1、冶金学之炼钢篇,阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2011年5月3日6月30日/1#教学楼301,（No10）,2018/6/22,东北大学/阎立懿,2,主 要 内 容,第一章 炼钢概述第二章 炼钢基础理论第三章 炼钢原材料第四章 转炉炼钢法第五章 电炉炼钢法,2018/6/22,东北大学/阎立懿,3,第四章 转炉炼钢法之底吹与复吹炼钢法： 4.4 氧气底吹转炉技术发展，底吹介质及设备特点 底吹方法有：OBM、LMS、Q-BOP，比较顶吹冶金特点如下： 1）优点吹炼过程平稳，喷溅及喷溅损失少；（FeO）含量低、渣量少，金属及合金收得率高；氧气脱碳效率高、脱碳速度快，氧气消耗降低；锰氧化减少、残锰量增
2、多，降低锰铁合金消耗；熔池搅拌强烈，脱硫能力强，氮含量低；铁的蒸发损失及烟尘少。 2）缺点 炉龄（炉底寿命）较低； （FeO）含量低，化渣比较困难，脱磷能力较低；碳氢化合物冷却剂作用，使钢中H含量较高。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,4,4.5 氧气复吹转炉炼钢法弥补了顶、底吹炼的不足，是顶吹和底吹技术发展的必然结果； 类型：氧、氧；氧、氩或氮；氧、氧+石灰粉剂； 复吹方法：LBE/法钢研，LD-KG/川崎，LD-OB/新日铁，STB/住友，K-BOP/川崎等； 复吹与顶、底吹转炉炼钢法比较突出优点： 1）熔池搅拌强度高； 2）成渣速度快； 3）脱碳速度高而均匀，且不易引发喷溅； 4）
3、脱磷、脱硫效果好； 5）冶炼周期短、生产率高。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,5,氧气转炉炼钢法冶金特点比较,2018/6/22,东北大学/阎立懿,6,第五章 电炉炼钢法,电炉炼钢及其发展电炉设备及其电热特性电炉炼钢冶炼工艺超高功率电炉及其相关技术,2018/6/22,东北大学/阎立懿,7,5.1.1 何谓炼钢电炉 电炉是采用电能作为热源进行炼钢的炉子的统称。按电能转换热能方式的差异，电炉可分为：电渣重熔炉利用炉渣的电阻热；感应熔炼炉利用电磁感应；电 子束 炉依靠电子碰撞；等 离子 炉利用等离子弧；电弧炉利用高温电弧，不含加热炉、热处理炉等。,5.1 电炉炼钢及其发展,2018/6/2
4、2,东北大学/阎立懿,8,目前，世界上电炉钢产量的95%以上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。 电炉炼钢工作原理 是以废钢为主要原料，以三相交流电作电源，利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温，来加热、熔化炉料。它是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法（现在也用来生产普通钢）。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,9,5.1.2 电炉炼钢发展,1）历史发展,2018/6/22,东北大学/阎立懿,10,电炉是在电发明之后的1899年，由法国的海劳尔特（Heroult）在La Praz发明的。它被建在阿尔卑斯山（Alps）的峡谷中，原因是在距它不远处有一个火力发电厂。 电炉的出
5、现，开发了煤的替代能源，使得废钢开始了经济回收，这最终使得钢铁成为世界上最易于回收的材料，也为可持续发展做出巨大贡献。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,11,贝塞麦、托马斯法成为历史，平炉法也将完成它的使命，氧气转炉走向成熟，电弧炉方兴未艾。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,12,上个世纪六十年代前，平炉钢产量高达80，1952年LD转炉的出现及大发展，以及电炉的稳步发展，自六十年代中期开始，平炉钢产量锐减，一些主要产钢国纷纷拆除平炉，如日本的1976年、前西德的1982年、美国的1985年、加拿大的1992年 我国冶金行业最后一座平炉包钢1号平炉，在2001年12月28日上午10
6、时30分，出钢后宣告正式关停。我国重型行业最后一座平炉洛阳铸锻厂平炉在2004年初扒除。 目前，仅有少数几个国家存在平炉，如俄罗斯、乌克兰等。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,13,2）由炼钢法兴衰看电炉发展,电炉炼钢在这110多年中，其发展速度不如二十世纪60年代前的平炉，也比不上60年代后转炉发展的那样快，但随着科技的进步，世界电炉钢产量及其比例始终在稳步增长。 尤其二十世纪70年代以来，电力工业的进步，科技对钢的质量和数量的要求提高，大型超高功率电炉技术的发展以及炉外精炼技术的采用，使电炉炼钢技术有了长足进步。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,14,3）由钢产量与产品结构变化
