钢铁生产工艺流程(连铸之前部分)

钢铁 工艺 铁矿

铁矿石从开采到最终轧制成各类钢材,需要经过采矿—选矿—烧结—炼铁—炼钢—精炼—各类轧制等若干道工序,另外还需要煤、焦、水、电、气等多种辅助材料,是一种综合的物理和化学变化过程。

钢铁生产工艺流程简介

从铁矿石到各类成品材常规生产工艺流程见图1所示。

一、铁矿石资源概况、开采与选矿

1.1 铁矿石资源概况
铁矿石以各种复杂的伴（共）生形式广泛存在于地壳表、浅层中。据2005年的探明数据，世界铁矿石保有储量（可立即开发的工业品位的总量）为1600亿吨，基础储量（可开发的工业品位和一级边界品位储量）为3700亿吨。澳大利亚、巴西、中国、俄罗斯、乌克兰、加拿大、美国和印度等国家都是铁矿石资源大国。中国、巴西、澳大利亚、印度是世界上铁矿石产量最多的国家，其中巴西的淡水河谷公司（CVRD）、澳大利亚的力拓（Rio Tinto）和必和必拓（BHP）是世界上铁矿石生产量和贸易量最大的三家公司，三家的贸易量占世界铁矿石贸易总量的70%左右。

我国是铁矿石储量大国，目前已探明的资源储量为600多亿吨，可利用资源250多亿吨，但铁矿石品位（含铁量）较低，平均品位只有30%-35%左右，贫矿（低品位矿）比例为97%。我国铁矿石分布广泛而又相对集中，储量较多的地区有辽宁、河北、四川、内蒙古、山东和安徽等。

按照铁存在的化合物形式，可将铁矿石分为赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）、菱铁矿（FeCO3）和褐铁矿（Fe2O3²H2O）等。

1.2 铁矿石的开采
主要开采形式有露天开采和地下开采。

1.3 铁矿石的选矿
我国铁矿由于贫矿多（占总储量的97.5％）和伴(共)生有其它组分的综合矿多（占总储量的1／3），所以在冶炼前绝大部分需要进行选矿处理。选矿的目的就是通过各种方法，将铁矿石中的铁氧化物以外的脉石等其它杂质尽可能地去除，提高最终产品中铁的含量。

主要流程：铁矿石破碎—磨粉—选矿—烘干—成品精矿粉。

选矿工艺流程示意图见图2。

为了提高选矿效果，首先必须将铁矿石破碎到相当的细度，然后再进行选矿处理。 主要的选矿方法有重力选、浮选、反浮选、磁选、水选、电选及化学选等，目前广泛采用的选矿技术有浮选工艺、反浮选和磁选工艺等。

磁选工艺：是一种物理选矿方法，适用于磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿等的选矿，特别是磁铁矿，利用铁矿的磁性，将其与脉石分离。主要设备为电磁平环强磁选机等。

浮选工艺：是一种化学选矿方法，主要适用于赤铁矿和假象赤铁矿、菱铁矿及褐铁矿等弱磁性的铁矿石。浮选工艺利用的是不同矿物对水亲和力不同、可浮性不同而进行选矿的，矿物的沉浮几乎与矿物密度无关。与水亲和力大、容易被水润湿的矿物一般难于附着在气泡上，故难浮；而与水亲和力小，不易被水润湿的矿物，则容易上浮。因此可以说，浮选是以矿物被水润湿性不同为基础的选矿方法，一般把矿物易浮与难浮的性质称为矿物的可浮性。在现代浮选过程中，浮选药剂的应用尤其重要，因为经浮选药剂处理后，可以改变矿物的可浮性，使要浮的矿物能选择性地附着于气泡上，从而分离不同矿物，达到选矿的目的。使用的选药剂为脂肪酸类及皂类。

通常浮选作业浮起的矿物是有用矿物，这样的浮选过程称之为正浮选，反之，浮起的矿物为脉石，则称之为反浮选(或逆浮选)。

浮选工艺是一个较复杂的矿石处理过程，其影响因素可分为不可调节因素(原矿性质和生产用水的水质)和可调节因素(浮选流程、磨矿细度、矿浆浓度、矿浆酸碱度、浮选药剂制度)等。

同时，还可以将浮选与磁选法结合使用，提高选矿效果。选矿后获得的含铁分较高的矿粉经烘干后成为铁精粉。由于高炉不能直接使用粒度很细的粉状物料，因此铁精粉需送往烧结厂，经烧结工艺或球团工艺处理，形成烧结矿或球团矿后方可供高炉生产使用。

另外，还有一部分铁矿石因含铁品位很高，无需选矿处理，开采后经简单破碎便可直接入高炉冶炼。按照目前国内铁矿石平均品位和铁精粉品位64%计算，理论上精选1吨铁精粉约需2.0-2.2吨原矿。

