钢铁是怎样炼成的——第四集 百炼成钢

前几集的标题是：

一、现代钢铁冶炼工艺

二、核心任务决定上游工艺

三、矿石再造——烧结和球团

四、为什么要炼焦炭

五、化产，大有前途

前面内容说的都是材料准备，铁矿石通过烧结和球团形成人造矿，焦炭提供热能、还原剂和骨架支撑，这些都准备好，开始进入钢铁冶炼的核心部分——高炉炼铁。

六 高炉炼铁

（一）总体工艺和设备

回顾一下钢铁冶炼的总体流程，高炉处于整个工序的核心地位：

图6-1 高炉炼铁主要物料示意图

我们说高炉炼铁的三大任务是还原、造渣、传热和渣铁反应。这三大任务在高炉内通过煤气上升和炉料下降来实现的。

所以说，高炉本质上是一个大型连续的高温反应器，除非检修，开炉后夜以继日长期连续生产。

设备结构上，高炉本体（可分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸），此外还有上料和装料、送风、回收煤气、除尘、渣铁处理、喷吹、动力等系统。设备示意图如下：

图6-2 炼铁设备示意图

基本的生产工艺是，矿石、焦炭和溶剂从高炉顶部通过料斗和布料器装入高炉，热风和煤粉作为燃料从高炉底部吹入，大量还原性气体由下至上经过高炉与矿石发生反应，矿石经过加热、还原、融化最后得到铁水和炉渣。

（二）渣铁反应

在高炉内，煤气上升和炉料下降是一个反应过程，炉内矿石并不是那么一锅都融化成铁水了，高炉上部的温度较低（约200℃），温度向下逐步升高（可达2000℃）。高炉内物料的形态可以分为5个区域，从上至下依次是：块状带、软熔带、滴落带、风口带、渣铁带。

炉渣是高炉的另一个产物，和铁矿石融化一样，在高炉内，炉渣也是逐步形成的，分为初渣、中间渣和终渣。

在高炉的渣铁带，铁水滴穿过渣层，残留的焦炭、煤粉等材料也参与造渣，分别形成铁水和炉渣。炉渣的密度约2.8~3.0g/cm³，而铁水的密度约6.8~7.3g/cm³，通过密度差实效炉渣和铁水分离。一般生产1t铁，会产生约300kg炉渣。

下图是炉内物料分层的位置示意图：

图6-3 高炉内物料分层示意图

能量方面，高炉内的热风由热风炉提供，热风炉包括燃烧室和蓄热室。煤气、空气在燃烧室燃烧，热气进入蓄热室，热量转递给蓄热用的格子砖，冷空气进入蓄热室，被格子砖加热，变成热风，最后吹入高炉。

