冶金新技术讲座

1、主要讲授内容 1.冶金工业发展概述 2.直接还原和熔融还原 3.转炉溅渣护炉技术 4.直流电弧炉 5.炉外精炼 6.近终形连铸 7.特种冶金技术 8.毛坯生产新技术近终成形 9.计算机在冶金中的应用 10.钢铁冶金新流程进展 第一章 冶金工业发展概述 1.钢铁生产发展简史 人类历史上从铁器时代开始,钢铁就是兵器及生产工具的主要材料。 原因： 1）铁资源丰富，约占总资源的5%。 2）铁矿石中铁主要以氧化物和碳酸化合物形式存在，且较易被还原制取，生产成本低。 3）铁碳合金有较优良的性能。 结果：20世纪产业革命以后，世界钢产量迅速增长，钢铁企业日益扩大，优质钢和合金钢比率增大，出现空前繁荣局面。

2、钢产量成为一个国家综合国力的标志。 20世纪以来钢铁工业发展的几个阶段： 一、1945 1970 年，世界钢铁工业处于高速发展阶段，平均年增长率6.3% 背景： 第一次及第二次世界大战期间， 战争促使钢铁生产的竞赛。 钢铁生产发展简史 二、1970年以后世界钢产量增长缓慢，停滞不前，出现1987 1996的十年徘徊，世界粗钢产量在7.5亿吨左右波动，这时有了“钢铁工业是夕阳工业”之说。 背景：1）工业发达国家钢铁产量已达到社会所需饱和值，人均钢材消费量：日本680Kg，美国660Kg。 2）两次石油危机造成能源短缺，降耗才能盈利，促使钢铁工业流程、工艺进一步革新，使传统全流程钢铁企业处于萎缩状

3、态。 3）90年代世界格局发生变化，冷战结束，出现“和平与发展”的新阶段，高新技术发展要求钢铁工业从“产量型”向“质量型”转化。 4）有色金属及合金、陶瓷材料、塑料、复合材料的发展一定程度上取代了钢材。 三、1996年以后，由于高新技术进入产业，引发了“第三次产业革命”、“第四次浪潮”。高新技术的基础是新材料，优质合金钢及超级合金在新材料中占相当比重。 背景：各国在发展高新技术过程中，钢铁新材料占到一半以上。 中国钢铁工业的发展历程 2.中国钢铁工业的发展历程 ?1890年中国第一家钢铁厂在汉阳创建； ?1949年新中国成立，当年钢铁产量只有15.8万吨，居世界第26位，不到当时世界钢铁年总产

4、量的1.6亿吨0.1%； ?经过第一个五年计划,1957年钢产量就达到535.5万吨； ?到1978年，我国钢产量达到3178万吨，居世界第五位，占当年世界钢铁产量的4.42%。 ?1979年以后，我国钢铁工业获得了快速发展，新建了宝钢、天津钢管等大型现代化钢铁企业。通过对老企业挖潜改造，钢产量以每年400-500万吨的速度快速增长。 ?1989年，我国钢产量达到6159万吨，首次突破6000万大关，成为继美国、苏联、日本之后第4个产钢大国。 中国钢铁工业的发展历程 ?上世纪80年代，我国钢产量平均年增长率5.82%；90年代为6.99%； ?到1996年,我国钢产量已突破亿吨大关,达到101

5、24万吨,跃居世界第一位； ?进入21世纪，20002004年的四年间，平均增长率就高达20.71%； ?2003年，我国钢铁产量突破2亿吨，成为世界上唯一年产钢超过2亿吨的国家； ?2004年，我国粗钢产量已达到2.72亿吨，占全球钢产量10.5亿吨25.8%。中国粗钢产量已从占世界的10%上升到了25%； ?2005年，我国钢、铁、材的产量突破3亿吨，只用了短短的两年时间； ?2007年，我国钢产量突破4.97亿吨； ?2010年，我国钢产量近6.3亿吨。 （2010年全球产钢14.1亿吨，较2009年增长16.8%。中国占全球产量的44.3%） 中国钢铁工业的发展历程 ?突破1亿吨我们用

6、了47年时间； ?翻一番到2亿吨用了七年时间； ?从2亿吨到3亿吨用两年时间； ?从3亿吨到4亿吨用一年时间 ?钢铁生产基本满足了国民经济快速发展的需要，中国钢铁工业为振兴中华做出了重大贡献，已经成为我国经济综合实力的重要标志，成为我国为数不多的具有国际竞争力的行业。占世界五分之一的人口能生产世界44的钢是中国人民的骄傲。 我国钢铁工业现状分析 3）装备水平大幅度提高，主要经济指标不断改善 ?宝钢、鞍钢、武钢、马钢、太钢等大型企业的工艺装备水平已达到或接近世界先进水平 ?焦化已投产机械化焦炉2108座，炼焦能力29890万吨，其中7m焦炉3座，能力占1.07%，已是世界上拥有7m以上焦炉数量最

7、多、能力最大的国家；6m焦炉119座，占19.9%；4.3-5.5m焦炉503座，占51.8%。 ?烧结、球团2006年我国烧结机有400余台，年产烧结矿4.5亿吨，其中300m2以上烧结机26台，180m2以上烧结机34台。 ?炼铁2006年我国炼铁总能力46987万吨，其中1000m3以上大高炉有121座，占全国生产能力的39%；300-1000m3高炉395座，占38%；300m3以下高炉738座，占23%；3000m3以上高炉11座，太钢、马钢4000m3高炉正在建设中，曹妃甸正在建5500m3高炉。 我国钢铁工业现状分析 ?炼钢 2006年炼钢能力超过5亿吨，拥有120吨的转炉74座