二、烧结、球团工序

经选矿形成的精矿粉是不能直接供高炉使用的（保证高炉的透气性），必须经过特定工艺处理，使之成为具有一定块度（10-25mm）的块状原料，才能提供给高炉使用。

精矿粉的成形方法主要有烧结法和球团法。主要设备主要为烧结机、链箅机回转窑、圆盘造球机、带式焙烧机、竖炉等。两种方法所获得的成品矿分别为烧结矿和球团矿。

2．1 烧结工艺

2.1.1 定义
所谓烧结生产, 就是将矿粉（包括高炉炉尘及轧钢皮、钢渣等含铁细粒状物料）、熔剂（石灰石、白云石、生石灰等粉料）、燃料（焦粉、煤粉）按一定比例配合、混匀后，经由布料系统将料布到烧结台车上进行点火烧结，借助于燃料燃烧产生的高温，使烧结料水分蒸发并发生一系列化学反应，产生部分液相粘结，形成有足够强度和粒度的块状炉料，再经破碎和筛分后，最终得到的产品就是烧结矿。烧结矿是高炉冶炼铁水的主要原料。

2.1.2 烧结生产用料
含铁原料：含铁量较高、粒度<5mm的精矿粉、高炉炉尘、轧钢皮、钢渣等。一般要求含铁原料品位高、成分稳定、杂质少。

熔剂：主要有石灰石（CaCO3）、生石灰(CaO)、消石灰(Ca(OH2))、白云石(CaCO3²MgCO3)等等。烧结生产要求熔剂中有效CaO含量高、杂质少、成分稳定、含水3％左右，粒度小于3mm的占90％以上。在烧结料中加入一定量的白云石，使烧结矿含有适当的MgO，对烧结过程有良好的作用，可以提高烧结矿的质量。

加入熔剂的作用：将高炉冶炼时所需的一部分或大部分熔剂（以及所发生的化学反应）转移到烧结过程中进行，从而有利于高炉进一步提高冶炼强度，降低焦比；熔剂中的CaO、MgO与烧结料中的氧化物及酸性脉石SiO2和Al2O3等在高温作用下，生成低熔点的化合物，可改善烧结矿强度、冶金性能和还原性；增加烧结料中的液相量，提高粘度，改善成球性，提高烧结矿强度。

燃料： 主要为焦粉和煤粉。对燃料的要求是固定碳含量高、灰分低、挥发分低、含硫低、成分稳定，含水小于10％，粒度小于3mm的占95％以上。

2.1.3 烧结设备
按工艺流程，烧结生产的主要设备包括破碎和筛分设备、配料设备、混合设备、布料设备、点火设备、烧结机、风机、除尘及贮矿输料设备等。烧结过程是在烧结机上进行的,烧结机主要设备包括台车、台车驱动装置、破碎机、点火器以及抽风系统和上料系统组成。一台烧结机由多组台车组成。烧结机大小是以烧结台车的有效铺料面积计算的。目前，国内最大的烧结机是尚未投产的首钢京唐公司的550m烧结机,其次为宝钢495m烧结机。

2.1.4 工艺流程
烧结生产主要过程包括烧结料的准备、配料与混合、烧结作业（布料、点火、烧结）和产品处理等工序。

烧结工艺流程简图见图3。

2.1.5 烧结生产主要操作指标
烧结生产过程中主要操作条件和指标包括料层厚度、烧结温度、点火温度、垂直燃烧速度、混合料水分、燃料配比、机速等等。

2.1.6 烧结机主要技术经济指标
主要包括烧结机利用系数、合格率、劳动生产率、烧结机作业率等。

烧结机利用系数定义为每平方米有效抽风面积每小时生产的烧结矿数量，t/(m2²h)。

2.1.7 烧结矿主要性能指标
（1）烧结矿品位：是指烧结矿中各种氧化物含铁总量的多少，也称全铁。

（2）烧结矿FeO含量、SiO2含量。

（3）平均粒度。

（4）烧结矿碱度：烧结矿中碱性氧化物与酸性氧化物之比称为烧结矿的碱度。二元碱度CaO/SiO2；四元碱度CaO+MgO/SiO2+Al2O3。按碱度分：可分为普通烧结矿（R＜1.0）、自熔性烧结矿(1.2-1.5)、高碱度烧结矿(＞1.5)。现代烧结生产普遍生产高碱度烧结矿。

高碱度烧结矿优点：烧结矿强度高、粒度均匀、粉末少；还原性好；软化性能好；可搭配使用质量更好的酸性球团矿。

（5）烧结矿还原性RI：表示烧结矿的易还原程度。

（6）烧结矿转鼓强度：包括抗冲击强度和耐磨强度，它是指烧结矿在常温下抗磨剥和抗冲击能力的指标。

测定方法：取5kg成品烧结矿，装入转鼓Φ1000mm³500mm，转鼓以25转/分钟的转速旋转8分钟（200转）；取出转鼓中的烧结矿，分别用筛孔为6.3mm³6.3mm和0.5mm³0.5mm的两种筛子进行筛分，测定大于6.3mm部分的比例和小于0.5mm部分的比例，分别为抗冲击强度和耐磨强度。质量好的烧结矿抗冲击强度可达到80%以上，耐磨强度5%以下。

