高炉炼铁

         现代炼铁的主要方法，钢铁生产中的重要环节。这种方法是由古代竖炉炼铁发展、改进而成的。尽管世界各国研究发展了很多新的炼铁法，但由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大,劳动生产率高,能耗低，这种方法生产的铁仍占世界铁总产量的95％以上。

       高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂(石灰石)，从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。
简史和近况      早期高炉使用木炭或煤作燃料，18世纪改用焦炭，19世纪中叶改冷风为热风(见冶金史)。20世纪初高炉使用煤气内燃机式和蒸汽涡轮式鼓风机后，高炉炼铁得到迅速发展。20世纪初美国的大型高炉日产生铁量达 450吨，焦比1000公斤／吨生铁左右。70年代初，日本建成4197米³高炉，日产生铁超过1万吨，燃料比低于 500公斤／吨生铁。中国在清朝末年开始发展现代钢铁工业。1890年开始筹建汉阳铁厂，1号高炉（248米³,日产铁100吨）于1894年5月投产。1908年组成包括大冶铁矿和萍乡煤矿的汉冶萍公司。1980年，中国高炉总容积约8万米³,其中1000米³以上的26座。1980年全国产铁3802万吨，居世界第四位。
  　       70年代末全世界2000米³以上高炉已超过120座，其中日本占1/3，中国有四座。全世界4000米³以上高炉已超过20座，其中日本15座，中国有1座在建设中。 
　　50年代以来，中国钢铁工业发展较快，高炉炼铁技术也有很大发展，主要表现在：①综合采用精料、上下部调剂、高压炉顶、高风温、富氧鼓风、喷吹辅助燃料（煤粉和重油等）等强化冶炼和节约能耗新技术，特别在喷吹煤粉上有独到之处。1980年中国重点企业高炉平均利用系数为1.56吨/(米³·日)，焦比为539公斤/吨生铁；②综合利用含钒钛的铁矿石取得了突破性进展，含稀土的铁矿石的利用也取得了较大的进展。 
　　高炉冶炼主要技术经济指标  分述如下： 
　　高炉利用系数  每立方米高炉有效容积一昼夜生产生铁的吨数,是衡量高炉生产效率的指标。比如1000米³高炉，日产2000吨生铁，则利用系数为 2吨/(米³·日)。 
　　焦比  每炼一吨生铁所消耗的焦炭量,用公斤/吨生铁表示。高炉焦比在 80年代初一般为450～550公斤/吨生铁，先进的为 380～400公斤/吨生铁。焦炭价格昂贵，降低焦比可降低生铁成本。 
　　燃料比  高炉采用喷吹煤粉、重油或天然气后，折合每炼一吨生铁所消耗的燃料总量。每吨生铁的喷煤量和喷油量分别称为煤比和油比。此时燃料比等于焦比加煤比加油比。根据喷吹的煤和油置换比的不同，分别折合成焦炭（公斤），再和焦比相加称为综合焦比。燃料比和综合焦比是判别冶炼一吨生铁总燃料消耗量的一个重要指标。 
　　冶炼强度  每昼夜高炉燃烧的焦炭量与高炉容积的比值，是表示高炉强化程度的指标，单位为吨/（米³·日）。 
　　休风率  休风时间占全年日历时间的百分数。降低休风率是高炉增产的重要途径。一般高炉休风率低于2％。 
　　生铁合格率  化学成分符合规定要求的生铁量占全部生铁产量的百分数，是评价高炉优质生产的主要指标。 
　　生铁成本  是从经济方面衡量高炉作业的指标。 

