转炉炼钢、炉外精炼、连铸_炼钢炉外精炼

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1、转炉炼钢

转炉炼钢（converter steelmaking）是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。转炉按耐火材料分为酸性和碱性，按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。

转炉炼钢-正文

一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。转炉炼钢法的主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹;按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受到限制。碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。空气吹炼的转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢，未能像平炉那样在世界范围内广泛采用。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。

简史 1856年，英国贝塞麦(H.Beemer)发明了底吹酸性转炉炼钢法，以后被称为贝塞麦转炉炼钢法。从此开创了大规模炼钢的新时代。1879年英国托马斯(S.G.Thomas)创造了碱性转炉炼钢法。造碱性渣除磷,适用于西欧丰富的高磷铁矿的冶炼，一般称托马斯转炉炼钢法。1891年，法国特罗佩纳(Tropenas)创造了侧面吹风的酸性侧吹转炉炼钢法，曾在铸钢厂得到应用。

用氧气代替空气的优越性早被认识，但因未能获得大量廉价的工业纯氧，长期未能实现。到20世纪40年代，空气分离制氧以工业规模进行生产之后，炼钢大量用氧有了可能。但是,旧有转炉改用氧气吹炼,炉底风眼烧损很快，甚至使吹炼无法进行。1948年杜雷尔(R.Durrer)在瑞士采用水冷氧枪垂直插入炉内吹炼铁水获得成功，1952年奥地利林茨(Linz)和多纳维茨(Donawiz)钢厂建立30吨氧气顶吹转炉车间。后来就按这两个地名的第一个字母称氧气顶吹转炉炼钢法为LD炼钢法。50年代，LD炼钢法传播到世界各国，逐步取代平炉炼钢法。随着顶吹氧转炉的问世，也出现了其他类型吹氧炼钢方法，如卡尔多转炉(Kaldo)炼钢法,罗托转炉(Rotor)炼钢法,但都未能推广。喷石灰粉的氧气顶吹转炉炼钢法,称LD-AC法，可以吹炼含磷高的生铁，在氧气底吹转炉问世前曾应用于高磷生铁炼钢生产。

尽管氧气顶吹转炉法得到广泛发展，有人认为由底部供气,熔池搅拌力强,冶炼过程较为合理。1965年加拿大空气液化公司试验成功用同心吹氧管同时吹入气态碳氢化合物来冷却喷嘴的技术。随后法国也试成用燃料油冷却喷嘴的技术。较好地解决了氧气底吹风口烧损快的问题,使底吹转炉炼钢方法得以复苏。1967年后在联邦德国和法国分别采用上述两项技术建造氧气底吹转炉投入生产,称 为”OBM”法(即Oxygen Bottom-blowMaximilian)和“LWS”法(为Loire、Wendel/Sidelor和Sprunck三公司的缩写)。1971年美国引进“OBM”的技术，用于底吹氧气喷石灰粉吹炼含磷生铁，取名“Q-BOP”法，Q表示不平静quiet快quick和优质quality，BOP为碱性氧气法（见氧气底吹转炉炼钢）。

氧气顶吹转炉采用喷嘴或透气砖自底部吹入少量惰性气体或氧气,可明显地改善熔池的搅拌力,而兼有底吹和顶吹的优点，1974年英国首先在1.25吨转炉上、1975年法国和卢森堡合作在65吨转炉上先后试验顶底复合吹炼转炉炼钢成功。随后开始在世界范围内推广应用。

中国于30～40年代曾在各地用侧吹酸性转炉炼钢，总生产能力约10万吨／年。50年代，唐山钢厂试用碱性炉衬吹炼成功，并推广到全国各地。50～60年代侧吹转炉钢产量曾达中国钢总产量的20％以上。50年代末，首先在北京建成30吨氧气顶吹转炉车间开始生产。以后在各地相继建成投产。1980年氧气转炉钢的产量占全国钢的总产量40.64％。

原理

转炉炼钢法同其他炼钢法主要区别在于他不借助外加能源，仅靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600℃或更高）温度。

氧化 当空气或氧气吹入铁水时，生铁中易氧化元素就开始氧化,产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。各项元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。首先氧化的是硅、锰和少量的铁。开始时因温度低(1200～1300℃)，而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。随着温度升高，碳开始激烈地进行氧化。随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣,磷和硫亦被脱除,熔池铁液中各种元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。碳随着温度的提高而分别先于有关元素氧化（见自由焓）。

