2009-1钢铁冶金工程绪论.ppt

钢铁冶金工程,选用教材现代冶金学（钢铁冶金卷） 冶金工业出版社 主编 朱苗勇 主讲 李永刚 ( lygzzu.edu.cn 13603997545 ),教学目的,了解钢铁工业的生产流程。 了解炼铁、炼钢的主要技术手段、设备。 对有意向从事钢铁冶金、轧钢、大型铸锻件生产等的专业方向的相关专业的同学，学习一定的冶金知识，很有益处。,2008年世界经济萧条，世界上67个主要产钢国家和地区的粗钢总产量为13.3亿吨，比上年减产1.2，欧盟、北美、南美和俄罗斯等主要产钢国家和地区的粗钢产量均有所下降，但中东及亚洲，特别是中国的钢产量继续增加。 2008年，中国粗钢产量为5.02亿吨，同比增长2.6。占全世界的37.74%。,基本信息：2008年粗钢产量,近30年，西方国家进入知识经济时代，钢铁工业进入缓慢发展期，而中国的钢铁工业却呈现大发展的局面，30年间钢产量猛增了14.8倍。2008年，中国的钢产量已相当于世界上其他8个钢产量最多国家之和。 随着钢铁工业生产规模的不断扩大，我国一批钢铁企业逐步登上了世界大企业的行列。 2008年世界20大钢铁公司中，我国占了6个，分别是宝钢、河北钢铁、武钢、鞍本钢铁、山东钢铁、马鞍山钢铁。,资源！矿石资源！,新闻：中钢协与FMG达成铁矿石谈判协议,2009年08月18日04:12 中国钢铁工业协会昨日宣布，已与澳大利亚公司就2009年度铁矿石谈判达成价格协议：粉矿比2008年降35.02%，块矿比2008年降50.42%。 该价格协议表明中钢协持续的努力终于获得阶段性胜利。此前，力拓与日本新日铁公司达成了今年的铁矿石谈判首发价，粉矿和块矿价格分别比上一年度下降3295和4447。但中钢协拒绝跟进这一价格。,是澳大利亚第三大铁矿石生产商，2009年预计产量5000万吨，预计2010年产量将达到9500万吨。而我国今年铁矿石的预计进口量高达5亿吨。与中国的华菱钢铁(000932)集团在今年达成了协议，华菱占有174的股份，是集团第二大股东。 业内人士指出，考虑到目前产能薄弱，因此该结果并不代表与三大矿山的谈判已经接近成功，占中国铁矿石进口的主要份额价格仍悬而未决。 力拓则公开表示：该价格并非为全行业设定了价格水平，FMG的铁矿石价格协议与力拓的定价体系无关。 巴西淡水河谷(CVRD)公司 澳大利亚必和必拓(BHPBilliton) 澳大利亚力拓(RioTinto)铁矿公司,新闻：2009年09月05日05:29,昨天,全球三大矿企之一澳大利亚力拓方面表示,目前没有和中国进行铁矿石价格谈判,向中国出口的铁矿石按临时价格进行,临时价格是基于之前力拓与日本客户商定的基准结算价。 该公司同时否认：暂停谈判是因为中方拘捕了其四名员工。 此前,力拓与新日铁率先达成了今年的铁矿石价格谈判,价格为下降32.95%-44.47%,因为这一降幅没有达到中方的要求,所以我国一直没有接受这一价格。 【作者：张艳 来源：京华时报】,2010年铁矿石谈判将启 澳主要矿商减产逼价,10月15日17日，由中钢协和中国国际贸易促进委员会冶金行业分会共同举办的“2009年第九届中国钢铁原材料国际研讨会”将在青岛举行。 记者查阅这份会议通知发现，与以往不同的是，在该会议通知中，全然不见三大铁矿石商的影子，取而代之的是：印度五矿公司、印度国家矿业发展公司、西澳大利亚政府、澳大利亚API矿业公司、澳大利亚AQUILA资源公司、FMG公司等19家单位。 业界人士认为，此举表明，中钢协正努力寻找三大铁矿商以外的合作方。 “但他们掌握了全球70%的铁矿石资源，中国钢企短时间内很难将三大铁矿商撇开。” （来源：每日经济新闻）,去年的相关新闻：,新闻：2008全球铁矿石价格谈判结束 钢企上调钢价转嫁成本压力,1、新华网上海月日电（记者李荣）作为中国钢厂谈判代表的宝钢集团日时发布消息说，宝钢与世界最大铁矿石生产商巴西淡水河谷公司（）就年度国际铁矿石基准价达成了一致，巴西南部系统粉矿价格上涨。 此次宝钢代表中国钢厂达成的矿价结果，与日晚间日本最大钢厂新日铁公司联合韩国浦项公司与巴西淡水河谷公司达成的矿石基准价是相同的。这一结果已为日本其他钢厂及欧洲的德国蒂森克虏伯公司和意大利钢厂所接受。 2、2008年度全球铁矿石价格谈判宣告结束。 矿业巨头必和必拓上周末与宝钢就铁矿石供货价格上调事宜达成了协议，价格上调幅度与力拓之前公布的涨幅一致。在铁矿石和焦炭成本大幅上涨的情况下，钢企将通过上调钢价来转嫁成本压力。 