材料成型概论第二讲1钢铁生产

材料成型概论‰第一讲材料成型概述‰第二讲炼钢炼铁生产‰第三讲材料塑性成型的基础‰第四讲钢坯型钢生产‰第五讲线棒材生产‰第六讲板带钢生产‰第七讲钢管生产‰第八讲挤压拉拔生产‰第九讲锻压冲压生产‰第十讲材料成型的发展及应用第二讲炼钢炼铁生产2.1高炉炼铁生产2.1.1高炉炼铁原料2.1.2高炉炼铁工艺流程2.1.3高炉炼铁原理2.1.4高炉炼铁主、副产品2.2炼钢生产2.2.1炼钢生产原料2.2.2炼钢基本原理2.2.3炼钢主要工艺2.2.4钢的浇铸2.3钢的分类及编号现代钢铁工业是个庞大的工业部门，包括采矿、选矿、烧结、焦化、耐火材料、炼铁、炼钢、轧钢等一系列生产部门与相关辅助服务部门。其中最主要的部门为炼铁炼铁、炼钢炼钢与轧钢轧钢。钢铁生产过程总揽冶炼还原脱碳脱硫氧化浇注连铸成型轧制变形过程矿石铁水钢水钢坯机加工钢材钢铁生产过程总揽钢铁生产过程总揽锻件管材型材线材板带材现代化大型高炉转炉炼钢轧钢系统2.1高炉炼铁生产„炼铁是从铁矿石到生铁的生产过程。„高炉炼铁的任务就是在高温下，把矿石中的铁还原出来，吸收其他元素形成生铁。2.1.1高炉炼铁原料高炉炼铁的主要原料：铁矿石、燃料和熔剂0200400600800100012001400160018001吨生铁铁矿石焦碳熔剂一般冶炼1t生铁需要：1.5~2t铁矿石，0.4~0.6t焦碳，0.2~0.4t熔剂。具体依原料的成分而定。2.1.1高炉炼铁原料2.1.1高炉炼铁原料：铁矿石„是以氧化物、碳酸盐、硫化物、硅酸盐等化合物形态存在的。根据矿石化学成分的不同，有：磁铁矿（Fe3O4）赤铁矿（Fe2O3）褐铁矿（mFe2O3.H2O）菱铁矿（FeCO3）„采矿„选矿„造块将含铁矿物与脉石分离，提高矿石品位1.将选矿后的精矿粉或富铁矿粉烧成块状，以满足高炉生产需要；2.在造块中可以加入一定量熔剂，这样在高炉冶炼中就可以不加或少加熔剂，减少焦炭消耗；3.废物利用：可以在造块过程中加入含铁废料（如转炉炉尘，轧钢皮等）。高炉炼铁矿石制备流程„焦碳„煤粉„重油或„天然气♦发热剂♦还原剂♦料柱骨架作用♦补充燃料现代高炉大多使用焦碳作燃料。由于喷吹燃料的使用，使高炉用燃料的种类和加入高炉的方式都发生了变化。用做喷吹燃料的主要有重油、无烟煤和天然气等。2.1.1高炉炼铁原料：燃料作用„使脉石熔点降低，与铁水分离，使铁水能顺利从炉缸中流出；„去除生铁中的有害杂质S，保证生铁质量。常用熔剂：„石灰石（含CaO）„白云石（含MgO）2.1.1高炉炼铁原料：熔剂2.1.2高炉炼铁工艺流程高炉炼铁是一种连续性的生产过程，需要很多辅助系统石灰石、白云石、萤石生铁副产品炉尘炉渣煤气富矿粉矿化工厂焦碳副产品煤矿铁矿山采石场选矿贫矿烧结、球团厂精矿粉炼焦厂高炉烧结矿、球团矿铸造生铁炼钢生铁2.1.2高炉炼铁工艺流程高炉炼铁系统组成：五大系统2009年，沙钢建成目前世界上有效容积最大、吨铁占地面积最小的炼铁系统工程，设计年产量450万吨/年，燃料比490kg/t。沙钢5800m³高炉工程武钢4100m³高炉工程2009年，武钢建成设计年产量337万吨/年高炉。矿石、焦炭、熔剂煤气煤气热风炉热风1000－1200℃铁水、炉渣生产时从炉顶分批装入各种炉料，从高炉下部风口不断鼓入热风，在连续熔炼过程中得到液态渣铁，定期从炉缸渣铁口排出炉外，与炉料进行一系列作用的煤气从炉顶溢出。高炉炼铁过程1400－1500℃1800－2000℃900－1100℃200－400℃700－800℃高炉各部位温度分布高炉炼铁生产工艺风机焦炭石灰石白云石铁矿石球团矿烧结矿炉尘尘泥污水脱水器除尘器洗涤塔文氏管净煤气热风炉高炉铁灌渣罐1）炉喉：与料钟一起控制炉料和煤气流的分布。2）炉身：高炉中容积最大部分，形状适宜炉料受热膨胀和保证料柱疏松，是煤气与炉料均匀接触。3）炉腰：呈圆柱形，使炉身和炉腹合理过渡。有利于减少煤气流的阻力。4）炉腹：适应矿石、溶剂由固态变液态时体积收缩的特点。5）炉缸：其作用为储存铁水和炉渣。