常州精密钢管博客

钢铁生产过程简要介绍说明~干货

钢铁的基本生产过程,是首先获得铁矿石和焦煤等原料,然后把它们在炼铁高炉内炼制成生铁;下一步再以生铁为原料,用不同的炼钢炉冶炼成钢;钢要铸成钢锭或连铸坯形状,再送到轧钢机进行轧制加工,或者经过锻造,最终成为可用的各种形状的钢材。

一、铁矿石开采和加工

从地球诞生的那一天开始,铁元素凝聚成的矿藏就非常不均衡地分布于世界各地。

铁元素是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。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,而且必须有比较高的铁含量,才有利用的价值。有较好冶炼性能和利用价值的,主要是赤铁矿和磁铁矿两种。

赤铁矿石.jpg

赤铁矿石

呈暗红色或棕色的是赤铁矿,它的主要成份为三氧化二铁Fe2O3,比重大约5.26,多数含Fe在70%以下,含O多于30%,是最主要的铁矿石种类。

磁铁矿石.jpg

磁铁矿石

呈黑灰色或夹杂金属光泽的是磁铁矿,它的主要成份为四氧化三铁Fe3O4,比重大约5.15左右,理论最高含Fe可达72.4%,含O最少27.6%,具有磁性,也是主要的铁矿石种类。

有的铁矿石埋藏浅,采用露天开采,犹如给地球开天窗一般地挖大坑,开采成本相对低一些。有些深部的铁矿只能用井下巷道开采,与采掘地下煤炭的方法相类似。

马鞍山钢铁公司南山露天铁矿,使用铁路电机车运输.jpg

马鞍山钢铁公司南山露天铁矿,使用铁路电机车运输

露天铁矿用电铲与大型矿车运输的联合采矿作业.jpg

露天铁矿用电铲与大型矿车运输的联合采矿作业

首钢迁安水厂铁矿使用的130吨电传动1600马力矿车,有6米多高.jpg

首钢迁安水厂铁矿使用的130吨电传动1600马力矿车,有6米多高

但是世界上含铁达到66%以上的矿石不多,很多铁矿的“品位”(也就是含铁量)较低,可能也就是30%到50%之间,原矿石里的石头成分太高,是不能直接用于炼铁的。所以为了提高矿石原料当中的含铁量,要利用机械设备去除部分石头杂质,进一步富集含铁的成分,这就是要进行“破碎”和“选矿”,其中的选矿环节都要大量用水。

选矿车间景象——球磨机和螺旋分级机.jpg

选矿车间景象——球磨机和螺旋分级机

照片中这样略小规模的赤铁矿选场,每天可加工2000—3000吨含铁60%左右“铁精矿”。铁精矿呈粉状,一般称为铁矿粉,含铁量高的可以达到62—66%。

选后得到的铁矿粉.jpg

选后得到的铁矿粉

这样的矿粉还不能直接装进高炉里冶炼,就象人们只在取暖炉里烧型煤一样,必须人为地再把它们“捏”成块状,增加透气和还原性。国际上通行的办法是二次加工制造“烧结矿”和“球团矿”,这两样“人造块矿”同时提高了抗压强度,有利于高炉冶炼。

铁精粉原料中加入的燃料,经过高温点火后,燃烧放出大量热量,使料层中矿物产生熔融,随着燃烧层下移和冷空气的通过,在1000—1100℃生成的熔融液相被冷却而再结晶,凝固成具有网孔结构的大块烧结矿。

多孔隙的烧结矿.jpg

多孔隙的烧结矿

球团矿的加工是先如同摇元宵一样,把精矿粉混合配料进行“造球”,然后也是上机焙烧,其规格没有烧结矿那么大。

焙烧后的球团矿.jpg

焙烧后的球团矿

烧结矿和球团矿就是可以加入高炉进行冶炼的矿石原料。 


二、采煤炼焦炭

现在世界上95%以上的钢铁生产,还在使用300年前英国人达比发明的焦炭炼铁方法,所以炼铁要有焦炭,主要是当燃料用,同时焦炭也是还原剂,没有它就不能从氧化铁里置换出铁。

焦炭不是矿物,而是要用特定的几种煤混合“炼制”出来,一般的配比是肥煤25—30%,焦煤30—35%,然后装入炼焦炉里炭化12—24小时后,形成坚硬多孔的焦炭。

焦炭成品.jpg

焦炭成品

焦炭外观与煤还是有几分相像的,但是它的热值很高,比煤纯净,几乎就是纯碳,而且重量要比煤轻一半以上,因为绝大部分杂质都被清除掉了。


三、高炉炼铁

高炉炼铁是将铁矿石与燃料(焦炭有双重作用,一当燃料,二作还原剂)、配料石灰石等,在高炉中熔化,使它在高温状态下发生还原反应,从氧化铁里还原出基本是以铁元素为主的、含部分碳的“生铁”,也就是铁水。