8、，产能15400万吨，占炼钢总能力的30.6%；50-100吨电炉33座，能力1890万吨，占3.8%。 2006年重点企业钢铁料消耗1085kg/t，转炉炉衬寿命6052炉，连铸比98.6%，达到世界先进水平。 ?轧钢 到2006年底，我国共有一次材轧机997套，总生产能力49260万吨，平均单套轧机能力49.4万吨，达到国际先进水平的轧机大幅度增加。 ?铁道用材（钢轨）及大型材 各种大型轧机33套，能力2000万吨，其中60%的能力达到世界先进水平，攀钢、包钢、鞍钢、武钢4家重轨生产线，已能生产100m长尺钢轨和高速钢轨，整体装备达到世界先进水平。 已建15套H型钢生产线，总能力1100万

9、吨，其工艺装备水平已达世界先进水平，马钢、莱钢已达世界领先水平。在建4套，能力为400万吨，到2010年达2400万吨。 我国钢铁工业现状分析 ?棒材及钢筋轧机 已有220多套，能力1.35亿吨，2006年产量1.27亿吨，其中80%已达世界先进水平，横列式的产能不足20%。在建和计划建30套，能力2700万吨，到2010年总能力达1.6亿吨。 ?线材轧机 2006年线材轧机152套，能力7560万吨，2006年产量7151万吨，其中高速线材轧机生产能力占83%，还有17%属于落后的复二重轧机。在建22套，能力1300万吨，2010年达8800万吨。 ?中小型轧机 2006年有中小型轧机40套

10、，生产能力1100万吨，2006年产量950万吨，其中65%产能是落后的横列式轧机，是我国轧机装备最落后的品种。 ?中厚板轧机 2006年已有中厚板轧机48套，生产能力5000万吨，产量4022万吨，其中属落后的2300-2500mm轧机15套，总能力1000万吨，属国际先进水平轧机占60%以上。在建12套，能力1700万吨，2010年达6700万吨。 我国钢铁工业现状分析 ?热轧宽带钢轧机 2006年已投产的有42套，产能1.36亿吨，2006年产量1.04亿吨，另外在建13套，其中薄板坯连铸连轧（中厚）19套，占22%，炉卷轧机6套，占2%，热连轧工艺装备均达到国际先进水平和国内先进水平，

11、宝钢、鞍钢、武钢、太钢等连轧机达到国际领先水平。热轧宽带钢在建23套，能力8000万吨，能力到2010年将突破2亿，达到21600万吨；宽厚板在建6700万吨，窄带钢5000万吨，板带合计3.3亿吨。 ?无缝管 2006年有无缝管轧机380套，生产能力1500万吨，2006年产量1484万吨，其中达到国际先进水平机组10套（8套二辊、2套三辊）能力430万吨，有350-400万轧机属落后能力，占25-29%需淘汰。在建20套，能力700万吨，2010年达2200万吨。另外，有窄带钢轧机82套，能力5000万吨，2006年产量4100万吨 。 我国钢铁工业现状分析 ?冷轧宽带钢轧机 目前已有冷连

12、轧机组24套，单机架可逆轧机50台，总生产能力4760万吨，在建15套，能力3300万吨，2010年达8000万吨，连轧机已达国际先进水平，4辊6辊单双机架冷轧也属国内先进水平。 ?热镀锌生产线 已有热镀锌线130条以上，生产能力2500万吨。重点企业普遍采用大型化（年产30-40万吨）、高速化（运行速度200m/min以上），达到世界先进水平，在建15套，能力1100万吨，2010年达3600万吨。 ?电镀锌生产线 国内有5条，能力135万吨，宝钢2条属国际领先水平。 ?彩涂机组 已投产120条生产线，能力1200万吨 。 ?硅钢轧机 国内已投产冷轧硅钢企业四家（武钢、鞍钢、宝钢和太钢）总生

13、产能力332万吨，其中取向28万吨，如在建投产，总能力达500万吨，取向56万吨。 我国钢铁工业现状分析 4）节能减排取得初步成效 ?吨钢综合能耗由“九五”末的1.387tce降到“十五”末的1.042tce，年均节能率5.5%，5年累计节能量3789万吨标准煤 。 5）钢铁行业运行稳定，企业效益提高 ?钢协会员单位主营业务收入由2001年的3793亿增加到2006年14587亿，年增加30.9%，钢产量增加2.66倍，收入增加3.846倍。利润由164亿增加到984亿，年均增长43.1%。 6）我国钢铁工业具备较强参与国际竞争能力 ?钢铁产品已能满足国民经济需要的95%左右，高附加值的板材、

14、管材品种发展，已占出口钢材总量60%左右。 我国钢铁工业发展存在的主要问题 ?钢铁产业布局分散，布局不合理，产业集中度低，阻碍参与国际竞争力的提高。 ?铁矿资源对国外依存度增大，进口矿石近几年大幅度增长，炒高矿价、海运费，降低了企业效益 。 ?研发资金投入不足，原创性技术研发能力不强。 ?落后装备比例相对较高，节能减排难度大。 ?生产成本增速加快，经营风险提高。 钢铁工业发展关键 4.钢铁工业发展的关键技术 1）采用新流程、新技术、新装备代替传统的全流程生产方式，达到高生产率、高效率、产品优质。 2）节约资源、能源，降低制造成本、投资成本及劳动成本。 3）满足国民经济各部门对钢材使用性能及质量