脱氧 转炉吹炼终了时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一般为0.01～0.08％。其含量主要取决于终点钢水的碳含量(图1)。但在固体钢中氧的溶解度很低,仅为0.002～0.003％,因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧便以FeO形式析出,影响钢的质量。所以,要炼成合格的钢,就必须脱氧。脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理,使钢中的含氧量降到规定限度之下(见钢的脱氧反应)。各元素在1600℃时的脱氧能力比较见图2。在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效率,使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。

2、炉外精炼

将转炉、平炉或电炉中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫“二次炼钢”。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。

简介

将转炉、平

炉外精炼

炉或电炉中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫“二次炼钢”。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。这样将炼钢分两步进行，可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。

1933年法国佩兰（R.Perrin）应用专门配制的高碱度合成渣，在出钢的过程中，对钢液进行“渣洗脱硫”，这是炉外精炼技术的萌芽。1950年在联邦德国用钢液真空处理法脱除钢中的氢以防止“白点”。60年代末期以来，炉外精炼技术经过不断地发展，目前已有几十种方法应用于工业生产，逐步形成了炼钢工艺中的一个新分支。中国于1957年开始研究钢液真空处理法。建立了钢液脱气、真空铸锭装置，70年代建立了氩氧炉、钢包精炼炉和钢包喷粉装置等炉外精炼设备。

钢液的炉外精炼是把一般炼钢炉中要完成的精炼任务，如脱硫、脱氧、除气、去除非金属夹杂物、调整钢的成分和钢液温度等，炉外的“钢包”或者专用的容器中进行。这样就把原来的炼钢工艺分成两步进行： 第一，在一般炼钢炉中进行熔化和初炼，称为初炼炉； 第二，在钢包或专用的精炼容器中进行精炼。这些“钢包”或者专用的容器称为精炼炉。

原理

精炼主要通过下述作用：

真空脱气

钢液中气体的溶解度服从平方根定

炉外精炼

律，钢中氢含。钢液真空处理时,降低精炼容器中氢的分压p啹,即可达到钢液脱氢的目的。氢的溶解反应平衡常数KH是温度的函数，在1600℃时，KH＝0.0027。氢在钢液中溶解平衡常数低,扩散速度快,所以钢液脱氢速度很快，可使钢中氢含量接近平衡值。同理，也可进行脱氮,但氮在钢液中的溶解平衡常数较高,KN＝0.040，扩散速度慢,因此钢液真空处理时，氮的脱出率仅为10～25％（见钢的去气，真空冶金）。

真空脱氧

炉外精炼通常用两种脱氧方法。真空下碳脱氧和加

炉外精炼

入合金元素硅、锰、铝等进行沉淀脱氧。真空下碳氧反应为:【C】+【O】─→CO↑,则【C】％·【O】％＝ppCO/K＝mppCO,平衡常数K为温度的函数，在1600℃和ppCO＝1大气压时值为0.0020～0.0025,因此真空下碳的脱氧能力很强，可超过脱氧元素硅、锰和铝。反应产物CO是气态而不是呈夹杂物形态,在真空下极易排除。

惰性气体处理

向钢水中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反

炉外精炼

应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”(气泡中H2、N2、CO的分压接近于零)具有“气洗”的作用。炉外精炼生产不锈钢的原理，就是应用不同的CO分压下碳铬和温度之间的平衡关系。用惰性气体加氧进行精炼脱碳（工艺过程中不断变换氩／氧的比例），可以降低碳氧反应中CO的分压，在较低温度的条件下，降低碳含量而铬不被氧化。

钢液搅拌 炉外精炼过程中对钢液进行搅拌，使钢液成分和温度均匀化，并能促进冶金反应。多数冶金反应过程是相界面反应，反应物和生成物的扩散速度是这些反应限制性环节。钢液在静止状态下，冶金反应速度很慢，如电炉中静止的钢液脱硫需要30～60分钟；炉外精炼中搅动钢液进行脱硫只需3～5分钟，即可达到同样的效果。钢液在静止状态下，夹杂物靠上浮除去，服从于斯托克斯(Stokes)定律，排除速度较慢；搅拌钢液时，夹杂物的除去服从于指数规律,式中Xt和X0分别表示时间s和开始时间(s＝0)时夹杂物的浓度；k为常数，与搅拌强度、类型和夹杂物的特性有关。