根据所公布的协议，2008年度必和必拓纽曼粉矿、杨迪粉矿和纽曼块矿的基准价格分别为1.4466美元干吨度、1.4466美元干吨度和2.0169美元干吨度。较之2007年度价格分别上涨79.88%、79.88%和96.5%。（就是10公斤,10/1000 吨，百分之一吨。）,“必和必拓最终接受力拓与宝钢的协议价格是意料之中的，毕竟必和必拓对中国的铁矿石出口量与力拓相比小了很多，而以宝钢为代表的亚洲钢企在这一问题上态度已然非常强硬，不惜以谈判破裂为代价，那样的话对于必和必拓也没有丝毫好处。”业内专家昨日表示，“况且必和必拓收购力拓正值关键时刻，欧盟已就必和必拓向其竞争对手力拓开出的1700亿美元收购企图展开全面调查，这个时候，必和必拓自然也不愿在市场动作上冒更大的风险。” 3、不仅铁矿石价格在上涨，而且焦煤等钢铁业上游资源价格都在上涨，焦煤价格已上涨了至。据业内判断，中国钢铁业将进入高成本、高钢价的时代。 4、海运成本增大 中国已连续多年成为世界第一钢铁生产国和铁矿石最大进口国。去年（2007年）中国钢产量接近亿吨，进口铁矿石接近亿吨。由于包括铁矿石在内的上游资源供应偏紧、价格高企，钢铁业成本水平不断上升，已开始抑制中国钢铁产能的释放。自去年底开始，中国日均产钢量增幅已在趋缓。,资源有限，不可再生！ 21世纪，谁掌握了资源，谁就主动！,“钢铁冶金”的基本概念,钢铁冶金是根据物理化学、热力学、动力学、传输学和反应工程学以及金属学等基本原理，从矿石中提取金属，经精炼，再用各种加工方法（塑性加工，机械加工等）制成具有一定性能的钢铁材料的过程。从工艺过程角度可分为炼铁学和炼钢学两大领域。 炼铁工艺是以含铁矿石为主要原料，以焦炭、煤为主要能源，生产炼钢主原料生铁（或铁水），并生产部分铸造生铁和铁合金的过程。 炼钢工艺是将铁水、直接还原铁或废钢（铁）经加热、熔化，通过化学反应去除金属液中的有害杂质元素，配加合金并浇铸成半成品铸坯的过程。,电炉炼钢工艺流程,绪 论,一、古代“冶铁”技术的发展 二、技术创新促进了钢铁工业的诞生 三、技术创新 推动了20世纪全球钢铁工业大发展 四、我国钢铁工业的概况 五、未来几年中国钢铁工业发展趋势,一、古代“冶铁”技术的发展,长期的经验积累和操作改进，使钢铁冶炼成为一门技艺 历史：人类祖先与其他动物主要区别之一在于能使用工具，这是创造了人类文明的重要前提。 人类的祖先要使用工具就要寻找制造工具的材料，首先是石头，然后是铜，最后是铁。因而，考古学家们把人类的文明史划分为石器时代、青铜时代和铁器时代。 公元前14、15世纪，人类开始使用铁器，这是人类文明的一大进步。钢铁冶金作为一门生产技术，目前有公认说法认为最早起源于黑海南岸的山区。 虽然最近的考古工作者在埃及金字塔发现了公元前2900年冶炼出金属铁，但至今尚未发现文字记载。关于冶炼过程的第一个描述是埃及公元前1500年古墓墙上的壁画，如下图所示。,埃及人炼铁的简图,但最初的一千多年内，冶金技术发展十分缓慢，至1416世纪欧洲才出现水力鼓风的炼铁炉，用以生产铸铁，但基本上是经验式的实践，技术水平较低，生产规模不大。 直至16世纪，欧洲的冶金著作火法技艺和论冶金才问世，对冶金技术的发展起到了程前启后的作用。 我国明末（1637年）宋应星所著天工开物中，较详细地记载了中国当时的冶金技术。 18世纪下半叶（1781年），伯格曼（T.Bergman）在研究中得出了“钢是铁与碳交互作用的产物”的结论，并指出“氧化与还原是冶金的化学基础”，使人们对钢铁生产有了较正确的理解。,在此基础上，伴随着近代自然科学理论和实验方法的产生和发展，逐步形成了钢铁冶金学科。 特别是在“冶金热力学”等理论指导下，人们逐渐掌握了钢铁冶炼的内在规律。 可以说，到了18世纪末，冶金学才从自然科学中汲取营养，逐渐发展成一门独立的近代学科。 20世纪下半叶以来电子计算机技术的发展，对钢铁产业产生了深刻的影响： 1）一是计算机的应用使自动化技术与钢铁工艺紧密结合； 2）二是电子器材对材料性能提出了新的要求，使钢铁冶金学发展成为材料科学的一个主要组成部分。,早期 “冶铁”（炼铁炼钢）技术的发展,众所周知，古代人采用的简陋工艺不可能达到金属铁融化的温度，他们从富矿中得到的不是液态金属，而是还原并软化了的含有渣的金属铁的混合物。 （遗憾的是，中国大跃进大炼钢铁时代仍步其后尘！） 由于冶炼温度低，金属铁不能吸收大量的碳，所以熔点较高。