15、上不断提高的要求。如汽车用深冲钢板要求：钢中C+P+S+O+N+H总和不大于0.01%。 4）保护环境，根治污染，保持生态平衡。 5.中国需要多少钢 ?从世界各国发展的经验来看,发达国家钢产量在达到一定规模后开始回落,之后将保持一定的需求量,即钢材需求的饱和点。如：美国1973年，1.37亿吨；日本1973年，1.19亿吨；前苏联1988年，1.63亿吨。 ?钢材消耗量及消费强度和国内生产总值及结构间的关系 中国需要多少钢 1）基础建设阶段：钢材消耗量及消费强度随国内生产总值的增加而增加； 2）加速工业化阶段：钢材消耗量及消费强度有可能不变。消费强度出现徘徊或降低，但钢材消耗量会继续增加； 3

16、）发达阶段：钢材消耗量及消费强度下降。 ?我国处于第二阶段，且处于21世纪，不会再走过去的老路（先工业化后信息化），而是走传统产业和高新技术产业及第三产业协同发展的路子。此外，我国基础差、人口多、地区发展不平衡，钢材消耗量大的阶段会持续时间长一些。 ?如：1955年1970年，我国国民生产总值人均89109美元，钢材消耗量3051420万吨，消费强度0.088kg/美元0.267kg/美元； ?1970年1995年，我国国民生产总值人均109537美元，钢材消耗量142013194万吨，消费强度0.267kg/美元0.142kg/美元； ?符合加速化工业阶段的一般情况 中国需要多少钢 设想：人

17、均国民生产总值达到12000美元，国内生产总值18万亿美元，消费强度0.016kg/美元（美国标准），将需要钢材约3亿吨。 ?钢材消耗量及消费强度和人口的关系 2010年 发达国家：300-500kg/人，2002年我国：141 kg/人； 美国GDP 14.62万亿美元 地区发展不平衡，发达程度不一样，东南沿海已经或正在进入中等发中国GDP 5.74万亿美元 达程度，这一区域人口约4.5亿，粗略计算：日本GDP 5.39万亿美元 4.53501.57亿吨 德国GDP 3.31万亿美元 10.51801.89亿吨 合计：3.46亿吨欧盟GDP 16.11万亿美元 ?钢材消耗量及消费强度和制造业

18、的关系 中国人均4283美元 我国是机电产品出口大国，钢材消耗量会有所增加。 ?综合以上因素，我国钢产量还会有较大的发展空间，约3-3.5亿吨。 钢铁工业供大于求的趋势 ?2010年，钢铁工业综合产能*6.63亿吨/年 ?2010年，我国粗钢需求量，4.955.54亿吨/年 ?过剩1.11.7亿吨/年 *按已投产和2007年在建能力测算 ?2006年，轧钢设备总设计产能6.098亿吨/年 2007年，已有和在建产能： 轧机产能 2007年底已有产能 2008年在建产能 过剩产能 一次材：6.414亿吨/年 热轧薄板 1.463亿吨/ 年 0.8532亿吨/ 年 约1亿吨 中厚板 0.453 二

19、次材：1.7825亿吨/年亿吨 / 年 0.263亿吨/ 年 40%50% 2007年2010年在建一次材能力：1.488亿吨/年 在建二次材能力：1.7825亿吨/年 过剩量：约2.2亿吨/年 2008年8月统计，全国钢铁投资项目总投资规模7658.5亿元 投资热点：宽带钢轧机和中厚板轧机 钢铁冶金前沿技术 6.钢铁冶金前沿技术 1）传统炼铁流程：由焦化、烧结、高炉工序组成 缺点：投资大，流程长，能耗高。尤其是炼焦煤，仅占煤总储量的10%，已告缺。且炼焦排放大量的有害气体（CO2，CO，NOX，SO2等），造成温室效应，严格的排放标准出台后，焦化工序将首先被淘汰。 对策：开发用烟煤或天然气作

20、还原剂，不用高炉，将铁矿石还原成海绵铁的直接还原炼铁法以及生产成铁水的熔融还原法。 2）交流电弧炉炼钢生产率的提高 为降低电耗，缩短冶炼时间，与炉外精炼匹配，超高功率电炉问世，比功率逐年提高，达到1000KVA/t以上。 钢铁冶金前沿技术 缺点：大功率交流电弧炉的电弧稳定性差，对电网冲击大，产生强烈的电压闪烁，造成噪声污染。 对策：发展直流电弧炉。 3）炉外精炼是提高质量、增加产量，降低成本的有效手段 没有炉外精炼，超高功率电炉无法发挥优势，炼钢和连铸得不到衔接和缓冲。增加钢的炉外精炼比例是冶金工业的发展方向。 4）连铸技术的发展和扩大应用引发钢铁工业又一次重大革新 高效连铸及近终形连铸对现代

21、炼钢和高速连轧起衔接作用，使产品专业化、系列化、优化及高附加值。 5）等离子冶金具有潜在优势 6）真空冶金是生产超级合金的重要手段 目前在凝壳熔炼、悬浮熔炼、冷坩埚熔炼及真空电弧双电极重熔等方面有新的突破。 钢铁冶金前沿技术 7）电渣冶金在21世纪仍具有以下五个方面的优势 a.在优质大型及中型锻件生产中，处于垄断地位； b.在优质钢工具钢、模具钢、不锈耐热钢、超高强钢、管坯及冷轧轧辊生产中占绝对优势； c.在超级合金（高温合金、耐蚀合金、精密合金、电热合金）生产中与真空冶金处于竞争状态； d.在有色金属生产方面，发展前景广阔； e.电渣重熔空心锭和电渣熔铸异形件具有独到之处，发展前景良好。 8

