炼钢用耐火材料

1856年，德国工程师威廉· 西门子使用蓄热室为平 炉的构造奠定了基础。1864年，法国工程师马丁利 用有蓄热室的火焰炉，以煤气或重油为燃料，在燃 烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔 化并精炼成钢液。同转炉炼钢法相比，可大量使用 废钢，而且生铁和废钢配比灵活；对铁水成分的要 求不像转炉那样严格，可使用转炉不能用的普通生 铁；能炼的钢种比转炉多，质量较好。 平炉炼钢法问世后立刻为各国广泛采用，成为世界 上主要的炼钢方法。在1930年至1960年的30年间， 世界每年钢的总产量近80％是平炉钢。50年代初期 氧气顶吹转炉投入生产，从60年代起平炉逐渐失去 其主力地位。许多国家的平炉已经或正在陆续被氧 17 气转炉和电炉所代替。


平炉炼钢使用的氧化剂通入的空气和炉料里的氧 化物，（废铁，废钢，铁矿石）。反应所需的热 量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气） 或液体燃料（重油）所提供。

平炉的炉膛是一个耐火砖砌成的槽，上面有耐火 砖制成的炉顶盖住。平炉的前墙上有装料口，装 料机就从这里把炉料装进去。熔炼时关上耐火砖 造成的门。炉膛的两端都筑有炉头，炉头各有两 个孔道，供导入燃料与热空气，或从炉里导炉气 之用。 平炉炼钢所用的原料有废钢、废铁、铁矿石和溶 剂 （石灰石和生石灰）。
5 ）硅；它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降， 电工用的钢中含有一定量的硅能改善软磁性能． 6 ）钨；能提高钢的红硬性和热强性，并能提高钢的 耐磨性． 7 ）铬；能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐 蚀能力和抗氧化作用． 8 ）钒；能细化钢的晶粒组织，提高钢的强度，韧性和 耐磨性．当它在高温熔入奥氏体时，可增加钢的淬透 性；反之，当它在碳化物形态存在时，就会降低它的 淬透性． 9 ）钼；可明显的提高钢的淬透性和热强性，防止回火 脆性，提高剩磁和娇顽力． 10 ）钛；能细化钢的晶粒组织，从而提高钢的强度和韧 9 性．在不锈钢中钛能消除或减轻钢的晶间腐蚀现象．

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二十世纪50年代左右，烧成镁砖和镁铬 砖等碱性耐火材料的开发和应用，逐步 替代了硅砖砌筑平炉，即为碱性平炉， 使用寿命显著提高，平均炉龄约为1000 炉次。国内平炉始建于1890年，1980年 以来，为了提高平炉炼钢的生产率，多 数平炉逐步改成了顶吹氧气平炉。由于 强化冶炼，炉龄大幅度降低，一般为300 炉次。因此，开发了高级碱性耐火材料 以适应平炉炼钢新工艺的需要。
3 炼钢用耐火材料
3.1 平炉用耐火材料 3.2 转炉用耐火材料 3.3 钢包用耐火材料 3.4 铸锭用耐火材料 3.5 吹气搅拌用耐火材料 3.6 炉外精练用耐火材料 3.7 中间包和连铸用耐火材料 3.8 短流程炼钢用耐火材料
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3 炼钢用耐火材料
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碳 钢 生 产 工 艺流程图
R-H 铁水包 转炉
平炉炼钢的发明者是德国人威廉· 西门子。大约从 1846年起，他就开始研究燃料效率问题。1856年威 廉· 西门子和他弟弟弗里德里希· 西门子得到一项将蓄 热原理用于所有需大量热能的炉子的专利。最初，此 法主要是用于玻璃熔化炉，可节省50％的燃料。 将此法用于炼钢，是在炉的两端建有放置 “砖格” 的蓄热室，砖格先由炼钢炉排出的热气加热，然后把 要进炉的空气预热。用固态燃料试验时，很不顺利， 存在着一些问题，诸如炉灰堵塞了蓄热室的砖格等。 1864年法国人马丁改造了炉体，又采用了威廉· 西门 子用蓄热提高炉温的办法，用生铁和废铁炼出了优质 钢。1868年威廉· 西门子用生铁和铁矿石炼钢成功。 这种炼钢法被称做 “西门子─马丁炼钢法”。由于这 种炼钢炉形状低平又有一个平展的熔池，所以被称为 16 “平炉”。这种炼钢法也称为 “平炉炼钢法”。
2Fe+O2=2FeO FeO+C = Fe+CO





