1 炼钢工艺发展概述亨利·贝塞麦于1855年发明了酸性空气底吹转炉炼钢法,首次解决了用铁水冶炼液态钢的问题，使得炼钢生产的质量、产量实现了跨越性质的提高。

相隔10年之后，法国人马丁利用蓄热池原理发明了平炉炼钢法。

由于平炉炼钢法适应于各种原材料条件（铁水和废钢可用任何比例），平炉炼钢法长期占居炼钢工艺主导地位，平炉钢占全世界总产钢量的80%以上。

湘钢在1999年以前一直处于这种局面：平炉—→模铸—→初轧开坯—→模列式轧机—→普通线材，采用多火成材工艺，成本消耗偏高，多项技术经济指标在全国冶金行业内排名一直靠后。

1940年代，大型空气分离机问世后，能够提供高纯度、大量廉价的氧气，随后诞生了氧气顶吹转炉。

1952年在奥地利林茨城和1953年在多纳维茨城先后建成了30吨的转炉车间并投入工业生产。

由于转炉生产率高，成本低，质量较高，投资低于平炉，便于实现自动化，因此在世界上发展迅速，并逐步取代了平炉。

回顾二炼钢厂自1996年8月1#转炉投产以来的发展进程及其对于湘钢的生存环境所带来的影响，也印证了这一规律。

自从20世纪开始发展电炉炼钢，该工艺长期以来一直作为熔炼特殊钢和高合金钢的方法。

由于质量要求很高和市场需求巨大，伴随电力工业技术进步和供电能力提高，采用超高功率电弧炉和炉外精炼技术已经成为国内外应用日益广泛的冶金生产方式。

我国电力建设的大发展，电弧炉炼钢工艺也将逐步改变其目前状况。

氧气转炉炼钢工艺已成为目前世界上最为主要的炼钢方法，即使到21世纪的前期，转炉钢的生产比例仍将保持在60～70%。

回顾50年氧气转炉炼钢发展史，可以划分为三个发展时期：转炉大型化时期（1950～1970年）这一历史时期，以转炉大型化为技术核心，逐步完善转炉炼钢工艺与设备。

先后开发出大型转炉设计制造技术、OG除尘与煤气回收技术、计算机自动与副枪动态控制技术、镁碳砖综合砌炉与喷补挂渣等护炉技术，转炉炉龄达到2000炉。

转炉技术完善化时期（1970～1990年）这一时期，由于连铸技术的迅速发展，出现了全连铸的炼钢车间。

中国于1972年在重庆钢铁公司投产了第一台用于工业化生产的板坯连铸机。

随着对转炉炼钢的稳定和终点控制的准确性等要求越来越高，为了改善转炉吹炼后期钢渣反应远离平衡，实现平稳吹炼的目标，综合顶吹、底吹转炉的优点，研究开发出各种顶底复合吹炼工艺，在全世界迅速推广。

这一时期，转炉炉龄达到5000炉。

转炉综合优化时期（1990～2010年）这一时期，社会对洁净钢的生产需求日益增加，迫切要求建立一种全新的、能大规模廉价生产洁净钢的质量保证体系。

围绕洁净钢生产，研究开发出铁水“三脱”预处理（脱硫、脱磷、脱硅）高效转炉生产，全自动吹炼控制与长寿炉龄（主要技术核心为溅渣护炉）等重大新工艺技术。

这一时期，转炉炉龄普遍超过10000炉（目前国内最好水平为武钢二炼钢炉龄突破30000炉）。

湘钢转炉炉龄业已超过18000炉，居于国内同行业指标前列。

近终型连铸技术及铸坯热送装技术的深入开发，形成了更为紧凑、高效的炼钢—轧钢短流程生产线，使联合企业逐步走向一个炼钢厂的生产体制，降低投资成本和生产成本，大幅度提高了生产效率。

★思考点1、转炉炼钢工艺发展的主要历程。

2、铁水预处理的作用与效能。

2基本知识2.1钢和生铁钢和生铁都是铁和碳组成的合金，同属于黑色金属，但其性质有明显的区别：生铁硬而脆，焊接性差；而钢的强度和塑性、韧性等可以在很宽的范围内予以调整，可以进行焊接、轧制和加工成各种形式的产品。

