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1、冶金学炼钢篇,阎立懿东北大学钢铁冶金研究所2009年6月/沈阳,（No10）,2023/7/31,东北大学/阎立懿,2,主 要 内 容,概述炼钢基础理论炼钢用原材料转炉炼钢法电炉炼钢法,2023/7/31,东北大学/阎立懿,3,上回结束了第四章的内容 氧气底吹转炉炼钢法（在空气底吹转炉的基础上发展起来的）发展OBM/德国、LMS/法国、Q-BOP/美国，以及设备结构特点。底吹过程钢水及炉渣成分的变化见趋势图底吹与顶吹特点比较：熔池搅拌充分，吹炼过程平稳，渣中氧化铁低，氧气利用率高、脱碳速度快，脱硫能力强、氮低等。炉龄低，钢中H含量高。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,4,氧气复吹转炉炼钢
2、法（复吹是顶吹和底吹技术发展的必然结果）复吹法有：LBE/法钢研，LD-OTB/神户，LD-OB/新日铁，STB-P/住友，K-BOP/川崎等。复吹的特点如下：熔池搅拌充分：底吹复吹顶吹渣中(FeO)含量：顶吹复吹底吹C-O曲线位置高低：顶吹的高，复吹的低，并接近底吹的（顶吹复吹底吹）；钢水中含氧量高低：顶吹复吹底吹。硫的分配系数：复吹底吹顶吹。磷的分配系数：复吹底吹顶吹。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,5,第五章 电炉炼钢法,电炉炼钢及其发展电炉设备及其电热特性电炉炼钢冶炼工艺超高功率电炉相关技术,2023/7/31,东北大学/阎立懿,6,5.1.1 何谓炼钢电炉 电炉是采用电能作为
3、热源进行炼钢的炉子的统称。按电能转换热能方式的差异，电炉可分为：电渣重熔炉利用炉渣的电阻热；感应熔炼炉利用电磁感应；电 子束 炉依靠电子碰撞；等 离子 炉利用等离子弧；电弧炉利用高温电弧，不含加热炉、热处理炉等。,5.1 电炉炼钢及其发展,2023/7/31,东北大学/阎立懿,7,目前，世界上电炉钢产量的95%以上都是由电弧炉生产的，因此电炉炼钢主要指电弧炉。电炉炼钢 是以废钢为主要原料，以三相交流电作电源，利用电流通过石墨电极与金属料之间产生电弧的高温，来加热、熔化炉料。它是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法（现在也用来生产普通钢）。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,8,5.1.2 电
4、炉炼钢发展历史,回顾一下现代炼钢简史，见下表：,2023/7/31,东北大学/阎立懿,9,电炉是在电发明之后的1899年，由法国的海劳尔特（Heroult）在La Praz发明的。它被建在阿尔卑斯山（Alps）的峡谷中，原因是在距它不远处有一个火力发电厂。电炉的出现，开发了煤的替代能源，使得废钢开始了经济回收，这最终使得钢铁成为世界上最易于回收的材料，也为可持续发展做出巨大贡献。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,10,1）由炼钢方法百年兴衰看电炉发展,电炉炼钢在这100多年中，其发展速度不如二十世纪60年代前的平炉，也比不上60年代后转炉发展的那样快，但随着科技的进步，世界电炉钢产量及其
5、比例始终在稳步增长。尤其二十世纪70年代以来，电力工业的进步，科技对钢的质量和数量的要求提高，大型超高功率电炉技术的发展以及炉外精炼技术的采用，使电炉炼钢技术有了长足进步。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,11,2）由钢产量与产品结构变化看电炉发展,钢产量,2023/7/31,东北大学/阎立懿,12,世界粗钢总量与电炉钢比的变化情况,世界粗钢产量，2000年前的20多年一直在7.08.0亿吨间徘徊，电炉钢产量比例一直在稳步上升，由十几增至三十几。之后2002、2004、2005、2006、2007年以每年1亿吨的速度，由9.04亿增加到13.28亿吨（中国/4.95、日本/1.2、美国/