炼钢

      炼制钢的工艺、方法和过程。古代的钢铁冶炼是在固体状态下完成的（见块炼铁）。现在除少数例外，钢都在1600℃左右以液体状态炼成，然后铸成锭、坯或直接铸成铸钢件。

          炼钢的基本任务  炼钢的基本任务可以归纳为“四脱”（脱碳、氧、磷和硫）、“二去”（去气和去夹杂）、“二调整”（调整成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧、造渣、升温、加脱氧剂和合金化操作
　　钢生产的基本原料和基本途径  从根本上说，钢的原料是铁矿石。从铁矿石到钢，有几种不同的工艺途径。最主要的是“高炉途径”，铁矿石先在高炉内炼成生铁（见高炉炼铁），再以生铁为原料，用不同方法炼成钢。通过这种途径炼成的钢，占世界钢产量的98％左右。另一途径是通过直接还原炼铁，将矿石在低于矿石熔化温度下炼成“海绵铁”，用它作原料，然后主要用电炉冶炼成钢，这种工艺流程，现只在较特殊的矿石资源和能源条件下采用；随着能源条件的改变，今后可能得到发展。另外还有一种粉末冶金方法，用于制造某些特殊的零件，近年来也用于高速工具钢等特殊用钢，在钢的总产量中，所占比重很小。 
　　除生铁和海绵铁外，废钢也是重要的炼钢原料。在工业发达国家，废钢来源丰富，价格通常比生铁、海绵铁低，而且用作炼钢的原料还可以节约大量能源。在20世纪的前40年，由于炼钢工业使用越来越多的废钢，世界生铁产量对钢产量的比例不断下降（图1）。事实上百余年来炼钢方法的发明和发展，同废钢的供求情况密切相关。　主要炼钢方法的发展概况      现有的大规模炼钢方法都是1856年以后出现的。主要可分为转炉炼钢法、平炉炼钢法、电弧炉炼钢法三类。1860～1980年，各种炼钢方法所生产的钢，在钢的总产量中所占的百分比,如图2所示，从中可以看出各种炼钢法的兴起和衰落。  
　　空气转炉炼钢法  最早发明的是酸性空气底吹转炉炼钢法，又称贝塞麦转炉炼钢法。此法炼钢过程中所需的热量，来自原料铁水物理热及所含硅、碳及其他元素的发热氧化反应，因此，不用另外的燃料，就能达到钢水浇铸所要求的高温。贝塞麦法由于冶炼过程快，而且能耗低，发明以后，迅速得到推广，基本上取代了原有的熟铁搅炼炉和坩埚炉炼钢法。从此，开始了人类大量用钢的新时代。但贝塞麦法用酸性耐火材料(氧化硅质)作炉衬，不能造碱性渣脱磷脱硫，因此只适用于低磷低硫原料。为了利用西欧大量的高磷铁矿资源，后来发展出了使用碱性耐火材料的碱性空气底吹转炉法（托马斯转炉炼钢法）。这种方法在西欧各国很快推广。 
、平炉炼钢法  又称马丁炉法或西门子-马丁炉法。此法用外来燃料加热，靠蓄热室把炉温提高到可以熔化钢的程度，这样就扩大了炼钢原料的范围，实际上可以采用0～100％的任何比例的废钢和生铁配料（图3）。最初的平炉也用酸性材料作炉衬，因此不能熔炼含磷高的生铁。和转炉一样，酸性平炉不久就被碱性平炉所取代。   　　以空气作氧化剂的转炉，由于空气所含的氮从炉内带走大量的热，使炼钢原料中不能搭配很多废钢。碱性平炉法的突出优点，就是在废钢与生铁配比方面和生铁磷含量方面有宽广的适应能力，因而在发明后为全世界广泛采用。到了20世纪中叶，即在氧气顶吹转炉炼钢法崛起之前，平炉钢产量稳定地占了世界钢总产量约80％。 
　　氧气转炉炼钢法  50年代初，出现了碱性氧气顶吹转炉炼钢法。同原有的空气转炉相比，它的热平衡条件更为有利，所以原料中可以加入较多废钢（可达30％左右），所产的钢含氮量低，质量更好。另一方面，同平炉相比，它不耗燃料，而且生产率高得多，利用废钢的能力虽差一些，但在废钢来源不多的多数地区也已够用。因此从60年代起，世界氧气转炉炼钢的产量和比例扶摇直上。现在,可以说氧气转炉已彻底淘汰了空气转炉,并在很大程度上取代了平炉的地位。60年代末出现了氧气底吹转炉炼钢法。近年来又发展了复合吹炼转炉炼钢法，已在许多国家应用。 
　　电弧炉炼钢法  从20世纪初开始，徐缓地向前发展，目前约占世界钢产量的20％。电弧炉以电为热源，可以迅速熔化废钢和合金，而且可以基本密闭，排除大气的作用。另一方面，电弧炉一般容量较小（同转炉和平炉比），操作成本较高。由于这些特点，电弧炉炼钢法曾主要用来生产特殊钢或合金钢。但近年来，随着电弧炉本身大型化和加大功率的成功，降低了电弧炉钢的生产成本，加上用废钢作原料价格低廉，在工业发达国家中出现了许多专门炼普通钢的电弧炉钢厂。这种所谓小钢厂投资远比同样产量的高炉-转炉联合企业低,所以发展较快。有些厂原料中除废钢外，还掺用一部分海绵铁。 
　　中国的炼钢情况  中华人民共和国成立以前，中国炼钢技术落后，生产设备以平炉为主，有少量的电弧炉和转炉。50～60年代除鞍山、武汉和包头等钢铁基地扩建和新建了一些新型平炉以外，全国在较大范围内建立了许多小型空气侧吹转炉(见侧吹转炉炼钢)。60年代初，氧气顶吹转炉在首都钢厂投产。由于这种设备在经济上具有明显的优越性，后来在许多钢厂新建了较大的氧气顶吹转炉,最大的炉子容量为150吨。原有的空气侧吹转炉一部分停产,大部分改建成为氧气顶吹转炉。1980年中国各种设备在总的炼钢能力所占的比重约为：转炉44％，平炉33％，电炉23％。 
　　钢水炉外处理和特殊炼钢法  现代的转炉、平炉、电弧炉炼钢工艺可以不同程度地保证钢的纯净，能够满足一般用户对钢质量的要求。随着科学技术的发展，需要质量更高、品种更多的高级钢。为了满足这种要求，第二次世界大战以来，出现了多种钢水炉外处理（又称炉外精炼）的方法，对转炉、平炉和电弧炉炼出的钢水进行附加处理，然后浇铸。根据处理的目的不同，发展出了多种多样的方法。应用最广的炉外处理有：吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等，使用这些方法以后，不论转炉、平炉和电弧炉都可以生产高级的钢种。某些尖端技术或特殊用途要求特高质量的钢，如果用炉外处理的办法也达不到要求，则要用特殊炼钢法炼制，例如电渣重熔法，和不同形式的真空冶金法。