而渣的熔点低于金属铁，因此熔融状态的金属铁中含有液体渣，把渣挤压出去得到含碳低的熟铁。 我国汉代的“百炼钢”工艺。 （千锤百炼方成钢！） 按现代的分类方法，熟铁属于钢的范畴。从这个意义上讲，人们先冶炼出“钢”，而在许多年之后才冶炼出生铁。,据考古学者的研究，古代埃及人在原有冶炼炉的基础上，逐步改进冶炼炉，采用风箱以强化冶炼，冶炼炉用石头砌筑并涂上泥衬，炉容积也得到扩大，如图所示。,早期炼铁熔融洞,古代人掌握了从矿石冶炼“熟铁”的技术，所用燃料和还原剂是木炭。最初熟铁质地太软不能做器具。随着对熟铁渗碳技术的掌握，古代人开始使用渗碳的熟铁制造器具。 由于对铁器的需求不断增长，冶炼炉的容积不断扩大，风箱的能力不得不进一步增大，逐渐超出了人力界限，于是出现了水力风箱。得到数量可观的生铁。,Cam 偏心轮 Flume 溜槽 Shaft 轴 Bellows 风箱 Counter balance 配重,为得到钢，必须用氧化法去除生铁中的碳、硅、锰、磷，并挤出混入的渣。 由生铁精炼成熟铁和钢的方法经历了许多变化。 在古代，人们用生铁进行氧化精炼的方法称为 “炒熟铁”或“炒钢” ：把（已经得到的）生铁、矿石和燃料共同放在简单的炉灶中，鼓风使生铁熔化成小滴。熔滴在下落时与矿石或空气中的氧起作用，同时工匠用力搅拌，使生铁中的碳充分氧化而被去除掉，成为可锻的熟铁。 （见后面天工开物的插图）。 由于是在固态或半固态下冶炼，劳动强度大，不可能发展成大规模的生产，得到的产品质量也很差。,天工开物之炼铁炉、炒铁炉,在欧洲普遍采用的方法是用搅钢炉将生铁炼成熟铁，然后用渗碳或坩埚炉的方式增碳，见下图。（原料？）,搅钢炉的简图,坩锅炉熔炼作坊的断面图,随着（炼铁）炉容的扩大，炉体高度的增加，在14世纪欧洲出现了竖炉。 由于竖炉炉内温度较高，冶炼出的不是熔融状态的熟铁，而是液态铁水，铁水凝固后得到生铁。 生铁可以铸成器具，但要得到具有韧性和延展性的钢，还要对生铁进行再加工。这样就构成了近代钢铁制造工艺的基本雏形。 还原和熔化铁矿石的竖炉是近代高炉的前身，如图所示。,随着冶铁工艺的不断改进，钢铁产量规模不断扩大，出现了具有一定规模的冶铁手工作坊。 到了19世纪初，欧洲的工业革命已经开始，需要一种能够大规模生产廉价的结构材料的技术来支持工业、交通、运输业的发展。 但当时木炭炼铁高炉的产量已可以达到每周15吨，但搅钢炉一炉的产量只有500磅。生铁太脆，而熟铁不能大批量生产，均无法满足要求。 当时蒸汽机、铁路、轮船都已出现。但铁路的轨道是木制的，上面包一层铁皮（熟铁），船舶、建筑物、大部分桥梁都是木制的，甚至容器也是木制的。工业革命期盼着新的材料制造业的诞生。 虽然人类使用钢铁的历史源远流长，但在18世纪中叶之前，人们对钢铁冶金没有系统的理性认识。,我国冶铁技艺发展简介,我国是掌握冶铁技艺的世界文明古国之一。 在公元前世纪前后，中国就“发明”了生铁冶炼技术。尤其是在春秋战国时期，块炼铁和生铁冶炼两种工艺，几乎是同时产生，这两种方法在我国历史上曾长期平行发展，在不同情况下发挥各自的作用。 在春秋末期和战国初期，以块炼铁为材料，在反复锻打块炼铁的实践中，人们又总结出块炼铁渗碳成钢的经验。因块炼铁质柔不坚，渗碳块炼钢又太坚硬，人们又发明了炼钢的淬火工艺，进一步提高了块炼钢的机械性能。在河北易县武阳台村的燕下都遗址出土的79件铁器，大部分就是经过淬火处理的。块炼铁的炉温大约1000左右，离纯铁的熔点（1534）相差甚远。 实质：矿石海绵铁、渣反复锻打挤出渣（即后来的“百炼钢”） 渗碳或淬火 生铁的冶铸工艺与块炼法的差异在于，它的炉温达到11001200。在这种炉温下，通过被还原生成的固态铁吸收碳，降低其熔点，从而得到液态的生铁，液态生铁可以直接浇铸成器。江苏东周墓出土的铁丸，洛阳出土的铁锛、铁铲等，都是那个时期的生铁器物。生铁的早期发明，是中国对世界冶金技术的杰出贡献。欧洲一些国家，虽很早出现块炼铁，但出现生铁则是公元十三世纪末到十四世纪初。 实质：接近现代炼铁得到液态生铁,铁器的较多使用，标志着新一代社会生产力的形成，春秋战国之交中国已进入铁器时代。 郭沫若的研究分析认为，铸铁技术在齐桓公时已接近成熟。（国语齐语里面，管仲所说的“美金以铸剑戟，试诸狗马；恶金以铸锄夷斤，试诸壤土”，美金是指青铜，恶金是指铁。） 从战国到西汉，生熟铁并用平行发展。 早期的铸铁都是白口铁，铸造性能较好。但碳是以Fe3C的形式存在于铁中，导致生铁脆硬，不耐碰击。 