钢铁生产简介

教学情境一　钢铁生产简介

学习与训练子目标

了解钢铁生产过程 熟悉钢的主要类型

知识点一　生铁的冶炼

炼钢必须先炼铁。

炼铁的主要设备是炼铁炉，现代化炼铁炉高达30～40m以上，故又称为高炉炼铁。炼铁的原料主要有铁矿石、燃料和熔剂等。

铁矿石主要有铁的化合物，如Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO等，并含有脉石，如SiO₂、MnO等。高炉用的燃料是焦炭。焦炭具有热量高，强度高，灰分和硫、磷含量少等特性。工业炼钢熔剂是造渣材料，它能和脉石以及焦炭中的灰分形成低熔点的炉渣，以便与生铁分离。一般脉石多为酸性，所以常用碱性熔剂，如石灰石（CaCO₃） 。炼铁的原料从炉顶装入高炉中，层层相间，热风从炉子下部的风口鼓入，使焦炭燃烧，产生大量高温炉气后，便发生一系列复杂的物理、化学反应。

一、高炉炼铁的物理、化学过程

（一）焦炭的燃烧

焦炭被1 000～1 150℃的热风吹燃后，产生1 800℃左右的高温（C+O₂→ CO₂，放热） ，由于底部焦炭层很厚，CO₂气体上升过程中又被还原（CO₂+C→2CO） ，因此在炉内形成了良好的还原性气氛。

（二）铁的还原

铁矿石在高温还原气氛中，逐渐地由含氧较多的氧化物转变为含氧较少的氧化物，最后变成海绵状夹渣的纯铁。

（三）铁的增碳

海绵铁在900～1 200℃的高温下从CO和焦炭中吸收碳，形成铁碳合金，含碳量达到3%以上，这便是生铁。生铁在1 200℃即可溶化成铁水，滴入炉缸。

（四）造渣

矿石中的脉石和焦炭中的灰分，其主要成分是SiO₂和Al₂O₃，熔点都很高。石灰石的主要成分是CaO，在1 100～1 200℃时它们可发生反应，生成低熔点的硅酸盐炉渣浮在铁水表面，以便从出渣口定时排出。

（五）去硫

焦炭和矿石中都含有硫，并以FeS形式存在。硫严重影响钢的质量，必须去除。通常是加入CaCO₃，通过加热分解生成CaO后除去硫（FeS+CaO→CaS+FeO） ，所生成的CaS将进入炉渣而被除去。

（六）其他元素的还原

铁矿石中还含有硅、锰的氧化物和磷酸盐等杂质，在冶炼过程中也被还原成Si、 Mn、S、P等进入铁水中。

因此，从高炉出来的并不是纯铁，而是以Fe和C为主的并含有Si、Mn、P、S等杂质的多元合金。

二、炼铁的主要产品

（一）炼钢生铁

硅含量较低，碳主要以Fe₃C形式存在，断口呈白色，又称白口铁。硬度高而脆性大，主要作炼钢原料。

（二）铸造生铁

硅含量较高，断口呈灰色，又称灰口铁。硬度较低，是用作铸造机器零件毛坯的主要原料。

（三）铁合金

炼铁时还可以冶炼部分铁合金，如含硅、锰较高的硅铁和锰铁等。常用硅铁和锰铁作为炼钢时的脱氧剂或合金元素添加剂。

知识点二　钢 的 冶 炼

炼钢生铁中含有较多的碳（＞3%）和较多的硅、锰、磷、硫等杂质，因此生铁的强度和韧性很低，限制了生铁的应用。炼钢过程就是通过氧化、造渣等过程把生铁中多余的碳和其他杂质含量减少到规定范围，使其性能获得改善，即为碳钢。炼钢的过程实际上是生铁的氧化过程。

