶反射原理，在高温作用下，对金属原料进行冶炼的生产过程。 平炉是用耐火材料砌成形状像一座平顶房子似的炉子。它由 炉膛（熔炼室）、炉头、上升道、沉渣室、蓄热室、换向阀、烟道、烟囱等组成。熔炼室的前墙有3～5个炉门，后墙在炉底处有出钢口。 平炉炼钢过程是将金属原料（生铁、废钢铁）、熔剂（石灰石和石灰等）、氧化剂（铁矿石及锰矿等）从炉门装入炉内，利用燃料（发生炉煤气、焦炉煤气、高炉煤气、天然气、重油、焦油和空气等）的燃烧火焰直接加热，提供熔炼过程所需要的热量，从而使不需要的和有害的杂质氧化，从钢液分离到炉渣中，浮在钢液面上，进而去除炉渣，得到钢水。 平炉炼钢法原料范围宽，设备能力大，冶炼品种多，钢的质量也较好。 但是，由于平炉炼钢生产效率低、成本高、耗能大、环境污染严重，尤其是与连铸匹配不顺，所以从世界炼钢技术发展角度看，平炉炼钢属于淘汰工艺。目前，世界主要产钢国的平炉大都已经拆除。在我国钢铁工业结构调整与优化的过程中，近年来也拆除了不少平炉，平炉钢产量在总钢产量中的比重不断下降，最近几年一般在12％左右。我国的目标是在2000年前彻底淘汰平炉。 |
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