（7）烧结矿低温还原粉化强度RDI。指烧结矿经400～600℃低温还原后的机械强度(主要有三种表示RDI+6.3、RDI+3.15、RDI-0.5)。

（8）软熔性能：开始软化温度、软化终了温度、软化区间。要求开始软化温度越高越好、软化终了温度越低越好、软化区间越窄越好。

2.2 球团矿生产工艺

2.2.1 定义
将细磨铁精矿粉或其它含铁粉料添加少量粘结剂（膨润土）和熔剂混合后，在加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球（8-15mm），再经过干燥、焙烧、固结、冷却筛分，成为具有一定强度和冶金性能的球型含铁原料。

2.2.2 球团矿生产设备
目前,可用于生产球团的设备主要有圆盘造球机(造球设备)和链箅机回转窑、带式焙烧机、竖炉(焙烧设备)等。

圆盘造球机：将铁精矿粉与焦粉、石灰石粉或生石灰混合后，输入圆盘造球机上部的混合料仓内，均匀地向造球机布料，同时由水管供给雾状喷淋水，倾斜（倾角一般为40-50°）布置的圆盘造球机由机械传动旋转，混合料加喷淋水在圆盘内滚动成球。

带式焙烧机：带式焙烧机工艺可将球团焙烧的整个工艺过程——干燥、预热、焙烧、冷却都在一个设备上完成，具有工艺过程简单、布置紧凑、所需设备吨位轻等特点，为工厂缩小占地面积、减少工程量、实现焙烧气体的循环利用以及降低热耗和电耗创造了条件。

2.2.3 球团矿生产工艺流程
球团矿生产过程一般包括原料准备、配料、混合、造球、干燥、预热和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序，见图4所示。

球团矿的生产中，配料、混合与烧结矿的生产方法相同，然后是将混合好的原料经造球机制成8-15mm的球状，最后进行焙烧。

2.2.4 球团矿性能指标
球团矿主要的性能指标有：

（1）生球抗压强度：单个生球（未经焙烧的球团）能够承受的压力，一般要求生球达 到15-20N/个，最终成品球1500N/个以上。

（2）生球落下强度：单个生球从0.5m高处落到钢板上反复跌落，直到生球破坏为止的次数，一般要求不小于4次。

（3）还原膨胀率：炉内热还原时体积的变化。

（4）低温还原粉化率：表示方法与烧结矿相同。

（5）转鼓指标：表示方法与烧结矿相同。

（6）软熔性能(软化开始温度、软化终了温度、软化区间):球团矿的软熔性能较差,软化开始温度较低、软熔温度区间较宽。

2.2.5 球团矿与烧结矿的比较

（1）烧结生产采用过细的精矿粉作原料时，会影响透气性，降低产量和质量，因此烧结生产适合采用粒度较粗的富矿粉造块。球团矿生产则要求必须采用粒度极细的铁精矿，这样易于造球，成球率高，强度也高。球团矿除了可作为高炉原料外，还可作为电炉炼钢的原料。

（2）由于球团矿的焙烧温度低于烧结矿的烧结温度，因此球团矿的FeO含量低，球团矿的强度和还原性好，但低温还原粉化率高。

（3）球团矿是采用极细的铁精粉作为原料，因此SiO2含量低，冶炼渣量少。

（4）球团矿粒度均匀、微气孔多透气性好、还原性好、强度高，有利于强化高炉冶炼。球团矿的高温冶金性能不如烧结矿。

（5）烧结矿碱度高，高炉冶炼时可以少加或不加熔剂，使高炉能耗降低。

三、炼焦工序

3.1 定义
炼焦生产是将若干种煤经混合、破碎后加入炼焦炉内，经干馏后产生热焦炭及粗焦炉煤气的过程。

3.2 焦炭的主要用途
焦炭主要用于冶金、气化炉和电石等生产。

冶金焦是高炉焦、铸造焦、铁合金焦和有色金属冶炼用焦的统称，冶金用焦量约占焦炭总用量的82%以上。由于90%以上的冶金焦均用于高炉炼铁，因此也经常把高炉焦称为冶金焦。

3.3 焦炭在高炉冶炼中的作用
（1）发热剂。焦炭是高炉冶炼的主要燃料，焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。

（2）还原剂。焦炭燃烧产生的C0及焦炭中的固定碳是铁矿石的还原剂。

（3）料柱骨架。焦炭在料柱中占1/3～1/2的体积，尤其是在高炉下部高温区只有焦炭是以固体状态存在的，它对料柱起骨架支撑作用，高炉下部料柱的透气性完全由焦炭来维持。

（4）渗碳剂。

3.4 高炉用焦炭的质量标准
焦炭粒度一般为分：＞40mm大块焦，＞25mm大中块焦，＞25-40mm中块焦，＜25mm焦粉。质量标准一般以大中块焦为例(见表1)。

