钢铁是怎样炼成的-冶金工艺全流程.ppt

钢铁是怎样炼成的 冶金生产全流程 2012 7 概述 钢具有优良的通用性和适用性钢铁是现在和未来人们生活和生产用材料的第一选择 有2000多个钢种 其中有1500多个特殊钢种 与其他材料比总体上性价比最适宜钢铁是可循环资源 铁矿石是不可再生资源 2011年我国粗钢产量68327万吨 全球粗钢产量13亿吨 表观消费量6 6亿吨 估计产能8 2亿吨 2012年预计粗钢产量7 4亿吨 从铁矿石到钢及钢材的工艺 铁矿石主要是由铁 氧化合物和脉石组成 提取铁即是还原铁矿 使铁氧分离 还原成铁水或固体海绵铁 直接还原铁DRI 铁是Fe C化合物 性能局限没有韧性钢的成分主要是铁 炼钢是去除铁中大部分的C 并向钢水中按需加入合金元素 达到各种特性最理想的是把铁矿石直接还原成钢 但目前技术上还达不到 从铁矿石 钢必须分成上述两步走利用钢的韧性等 按用户的要求加工成各种钢材 提取Fe元素 钢 的途径 高炉 转炉冶炼长流程途径 主要用于液体铁水原料电炉炼钢短流程 主要用于固体原料 废钢 直接还原铁 短流程比长流程节约能源60 节水40 减排废水76 减排废气86 减排废渣72 长流程 目前世界上用铁水作原料炼钢的占62 用废钢作原料炼钢的平均占34 美国57 欧盟50 以上 我国不到20 预计2020年可达20 25 今天中国钢铁的年产量是美国的7倍 而人均钢铁积蓄量只有美国的1 6 尽管直接还原工艺取代高炉是研究方向 但在世界上只占4 我国2010年产能只有105万吨 年 钢铁是怎样炼成的总目录 第一部分冶炼 从矿石到钢第二部分钢的加工 轧制 成形第三部分我国钢铁工业技术发展的探讨 第一部分冶炼 从矿石到钢 目录 1原 燃料2铁矿还原3炼钢 1原 燃料 目录 1 1黑色金属材料1 1 1铁矿石1 1 2废钢1 2还原剂 焦炭 媒 油 燃气 1 3辅料 石灰 合金添加料 1 4原料的储运 1 1黑色金属材料 1 1 1铁矿石及其准备铁矿石是铁氧化合物与脉石混杂在一起的物质铁矿石品位 45 的可以直接用高炉炼铁铁矿石品位 45 的需选矿用烧结 球团 烧结矿含铁56 58 球团造块含铁68 70 选矿方法 矿石磨碎 研磨至粉状或超细粉末状 利用矿石和脉石不同的物理特征分离出铁精矿粉 利用不同的密度 浮力 离心力进行螺旋分离利用不同的吸水性进行泡沫浮选 铁矿石粉置于水中 加入起泡剂 铁矿石随涌入的气体上浮并分离利用不同的磁性 用磁棒吸附矿石颗粒 将其分离 烧结精矿粉粒度0 1 6 3mm的选用烧结工艺造块烧结矿比块矿品位高 还原及造渣性能好 成分稳定 粒度均匀 有利于高炉冶炼的优化和提高指标精矿粉 富矿粉 其它粉状含铁料 取入适量的焦炭 熔剂 石灰石 白云石 水混匀 在烧结机上借助焦炭燃烧 发生物理化学变化并产生一定数量的液相 将矿粉颗粒粘结成块 烧结矿 烧结机图 球团球团是将60 冷强度高耐压2800 3600n 球 透气性好 高温还原性好 具有热膨胀性 6m的圆盘造球机 球团厂图 炼铁汇报p24 炼铁汇报p24 球团厂主要设备 圆盘造球机及链算机 回转窑 环冷机 1 1黑色金属材料 1 1 2废钢转炉炼钢消耗废钢比约10 电炉炼钢消耗废钢比约100 废钢是载能体 它有效地节能和推动co2减排废钢需要加工后 才适于使用 废钢来源 炼钢厂 轧钢厂回收废钢 炼钢渣中的钢 连铸的切头尾 轧钢的切废等 从用钢铁材料的行业回收的废钢 如切削丝等 从社会收集的旧钢铁废料 需要进行加工 除去其中的杂质和夹带元素 如橡胶 木料 塑料 放射性元素 铜等有色金属元素等 1原 燃料1 2还原剂 高炉炼铁所需的还原剂一般有焦炭 煤 油 煤气 产生还原工艺所需的燃气 促进高炉内块矿 烧结矿 球团矿中氧化铁的融化和还原 最终生产出生铁水还原剂最常用和的是焦炭 焦炭焦炭用低硫煤 肥煤和气煤 作原料焦化工艺流程 煤破碎 研磨 混匀 在焦炉的碳化室内900 1200摄氏度干镏炭化16 20小时成焦碳 推焦机将焦炭推进焦车 送到冷却塔急冷 干熄焦 筛选后分级使用 焦炉图 炼铁汇报p28 焦炭在高炉中的作用高炉冶炼的还原剂提供冶炼所需的大部分热量为高炉炉身内的炉料提供支撑作用焦炭粒度大于块矿 烧结矿 球团矿 焦炭相互间产生大量空隙 为高炉炉料提供良好的透气性尽管通过高炉风口可向炉内喷油 最高达150kg t 喷煤 最高达230kg t 喷煤气 塑料等来降低焦炭耗量 焦炭的作用在高炉冶炼工艺中不能完全被取代 1原 燃料1 3辅料 铁矿石中脉石 焦炭中的灰份熔点很高 可高达1799 2000摄氏度 高于铁的熔化温度1590摄氏度 因此要在高炉中添加辅料 使杂质熔点降至1300 1400摄氏度 进而降低炉渣黏度 易于渣铁分离 液态高炉渣可以吸收Si Al