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材料工程基础材料工程基础1.理论课学时及学分:36学时，2学分2.教材名称：周美玲等主编．《材料工程基础》.高等教育出版社，2013年•3.课程考核说明及要求：专业选修课程，总成绩由两个部分构成，考试成绩（70%）和平时成绩（30%）。课程考试形式：?•4.作业、辅导和答疑课程简介：本课程是材料科学与工程专业的学生在已经掌握有关的材料基础知识的基础上，进一步拓展材料工程方面理论基础知识的一门专业课程。通过该课程的学习，学生掌握材料制备过程中的基本科学原理和技能，能够根据所确定材料的性能、结构与应用的要求，提出材料制备加工的方案和方法，并以此为引导，更深入地学习材料制备的专门知识。学习本课程的目的是为将来从事材料研究、材料加工等行业的工作打下坚实的必备的理论和实践研究的基础。材料的复合金属复合材料陶瓷复合材料生物复合材料材料改性与表面加工表面改性表面防护薄膜制备技术材料成型与加工金属粉末材料的制取与合成材料熔炼粉末材料制备第一章材料的熔炼原材料加热液态冷凝固态第一节钢铁冶炼军事上离不开钢铁F-18大黄蜂战斗机我军陆战王牌-99式主战坦克海军109驱逐舰中国九五式突击步枪神五神六我们的生活中也离不开钢铁广州丫髻沙大桥雷诺汽车生活用品磁悬浮列车两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的：第一次工业革命（18世纪）：钢铁工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础；第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。铁矿石样本黄铁矿—FeS2磁铁矿—Fe3O4褐铁矿—2Fe2O3.3H2O菱铁矿—FeCO3赤铁矿--Fe2O3铁在自然界的存在：氧化物、硫化物形式存在钢铁是怎样炼成的钢铁生产基本过程（高炉的还原过程）（氧化过程）铁矿石→炼铁→炼钢→铸锭(连铸)→轧制→钢材铸造生铁铸造新流程：直接氧化→电弧炉炼钢→连铸连轧铁矿石铁的氧化物：Fe2O3,Fe3O4,2Fe2O3•3H2O,FeCO3脉石：其他氧化物(SiO2、MnO2、Al2O3)等一、钢铁冶金的热力学•炼铁主要是还原过程，炼钢主要是氧化过程；•理论基础：氧化物生成自由能-温度的关系图(ΔGo-T图)•ΔGo-T图提供的信息：氧化物位置低的比位置高的稳定，位置低的元素能还原位置高的元素，并且两者相距越远越好，相距越远反应进行得越彻底；稳定性：CaOMgOAl2O3SiO2MnOFeOP2O5特殊线：2C+O2=2CO交点对应温度：C还原氧化物的最低温度，高于此温度，CO稳定，作为还原剂；反之，作为氧化剂。•还原剂的选择还必须适应大规模工业生产的需要和经济效益的要求。显然在高炉中不能用比铁昂贵的Al、Mg、Ca、Si、Mn来作为还原剂。它们作为还原剂是不经济的。•C、CO和H2是高炉炼铁适宜的还原剂。它们由原料带来，兼有热能和化学能的双重职能，焦炭还作为料柱骨架，满足高炉冶炼过程的需要。•只要温度足够高，CO几乎能还原所有的元素；•高炉生产中，FeO、P2O5最不稳定，全部被还原；MnO大部分被还原；SiO2小部分被还原；CaO，MgO，Al2O3几乎不被还原；二、高炉炼铁从矿石中制取铁的过程称为炼铁；炼铁的炉子叫高炉；炼铁原料：铁矿石、熔剂、燃料产出：生铁、煤气、炉渣1、高炉炼铁系统高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外，还包括有原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、煤气处理系统。通常，辅助系统的建设投资是高炉本体的4-5倍。生产中，各个系统互相配合、互相制约，形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高炉开炉之后，整个系统必须日以继夜地连续生产，除了计划检修和特殊事故暂时休风外，一般要到一代寿命终了时才停炉。•高炉本体是冶炼生铁的主体设备。由耐火材料砌筑成竖式圆筒形，外有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却设备保护；•高炉内部工作空间的形状称为高炉内型。高炉内型从下往上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五个部分，该容积总和为它的有效容积，反映高炉所具备的生产能力。高炉内衬：高炉内耐火材料砌筑的实体，其作用是形成高炉工作空间。高炉炉衬：陶瓷质材料（包括粘土质和高铝质等）、炭质材料（炭砖、炭捣石墨等）高炉冷却设备•炉衬冷却是将通有冷却介质的金属冷却器件插入砌体或置于砌体外缘表面，由冷却介质将进入炉衬的热量带走，从而使输入和输出炉衬的热流平衡，保持炉衬工作表面稳定。