高炉炉型βα高炉炼铁的实质就是在高温下，把矿石中的铁还原出来，形成生铁。脉石、焦炭、灰分、熔剂等相互作用而生产炉渣，最后以液态炉渣和铁水形式排出高炉。高炉内的主要反应都发生于下降的炉料和上升煤气的相互作用之中。2.1.3高炉炼铁原理炉料下降：炉料分层加入炉内，开始受热，膨胀、矿石软熔、矿石还原成液态滴落，焦炭燃烧。煤气上升：回旋区燃烧，生成初始煤气，从风口向上和中心扩散；穿过滴落带，在软熔带的焦炭夹层之间做横向运；曲折向上通过块状带。炉料和煤气流运动情况1）高炉冶炼是在炉料与煤气流的逆向运动过程中完成各种复杂的化学反应和物理变化，反应气氛是还原性气氛；2）高炉是一个密闭容器，除了装料、出铁、出渣以及煤气以外，操作人员都无法直接观察到反应过程的状况，只能凭借仪器间接观察；3）高炉生产过程是连续的，大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。高炉冶炼特点„燃料燃烧反应„铁矿石还原反应（铁氧化物）„非铁元素还原（Si，Mn，等）„造渣过程„生铁生成高炉炼铁过程中的反应„铁氧化物的还原条件：反应通式：MeO＋B＝Me＋BOB：还原剂；Me：某种金属要使反应能够进行，则：还原剂B与O的化学亲和力Me与O的化学亲和力，在高炉冶炼过程中，满足条件的还原剂是CO和C，还有少量的H2也参与还原。高炉炼铁过程中的反应：还原反应„铁氧化物的还原条件：还原顺序：从高价铁氧化物逐级还原成低价氧化物，最后获得金属。高炉炼铁过程中的反应：还原反应Fe2O3Fe3O4FeOFe570℃Fe2O3FeOFe570℃主要产品——生铁铁与C、Si、Mn、P、S组成的合金，主要由高炉生产。1.炼钢生铁[Si]≤1.25%2.铸造生铁1.25%≤[Si]≤4.25%2.1.4高炉生产主、副产品3)炉渣：根据入炉原料成分的不同，每冶炼一吨生铁生成的炉渣约300～600公斤。高炉渣经过适当处理，可以制成渣砖或作为水泥原料。4）高炉煤气除尘后的高炉煤气可以作燃料，高炉煤气的余压可以发电。2.1.4高炉生产主、副产品5)炉尘炉尘是煤气上升时带出的细颗粒的固体炉料，其中含铁30%～50%，含碳5%～15%。炉尘在重力除尘器下被回收，可供烧结厂作为烧结原料，每吨生铁吹出的炉尘50～100公斤。2.1.4高炉生产主、副产品2.2炼钢生产„铁与钢的区别：共同点：都是铁（Fe）与碳（C）等元素形成的铁碳合金不同点：碳含量的差异。铁碳含量：C2.11%性能：硬而脆，不能塑性加工和锻造；用途：一般作为炼钢原料，少数作为铸造铁使用。钢碳含量：C2.11%性能：具有良好的综合机械性能，易加工，能铸、轧、锻、焊。用途：使用广泛。2.2炼钢生产„炼钢：是将铁水进行氧化精炼的过程。„炼钢的任务：通过冶炼降低生铁中的碳含量，去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适当合金元素，使之成为高强度，加工性能好，或具备一定特殊性能的钢材料。„脱碳（C）并将其含量调整到一定范围；最主要„去除杂质：脱S，脱P，脱O；P可引起钢的冷脆，而S则引起钢的热脆„去除气体和非金属杂质；„调整钢液成分和温度；„将钢液浇注成钢锭或钢坯。四脱：C，S，P，O二去：气体，非金属夹杂升温，合金化铸造或连铸成型总结炼钢的主要任务金属料铁水（生铁块）废钢铁合金（如锰铁、硅铁等）辅助材料造渣材料（石灰、萤石、白云石、合成造渣材料）氧化剂（氧气、铁矿石、氧化铁皮）冷却剂（废钢、富铁矿、烧结矿、氧化铁皮）还原剂、增碳剂（石墨电极、木炭、焦炭、硅铁、铝等）2.2.1炼钢主要原料是氧气顶吹转炉炼钢的基本原料，占金属的70～100%。对电炉来说，生铁块作配碳用。铁水的成分和温度是炼好钢的重要条件。成分Si—重要发热元素之一，[si]↑0.1%,废钢↑1.3～1.5%,[Si]过高→渣量大、喷溅，炉龄↓Mn—有利元素，[Mn]↑,促进化渣、↑炉衬寿命，利于去硫P—强发热元素，有害元素S—有害元素铁水温度大于1200～1300℃，保持稳定，利于迅速成渣废钢铁合金废钢：是电弧炉炼钢的基本原料（70～90%），对氧气转炉来说既是金属料又是冷却剂入炉废钢严防混入有害杂质和危险品，对外形尺寸和单重过大的废钢应进行解体切割，轻薄料要打包压块。