P S等不需要的夹带杂质 辅料主要有石灰石 CaCO3 白云石 CaCO3 MgCO2 硅石 SiO2 矾土 莹石 石英石辅料还用于铁水预处理 炼钢 炉外精炼 1 4原料的储运 炼铁汇报P32149XX 第一部分冶炼 从矿石到钢 目录 1原 燃料2铁矿还原3炼钢 第一部分冶炼 从矿石到钢2铁矿还原 铁矿还原即铁矿脱氧方法有 高炉炼铁直接还原熔融还原 2铁矿石还原 目录 2 1高炉炼铁2 2直接还原2 3熔融还原2 4铁水预处理 2 1高炉炼铁 高炉以收集铁水和炉渣的炉缸容积来定名为xxxxm 高炉 世界最大高炉 新日铁2 炉6000m 最高日产铁水1 3万吨 年产480万吨我国最大高炉5500m 我国010年有3200m 以上高炉26座我国现规定淘汰450m 以下高炉 新建必须 1000m 高炉流程及主要设备图 炼铁汇报p37 高炉炼铁工艺料柱连续由上而下 煤气由下而上 其反应如下 向炉内送进1300 热风 热风中的氧与加热变红的焦炭快速反应达到2200 行成COCO吸收矿石里的氧形成CO2 矿石被还原成铁水 铁水中含4 4 7 的溶解碳 及一些不受欢迎的夹带元素P Si Mn S 主要来自焦炭 高炉产品 主产品铁水 用于炼钢或铸造附带产品 炉渣 含92 95 氧化钙 氧化镁和铝 硅等 处理可用于铺路 建筑 水泥原料等高炉煤气 含50 60 N2 22 CO2 22 可燃气体CO 发热值仅910大卡 高炉煤气分级除尘的粉尘有很多细矿石 焦炭 辅料粉 约20kg t铁 可作为返矿用于烧结高炉煤气压差发电 有无料钟的高炉煤气压力25mpa以上 而用于热风炉的煤气压力只需0 25mpa 对高炉炼铁的评说还原进程中碳顶替铁矿石中的氧成为铁水 而炼钢工艺则是从铁水中分离碳高炉对原燃料要求苛刻 高炉前工序必须建焦化厂 烧结厂和球团厂用高炉生产1吨铁水 需要3倍数量的炉料 综合工艺 物料运送较复杂高炉工艺正在渐进完善 焦炭降到270kg t铁 30年来高炉单位产能增加65 高炉目前仍为炼铁的首选工艺 2铁矿石还原2 2直接还原 通过矿石脱氧还原 生成固态海绵铁 成为直接还原铁 DRI 或热压块铁 HBI 海绵铁中含铁85 95 含碳约1 其余为脉石矿物 直接用于电炉炼钢 但直接还原铁生产成本高直接还原工艺上世纪50年代末开始 拟取代高炉 至今未成 因为生产成本高于长流程 也比不过废钢市场发展的直接用废钢直接还原工艺分为气基还原和煤基还原气基还原 在世界范围内只能就地用廉价的天然气 在我国不可取 气基还原全球直接还原铁80 用此法 其中Midrex工艺占市场份额之首 以球团 块矿为原料 用竖炉 依逆向原理还原矿石 还原气中含CO和55 H2 产品为糊状直接还原铁 可在竖炉中冷却成DRI 也可在下游热压成HBI煤基还原矿石 辅料 煤合成的原料在回转窖里加热还原 产生海绵铁 DRI HBI 特点 煤耗高 效率低 2铁矿还原2 3熔融还原工艺 熔融还原是在没有焦炭的情况下 用铁矿生产铁水的工艺利用气基直接还原竖炉 将铁矿石先还原成直接还原铁 再利用熔融气化炉 相当于高炉炉缸 还原成铁水的两级还原工艺 是环境友好 污染物排放少的工艺 当年受到各国重视宝钢两座COREX3000炉 年产150万t 座 Corex熔融还原图 对COREX工艺的评说COREX不一定是最佳的工艺 其缺点 l 直接使用粉煤 粉矿的比例不能高于15 必须使用块状原料为主 对入炉块状原料的理化性能有很高的要求 提高了原料成本 铁水成本 2 要依赖稳定的焦炭床来保护炉缸 因此目前COREX生产的冶金焦比例均高于13 3 用了全氧冶炼 但按炉缸面积计算的生产率仅为高炉的0 7 0 9 2铁矿还原2 4铁水预处理 为下游炼钢提供更好的铁水条件 去除炼钢生产不需要的S P Si等杂质 都是在运送铁水的鱼雷罐车 铁水包等内用 喷 辅料造渣吸收这些杂质元素脱S是喷入硫酸钙 碳酸镁脱Si是添加氧化铁脱P是添加含碳酸钙的辅料 鱼雷罐车图 p76 第一部分冶炼 从矿石到钢 目录 1原 燃料2铁矿还原3炼钢 钢与生铁的区别首先是在碳的含量中得到体现 理论上一般把碳含量小于2 11 称之为钢 它的熔点在1450 1500 而生铁的熔点在1100 1200 在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体 随着碳含量的增加 其强度 硬度增加 而塑性和冲击性降低 钢由生铁炼成 钢有较高的机械强度和韧性 还具有耐热 耐腐蚀 耐磨等特殊性能 3炼钢 钢与铁的区别 炼钢的任务 把铁水 海绵铁 生铁中的碳通过氧化脱出至规定值 使它们转化成钢 尽量脱除铁水 海绵铁中的有害元素P S 加入规定含量的合金元素达到冶炼钢种的特定性能 3炼钢 目录 3 1炼钢炉料3 