钢和生铁的性能之所以不同，主要是由于碳和其他合金元素的含量不同。

通常以含碳量 1.7%作为钢和生铁的区分界限：含碳量1.7～4.5%的铁碳合金叫做生铁；含碳量低于1.7%的铁碳合金叫做钢。

生铁主要是由高炉冶炼，分为炼钢生铁、铸造生铁及合金生铁三种。

★思考点1、钢和铁的区别。

2、叙述钢和铁各自的性能差异。

2.2铁水炉外脱硫铁水预处理是指铁水进入炼钢炉之前所进行的某种处理，它可以分为普通铁水和特殊铁水的预处理。

普通铁水预处理有脱硫、脱硅、脱磷和同时脱磷脱硫等；特殊铁水预处理有脱铬、提钒、提铌和提钨等。

以前炉外处理是作为避免出现号外铁水的补救措施。

由于它在技术上合理和经济上优越，逐渐演变为当今用于扩大原材料来源，提高钢材质量，拓宽品种结构和提高技术经济指标的必要生产手段。

现代铁水预处理技术的日益成熟，已经构成现代化钢铁厂中的重要组成部分。

炉外脱硫的基本原理是使用与硫的亲合力比铁大的元素或化合物，加入铁水中以夺取硫化铁中的硫，使之转变为更为稳定的、极少熔解或完全不溶于铁液的硫化物。

铁水脱硫的条件比钢水优越得多，脱硫效果比钢水炉外脱硫高约4～6倍，其原因是：铁水当中碳、硅、磷等元素含量高，使硫在渣中的活度系数提高，铁水中含氧量低，有利于脱硫反应的进行。