那么中国早期冶铁匠师就面临双重难题，一是如欧洲古代铁匠那样使柔软的块铁变硬，另外是设法使脆硬的白口铁变软。因此，在战国早期，人们就创造了白口铁柔化术：“即通过长时间加热，将白口铁中的碳化铁分解为铁和石墨，消除大块的渗碳体，这对提高铁的柔性起了良好作用，而欧洲的铸铁柔化术是在世纪下期才出现的。 战国中期以后，铁器已取代铜器成为主要的生产工具。正是铁器的普遍应用，才极大推动社会生产发展，使奴隶制向封建制转变，造就了战国时期经济繁荣，百家争鸣的昌盛局面。 秦朝时期已在主要产铁地区设置铁官，当时我国的冶铁技术处于世界领先地位。,西汉，在块炼渗碳的基础上兴起了“百炼钢”技术。它的特点是增加了反复加热锻打的次数，这样既可加工成型，又使夹杂物减少、细化和均匀化，大大提高了钢的质量。 西汉中期，又出现了炒钢，即将生铁炒到成为半液体半固体状态，并进行搅拌，利用铁矿物或空气中的氧进行脱碳，借以达到需要的含碳量，再反复热锻，打成钢制品。这省去了烦难的渗碳工序，又使钢的组织更加均匀。 炒钢的发明，也打破了先前生铁不能转为熟铁的界限，使原先各行其是的两个工艺系统得以沟通，成为统一的钢铁冶炼技术体系。这是继生铁冶铸之后，中国古代钢铁技术史上又一重大事件。 西汉时铁器的使用范围已遍布全国各地，手工业工具及农业生产全部使用了铁农具。在郑州古荥冶铁遗址出土的铁器有318件，其中206件为铸制农具。 西晋南北朝时，新的灌钢技术出现。它是将生铁炒成熟铁，然后同生铁一起加热，由于生铁的熔点低，易于熔化，待生铁熔化后，它便“灌”入熟铁中，使熟铁增碳而得到钢。这种方法比生产炒钢容易掌握，也使钢铁技术较为完备，成为南北朝以后的主要方法。,从唐代到明代，是古代钢铁技术全面发展和定型的时期。唐宋时期实现了农具从铸制改为锻制这一具有重大意义的历史性转变： 以生铁冶炼生铁炒炼熟铁生、熟铁合炼成钢为主干的钢铁工业体系趋于定型。 到了明代：采用了“生铁淋口”法锻制生产工具。这种方法的原理是和灌钢相同的。这在宋应星的天工开物中有记载（此书初刊于1637年）。 另外，天工开物详细绘出了冶铁工艺的插图，并对冶铁过程进行了详细的描述，这是冶炼史上的半连续性冶炼系统，即把炼铁炉流出的铁水，直接流进炒铁炉里炒成熟铁，从而减少了再熔化的过程。 这时，人们不仅懂得了炼焦，还用焦炭进行了冶炼。 明代中叶到清末，传统钢铁技术继续缓慢发展，生铁年产量达数十万吨。炼铁竖炉高米，佛山炼铁厂还采用装料机械（机车）代人力加料。 总之，在世纪中叶工业革命之前，中国冶铁工业的生产规模和技术水平与当时的英法等国相比并不逊色，各领风骚。,天工开物之炼铁炉、炒铁炉,中国的封建制度发展到明代已进入衰亡阶段，极端腐败的专制主义政治，庞大的官僚机构和腐朽的上层建筑，严重束缚了生产的发展。明末矿税之害迫使各阶层人民群起反抗，阶级矛盾异常尖锐。 后起的清政府是镇压了农民起义和抗清斗争之后建立起来的，满汉地主阶级联合专政的专制政府。康熙、雍正和乾隆三朝号称盛世历时年（公元年）。 但正在此时，西方爆发了工业革命，其工业、科技、军事实力却以封建制度无法想象的速度发展起来，在很短时期就把中国抛在后面。 而清政府恰从雍正时代起顽固地实行闭关自守政策，自封天朝大国，对世界范围的重大变化茫然无知，更谈不上采取措迎头赶上。 在随后的帝国主义侵略和清廷卖国行径的内外夹攻下，旧有的手工业和传统技术随之衰落，濒于破产和失传，曾经独树一帜的中国冶炼工业也黯然失色，失去了建立独立的金属工业、使传统工艺发展为现代金属技术的可能性。 纵观五千年的中国冶金技术，它的发生和发展，进退和起落都是和中华民族的发生和发展、兴衰和荣辱息息相关的。,二、技术创新促进了钢铁工业的诞生,前面已述：18世纪下半叶（1781年），伯格曼在研究中做出了“钢是铁与碳交互作用的产物”的结论，并指出“氧化与还原是冶金的化学基础”，使人们对钢铁生产有了较正确的理解。 在此基础上，伴随着近代自然科学理论和实验方法的产生和发展，逐步形成了钢铁冶金学科。 特别是在冶金热力学等理论指导下，人们逐渐掌握了钢铁冶炼的内在规律。 20世纪下半叶以来电子计算机技术的发展，对钢铁产业产生了深刻的影响： 一是计算机的应用使自动化技术与钢铁工艺紧密结合； 二是电子器材对材料性能提出了新的要求，使钢铁冶金学发展成为材料科学的一个主要组成部分。,17世纪炼铁作坊的高炉用的燃料是木炭，因而不得不大量砍伐森林来烧制木炭。为保护森林，英国政府下令使许多木炭高炉停产。 