22、）近终成形是金属毛坯制备的新方向 它是将金属合成、精炼、凝固、成形集中与一道工序，是物性转变的最佳短流程，可有效控制污染，提高金属性能。 9）人工智能及计算机集成系统在冶金的应用日益广泛 21世纪在钢铁企业建立CIMS综合管理系统是当务之急，结合钢铁工业短流程技术的发展，实现控制智能化。 第二章 直接还原和熔融还原 直接还原将铁矿石在固态还原成海绵铁（Sponge Iron) 的方法。所得产品称为直接还原铁DRI(Direct Reduction Iron)。 熔融还原（Smelting Reduction) 用铁矿石和普通烟煤作原料，经流化床直接生产铁水，使渣铁分离的方法。 1.直接还原 1

23、)发展背景 直接还原工业化试验始于50年代，但成功例子很少。60年代天然气大量开采，1968年美国Midrex法成功，直接还原得到迅速发展。1975年DRI海绵铁产量269万吨，1995年增至3075万吨，在冶金史上实属罕见。 直接还原和熔融还原 ?发展的客观原因 ?世界多数国家严重缺乏焦煤，不少国家有优质铁矿及天然气和烟煤资源。如委内瑞拉、印度尼西亚、墨西哥，主要发展气基竖炉；南非、印度、新西兰有丰富的烟煤和优质铁矿，以煤基回转窑为主。 ?电炉短流程的发展，电炉钢产量日益增长，废钢用量供应紧张，需要一部分DRI铁来补充。 ?近年来钢铁工业受高分子材料和硅酸盐材料的竞争，总产量始终未有突破。但

24、以质量、性能及品种取胜的小型特钢厂发展较快，电炉钢选择原料，自然更多选择直接还原铁。 ?世界焦煤储量锐减，环保要求提高，炼焦炉停产，迫使企业选择新的生产流程。 ?直接还原技术上的新突破，促使其发展。 直接还原发展背景 2.煤基回转窑直接还原 煤基回转窑直接还原流程见下图： 铁矿石+煤 c?co2?2co?在1100下，铁矿石呈固态Fe2O3?3CO?2Fe?3CO?海绵铁 直接还原铁内含有一定数量的脉石，因是固态反应，不能使铁渣分离，对DRI产品脉石含量有一定限制： 酸性脉石(SiO2?Al2O3)?5%碱性脉石(MgO?CaO)?7%煤基直接还原流程成熟的工艺是德国SL/RN法，英国的DRC

25、法，法国的Codir法。 煤基回转窑直接还原流程图 8-10小时完成还原反应，在冷却塔冷至100以下 配料仓 还原窑 1100 气基竖炉直接还原 3.气基竖炉直接还原 气基Midrex法工艺由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气重整炉组成。 CH4?H2O?CO?3H2?（天然气裂化反应）反应式为： Fe2O3?3H2?2Fe?3H2OFe2O3?3CO?2Fe?3CO2?气基法的能耗低，效率高，质量好，易操作，作业温度低，产品无需再分选。 气基Midrex法工艺流程图 还原气温度900,6h完成冶炼 我国直接还原的发展 为保证炼钢用DRI的TFe90%，要求： 磁铁矿Fe3O4的TFe?68

26、.33%赤铁矿Fe2O3的TFe?66.14%是否可用于直接还原的铁矿石的判断标准为： SiO9不宜用于DRI，仅用于高炉冶炼 此外，直接还原过程不能脱磷，故要求矿石含P0.027%。 国内本钢南芬矿、辽阳棉花堡矿、山东金岭矿、太钢尖山矿、陕西大南沟矿、安徽霍邱矿及海南铁矿均符合DRI要求。 天津大无缝引进英国Davy公司的关键技术和设备，兴建年产30万吨的两条?5m80m回转窑，采用进口矿石。 HyL反应罐法 ?墨西哥的HyL法采用了4个反应罐串联操作，还原煤气用天然气制造,先在换热式转化炉中不充分转化。经过每一个罐反应后都进行脱水、二次转化和提温，煤气在1100的高温下进行还原。?第三代的

27、HyL法已放弃四个反应罐，改用一个，接近Midrex法 。 流态化法 ?在流态化法还原中，煤气除用作还原剂及热载体外，还用作散料层的流化介质。 ?流态化还原有直接使用矿粉省去造块的优点，并且由于矿石粒度小而能加速还原。 ?细粒矿粉易粘结，一般在600700不高的温度下操作，还原速度不大，极易促成CO的析碳反应。 ?流态化海绵铁活性很大，极易氧化自燃，需经处理，才便于保存和运输。 回转窑炼铁操作示意图 PF法直接还原铁新工艺 ?2007年北京冶金设备研究设计总院研究设计的单孔罐式还原炉在河北唐山工业性试验成功 PF法直接还原铁工艺主要特点： 1、反应室与燃烧室分隔，产品金属化率高。预热段、还原段

28、、冷却段分别采用不同材料和结构，能连续生产，比反应罐法生产率高，能耗低；而且罐体不像隧道窑中那样反复加热、冷却，寿命长。 PF法直接还原铁新工艺 2、能像回转窑和转底炉一样连续生产，但炉体不动而炉料自动下落，炉气逆流上升，设备简单可靠，有利于加热和直接还原反应进行，可方便地控制炉料还原温度和时间，利用系数高、作业率高，能源和原料消耗低； 3、直接还原与反应罐法和回转窑法一样采用外配碳，还原剂和脱硫剂可适当过量，确保还原和脱硫效果，又不增加产品灰分，使得原燃料选用范围广、工艺设备简单、产品质量好，而投资少、成本低； 4、反应室、燃烧室间隔排列，机构紧凑，每组反应罐都是一座独立的还原设备，若干组并