铁水脱硫剂有碳化钙（CaC2）、氰氨化钙（CaCN2）、石灰（CaO）、苏打粉（Na2CO3）、金属镁等，还有以它们作为主要成份的各种复合脱硫剂。

我厂目前使用的铁水脱硫剂为钝化颗粒镁，其中镁的含量大于92%。

按照脱硫剂与铁水之间的混合搅拌方式，铁水炉外脱硫大致可以分为如下几类：1、铁流搅拌式：它靠铁水流的冲击使铁水与脱硫剂混合搅拌。

其优点是设备简单，容易操作，但搅拌不均，混合不充分，因而脱硫效率低，稳定性差。

适宜于设备简陋、铁水含硫量高的小钢铁厂。

2、机械搅拌式：靠沉入铁水中的搅拌器或铁水容器运动使铁水与脱硫剂搅拌混合。

搅拌时间和搅拌强度均可控制，此方法需要一定的设备，但脱硫效率高，属于这种方式的有摇包法、KR法等，多用于大型钢铁厂。

3、喷吹气体搅拌式：把氮气、氩气、压缩空气等吹入铁水，或者作为运载气源吹入铁水，使铁水与脱硫剂搅拌混合。

此类方法具有操作灵活、控制方便、搅拌效果好、脱硫效率高、处理铁水能力大等优点，很适合用于大型钢铁厂。

4、钟罩插入式：靠镁蒸汽从钟罩孔逸出搅动铁水，使铁水与脱硫剂混合。

5、涡流搅拌式：靠电磁搅拌器或涡流装置搅动铁水，使铁水与脱硫剂混合。

目前许多钢厂仍在不断探索，试图研制出新的铁水脱硫方法和廉价、高效率、少污染环境的新脱硫剂。

此外还研究适应铁水脱硫使用的高寿命耐火材料，以及脱硫渣的处理和综合利用。

必需指出：渣中的硫含量是铁水中硫含量的1000倍以上。

此外，铁水渣的酸性成份影响转炉冶炼终点命中率，降低炉龄。

因此，兑入转炉的高炉铁水要实行扒渣处理，铁水带渣量不得超过0.5%。

此外，对于硫含量较高的铁水实施炉外预处理，减轻转炉脱硫负担，不但简化了脱硫操作，而且有利于提高脱硫效果和转炉技术经济指标。

但它毕竟增加了炼铁和炼钢之间的工艺环节和操作。

当铁水含硫量不高而钢种成份又要求较宽时，无需进行预处理。

★思考点1、铁水预处理包括哪些工艺流程。

2、经过预处理的回收渣铁对转炉冶炼有何危害？3、我厂选择喷吹镁粉脱硫的现实意义。

2.3 炼钢的基本任务1、脱碳。

将生铁中的碳大部分去除，同时随着碳的氧化，2C+O2→2CO↑，在CO气体的排出过程中，同时脱除[H]、[N]。

2、去除杂质。

生铁中[S]、[P]含量高，而钢中[S]会造成钢的“热脆”；[P]造成“冷脆”。

通常钢中[S]、[P]愈低愈好。

炼钢必须脱除[S]、[P]等有害杂质。

3、升温。

铁水温度一般在1250～1350℃，而钢水的出炉温度一般在1600℃以上，才能顺利进行铸锭或铸坯工作。

因此炼钢过程也是一个升温过程。

4、合金化。

在冶炼过程中，生铁中的[Si]、[Mn]等元素大部分氧化掉了。

为了保证成品钢中的规定成份，要向钢水当中加入各种合金元素。

5、脱氧。

在炼钢后期钢中氧含量增加，为了将过多的氧去除，就必须完成“脱氧”工作。

2.4 熔渣的性质炼钢熔渣的性质对炼钢生产的技术经济指标有巨大的影响。

熔渣的性质是熔渣结构的外部特征，它包含物理性质和化学性质。

化学性质包括碱度和氧化能力。

在熔池为碱性的炼钢炉中，炉渣是碱性的，它具有较强的去除[P]和[S]的能力。

通常的顶吹转炉炉渣大约有35～45%（CaO），60～65%（CaO+MgO+MnO），5～25%（FeO）和20～25%（SiO2+P2O5+Al2O3）。

CaO是含量最多而且碱性又最强的氧化物，SiO2是含量最多而且酸性最强的氧化物，CaO 、SiO2和P2O5三者的含量对炉渣的酸碱性从而对炉渣的去P和去S能力起决定性的作用。

炉渣碱度及R常用CaO和SiO2含量的比值来表示：R=（% CaO）/（% SiO2）顶吹转炉冶炼过程中R值通常波动在1.5～4.0范围内。

炼钢熔渣的物理性质通常包括如下几点：①导电性。

主要受熔渣的成分和温度影响。

②导热性。

炉渣的导热性显著低于金属。

③密度。

炉渣密度通常波动在2800～3200kg/m3范围内，温度升高则密度降低，当其中（FeO）和（MnO）增加时密度增大。

④粘度。

炉渣粘度是影响炼钢熔池中各类扩散过程的重要因素，受成份和温度的影响很大。

由于炼钢熔渣属于多相物质，粘度随碱度的提高而增大。

因此提高熔池温度和加入可使炉渣熔点降低的熔剂（如矿石、萤石等）可以降低炉渣粘度。

⑤表面张力。

熔渣的表面张力与熔渣的泡沫化、渣—钢之间的乳化、脱氧产物及夹杂物的凝聚上浮、炉衬的侵蚀等冶炼过程多相反应都有重要关系。

2.5 转炉炼钢过程中杂质去除反应在通常的氧气转炉炼钢过程中，总是要将C、Si、Mn、P、S去除到钢种规定的要求。

溶解在钢液中的碳和氧按如下两个反应进行氧化：[C]+[O]={CO}[C]+2[O]={CO2}[CO2]+[C]=2{CO}前一反应是钢冶金中最基本的脱碳反应，后一反应在碳氧化中占的比重只是在[%C]＜0.05的情况下比较显著，在[%C]＞0.1的情况下占的比重很小。

在顶吹转炉中，Si和Mn在吹炼初期进行强烈氧化。

Si与O的亲合力显著大于Mn，故Mn的强烈氧化期滞后于Si。

Si和Mn的氧化是在钢—渣界面上进行的，属于典型的多相反应，由如下两个环节组成：（1）渣中氧化铁溶解到金属中（FeO）=[O]+[Fe]（2）在钢—渣界面上进行Si和Mn的氧化反应[Si]+2[O]=（SiO2）[Mn]+[O]=（MnO）[Mn]+（FeO）=（MnO）+[Fe]磷的氧化由以下环节组成：（1）在渣钢界面上5（FeO）=5[Fe]+5[O]（2）在与渣相邻的金属层中2[P]+5[O]=（P2O5）（3）在与金属相邻的渣层中（P2O5）+4（CaO）=（4 CaO·P2O5）总反应式为：2[P]+5（FeO）+4（CaO）=（4 CaO·P2O5）+5[Fe]铁水含硅量对磷的氧化过程有重要影响：铁水含硅量高，不但要夺取供入熔池的更多的氧，而且也提高了渣中SiO2的活度，并且阻碍石灰的熔解。

脱硫则主要是依靠硫向炉渣的转移。