冶金學(xué)作業(yè)（冶金07-3尤大利）煉鋼工藝技術(shù)發(fā)展一、 早期冶煉工藝煉鐵技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程。人類最早使用的是熟缺，人們在土坑里將木炭引燃并鼓入空氣，在不高的溫度下還原鐵礦，得到海綿狀的熟鐵，經(jīng)鍛打可以制造工具。在世界歷史上，中國、印度、埃及是最早用缺的國家，也是最早掌握冶煉技術(shù)的國家，比歐洲要早1900多年。根據(jù)出土歷史文物和考古專家的研究，中國殷代時期就有了鐵器。遠(yuǎn)在2500年以前，中國已采用較大規(guī)模的冶鐵鼓風(fēng)爐，發(fā)明和掌握了冶鑄技術(shù)，逐步由青銅時代過渡到鐵器時代。公元前200多年的戰(zhàn)國時代，中國已經(jīng)掌握了生鐵脫碳技術(shù)，發(fā)明了“自然鋼”的冶煉法，造出了非常堅韌而鋒利的寶劍。東漢初期，南陽地區(qū)已經(jīng)制造出水力鼓風(fēng)機(jī)，擴(kuò)大了冶煉生產(chǎn)規(guī)模，產(chǎn)量和質(zhì)量都得到了提高，使煉鐵生產(chǎn)向前邁進(jìn)了一大步。北宋時期冶缺技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，由皮囊鼓風(fēng)機(jī)改為木風(fēng)箱鼓風(fēng)，并廣泛以石炭（煤）為煉鐵燃料，當(dāng)時的冶鐵規(guī)模是空前的。在大通（山西交城西北X徐州的利國、兗州的萊蕪（山東萊蕪南、揚(yáng)州的利安（河南安陽附近）設(shè)四監(jiān)，全國設(shè)十二冶、十務(wù)、三十五場，經(jīng)營冶鐵業(yè)。當(dāng)時規(guī)模最大的冶鐵中心一一利國監(jiān)，設(shè)有三十六個冶場，工匠約四千人。元朝初年，意大利人馬可波羅到了中國，看到了中國用“黑石”（煤炭）做燃料來冶鐵，詫為奇事。二、 底吹空氣轉(zhuǎn)爐的發(fā)明最早可以熔煉鋼水的方法是1740年出現(xiàn)的坩堝法，它是將生鐵和廢鐵裝入石墨和黏土制成坩堝，內(nèi)用火焰加熱熔化爐料，之后將熔化的爐料鑄成鋼錠，但此種方法不能去除鋼中的有害雜質(zhì)。第一次解決用鐵水直接冶煉鋼水這一難題的是1856年英國人H.Bessemer發(fā)明的底吹酸性空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法。將空氣吹入鐵水，使鐵水中錳、硅、碳高速氧化，依靠這些元素放出的熱量將液體金屬加熱到能順利地進(jìn)行澆注所需要的溫度，從此開創(chuàng)了大規(guī)模煉鋼的新時代。由于采用酸性爐襯和酸性渣操作，吹煉過程中不能去除硫、磷，同時為了保證有足夠的熱量來源要求鐵水有較高的含硅量。故只能用低磷高硅生鐵做原料。由于低磷鐵礦的匱乏（特別在西歐地區(qū)），這種煉鋼方法的發(fā)展受到限制。1878年，英國人S.G.Thomas發(fā)明了堿性底吹空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法（即托馬斯法），用白云石加少量粘結(jié)劑制成爐襯，在吹煉過程中加入石灰造堿性渣，解決了高磷鐵水的脫磷問題。這種方法特別適用于西歐一些國家，曾在德國、法國、比利時和盧森堡等國家得到充分發(fā)展。但空氣底吹堿性轉(zhuǎn)爐鋼水中氮的含量高，爐子壽命也比較低。三、 平爐時代十八世紀(jì)各國工業(yè)的迅速發(fā)展使全世界的廢鋼數(shù)量與日俱增，人們開始尋求廢鋼作為原料經(jīng)過熔煉得到合格良錠的冶煉方法。