2氧气转炉炼钢3 3电炉炼钢3 4炉外精炼3 5特殊熔炼3 6钢水浇注3 7铁和钢的铸造 3炼钢3 1炼钢炉料 铁元素 基本炉料 铁水 海绵铁 废钢熔剂 造渣 控粘度 控温 石灰 石灰石 铝矾土 萤石 铁矿石等合金添加剂 按钢种需要 常用的铁合金 有铬 硅 锰 钼 钨 钒 钛 铁合金 常用的脱氧剂有铝 硅等 3炼钢3 2氧气转炉炼钢 转炉是喷吹纯氧的冶炼方法 现在发展为顶底复吹转炉 BOF 一般炉容50 400t 我国政策新建必须 100t 淘汰 30t的炉子氧气流股冲击区 温度可达2500 3000 出钢温度1650 1720 回收转炉煤气可实现负能炼钢 顶底复吹转炉炼钢工艺示意图 p87 顶底复吹转炉工艺优点 复吹熔池搅拌好 底吹惰性气体 氧 比顶吹炉用氧少 钢中氧含量低吹氧时间短10 20min 冶炼周期30 40min 使用独立副枪吹炼后期或停吹后测钢水温度 碳氧含量 取样 测熔池液体高度过程测量系统 动态控制实现理想的吹炼重点 钢水温度 含碳量 顶底复吹转炉与炉外二次精炼相结合可以生产出许多质量高 成本低的洁净钢 3炼钢3 3电炉炼钢 电炉炼钢主要是靠电能产生热量来熔炼 现代电炉也吹入可燃气体和氧 以降低电耗 加速融化 电炉一般采用100 废钢 有时也采用海绵铁或部分铁水工业化炼钢电炉有电弧炉和感应电炉 最先进电炉是超高功率电炉 UNP 变压器的输入功率 炉容 1000KVA t为超高功率 实现供电时间25 40分钟 冶炼周期 1小时90 以上电炉炼钢采用电弧炉 电弧炉可产生集中的热源 电弧区温度达3500 最大电炉400吨 电弧炉分为交流和直流两种AC EAF三根石墨电极 产生三个电弧区 每根电极通过金属炉料与相邻电极之间按照顺序传导电流DC EAF是一根石墨电极 作为阴极 电能以电弧形式穿过金属炉料到达炉底阳极 近年EAF不断扩大容量至80 250t 我国政策新建 100t 淘汰 30t 电弧炉EAF的适用性 特别适合生产高等级合金钢 碱性BOF炉渣具有氧化性 会造成部分合金材料氧化损失 亦用于生产全部钢种 包括大批量生产碳钢 因为 1 炉容的扩大 各种消耗 电 电极 耐材 成本 单位投资显著下降 2 炉外精炼的发展 AC EAF外形图 p89 AC EAF电极臂 p91 加废钢 p91 EAF冶炼原理炉渣中氧化铁含量较高与熔池中的C反应生产大量CO气泡 造成沸腾 把钢水中的杂质磷 氢 氮和其他非金属化合物带到炉渣中 其中气体杂质溢出 其余被炉渣吸收 EAF的供电需要把高压电转化为大电流的低压电电弧的闪烁造成对电网的极大公害 必须设高次谐波过滤等 关于DC EAF只有一根大直径电极 可输入大功率 达150KA 缩短熔炼时间 提高生产率阴阳极之间产生电动搅拌 使温度 成份均匀为在初期更快实现废钢与炉底阳极的更好接触 采用留钢操作对电网污染小 适于200t的大电炉适合生产大批量普钢 不适合生产化学成分经常变化的合金钢国外所建电炉几乎都是DC EAF 我国例外 仅有杭钢 兴澄特钢 宝钢特钢 南京钢厂等几家 感应电炉交变电流经线圈在熔体中产生高强度涡流 加热炉料一般在真空条件下 生产超高洁净度及特殊合金成份钢 适合于重熔合金脱氧 精确控制成分容量 几公斤 100吨 感应炉图 p98 3炼钢3 4炉外精炼 炉外精炼是钢水的后续处理炉外精炼的出现使炼钢技术发生根本性的改变炉外精炼满足更高质量钢种的要求严格控制成分炉外精炼提高转炉 电炉的生产能力 将其部分功能移到炉外 炉外精炼的任务及完成手段 调整合金元素 喂合金丝 喷合金粉 控制钢水温度 包钢加热均匀温度与化学成分 喷惰性气体 电磁搅拌 提高钢水清洁度 深脱S P C 加入添加剂 造渣剂 真空 脱气 脱氧 真空 钢包脱氧VD 循环脱氧RH 去除杂质元素 如同 锡 砷 喂含钙丝 真空 杂质物球化处理 添加剂 控制钢的固态结构炉外精炼在钢包或钢包炉或真空设备内进行 不同冶金厂根据自身的产品需求 在多种多样工艺方法中量身定选使用的工艺和设备 钢包炉VD VAD炉 P100图2 RH炉 3炼钢3 5特殊熔炼 对质量和洁净度都要求很高的钢种 用炉外精炼达不到 则用特殊熔炼特殊熔炼方法 电渣重熔 ESR 在真空条件下 保护渣层下 重熔浇注的钢锭或钢坯进一步提高钢的清洁度 熔化的钢水液滴通过渣层时杂质被渣层吸收 得到无缺陷结构 避免了偏拆 非金属杂质 得到无缺陷微观组织和光滑表面 重熔所得钢液一般用作高级缎件坯 电渣重熔装置 2 电极棒7 电极 浇注的钢锭或钢坯 11 重熔后的钢液13 保护渣层 3炼钢3 6钢水浇注 钢水浇注成一定形状的固体钢坯 锭 以便进一步加工成形和应用现在一座炼钢炉的生产能力200 500t h 大量钢水只适合连续浇注成坯 同时金属收得率高铸坯断面积 对应的模铸 