钢铁冶金课件：炼铁与炼钢工艺详解

钢铁冶金课件炼铁与炼钢工艺详解欢迎来到钢铁冶金专业课程本课程将深入介绍现代钢铁生产的完整工艺流程，包括从铁矿石的选择与处理，到高炉炼铁、炼钢转炉操作，再到连铸成型等全流程技术通过系统学习，您将掌握钢铁冶金的理论基础与实践技能，了解行业最新发展趋势与环保要求本课程面向冶金工程专业学生、钢铁企业技术人员及管理者，将理论与实践紧密结合，帮助学习者深入理解现代钢铁工业的核心工艺与技术创新课程简介课程目标钢铁行业的重要性本课程旨在系统介绍钢铁冶金的基本原理与工艺流程，使学习者钢铁是国民经济的基础材料，支撑着建筑、机械、汽车、船舶、掌握从炼铁到炼钢的全套技术知识与操作要点通过理论与实践能源等众多行业的发展钢铁工业的技术水平直接反映一个国家相结合的教学方式，培养学生分析解决冶金生产实际问题的能的工业化程度与创新能力力作为材料工业的支柱，钢铁生产技术的进步对促进节能减排、实学习内容包括铁矿石处理、高炉炼铁、各类炼钢工艺、连铸技术现碳中和目标具有重要意义，是实现工业绿色转型的关键领域以及现代钢铁工业的智能化与环保发展等方面钢铁工业发展历程1234古代冶铁技术工业革命时期现代钢铁工业智能绿色发展中国早在春秋战国时期已掌世纪焦炭代替木炭作为燃世纪后，转炉炼钢、连铸当前钢铁工业正向低碳、智1820握炼铁技术，古代冶铁多采料，高炉技术逐步发展，推技术普及，全球钢产量迅速能化方向发展，中国钢铁企用小型土法炉，利用人工鼓动钢铁产量大幅增长增长，年已达近亿业积极推进产业升级，实现202320风，产量有限吨其中中国钢产量占全球超低排放与数字化转型总量的一半以上钢铁冶金基本原理冶金学基础铁碳合金体系冶金学是研究金属从矿石中提铁碳合金是工业中应用最广泛的取、精炼和加工的科学钢铁冶金属材料体系根据碳含量不金主要涉及铁碳合金的冶炼过同，可分为工业纯铁程，核心是通过物理化学变化将、钢

0.02%C

0.02-铁从氧化物中还原出来，并调整和铸铁

2.11%C

2.11-碳含量与其他元素，碳含量决定了材料的

4.3%C基本性能各类铁的性能生铁含碳量高，硬而脆，常作为炼钢原料；钢具有良好的强度

2.11%和韧性平衡，可塑性好，是最重要的工程材料；铸铁铸造性能好，但塑性较差，主要用于制造形状复杂的零部件钢铁冶金产业链上游原料开采铁矿石、煤炭、石灰石等原材料的开采与运输，是钢铁产业链的起点中国主要依赖进口高品位铁矿炼铁炼钢环节包括烧结、球团、焦化、高炉炼铁、转炉电炉炼钢等工序，是产业链/的核心环节这一环节技术密集、资金密集钢材压延加工通过热轧、冷轧等工艺将钢坯加工成板材、型材、管材等各类钢材制品，满足下游行业多样化需求下游应用领域建筑、机械、汽车、船舶、家电等众多行业使用钢材产品，是钢铁产业链的终端环节炼铁流程概览原料准备焦炭生产包括铁矿石破碎、筛分、选矿，以及烧在焦炉中将煤高温干馏制成焦炭，作为结或球团制备，提高入炉原料品位和物高炉冶炼的还原剂和燃料，同时回收焦理性能炉煤气等副产品高炉冶炼铁水处理将铁矿石、焦炭、熔剂等按比例装入高对高炉出来的热铁水进行脱硫等预处炉，通过鼓入热风进行还原反应，最终理，为后续炼钢工序做准备产出生铁和炉渣铁矿石及其处理磁铁矿₃₄赤铁矿₂₃破碎与选矿Fe OFe O含铁量理论值为，实际常为含铁量理论值约为，实际通常为铁矿石处理首先经过多级破碎，将大块矿