1864年，德國人西門氏和法國人馬丁同時發(fā)明了平爐。利用蓄熱室原理以鐵水、廢鋼為原料的酸性平爐法煉鋼。于1880年繼托馬斯煉鋼法以后，出現(xiàn)了第一座堿性平爐。由于堿性平爐能適用于各種原料條件，生鐵和廢鋼的比例可以在很寬的范圍內(nèi)變化，解決了廢鋼煉鋼的諸多問題，鋼的品種質(zhì)量也大大超過空氣轉(zhuǎn)爐，因此堿性平爐一度成為世界上最主要的煉鋼方法，其地位保持了半個多世紀(jì)。隨著鋼需要量的不斷增加，平爐容量不斷擴(kuò)大，二十世紀(jì)50年代最大的平爐容量已經(jīng)達(dá)到900噸。但是平爐設(shè)備龐大，生產(chǎn)率較低，對環(huán)境污染較大。目前平爐煉鋼已經(jīng)基本淘汰。但第一次煉鋼技術(shù)革新是以平爐取代底吹空氣轉(zhuǎn)爐為標(biāo)志的。四、 轉(zhuǎn)爐時代二戰(zhàn)之后，空氣分離技術(shù)取得巨大成功。20世紀(jì)40年代初，大型空氣分離機(jī)問世，可提供大量廉價的氧氣，給氧氣煉鋼提供了物質(zhì)條件。 1948年，德國人羅伯特?杜勒(Robert.Durrer)在瑞士成功地進(jìn)行了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼試驗(yàn)。1952年在奧地利林茨城(Linz)，1953年在多納維茨城(Donawitz)先后建成了30T氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間并投入生產(chǎn)，所以該法也稱LD法。而在美國一般稱作BOF(BasicOxygenFurnaic)或BOP(Basicoxygenprocess)0這種方法一經(jīng)問世，就顯示出巨大的優(yōu)越性和生命力。它的生產(chǎn)率很高，一座120噸的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的小時產(chǎn)鋼量高達(dá)160-200噸，而同噸位的平爐的小時鋼產(chǎn)量在用氧的情況下為30-35噸，不用氧時僅為15-20噸。鋼的品種多，可以熔煉全部平爐鋼種和大部分電爐鋼種。鋼水質(zhì)量好，轉(zhuǎn)爐鋼的氣體和非金屬夾雜物的含量低于平爐鋼，深沖性能和延展性能良好。無需外來熱源，原料實(shí)用性強(qiáng)，投資低而建設(shè)速度快。所以在很短時間內(nèi)就在全世界得到推廣。目前轉(zhuǎn)爐鋼的產(chǎn)量已達(dá)到世界總產(chǎn)鋼量的70%左右。氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼是目前世界上最主要的煉鋼方法。第二次煉鋼技術(shù)革新是以氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐代替平爐為標(biāo)志。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐方法的出現(xiàn)，啟發(fā)人們在舊有煉鋼法中用氧，使它們獲得新生。氧氣底吹轉(zhuǎn)爐法于1967年由德國馬克希米利安公司與加拿大萊爾奎特公司共同協(xié)作試驗(yàn)成功。由于從爐底吹入氧氣，改善了冶金反應(yīng)的動力學(xué)條件，脫碳能力強(qiáng)，有利于冶煉超低碳鋼種，也適于高磷鐵水煉鋼。1978年，法國鋼鐵研究院(IRSID)在頂吹轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行了底吹惰性氣體攪拌的實(shí)驗(yàn)并獲得成功。