18世纪焦炭的适时出现以及无烟煤与木炭的混用解决了炼铁高炉的木炭危机。 1718年英国人Abraham Darby首次在高炉上成功地用焦炭全部取代了木炭。虽然由于个人利益，此项技术在1771年以后才得以推广，但这一技术创新为炼铁高炉进一步发展提供了重要的物质基础。 早期的高炉使用的是冷风，高炉冬天产量高，夏天产量低，很多人误认为冷风比热风好，却忽视了冬天空气湿度低，利于提高燃烧温度的特点。 直到1828年，James Neilson 在苏格兰的高炉上进行了加热鼓风试验，获得成功。此后高炉开始使用热风，这一技术创新为高炉大幅度提高生产力、降低能源消耗提供了重要的技术支撑。,工业革命要求炼钢工艺在提高生产力上有新的突破。1850年至1860年间英国的亨利·贝塞麦（Henry Bessemer）试验成功了向铁水表面吹空气去除杂质的炼钢新工艺。 贝塞麦根据化学生成热的计算结果得知，铁氧化产生的热量足以保证在液态下将铁水中的杂质去除并得到钢水。 贝塞麦（Bessmer）的技术创新开创了炼钢史上第一次重大的工艺技术革命，并为现代钢铁工业的形成奠定了基础。这一炼钢工艺被称为贝氏炼钢法，如下图所示。 通常，转炉生产一炉钢只需数十分钟，一炉钢的产量以吨计，而且钢水可以直接铸成钢锭，炼钢过程不需要外加燃料，在这一点，大大优于搅钢炉。,贝塞麦转炉吹炼时的断面图,但Bessmer法也有缺点，其去硫去磷能力差，钢水中气体含量高（H、N），钢的质量不如搅钢炉冶炼的熟铁。 （原因：除H、N外，钢中余氧量多，最终成夹杂物，钢太“脏”） 1855年，英国工程师William Siemens发明了另一种炼钢工艺。该法用蓄热室加热燃烧用煤气与空气，以此获得高温，将废钢和生铁融化成液态进行精炼，同时燃烧废气将热量传给蓄热室，如此反复循环。 钢中的杂质靠炉渣中的氧化铁去除。这就是现代平炉炼钢的雏形。 Siemens的第一座工业化的平炉建于1868年。法国人Pierre-Emile Martin取得Siemens的专利权后加以改进，称之为Siemens-Martin法，即平炉炼钢法。由于其钢质优于贝氏炼钢法，1867年在巴黎博览会上获得金奖。,当时转炉和平炉使用的耐火材料都是酸性的，因而脱硫脱磷效果差。 1875年英国的S.G.Thomas和 P.G.Gelchrist 发明了转炉中用碱性炉衬和碱性炉渣的炼钢方法，使用高磷生铁炼钢（欧洲高磷生铁普遍）。 其后平炉也改用了碱性炉衬和碱性炉渣，由此，平炉炼钢工艺得到很大发展，成为19世纪后期和20世纪中期占统治地位的炼钢工艺。 下图为当时碱性平炉的简图。 与此同时，电炉炼钢法也取得突破，成了冶炼合金钢的主要工艺。 自1880年碱性炼钢法出现后，钢的生产能力大幅度提高，而搅钢炉工艺逐渐被淘汰。以液态炼钢工艺为核心，形成了 “高炉炼钢铸锭开坯轧钢热处理”等工艺组成的传统钢材生产流程。,Air generator 空气蓄热室 Gas generator 煤气蓄热室 Bath 熔池 Chimney 烟囱 Reversing valves换向阀 Magnesite lining 镁质炉衬 Flame 火焰,与以前的钢铁生产作坊相比，该流程不仅生产规模大，成本低，而且产品质量好。最重要的是，这一工艺流程适时地满足了当时社会对钢铁产品的需求，支撑了工业革命，启动的人类社会的工业化进程（当时这一进程出现在欧洲和北美）。 随着钢铁生产能力的大幅度增长，钢铁厂数量增多，从业人员增加，使以手工作坊为主的钢铁冶炼技艺形成了产业钢铁工业。 工业革命发源地的英国在19世纪钢产量处于领先地位。1871年，英国钢年产量为33.4万吨，德国为25.1万吨，法国为8.6万吨，美国仅为7.4万吨。 炼钢工艺技术革命后，英国产钢大国地位受到挑战。美国由于矿石、焦炭资源优势，贝氏炼钢法得到迅速推广。1890年美国钢产量超过英国成为第一产钢国。德国超过英国居第二。,背景知识：平炉炼钢（了解）,平炉炼钢 open hearth steelmaking 用平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的炼钢方法。1856年德国人西门子 (K.W.Siemens)使用了蓄热室为平炉的构造奠定了基础。1864年法国人马丁（P.Martin）利用有蓄热室的火焰炉,用废钢、生铁成功地炼出了钢液，从此发展了平炉炼钢法。在欧洲一些国家称为西门子马丁炉或马丁炉。