注 : 水分只作为生产操作中控制指标，不作质量考核依据。

3.5 焦炭的主要性能指标
(1) 化学成分
焦炭中固定碳、灰分、硫、水分、挥发分等的含量要求见焦炭的质量标准要求。其中，焦炭的硫含量对高炉生铁质量的影响较大,高炉炉料中80%以上的硫来自焦炭。

（2）抗碎强度和耐磨强度
焦炭的抗碎强度是指焦炭能抵抗外来冲击力而不沿结构的裂纹或缺陷处破碎的能力，用M40值表示；焦炭的耐磨强度是指焦炭能抵抗外来摩擦力而不形成碎屑或粉末的能力，用M10值表示。焦炭的M40和M10反映的是焦炭常温状态下的强度性能，称为冷强度指标。

焦炭质量标准中，各项指标也是随着炼焦工艺的不断发展而改进的，尤其是抗碎强度和耐磨强度指标，标准已经比若干年前提高了很多。

焦炭M40和M10的测定方法：将50公斤、粒度60mm以上的焦炭装入直径为1米、长度1米的圆形鼓内，以25转/分的速度旋转100转，取出后分别用圆孔为40mm和10mm的筛子进行筛分，两种筛子的筛上物和筛下物分别占总重量的百分比例，称为焦炭的M40和M10。

（3）焦炭的反应后强度和反应性
焦炭反应后强度和反应性是在一种特定的仪器中测定的。

焦炭反应后强度CSR：= 转鼓后大于10mm试样质量/ 反应后残余焦炭质量³100%。一般达60%左右。

焦炭反应性CRI：=（反应前质量- 反应后质量）/ 反应前质量³100%。一般在20%左右。 焦炭的反应后强度和反应性反映的是焦炭在高温状态下的性能，因此称之为焦炭的热态指标。焦炭热态指标是近几年才被逐步研究和重视起来的。

3.6焦炉结构
现代焦炉炉体由炭化室、燃烧室和蓄热室三个主要部分构成。一般，炭化室宽0.4-0.5m、长10-17m、高4-7.63m，顶部设有加煤孔和煤气上升管(在机侧或焦侧)，两端用炉门封闭。燃烧室在炭化室两侧，由许多立火道构成。蓄热室位于炉体下部，分空气蓄热室和贫煤气蓄热室。焦炉的大小一般以其炭化室的高度来衡量。目前，国内最大的焦炉炭化室高度为7.63米。焦炉实物图见图5。

3.7 炼焦生产工艺流程
现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。工艺流程图见图6。

(1) 洗（选）煤
原煤开采出来后在炼焦之前，必须先进行洗选。目的是降低煤中所含的灰分和去除其它杂质。洗（选）煤有风力和水力两种。水力洗煤就是利用水的浮力，根据煤和煤矸石（煤里的石头，燃烧时发热量低或不发热）密度的不同，把它们分开，节省能源和运输费用。因为不分开的话，煤矸石低温进炉膛，排渣时被加热到了高温，本身不发热反而吸收煤的热量。

按照我国实际煤质情况，一般情况下，1吨原煤可以洗（选）出0.5吨洗精煤。

（2）配煤
将各种结焦性能不同的洗精煤按一定比例配合，作为炼焦原料。目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦用煤的使用范围，合理地利用国家资源，并尽可能地多得到一些其它化工产品。

煤的分类：按用途，可分为炼焦煤和非炼焦煤（喷吹煤、动力煤、电煤等），炼焦煤主要包括焦煤、肥煤、1/3焦煤、瘦煤、气煤、气肥煤等；按挥发分含量，可分为褐煤（挥发分40%-60%）、烟煤（挥发分10%-40%）和无烟煤（挥发分10%以下）；按粘结性，可分为强粘结煤、中等粘结煤、弱粘结煤和不粘结煤。

炼焦配煤中考虑的主要因素包括煤的灰分、挥发分、G（粘结指数）值、Y（胶质层厚度）值等。

按照目前工艺情况，炼焦配煤中大约需要40%-45%的焦煤洗精煤。

（3）炼焦
将配合好的煤装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下通过两侧燃烧室加热干馏，经过一定时间（结焦时间），最后形成焦炭。

目前情况下，炼成1吨焦炭需要1.33-1.40吨洗精煤。

炭化室内结焦过程示意图见7所示。

（4）炼焦的产品处理
将炉内推出的红热焦炭送去熄焦塔熄火，然后进行破碎、筛分、分级，获得不同粒度的焦炭产品，分别送往高炉及烧结等用户。

目前,熄焦方法有干法和湿法两种。

湿法熄焦是把红热焦炭运至熄焦塔，用高压水喷淋60-90s。干法熄焦是将红热的焦炭放入干熄焦室内，用惰性气体循环回收焦炭的物理热。在炼焦过程中还会产生炼焦煤气及多种化学产品。焦炉煤气是烧结、炼焦、炼铁、炼钢和轧钢生产的主要燃料。