1999年，日本住友金屬發(fā)表了轉(zhuǎn)爐復(fù)合吹煉的報告。由于轉(zhuǎn)爐復(fù)合吹煉兼有底吹和頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的優(yōu)點(diǎn)，促進(jìn)了金屬與渣、氣體間的平衡，吹煉過程平穩(wěn)，渣中氧化鐵的缺含量少，減少了金屬和鐵合金的消耗，加之改造容易，因此該煉鋼方法在各國得到了迅速推廣。五、 電爐出世1899年，法國人赫勞特研制煉鋼用三項(xiàng)交流電弧爐獲得成功。由于鋼液成分、溫度和爐內(nèi)氣氛容易控制、品種適應(yīng)性大，這種方法特別適于冶煉高合金鋼。近年來由于電弧爐容量的擴(kuò)大(目前最大的電弧爐容量已超過400噸)，國外一些大型電弧爐已用于冶煉碳素鋼，是當(dāng)前主要煉鋼方法之一。隨著電爐煉鋼生產(chǎn)的發(fā)展，作為主要原料的廢鋼，在供應(yīng)數(shù)量和價格方面都相當(dāng)不穩(wěn)定，成為電爐煉鋼發(fā)展的瓶頸，人們不得不尋找廢鋼的代用品。中國是世界上廢鋼消費(fèi)量較大的國家之一，但所產(chǎn)鋼材40%左右是建筑和結(jié)構(gòu)用鋼，很難產(chǎn)生廢鋼，鋼鐵產(chǎn)量增長的金屬來源主要鐵礦石，同時依靠進(jìn)口外國廢鋼(如美國、日本等國)。由于廢鋼資源緊缺，供需不平衡，廢鋼市場價格長期保持在高位運(yùn)行的態(tài)勢，因此解決電爐所用金屬料的問題已經(jīng)越來越突出。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，我們尚不能對鋼鐵原料的回收周期及數(shù)量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，更加劇了廢鋼供應(yīng)的不穩(wěn)定性。六、 直接還原缺技術(shù)用直接還原缺做原料的電爐煉鋼新工藝，比高爐、轉(zhuǎn)爐傳統(tǒng)工藝流程的投資、原料和能源費(fèi)用均低。直接還原缺技術(shù)的新發(fā)展，為電爐提供了優(yōu)質(zhì)原料，彌補(bǔ)了當(dāng)前廢鋼數(shù)量的不足。從長遠(yuǎn)來看，可使電爐擺脫對廢鋼的絕對依靠，實(shí)現(xiàn)煉鋼工業(yè)完全不用冶金焦。另外，生產(chǎn)靈活，可以利用天然氣、石油、普通煤和電作為電爐熱源和還原劑。這為缺乏煤焦煤而富產(chǎn)天然氣的國家發(fā)展鋼鐵工業(yè)創(chuàng)造了條件。因此無論是發(fā)展中國家(如委內(nèi)瑞拉、墨西哥、印度、伊朗等)或工業(yè)發(fā)達(dá)國家(如美國、德國、加拿大等)都根據(jù)本國資源和能源特點(diǎn)，建設(shè)了一批直接還原缺一一電爐煉鋼新型聯(lián)合企業(yè)。七十年代人們認(rèn)為直接還原缺一一電爐煉鋼這種類型的企業(yè)，規(guī)模在年產(chǎn)100萬噸以下在經(jīng)濟(jì)上才是合理的。但其后的實(shí)踐證明，年產(chǎn)200萬噸以上規(guī)模的直接還原缺一一電爐煉鋼企業(yè)在經(jīng)濟(jì)上仍優(yōu)于傳統(tǒng)的高爐、轉(zhuǎn)爐企業(yè)。因此，七十年代后期，伊朗建成了年產(chǎn)250萬噸直接還原缺一一電爐煉鋼企業(yè)。參考文獻(xiàn)：吳建常.中國鋼鐵工業(yè)將對世界廢鋼市場起主要作用.