72.4%57-70%50-，呈黑色，具有磁性，易于选别主，呈红褐色全球储量丰富，澳大利石破碎至适合磨矿的粒度随后通过球磨67%65%要分布在中国东北、内蒙、河北等地，是亚、巴西等国的高品位赤铁矿是国际贸易机等设备进行磨矿，释放铁矿物根据矿重要的铁矿资源磁铁矿一般需经过破的主要品种赤铁矿通常需通过重选、浮石性质，采用磁选、重选、浮选等不同工碎、磨矿后采用磁选工艺提纯选等方法进行选矿处理艺进行选别，提高铁品位，为后续烧结或球团做准备烧结工艺混料与制粒将铁精矿、回收粉、熔剂等按比例混合并加水制粒，形成透气性良好的混合料点火与烧结混合料在烧结机上层被高温点火，热量向下传导形成烧结带，使矿1200-1300℃粉软化粘结冷却与破碎烧结矿经冷却后破碎筛分，大块送高炉使用，细粉返回再烧结烧结是将细碎的铁矿粉在高温下部分熔融粘结成块的过程这一工艺旨在提高矿石的透气性和强度，减少高炉中的粉尘夹带，提高高炉生产效率我国大型烧结机面积可达以上，日产烧结矿超过万吨烧结过程中的废气热量可回收利用，降低能耗500m²1球团矿生产球团矿定义与特点焙烧球团工艺球团矿是将铁精矿粉与粘结剂将生球在隧道窑或带式焙烧机混合制成小球后烧制而成的球中经过预热、焙烧、冷却等工形颗粒与烧结矿相比，球团序，在温度下1200-1350°C矿具有强度高、粒度均匀、还烧制，形成坚固的氧化铁球原性好等优点，是高品质的高团该工艺能耗较高，但产品炉炉料质量优良还原球团技术一些先进工艺可直接生产还原铁球团，如和工艺，使用MIDREX HYL天然气或煤气作为还原剂，避开了高炉冶炼，是短流程炼钢的重要原料这类工艺在国际上广泛应用，具有节能环保优势焦化工艺焦炭的重要性焦炭在高炉冶炼中扮演三重角色作为还原剂将铁氧化物还原为金属铁；作为燃料提供冶炼所需热量；作为支撑物保持炉内料柱透气性焦炭质量直接影响高炉生产效率和铁水质量优质焦炭应具备高强度、低反应性、低灰分和低硫含量焦炭强度不足会导致高炉操作困难，增加燃料消耗焦炉结构与焦化过程现代焦炉采用隔墙加热的蜂窝结构，由数十个焦炉炭化室并列组成每个炭化室高度约6-7米，宽度约45-50厘米，长度可达15-18米炭化室两侧是加热室，通过燃烧焦炉煤气提供热量炼焦过程是将配好的煤装入炭化室，在无氧条件下高温约1100℃干馏12-18小时，煤中的挥发分被析出，留下固定碳形成焦炭同时回收煤气、焦油、粗苯等化工产品炉料配比与入炉准备60-70%25-35%10-15%铁矿石烧结球团焦炭比例熔剂用量//高炉炉料中的主要成分，提供铁源烧结矿提供还原剂和热源，控制焦炭质量和用量是主要包括石灰石、白云石等，用于调整炉渣和球团矿在现代高炉中占比不断提高，以提降低高炉燃料消耗的关键优质高炉平均焦成分和碱度，影响炉渣流动性和脱硫能力升冶炼效率比可降至铁300-350kg/t入炉前的准备工作包括原料的筛分和配比计算筛分去除过细粉料，保证炉内透气性配比则根据矿石成分、焦炭质量和预期铁水成分进行精确计算，通常采用计算机辅助系统优化配比方案现代高炉还采用了喷吹煤粉、天然气等辅助燃料技术，减少焦炭消耗高炉原理与流程热交换过程上升气流与下降固体料之间的逆流热交换间接还原CO和H₂气体还原铁氧化物的过程直接还原固体碳直接还原氧化铁熔化与滴落还原铁和炉渣熔化并向炉底聚集高炉是一种竖式冶炼设备，利用逆流传质和传热原理，将铁从氧化物中还原出来现代高炉高度可达100米以上，有效容积可达5000立方米以上从上到下可分为料斗区、炉喉、炉身、炉腹、炉缘、炉底等部分炉内温度从上到下逐渐升高，形成不同的反应区铁水和炉渣在炉底分离，定期从不同出口放出高炉操作是连续不间断的，一座高炉投产后可连续运行多年高炉供料系统原料输送系统通过皮带输送机、料斗提升机等设备将炉料从原料场运送至高炉顶部，实现连续供料现代系统采用全封闭设计，减少粉尘污染称量与配料采用精确的电子称量系统，按计算好的比例将各种原料混合配料精度直接影响冶炼质量，一般要求误差控制在以内±

0.5%无钟炉顶装料现代高炉多采用无钟旋转槽式或旋转溜槽式炉顶，可实现精确控制料流方向与分布，优化炉内气流分布，提高冶炼效率精确的布料可使高炉生产率提高5-10%高炉供料系统的自动化程度直接影响高炉的稳定运行现代高炉布料采用雷达或激光测距技术实时监测料面形状，结合计算机模拟优化料层分布当检测到炉内料层异常时，系统会自动调整布料参数，防止炉况波动鼓风系统及热风炉鼓风系统热风炉鼓风系统负责向高炉送入足够量的热风，是高炉运行的呼吸系热风炉是预热鼓风的设备，采用蓄热式原理工作现代高炉普遍统现代高炉采用电动离心式鼓风机或透平鼓风机，风量可达配置座热风炉，轮流工作热风炉高度可达米以上，由3-440，压力燃烧室和格子砖蓄热室组成3000-8000m³/min