6、0.97亿吨三家之和达到53%）电炉钢产量比例维持在30以上（31）。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,13,美国 是世界上主要产钢国，其电炉钢比例也最高。原因是有丰富的废钢资源和充足的廉价电力，使得电炉发展迅速，见表：,日本 19851994年9年间，电炉生产能力增加了2074万吨（73%），而高炉转炉能力降低了2619万吨。电炉钢产量比例由29%提高31.6%，1996年达到33%，2007年达到3100万吨。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,14,德国转炉钢增2%，电炉钢增102%；法国转炉钢减32%，电炉钢增138%；西班牙转炉钢减27%，电炉钢增119%；意大利转炉钢不变
7、，电炉钢增 24%。,欧洲 1978 1998年20年间转炉钢与电炉钢产量的变化如下：,2023/7/31,东北大学/阎立懿,15,其他国家的情况：从1995至2001年，韩国从37.8%增加到43.6%、印度从29.7%增长到42.5%，2006年美国电炉钢比例为56.9%、韩国45.7%、德国33.1%、印度50.5%，我国台湾地区也达到了45.7%，而我国大陆的电炉钢比例却逐年下降，目前下降到10%左右。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,16,中国近年电炉钢比例情况,2023/7/31,东北大学/阎立懿,17,2）但电炉钢产量19932000年一直维持2000万吨，2000年后一直
8、在增加，200011002005年五年间增加了2700万吨，20042006年均约为4200万吨，2007年达到5840万吨，这超过美国1999年的水平。比例低的主要原因：进入21世纪以来，由于我国大陆地区建筑用钢材需求增加，使粗钢总产量增加过快，高炉转炉流程的产能和钢产量粗犷扩张，使得中国电炉钢比例有较大幅度地降低，同时也使得世界电炉钢比例有所降低，但目前仍在30%以上。,上表、右图给出：1）电炉钢比例1993年达到最高23.2%，之后大幅度降低，19962003年间一直徘徊在15%18%；从20032007年降至12。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,18,为什么世界各国及我国台湾地
9、区的电炉钢比例均较高？因为提高电炉钢比例有利于循环经济，是实现钢铁工业可持续发展的重要措施。北科大傅杰教授最近指出：中国钢铁产业调整和振兴，不能用本次经济危机以前那种模式恢复生产，重新启动过剩产能。我国本轮钢铁产业振兴的正确途径，一是 要控制总量增长，进行产品结构调整，使产品升级；二是 要调整转炉钢和电炉钢的比例，提高电炉钢的比重。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,19,钢的品种结构实现“全方位竞争”电炉钢不但在传统的特殊钢和高合金钢领域继续保持其相对优势，而且正在普钢领域表现出强劲的竞争态势。在产品结构上，电炉钢几乎覆盖了整个长材领域，诸如圆钢、钢筋、线材、小型钢、无缝管，甚至部分中型
10、钢材等。并且正在与转炉钢争夺板材（热轧板）市场。总之，电炉的发展使得平炉完成它的使命，并与转炉形成竞争，此格局将在较长时期内存在。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,20,5.1.3 电炉炼钢的发展前景,电炉从诞生至今已近110年了，在这百年中，电炉的设备、工艺技术在不断发展，产量不断地提高，其原因是电炉炼钢的经济效益与环境优势。正是由于废钢电炉炼钢流程具有经济效益与环境优势，有利于钢铁工业的可持续发展。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,21,1）可持续发展概念,其概念是在1992年6月联合国在巴西里约热内卢召开“环境与发展大会”上提出的，会上100多个国家首脑参加，并签署了“关于环