3.8 炼焦生产先进的工艺技术

3.8.1 捣固炼焦技术
捣固炼焦技术(侧装)是将配合好的煤料在炉外通过机械力，提高其堆密度（可由常规工艺下的0.75t/m提高至1-1.15t/m，使煤料颗粒紧密接触，相对提高煤软化过程中的膨胀压力，有利于煤料相互融合，提高焦炭的强度。

与常规顶装工艺生产的焦炭相比，在相同配煤比条件下，捣固焦炭M25可提高4-8个百分点，M10下降2-7个百分点。另外，由于装煤堆密度提高，单孔出焦率也显著提高，可使焦炉生产能力提高25%左右。在焦炭质量相同的情况下，捣固焦炉比顶装焦炉可多配入20%-30%的弱粘结性煤。

3.8.2 配型煤炼焦技术
配型煤炼焦是将生产配煤取出约30%，在一定的条件下配入粘结剂，制成型煤，再与剩余煤料混合后装入炼焦炉进行炼焦。煤料中配入型煤后可增大堆密度，能够改善焦炭质量或多配弱粘结性煤。配型煤炼焦适合于多配弱粘性煤，在保证焦炭质量不变或略有提高的条件下，弱粘结性煤可多配约10%-15%。

3.8.3 煤调湿技术
煤调湿技术是在装炉前将炼焦煤料中的水分除掉一部分，保持装炉煤水分稳定且相对较低。煤调湿可改善焦炭质量或多配弱粘结性煤。入炉煤的水分由10%调湿到6%时，煤料的堆密度可增大50kg/m，在保持焦炭质量不变的条件下，可多配弱粘结性煤7%-10%。

3.8.4 焦炉大型化技术
大容积焦炉具有机械化自动化程度高、焦炭质量好、动力消耗低、生产率高、生产环境清洁以及经济效益好等优点。它具有以下效果：在产量相同的条件下可减少炉孔数，少焦炉的占地面积；减少每天出炉次数，从而减少污染物的排放。6m焦炉与4.3m焦炉相比，污染物排放量可减少1/3以上，同时可提高劳动生产率和焦炭质量（M40提高1个百分点，M10降低0.5个百分点），降低生产成本。

3.8.5 干熄焦技术
所谓干熄焦技术，就是以循环惰性气体为载体，由循环风机将冷循环气体通入到红焦冷却室，将高温焦炭冷却至250℃以下。吸收焦炭热量后的循环气体被导入干熄焦锅炉以回收热量，产生蒸汽。循环气体经冷却、除尘后，再经风机返回干熄焦炉，如此循环冷却红焦。

采用干熄焦技术，焦炭的冷态强度M40可提高3-5个百分点，反应后强度CSR提高1-2个百分点。同时,可基本消除酚、HCN、H2S、NH3、SO2的排放，减少焦尘排放，且节省熄焦用水。据不完全统计，目前，我国共有干熄焦装置50多套，首钢京唐项目的处理能力为260吨/小时的装置是世界上最大的干熄焦装置。

四、炼铁工序

4.1 定义
高炉炼铁就是将含铁原料、焦炭及熔剂等按一定方式由高炉顶部加入炉内，借助于热风炉鼓入热风和焦炭的燃烧，将含铁原料还原、熔化成铁水的连续生产过程。高炉炼铁过程就是铁氧化物的还原过程。

高炉炼铁生产是钢铁工业最主要的环节之一。高炉生产时，含铁原料、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批装入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。从高炉下部风口不断吹入热风，热风与焦炭及从风口喷吹的煤粉等燃料进行燃烧，产生高温热量和气体还原剂，含铁原料在不断的下降过程中逐步被还原、熔化成液态铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出，煤气与炉料发生一系列反应和热交换后从炉顶排出。高炉生产副产品是炉渣和高炉煤气。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）可连续生产几年到十几年。

高炉炼铁是现代铁矿石冶炼业的主要设备。2008年全球高炉生铁产量92712万吨，约占生铁总产量的94%。未来几十年内，高炉仍将是铁矿石冶炼的主导设备。

4.2 高炉生产主要设备
高炉生产主要设备包括高炉本体系统以及上料系统、煤粉制备及喷吹系统、热风炉送风系统、水渣冲制系统以及煤气回收系统等辅助系统。

4.3 高炉原燃料
高炉所用原燃料包括烧结矿、球团矿、高品位天然块矿、焦炭、煤粉、熔剂（石灰石、石灰）等。目前，普遍认同的原料配料为高碱度烧结矿配加酸性球团矿，有条件的高炉可配加一定比例的天然块矿。

按目前烧结矿品位，考虑到一部分损耗，冶炼1吨生铁一般按照消耗1.6吨左右烧结矿计算。

4.4 高炉内型结构及主要参数

高炉内型结构示意图见图8。

高炉内型主要参数包括有效容积、有效高度、炉喉直径和高度、炉身高度、炉腰直径和高度、炉腹高度、炉缸直径和高度、炉身角和炉腹角等。高炉有效容积是表征高炉大小的特征参数，平时所说的高炉大小就是指其有效容积。世界上不同的国家对高炉有效容积的定义也不完全相同。我国之定义为：从炉顶大钟开启下沿（无料钟高炉为从旋转溜槽0°位置下边缘）平面到铁口中心线之间的容积。目前，世界上最大的高炉为日本新日铁公司大分厂的2号高炉，有效容积为5775m，我国最大高炉为首钢唐项目的两座高炉，有效容积为5500m。