29、列、组成各种生产能力的还原炉； 5、适合作为煤基直接还原铁工艺主体设备，也易改造为气基法竖炉和其他工业炉窑。 PF法直接还原铁新工艺 PF法是一种安全可靠的竖炉直接还原工艺，而且综合了当前几种直接还原铁工艺长处，在节能、环保和工程投资、生产成本等方面有明显改进。 Energiron新一代直接还原技术 ?达涅利和得兴HYL技术联合体所展现的Energiron工艺代表了全球钢铁市场该领域的顶尖技术 。 ?全面控制DRI的金属化程度和高碳含量，以适应长途运输和电炉的高功率。 ?Energiron技术有如下显著特点： ?该工艺对原料适应性强； ?DRI质量控制(高碳)（14含碳量 ）； ?电炉直接热装

30、DRI； ?高效率，降低生产成本。 ?通过HytempR气动传输技术，可直接将DRI热送至电炉进行炼钢。 熔融还原 2.熔融还原 到目前为止，开发的熔融还原有36种之多。从预还原方式分有竖炉法、液化床法、热旋分离法；从终还原方式分有熔融气化炉、铁浴反应炉。其中以日本的DIOS法、澳大利亚Hismelt法、俄罗斯的PFV法及美国的AISI直接炼钢法具有独到之处。但投入工业生产的只有奥钢联与德国科尔夫公司共同开发的COREX法。 南非伊斯科尔钢铁公司建起了世界第一座年产30万吨的熔态还原装置，1989年正式投产。美国、澳大利亚、意大利正在筹建年产150-200万吨的COREX厂，估计到目前有近10

31、座COREX设备投产。 COREX的优点如下： 1）可用普通煤炭代替焦碳； 2）可使用块矿、球团矿及烧结矿； 3）投资省，比传统工艺建高炉、焦炉省30%； 4）生产成本低，操作及维修人员比传统工艺低1/3； 5）产生大量可供发电用的燃气； 6）生铁质量优良。 COREX工艺流程图 煤与1100还原气接触，煤转为焦 铁矿石还原率达90% 熔融气化炉 铁水温度1450 COREX工艺流程 煤，氧气?还原气化炉（焦碳流化床）?焦碳和优质还原气，铁矿石?竖炉还原?海绵铁粒，煤气?还原气化炉（加热熔化）?铁水、炉渣 建立短流程现代钢铁企业： COREX?铁水预处理脱磷、硫?转炉复吹?二次精炼RH?薄板坯

32、连铸连轧CSP?冷轧 HIsmelt工艺 金属熔池作为基本的反应媒介，炉料直接注入到金属中，熔炼过程主要通过熔解碳进行。其他熔融还原炼铁的生产工艺一般都采用顶装矿石和煤炭工艺，通过渣层中的碳化物（及少量金属）进行熔炼。与渣中的碳相比，金属中的熔解碳作为还原剂的反应效率更高。 省去了烧结和炼焦工序，可直接使用铁矿粉和非焦煤，并且还可“吃”传统钢厂的废弃物，如钢渣和除尘器排出的污泥，轧钢皮、焦粉和布袋除尘、静电除尘的灰尘也“通吃”。 高炉炼铁“十五”目标 3.高炉喷煤技术 高炉扩大喷煤量，降低焦比，是炼铁发展最快的技术。 目前欧洲一些高炉的平均喷煤比已达到180-200Kg/t；日本1998年五大

33、钢铁公司平均高炉利用系数1.83t/(d)，总燃料比516Kg/t，焦比386Kg/t，喷煤比127.8Kg/t。欧洲和美国高炉喷煤比正向250Kg/t努力。 1998-1999年初，宝钢高炉喷煤取得重大突破，1、3#高炉7、8月份喷煤量连续突破200Kg/t。其中1#高炉在1999年1月高炉利用系数达到2.328t/(d)，喷煤比达到233.8Kg/t，焦比270Kg/t，燃料比503.5Kg/t。 我国“十五”期间，根据不同原料、燃料和装备条件，分成两个层次，力争达到的主要技术经济指标如下： 焦比/Kg/t 煤比/Kg/t 燃料比/Kg/t 一层次 300 200 500 二层次 400

34、150 550 利用系数/t/d 炉龄/a 一层次 2.0-2.5 15 二层次 2.0-2.3 12 继续推广使用高风温、高顶压、精料、富氧、低硅生铁冶炼等先进技术。 第三章 转炉溅渣护炉技术 1溅渣护炉技术的发展和特点 2溅渣护炉工艺和实践3溅渣护炉技术的基础研究45. ? 发展概况 ? 技术特点 ? 基本原理和操作方法 ? 基本工艺参数 ? 溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响 ? 炉渣成分和结构的变化 ? 溅渣层与炉衬的结合机理 ? 溅渣层的抗侵蚀性 溅渣护炉带来的问题 溅渣护炉的经济效益 发展概况 ?炉龄是转炉炼钢一项综合性技术经济指标。 ?转炉炉衬工作在高温、高氧化性条件下，通常以0.20

35、.8mm炉的速度被侵蚀。 ?为保证转炉正常生产和提高炉衬寿命，如采用焦油白云石砖、轻烧油浸白云石砖，贴补、喷补、摇炉挂渣等措施，使炉龄提高到1000炉以上。 ?进入80年代，转炉普遍采用镁碳砖，综合砌炉，使用活性石灰造渣，改进操作，采用挂渣、喷补相结合的护炉方法，使转炉炉龄又有明显提高。 ?溅渣护炉是近年来开发的一项提高炉龄的新技术。该技术最先是在美国共和钢公司的大湖分厂(GreatLakes)，由普莱克斯(Praxair)气体有限公司开发的。 发展概况 ?1991年，美国LTV公司的印地安那哈的厂用溅渣作为全面护炉的一部分。1994年9月该厂232t顶吹转炉的炉衬寿命达到15658炉，喷补料