此法同当时的转炉炼钢法比较有下述特点：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。因此，碱性平炉炼钢法问世后就为各国广泛采用，成为世界上主要的炼钢方法。在19301960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。许多国家原有的炼钢主力平炉已经或正在陆续被氧气转炉和电炉所代替。 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。（全部淘汰）,三、技术创新 推动了20世纪全球钢铁工业大发展,碱性平炉炼钢工艺在20世纪得到推广，成为炼钢的主导工艺，特别是在美国的发展更快。 1900年全世界钢产量是2850万吨，美国钢产量为1035万吨，占世界产量的36.3%。 电力的出现使蒸汽机被电动机取代。这一创新加速了钢铁工业的发展。全世界钢产量1906年超过5000万吨。第一次世界大战后，1927年全世界钢产量超过一亿吨。,二次大战后，经济发展对钢铁的需求发生了显著的变化。 二战之前，钢铁主要用于铁路、运输、造船、军工等方面。 二战以后，随着汽车工业的发展，住宅、高速公路、港口、机场等基础设施的建设，农业机械化、家用电器的应用推广，石油天然气输送管道的建设以及机械化、自动化技术的推广应用，对性能好、价格低的结构材料和功能材料的需求越来越迫切。 与其他材料相比，钢材在质量、性能和价格上都是最合适的，成为人类社会实现工业化的首选材料，从而成为发展的焦点。 二次大战后，在全球范围内，出现了许多高品位的铁矿石供应基地，使铁矿石的供应趋向国际化，进而为钢铁工业的大发展提供了物质基础，并使铁矿石资源贫乏的国家能够能够依靠科技进步成为主要产钢国典型代表：日本。,20世纪中期以来出现的钢铁制造技术创新推动了钢铁工业的大发展。 上世纪50年代开始以空前的速度（年均1900万吨）增长。1973年全球钢产量超过7亿吨。其后由于石油危机及全球性经济萧条等原因使钢产量下降并起伏波动，但总趋势是增长的。 到2000年全球钢产量超过8亿吨。在20世纪的100年中，全球钢产量增加28倍，可以认为20世纪是钢铁工业大发展的世纪。这个大发展的推动力就是技术创新。 2007年全球粗钢产量达到13.22亿吨，比上年增长7.3%。其中除中国增长15.3%中国增长显著，07年在全球总产量中占到37%，已成为钢铁大国。 图10记录了20世纪世界钢产量的演变情况,氧气转炉炼钢技术推动了钢铁工业大发展,1930年奥地利的Dürer教授对氧气转炉炼钢进行了研究，但由于氧气太贵而不能实现工业化。进入50年代，制氧工业的进步，使氧气机产能大幅提高，氧气成本下降，氧气炼钢的条件日趋成熟。1950年奥地利的VOEST（奥钢联）公司在30吨转炉上成功开发出氧气转炉炼钢的LD法，并与瑞士的BOT联合以专利方式向全世界推广。 与其他炼钢工艺相比，LD法控制钢含碳量的能力强，冶炼周期短，能够实现设备大型化。此外，使用高纯氧使钢中含N量低，废钢使用比例较低，废钢带入的有害杂质减少，提高了钢的质量，从而使氧气转炉炼钢技术在全世界得到迅速推广。 50年代至70年代，日本、欧洲钢产量的快速增长与氧气转炉的普及密不可分。 我国80年代以后钢铁工业的崛起，氧气转炉的推广和平炉炼钢的淘汰起了重要作用。,背景知识：转炉炼钢（了解）,一种不需外加热源，主要以液态生铁为原料的炼钢方法。转炉炼钢法的主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢以及少量的冷生铁块和矿石等。转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹;按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受到限制。碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。空气吹炼的转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢，未能像平炉那样在世界范围内广泛采用。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。 简史 1856年，英国贝塞麦(H.Bessemer)发明了底吹酸性转炉炼钢法，以后被称为贝塞麦转炉炼钢法。从此开创了大规模炼钢的新时代。