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炼钢

根据所炼钢种的要求把生铁中的含碳量 去除到规定范围，并使其它元素的含量 减少或增加到规定范围的过程。简单地 说，是对生铁降碳、去硫磷、调硅锰含 量的过程。这一过程基本上是一个氧化 过程，是用不同来源的氧(如空气中的氧、 纯氧气、铁矿石中的氧)来氧化铁水中的 碳、硅、锰等元素。化学反应主要是： 2FeO+Si =2Fe+SiO2 FeO+Mn = Fe+MnO 12

1856年，德国工程师威廉· 西门子使用蓄热室为平 炉的构造奠定了基础。1864年，法国工程师马丁利 用有蓄热室的火焰炉，以煤气或重油为燃料，在燃 烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔 化并精炼成钢液。同转炉炼钢法相比，可大量使用 废钢，而且生铁和废钢配比灵活；对铁水成分的要 求不像转炉那样严格，可使用转炉不能用的普通生 铁；能炼的钢种比转炉多，质量较好。 平炉炼钢法问世后立刻为各国广泛采用，成为世界 上主要的炼钢方法。在1930年至1960年的30年间， 世界每年钢的总产量近80％是平炉钢。50年代初期 氧气顶吹转炉投入生产，从60年代起平炉逐渐失去 其主力地位。许多国家的平炉已经或正在陆续被氧 17 气转炉和电炉所代替。
平炉炼钢的发明者是德国人威廉· 西门子。大约从 1846年起，他就开始研究燃料效率问题。1856年威 廉· 西门子和他弟弟弗里德里希· 西门子得到一项将蓄 热原理用于所有需大量热能的炉子的专利。最初，此 法主要是用于玻璃熔化炉，可节省50％的燃料。 将此法用于炼钢，是在炉的两端建有放置 “砖格” 的蓄热室，砖格先由炼钢炉排出的热气加热，然后把 要进炉的空气预热。用固态燃料试验时，很不顺利， 存在着一些问题，诸如炉灰堵塞了蓄热室的砖格等。 1864年法国人马丁改造了炉体，又采用了威廉· 西门 子用蓄热提高炉温的办法，用生铁和废铁炼出了优质 钢。1868年威廉· 西门子用生铁和铁矿石炼钢成功。 这种炼钢法被称做 “西门子─马丁炼钢法”。由于这 种炼钢炉形状低平又有一个平展的熔池，所以被称为 16 “平炉”。这种炼钢法也称为 “平炉炼钢法”。
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对钢材性能产生影响的金属元素

钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要， 要有不同的元素含量． 1 ）碳；含碳量越高，钢的硬度就越高，但是它的可塑性 和韧性就越差． 2 ）硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压 力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性． 3 ）磷；能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温 下更为严重，这种现象叫作冷脆性．在优质钢中，硫和 磷要严格控制．但从另方面看，在低碳钢中含有较高的 硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性有利． 4 ）锰；能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响， 并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢） 具有良好的耐磨性和其它的物理性能． 8


平炉炼钢使用的氧化剂通入的空气和炉料里的氧 化物，（废铁，废钢，铁矿石）。反应所需的热 量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气） 或液体燃料（重油）所提供。

平炉的炉膛是一个耐火砖砌成的槽，上面有耐火 砖制成的炉顶盖住。平炉的前墙上有装料口，装 料机就从这里把炉料装进去。熔炼时关上耐火砖 造成的门。炉膛的两端都筑有炉头，炉头各有两 个孔道，供导入燃料与热空气，或从炉里导炉气 之用。 平炉炼钢所用的原料有废钢、废铁、铁矿石和溶 剂 （石灰石和生石灰）。
2Fe+O2=2FeO FeO+C = Fe+CO