可节省轧制道次全球钢产量90 以上用连续浇注 生产大重型锻件和特殊板材时 仍用模铸 3 6 1连续铸坯从形状上分为方坯板坯圆坯异型坯近终形坯 3 6钢水浇注 连铸工艺示意图 p114 连铸工艺示意图 p115 铸机可以是单流或多流 小方坯达10流 六流小方坯连铸机 连铸机类型 p118 弧形 弧形铸机能降低铸机高度 典型R 6M 立弯式 垂直段长2 5 3m 有利于夹杂物上浮水平式 用于在普通连铸机上不能弯曲和矫直的特殊钢种 铸坯断面的形状和大小 决定于轧材断面和性能的需求和与炼钢能力的匹配连铸拉坯速度一般连铸拉速0 6 2m min薄板坯拉速最大6m min薄带铸轧拉速最大80m min铸坯断面尺寸方坯 100mm 350mm 为有利于连铸和轧制方坯常铸成矩形坯 中国最大430mmx510mm板坯 最大可达400mmx2500mm 最大宽度达3250mm园坯 最大圆坯直径1000mm 近终型连铸 近终型连铸即在轧材性能允许的条件下 铸坯形状与尺寸接近最终产品 节省加工投资和成本 不但板材如此 异型材也如此 举例 板坯 举例 板带连铸机的近终型发展 图p121 不同厚度的板坯连铸机适于配不同的产品品种 簿带铸轧线 图p124 3 6钢水浇注 3 6 2模铸把钢水在简单几何形状 方 短 圆 椭圆 多边 的钢锭模中铸成钢锭模铸目前只用于连铸无法解决的某些尺寸 钢料 如特大锻件坯 特厚板坯等模铸有上铸法和下铸法模铸金属收回率低 3炼钢3 7铁和钢的铸造 铸造即铁和钢直接浇注成产品要求的形状和性能以直接使用 用途较广泛铸铁 碳含碳2 4 不能再经受任何压力加工 强度和韧性不如铸钢铸钢 碳含量与锻钢 轧制钢材无区别有韧性 但铸成后不再经受任何压力加工铸造采用砂模 砂模空腔形状与铸件要求形状相同 第二部分钢的加工 轧制 成形 本节以介绍使用最广泛的成形方法 轧制成形为主成形的任务 使钢成为使用状态下所需的形状 尺寸 性能各种成形方法或各种成形方法的组合加工 可归纳为三类 成形 形状 尺寸要求 亦贯彻性能要求热处理 满足性能要求涂镀层 满足性能要求 第一部分冶炼 从矿石到钢 目录 1原 燃料2铁矿还原3炼钢 第二部分钢的加工 轧制 成形 目录 1什么是轧制2轧制的分类3轧材的品种4轧机称谓5什么是机组6长才 板材以外的热轧等加工成形7冷成形8钢材防腐涂层9热处理 1什么是轧制 利用材料的塑性 在旋转轧辊的压力作用下 改变材料形状 尺寸和性能的加工方法叫轧制 轧制遵守的基本原理 体积不变原理 最小阻力定律 连轧流量相等原理 2轧制的种类 按轧制温度分为 热轧和冷轧 以再结晶温度为区分点 按轧件和轧辊相对运动关系分为 纵轧 横轧 斜轧按轧制成型特点分为 一般轧制和特殊轧制 周期轧制 旋压轧制 行星轧制 弯曲轧制等 热轧和冷轧的特征 3轧材的品种 轧材的品种指的是材料的种类 形状和规格以及轧制方法的总合 按材料种类分 如碳素钢 合金钢 铝 铝合金 钛 钛合金 复合材料等 按形状和规格分按用途分 长材线材 直径4 25mm成盘卷状交货的热轧材 棒材 断面直径或边长6 300mm的圆 含螺纹钢 方 扁 六角等简单断面轧材 直条状或成卷交货型材L型 角钢 分为等边和不等边 外边长2 300mm 按形状和规格分 U型 槽钢 外腹高50 400mmI型 工字钢 腹高100 650mm 翼缘内外不平行H型 腹高100 1200mm 翼宽50 500mm 翼缘内外平行T型 高 宽50 100 300 300mm轨道型 轻轨 8 24kg m 重轨 38 75kg m 吊车轨 70 120kg m 电梯轨 底宽75 140mm 等其他 各种异形断面型材 如球扁钢 钢板桩等 2 扁平 板 材 热轧超厚板 厚度100mm 宽度1200 5300mm 热轧特厚板 厚度 50mm 宽度1200 5300mm 热轧厚板 厚度20 50mm 宽度900 5300mm 热轧中板 厚度3 20mm 宽度900 5000mm 热轧薄板 厚度1 3mm 宽度800 3000mm 热轧超薄板 厚度0 8 2mm 宽度800 2500mm 冷轧带 厚度0 2 6mm 宽度800 2300mm 成卷状交货 冷轧薄板 厚度0 2 4mm 宽度800 2300mm 单张交货 冷轧箔 厚度 0 1mm 宽度200 1200mm 成卷状交货 3 管材按断面形状分为圆管和异形管按生产方法分为无缝管和焊管 无缝管又分为热轧管 冷轧管和冷拔管 焊管又分为直缝焊管和螺旋焊管 管材的规格以其外径乘以壁厚 D 来表示无缝管外径0 1 4500mm 通常D 4 50焊管外径5 4000mm D 最大可达100 按用途分钢材是服务于国民经济各门类的原材料 因此按用途可分出千万种如 钢绞线用线材 抽油杆用热轧圆钢 船体用结构中板 