高炉冶炼需要连续稳定的热风，一座热风炉是不够的，至少要3座，有的甚至4座热风炉，所以我们一般在高炉旁边会看到几个热风炉。

和热风吹进高炉的还有煤粉，可以代替焦炭的部分供热和还原作用，使还原反应更充分，提升高炉产量。

图6-4 高炉和热风炉

热风由热风管分配给围绕高炉的环炉热风管，最后从风口进入高炉（见图6-2）。下图是高炉底部的热风管、环炉热风管、热风咀，最下面是出铁口：

图6-5 高炉底部的热风管

高炉是连续生产，间歇排放渣铁。一般高炉底部有4个出铁口，交替出铁，铁水和渣进入渣铁沟，通过渣铁分离器实现渣铁分离。铁水进入铁水罐或鱼雷车，炉渣进入水渣系统。

图6-6 运输铁水的鱼雷车

高炉煤气（主要成分是CO和粉尘）从炉顶排出，经过上升管——下降管——重力除尘器——洗涤塔——文氏管——电除尘器或布袋除尘、旋风除尘等尾气净化系统处置和回收利用。

至此，高炉完成任务，我们得到了铁水。

七 百炼成钢

前面用了6节内容，介绍从原料准备到炼铁的工艺，距离我们的终极目标还有一步——炼钢。

（一）炼钢的目的和基本工艺

相对于铁，钢具有更好的强度和韧性、可塑性、耐腐蚀等诸多优点，更符合现代工业对材料的要求，所以还要把铁炼成钢。

如前节所述，由于焦炭、铁矿石的成分所致，高炉炼铁得到的是碳饱和的铁水，铁水中还含有硫、磷、氮、氢等其他杂质，这些都会影响钢材的性质。例如泰坦尼克号沉船事故，原因之一是当时炼钢工艺的除磷技术还不发达，钢材中磷含量高，在低温条件下呈现“冷脆”现象。

所以炼钢的主要任务是：脱碳、升温、脱磷、脱硫、氮氢、脱氧合金化、去杂质和最后成型。

前3项（脱碳、升温、脱磷），在转炉、电炉中完成，是氧化过程；

第4、5、6、7，是还原过程，通过炉外精炼完成；最后成型把钢水冷凝做成不同形状的钢坯。

在所有任务中，脱碳是炼钢最重要的氧化反应，氧气和碳在高温中生成CO。而磷会生成P2O5，再和CaO生成磷酸钙。

和其他杂质来自原材料不同的是，钢水中的氧来自冶炼过程，转炉中的吹氧使钢水的氧含量升高，会产生相应的氧化物影响钢材品质，所以要去掉过量的氧。

以上总结成“四脱、二去、二调整”：脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；去除有害气体和非金属夹杂物；提高稳定和调节成分。

下图是炼钢在整个钢铁冶炼中的位置：

图7-1 炼钢工序位置图

从图也可以看出，炼钢在整个钢铁冶炼中处于承上启下的作用，即以铁水和废钢为原料，完成从铁到钢的转变，然后被加工成各种形状和性质的材料。

（二）转炉炼钢

转炉炼钢是使用高纯度氧气以超音速吹入铁水，氧气与铁水中碳和其他杂质反应，达到去除杂质，生成钢水的一种炼钢工艺。主要原料是铁水（约80%）和废钢、金属球团以及石灰、白云石等溶剂。

其实转炉炼钢在160多年前就发明了，但直到20世纪50年代，却有约85%钢是平炉炼出来的。受第二次世界大战军工飞速发展的启发，1952年，科学家和工程师们将超音速技术应用到转炉冶炼，超音速氧气可以穿透铁水，使反应更充分。这期间，转炉的其他技术也得到提升，使转炉炼钢一跃成为最主要的炼钢工艺。

图7-2 转炉本体和炼钢的转炉

（加料和出料时，转炉是可以转动倾斜的，这个字读zhuan4，四声。）

图7-2 转炉加料（左图加钢水，右图加废钢，料斗不一样）

加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气，与高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。

转炉煤气是在吹炼过程中溢出的大量含有CO和颗粒的浓烟，因此需要通过除尘降温，净化后再利用或排放。转炉后端的煤气回收净化系统主要包括收集、除尘净化、余热和煤气回收等设备。

