主要炼钢方法与设备

  我国传统炼钢多采用液体炼钢法，也是利用生铁或废钢作为原料，来冶炼液体状态的钢。应用得最广泛的方法有平炉炼钢法、转炉炼钢法和电炉炼钢法三种。这三种炼钢方法的主要区别有两点：一是氧化杂质时所用的氧的来源和原料不同；二是熔化原料所用的热源不同。现将这三种炼钢方法分述如下：

  1．平炉的构造和工作原理：平炉的外形好象一座平顶的房子。平炉是由耐火砖砌筑而成的，主要结构是炉头、炉膛、上升道、蓄热室、沉渣室和烟道。根据所用耐火材料的酸碱度不同，平炉分为碱性平炉和酸性平炉。因碱性平炉可使用含磷较高的生铁和大量废钢，所以目前大部分使用碱性平炉。平炉炉膛是由炉顶、炉墙、炉底构成的长方形空间所组成。平炉的大小，是以每一炉能熔炼钢的重量来表示的，如300吨平炉就表示每一炉能够熔炼300吨钢。平炉炼钢是用煤气或重油作为燃料，将燃料和空气通过炉头引入炉膛，在铁水进入炉膛之前，要加热至1100℃左右的温度，这样才可以保证炼钢时炉内能达到1700℃的高温和节约燃料。

  2．平炉炼钢的原料：平炉炼钢的主要的组成原材料是废钢和生铁（铁水或生铁块），生铁约占原料的50～80％，其余为废钢。

  3．平炉炼钢的过程：平炉炼钢的主要生产的全部过程是装料、熔化、精炼、脱氧和出钢。首先向炉内装入废钢、铁矿石、石灰石等，待这些炉料加热至生铁熔点以上温度时（1100℃），向炉内兑入铁水，此阶段叫加料期。铁水兑完后，继续加热，碳、锰、硅等元素被氧化，炉料全部熔化后即进入熔化期。通过氧化反应，碳、硫、磷、锰、硅等含量不断下降，这时造渣剂石灰能使不需要的杂质变为炉渣排除，逐渐使钢达到所要求的成分。这段时间叫精炼期。最后加入脱氧剂铁合金等进行脱氧，待钢液达到一定的要求成分后即可出钢，这是最后一个阶段，叫做脱氧出钢期。上述这种分期不是绝对的，因为实际炼钢过程是连续进行的，各期之间有交错，有重叠，从加料开始，炉料就慢慢的开始加热，熔化期氧化杂质的反应也已在进行。但在每一个阶段，重点不同，如熔化期重点是熔料，精炼期重点是氧化杂质，所以把炼钢分为四个期还是合理的。平炉可以炼制普通钢和优质钢。其缺点是冶炼时间长，建厂投资大，燃料热效率低，生产效率不高，比如300吨平炉炼一炉钢需7小时左右。不过在我国目前情况下，平炉炼钢在各种炼钢方法中仍占一定的地位。为了更好的提高冶炼质量和生产效率，目前平炉已采用了各种吹氧工艺，效果很显著。

  4．平炉炼钢的主要技术经济指标：（1）炉底利用系数：是指每平方米炉底面积每昼夜的钢产量。炉底利用系数愈高，说明这座平炉的劳动生产率愈高。（2）平炉炉龄：平炉炉龄和转炉炉龄概念是一样的，即从新建至损坏为止这一段时间的炼钢炉数，称为该座平炉的炉龄。（3）燃料消耗率：指每炼一吨钢所消耗的燃料数。由于使用的燃料不同，为便于比较，用每炼一吨钢消耗的热量来计算，单位是千卡／吨钢。

  1．转炉炼钢的工作原理：转炉炼钢是把空气或氧气吹入铁水中，使铁水中的碳、锰、硅、磷、硫等迅速氧化，并靠氧化时放出的热量来升温，而不另加热的炼钢方法。转炉按吹风部位不同，可分为底吹转炉、侧吹转炉和顶吹转炉三种。按炉衬耐火材料的酸碱性，还可分为酸性转炉和碱性转炉。转炉炼钢的初期是用空气吹炼，因空气中所含的氮气既不是助燃气体，又不参加化学反应，几乎全部从炉口跑掉，同时还带走了大量的热能，留在钢中的部分氮还会损害钢的质量。自从采用氧气吹炼以来，克服了转炉冶炼钢种少、质量低的缺点。氧气顶吹转炉钢目前的冶炼质量和品种已经赶上平炉钢，某些性能甚至还超过了平炉钢。转炉钢原有的优点如投资少，建设快，原料适应性大，生产率高等，得到了更充分的发挥。因此，转炉炼钢是一种很有发展前途的炼钢方法。从世界各国的情况去看，转炉炼钢大有取代平炉炼钢之势。据统计，1960年用氧气转炉炼钢方法生产的钢只占世界钢产量的4％，而到1969年已上升到37％，到1972年又上升到53％，已远超于了平炉钢的产量。我国目前主要是采用的是氧气顶吹（碱性）转炉和氧气侧吹（碱性）转炉。