压力容器用钢板 石油和天然气用管线钢板 带 汽车深冲用冷轧板 带 地质石油管 高压锅炉管等 4轧机称谓 长材轧机以其产品类型和轧辊平均直径的毫米数做其名称 如 850轨梁轧机 300棒材轧机等板带材轧机以其产品类型和轧辊身长的毫米数做其名称 如 1450热带钢轧机 3800中板轧机 2050冷轧带钢轧机等管材轧机以其产品类型和最大产品外径的毫米数做其名称 如 180无缝钢管轧机 300焊管轧机等 按轧辊数量和位置称谓 第二部分钢的加工 轧制 成形5什么是机组 机组指按功能用途集合某钢材生产车间的一组设备的总称 如 热轧机组 包括加热炉 轧机机组 精整线等冷轧机组 包括酸洗机组 轧机机组 热处理线 精整线等精整机组可以按功能单独或综合组成机组 如矫直 剪切机组 探伤 改尺 取样机组 锯切 检查 标识机组 打捆 包装机组等 棒材连轧机组采用HV型 二辊 立辊 平立交替轧机布置 P151上 产品交替 线材精轧机组 轧机轴线90度偏移布置 P152下 线45度 线材机组 散卷冷却 P152上 热连轧机组 加热炉及除磷 热连轧机组 粗轧机立辊侧进钢 热连轧机组 带立辊的粗轧机 热连轧机组 热卷箱及飞剪 热连轧机组 热卷箱 热连轧机组 精轧机 热连轧机组 精轧机换辊 P155上 热连轧机组 层流冷却 热连轧机组的轧辊磨床 第二部分钢的加工 轧制 成形6长才 板材以外的热等压力加工成形 目录 6 1无缝钢管的斜轧穿孔及纵向轧管6 2焊管6 3环形部件用径 轴向轧制6 4锻造6 5挤压 第二部分钢的加工 轧制 成形6长才 板材以外的热等压力加工成形 6 1无缝钢管的斜轧穿孔及纵向轧管无缝钢管变形一般有以下三个步骤 圆管坯写扎穿孔成毛管毛管经轧管机轧制成荒管荒管经定径 张力减径成为成品管轧管方法有多种二辊 三辊连轧管机 周期轧管机 二辊 三辊斜轧管机 Accu Assel 无缝钢管生产举例 p156 无缝管的斜轧穿孔 6长才 板材以外的热压力加工 6 2焊管焊管是用不同厚度 不同宽度的钢板 带卷焊接成钢管 有UOE JCOE压力成形埋弧焊 高频直缝焊等 后部工序与无缝管相同大口径钢管为解决钢板宽板不够 采用螺旋焊管 其余直缝焊管 螺旋焊管机组 P158下 6长才 板材以外的热压力加工 6 3环形部件用径 轴向轧制无缝环形部件如轴承整圈 涡轮环 齿轮环 车轮轮毂等径 轴向轧环比用铸造方法效率高 力学性能好 后续再加工需求小 环形部件径 轴向轧制示意图 环形部件径 轴向轧制 P164上 6长才 板材以外的热压力加工 6 4锻造锻造 通过锻锤或压力工具热成形分为 自由锻 用平断面的锻造工具模锻 锻造工具与锻件接触部分 按工件要求的形状一分为二成为模具 工件锻造成形后 形状与模具腔形状相同 快锻机原理图 P162下 快锻锻造机 P162上 6长才 板材以外的热压力加工 6 5挤压用于生产复杂外形或中空形状的钢材挤压是将坯料加热到加工温度后 被挤进厚壁挤压腔 挤压腔的另一端设有规定形状的模具 工件被挤压杆推着挤压通过模具成型 挤压原理及产品 P165 7冷成形可以生产热成形难以获得的小尺寸产品具有高强度值好的产品表面质量冷成形方法有 冷轧法 冷拔法冷成形后工件被加工硬化 一般还要进行再结晶退火处理 第二部分钢的加工成形 第二部分钢的加工成形7冷成形 目录 7 1冷轧7 2变截面冷轧成形7 3冷拔7 4冷弯 7冷成形 7 1冷轧冷轧带钢生产线上可生产厚度 0 1mm的薄带冷轧机最大轧制速度可达40m min平整最大速度可达20m min 冷轧机组之一 20辊轧机 P167右上 冷轧机组之一 五机架连机 p168 冷轧机组之一 双机架平整机 P169上 酸轧联合机组 P169下图 7冷成形 7 2变截面冷轧 TRB 原理 基于灵活可变的辊缝 连续的在较大范围内调整如为满足汽车等结构轻量化轧制技术 厚度0 5 3 5mm的冷轧汽车板 对于某些热轧产品也可用变截面轧制 又如载重车的汽车板簧 铁锹板等 变截面冷轧机组之一 P170 7冷成形 7 3冷拔冷拔方法是将热轧材酸洗后 材料通过与产品形状对应的模孔拉拔成形产品多为圆形和简单断面型材产品表面光滑 明亮 无氧化皮 高尺寸精度常见的有直径 5mm的拔丝和拔管 拔棒等 型材的冷拔 先进的冷拔机组 P171下 7冷成形 7 4冷弯将钢板通过弯曲成形满足用户要求的形状 尺寸 性能 如钢板桩 瓦楞板等多种产品 辊式成型机之一 P175左上 冷弯产品 第二部分钢的加工成形8钢的防腐涂层 8 1有机涂层 8 2无机涂层 8 3化学涂层 第二部分钢的加工成形8钢的防腐涂层 防腐涂层是为了避免钢与环境发生化学腐蚀变化 即生成氧化铁 故为钢的表面覆盖一层金属 非金属涂层 还可在此基础上经钝处理使金属涂层表面生成一层阻挡腐蚀的阻挡层 