4.5 高炉生产原理

4.5.1 高炉内区域特征

高炉内各区域特征见图9所示。

4.5.2 炉料的下降

高炉内炉料的受力情况见图10。

图10 高炉内炉料的受力情况

高炉内炉料的均匀下降是高炉生产稳定顺行的标志。从图10所示可知，炉料下降的前提是风口前焦炭的不断燃烧、炉料熔化、渣铁排放等所释放出空间；下降的基本条件是炉料向下的重力大于向上的摩擦力和气体阻力之和。满足上述两个条件时，炉料顺行，高炉生产正常进行。

4.5.3 炉料的还原

高炉铁氧化物还原反应的平衡曲线见图11。

从图11可看到各级氧化铁与气相的平衡关系。

含铁原料中的铁是以Fe2O3 、Fe3O4、 FeO氧化物的形式存在的。高炉内气氛为还原气氛，主要的还原剂有焦炭及煤粉中的C、C不完全燃烧产生的CO以及水分解产生的H2等。高炉生产过程就是原料中铁各类氧化物的还原过程。还原顺序为：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe（低于570℃时，FeO不稳定，还原顺序为：Fe2O3→Fe3O4→Fe）。 高炉内铁氧化物的还原主要有直接还原和间接还原两种形式。

（1）间接还原
铁的氧化物与CO或H2反应生成CO2或H2O的过程称为间接还原，主要发生在高炉中上部的低温区。

主要反应包括：
3Fe2O3+CO→2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO→3FeO+CO2

FeO+CO→Fe+CO2

3Fe2O3+H2→2Fe3O4+H2O

Fe3O4+H2→3FeO+H2O

FeO+H2→Fe+H2O

（2）直接还原
在高炉下部高温区，铁的各级氧化物直接被焦炭或煤粉中的C还原生成CO的过程称 为直接还原。

3Fe2O3+C→2Fe3O4+CO

Fe3O4+C→3FeO+CO

FeO+C→Fe+CO

在高炉上部的低温区（800℃以下）主要发生间接还原，在高炉下部的高温区（1100℃）主要发生直接还原，800-1100℃区域间接还原与直接还原同时存在。因为直接还原直接消耗大量的C，使高炉能耗升高，所以应努力减少铁氧化物在高炉下部发生还原。

4.6 高炉操作制度

高炉基本操作制度包括：装料制度、送风制度、炉缸热制度和造渣制度。

(1) 装料制度
主要是通过炉料装入顺序、装入方法、料线高度、批重、焦炭负荷、布料方式、布料溜槽倾动角度的变化等调整炉料在炉内的分布，以达到煤气流合理分布的目的。

(2) 送风制度
是根据冶炼条件，选择适宜的风口直径和长度、调整风量、维持较高的风速或鼓风动能，以达到风口活跃和炉缸工作均匀的目的。

(3) 炉缸热制度
主要指炉缸应具有的热量水平。通过上部调剂（装料制度）、下部（喷吹、热风温度）调剂的相互结合，将炉缸温度稳定控制在合理范围内，保证炉缸充足的物理热和温度，达到高炉生产稳定、顺行的目的。

(4) 造渣制度
是根据原燃料条件和对生铁成分的要求，所确定的适宜的炉渣成分。可通过对熔剂添加量的调整，使炉渣碱度稳定在一定范围内，具有良好的流动性和稳定性以及足够的脱硫能力，满足生铁质量要求。

4.7 高炉生产工艺流程

高炉生产工艺流程见图12所示。

生产过程简述：储存在矿槽的烧结矿、球团矿、焦炭和熔剂等通过上料设备（料车或皮带等）按照一定顺序和批重运送到高炉顶部上料系统（料钟或无料钟布料器），再按照规定的布料制度和要求布到炉喉料面上。由热风炉来的热风通过风口输送到炉缸，与此处的焦炭和通过风口喷枪喷进炉缸的煤粉进行燃烧，放出热量并生成煤气（CO、CO2、N2、H2等）；煤气上升过程中与炉料进行热交换和还原；焦炭燃烧后在炉缸上部产生空间，加上炉料的重力，使炉料可以均匀、缓慢地下降。在炉料均匀下降过程中，完成与煤气的热交换、逐级还原及熔化、滴落的过程，最终成为液态铁水和炉渣滴落到炉缸中。在炉缸中，铁水与渣充分接触，完成脱硫过程。最后铁水和炉渣按一定的排放制度排放到铁水罐和冲渣池中。装有铁水的铁水罐运送到下一道工序——铁水预处理或转炉。高炉冶炼是连续的、不间断的过程。