36、消耗降到0.38kgt钢，喷补料成本节省66，转炉作业率由1984年的78提高到1994年的97。 ?美国内陆钢公司炉龄已超过20000炉。加拿大、英国、日本等也已相继投入试验和应用。 ?我国从1994年开始转炉溅渣护炉试验，采用和发展的速度很快。鞍钢、首钢、宝钢、武钢、太钢等一些转炉厂采用溅渣护炉技术，炉龄大幅度提高，取得了明效果。其中，宝钢、首钢炉龄已逾万炉。 技术特点 ?操作简便 炉渣调整成分后，利用氧枪和自动控制系统，改供氧气为供氮气，即可降枪进行溅渣操作； ?成本低 充分利用了转炉高碱度终渣和制氧厂副产品氮气，加少量调渣剂(如菱镁球、轻烧白云石等)就可实现溅渣，还可以降低吨钢石灰消耗

37、； ?时间短 一般只需34min即可完成溅渣护炉操作，不影响正常生产； ?溅渣均匀覆盖在整个炉膛内壁上，基本上不改变炉膛形状； 技术特点 ?工人劳动强度低，无环境污染； ?炉膛温度较稳定，炉衬砖无急冷急热的变化； ?由于炉龄提高，节省修砌炉时间，对提高钢产量和平衡、协调生产组织有利； ?由于转炉作业率和单炉产量提高，为转炉实现“二吹二”或“一吹一”生产模式创造了条件。 基本原理和操作方法 溅渣补炉的基本原理是在转炉出钢后，调整终渣成分，并通过喷枪向渣中吹氮气，使炉渣溅起并附着在炉衬上，形成对炉衬的保护层，减轻炼钢过程对炉衬的机械冲刷和化学侵蚀，从而达到保护炉衬、提高炉龄的目的。 如：太钢目前的

38、三段溅渣法(前期不溅，中期间隔溅，后期炉炉溅)，溅渣时炉衬最大平均侵蚀速度为0.095mm炉，相当于不溅渣时侵蚀速度的13。 基本原理和操作方法 溅渣护炉操作步骤： 1)将钢出尽后留下全部或部分炉渣； 2)观察炉渣稀稠、温度高低，决定是否加入调渣剂，井观察炉衬侵蚀情况； 3)摇动炉子使炉渣涂挂到前后侧大面上； 4)下枪到预定高度，开始吹氮、溅渣，使炉衬全面挂上渣后，将枪停留在某一位置上，对特殊需要溅渣的地方进行溅渣； 5)溅渣到所需时间后，停止吹氮，移开喷枪； 6)检查炉衬溅渣情况，是否尚需局部喷补，如已达到要求，即可将渣出到渣罐中，溅渣操作结束。 基本原理和操作方法 有效地利用高速氮气射流将

39、炉渣均匀地喷溅在炉衬表面，是溅渣护炉的技术关键，其效果取决于： ?熔池内留渣量和渣层厚度； ?熔渣的物化性质，包括成分、熔点、过热度、表面张力和粘度； ?溅渣气体的动力学参数，包括喷吹压力和流量，枪位及喷枪孔数和夹角等。 基本工艺参数 1)熔池内的合适渣量 ?冷态试验结果，各种顶吹气体流量条件下，11渣量溅渣效果最好。 ?国内几家钢厂溅渣实践和效果表明，渣量在100kgt较为合适。 2)炉渣性质 ?渣成分-终渣碱度(GaO/SiO2)为3左右、MgO含量8左右就可以保证MgO达到饱和。严格控制渣中FeO含量。 ?炉渣粘度-渣稠不易溅起且附着力差；渣稀，溅渣覆盖较易，但覆盖层较薄。 ?调渣剂-改

40、变渣成分，提高熔化温度，提高护炉效果。 溅渣量与顶枪枪位、气体流量及渣量之间的关系(顶枪夹角14.5) a渣量8%；b渣量11%；c顶吹气体流量26.8m3/h 顶吹气体流量：1-19.2m3/h；2-23.0m3/h；3-26.8m3/h 基本工艺参数 3)氮气压力和流量 ?按照各厂溅渣经验，氮气压力一般与氧气压力接近时，可取得较好效果。 4)顶吹喷枪工艺参数 ?枪位-最大溅渣量与一定枪位对应，枪位过高或过低都使溅渣量减少。 ?喷枪夹角-12喷孔夹角喷枪溅渣效果优于14.5夹角喷枪。 5)复吹转炉底气对溅渣的影响-复吹转炉溅渣量比顶吹转炉多，而且溅渣量更集中于耳轴部位。 6)溅渣时间-一般吹

41、氮时间为35min。 溅渣护炉存在的问题之一是炉底上涨、底吹喷孔堵塞，这一问题在国内外均未得到很好解决。 溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响 1)溅渣护炉对冶炼工艺的影响 ?对冶炼操作的影响-由于溅渣炉底有上涨现象，因此枪位控制要比未溅渣炉役相应提高，以避免造成喷溅、炉渣返干和增加氧气消耗量。 ?对钢中氮含量和质量的影响-吹氮溅渣后，主要是防止阀门漏气造成吹炼终点氮含量高。 2)冶炼对溅渣的影响 ?冶炼终点温度对溅渣覆盖层的影响-出钢温度每降低1转炉炉龄可提高120炉。 终点温度对覆盖层的影响 1650 1650-1680 1680-1700 1700 溅渣层均匀炉帽部位无溅渣层，炉帽、耳轴无溅侵蚀