廢鋼鐵,2003(4):5中國金屬學(xué)會，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會.2006年?2020年中國鋼鐵工業(yè)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展指南[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006.徐達(dá)才.從戰(zhàn)國時代后期的冶鐵到現(xiàn)代煉鋼的探研.陽江市勞動和社會保障局吳義生.世界煉鋼技術(shù)的發(fā)展與啟示.山東省冶金工業(yè)總公司王承寬.王勇李中金.我國轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展.煉鋼，2002(2)劉本仁1鋼水精煉技術(shù)在武鋼的開發(fā)應(yīng)用12001中國鋼鐵年會論文集1558?5631討論渣中FeO對脫硫、脫磷的影響一、氧化鐵對脫硫的影響根據(jù)離子理論，渣鋼脫硫反應(yīng)可表示為[S]+(O2-)=[O]+(S2-) (1)式(1)的平衡常數(shù)Ks為：w■零產(chǎn)Jf芹)禪S3")f[閔部，Q]「3'" (2)爐渣的脫硫能力常用硫在渣和鋼中的分配系數(shù)Ls=W(S)/W[S]來表示。鋼中氧、硫濃度很低，其活度系數(shù)f[O]、f[S]可看作1；結(jié)合式(2),那么硫在渣鋼之間的分配系數(shù)Ls為：t片fXtK1渭。-仃阱｝-(3)渣中FeO對Ls的影響：當(dāng)渣中FeO濃度增大時，由反應(yīng)式(FeO)=[Fe]+[O]得W[O]增大。由式(3)可知，W[O]越大，Ls越小，即爐渣氧化性高不利于去硫。二、氧化鐵對脫磷的影響脫磷反應(yīng)是由以下幾個步驟組成的：2[P]+5(FeO)=P2O5+5Fe (1)3(FeO)+(P2O5)=(3FeO?P2O5) (2)(3FeO?P2O5)+3(CaO)=3CaO-P2O5+3(FeO)(3)綜合上述反應(yīng)為：2[P]+5(FeO)+3(CaO)=3CaO-P2O5+5(Fe)(4)口—CaO.胞[gK[g[%PJ3.flFeO是O （%C電.巧。9）一皿上。g -[P/.4-[%F?O]VrjeO.（%CaO/.TCaO4QQ67儼3=了-1>■liO式中K——脫磷反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)；T——鋼水溫度。為了分析方便，以脫磷的分配比：(阮P己眼 5f"一z4Q『1出?『匚3口玲= T=&(FeQj-(%CE10)-/p-%P]~ V0的表示爐渣的脫磷能力。由上式可見，提高渣中氧化鐵含量有利于脫硫，但不宜過高，過高會中和渣中氧化鈣。參考文獻(xiàn)：冶金學(xué).朱苗勇[M].北京:冶金工業(yè)出版社.劉瀏.轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展[J].中國冶金,2004（2）:811.黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2004:380.梁連科.冶金熱力學(xué)與動力學(xué)[M].沈陽：東北工學(xué)院出版社,1990:216.陳家祥.鋼鐵冶金學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1990:115.