作短期保护 8 1有机涂层有机涂层最典型的塑料涂层及各种有机涂料有机涂层防腐蚀耐久性长 装饰性好 在随后的成型加工中涂层不会受损涂层之前要对钢材表面清除氧化物 油脂等涂层厚度3 20um 带钢塑料涂层生产机组示意图 p185 1 开卷2 剪切3 焊接4 活套5 预处理区6 粘合剂 底漆喷涂区7 粘合剂干燥区8 防护层喷涂 压印9 冷却11 13 剪切12 14 卷取 8钢的防腐涂层 8 2无机涂层无机涂层最典型的是金属涂层比钢活跃的金属做为涂层料 涂层破损后 首先腐蚀涂层合金属 如Sn 比钢更不活跃的金属做为涂层料 涂层破损后 首先腐蚀被保护的钢基体 如Zn涂层方法分为热浸和电镀 热浸镀层厚度 电镀层 带钢连续热浸镀锌生产机组示意图 P189上 带钢连续电镀锌机组示意图 8钢的防腐涂层 8 3化学涂层形成钝化膜如发兰膜 磷化膜等这些膜都是以氧化物防腐膜 不能长期防腐如上图带钢镀锌后进行钝化防腐 磷化处理 锌层表面形成磷酸盐薄膜 第二部分钢的加工成形9热处理 应用温度 时间周期 对钢的晶粒结构 形状 大小进行调整或改变达到改进和提高钢的性能热处理工艺有退火 淬火 回火 调质 淬火 回火 冷轧带钢的罩式退火炉 P196上 带钢立式退火炉示意图 P196下 总结 从矿石准备到钢产品成型的全过程 钢铁生产中的固体物料流程 钢铁联合厂的综合能源网络 总结拓展新一代钢铁生产流程是面对时代命题的挑战 经过理论思考并从钢铁生产流程动态运行的本质出发 可以看到钢厂应具有三项功能 即 钢铁产品制造功能 大宗固体废弃物消纳 处理和再资源化功 能源转换功能 第三部分对我国钢铁工业技术发展思路的探讨 目录 1钢铁产品制造功能方面2固体废弃物消纳处理和再资源化功能方面3能源转换功能方面 本部分贯穿着以下指导思想体系 绿色钢铁制造资源节约节能减排循环经济可持续发展环境友好 第三部分对我国钢铁工业技术发展的探讨钢铁产品制造功能方面 目录 1 1高炉实现精料高效1 2非高炉炼铁1 3建立低成本洁净钢生产体1 4钢铁产品轻量化 使用周期长效化 第三部分对我国钢铁工业技术发展的探讨 1钢铁产品制造功能方面 1 1高炉实现精料高效提高铁精矿品位 目前铁精矿品位62 左右 二氧化硅8 11 铝 磷 硫等杂质含量较高 致使烧结矿铁品位仅有53 56 造成高炉炼铁高渣比 高焦比 高炉利用系数低 而国外铁精矿品位多在66 以上 二氧化硅含量在4 以下 高炉利用系数高提高球团矿比例 球团矿含铁品位高达68 70 用球团矿可能获得更高的生产效率 国外甚至有的高炉球团矿比例100 同时球团工序能耗约为30kgce t 烧结工序能耗约为56kgce t 高炉大型化 国际上高炉容积的大小划界标准由过去的1000m3提高到2000m3 提高热风温度卡卢金顶燃式热风炉结构简单 节约投资 使用普通耐材 目前为止已建成投产或正在设计和建设中有近200座卡卢金热风炉 250m3到5500m3 可提供1250 以上 最高可达1400 的高风温 使用寿命为无大修30年合理的喷煤节焦如宝钢高炉喷煤比可以达到260kg t 但高煤比会使高炉煤气发热值贫化对充分利用低热值高炉煤气产生负面影响 最终为实现整体最佳节能效果 宝钢将高炉喷煤比定为200kg t左右 长寿 服役最长的大型高炉是住友和歌山4号高炉 服役时间超过27年 单位炉容产铁超过了15000t m3 近年来 日本所有新大高炉均按照服役时间长于25年和单位炉容产铁超过15000t m3为目标来设计重要措施之一 高炉炉体冷却采用全软水分段控制冷却 使冷却壁软水系统冷却均匀 运行可靠稳定 氢冶金就是利用氢作为还原剂代替碳 减少二氧化碳的排放 对我国钢铁工业低碳可持续发展具有重大意义 氢气从哪里来 页岩气是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中 以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气 成分以甲烷为主其二氧化碳排放只有等热值煤的50 我国页岩气初步估计可采资源量与常规天然气相当 我国企业已与壳牌 埃克森美孚等多家外国公司开展合作开发与联合研究美国2011年产气800亿立方米 占天然气总产量的34 2035年占比将提高到46 研究用氢还原炼铁 1钢铁产品制造功能方面1 2非高炉炼铁煤气化直接还原铁 煤气化用干煤粉纯氧气化炉 出炉煤气 CO H2 90 95 不用成分调整就是很好的还原气 用煤制气生产还原气有成本上的优势Energiron非高炉炼铁工艺 单个反应器年产能可到200万t 能够用各种不同原材料 如100 球团 100 块矿 或二者的混合 工艺特点 可以单独控制DRI的金属化率和碳含量 碳含量可随时调整为1 3 5 