42、严重，耳轴覆盖 其余位置有溅渣层 渣层，出钢面溅以上无溅渣层 渣层仍在 溅渣护炉和冶炼工艺的相互影响 ?炉渣氧化性的影响-终渣FeO控制在低限，对保护炉衬有利。 （FeO）对溅渣覆盖层的影响 （FeO） （FeO） （FeO） 10% 12-15% 15-18% 基本不侵蚀 侵蚀炉帽部分 1650 1650 炉帽无溅渣层， 耳轴，炉帽以上 耳轴薄 均无溅渣层 ?炉渣粘度-渣稀侵蚀严重，渣偏稠不侵蚀，容易挂上炉壁。 ?炉渣成分-为提高溅渣护炉效果，应在适当的范围内，尽量提高MgO含量及终渣碱度。 炉渣成分和结构的变化 1)转炉终渣-渣中的硅酸盐相以发达的板条状C3S为主，C2S含量极少。结合相为

43、铁酸二钙(C2F)和RO相，约占总量的15，结晶的MgO包裹在C3S晶体中或游离在结合相中。 2)调质渣-改质后的炉渣往往出现弥散未熔的石灰或MgO颗粒，同时C2S含量增加并发育为良好的板条状。 3)溅后渣-岩相结构发生明显变化，C3F被破碎成细小颗粒，均匀弥散在铁酸钙结合相中，使炉渣密度增大。 溅渣层与炉衬的结合机理 ?溅渣层与镁碳砖的结合部分为三个区域：烧结层、结合层和溅渣层。其结合机理为： ?在溅渣初期，低熔点流动性好的富铁炉渣沿衬砖表面显微气孔和裂纹向MgO机体内扩散，形成以（MgOCaO）Fe2O3为主的烧结层； ?随溅渣进行，颗粒状的高熔点氧化物（C3S，C2S和MgO）被溅射到衬

44、砖表面，形成以镶嵌为主的机械结合，同时富铁的低熔点炉渣包裹在砖表面突出的MgO颗粒周围形成的化学结合层； ?随溅渣的进一步进行，大颗粒C3S，C2S和MgO晶团被溅射到结合层表面，并与铁酸钙、RO相结合，冷却固熔形成衬砖表面溅渣层。 溅渣层与炉衬的结合机理 进一步提高溅渣护炉效果的途径： 1）采用溅渣护炉技术后，炉衬材质的性能不应降低； 2）进一步控制和降低渣中（FeO）含量； 3）合理调整渣中（MgO）含量； 4）提高溅渣层熔化性温度，以降低炉渣过热度； 降低出钢温度，提高终点命中率，减少一次倒炉到出钢的时间，合理匹配转炉操作工序。 溅渣层的抗侵蚀性 1）溅渣层对转炉初期渣有较强的抗侵蚀能力

45、，能够起到保护炉衬的作用； ）溅渣层对高温终渣的抗侵蚀能力很差，进一步提高溅渣层的熔点是抗侵蚀能力的关键。 生产中，保持一炉一溅和低温出钢有利护炉。 2 溅渣护炉带来的问题 1)炉底上涨-炉渣在炉底停留的时间越长，粘结在炉底的就越多，导致炉底上涨。炉底上涨太多时，可加入小块硅铁并吹氧，将上涨部分侵蚀掉。 2)喷枪粘结-喷枪冷却强度大时，喷枪不易结渣，即使有粘渣，移出喷枪喷水冷却，粘渣就会掉落。如果炉内有残留钢液，则会使喷枪表面粘钢，这时，粘结的炉渣在冷却后不易脱落。 溅渣护炉带来的问题 3)设备维修问题-炉衬寿命的延长，原来更换炉衬时维修的项目如水冷烟罩、管道的清理维修，转炉驱动装置、冷却系统

46、、除尘系统、盛钢桶车、吊车等都有相应延长服役时间问题，现在一些钢厂采用不同炉龄段计划维修的办法。 4)经济炉龄问题-经济炉龄与炉龄和原料价格有关。每个转炉厂不同阶段都有一个经济炉龄区，即吨钢成本最低，取得最佳经济效益炉龄区。炉衬砖和修砌费的成本与炉龄成反比关系，而氮气、补炉料、稠渣剂等的费用随炉龄增长而消耗量增加，对降低成本的负效应也越大。 溅渣护炉的经济效益 1)耐火材料消耗大幅度降低 ?美国印地安那哈伯厂采用溅渣护炉炉役达到15658炉时，炉衬砖消耗由1.2kgt钢降到0.38kg/t钢，补炉料消耗也降到0.37kgt钢。由于耐火材料消耗降低，使吨钢成本减少0.45美元。 ?鞍钢转炉溅渣护

47、炉试验也取得了明显效益，炉衬砖消耗下降0.7kgt，减少至0.8kgt；喷补料下降1.22kgt，减少至0.88kgt。 2)大幅度地提高转炉作业率 ?美国印地安那哈伯厂采用溅渣护炉后，转炉作业率由原来的78提高到97，砌炉造成的炼钢停产由原来每年81天减少到11天。 ?鞍钢转炉试验后很短时间炉龄提高到2倍以上，生产能力提高5以上，吨钢综合成本降低6元。 溅渣护炉的经济效益 3)减少废渣排出 溅渣护炉采用炼钢终渣作为护炉材料，从而减少了废弃渣量。废旧炉衬砖作为含镁稠渣剂，也减少了废弃衬砖的数量，有利于环境保护。 4)投资回报率高 美国阿尔戈马钢公司认为：溅渣是一种经济可行的操作，投资回收期不到