反应生成的一氧化碳很容易从铁水排至炉气中而被 除掉。生成的二氧化硅、氧化锰、氧化亚铁互相作 用成为炉渣浮在钢水面上。生铁中硫、磷这两种元 素在一般情况下对钢是有害的，在炼钢过程中必须 尽可能除去。在炼钢炉中加入石灰(CaO)，可以去 除硫、磷： FeS+CaO=FeO+CaS （进入渣） 2P+5FeO+3CaO = 5Fe+Ca2(PO4)2 （进入渣） 在使碳等元素降到规定范围后，钢水中仍含有大量 的氧，是有害的杂质，使钢塑性变坏，轧制时易产 生裂纹。故炼钢的最后阶段必须加入脱氧剂(例如锰 铁、硅铁和铝等)，以除去钢液中多余的氧： Mn＋FeO=MnO＋Fe Si＋2FeO= SiO2＋2Fe 13 Al＋3FeO= Al2O3＋3Fe
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1890年,―江南机器制造总局”(在上海)建立3吨和 15吨酸性平炉各一座，是中国最早的炼钢平炉。 到1949年除鞍山有一些较大的平炉外，有为数不 多的小型平炉。中华人民共和国建立后，修复、 改造原有的平炉，并建设了新的大中型平炉。进 入70年代后未新建平炉。目前中国平炉钢的产量 约占钢产量三分之一左右。 平炉炼钢特征 可归纳如下三点： 1）从外部供给热量 因平炉炉体庞大, 冶炼时间长, 炉墙散热损失和高温废气带走的热量大，除钢铁 原料中各元素氧化产生热量外，必须从外部供给 燃料和使用预热空气燃烧燃料，方能保持炼钢时 需要的热量。不吹氧的平炉每炼1吨钢大约消耗 100万千卡的热量，相当于140公斤标准煤。 23
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开始冶炼时，燃料遇到导入的热空气就在燃料面上燃 烧，温度高达1800摄氏度。热量直接由火焰传给炉料， 使炉料迅速熔化 （铁的熔点是1535摄氏度，钢略 低）。同时有一部分熔化的生铁生成氧化亚铁，生铁 里的杂质硅、锰被氧化亚铁氧化，声成炉渣。由于炉 里放有过量的石灰石，磷与硫等杂质就生成磷酸钙和 硫化钙成为炉渣。其次碳也进行氧化，生成一氧化碳 从熔化的金属里冒出，好象金属在沸腾一样。 反应快要进行完毕的时候，加入脱氧剂并定时把炉渣 扒出。在冶炼将完成时要根据炉前分析 （用快速分 析法，几分钟可完成）来检验钢的成分是否合乎要求。 炼锝的钢从出钢口流入钢水包里，再从钢水包注入模 子里铸成制品或钢锭。
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3.1 平炉用耐火材料

平炉又称马丁炉，是用煤气或重油作燃料将生铁及废钢 冶炼成钢的融炼炉。按照融炼室使用耐火材料的种类分 为酸性平炉和碱性平炉。 平炉开始建于1865年，20世纪开始替代托马斯转炉炼钢， 而成为世界上的主要炼钢方法。它的优点是原料范围广， 能大量使用废钢，设备能力大（最大平炉有900吨）， 劳动生产率高，钢的品种多，质量好，到1955年全世界 的钢约有81％出自平炉，其中美国为90％，苏联为88％， 日本为83％。 至1950年，平炉其融炼室、炉头和蓄热室上部一直沿用 硅砖砌筑，蓄热室中、下部等部位则用粘土砖或高铝砖 砌筑，故称为酸性平炉，使用寿命较低，炉龄为100～ 15 200炉次。
3 炼钢用耐火材料
3.1 平炉用耐火材料 3.2 转炉用耐火材料 3.3 钢包用耐火材料 3.4 铸锭用耐火材料 3.5 吹气搅拌用耐火材料 3.6 炉外精练用耐火材料 3.7 中间包和连铸用耐火材料 3.8 短流程炼钢用耐火材料
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3 炼钢用耐火材料