从而满足电弧炉 EAF 炼钢需 Energiron直接还原可以采用天然气 煤气化生产出还原气体 焦炉煤气 钢铁产品制造功能方面1 3建立低成本洁净钢生产体系 基本理念 1 建立大批量低成本稳定生产超纯净钢的生产体系 保证生产所有的钢材都能超纯净 钢中杂质元素总含量w S P N T O H 100 150 ppm 为实现此目标 必须降低超纯净钢的生产成本到低于现代化流程中普通钢的生产成本 并保证产品质量稳定 2 实现超纯净钢生产高效化 在先进生产流程中钢水提纯的重点工序是铁水预处理 目标是转炉直接生产超纯净钢 简化炉外精炼工艺 降低成本 使设备生产率提高1倍 全员劳动生产率翻1番 转炉超纯净钢的生产工艺转炉直接生产超纯净钢 技术关键是铁水预处理 主要包括铁水三脱 脱硫 脱硅 脱磷 预处理 脱硫预处理 包括深脱硫 以保证转炉直接生产钢中硫w S 40ppm的超低硫钢 脱硫容器多用混铁车和铁水包铁水含硅量降低到0 3 以下 实现少渣炼钢 预脱硅是铁水脱磷的必要条件 降低铁水硅含量对脱磷有利 通常情况硅质量分数为0 15 0 20 普通钢终点w P 可以控制在70ppm 对超低磷钢 适当增加渣量和降低终点C含量可使终点w P 控制在40ppm 预脱硅同时脱磷在专设的脱磷转炉中进行三脱铁水在脱碳转炉冶炼 不再加入废钢 石灰加入量也大幅度减少 使钢水氢含量降低 达到w H 1 5ppm 与真空脱气的效果相当 脱碳转炉供氧强度增加 反应剧烈 降低钢中氮含量 终点钢水w N 可以控制在10ppm以下 超纯净钢高效化生产技术转炉用三脱铁水冶炼使转炉功能分化 脱磷脱硫在三脱转炉内完成 脱碳升温在脱碳转炉内完成 吹炼时间一般为9 10min 加快生产节奏 转炉直接生产超纯净钢进一步减化了炉外精炼工艺 有利于缩短工艺流程 减少精炼时间 创造了条件 提高连铸机的拉速与转炉生产节奏相匹配 采用高温铸坯直送热连轧工艺可实现全流程的高效化生产 另一高效措施 铁水运输一罐到底 省去倒灌时间铁水到钢材的生产周期将由现代化钢铁厂的4h缩短到90min 实现超纯净钢高效化生产 还有很多优点 转炉炉衬寿命提高50 底吹喷嘴寿命提高80 转炉炉衬热损失减少50 在线运转的钢包数量减少 钢包运转的速度加快 减少了钢水的温降 使钢水的过热度控制更加稳定 必须两化融合 信息化和工业化 提高管理水平 1 钢铁产品制造功能方面1 4钢铁产品轻量化 使用周期长效化绿色钢铁制造本身要求钢铁产品轻量化使用周期长效化 满足下游产品节能减排的要求这是最大资源节约和节能减排下游用钢行业的要求举例 如汽车车重每减轻100千克 汽车每百公里耗油便会减少0 6升 0 7升钢筋使用400MPa 级 代替335MPa 级 可节约钢材12 14 如果用500MPa 级 钢筋替代 可节约用钢28 以上油轮油仓底面用高耐蚀性厚钢板 其耐腐蚀性约为普通厚钢板的5倍 不必进行防腐蚀涂装综合来看 在减量化的需求下 薄规格 高强度 新性能等钢材的需求将越来越大 在洁净钢的基础上轧钢工艺在合适的范围应注重发展的技术发展超细晶钢 从传统的几十微米大小细化一个量级 利用超细晶化发展细晶强化的强韧化作用推广使用新一代控轧控冷工艺技术 其特点是在临界奥氏体区精轧 结合轧后控冷 促进铁素体细化至10 m 获得微米级组织在线热处理技术 精准热处理蓄热式燃烧技术 低温轧制技术 轧钢氧化铁皮综合利用技术 薄带连铸短流程产业化技术无头轧制技术 第三部分对我国钢铁工业技术发展的探讨 2固体废弃物消纳处理和再资源化功能方面 目录 2 1钢铁厂固体废弃物的分类2 2冶金渣回收及再循环利用2 3含铁粉尘回收及再循环利用 2固体废弃物消纳处理和再资源化功能方面2 1钢铁厂固体废弃物的分类可分为冶金渣和粉尘两大类冶金渣主要有高炉渣 钢渣 轧钢铁皮 第三部分对我国钢铁工业技术发展思路的探讨 粉尘可分为 粉尘1 200 m和烟尘0 01 1 0 m两类 粉尘还可分为 总悬浮颗粒TSP 100 m 可吸入粉尘P粉尘10 10 m 微细粉尘PM2 5 2 5 m三类 一般说来 粉尘颗粒越细 其危害越严重 2固体废弃物消纳处理和再资源化功能方面2 2冶金渣回收及再循环利用每生产1吨钢铁就要产生400千克 500干克冶金渣 处理后的钢铁渣产品 部分可返回冶炼工艺循环利用 大部分作为建材在建筑工程中使用高炉渣的主要回收方法及再循环利用一吨生铁大约伴生290kg高炉渣 又名矿渣 以CaO SiO为主要成分与普通硅酸盐水泥相类似 熔融状态高炉渣以水淬方式回收为主 将其置于水中急速冷却 限制其结晶 使其在热应力作用下粒化 水淬后得到的粒化渣 95 为非晶态 作为制造水泥的优质原料为阻止环境恶化而全面禁止在内海沿岸采海砂 优质混凝土细骨料 高炉渣作为替代品 