48、一年。我国对19个冶金企业62座转炉的测算，投资回收期为1.3年。 第四章 直流电弧炉 1.直流电弧炉发展的必然趋势 ?19世纪70年代，电弧炉萌芽阶段是采用直流发电机组供电； ?19世纪末三相交流电弧炉问世，以压倒优势发展和运行了近百年，水冷炉壁的发展使超高功率、采用长弧操作，提高生产力和电效率成为现实。 ?交流电弧炉采用了如水冷炉盖、壁，导电横臂，偏心底出钢，氧燃烧嘴，造泡沫渣和底吹搅拌技术等新技术，但多方改进的交流超高功率电弧炉（UHP ACEAF）仍有三个致命弱点： 1）电弧不稳定，噪音大，闪烁效应使电网受干扰和过度的炉壁烧损； 2）热效率不高，电力传输损失大； 3）石墨电极消耗大，相

49、当于电耗费用的30%。 ?直流电弧炉基于自身的特性，能克服上述弊端，70年代大功率可控硅整流装置日趋完善，直流电弧炉重新获得发展。 ?1980年，全世界共有10台，生产能力360万吨/a 直流电弧炉 ?1992年，全世界共有27台（10个国家），生产能力1170万吨/a ?1995年，全世界共有60台（15个国家），生产能力2700万吨/a ?1989年，日本建成130吨直流电弧炉，功率大于1000KVA/t，正在建设240吨的炉子，美国正在建设280吨的直流电弧炉。 2.直流电弧炉设备结构特点 直流电弧炉设备由5个部分组成，即炉体、电源、控制系统、短网、炉底阳极。 典型的直流电弧炉如图所示。

50、 2.1直流电弧炉电源 由整流用变压器、整流器、电抗器及高频滤波器四个部分组成。变压器可超载工作，其输出功率可比额定容量提高20%。 2.2直流电弧炉控制系统 包括以电极为控制的电压回路和以可控硅为控制的电流控制回路。 直流电弧炉设备简图 直流电弧炉 2.3 短网结构 单相直流电弧炉只有一相短网。不存在集肤效应和临近效应，在铜排、铜管、水冷电缆、电极上电损失较小。 石墨电极的颤动小，也没有集肤效应，石墨电极电流密度比交流电弧炉高得多。 2.4 炉底阳极 直流电弧炉因底电极与钢水接触，同时又作电路，它比炉床承受更大的热负荷，因此炉底阳极是直流电弧炉的关键设备。目前，使用的炉底阳极分为三类： 1）

51、导电炉底型（ABB型） 瑞士ABB公司设计，常用镁质石墨砖（含C20%）。 优缺点：优点是导电面积大，采用强制风冷安全可靠；不足是导电率高、导热率低的耐火材料较贵，装卸不便，维修困难。 炉底导电板风冷式底阳极图 1-可动电极 2-熔渣 3-钢液 4-碳砖 5-固定具 6-冷空气入口 7-出口 8-扇形集电板 9-绝缘层 10-钢板 11-铁柱 炉底阳极类型 2）金属触针型（Un-arc型） 德国MAN-GHH公司开发，根据炉子容量在炉底中心区安置80-200根直径为30mm的低碳钢触针，触针连接在炉底集电板上，炉底用镁砂打结。 优缺点：具有导电面积大，易于起弧，安全可靠的优点，适用于大容量的直

52、流电弧炉。其缺点是：炉底更换时间长，劳动繁重，且引弧初期某一触针导通时，大电流流过可使触针全部熔化，严重损坏炉底。 炉底结构图示 3）水冷金属棒型 由法国钢铁研究院开发，炉子底电极是圆形的金属水冷电极，低碳钢芯棒穿过炉底直接与钢水接触，钢芯下部装有铜质水套，可使钢芯得到充分冷却。依电流大小，一座炉子可装1-4根底阳极，顶阴极数与底阳极相同。 优缺点：布置适当可有效控制弧偏吹，消除炉内热点和冷点，由于使用过程底电极上端高出炉衬，有利于冷起动时废钢与底电极良好接触。其缺点是导电面积小。 炉底结构图示 金属触针型底阳极结构图 水冷金属棒式底阳极结构图 1-可动电极 2-耐火材料 3-炉底 4-铁皮

53、5-圆棒 6-水冷式导体 7-连接钢板 8-连接装置 直流电弧特性 3.直流电弧的特性 1）热分布：底阳极区发热占电弧热量的43%，阴极区占36%。且72%的热量集中于炉料和熔池上，而交流只有65%。 2）无集肤效应和临近效应，导电截面电流分布均匀，通过的电流可增加20-30%。 如图所示： 超出部分 直流电弧特性 3) 可采用长弧作业,电流和电压均高于交流。在电流电压相同的条件 下，直流电弧炉与交流电弧炉的功率分布，如图所示。 直流电弧炉的电弧电流所产 生的电动力，使电弧下钢液 沿其炉底向外侧炉壁运动， 然后沿钢液表面返回电弧下。 这种电动力运动方式强烈， 因此，直流电弧炉钢液成分、 温度比交流电弧炉钢液成分 更均匀。 直流电弧特性 交流电弧炉的电弧电压与电弧电流的关系为: VACarc?4.12Iarc?40直流电弧炉的电弧电压与电弧电流的关系仍是线性关系: VDCarc?9.04Iarc?40 可以看出，由于直流稳弧性好，可使用更高的电弧电压。 在直流电弧供电操作条件下，电弧电流是交流的1.22倍；电弧电压是交流的2.34倍；电弧阻抗是交流的1