11、境与发展的里约热内卢宣言”，会议要求将可持续发展纳入到各国政策和具体行动中。我国是签署国之一，并于1994年发布了“中国21世纪人口、环境与发展白皮书”，其后又将可持续发展作为重要战略纳入“九五”计划和“2010年远景目标”，将可持续发展与科教兴国并列为我国今后发展的两大基本战略。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,22,“可持续发展”定义：,“既符合当代的需求，又不致损害后代的需求和发展”人类必须遵循的原则。这一概念的提出，是人类实现持久发展和生存观念的根本改变。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,23,2）废钢资源与生态环境 废钢铁是电炉的主要原料，随着地球上钢铁蓄积量的不断增加，
12、废钢铁资源逐年递增，不断产生的废钢铁通过经济简便的回收、加工手段就可以回炉熔炼、并可反复使用。从某种意义上讲，这是一个无穷无尽的铁资源。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,24,为此，各个国家均把废钢铁视为宝贵资源，各种物质的回收情况及世界历年废钢的消耗情况分别见图及表。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,25,钢铁蓄积量到2008年已超过420亿吨，若按20年折旧计算，每年产生的废钢量将超过20亿吨，该值超过2003年世界年粗钢总量的2倍。目前，废钢利用率较低，尤其中国还不到30%，最高的是美国超过70%，若按50%的回收利用率，每年可利用的废钢超过10亿吨，除转炉用的部分废钢（2亿
13、吨）外，其余可以生产电炉钢超过6亿吨。这说明就目前世界范围来看，废钢资源是不缺乏的，而且随着钢铁蓄积量的增加，废钢利用率的提高，可利用的废钢量将继续增加。不难预测，当废钢循环达到动态平衡，世界电炉钢产量比例将接近废钢利用率。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,26,由于钢的良好的可再生性，以及环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求，使得尽可能多的利用废钢成为国际趋势，国家政策也向此倾斜（作为垃圾而减税）。废钢如得不到有效的回收和利用，将成为巨大的潜在环境污染源，有些甚至可能对水质、土壤等构成严重威胁。大量锈蚀的钢铁废料，不但造成资源的浪费，也将造成严重的粉尘污染。废钢的堆积本身也给环境带来不
14、利影响。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,27,3）能源供应,电炉用电能炼钢，除废钢原料外，电能占炼钢成本比例最大。随着电力工业的发展，对电炉尤为有利。美国电炉发展速度快的原因是与电力充足、电价便宜分不开的。另外，废钢铁为非氧化物，相比铁氧化物来说属于一种化学能的载能体载能原料，几乎可以无限再生利用。使用废钢代替生铁炼钢，可以节约生产生铁过程所需的能源消耗，每吨生铁大约需消耗700kg标煤，所以多用废钢可以降低能源消耗。这使得“废钢电炉炼钢流程”比“高炉转炉炼钢流程”的吨钢能耗减少一半。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,28,4）电炉炼钢生产流程,当今钢铁工业所采用的炼钢流程，经1
15、50年来的发展竞争，目前基本形成了两类流程：以铁矿石、煤炭为源头的“高炉转炉炼钢流程”；以废钢、电力为源头的“废钢电炉炼钢流程”。废钢电炉炼钢流程，具有流程短，设备布置、工艺衔接紧凑，投入产出快，故称其为“短流程”（1000180min）。“短流程”的特征：该流程必须是高效、节能，是世界上流行的“三位一体”或者“四个一”。也正是由于这种高效、节能的短流程才赋予给电炉炼钢强大的生命力。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,29,“短流程”的优越性：,投资省 1/3：每吨钢的投资长流程为10001500美元/t，短流程为500800美元/t；建设周期短1/2：长流程为24年，短流程为12年；生产