0.25-

0.45MPa鼓风参数直接影响高炉热平衡和生产率风量过大会导致炉温过热风炉工作分为送热和取热两个阶段送热阶段燃烧高炉高，风量不足则影响还原反应鼓风系统配有流量、压力、温度煤气加热蓄热室；取热阶段冷空气通过被加热的格子砖，升温至等监测装置，实现精确控制后送入高炉热风温度每提高，焦比可降1000-1300℃100℃低2-3%炉内反应区划分高炉内部根据温度和反应特点可分为五个主要区域最上层为干燥预热带200-800℃，铁矿石中的水分被蒸发，开始预热；中上部为间接还原带800-1000℃，CO和H₂气体还原大部分铁氧化物；中下部为直接还原带1000-1200℃，固体碳直接还原剩余氧化铁；下部为熔融区1200-1600℃，铁和渣料开始熔化滴落；最下部为积存区1500-1600℃，铁水和炉渣分层存储各反应区域的温度分布和体积比例是高炉操作的重要参数，通过调整料比、风量、风温等可以优化各区域的反应条件，提高冶炼效率高炉煤气与副产品回收炉渣处理与综合利用水淬渣生产渣微粉加工新型建材应用将熔融状态的高炉渣快速通过高压水流冷将水淬渣干燥后进行超细粉磨，生产出渣利用高炉渣生产的建材产品包括渣硅酸盐却，形成类似砂粒状的颗粒水淬渣具有微粉产品渣微粉可作为混凝土的掺合水泥、渣混凝土砌块、透水砖等这些产潜在水硬性，是生产水泥的理想原料水料，改善混凝土工作性能，提高耐久性品不仅消纳了冶金废渣，还因其绿色环保淬过程中产生的蒸汽可回收利用，提高能目前高炉渣微粉已成为建材市场的重要产特性受到市场欢迎我国年产高炉渣约3源效率品，附加值较高亿吨，综合利用率达以上，创造了显95%著的经济和环境效益出铁操作流程出铁口打开使用电动或气动钻机钻通出铁口泥封现代高炉多采用长寿命陶瓷出铁口，减少出铁过程的安全风险铁水流出铁水和炉渣通过主沟流入铁口沟，温度约1450-1500℃在主沟下游设有分流装置，引导铁水和炉渣分别流向不同渠道铁水与炉渣分离利用比重差实现铁水与炉渣分离铁水流入铁水罐，炉渣流入渣罐，分别处理现代高炉采用自动控制的挡渣球确保分离质量出铁口封堵铁水放完后，使用电动泥炮将耐火泥注入出铁口，封闭出铁口直至下次出铁出铁口泥质量直接影响出铁操作的安全性和高炉运行稳定性大型高炉通常设有3-4个出铁口，轮流使用，确保高炉顺畅出铁现代高炉出铁作业高度机械化，出铁过程由集中控制室远程操作，大大提高了作业效率和安全性出铁周期一般为2-4小时，每天出铁6-12次，这一频率需根据高炉产量和容积合理设置高炉寿命延长技术高炉炉衬技术冷却系统现代高炉炉衬采用多层复合结高炉采用铜冷却壁或铜冷却板强构，包括碳砖、碳化硅砖、刚玉制冷却炉身，形成自生护炉砖等高级耐火材料炉衬设计寿冷却壁通入循环水，将炉内热量命一般为年，而实际使用带出，保护炉衬不被高温损坏15-20寿命常受冶炼条件影响而缩短现代高炉冷却系统监测精密，可碳砖炉衬具有良好的抗侵蚀性和实时监测冷却壁温度变化，预警导热性，是高炉炉底和炉缘的理潜在风险想材料中修与大修高炉定期进行中修年一次和大修年一次中修主要更换风口、1-28-15出铁口等易损部位；大修则需要全面更换炉衬先进的无解体中修技术可在不停炉情况下进行局部维修，大大延长高炉连续作业时间高炉能耗与节能创新高炉智能化与自动化炉况监测系统专家决策系统数字孪生高炉现代高炉配备数百个测点，实时监测温基于大数据和人工智能技术的高炉专家建立高炉的数字孪生模型，实现物理高度、压力、流量、成分等参数特别是系统，能够分析历史数据和当前炉况，炉与虚拟高炉的实时交互通过计算流采用雷达测量技术实时监测料面形状，预测潜在问题并给出操作建议系统结体力学和热力学仿真，可视化炉内状激光扫描技术检测炉缸侵蚀情况，光纤合冶金专家经验和机器学习算法，不断态，预测不可测量区域的情况，为操作测温技术监测炉衬温度分布这些数据优化冶炼参数，稳定炉况波动，提高产决策提供科学依据数字孪生技术已在通过工业以太网传输至中央控制系统品质量宝钢、鞍钢等先进钢企成功应用高炉生产过程典型问题堵料问题冷炉现象垮料事故主要发生在炉喉或炉身上部，表现为料面表现为风口暗淡、热风炉升温困难、铁水指炉内料柱突然大面积下滑的现象，会导不下降、炉顶压力异常升高原因可能是温度下降原因包括风量过大、焦炭质量致炉压急剧波动、大量煤气外逸、铁水温炉料粒度过细、水分过高或布料不均匀不良或铁水放出不畅应对措施包括提高度和成分波动主要原因是料层架桥后突解决方法包括调整炉料配比、改善布料方风温、减少风量、增加焦比、加大辅助燃然塌落或炉料分布不合理预防措施包括式，严重时需要停风松料或紧急停炉处料喷吹量等，逐步恢复炉温冷炉问题若控制合理的料层结构、稳定炉温分布、避理处理不当，可能导致冻炉事故免大起大落的操作变化炼钢基本流程原料准备冶炼过程包括高炉铁水预处理脱硫、脱硅、废在转炉、电炉等设备中通过氧化反应去钢准备、合金和熔剂配制等工作，为炼除铁水中的碳、硅、锰等元素，调整成钢奠定基础分至目标钢种要求精炼处理连铸成型通过炉外精炼、真空处理等工艺LF VD将液态钢水通过连铸机浇铸成板坯、方进一步净化钢水，提高钢的纯净度和性坯等半成品，为后续轧制工序做准备能现代钢铁生产多采用高炉转炉长流程或电炉连铸短流程工艺高炉转炉流程以铁矿石为主要原料，适合大规模生产；电炉流程---以废钢为主要原料，节能环保且灵活性高两种工艺各有优势，在我国钢铁工业中并存发展转炉炼钢原理提高温度通过鼓入高纯度氧气，氧化碳、硅等元素释放热量脱除杂质氧化去除、、、等元素，调整成分C SiMn P控制成分精确调整碳含量和其他元素，满足钢种要求转炉是当今最主要的炼钢装置，全球约的钢通过转炉生产其原理是将富含碳、硅、锰等元素的铁水装入转炉，通过顶吹或复合吹入高纯70%度氧气，氧化去除多余元素，并产生足够热量维持炼钢温度现代转炉多采用氧气顶吹转炉转炉或顶底复合吹技术，可提高熔剂利用率和LD冶炼效率典型转炉容量为吨，每炉冶炼时间分钟大型钢厂转炉日产量可达吨以上现代转炉装备有先进的计算机控制系统，能50-30035-4510000够精确控制氧气流量、吹氧时间和加料时机，保证钢水成分和温度的准确性电弧炉炼钢工艺电弧炉原理工艺特点与优势电弧炉利用电极与金属料之间形成的电弧产生高温以电弧炉炼钢以废钢为主要原料占比可达以上，是回收再利3000℃98%上熔化金属现代电弧炉主要有三种类型交流电弧炉、直流用钢铁资源的理想工艺与转炉相比，电弧炉工艺更加灵活，可电弧炉和超高功率电弧炉生产各种钢种，特别适合特殊钢、高合金钢的生产交流电弧炉使用三根石墨电极，构成三相电路；直流电弧炉使用现代电弧炉冶炼采用氧气电力双能源技术，一方面通过喷氧-单根电极作为阴极，炉底作为阳极，能耗较低；超高功率电弧炉氧化铁水中的碳、硅等元素产生热量，另一方面利用电弧加热，通过增大变压器容量，缩短冶炼时间，提高生产效率实现快速高效冶炼先进电弧炉冶炼一炉钢的时间已缩短至45-分钟60平炉炼钢（历史回顾）℃小时15008-12操作温度冶炼周期平炉炼钢温度相对较低，热源来自燃料燃烧和化学单炉生产周期长，产能低于现代转炉反应5%当前占比在现代钢铁工业中已基本被淘汰，仅少数地区保留平炉曾是20世纪中期最主要的炼钢设备，因其形状扁平而得名平炉利用煤气或重油燃烧产生的火焰和高温烟气通过火格子反射到炉料表面，逐渐熔化金属并进行冶炼平炉的优点是原料适应性强，可同时使用铁水和废钢，配比灵活；缺点是生产周期长，热效率低，污染严重随着转炉技术的成熟和电弧炉的发展，平炉逐渐退出历史舞台中国在20世纪90年代开始大规模淘汰平炉，目前已基本停止使用平炉炼钢是钢铁冶金发展史上的重要一页，为现代炼钢工艺积累了宝贵经验真空精炼与特殊钢真空脱气工艺真空氧脱碳工艺VD VOD将盛装钢水的钢包置于真空室在真空条件下向钢水吹氧，高内，在的低压下效去除碳元素，同时保持合金