（三）电炉炼钢

电炉又叫电弧炉，其原理类似电焊机，在电弧产生的高温下融化废钢等材料的炼钢工艺。电能是电炉炼钢的主要能源。

电炉在1900年由法国人发明，其产生的原因是因为废钢越来越多，属于废物利用，电炉冶炼的主要原料是废钢，辅料包括铁水、金属化球团等。

电炉设备相对简单，投资较低，包括变压器、电抗器、电极升降和条件设备、电器控制系统，以及炉壳、炉盖、旋转和加料的机械装置等。相对于转炉，电炉的环境污染也比较小。

图7-3 电炉（上面3个柱子是电极，插入废钢中放电可融化废钢）

（四）转炉和电炉的区别

转炉炼钢和电炉炼钢是两种最常用的炼钢方法，在设备结构、原料、工艺流程、设备、能源消耗、适用产品等方面有明显区别。

图7-4 转炉和电炉结构示意图

表7-1 转炉和电炉的主要区别

	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; text-align: center; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">转炉</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; text-align: center; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">电炉</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>
<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">原料</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">高炉铁水（约</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; overflow-wrap: break-word !important;">80%</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">）、废钢和金属球团（约</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; overflow-wrap: break-word !important;">20%</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">）</span></span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">废钢</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>
<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">方法</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">吹入氧气，将碳和其他杂质氧化</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">电弧高温融化废钢</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>
<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">流程</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">铁水预处理</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">——转炉吹炼——炉外精炼——连铸</span></span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">废钢预热</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;">——电弧炉融化——炉外精炼——连铸</span></span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>
<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">能源</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">铁水的热能和氧化反应的化学能，能源消耗少</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">需要大量电能</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>
<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">生产效率</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">适合大规模生产，但对原料要求较高</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p>	<p style="margin-bottom: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; clear: both; min-height: 1em; overflow-wrap: break-word !important;"><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;">适合小批量生产，品种灵活</span><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: Calibri; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"><o:p style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important;"></o:p></span></p><div><span style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; font-family: 宋体; font-size: 12pt; overflow-wrap: break-word !important;"> </span></div>

（五）炉外精炼 从这里开始就为不同钢材品种和生产需求做工艺上的区分了。 转炉、电炉可以称为初炼。炉外精炼是指将在转炉、电炉初炼过的钢液移至另一个容器中进行精炼的冶金过程，也称“钢包冶金”或“二次冶金”，是初炼与连铸之间的纽带。通过精炼，在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中达到脱氢、脱氧、脱硫，去除夹杂物和成分微调的目的。炉外精炼可提高钢的质量，缩短冶炼时间，降低生产成本。 按不同工艺细分，炉外精炼有很多种，常用的精炼技术有LF炉精炼、AOD炉精炼、RH炉精炼等。 LF炉精炼适用于广泛的钢种，特别是需要脱氧、脱硫的高品质钢种；AOD炉精炼专门针对不锈钢生产；而RH炉精炼特别适用于纯净度有较高要求的钢材，如汽车板材等。这些精炼技术的选择取决于钢种的特性、生产的需求以及经济效益的考量。 下图是LF炉精炼、AOD炉精炼、RH炉精炼的主要设备： 图7-5 常用的精炼炉设备（LF、AOD、RH） （六）连铸和轧钢 连铸，是相对于“模铸”、实现液体金属连续铸造的工艺。 早期钢水炼成后，浇铸在钢锭模具内，形成钢锭。但是这种方法效率低，劳动强度大，成材率低。现在也有用模铸的工艺，主要用于某些特型钢锭。 连铸是钢水成材前的最后一道工序，任务是为轧钢提供符合要求的坯料，它解决了大部分钢材的铸坯问题，实现了钢材的紧凑和连续生产，可以生产方坯、圆坯、板坯等，连铸工艺占钢产量的95%以上。 基本工艺是：钢水由钢包进入中间包（中间包起到储存、保温、分配钢水的作用），再进入结晶器（强制冷却，形成坯壳），经二次冷却后，校直、切割，形成坯料。 连铸工艺示意图和设备如下： 图7-6 连铸示意图和设备 轧钢也是钢铁制造过程中的重要环节，就是把钢坯、钢锭或其他形式的半成品通过轧制的方式转变为具有一定形状和尺寸的钢材。 轧钢的过程可以分为冷轧和热轧两大类，具体适用的轧制工艺取决于钢材的最终用途和性能要求。 热轧是在钢材的再结晶温度以上进行的轧制过程。这时钢材的塑性较好，可以承受较大的变形。热轧可以显著降低钢材的晶粒尺寸，提高强度和韧性。 冷轧是在钢材的再结晶温度以下进行的轧制过程。与热轧相比，冷轧可以生产出表面光洁度更高、尺寸精度更高、性能更好的钢材。 通过轧钢，钢坯制造为板、卷、管、带等不同用户需要的产品。