炼铁厂高炉外观.jpg

炼铁厂高炉外观

高炉出铁水.jpg

高炉出铁水

铁水注入到铁水包内,运输去炼钢厂,或送到铸铁机.jpg

铁水注入到铁水包内,运输去炼钢厂,或送到铸铁机

如果铁水不直接送去炼钢,还可以铸造成生铁块,储存或到市场上销售。

铸造成型的生铁块.jpg

铸造成型的生铁块

不过生铁块由于含碳量超过2%以上,所以很脆,落地就会摔断。

直接用生铁可以铸造出各种铸铁产品,例如柴油机曲轴、铸铁管等。


四、炼铁成钢

铁与钢性质上的根本区别,就是含碳量,含碳量低于2%才是真正的“钢”。通常所说的“炼钢”就是在高温冶炼过程中使生铁脱碳,把铁变成钢。常用的炼钢设备是转炉或电炉。

向氧气转炉内倒入铁水和废钢.jpg

向氧气转炉内倒入铁水和废钢

转炉炼钢的原料包括85%左右的铁水、10—15%的废钢两类,再吹进氧气助燃,不用加任何燃料,依靠炽热铁水自身的物理热能很短时间内就把钢炼好了。

150吨转炉炼钢景象.jpg

150吨转炉炼钢景象

而电炉炼钢要依靠外部的能源(电能)加热熔化废钢和生铁块,它不用铁水炼钢。

大功率电弧炉在炼钢.jpg

大功率电弧炉在炼钢

电炉出钢,钢水倒入钢包.jpg

电炉出钢,钢水倒入钢包

五、铸造钢坯

目前除了生产特殊钢、大型铸钢件还需要少量铸造钢锭,用于锻造加工以外,国内外大批量生产普通钢铁基本废弃了铸造钢锭——开坯——轧材的旧工艺,绝大多数采用把钢水铸造成钢坯、再去轧材的办法,称为“连铸”。

如果不等钢坯降温、中途不落地、直接送进轧钢机,可以“一火成材”制造出需要的钢材产品。如果中途冷却钢坯,落地保存,钢坯就可以成为市场销售的商品。

钢水正在浇入连铸机.jpg

钢水正在浇入连铸机

连铸机效率高,可以设计同步生产3—8根方坯.jpg

连铸机效率高,可以设计同步生产3—8根方坯

连铸大板坯.jpg

连铸大板坯

火焰切割方钢坯.jpg

火焰切割方钢坯

少量企业更为先进,能够采用先进的“近终型”连铸方法,直接把钢水铸成很薄的钢带坯,或型钢坯,减少轧钢机加工的环节,更加节省能源,增加效益。

碳素结构钢方坯成品.jpg

碳素结构钢方坯成品

首钢京唐钢铁公司的大板坯.jpg

首钢京唐钢铁公司的大板坯

六、钢坯轧制成材

普通钢材的种类繁多,常见的有各种型钢、螺纹钢、钢板、带钢、钢管等,有的要热加工,有的需要冷加工,因此都要使用轧制钢材的设备,称为“轧钢机”。

我们以热轧棒材(圆钢)和热轧钢卷两个例子做简单说明。

钢坯再加热到接近1000度.jpg

钢坯再加热到接近1000度

安阳钢铁公司260mm连续棒材轧钢机.jpg

安阳钢铁公司260mm连续棒材轧钢机

在轧机的碾压下,钢坯由粗变细,越来越接近产品最终直径,送入棒材冷床进行降温。棒材多数用于加工机械结构件等。

如果在最后一架棒材成品轧钢机上使用花纹轧辊,就可以生产出螺纹钢,也就是名为“钢筋”的建筑结构用材。

圆钢在冷床上降温,颜色由红变黑.jpg

圆钢在冷床上降温,颜色由红变黑

棒材成品堆成稳固的垛型.jpg

棒材成品堆成稳固的垛型

国标三级螺纹钢,主要用于绑扎灌注钢筋混凝土结构.jpg

国标三级螺纹钢,主要用于绑扎灌注钢筋混凝土结构

生产卷状钢材要使用热卷连轧机。先轧出热卷,此后进一步用冷轧的方法加工出光洁度较高的冷轧钢卷,以及再加工成涂镀板卷。这种薄钢材由于中间没有断头,非常有利于象做服装那样,在钢板上套裁切割,做出各种家用电器钢板、汽车外壳等变形复杂的产品。

首钢京唐钢铁公司2250热连轧机在生产卷板.jpg

首钢京唐钢铁公司2250热连轧机在生产卷板

热轧薄钢板以卷状交货.jpg

热轧薄钢板以卷状交货

首钢京唐钢铁公司冷轧厂的冷轧卷产品.jpg

首钢京唐钢铁公司冷轧厂的冷轧卷产品

七、锻造钢材

根据不同的需要,有一部分特殊性能、或特殊形状的钢材,是无法用生产大批量产品的轧钢机加工出来的,而要采用小批量、甚至仅仅生产一两件的数量进行生产。因此,炼钢后需要铸造若干个钢锭,然后经过加热,在模锻机、液压机等特种加工设备上制成异形特种钢材。特别需要说明的是,这一类钢材有一半以上并不是在钢铁企业里生产出来的,它们的产地是大中型机械工厂。

我们以锻造大型风力发电机主轴件为例,来简要形象地说明锻造钢材生产。

锻造毛坯(钢锭)经过加热后出炉.jpg

锻造毛坯(钢锭)经过加热后出炉

用4000吨锻造水压机加工大型轴件.jpg

用4000吨锻造水压机加工大型轴件

锻造出的风力发电机主轴.jpg

锻造出的风力发电机主轴

我们看到经过怎样的“千锤百炼”过程,钢铁产品终于诞生了。

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