4.8 高炉主要经济技术指标和操作参数
高炉主要的经济技术指标包括利用系数、冶炼强度、综合冶炼强度、焦比、喷煤比、燃料比、富氧率、风温等。

（1）利用系数
高炉每立方米有效容积每昼夜(24小时)所生产的铁水量(吨),称为高炉利用系数,单位t/(m²d)。

（2）冶炼强度和综合冶炼强度
高炉每立方米有效容积每昼夜所消耗的焦炭量称为高炉冶炼强度。高炉每立方米有效容积每昼夜所消耗的焦炭量及折合成焦炭后的喷吹煤粉量等燃料的总量。

（3）焦比、喷煤比、燃料比
高炉生产每吨铁所消耗的焦炭量称为焦比；高炉生产每吨铁所消耗的煤粉量称为煤比；高炉生产每吨铁所消耗的焦炭和煤粉等喷吹物的总量称为燃料比。

（4）铁水硅含量。
表征铁水热量的参数主要为铁水物理热（铁水绝对温度）和化学热，铁水化学热充沛时，炉料中的硅元素被还原的多，表现为铁水硅含量高。

（5）铁水硫含量。
主要操作参数包括风量、风压、透气性、炉顶温度等。

4.9 铁水分类及质量标准

高炉铁水的质量标准指标主要包括铁水硅含量和硫含量。具体见表2。

4.10 现代高炉采用的先进技术和发展方向

现代高炉采用的先进技术和未来发展方向包括：精料、富氧大喷煤、高顶压、高风温、长寿、低硅低硫冶炼；无料钟、薄壁内衬、炉顶余压发电、热风炉双预热、铜冷却壁、炉渣粒化装置、高温长寿型热风炉、软水密闭循环冷却系统、高炉冶炼专家系统等等。

精料：高（品位高，每提高1%，焦比下降1.5%，产量提高2.5%）、熟（熟料比例大）、稳（化学成分稳定）、均（粒度均匀）、小（粒度相对小些）、少（杂质少）、净（粉末少）、好（冶金性能好）。

高风温：目前先进高炉风温可达到1250℃以上。风温每提高100℃，可降低焦比3%-4%。 高压（炉况顺行、煤气利用率好）、高富氧（减少炉缸煤气量，提高炉料下降速度、提高产量、增加喷煤量）。

大喷吹：代替价格昂贵的焦炭，节省炼焦煤。先进高炉可达250kg/t。

长寿技术（合理炉型及结构、冷却壁、耐火材料、合理的操作），目前世界最长的高炉一代寿命为25年。

五、转炉炼钢工序

炼钢过程主要有转炉炼钢、电炉炼钢和平炉炼钢。平钢炼钢由于工艺落后已逐步被淘汰。电炉炼钢主要使用固体废钢、生铁和部分铁水，在我们国家的比例不大。在此仅简单介绍转炉炼钢过程。

5.1 定义
所谓转炉炼钢,即以铁水为主要原料,在转炉内，通过吹入氧化剂——氧气，将铁水中的杂质元素硅、碳、锰、硫、磷等氧化成各类氧气物，形成钢渣或气体后脱除，得到较纯净钢水的过程。转炉炼钢是一个氧化过程。

以往从铁水到钢水的生产过程中，主要是高炉铁水→转炉炼钢→连铸（铸造）→钢坯，但随着对钢材新功能的不断开发，所要求的钢水洁净度也越来越高，硫、磷、碳、氢、氧、氮等含量要求越来越低，因此，目前普遍采用的新流程为高炉铁水→铁水预处理→转炉炼钢→炉外精炼→连铸→连铸坯。

5.2铁水预处理
为了减轻转炉工作任务，提高转炉的冶炼效率，降低转炉冶炼成本，将原来需要在转炉内完成的部分任务（脱S、脱P、脱Si）移到转炉外进行，这个过程称为铁水预处理。先进的钢厂铁水预处理的比例可达到90%-100%。

铁水预处理主要过程：以铁水脱硫为例，利用喷枪等设备，将脱硫粉剂碳化钙、石灰、镁粉等喷入装有铁水的鱼雷罐车或喷粉罐等，脱硫剂有效成分与铁水中的硫反应，生成CaS、MgS等固体渣，浮在铁水上面，扒出，从而达到脱硫的目的。

5.3 转炉炼钢工艺

5.3.1 主要设备
转炉炼钢设备主要包括供料系统、转炉本体系统、供气系统、转炉煤气净化系统及辅助设备等。

转炉本体系统示意图见图13。

5.3.2 原理
转炉炼钢的目的是降低铁水中的碳（生铁的含碳是一般为2.0%-4.3%，钢水的含碳量一般为0.02%-2.0%），并脱除有害杂质硫和磷，去除气体氧、氢、氮和非金属夹杂物（氧化物、硫化物、氮化物、磷化物等），最后按照所冶炼钢种的需求，加入合金，调整钢水的成分和温度后冶炼结束。