0.01-

0.1kPa处理，去除氢、氧等有害气元素工艺特别适合生产VOD体工艺可显著降低钢中超低碳不锈钢，VD

0.03%C氢含量可降至以下，能够在保持高铬含量的同时将1ppm减少气孔和白点等缺陷，提高碳含量降至极低水平，提高钢钢的内在质量的耐腐蚀性特殊钢生产技术特殊钢如轴承钢、工模具钢、不锈钢等对纯净度和均匀性要求极高现代特殊钢冶炼通常采用电炉连铸流程，实现超低夹-LF-VD/VOD-杂物含量和精确成分控制高端特殊钢生产中还采用电渣重熔、真空自耗等二次精炼技术，进一步提高质量各种炼钢方法对比比较项目转炉炼钢电弧炉炼钢平炉炼钢主要原料铁水70-80%、废钢废钢80-100%、生铁铁水、废钢比例灵活冶炼周期35-45分钟45-90分钟8-12小时能源消耗-100kWh/t产能源350-450kWh/t1200-1500kWh/t投资成本高需配套高炉中等较低钢种适应性普通碳钢、低合金钢各种钢种，特别适合特殊钢各种钢种，钢水质量稳定环保性能中等需脱硫除尘较好无SO₂排放差污染严重转炉炼钢以其高效率、低成本的特点成为当今主流炼钢方法，适合大规模生产普通钢种；电弧炉因其灵活性和环保优势，在特殊钢生产和小规模生产中具有不可替代的地位；平炉则因能耗高、效率低已基本被淘汰未来炼钢工艺发展趋势是短流程化、绿色化和智能化，转炉与电弧炉将各自发挥优势并不断创新发展炼钢用原料及入炉准备废钢生铁废钢是重要的辅助原料，在转炉中占比20-高炉产出的生铁是转炉炼钢的主要原料，通，在电炉中可占废钢按来30%80-100%常含碳，还含有硅、锰、磷、硫等元4-5%源可分为自产废钢、工业废钢和社会废钢素炼钢前需进行脱硫处理，将硫含量控制使用前需进行分选、破碎、除油和预热等处在以下铁水预处理还可包括脱硅、