  2．氧气顶吹转炉的生产的全部过程：氧气顶吹转炉的外部是用钢板制作而成的炉壳，内衬砌碱性耐火砖。炼钢的原料主要是铁水，也用一部分废钢（或铁矿石）作冷却剂，还有为了去除硫、磷而加入的造渣材料如石灰和萤石（CaF2）等，脱氧时还使用脱氧剂如锰铁、硅铁或铝等。炼钢过程大体可分为装料、吹炼和脱氧出钢三个阶段：先装入部分废钢和铁矿石，随后装入温度约为1200～1300℃的铁水，然后将氧枪插入炉口进行吹氧，使铁水中的碳、硅、锰等迅速氧化，同时放出大量的热，使废钢和铁矿石熔化。在吹氧过程中还加入造渣材料去除磷、硫。吹氧到一定时候，碳、硅、锰等元素降至一些范围后，停止吹氧并抽出氧枪。这时若钢液温度过高，则加入废钢进行冷却。当钢液的成分和温度合乎要求时即可出钢。脱氧剂一般在出钢时加入盛钢桶中。一座300吨转炉的吹炼时间不到20分钟，包括辅助时间不超过1小时。氧气顶吹转炉炼钢产量高，质量好，是一种很有发展前途的炼钢方法。转炉的生产能力，是以每炉吹炼时可以注入的铁水重量来表示的，如每次吹炼时能注入10吨铁水就叫10吨转炉。

  1．电炉炼钢的工作原理：电炉炼钢是利用电能作为热源的炼钢方法。由于电炉炼钢冶炼温度高，炉内气氛比较纯净还能够控制，因此常用于炼制优质钢和特殊性能钢。电炉的种类很多，用于炼钢的电炉最常用的是碱性电弧炉。电弧炉由炉底、炉顶和炉墙三部分所组成，都是用钢板焊接和耐火材料砌成的。炉顶上有三个孔，将石墨（炭精）制成的三根电极从孔中插入炉内。电极的升降由升降机构来操纵。变压器送出的电流通过导线传到电极上，这时在电极和金属炉料之间就产生了电弧（电炉的工作电压为70～140V），温度可达2000℃。电炉的下部装有使炉体能够倾斜的机构，以便出钢和出渣。

  2．电弧炉炼钢的原料：主要为废钢、废铁，辅助材料有石灰、萤石、矿石、氧化铁皮等。

  3．电弧炉炼钢的过程：电弧炉炼钢的基本物理化学反应和转炉、平炉相同。炼钢过程可分为装料、熔化、氧化、还原、出钢等过程。（1）装料期要求做到：按规定装入大小不同的废钢，在炉底装入石灰，最上面放一层小废钢和几块焦炭（以便易于引弧）。（2）熔化期要求做到：迅速熔化炉料，去除钢中的磷，防止金属挥发和钢水吸氧。（3）氧化期的主要要求是：继续最大限度去磷，去除钢中气体和其它杂质，钢水加热至出钢温度以上。（4）还原期的主要要求是：去除钢中氧和硫，最后调整化学成分到规定含量，调整钢水温度，以创造良好的脱氧条件，保障正常出钢。电弧炉的大小一般以额定容量来表示的。额定容量是用每一座炉的出钢重量来表示的，如5吨电弧炉就表示每一炉能熔炼出5吨钢。实际上，由于冶炼炉次的增加，炉底和炉墙被侵蚀，熔池容积持续不断的增加，出钢量往往超过额定容量。电炉的种类很多，除了电弧炉外，还有电渣炉、感应炉、电子束炉、等离子炉、真空感应炉和真空电弧炉等，这些电炉大部分是用于冶炼高合金、优质钢和难熔金属，有的还用于重熔、精炼以提高钢的质量，这里就不一一详述了。以上三种炼钢方法，各有特点。氧气顶吹转炉炼钢速度快，一座300吨的转炉炼一炉钢的全部时间不过一个来小时，而同样大小的一座平炉，要用7～8小时。侧吹转炉设备简单，投资少，上马快，产量高，但炼钢的质量不如平炉和电炉。电炉炼钢质量好，但投资高，耗电量大，需要大量的电器设备，所以发展电炉炼钢，首先得发展电力工业。