铁合金：各种脱氧和合金化元素与铁的合金，如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr等„石灰（CaO）碱性炼钢法的基本造渣材料，有强的脱磷、脱硫能力，不危害炉衬。块度小而均匀、无细粉；生烧、过烧率低、不能解潮、保持干燥新鲜。„萤石（CaF2）炼钢中普遍应用的熔剂。溶点低（1418℃），加速石灰的熔解、改善炉渣的流动性，用量过大增加喷溅。„白云石（含MgO）氧气转炉普遍采用。增加渣中MgO含量，减少炉衬中MgO向炉渣中转移，促进前期化渣。造渣材料„氧化剂1）氧气各种炼钢方法中氧的重要来源，氧的纯度大于98%，干燥，压力大于（6～12）×105Pa2）铁矿石、氧化铁皮„冷却剂废钢富铁矿、团矿、烧结矿、氧化铁皮石灰石„还原剂、增碳剂石墨电极、木炭、焦炭、硅铁、铝等辅助材料„炼钢：是将铁水进行氧化精炼的过程。„炼钢过程基本反应：1.钢的脱碳、脱氧反应；2.硅、锰的氧化与还原；3.脱磷、脱硫反应；4.钢中的气体和非金属夹杂物去除。2.2.2炼钢基本原理1.脱碳碳含量对钢铁的性能影响很大。[C]+[O]=CO+Q脱碳反应的产物—CO气体排出，产生“沸腾”现象，加速传质、传热过程，均匀熔池成分与温度，利于冶金物化反应；也利于熔池中有害气体和非金属夹杂物的排出。脱碳反应的作用：脱除C；CO的排出，搅动金属液和炉渣；重要的热源。炼钢过程基本反应：四脱2.脱磷反应对绝大多数钢种，P是有害元素，P↑—塑性、韧性↓（脆性现象），低温下更为严重—“冷脆性”。各种钢对含磷量有严格要求：＜0.03%≤0.035%≤0.045%含P量高质量钢优质碳素钢普碳钢在碱性炼钢法中，P的氧化是在炉渣和金属液界面处进行，脱磷的主要因素是炉渣的成分和温度，高碱度、高氧化铁炉渣有利于去磷。冶炼或出钢过程中，如果炉温过高、碱度过低将发生“回磷”现象。2.脱磷反应放热能稳定存在于渣中2[P]+5(FeO)＋4(CaO)=4(CaO.P2O5)+5[Fe]钢液回P现象：在冶炼或出钢过程中，如果炉内热力学条件或动力学条件发生变化，而导致炉温太高，R，FeO过低，会导致已脱除到渣中的P重新返回到钢液中，这个过程成为回P。„[FeS]+(CaO)=(FeO)+(CaS)-Q3.脱硫反应吸热脱硫的实质是将溶解于金属液中的硫转变为不溶解于金属液中的物质,使其进入炉渣或经炉渣成气相逸出。4.钢的脱氧—炼钢过程的最后一步氧对钢质量的影响：容易在钢中形成气泡、缩孔和疏松。脱氧的任务：„把溶解的O降低到最低要求；„把脱氧产物从钢液中排出（去除氧化物夹杂）。利用对氧的亲和力比Fe大的元素如Mn、Si、Al等把FeO中的氧夺走，生成难溶于钢液的反应物如MnO、SiO2、A12O3等的工艺操作过程，称为脱氧。„非金属夹杂定义：钢液中的非金属化合物，如氧化物，S化物，N化物等都是独立存在的相，这些成为非金属夹杂，简称夹杂；„化学成分：„氧化物：SiO2，MnO，Al2O3等„硫化物：FeS，MnS，CaS„氮化物：TiN，VN，AlN„硅酸盐：CaSiO4炼钢过程基本反应：二去1.去除非金属夹杂炼钢过程基本反应：二去杂质元素对钢质量的影响：性质与钢不同，破坏了金属基体的连续性，降低钢的韧性，塑性，降低疲劳强度，降低冷、热加工性能。减少钢中非金属夹杂物的主要途径：„采用合理的冶炼工艺制度及脱氧制度控制冶炼终点碳，正确选择脱氧剂，采取有效措施使脱氧产物易于迅速地从钢液中去除。„采取有效措施避免脱氧后钢液的二次氧化。炼钢过程基本反应：二去2.去除气体„钢中的气体：[H]、[N]„[H]的来源„炼钢原材料，含有水分和油脂„与钢液接触的炉衬，含有水分和焦油„铁水和废钢本身溶解有[H]„钢液与空气接触，空气中含有水分„吹气搅拌的气体中含有水分等含氢化合物炼钢过程基本反应：二去„[N]的来源„吹氧，氧气不纯，含有N