一、炼钢的基本过程

（一）氧化

向铁水中送氧，使其与生铁氧化。铁元素被氧化产生FeO溶于铁水中，放出大量的热。多余的碳被氧化后产生一氧化碳气体，锰和硅被氧化后，形成氧化物炉渣排除。经过氧化，铁水变成钢水。

（二）脱氧

经过氧化冶炼成的钢水中含有大量的FeO，为了减少钢的氧化损失和改善钢的机械性能，必须将FeO还原，这一除氧得铁的过程称为脱氧。常用的脱氧方法是向钢中加入适量的脱氧剂，如锰铁、硅铁和铝等。

（三）降低硫、磷含量

生铁水中硫、磷含量较高，为了保证钢水质量，在冶炼后期还必须进行脱硫、脱磷的操作。

二、常用的炼钢方法

现代炼钢方法有转炉、平炉和电弧炉炼钢法等。

（一）转炉炼钢法

转炉因炉体中部装有水平转轴可以转动而得名，如图6-1所示。现代转炉炼钢是将高压氧气从炉口顶部吹入来氧化铁水，称为纯氧顶吹转炉炼钢法。炼钢所用的原料是生铁水。

由于氧化反应激烈且放出大量的热，因此不需要加燃料，整个操作只须30分钟～40分钟。转炉炼钢法的优点是生产率很高，设备投资及生产费用较少。缺点是化学成分难以控制。一般用来生产普通质量的碳钢。

（二）平炉炼钢法

平炉炼钢主要以液态或固态生铁、废铁、废钢、铁矿石及熔剂等为原料，如图6-2所示。平炉炼钢时，燃料（煤气、天然气和重油）由炉头处喷入炉膛，与经过预热的高温空气混合燃烧，将炉料熔化并产生高温，进行氧化精炼钢。平炉炼钢法的优点是冶炼过程较易控制，容量大，可用于大批量生产。缺点是炼钢时间长，一般要4小时～10小时，且设备费用高。一般用来冶炼普通质量或优质碳素钢和低合金钢。

图6-1　平炉炼钢示意图

图6-2　转炉炼钢示意图

（三）电炉炼钢法

电炉炼钢是3根石墨电极从炉顶插入炉内，通电后，电极与炉料间产生电弧发热，使炉料熔化进行炼钢。电炉炼钢的原料主要选用废钢。电炉炼钢法的优点是电炉内气氛可控制，炉温高，能很好地脱氧和去P、S，因而能炼出高质量的优质或高级优质钢，还可以熔炼含有大量难溶合金元素的特殊钢以及低碳不锈钢。缺点是冶炼成本高。

三、脱氧程度对碳钢质量的影响

根据钢液脱氧程度的不同，碳钢可分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢3类。

（一）镇静钢

钢液在浇注前不仅用弱脱氧剂锰铁，而且还用强脱氧剂硅铁和铝进行充分脱氧，因此钢液的含氧量很低，凝固过程中不发生碳氧之间的反应，没有沸腾现象，液面平静。其化学成分和性能较均匀，组织较致密，质量较好。但有集中缩孔，轧前必须切除，故成材率较低，成本较高。工业中使用的优质和高级优质碳钢和合金钢大部分都是镇静钢。

（二）沸腾钢

钢液在浇注前只用一定量的弱脱氧剂，如锰铁进行脱氧，脱氧不完全，钢液中含氧量较高，且以FeO形式残留在钢液中。钢液在凝固过程中，钢液中的FeO继续与C反应生成CO气体逸出，使钢液产生沸腾现象。这种钢没有集中缩孔，切除量很少，成材率较高，成本较低，但质量不如镇静钢。由于碳的脱氧作用，故沸腾钢多为低碳钢。

（三）半镇静钢

由于采用锰铁和铝进行脱氧，钢液最终脱氧程度介于镇静钢和沸腾钢之间，故在结晶过程中仍有少量的CO放出，形成分散气孔，头部没有集中缩孔。其性能介于沸腾钢和镇静钢之间。