7、看电炉发展,钢产量,2018/6/22,东北大学/阎立懿,15,世界粗钢总量与电炉钢比的变化情况,世界2001年前的20多年一直在7.08.0亿吨间徘徊，电炉钢产量比例一直在稳步上升，由十几增至三十几。 2001年达到35.1%，之后电炉钢产量比例有所回落并一直在30%34%之间徘徊。2009年跌破30%，达到28.2%。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,16,美国 是世界上主要产钢国，其电炉钢产量最高、比例逐年增加。原因是有丰富的废钢资源和充足的廉价电力，使得电炉发展迅速，见下表：,与美国有类似的情况的韩国及印度电炉钢发展及其电炉钢比例/%情况见下表：,2018/6/22,东北大学/阎
8、立懿,17,2004年电炉钢比例超50%的国家见下表：,日本 19851994年9年间，电炉生产能力增加了2074万吨（73%），而高炉转炉能力降低了2619万吨。电炉钢产量比例由29%提高31.6%，1996年达到33%，2007年达到3100万吨。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,18,德国转炉钢增2%，电炉钢增102%；2006年达到33.1%。法国转炉钢减32%，电炉钢增138%；西班牙转炉钢减27%，电炉钢增119%；意大利转炉钢不变，电炉钢增24%。,欧洲 19781998年20年间转炉钢与电炉钢产量的变化如下：,2018/6/22,东北大学/阎立懿,19,其他国家的情况：
9、从1995至2001年，韩国从37.8%增加到43.6%（+5%）、印度从29.7%增长到42.5%（+10%），到2006年分别为45.7%、50.5%； 2008年意大利转炉钢厂仅有3家、电炉钢厂有37家，电炉钢比64。 也就是说，电炉钢比例全世界为1/3，部分发达国家超过1/2。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,20,中国电炉钢比例下降原因：其是房地产业的高速发展、建筑钢产需求大幅度增加、粗钢产量的猛增，以及废钢短缺、质量差、价格高，电力供应紧张、电价高，吨钢成本高，使得电炉增长的幅度减小、电炉钢产比例降低。 但电炉钢产量一直在增加，由1993年的2000万t，到2008年的634
10、0万t，超过美国成为电炉钢产量最高的国家.,2018/6/22,东北大学/阎立懿,21,钢的品种结构实现“全方位竞争” 电炉钢不但在传统的特殊钢和高合金钢领域继续保持其相对优势，而且正在普钢领域表现出强劲的竞争态势。 在产品结构上，电炉钢几乎覆盖了整个长材领域，诸如圆钢、钢筋、线材、小型钢、无缝管，甚至部分中型钢材等。并且正在与转炉钢争夺板材（热轧板）市场。 总之，电炉的发展使得平炉完成它的使命，并与转炉形成竞争，此格局将在较长时期内存在。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,22,5.1.3 电炉炼钢的发展前景,电炉从诞生至今已超过110年了，在这百年中电炉的设备、工艺技术在不断发展，产量
11、不断地提高，废钢电炉炼钢流程越来越显示出经济效益与环境优势，有利于钢铁工业的可持续发展。 （1）可持续发展概念 其概念是在1992年6月联合国在巴西里约热内卢召开“环境与发展大会”上提出的，会上100多个国家首脑参加，并签署了“关于环境与发展的里约热内卢宣言”，会议要求将可持续发展纳入到各国政策和具体行动中。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,23,“可持续发展”定义： “满足当代人物质文化需求，又不危机后代人发展和生存的需求”人类必须遵循的原则。 这一概念的提出，是人类实现持久发展和生存观念的根本改变。我国是签署国之一，并于1994年发布了“中国21世纪人口、环境与发展白皮书”，其后又将