钢铁炼制过程详解

  生铁吨制造成本＝（1.6×铁矿石+0.45×焦炭）/0.9 
  （根据高炉冶炼原理，生产1吨生铁，需要1.5-2.0吨铁矿石、0.4-0.6吨焦炭以及0.2-0.4吨熔剂，炼铁工艺中影响总成本的主要因素是原料（铁矿石、焦炭）成本，而包括辅料、燃料、人工费用在内的其他费用与副产品回收进行冲抵后仅占总成本的10%左右）

    粗钢吨制造成本＝（0.96×生铁+0.15×废钢）/0.82

    （以2008年中国钢铁行业的平均铁钢比（0.96）和废钢单耗（0.15吨）作为测算依据，炼钢工艺中因为耗电量的增加、合金的加入以及维检费用的上升使得除主要原料外的其他费用占到炼钢总成本的18％左右）

    废钢、钢铁冶金焦价格参数假定不变（截至4月7日，全国废钢平均报价2800元/吨，全国钢铁冶金焦平均采购价格1900元/吨）。

    A、以日本与三大矿山初步协议价110美元/吨计算

    目前海运费为25.5美元（4月7日巴西图巴朗-青岛），2010年长协矿CVRD-南部粉矿(63.5%)进口到岸价格为(110+25.5)=135.5美元/吨，换算到国内矿石价格为135.5*6.8265（汇率）*1.13(增值税)=1045元/吨

    生铁吨制造成本=（1.6*1045+0.45*1900）/0.9=2808元/吨

    粗钢吨制造成本=（0.96*2687+0.15*2800）/0.82=3800元/吨

    螺纹钢制造成本=3800+150=3950元/吨（螺纹钢轧制成本：约150元）

    铁以化合物的状态存在于自然界中，尤其是以氧化铁的状态存在量特别多。在理论上来说，凡是含有铁元素或铁化合物的矿石都可以叫做铁矿石； 高炉炼铁是将铁矿石在高炉中还原，熔化炼成生铁。 基本生产过程是在炼铁炉内把铁矿石炼成生铁，再以生铁为原料，用不同方法炼成钢，再铸成钢锭或连铸坯。

        高炉炼铁是将铁矿石在高炉中还原，熔化炼成生铁。在理论上来说，凡是含有铁元素或铁化合物的矿石都可以叫做铁矿石；但是，在工业上或者商业上来说，铁矿石不但是要含有铁的成份，而且必须有利用的价值才行。