反应生成的一氧化碳很容易从铁水排至炉气中而被 除掉。生成的二氧化硅、氧化锰、氧化亚铁互相作 用成为炉渣浮在钢水面上。生铁中硫、磷这两种元 素在一般情况下对钢是有害的，在炼钢过程中必须 尽可能除去。在炼钢炉中加入石灰(CaO)，可以去 除硫、磷： FeS+CaO=FeO+CaS （进入渣） 2P+5FeO+3CaO = 5Fe+Ca2(PO4)2 （进入渣） 在使碳等元素降到规定范围后，钢水中仍含有大量 的氧，是有害的杂质，使钢塑性变坏，轧制时易产 生裂纹。故炼钢的最后阶段必须加入脱氧剂(例如锰 铁、硅铁和铝等)，以除去钢液中多余的氧： Mn＋FeO=MnO＋Fe Si＋2FeO= SiO2＋2Fe 13 Al＋3FeO= Al2O3＋3Fe
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1890年,―江南机器制造总局”(在上海)建立3吨和 15吨酸性平炉各一座，是中国最早的炼钢平炉。 到1949年除鞍山有一些较大的平炉外，有为数不 多的小型平炉。中华人民共和国建立后，修复、 改造原有的平炉，并建设了新的大中型平炉。进 入70年代后未新建平炉。目前中国平炉钢的产量 约占钢产量三分之一左右。 平炉炼钢特征 可归纳如下三点： 1）从外部供给热量 因平炉炉体庞大, 冶炼时间长, 炉墙散热损失和高温废气带走的热量大，除钢铁 原料中各元素氧化产生热量外，必须从外部供给 燃料和使用预热空气燃烧燃料，方能保持炼钢时 需要的热量。不吹氧的平炉每炼1吨钢大约消耗 100万千卡的热量，相当于140公斤标准煤。 23
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开始冶炼时，燃料遇到导入的热空气就在燃料面上燃 烧，温度高达1800摄氏度。热量直接由火焰传给炉料， 使炉料迅速熔化 （铁的熔点是1535摄氏度，钢略 低）。同时有一部分熔化的生பைடு நூலகம்生成氧化亚铁，生铁 里的杂质硅、锰被氧化亚铁氧化，声成炉渣。由于炉 里放有过量的石灰石，磷与硫等杂质就生成磷酸钙和 硫化钙成为炉渣。其次碳也进行氧化，生成一氧化碳 从熔化的金属里冒出，好象金属在沸腾一样。 反应快要进行完毕的时候，加入脱氧剂并定时把炉渣 扒出。在冶炼将完成时要根据炉前分析 （用快速分 析法，几分钟可完成）来检验钢的成分是否合乎要求。 炼锝的钢从出钢口流入钢水包里，再从钢水包注入模 子里铸成制品或钢锭。
11 ）镍；能提高钢的强度和韧性，提高淬透 性．含量高时，可显著改变钢和合金的一些物 理性能，提高钢的抗腐蚀能力． 12 ）硼；当钢中含有微量的（ 0.001 - 0.005 ％） 硼时，钢的淬透性可以成倍的提高． 13 ）铝；能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时 效．提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗 氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等． 14 ）铜；它的突出作用是改善普通低合金钢的抗 大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时更为明 显．
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为了提高炉温，气体燃料要在蓄热室 里进 行预热。 在平炉里不但可加入液态生铁，而且可以 加入固态的生铁以及夹攻以后的废铁和铁 矿石等。另外，在平炉里如果用30%的富 氧空气鼓风，同时在熔化的金属里吹入氧 气，可使生产率提高80%，冶炼的时间缩 短2~4小时，并可节约燃料，富氧空气也不 需要预热。
连铸
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不锈钢生产工艺流程图
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1.按化学成分分类： 碳素钢(碳钢)：含碳量约0.05%～1.35% 合金钢：特意加入了合金元素 1.1 碳素钢分类 高碳钢：含碳量>0.6% 中碳钢：含碳量0.25%～0．6% 低碳钢：含碳量<0.25% 1.2合金钢分类 低合金钢：合金元素总含量<5% 中合金钢：合金元素总含量5%～10% 高合金钢：合金元素总含量>10% 1.3 新国标GB/T13304－91按化学成分分类为： 非合金钢、低合金钢、合金钢。
2）氧化性气氛 平炉熔炼室内燃烧气体（炉气）中含有O2、 CO2、H2O等，在高温下，强氧化性气体向熔池供氧量 每小时可达金属重量的0.2～0.4％，对熔池起氧化作用， 使炉渣始终有较高的氧化性。单靠炉气供氧，速度慢， 加铁矿石或吹氧可加速反应过程。 3）炉渣的作用 炉渣的比重只有钢液的1/2左右,浮在熔池 面上，介于炉气和钢液之间，是炉气向熔池传热和传氧 的媒介。此外，炉渣还有去除硫、磷等杂质，保护钢液 不致过氧化和防止钢液吸收气体（H、N）等重要作用。 因此平炉炼钢要求造好具有一定碱度和流动性良好的渣， 炉内需维持适当的渣量和渣层厚度,为造好渣,炉料熔化 后，熔池中的铁水要保持适量的含碳量。在精炼时，依 靠炉渣的传热和传氧，以及追加铁矿石或吹氧促进脱碳 反应激烈进行,造成熔池的激烈沸腾,增大渣、钢的接触 面积和加强传热、传质作用，以完成精炼任务。 24
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炼钢是钢铁生产的重要工序,对降低生产成本,提高产品 质量,扩大产品范围,具有决定性影响。 转炉是目前国内最主要的炼钢方法, 其产量已超过全国 钢产量的80%。 根据2001年国内大中型钢铁企业统计, 国内共有转炉223 座, 转炉公称吨位总计为10960t。我国大、中、小型转 炉的炉型结构基本合理, 其中大型转炉19座, 其公称吨 位总计为4180t, 占国内转炉公称吨位总量的38.1%; 中 型转炉42座,其公称吨位总计为3981t,占36.3%; 小型转 炉162座, 公称吨位总计为2800t, 占25.6%。 从实际生产能力分析, 小型转炉仍是目前国内钢铁生产 的主体。其钢产量在2003年达到8425万t, 占全国当年转 炉钢总产量的51%; 而大、中型转炉产量分别为3524.7 万t和3665.7万t, 分别占当年全国转炉钢产量的21.7%和 22.5%。