0.02%理，确保质量和安全废钢加入量的增加有脱磷等工序，有助于提高转炉冶炼效率利于降低能耗和排放CO₂合金材料熔剂用于调整钢的化学成分，包括锰铁、硅铁、主要包括石灰、萤石等石灰作为碱性熔铬铁等合金材料多在终点阶段加入，精确剂，与钢水中的、等酸性氧化物形SiO₂P₂O₅控制钢的成分高纯度合金可直接加入，而成炉渣，帮助去除磷、硫等有害元素萤石含杂质多的合金则需要预处理合金加入时作为助熔剂，降低炉渣熔点，提高流动性机和方式直接影响合金收得率和钢的均匀熔剂使用前需充分焙烧和干燥，去除水分和性CO₂熔炼与氧化脱杂碳的去除碳元素与氧气反应生成CO和CO₂气体逸出反应方程式[C]+{O₂}={CO₂}或[C]+1/2{O₂}={CO}碳的氧化是放热反应，提供部分炼钢热量碳的去除率随温度升高而增加，通过控制吹氧量精确调整终点碳含量硅的氧化硅元素氧化生成SiO₂，进入炉渣反应方程式[Si]+{O₂}=SiO₂硅的氧化是强烈放热反应，是炼钢初期主要热源硅氧化产物形成酸性渣，需加入足够石灰中和，控制渣的碱度磷的去除磷的去除要求低温、高氧势和高碱度炉渣反应方程式2[P]+5{O₂}+4CaO=22CaO·P₂O₅磷的去除率受温度影响显著，炉温升高会导致磷从炉渣中重新还原回钢液现代转炉采用二次脱磷工艺，提高脱磷效率硫的控制硫主要通过形成硫化物进入炉渣去除反应方程式[S]+CaO=CaS+[O]硫的去除需要还原性条件、高碱度炉渣和低氧势环境，与脱磷条件相反因此，炼钢中硫主要依靠铁水预处理和钢包精炼去除，转炉内脱硫效果有限炉渣冶金炉渣组成与调控炉渣功能与操作炉渣处理与利用炼钢炉渣主要由、、、炉渣在炼钢中承担多重功能吸收脱除的炼钢炉渣是钢铁生产的主要固体废弃物，CaO SiO₂FeO、等氧化物组成炉渣的碱度杂质元素；保护钢液不被大气氧化；保温每吨钢约产生炉渣现代钢厂MgO Al₂O₃100-150kg比值是关键指标，影响脱磷能隔热；保护炉衬优质炉渣应具备适当的采用干法处理工艺，对炉渣进行冷却、破CaO/SiO₂力和流动性转炉炉渣碱度通常控制在粘度和流动性，既能充分反应又便于操碎、磁选回收金属铁处理后的钢渣可用之间，通过加入石灰调整炉渣作炉渣管理是炼钢工艺的重要环节，直于建材生产、道路建设、水泥原料等领

2.5-

3.5中含量影响耐火材料寿命，通常控制接影响钢的质量和冶炼效率域钢渣综合利用率已达以上，是实MgO80%在现钢铁工业循环经济的重要环节6-10%炉气处理与回收炼钢自动化与智能控制冶炼过程监测机器人应用人工智能炼钢现代转炉配备声、光、电等多种传危险高温作业区域广泛应用工业机基于深度学习的炼钢模型可预测钢感器，实时监测钢水温度、炉内状器人，如自动测温取样机器人、自水温度和成分变化，优化冶炼参态和排放情况先进的激光气体分动加料机器人等机器人替代人工数通过分析历史数据，AI系统建析仪可连续分析炉气中的CO、CO₂操作，提高安全性和精确度先进立各项参数间的复杂关系模型，实含量，推算脱碳情况；热电偶和红钢厂的机器人还可完成出钢口自动现精确预测和控制如宝钢等先进外测温仪精确测量温度；振动传感开关、炉渣处理等复杂任务钢企已实现基于AI的终点命中率提器监测设备运行状况高10%以上，大幅提升钢种一次成功率全流程优化MES系统实现从炼铁到炼钢的全流程协同优化，动态调整生产计划和工艺参数系统考虑能源平衡、物料平衡和设备状态，最大化生产效率和质量稳定性先进的数字孪生技术可模拟整个炼钢过程，为工艺优化提供虚拟实验平台连铸工艺简介钢包浇注钢水从钢包通过中间包定量均匀地注入结晶器，中间包起到缓冲和分配作用结晶器凝固钢水在水冷铜结晶器中形成凝固坯壳，这是连铸质量控制的关键区域二次冷却坯料离开结晶器后，通过喷水冷却继续凝固，直至坯心完全凝固切割与输出连续铸出的钢坯按设定长度切断，然后输送至下游工序或冷床连铸工艺是将液态钢水直接铸成所需的坯料形状的工艺，取代了传统的钢锭模铸工艺连铸的主要产品形式包括板坯、方坯、矩形坯和圆坯等，分别用于生产不同类型的钢材制品与传统模铸相比，连铸工艺具有显著优势提高金属收得率10-15%；节约能源15-20%；改善钢的内部质量；提高生产效率；减少环境污染目前中国钢铁企业连铸比例已达98%以上，接近国际先进水平连铸设备与操作结晶器技术二次冷却设计连铸机参数结晶器是连铸机的核心部件，通常由高导二次冷却区分为多个独立控制的冷却区，大型板坯连铸机宽度可达，厚度2200mm热铜合金制成，内表面镀镍或铬以提高耐采用喷嘴组合喷水或水气混合冷却冷却，设计年产量可达万吨180-250mm200磨性现代结晶器多采用液压振动技术，强度随坯料凝固程度逐渐降低，避免温度以上弯曲型连铸机弯曲半径一般为8-12通过高频微振动次分防止坯壳梯度过大导致裂纹现代连铸机采用动态米，铸造速度为钢种不100-300/