•由于高炉各部位热负荷不同，加上结构上的要求，高炉冷却设备有冷却壁、冷却水箱、外部喷水冷却、水冷炉底等多种形式和方法。2、高炉原料（1）铁矿石：含铁矿物+脉石=机械混合物天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种•赤铁矿又称红矿，其主要含铁矿物为Fe2O3，其中铁占70%，氧占30%，常温下无磁性。但Fe2O3有两种晶形，一为α-Fe2O3，一为γ-Fe2O3，在一定温度下，当α-Fe2O3转变为γ-Fe2O3时，便具有了磁性。•色泽为赤褐色到暗红色，由于其硫、磷含量低，还原性较磁铁矿好，是优良的炼铁原料。•赤铁矿的熔融温度为：1580~1640℃。•磁铁矿主要含铁矿物为Fe3O4，具有磁性。其化学组成可视为Fe2O3•FeO，其中FeO=30%，Fe2O3=69%；TFe=72.4%，O=27.6%；•磁铁矿颜色为灰色或黑色，由于其结晶结构致密，所以还原性比其它铁矿差；•磁铁矿的熔融温度为：1500~1580℃。•褐铁矿通常指含水氧化铁的总称。如3Fe2O3·4H2O称为水针铁矿；2Fe2O3·3H2O称褐铁矿。这类矿石一般含铁较低，但经过焙烧去除结晶水后，含铁量显著上升。颜色为浅褐色、深褐色或黑色，硫、磷、砷等有害杂质一般多。•菱铁矿又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体而得名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化学组成为FeCO3，亦可写成FeO·CO2，其中FeO=62.1%，CO2=37.9%。常混入Mg、Mn等的矿物。一般含铁较低，但若受热分解放出CO2后品位显著升高，而且组织变得更为疏松，很易还原。所以使用这种矿石一般要先经焙烧处理。铁矿石开采：露天开采：采用采掘设备在敞露的条件下，以山坡露天或凹陷露天的方式，一个阶段一个阶段地向下剥离岩石和采出有用矿物的一种采矿方法。地下开采：矿床埋藏地表以下很深，无法露天开采时采用。铁矿石质量评价铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必须严格要求。通常从以下几方面评价：矿石品位：品位即铁矿石的含铁量，它决定着矿石的开采价值和入炉前的处理工艺。入炉品位愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从而提高经济效益。•品位提高，意味着酸性脉石大幅度减少，冶炼时可少加石灰石造渣，因而渣量大大减少，既节省热量，又促进炉况顺行。•例如鞍山地区的酸性贫铁矿，含铁30%，SiO250%，富选后精矿品位达到60%，SiO2降低到14%；含铁量提高一倍，SiO2降低近3/4。生产1t生铁的渣量和熔剂用量减少到原来的1/8。•脉石成分：碱性脉石，如CaO、MgO；酸性脉石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其中SiO2高，需加入石灰石造成碱度CaO/SiO2为1.0左右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含CaO高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值。•如某铁矿成分（%）Fe45.30，CaO10.05，MgO3.34，SiO211.20自然碱度（CaO/SiO2）=0.9，（CaO+MgO）/SiO2=1.2，接近炉渣碱度的正常范围，属自熔性矿石。•有害杂质和有益元素的含量有害杂质通常指S、P、Pb、Zn、As等，它们的含量愈低愈好。Cu有时为害，有时为益，视具体情况而定。入炉铁矿石有害杂质的界限含量（%）•硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。•“热脆”就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成FeS，而FeS与Fe形成的共晶体熔点为988℃，低于钢材热加工的开始温度1150~1200℃。热加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂。•因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁中S≤0.07%，优质生铁S≤0.03%，就是要严格控制钢中硫含量。•磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。