处理方式

钢包处理型炉外精炼

炉外精炼

特点是精炼时间短（10～30分钟），精炼任务单一，没有补偿钢水温度降低的加热装置，工艺操作简单，设备投资少。有钢水脱气、脱硫，成分控制和改变夹杂物形态等装置。真空循环脱气法(RH、DH)，钢包真空吹氩法(Gazid),钢包喷粉（CaSi或其他粉剂）处理法(IJ、TN、SL)等均属此类。

钢包精炼型炉外精炼 特点是精炼时间长(60～180分钟)，具有多种精炼机能,有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种(如超纯钢种)的精炼生产。真空吹氧脱碳法(VOD)、真空电弧加热脱气法(VAD)和钢包精炼炉法(ASEA-SKF)等,均属此类。与此类似的还有氩氧脱碳法(AOD)。

工艺特点

炉外精炼具有共同工艺特点：①选择一个理想的精炼气氛条件，通常采用真空、惰性气氛或还原性气氛。②对钢液进行搅拌，可采用电磁感应、惰性气流或机械方法搅拌。③钢液加热，在精炼过程中通常采用电弧加热、埋弧加热、等离子加热或增 工业生产概况

在各种炉外精炼方法中，钢包处理型炉外精炼在工业生产中使用最多

炉外精炼

。70年代末期世界各国投入工业生产的炉外精炼设备约有 400余座。美国和日本生产轴承钢全部都经真空处理(RH法、DH法等)，超低硫钢的生产以及控制夹杂物形态的钢种主要应用钢包喷粉处理法生产（TN法、SL法）。AOD炉利用氩-氧混合吹炼生产不锈钢，铬元素的回收率达98％以上，并可使用高碳铬铁做合金原料，经济效果十分显著。美国的不锈钢生产几乎全部用AOD炉。目前世界上AOD炉生产的不锈钢约占75%。ASEA-SKF炉和VAD炉均采用电弧加热钢液，用电磁感应或氩气流搅拌钢液，可进行长时间的精炼操作，多用于生产高合金钢。这类设备还可作钢液保护炉，用于多炉联合生产特大钢锭。

炉外精炼法可以大幅度地提高冶金质量，并将钢中有害杂质降低到以下水平：【H】0.5～3ppm,【O】5～30ppm，【N】15～50ppm，【C】0.002～0.03％，【S】0.002～0.01％，提高现有炼钢炉生产能力30～50％，使钢液浇铸温度波动幅度保持±3～4℃范围内,生产成本降低13～54%。

炉外精炼的手段

渣洗：最简单的精炼手段；真空：目前应用的高质量

炉外精炼

钢的精炼手段；搅拌：最基本的精炼手段；喷吹：将反应剂直接加入熔体的手段；调温：加热是调节温度的一项常用手段。

3、连铸

简述

连铸即为连续铸钢（英文，Continuous Steel Casting）的简称。在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。而在二十世纪五十年代在欧美国家出现的连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术。与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。

流程

连续铸钢的具体流程为：钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。

连铸坯从连铸机下方拉出

如果连铸生产薄板坯，那么还可以进入连铸连轧工艺进行进一步的加工。连铸除了铸钢之外，还可以铸造铝、铜制产品。连铸工艺的发展史

从二十世纪五十年代开始，连铸这一项生产工艺开始在欧美国家的钢铁厂中，这种把液态钢水经连铸机直接铸造成成型钢铁制品的工艺相比于传统的先铸造再轧制的工艺大大缩短了生产时间，提高了工作效率。到了八十年代，连铸技术作为主导技术逐步完善，并在世界各地主要产钢国得到大幅应用，到了九十年代初，世界各主要产钢国已经实现了90％以上的连铸比。中国则在改革开放后才真正开始了对国外连铸技术的消化和移植；到九十年代初中国的连铸比仅为30％。