0.8-

2.0m/min粘结并促进结晶结晶器内还通入保护软冷却技术，根据铸速和钢种实时调整冷同，铸造速度也有所差异，高合金钢和特渣，防止钢水二次氧化，吸收夹杂物，并却强度，优化凝固曲线二冷喷嘴设计和殊钢通常铸造速度较低牵引辊系统确保润滑坯壳与结晶器接触面维护直接影响产品表面质量坯料平稳通过，矫直机将弯曲坯料矫直，火焰切割机将连续坯料切割成所需长度钢坯缺陷与控制连铸钢坯常见缺陷包括表面和内部两大类表面缺陷主要有横向裂纹、纵向裂纹、星形裂纹、凹陷等，通常由结晶器冷却不均匀、拉伸应力过大或润滑不良导致内部缺陷则包括中心疏松、中心偏析、白点、夹杂物富集等，多与凝固过程中的热力学和传质因素有关防控钢坯缺陷的主要措施包括优化钢水洁净度，减少夹杂物；控制结晶器冷却强度和振动参数；合理设计二次冷却制度，避免温度梯度过大；采用电磁搅拌技术改善凝固组织；应用软压下技术减轻中心疏松和偏析；实施在线探伤检测，及时发现并处理缺陷现代连铸技术通过这些措施，显著提高了钢坯质量和成材率炼钢过程的节能降耗余热回收系统能源梯级利用现代钢厂广泛采用烟气余热回收锅钢铁企业建立能源管家系统，实炉，利用转炉烟气现各种能源的合理分配和梯级利1000-1200℃的高温回收热能先进系统可回收用如利用煤气发电后的低温烟气约的烟气热量，每吨钢产生用于烘干物料；使用转炉余热锅炉60%吨中压蒸汽，用于发电或产生的蒸汽驱动鼓风机；钢坯冷却

0.4-

0.6供热钢坯和炉渣余热也可通过专水热能用于采暖等通过能源梯级用设备回收，实现能源的多级利利用，综合能效可提高15-20%用节能新技术近年来涌现出一批炼钢节能新技术，如转炉富氧底吹技术可提高废钢比10-；直接还原铁（）代替部分生铁作为电炉原料，降低碳排放；转炉电15%DRI-炉复合冶炼工艺结合两种炼钢方式的优势，提高能源利用效率我国钢铁行业吨钢综合能耗已从年的标煤降至目前的标煤左右2000906kg550kg炼钢过程安全控制危险源识别炼钢主要危险包括钢水飞溅、CO中毒、高温烫伤和设备故障预防措施实施落实本质安全设计、工艺安全联锁和人员防护装备监控与预警建立实时监测系统和紧急预警机制，实现危险早期识别应急处置能力制定详细应急预案并定期演练，提高突发事件处置效率炼钢作业环境存在高温、高压、有毒气体等多重危险因素转炉冶炼中，钢水温度高达1600℃以上，吹氧过程可能发生喷溅；CO气体浓度高且无色无味，极易造成中毒；水冷设备泄漏可能引发爆炸事故因此，安全管理是炼钢生产的首要任务现代钢厂普遍采用远程操作和机器人替代人工，最大限度减少人员暴露在危险环境中的时间同时，安装CO浓度、水压、温度等多种监测装置，并与自动控制系统联锁，一旦参数异常立即启动应急程序企业还通过安全培训和演练，强化员工安全意识和应急处置能力高端钢种的冶炼技术超低碳钢冶炼不锈钢冶炼超低碳钢主要用于汽车外板、家电面板等领域，不锈钢含铬量一般在，具有优异的耐腐蚀性现代不锈C

0.005%12-30%要求优良的成形性和表面质量冶炼通常采用转炉或转钢冶炼多采用电炉工艺路线转炉使用氩氧-RH-AOD/VOD AOD炉工艺流程，在真空条件下强化脱碳关键控制点包混合气体吹炼，降低分压，在保持铬不被过度氧化的情况下-VOD CO括前期适当提高碳含量以保护合金元素；精确控制真空处理时有效脱碳间和强度；避免处理后的二次氧化和碳污染关键控制点包括原料纯净度控制；控制吹氧强度和惰性气体比先进工艺可实现碳含量控制在以下，同时保持良好的表例；精确控制终点成分和温度；严格控制夹杂物类型和含量高