12、可持续发展作为重要战略纳入“九五”计划和“2010年远景目标”，将可持续发展与科教兴国并列为我国今后发展的两大基本战略*,2018/6/22,东北大学/阎立懿,24,（2）废钢铁资源 废钢铁是电炉的主要原料，随着地球上钢铁积累量的不断增加，废钢铁资源逐年递增，不断产生的废钢铁通过经济的回收、回炉熔炼，并可反复使用。从某种意义上讲，这是一个无穷无尽的铁资源。 为此，各个国家均把废钢铁视为宝贵资源，各种物质的回收情况及世界历年废钢的消耗情况如下：,2018/6/22,东北大学/阎立懿,25,世界历年废钢的消耗情况,钢铁积累量到2010年已超过452亿吨，就目前世界范围来看，废钢资源是不缺乏的，而且
13、随着钢铁积累量的增加，废钢利用率的提高，可利用的废钢量将继续增加。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,26,（3）能源供应,电炉用电能炼钢，除废钢原料外，电能占炼钢成本比例最大。随着电力工业的发展，对电炉尤为有利。美国电炉发展速度快的原因是与电力充足、电价便宜分不开的。 另外，废钢铁为非氧化物，相比铁氧化物来说属于一种化学能的载能体载能原料，几乎可以无限再生利用。使用废钢代替生铁炼钢，可以节约生产生铁过程所需的能源消耗，每吨生铁大约需消耗500600kg标煤，所以多用废钢可以降低能源消耗。 这使得“废钢电炉炼钢流程”比“高炉转炉炼钢流程”的吨钢能耗减少约一半50%。,2018/6/22,东
14、北大学/阎立懿,27,两种流程吨钢可比能耗比较（kgce）,2018/6/22,东北大学/阎立懿,28,（4）炼钢生产流程,当今钢铁工业所采用的炼钢流程，经100多年的发展竞争，目前基本形成了两类流程：以铁矿石、煤炭为源头的“高炉转炉炼钢流程”；以废钢、电力为源头的“废钢电炉炼钢流程”。 炼钢生产流程： （矿石）采、选矿高炉铁水预处理 转炉炼钢炉外精炼连铸轧钢（钢材） （废钢）电炉炼钢炉外精炼连铸轧钢（钢材）,2018/6/22,东北大学/阎立懿,29,先进高炉转炉流程中物流的温度时间轨迹,1-矿石；2-烧结机；3-矿槽；4-高炉出铁；5-转炉装料；6-转炉出钢；7-精炼；8-连铸；9-铸坯传
15、送；10-加热炉；11-轧制,2018/6/22,东北大学/阎立懿,30,电炉薄板坯连铸连轧流程中物流的温度时间轨迹,1-装料；2-电炉出钢；3-精炼；4-连铸；5-均热炉；6-轧制,2018/6/22,东北大学/阎立懿,31,废钢电炉炼钢流程，具有流程短，设备布置、工艺衔接紧凑，投入产出快，故称其为“短流程”（1000200min）。 “短流程”的特征：该流程必须是高效、节能，是世界上流行的“三位一体” （一个车间内由电炉炉外精炼连铸组成的炼钢流程），或者“四个一” （一个厂内由电炉炉外精炼连铸连轧组成的流程） 。也正是由于这种高效、节能的短流程才赋予给电炉炼钢强大的生命力。,2018/6/
16、22,东北大学/阎立懿,32,“短流程”的优越性：,投资省1/3以上：每吨钢的投资长流程为10001500美元/t，短流程为500800美元/t ；建设周期短 1/3以上：长流程为24年，短流程为12年；生产能耗低 1/2；劳动生产率高 13倍：长流程为500900t/a.p，短流程为10003000 t/a.p ；占地面积小 1/23/5；环境污染少：可减少冶金渣40% 、减轻水污染76% 、减少废弃物97%、减少废气88%。尤其是减少废气主要是CO2的排放量，改善生态平衡、有利于可持续发展。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,33,（5）电炉炼钢与生态环境,由于钢的良好的可再生性，以及
17、环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求，使得尽可能多的利用废钢成为国际趋势，国家政策也向此倾斜（作为垃圾而减税）。 废钢如得不到有效的回收和利用，将成为巨大的潜在环境污染源，有些甚至可能对水质、土壤等构成严重威胁。大量锈蚀的钢铁废料，不但造成资源的浪费，也将造成严重的粉尘污染。 废钢的堆积本身也给环境带来不利影响。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,34,早在1972年6月5日在瑞典首都召开的“联合国人类与环境会议”，会议通过了“人类环境宣言”，指出了“人类只有一个地球可以赖以生存” 。 对我们每一个人而言，必须清楚“这个地球不是从上一代人那里继承的，而是从我们的子孙后代手里借来的”！ 会议
18、建议并经联大通过，将大会的开幕日这一天作为“世界环境日” ，即每年的6月5日举行“世界环境日”纪念活动，发表环境现状的年度报告书及表彰“全球500佳”，并根据当年的世界主要环境问题及环境热点，有针对性地制定每年的“世界环境日”主题。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,35,印度被选定为2011年“世界环境日”纪念活动的主办国，主题是“Forests: Nature at Your Service”“森林：大自然为您效劳”。强调森林的生态价值，提高人们森林保护意识。,中国2011年的主题：“共建生态文明，共享绿色未来”。强调生态文明、绿色发展理念和公众参与，号召全社会行动起来为可持续发展之路