1879年英国托马斯(S.G.Thomas)创造了碱性转炉炼钢法。造碱性渣除磷,适用于西欧丰富的高磷铁矿的冶炼，一般称托马斯转炉炼钢法。1891年，法国特罗佩纳(Tropenas)创造了侧面吹风的酸性侧吹转炉炼钢法，曾在铸钢厂得到应用。,用氧气代替空气的优越性早被认识，但因未能获得大量廉价的工业纯氧，长期未能实现。到20世纪40年代，空气分离制氧以工业规模进行生产之后，炼钢大量用氧有了可能。但是,旧有转炉改用氧气吹炼,炉底风眼烧损很快，甚至使吹炼无法进行。 1948年杜雷尔(R.Durrer)在瑞士采用水冷氧枪垂直插入炉内吹炼铁水获得成功，1952年奥地利林茨(Linz)和多纳维茨 (Donawiz)钢厂建立30吨氧气顶吹转炉车间。后来就按这两个地名的第一个字母称氧气顶吹转炉炼钢法为LD炼钢法。 50年代，LD炼钢法传播到世界各国，逐步取代平炉炼钢法。随着顶吹氧转炉的问世，也出现了其他类型吹氧炼钢方法，如卡尔多转炉(Kaldo)炼钢法,罗托转炉(Rotor)炼钢法,但都未能推广。喷石灰粉的氧气顶吹转炉炼钢法,称LD-AC法，可以吹炼含磷高的生铁，在氧气底吹转炉问世前曾应用于高磷生铁炼钢生产。 尽管氧气顶吹转炉法得到广泛发展，有人认为由底部供气,熔池搅拌力强,冶炼过程较为合理。1965年加拿大空气液化公司试验成功用同心吹氧管同时吹入气态碳氢化合物来冷却喷嘴的技术。随后法国也试成用燃料油冷却喷嘴的技术。较好地解决了氧气底吹风口烧损快的问题,使底吹转炉炼钢方法得以复苏。,1967年后在联邦德国和法国分别采用上述两项技术建造氧气底吹转炉投入生产,称为”OBM”法(即Oxygen Bottom-blowMaximilian)和“LWS”法(为Loire、Wendel/Sidelor和Sprunck三公司的缩写)。1971年美国引进“OBM”的技术，用于底吹氧气喷石灰粉吹炼含磷生铁，取名“Q-BOP”法，Q表示不平静quiet快quick和优质quality，BOP为碱性氧气法（见氧气底吹转炉炼钢）。 氧气顶吹转炉采用喷嘴或透气砖自底部吹入少量惰性气体或氧气,可明显地改善熔池的搅拌力,而兼有底吹和顶吹的优点，1974年英国首先在1.25吨转炉上、1975年法国和卢森堡合作在65吨转炉上先后试验顶底复合吹炼转炉炼钢成功。随后开始在世界范围内推广应用。 中国于3040年代曾在各地用侧吹酸性转炉炼钢，总生产能力约10万吨年。50年代，唐山钢厂试用碱性炉衬吹炼成功，并推广到全国各地。5060年代侧吹转炉钢产量曾达中国钢总产量的20以上。50年代末，首先在北京建成30吨氧气顶吹转炉车间开始生产。以后在各地相继建成投产。1980年氧气转炉钢的产量占全国钢的总产量40.64。 原理 转炉炼钢法同其他炼钢法主要区别在于他不借助外加能源，仅靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600或更高）温度。,氧化 当空气或氧气吹入铁水时，生铁中易氧化元素就开始氧化,产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。各项元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。首先氧化的是硅、锰和少量的铁。开始时因温度低(12001300)，而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。随着温度升高，碳开始激烈地进行氧化。随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣,磷和硫亦被脱除,熔池铁液中各种元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。碳随着温度的提高而分别先于有关元素氧化（见自由焓）。 脱氧 转炉吹炼终了时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一般为0.010.08。其含量主要取决于终点钢水的碳含量(图1)。但在固体钢中氧的溶解度很低,仅为0.0020.003,因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧便以FeO形式析出,影响钢的质量。所以,要炼成合格的钢,就必须脱氧。脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理,使钢中的含氧量降到规定限度之下(见钢的脱氧反应)。各元素在1600时的脱氧能力比较见图2。在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效率,使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。,高炉炼铁的技术创新（后面介绍）,(1)高炉进一步大型化 二次世界大战以后，高炉进一步大型化的趋势越来越明显，特别是在日本与前苏联。 1959年日本最大的高炉内容积为1603m3。1976年5070m3的高炉投产，在10多年时间内，高炉容积扩大了近3倍。20世纪70年代前期，前苏联也建了5000m3级高炉。欧洲则利用建5000m3级高炉来淘汰1000m3级高炉。 目前世界上最大的高炉为新日铁九州大分厂2号高炉拟将之扩充至5774立方米。 大修后的宝钢二号高炉容积从4063m3扩大到4800m3，年产生铁387万吨，超过容积4350m3的宝钢三号和四号高炉，成为中国最大的高炉，一代炉龄将达到18至20年。 新首钢即将建成的中国最大的两座5500m3的钢铁高炉，目前国际上达到此标准的高炉仅有四座。,高炉大型化是现代钢铁工业发展的重要标志之一。为了扩大生产规模，提高质量，降低消耗，提高劳动生产率，高炉必须大型化，据截止2002年底的粗略统计数据表明，我国1000m3以上高炉有46座，但同时还有很多的小高炉在生产。淘汰技术落后的中小高炉，逐步实行高炉的大型化，是钢铁工业的发展趋势。 (2)高压操作 高压操作是20世纪40年代出现的高炉炼铁技术创新。首先在美国和前苏联应用推广。提高炉顶压力促使高炉增产，并进一步推动了高炉的大型化。 (3)高风温 20世纪50年代高炉风温一般在600800之间，900以上就算是高风温。随着热风炉结构的技术创新和耐火材料的更新换代，20世纪90年代高炉风温水平一般超过了1100，相当多的高炉超过了1200，这为高炉风口喷吹燃料和降低焦比创造了条件。,(4)高炉风口喷吹燃料 高炉风口喷吹燃料是20世纪50年代以后的重要技术创新。最初，从风口喷吹重油来替代焦炭，获得良好效果。石油危机后，风口喷吹煤粉得到大发展，可以做到置换焦炭用量的40%。 20世纪末，风口喷吹剂趋向多元化，如煤粉，重油，废塑料，天然气等等。 20世纪50年代，人们对高炉冶炼提出了以原料为基础，采用大风、高温等技术手段的操作方针，使炼铁技术有了新的进步。 1959年，我国太钢、本钢高炉突破中等冶炼强度的制约，把冶炼强度提高到1.11.3t焦/(m3.d)，开创了世界高炉强度的先例，有的大型高炉达到2.4 t焦/(m3.d)以上，入炉综合焦比510540kg/t铁，个别高炉降至480 kg/t铁以下，达到国际先进水平。,四、我国钢铁工业的概况,前面已经谈到：中国是使用铁器最早的国家之一，春秋晚期(公元前65世纪)铁器已较广泛地得到应用。 西汉时期盐铁官营，冶铁工业得到较大的发展，并在规模及生产技术等方面达到较先进的水平。据资料，当时已有了炉缸断面积8.5m2的高炉。中国的这种领先的优势一直延续了两千年,直到明代中叶(约17世纪初)西方资本主义产业革命兴起时为止。（在郑大北4Km的古荥就有一处西汉冶铁遗址）。 近代由于封建主义的束缚，外加帝国主义的掠夺和摧残，中国工业生产及科学技术的发展极度缓慢，到1949年中国的钢铁工业技术水平及装备极其落后，钢的年产量只有25万t。,新中国成立后至1960年，我国逐步建立了现代化钢铁工业的基础，年产量比1949年增加了40多倍，达到了1000万t以上。某些生产指标接近了当时的世界先进水平，中国具备了独立发展自己钢铁工业的实力。（在前苏联的技术支持下） 19601966年间，在困难的条件下，我国的钢铁工业继续得到了发展，如炼铁方面以细粒铁精矿粉为原料的自熔性及超高碱度烧结矿，向高炉内喷吹煤粉以及成功地冶炼了一些特有的复合矿石等。（独立自主发展民族钢铁工业） 19661976年间我国国民经济基本上处于停滞不前的状态，1976年的粗钢产量仅为2045万t。与迅速发展的世界经济相比，我国与世界经济水平的差距扩大了，装备陈旧，机械化、自动化水平低，技术经济指标落后，效率低，质量差，成本高。（毛主席号召全民动员大炼钢铁运动没能把中国的钢铁事业快速发展起来！）,从1977年开始，特别是党的十一届三中全会以来，中国钢