0.002%面质量和加工性能端不锈钢如超级双相钢和超级奥氏体钢对工艺控制精度要求极高新一代高效炼钢装备转炉大型化电炉节能改造智能连铸技术现代转炉向大型化方向发展，单炉容量已达新一代电弧炉采用直流电弧炉技术，相比传新一代连铸设备融合了多项智能技术电磁吨以上大型转炉具有更高的生产效率统交流电弧炉可节电，电极消耗降搅拌和电磁制动改善凝固组织；模具液位自40010-15%和更低的单位能耗大型化设计带来的技术低其他创新包括长水冷侧壁延动控制系统保持稳定浇注；动态二次冷却技30-40%挑战包括耐火材料承受更大热应力；均匀长炉衬寿命；废气余热回收预热废钢；优化术根据钢种和铸速实时调整冷却参数；在线吹氧更加困难；炉体结构需加强先进设计电极调节系统减少电弧波动；采用泡沫渣操检测系统实时监测坯料质量这些技术显著采用多点复合吹氧技术、特种耐火材料和强作提高热效率部分先进电炉已实现吨钢电提高了产品质量和生产效率，满足高端钢材化冷却系统，解决大型化带来的问题耗低于，接近理论极限生产需求320kWh绿色炼铁与污染治理环保型炼钢新工艺碳中和目标钢铁行业实现低碳可持续发展增加废钢利用提高电炉比例，发展短流程炼钢氢冶金技术开发以氢气为还原剂的革命性工艺碳捕集与利用捕集CO₂并转化为有价值产品富氧炼钢技术通过提高鼓风中氧气含量30%，显著降低能耗每提高1%的氧气含量，可减少约

1.3%的能源消耗富氧技术还能提高废钢比例，减少CO₂排放短流程炼钢路线如电弧炉-连铸工艺，主要使用废钢作为原料，能耗和碳排放仅为长流程的1/3左右氢冶金技术被视为未来钢铁工业的革命性技术，使用氢气替代碳作为还原剂，反应产物是水而非CO₂欧洲的HYBRIT项目和我国部分科研机构已开始氢冶金中试研究碳捕集与利用技术CCUS也是减排重要方向，通过捕集高炉和转炉排放的CO₂，用于生产化工产品或封存，实现碳循环利用部分钢企已建成CCUS示范项目，每年可减少数万吨CO₂排放智能制造在钢铁行业大数据应用工业互联网智能高炉智慧炼钢钢铁生产过程中产生海量数钢铁企业通过工业互联网平智能高炉通过传感器网络、智慧炼钢车间采用全流程自据，通过大数据技术分析这台连接设备、系统和人员，人工智能算法和自动化控制动化和智能化装备，最小化些数据，可发现工艺优化点实现设备互联和信息共享系统，实现高炉操作的智能人工干预转炉终点控制、和设备维护需求先进钢企基于5G网络的工业互联网支决策和自动执行系统能够钢水成分调整、温度控制等建立了全流程数据中台，存持远程操作和实时监控，提自适应调整布料模式、风量关键环节由AI系统优化决储和分析从原料到成品的完高生产灵活性部分领先企分布和热风温度等参数，保策智能化改造后的炼钢车整数据链，支持质量追溯和业已建成覆盖全厂的工业互持最佳冶炼状态宝武集间，人员可减少30-50%，工艺优化大数据分析已在联网平台，连接数万个设备团、河钢集团等企业的智能同时质量稳定性和安全性大成分预测、能耗优化等方面节点，形成数字化神经网高炉已实现主要技术指标提幅提高，实现少人化甚至取得显著成效络升5-10%无人化生产全球炼铁炼钢行业趋势绿色低碳化1钢铁企业全面推进碳减排技术创新，欧盟推动绿色钢铁计划，目标2050年实现碳中和；日本钢铁联盟提出零碳钢铁挑战；中国承诺2030年前实现碳达峰氢冶金、碳捕集等革命性技术加速落地智能数字化2全球钢企加速数字化转型，建设智能工厂德国蒂森克虏伯的数字孪生技术实现全流程模拟优化；韩国浦项钢铁的AI系统优化高炉操作；中国宝武集团建设全球领先的5G+工业互联网应用示范高端化与定制化3钢铁产品向高端化、差异化方向发展日本新日铁开发超高强度汽车钢；瑞典SSAB推出无化石燃料生产的高端钢材；德国萨尔茨吉特开发定制化特种钢解决方案钢企从单纯提供产品向提供材料解决方案转变集约化重组4全球钢铁业加速并购重组，提高产业集中度中国宝武并购重组多家钢企，产能突破1亿吨；欧洲钢铁巨头加速整合；印度钢铁企业积极扩张全球市场行业向头部企业集中的趋势明显中国钢铁智能升级实例宝武集团智能工厂河钢集团数字化转型鞍钢数据驱动管理宝武集团在上海宝山基地建设全球首个河钢集团基于工业互联网建设聚铸云平台鞍钢基于数据驱动建立全厂级生产管理系工业互联网钢铁智能工厂该工厂实，连接全集团多台关键设备平台通统，实现从订单到交付的全流程数字化管5G+1300现全流程数字孪生，铁前系统通过算法优过大数据分析优化工艺参数，实现冷轧表面理系统整合、和工艺控制系统，AI