16、能耗低1/2；劳动生产率高13倍：长流程为500900t/a.p，短流程为10003000 t/a.p；占地面积小1/23/5；环境污染少：可减少冶金渣40%、减少废弃物97%、减少废气86%、减轻水污染76%，在人类生存环境日益恶化的今天，使用废钢炼钢意义深远。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,30,4）电炉炼钢与环境保护,1972年6月联合国在斯德哥尔摩召开的“人类与环境会议”，通过了“人类环境宣言”，指出了“人类只有一个地球可以赖以生存”，对我们而言，指出了“这个地球不是从上一代人那里继承的，而是从我们的子孙后代手里借来的”。据报道，过去50年因温室效应，南极气温上升2.5，达到零
17、下3，全球气候异常现象剧增。现今全球工业化加速，CO2的排放与日俱增，南极升温将会变快，冰雪融化后果不堪设想。（限排的温室气体主要有六种：二氧化碳、甲烷、氮氧化物、臭氧、氯氟化碳及水蒸气，其中CO2 约占80%）,2023/7/31,东北大学/阎立懿,31,这就促使各国领导人于1997年由“联合国气候变化框架公约”缔约方，在日本签署了“京都议定书”，于2005年2月16日，旨在限制全球气候变暖的京都议定书正式生效。这份有141个国家参与的协定规定：36个发达国家将在20082012年间，使本国的全部温室气体排放量比1990年减少5.2%。国际能源机构的一项调查结果表明，美国、中国、俄罗斯和日本
18、的二氧化碳排放量几乎占全球总量的一半。2007年，美国二氧化碳排放量居世界首位，年人均二氧化碳排放量约 20 吨（2008年减少2.8），约占全球总量的 23.7%。中国的二氧化碳排放总量位据世界第二，年人均二氧化碳排放量约 2.51 吨，约占全球总量的 13.6%。科学预测表明，到2025年前后，中国的二氧化碳排放总量可能超过美国，居世界第一位。从人均来看，到2025年也有可能达到世界平均水平。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,32,应该说这是一个非常艰巨的任务，世界各国都在研究减少CO2 等温室气体排放的办法：对于钢铁企业，主要的办法有：减少高炉还原剂的用量如降低焦比，减少CO2排放
19、量；增加转炉炼钢废钢的比例如减少铁水产量，减少CO2排放量；发展电炉炼钢，用电炉流程取代高炉转炉流程。因为，电炉炼钢有利于环境保护，无论从当前还是长远考虑，都会迫使人们去发展电炉。看一个例子，说明电炉炼钢有利于环境保护,2023/7/31,东北大学/阎立懿,33,高炉转炉薄板坯连铸连轧流程物质、能源及环境负荷情况,2023/7/31,东北大学/阎立懿,34,电炉薄板坯连铸连轧流程物质、能源及环境负荷情况,2023/7/31,东北大学/阎立懿,35,表 流程与物质、能源及环境负荷情况比较,说明：电炉吨钢综合能耗仅为54%，吨钢有害气体排放仅为11.4%，比较说明电炉炼钢有利于环境保护。,2023
20、/7/31,东北大学/阎立懿,36,因此，有的国家还对吨钢温室气体排放量作出规定：“高炉转炉热轧”长流程与“电炉热轧”短流程分别为1400kg与160kg，即相当于短流程CO2 排放量减少70%以上。我国是世界第一产钢铁大国，钢铁工业和汽车工业是二氧化碳的排放大户。计算表明：我国钢铁工业年二氧化碳排放总量大约为汽车工业年总排放量的30倍。如将我国电炉钢比例提高1%，经计算其减排量约为我国年产汽车（2007年为888.24万辆）二氧化碳排放总量的20%。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,37,5.1.4 结语,综上分析可见，充足的废钢资源与环保意识的加强，以及能源与流程的优势，有利于钢铁工业的可持续发展，使得以废钢为主要原料的电炉炼钢前途光明。近年世界范围电炉“短流程”的发展及其钢产量的增长，也正是由于电炉短流程的经济效益与环境优势。,2023/7/31,东北大学/阎立懿,38,课后思考题-10,26、何谓炼钢电炉，炉子种类，电炉炼钢工作原理；27、谈一谈世界范围废钢资源情况，并由此分析电炉炼钢的发展前景；28、何谓“短流程”，相比较它具有哪些优点，电炉炼钢工艺路线的“三位一体”、“四个一”指什么？,