19、做出贡献。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,36,2009年11月24日发布的哥本哈根诊断报告指出，到2100年全球气温可能上升7 ，海平面可能上升1000mm以上。现今全球工业化加速，CO2的排放与日俱增，南极升温将会变快，冰雪融化后果不堪设想。 为了限制全球气候变暖，各国领导人于1997年由“联合国气候变化框架公约”缔约方，在日本签署了“京都议定书”，并于2005年2月16日正式生效。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,37,2009年12月在丹麦召开联合国气候变化框架公约第15次缔约方会议，经过数日的“混战”之后，最终通过了哥本哈根协议。结果虽然不够理想，但各缔约方对于限制全球
20、气候变暖还是有充分认识及决心的。 在2009年哥本哈根联合国气候大会前，中国政府就主动宣布了中国到2020年温室气体排放控制目标，即到2020年，单位GDP碳排放比2005年降低4045，为推动全球应对气候变化工作做出了巨大努力。 但这确实是一个很艰巨的任务，中国目前环境保护的形势还是非常严峻的。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,38,根据再生能源国际经济论坛（IWR）报道，2009年全球二氧化碳排放量约为311亿吨，其中中国为74.3亿吨，占全球总量的23.9%，连续三年取代美国成为世界上最大的温室气体排放国，年人均约5.4吨；美国为59.5亿吨，占全球总量的19.1%，年人均约19.
21、5吨。 哥本哈根气候会议的“混乱”，也说明“减排”是一个非常艰巨的任务，世界各国必须要花大气力进行研究寻求减少温室气体排放的办法。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,39,就钢铁工业来说，全世界钢铁工业二氧化碳排放量占人类总排放的5左右，而中国二氧化碳排放量约占全国排放量的14%左右。 主要减排法有：减少高炉还原剂用量，如降低焦比，减少CO2排放量；增加转炉炼钢废钢比例，如减少铁水产量，减少CO2排放量；发展电炉炼钢，用电炉流程取代高炉转炉流程。 看一个例子，说明钢铁工艺是排放大户，同时说明电炉炼钢有利于环境保护,2018/6/22,东北大学/阎立懿,40,高炉转炉薄板坯连铸连轧流程物质、
22、能源及环境负荷情况,2018/6/22,东北大学/阎立懿,41,电炉薄板坯连铸连轧流程物质、能源及环境负荷情况,2018/6/22,东北大学/阎立懿,42,流程与物质、能源及环境负荷情况比较,说明：电炉短流程的吨钢综合能耗仅为长流程的47%，吨钢有害气体排放仅为长流程的35.9%，比较说明电炉炼钢节能、减排有利于环境保护。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,43,因此，有的国家还对吨钢温室气体排放量作出规定：“高炉转炉热轧”长流程与“电炉热轧”短流程分别为1400kg与160kg，即相当于短流程减排88.6%以上。 我国是世界第一产钢铁大国，钢铁工业是二氧化碳排放大户。目前，钢铁工业年二氧
23、化碳排放总量超过8亿吨，占全国二氧化碳排放总量的14以上。目前，我国的电炉钢比例仅为12左右，不合理、且发展空间很大，如将我国电炉钢比例提高一倍的话，经计算其减排量超过7000万吨，相当于减少钢铁工业年二氧化碳排放总量的10%。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,44,综上分析可见，充足的废钢资源与环保意识的加强，以及能源与流程的优势，有利于钢铁工业的可持续发展，使得以废钢为主要原料的电炉炼钢前途看好。近年世界范围电炉“短流程”的发展及其钢产量的增长，也正是由于电炉短流程的经济效益与环境优势。电炉炼钢有利于环境保护，无论从当前还是长远考虑，都会迫使人们去发展电炉的。,2018/6/22,东北大学/阎立懿,45,课后思考题,30、何谓炼钢电炉，炉子种类，电炉炼钢工作原理。 31、谈一谈世界范围废钢资源情况，并由此分析电炉炼钢的发展前景；32、何谓“短流程”，相比较它具有哪些优点，电炉炼钢工艺路线的“三位一体”、“四个一”指什么？33、不同炼钢流程，生产一吨粗钢大约排放多少二氧化碳？,