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炼钢

根据所炼钢种的要求把生铁中的含碳量 去除到规定范围，并使其它元素的含量 减少或增加到规定范围的过程。简单地 说，是对生铁降碳、去硫磷、调硅锰含 量的过程。这一过程基本上是一个氧化 过程，是用不同来源的氧(如空气中的氧、 纯氧气、铁矿石中的氧)来氧化铁水中的 碳、硅、锰等元素。化学反应主要是： 2FeO+Si =2Fe+SiO2 FeO+Mn = Fe+MnO 12


同时调整好钢液的成分和温度，达到要求可出钢，把钢 水铸成钢锭。
炼钢的方法主要有转炉、电炉和平炉三种。平炉炼钢的 主要特点是可搭用较多的废钢(可搭用钢铁料的20～50 ％的废钢)，原料适应性强，但冶炼时间多。我国目前 主要采用平炉炼钢。转炉炼钢广泛采用氧气顶吹转炉， 生产速度快(1座300吨的转炉吹炼时间不到20分钟，包 括辅助时间不超过1小时，而300吨平炉炼1炉钢要7个小 时)，品种多、质量好，可炼普通钢，也可炼合金钢。 电炉炼钢是用电能作热源进行冶炼。可以炼制化学工业 需要的不锈耐酸钢，电子工业需要的高牌号硅钢、纯铁， 航空工业需要的滚珠钢、耐热钢，机械工业用轴承钢、 高速切削工具钢，仪表工业需要的精密合金等。
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对钢材性能产生影响的金属元素

钢材的质量及性能是根据需要而确定的，不同的需要， 要有不同的元素含量． 1 ）碳；含碳量越高，钢的硬度就越高，但是它的可塑性 和韧性就越差． 2 ）硫；是钢中的有害杂物，含硫较高的钢在高温进行压 力加工时，容易脆裂，通常叫作热脆性． 3 ）磷；能使钢的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温 下更为严重，这种现象叫作冷脆性．在优质钢中，硫和 磷要严格控制．但从另方面看，在低碳钢中含有较高的 硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性有利． 4 ）锰；能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响， 并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢） 具有良好的耐磨性和其它的物理性能． 8
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2．按冶炼方法分类： 转炉钢、平炉钢、电炉钢 3．脱氧程度分类： 镇静钢、沸腾钢、半镇静钢 4．按钢的品质分类 普通钢P≤0.045% S≤0.05% 优质钢 P≤0.35% S≤0.35% 高级优质钢 P≤0.25% S≤0.25% 特级优质钢 P≤0.025% S≤0.015% 5．用途分类 结构钢 建筑用钢和机械用钢工具钢 制造各种 工具，如刀具、量具、模具等用钢特殊性能钢 具有特殊的物理、化学性能的钢
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3.1 平炉用耐火材料

平炉又称马丁炉，是用煤气或重油作燃料将生铁及废钢 冶炼成钢的融炼炉。按照融炼室使用耐火材料的种类分 为酸性平炉和碱性平炉。 平炉开始建于1865年，20世纪开始替代托马斯转炉炼钢， 而成为世界上的主要炼钢方法。它的优点是原料范围广， 能大量使用废钢，设备能力大（最大平炉有900吨）， 劳动生产率高，钢的品种多，质量好，到1955年全世界 的钢约有81％出自平炉，其中美国为90％，苏联为88％， 日本为83％。 至1950年，平炉其融炼室、炉头和蓄热室上部一直沿用 硅砖砌筑，蓄热室中、下部等部位则用粘土砖或高铝砖 砌筑，故称为酸性平炉，使用寿命较低，炉龄为100～ 15 200炉次。