ERPMES化高炉布料和风量分配；炼钢系统实现全自质量提升，能源利用率提高该集形成闭环管理通过实时监测和分析生产过12%8%动加料和测温取样；热轧实现板形自动控团还开发了钢铁生产全流程仿真系统，实现程中的关键指标，系统能够预测生产异常并制，缺陷识别准确率达以上智能化从炼铁到轧钢的虚拟仿真，为工艺参数优化自动调整工艺参数，显著提高了产品质量稳95%改造后，劳动生产率提高，能源利用提供科学依据定性和按期交付率30%效率提升15%安全生产与应急管理高温作业安全管理有害气体防控应急管理体系钢铁生产涉及大量以上高温作高炉煤气、转炉煤气含有高浓度一氧化钢铁企业建立完善的应急管理体系，包1500℃业，防止烫伤、爆炸等事故是安全管理碳，不慎泄漏可导致中毒事故钢括应急预案、应急队伍和应急演练大CO重点现代钢厂采用远程操作系统减少厂设置固定式浓度检测报警系统，关型钢企通常设有专职消防救援队，配备CO人员接触高温设备机会；配备先进的防键区域气体浓度实时监测；作业人员配专业救援设备；建立应急指挥中心，统护装备如隔热服、降温背心等；建立水备便携式气体检测仪；建立煤气设施定一调度应急资源；定期组织专项应急演冷设备泄漏监测系统，防止水与高温金期检修制度，确保管网、阀门等关键部练，如高炉冲渣事故、煤气泄漏中毒、属接触引发爆炸件完好起重吊装事故等专项演练，提高突发事件处置能力炼铁炼钢现场环保实践95%98%废气处理率废水循环率现代钢厂有组织排放废气处理率达95%以上钢铁生产用水循环利用率达到98%以上100%固废利用率高炉渣、钢渣等主要固废实现全部综合利用中国钢铁行业大力推进超低排放改造，实施全流程污染物控制废气治理方面，烧结烟气采用SCR脱硝、高效除尘和脱硫一体化处理；高炉煤气采用干法除尘，粉尘浓度控制在10mg/m³以下；转炉一次烟气采用干法除尘，二次烟气采用袋式除尘废水处理采用分质处理和梯级利用策略，将不同水质的废水分类处理后循环使用固体废物管理方面，通过提高烧结混合料中返矿比例，减少烧结灰渣产生；高炉渣通过水淬制成水泥原料，钢渣经处理后用于道路建设；除尘灰通过烧结返回炉料循环利用领先钢企如宝钢、首钢等单位固体废物产生量已降至150kg/吨钢以下，大幅低于行业平均水平课程复习与重点回顾炼铁工艺环节从原料准备、烧结球团到高炉冶炼的完整流程炼钢核心技术转炉、电炉工艺原理及操作要点的系统掌握连铸与后处理掌握连铸工艺参数与钢坯质量控制方法绿色智能发展理解低碳冶金与智能制造的前沿技术与发展趋势本课程重点内容包括高炉内部结构与反应区划分，掌握从上到下的温度分布与还原过程；焦炭在高炉中的三重作用及对生铁质量的影响；转炉炼钢的热平衡与物料平衡计算；各类炼钢工艺的比较与适用场景；连铸结晶器冷却与二次冷却的协调控制学习难点主要有高炉炉缸侵蚀机理与监测技术；转炉终点预报与命中率提升方法；超低碳钢与高合金钢的精确冶炼技术；钢铁冶金过程中的节能减排创新技术；智能化技术在传统钢铁流程中的应用与改造建议学生在掌握基础理论的同时，关注行业前沿发展动态，加强实践环节学习典型案例分析高炉生产效率提升转炉深脱磷技术智能化应对生产异常某钢铁企业高炉通过优化炉料结构和某特钢企业为满足高端产品低磷需求，开发了某大型钢厂连铸机频繁出现钢水凝固异常，导5000m³布料模式，提高了高炉利用系数具体措施包转炉深脱磷工艺该工艺采用分步冶炼法，先致产品质量不稳定工厂引入基于机器学习的括提高烧结矿强度和还原性，将烧结矿转鼓在低温高碱度条件下进行脱磷，形成高磷渣并智能控制系统，通过分析历史数据识别影响凝强度提升至以上；优化布料参数，实现排出；再进行常规冶炼通过优化脱磷温度、固的关键因素系统实时监测结晶器温度场和77%V型料面分布；采用富氧鼓风技术，氧气量提高渣量和搅拌强度，成功将钢中磷含量控制在二次冷却参数，根据钢种特性和铸造速度动态到实施后，高炉利用系数从以下，满足了汽车板、特种钢等高端调整冷却强度实施后，钢坯表面缺陷率降低25%

2.0t/m³·d

0.005%提高到，焦比降低了铁产品需求，产品附加值提高以上，断流事故减少，年经济效益提升

2.5t/m³·d40kg/t15%60%80%万元2000总结与展望钢铁工业发展机遇技术创新前景绿色冶金未来钢铁行业正迎来绿色化、智能化、高端化未来钢铁冶金技术创新将集中在氢冶金、绿色冶金是钢铁行业可持续发展的必由之转型的历史机遇碳达峰碳中和目标推动超低碳冶炼、近终形铸造和数字孪生等方路短期内通过提高废钢比例、优化能源冶金技术创新，智能制造为传统行业注入向氢冶金技术有望从实验室走向工业结构和应用技术，可实现碳排放的CCUS新活力，高端制造业对特种钢材需求增长化；人工智能与大数据将深度融入冶金过阶段性下降；中长期则需要颠覆性技术如提供市场空间经济结构调整带来的高质程控制；柔性生产技术将满足多品种小批氢基还原、电解炼铁等实现深度脱碳预量钢材需求，为钢铁产品升级提供了广阔量定制化需求；近终形铸造将显著减少轧计到年，钢铁行业有望实现碳中和，2060空间制工序，提高材料利用率成为循环经济和绿色制造的典范。