WAM公司

WAM公司作为中国最早的一家民营专业化连铸技术公司，从1992年成立起就致力于中国连铸技术的发展和创新，为推动国内连铸钢铁业的迅速发展，提高国内连铸比贡献自己的一份力量。

铸铁水平连铸课题

铸铁水平连铸课题为国家“七五”攻关项目，铸铁经过水平连铸方法生产的型材，无砂型铸造经常出现的夹渣、缩松等缺陷，其表面平整，铸坯尺寸精度高(土L 0mm)无需表面粗加工，即可用于加工各种零件。特别是铸铁型材组织致密，灰铸铁型材石墨细小强度高，球铁型材石墨球细小园整，机械性能兼有高强度与高韧性结合的优点。目前国际上铸铁型材已广泛运用到制造液压阀体，高耐压零件，齿轮、轴、柱塞、印刷机辊轴及纺织机零部件。在汽车、内燃机、液压、机床、纺织、印刷、制冷等 连铸机的结构

连铸机结构示意图

连铸机主要由中间罐、结晶器、振动机构、引锭杆、二次冷却道、拉矫机和切割机组成。

中间罐是装盛钢水的部位，加热成液态的钢水首先装在钢包中，由天车拉运至中间包上方，并把钢水倒入中间包中。中间包中的钢水再经由管道进入结晶器。液态金属的温度可以随合金大幅增加严格控制。

结晶器

结晶器是连铸机的核心部件，连铸生产的主体思想是把液态的钢水直接铸造成成型产品，结晶器就是把液态钢水冷却出固态钢坯的部件，它是由一个内部不断通冷却水的金属外壳组成，这个不断输送冷却水的外壳把与之相接触的钢水冷却成固态。另一方面，结晶器的形状还决定了连铸出的钢坯外形，如果结晶器的横截面是长方形，连铸出的钢坯将是薄板坯；而正方形形状的结晶器横截面拉出的钢坯将是长条形，即方坯。

与结晶器相连的部件是振动机构，该机构在生产过程中通过不断地振动带动结晶器一同振动，排除液态金属中的气体，帮助凝结成固态外壳的钢坯从下方拉出。

引锭杆

引锭杆在连铸机刚开始生产时起拉动第一块钢坯的作用。在液态钢水在结晶器中凝结之后，引锭杆将钢坯从下方拉出，同时拉开连铸生产的序幕。

在拉出钢坯之后，第一个经过的区域是二次冷却道，在二次冷却道中向钢坯喷射冷却水，将钢坯将逐渐从外表冷却到中心，沿着辊道进入拉矫机。

拉矫机的作用是将连铸坯拉直，以便于下一步工序的进行。

拉矫机的后方是切割机。对于生产出不同形状的钢坯，使用的切割机也就不同。连铸薄板坯多用大型飞剪，而条状坯则多使用与钢坯同步前进的火焰切割机。

连铸的主要问题

虽然高度的自动化有助于生产出无收缩铸件，但如果液态金属事先不除尽杂质，在铸造过程中会出现问题。氧化是液态金属杂质的主要来源，气体、矿渣或不溶合金也可能卷入液态金属。为防止氧化，金属尽量与大气隔离。在中间包，任何夹杂物包括气泡，其他矿渣或氧化物，或不溶合金也可能被夹杂在渣层。

一个主要的连铸问题是连铸坯的断裂。如果凝固的金属外壳过薄，有可能导致钢坯在拉出一定长度后下方的金属将上方正在凝结的金属拉断，导致钢水泄露，进而破坏其他机器而发生事故。通常情况下，断裂是由于过高的拉出速度，使凝固的外壳没有足够时间来产生所要求的厚度；也有可能是拉出的金属温度仍然过高，这意味着最终凝固时间大大低于矫直辊和地方链断裂整顿期间，由于应用的压力。阿突破，也可能发生，如造成撕裂。如果传入的金属过热，可以通过减慢拉出速度来防止断裂。

另一个可能出现的问题是碳化物，钢铁与溶解氧反应也可能产生碳化物。由于金属是液态，这种碳化反应是非常的快，同时产生大量高温气体，如果是在中间包或者结晶器中发生碳化反应，氧元素还会反应生成氧化硅或氧化铝，如果产生过多的氧化硅或氧化铝将有可能堵塞中间包与结晶器中间的连接管，进而导致破坏生产。