張承斌,煉鋼學(xué)[M]1北京:冶金工業(yè)出版社119941對比生產(chǎn)超低P鋼和超低S鋼工藝及特點(diǎn)以下從鐵水預(yù)處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉三個方面進(jìn)行對比：一、 預(yù)處理鐵水脫磷具有低溫的有利條件，常用鐵水脫磷劑具有高堿度、高氧化性。鐵水脫磷預(yù)處理工藝，從熔劑加入方式分有2種，1種是噴粉法：用氮?dú)饣蚩諝廨斔?，用浸沒噴槍將粉劑噴入熔池底部。另1種是底部吹氣法：將熔劑加在鐵水表面，爐底通過透氣磚吹A(chǔ)r攪拌。根據(jù)所用容器的不同，脫磷工藝可分為2種，1種是盛鐵水的鐵水包或魚雷罐車中進(jìn)行脫磷。鐵水脫硫按處理容器可分為：混鐵車、鐵水罐和鐵水包脫硫3種方法。按脫硫工藝，可分為機(jī)械攪拌法脫硫（KP法）和噴粉法脫硫。脫硫粉劑可分為：Cao系、CaC2系和Mg系脫硫劑。當(dāng)代鐵水脫硫的發(fā)展趨勢是：（1） 采用全量鐵水（即100%）脫硫工藝；根據(jù)鋼種要求，分為“深（脫硫）處理”和“輕處理”；（2） 脫硫預(yù)處理容器趨向于采用鐵水包；（3） 脫硫方法以噴粉脫硫?yàn)橹?；?） 脫硫劑趨向采用金屬M(fèi)g高效脫硫劑。二、 轉(zhuǎn)爐冶煉轉(zhuǎn)爐煉鋼過程的脫磷是1個氧化脫磷的過程，保證轉(zhuǎn)爐內(nèi)的有效脫磷要有合適的供氧制度，造渣制度等。采用合適的供氧制度，保證各期爐渣的合適堿度和渣中（FeO）含量，以達(dá)到快速，高效的脫磷。為了更有效的去除鋼中磷，在造渣方式上，根據(jù)需要，可由原來的單渣法發(fā)展到雙渣法，雙渣留渣法等操作；在出鋼制度上，采用堿性包襯紅包出鋼，低溫未脫氧出鋼，擋渣出鋼等措施。鋼水脫硫，主要決定于鋼水的脫氧方法和脫氧程度。鋼中Al-O平衡為：(Al2°3)(S)=2Al+3° ⑴尾頊皿/Xao3=-64900/T+20.63 (2)將(2)式代入lgls_lgcs+lgf"lgao-465/T-964式，可得鋼水脫硫的熱力學(xué)條件：lgls=lgc"1/3lgaAl2o3+2/3Lg%Al+21169/T-5.703(3)從(3)式可以看出，影響鋼水脫硫的主要因素是：鋼水與爐渣的氧化性。采用白渣處理渣中Feo+Mno<1%)，可得到最佳的脫硫效果。爐渣堿度與流動性。對于噴粉法(IP)，隨堿度的升高，脫硫能力增強(qiáng)。但對于以渣鋼反應(yīng)為主的LF工藝，必須考慮爐渣的流動性，某一時刻脫硫效果最好。三、爐外精煉鋼水爐外脫磷的同時要氧化鋼中的合金元素，因此脫磷一般在合金化以前進(jìn)行。目前，鋼水脫磷的主要方法有：出鋼過程中的加脫磷劑脫磷，利用出鋼過程中的強(qiáng)烈攪拌以及高的氧分壓，沖混脫磷；頂渣加噴粉脫磷，通過吹氣使得渣金能夠充分混合，達(dá)到有效脫磷；出鋼后直接將脫磷劑加入鋼包中脫磷等方式。脫磷后要將脫磷渣扒除(以防止回磷和合金元素的損失)再合金化，LF升溫，脫硫，RH脫氣等操作。另外冶煉超低磷鋼有2種途徑。1種是在歐洲和北美興起的，嚴(yán)格控制人高爐原料的磷含量，高爐出鐵后鐵水不經(jīng)過預(yù)處理，直接入轉(zhuǎn)爐，轉(zhuǎn)爐冶煉后低溫出鋼，在鋼包中利用高堿度、高氧化性渣攪拌脫磷，然后換包，LF加熱，再利用RH處理。利用這種方法，w(P)一般在(60--70)X10-6另1種途徑是在日本興起的，完全采用預(yù)處理鐵水，將鐵水中的W(P)降低到約0.02%，這樣使得鋼水以小于20X10-6的磷含量出鋼，然后進(jìn)行二次精煉處理以生產(chǎn)極低S、P、O、H、N水平的鋼。這2種工藝相比：前1種工藝不使用預(yù)處理鐵水，鐵水溫降小，熱損少，