•磷能溶于α-Fe中（可达1.2%），固溶并富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶粒间的强度大大增高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称为冷脆。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆的危险性增加。•铁矿石中常共生有Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo；包头白云鄂博铁矿还含有Nb、Ta及稀土元素Ce、La等。这些元素有改善钢铁性能的作用，故称有益元素。•当它们在矿石中的含量（%）达到一定数值时，如Mn≥5、Cr≥0.06、Ni≥0.2，Co≥0.03，V≥0.1~0.15，Mo≥0.3，Cu≥0.3，则称为复合矿石，经济价值很大，应考虑综合利用。•矿石的粒度和强度•粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹出炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影响料柱透气性。因此，大块应破碎，粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。一般要求粒度在5~40mm范围。•铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，增加炉尘损失，使高炉料柱透气性变坏。•铁矿石的还原性•铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或H2还原的难易程度，是评价铁矿石质量的重要指标。还原性愈好，愈有利于降低焦比，提高产量。改善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶炼的重要措施之一。•影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔率等。•矿石化学成分的稳定性•铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱度和性质以及生铁质量的波动，造成炉况不顺，使焦比升高，产量下降。同时，炉况的频繁波动使高炉自动控制难以实现，因此，国内外都严格控制炉料成分的波动范围。稳定矿石成分的有效方法是对矿石进行混匀处理。•根据上述质量要求，一般的铁矿石很难完全满足要求，须在入炉前进行必要的准备处理。•对天然富矿（如含Fe50%以上），须经破碎、筛分，获得合适而均匀的粒度。对于褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁矿还应进行焙烧处理，以去除其结晶水和CO2，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。•对贫铁矿的处理要复杂得多。一般都必须经过破碎、筛分、细磨、精选，得到含铁60%以上的精矿粉，经混匀后进行造块，变成人造富矿，再进行适当破碎，筛分后入炉。（2）熔剂•熔剂的作用：降低脉石熔点、去硫•高炉冶炼条件下，脉石及灰分不能熔化，必须加入熔剂，使其与矿石脉石和灰分作用生成低熔点化合物，形成流动性好的炉渣，实现渣铁分离并自炉内顺畅排出。此外，一定碱度的炉渣，如CaO/SiO2=1.0~1.2，可去除生铁中有害杂质硫，提高生铁质量。熔剂的种类•由于矿石脉石和焦炭灰分多系酸性氧化物，所以高炉主要用碱性熔剂，如石灰石（CaCO3）、白云石（CaCO3·MgCO3）等。•石灰石资源丰富，使用最广。白云石同时含有CaO和MgO，既可代替部分石灰石，又使渣中含有一定数量的MgO，改善渣的流动性和稳定性，从而促进脱硫。在使用高Al2O3矿石，炉渣Al2O3高时其效果特别显著。（3）燃料焦炭是高炉冶炼的主要燃料，具有如下作用：(1)燃料。燃烧后发热，产生冶炼所需热量。(2)还原剂。焦炭中的固定碳和它燃烧后生成的CO都是铁矿石还原所需的还原剂。(3)料柱骨架。高炉内是充满着炉料和熔融渣、铁的一个料柱，焦炭约占料柱体积的1/3~1/2，对料柱透气性具有决定性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔剂已经熔化、造渣，变成液态渣和铁，只有焦炭仍保持固态，为渣、铁滴落和煤气上升以及炉缸内的渣、铁正常流通和排出，提供了必要条件，使冶炼过程得以顺利进行。焦炭的这一作用目前尚不能为其他燃料所代替。喷吹用燃料•向高炉内喷吹的辅助燃料可代替部分焦炭，大幅度降低焦比。目前喷吹的燃料已占高炉全部燃料用量的10~30%，有的达40%。•喷吹用燃料来源广泛，可分为固（如无烟煤粉）、液（重油、柴油等）、气体（如天