（1）脱硫、磷
在转炉内加石灰（CaO）进行脱硫和磷。
2CaO+2S=2CaS（入渣）+O2

2P+5FeO+3CaO=5Fe+Ca2(PO4)2(入渣)

(2)脱Si和Mn、C等
通过氧枪往转炉内吹氧，发生如下反应：
2Fe+O2==2FeO+热量

Si+O2=SiO2（渣）+热量

Mn+O2=MnO2（渣）+热量

C+O2=2CO↑+热量

（3）脱氧
加硅、锰等合金进行脱氧：

Mn+FeO=MnO（渣）+Fe

Si+2FeO=SiO2（渣）+2Fe

最后调整成分和温度，结束转炉吹炼。整个吹炼大约需要20分钟左右。

从上述反应式可看出，炼钢过程是氧化放热过程，因此，整个过程不需另外热源，完全靠反应热便可完成。转炉熔池内的温度可达成1600℃以上。

5.3.3 转炉炼钢的几种方式
转炉炼钢形式有氧气顶吹转炉、氧气底吹转炉、顶底复合吹炼转炉等几种。由于顶吹转炉和底吹转炉各有优缺点，目前应用最多的是将两者结合起来的顶底复吹转炉。氧气顶吹转炉、底吹转炉和复吹转炉示意图见图14-16。

5.3.4 转炉工艺流程和生产过程简述

转炉冶炼工艺流程见图17。转炉兑铁水实物照片见图18。

转炉冶炼过程简述：将转炉旋转至水平位置，往转炉中加入一部分造渣剂（石灰石或生石灰），兑入铁水和少量废钢，将转炉恢复到垂直位置，降氧枪吹炼（底吹氩气搅拌），此时炉内进行脱硫、磷反应及Fe、Si、Mn、C的氧化，氧化产物以炉渣形式上浮或以气体形式排出，当成分和温度满足钢种要求后，将钢水倒入钢包内，同时加入合金（Si-Mn、Si-Al等等），一方面脱除钢液中的氧，一方面起到钢水合金化的作用，然后送往连铸。一轮吹炼结束。

5.4 炉外精炼
随着对钢材新品种和新功能的不断开发，对钢水的质量要求越来越高，即要求钢水的杂质（N、O、H、S、P、C）含量越来越低（目前，六大元素含量可以达到80ppm左右），单纯的转炉冶炼已不能满足高质量钢水的要求，必须进一步降低钢水的杂质。因此，开发了炉外精炼工艺，即将转炉或电炉冶炼过的钢水中移到其它容器中再继续进行精炼，也叫二次冶金。 目前所开发的炉外精炼方式多种多样，主要有LF法（具有加热和搅拌功能的钢包吹氩精炼炉）、RH法（真空循环脱气）、VOB法（在真空状态下进行吹氧脱碳的炉外精炼炉）、AOB法（氩氧脱碳精炼炉）等，主要就是对钢水进行真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉或微合金化等处理，达到进一步降低杂质的目的。

另外，还有一部分钢水是由电炉冶炼的。电炉使用的原料主要有废钢、直接还原铁（海绵铁）或部分铁水。电炉炼钢的原理是利用石墨电极和铁料之间形成电路，产生高温电弧，使铁料熔化。我国废钢资源缺乏，而且电炉对电网系统的要求很高、耗电量大，因此我国电炉钢比例不大，在此不多加叙述。

六、连铸工序

6.1 定义
转炉冶炼后的钢水经过精炼炉精炼以后，需要将钢水铸造成不同类型、不同规格的钢坯。连铸就是将精炼后的液态钢水连续地铸造成钢坯的过程。连铸坯主要作为下游工序——轧制的原料，也可作为半成品出售。

目前，大中型钢铁企业连铸率可达到98%以上，很多企业实现了全连铸。

6.2 连铸主要设备
根据布置形式的不同，连铸机可分为立式连铸机、立弯式连铸机、水平连铸机、弧形连铸机；按照结晶器和成品坯形状的不同，又可分为方坯连铸机（正方形、矩形）、圆坯连铸机、板坯连铸机等。

连铸生产主要设备为连铸机，其包括回转台、中间包，结晶器、拉矫机等。见图19所示。

6.3 连铸工艺流程

过程简述：将装有精炼后的钢水的钢包运至回转台，回转台转动到浇铸位置后，将钢水铸入中间包，中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中。结晶器是连铸机的核心设备之一，钢液在结晶器内开始冷却凝固成形，生成外为凝固壳、内为钢液的铸胚，然后拉矫机与结晶

器振动装置共同作用，将结晶器内的铸件拉出到铸道中，经二次冷却、电磁搅拌后继续凝固到完全凝固，冷却后切割成一定长度的铸坯。

连铸过程中最关键的是对浇铸温度、拉坯速度以及冷却温度的控制。近年发展起来的先进技术包括保护浇铸技术、中间包等离子加热技术、结晶器振动和液位控制技术、钢的结晶与连铸坯凝固控制技术、二次冷却控制技术、电磁搅拌技术、连铸坯热送热装技术、近终形连铸技术、连铸连轧技术等。