高炉渣加工成微粉末作为普通水泥的细骨料水泥的制造过程中需将石灰石和粘土等原料在高温下进行煅烧成为熟料产生CO2 用高炉渣后每吨水泥的CO2排放量可减少41 高炉渣在水泥渣含量40 45 钢渣的主要回收方法及再循环利用钢渣是转炉 电炉在炼钢过程中产生的高温熔渣 其特点是成分比较复杂 流动性干差万别 性能不稳定 处理过程易爆炸 处理技术发展缓慢 钢渣作为一种高温冶金排放物和次生资源一吨粗钢大约伴生110kg钢渣热泼法是钢渣处理主要方法之一 渣场泼渣 喷水冷却 装载外运 钢渣堆放陈化 后续处理 注意钢渣必须陈化一年以上 由于钢渣中部分石灰尚以游离态 F CaO 残存 一旦和水接触即产生膨胀 钢渣通过粉碎 磁选回收废钢作为铁元素循环利用 其余废渣则大部分作路基材和土木建筑材料利用钢渣作为水泥骨料较天然骨料密度更高单位容积质量大 具有与混凝土相等的强度 也有优良的耐磨损性能 其制件适用于覆盖混凝土块 沉箱的上部施工 人造石材 港湾护岸用投石材料等 用于海域的固化体时 钢渣回收部分废钢铁后 残余渣中CaO含量加大的特点 通过喷吹CO2使之反应形成CaCO3块状物且带孔 由于碳酸钙的生物亲和力大 具有生物附着性和促进海藻迅速附生的效果 周围包覆厚度为数十微米至数百微米的与珊瑚 贝壳 期待其用于人工藻场礁的建设改善海洋生态环境 其中昆布等海藻类不仅在生长过程中吸收海水中的CO2 并在长大后还可用以生产燃料用油 故综合节能减排效果很好 现已在日本海岸的近海推广 2固体废弃物消纳处理和再资源化功能方面2 2含铁粉尘回收及再循环利用 钢铁生产中产生的粉尘 尘泥中含有铁分 碳素 原则上在钢铁厂作为烧结原料炼铁厂除尘灰因含铁量较低 碳40 铁30 其余的为氧化钙 二氧化硅等 除烧结工艺可少量配用外 其余用于电炉冶炼氧化期造泡沫渣比较合适 同传统的焦粉造泡沫渣相比 泡沫渣层厚持续时间长 可完全替代焦粉 同时降低了生产成本 为电炉降本增效工作开辟了新的途径 转炉冶炼粉尘含尘烟气被活动烟罩捕集 通过一次除尘器喷水冷却并除去大颗粒灰尘 再经过二次除尘器除去细小粉尘二次除尘方法有 湿法除尘处理后的煤气含尘量较高 达100mg Nm3以上 干法除尘粉尘浓度降至10mg Nm3以下 存在二次污染和污水处理问题 半干法除尘采用干法喷雾蒸发冷却 湿式电除尘器进行转炉煤气的除尘 半干法采用湿式电除尘 控制要求与湿法基本相同 降低了控制系统费用 粉尘回收处理利用现有的污水处理系统 既节省了投资 又缩短了改造所需时间 具有以下优点 排放的烟气含尘量低于10mg Nm3 含锌粉尘炼铁 炼钢系除尘器回收的含铁粉尘中若含锌 若掺入烧结矿中回收利用 锌慢慢积蓄在高炉内部或转炉 电炉废气系统内 附着严重后出现操作障碍的问题2000年引进美国转底炉技术 即将含铁粉尘掺入一定量的煤粉和石灰等黏结剂压制成球团后 加入转底炉在1200 以上加热 此时锌及其它夹杂被还原 气化 从而被除去 并作为二次粉尘被回收 而残存的还原铁 球团 则被还原为直接还原铁 具有高金属化率 能作为高炉 转炉 电炉等的铁源进行再利用 同时对粉尘等废物中含有的镍 铬 钼等高价稀有金属亦得以回收利 效益更好 第三部分对我国钢铁工业技术发展思路的探讨能源转换功能方面 目录 3 1能源回收3 2能源转换及梯级利用3 3能源管理中心 第三部分对我国钢铁工业技术发展思路的探讨能源转换功能方面能源分为 一次能源 煤 天然气 油 新水 二次能源 钢铁制造过程副产的能源 副产煤气 余热 余气 余能 压 废水 二次能源产生量占其钢铁工业一次能源消耗量的40 50 我国多数钢铁企业的余热余能回收率不到50 能源费用占到产品成本的30 以上 系统节能球团工序比烧结工序节能约为26kgce t铁钢比提高0 1 吨钢综合能耗会提高约50kgce t连铸比模铸能耗低25 50 薄板坯连铸连轧比传统的模铸 开坯 热轧节能70 连铸坯热装热送和直接轧制技术可节能35 短流程电炉生产工艺可省去烧结 球团 焦化 高炉工序的能耗 占总能耗的80 90 第三部分对我国钢铁工业技术发展思路的探讨 能源转换功能方面3 1能源回收充分回收生产过程中产生的二次能源 包括余能 煤气 余压 余热 二次能源占钢铁总能耗的38 抓好炼铁系统 炼铁 焦化 烧结 的能源回收 从整个钢铁行业来看 炼铁工序能耗占总能耗的60 若加上焦化和烧结 炼铁工序能耗接近总能耗的90 余能回收焦炉 高炉 转炉煤气中 热值最高的是焦炉煤气 约为4000kcal m2 几乎是转炉煤气的2倍 高炉煤气的5倍 回收转炉煤气是实现转炉冶炼能耗为负值的主要手段回收的焦炉煤气 可实现碳氢共冶金 最好的方式是高炉喷吹焦炉煤气 余热回收现有科技水平可回收条件 固体高于500 液体高于300 气体高于200 的物流 应做好余热和显热的