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碳 钢 生 产 工 艺流程图
R-H 铁水包 转炉
11 ）镍；能提高钢的强度和韧性，提高淬透 性．含量高时，可显著改变钢和合金的一些物 理性能，提高钢的抗腐蚀能力． 12 ）硼；当钢中含有微量的（ 0.001 - 0.005 ％） 硼时，钢的淬透性可以成倍的提高． 13 ）铝；能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时 效．提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗 氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等． 14 ）铜；它的突出作用是改善普通低合金钢的抗 大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时更为明 显．

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二十世纪50年代左右，烧成镁砖和镁铬 砖等碱性耐火材料的开发和应用，逐步 替代了硅砖砌筑平炉，即为碱性平炉， 使用寿命显著提高，平均炉龄约为1000 炉次。国内平炉始建于1890年，1980年 以来，为了提高平炉炼钢的生产率，多 数平炉逐步改成了顶吹氧气平炉。由于 强化冶炼，炉龄大幅度降低，一般为300 炉次。因此，开发了高级碱性耐火材料 以适应平炉炼钢新工艺的需要。


同时调整好钢液的成分和温度，达到要求可出钢，把钢 水铸成钢锭。
炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。平炉炼钢的 主要特点是可搭用较多的废钢(可搭用钢铁料的20～50 ％的废钢)，原料适应性强，但冶炼时间多。我国目前 主要采用平炉炼钢。转炉炼钢广泛采用氧气顶吹转炉， 生产速度快(1座300吨的转炉吹炼时间不到20分钟，包 括辅助时间不超过1小时，而300吨平炉炼1炉钢要7个小 时)，品种多、质量好，可炼普通钢，也可炼合金钢。 电炉炼钢是用电能作热源进行冶炼。可以炼制化学工业 需要的不锈耐酸钢，电子工业需要的高牌号硅钢、纯铁， 航空工业需要的滚珠钢、耐热钢，机械工业用轴承钢、 高速切削工具钢，仪表工业需要的精密合金等。
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2．按冶炼方法分类： 转炉钢、平炉钢、电炉钢 3．脱氧程度分类： 镇静钢、沸腾钢、半镇静钢 4．按钢的品质分类 普通钢P≤0.045% S≤0.05% 优质钢 P≤0.35% S≤0.35% 高级优质钢 P≤0.25% S≤0.25% 特级优质钢 P≤0.025% S≤0.015% 5．用途分类 结构钢 建筑用钢和机械用钢工具钢 制造各种 工具，如刀具、量具、模具等用钢特殊性能钢 具有特殊的物理、化学性能的钢
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为了提高炉温，气体燃料要在蓄热室 里进 行预热。 在平炉里不但可加入液态生铁，而且可以 加入固态的生铁以及夹攻以后的废铁和铁 矿石等。另外，在平炉里如果用30%的富 氧空气鼓风，同时在熔化的金属里吹入氧 气，可使生产率提高80%，冶炼的时间缩 短2~4小时，并可节约燃料，富氧空气也不 需要预热。
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炼钢是钢铁生产的重要工序,对降低生产成本,提高产品 质量,扩大产品范围,具有决定性影响。 转炉是目前国内最主要的炼钢方法, 其产量已超过全国 钢产量的80%。 根据2001年国内大中型钢铁企业统计, 国内共有转炉223 座, 转炉公称吨位总计为10960t。我国大、中、小型转 炉的炉型结构基本合理, 其中大型转炉19座, 其公称吨 位总计为4180t, 占国内转炉公称吨位总量的38.1%; 中 型转炉42座,其公称吨位总计为3981t,占36.3%; 小型转 炉162座, 公称吨位总计为2800t, 占25.6%。 从实际生产能力分析, 小型转炉仍是目前国内钢铁生产 的主体。其钢产量在2003年达到8425万t, 占全国当年转 炉钢总产量的51%; 而大、中型转炉产量分别为3524.7 万t和3665.7万t, 分别占当年全国转炉钢产量的21.7%和 22.5%。