【精品课件】黑色金属冶金技术

黑色金属冶金技术钢铁知识讲座李鹏2006年7月主要内容一：钢铁基础知识二：钢铁的冶炼三：钢铁行业的产业政策一钢铁基础知识黑色金属包括铁、铬、锰三种。但后两种在实际生产中很少单独使用，故黑色金属就泛指钢、铁。本文主要讲述有关钢铁冶炼的基本知识。自从1980年阿尔温·托夫勒（《第三次浪潮》的作者，美国未来学家）到处鼓吹钢铁是夕阳工业以来，使人们产生了一种错觉，似乎发展信息产业必须压缩钢铁工业，钢铁生产技术没有必要，也不可能继续发展。而二十多年来的事实表明：钢铁生产需求接近饱和，世界产钢量没有显著增长，但是也没有萎缩；钢铁生产技术和冶金工程科学仍在不断更新，新技术层出不穷；钢铁材料品种继续增多，钢的性能和品质有大幅度提高。为什么非常古老的钢铁有这样强的生命力呢？这首先决定于钢铁的基体特性。铁是元素周期表上第26位元素，原子量为55.85，在大气压下于1534℃熔化，2740℃气化。固态铁的密度是7870Kg/m3。高纯度的铁是很柔软的，没有多少使用价值。但当纯铁中含有一定量的碳后，就变成我们在各方面使用的钢铁了。钢与生铁都是以铁为主，并含有少量碳，硅，锰，硫等元素的铁碳合金，根据碳和其它元素含量的不同而区分为钢和生铁，特别是碳含量的差别，引起铁碳合金在不同温度下所处的状态和结构的变化，因而使钢和生铁具有不同的性能和用途。钢铁中常见元素的含量见表1-1,分类见图1-1。表1-1钢和生铁中主要元素的含量（%）元素碳（C)硅(Si)锰(Mn)磷（P）硫（S）生铁20.2-2.00.2-2.50.50.7钢20.01-0.30.3-0.80.050.05生铁含碳量高，其性质硬而脆，不能锻造，它主要用于铸造电动机外壳，变速箱壳体，机床体与支架以及其它机械零件。在世界各国铁产量中，大部分是作为炼钢原料，而只有10%左右用于铸造各种部件和零件。图1-1钢铁的分类钢碳素钢合金钢结构钢工具钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢合金模具钢黑色金属白口铸铁灰口铸铁钢生铁球墨铸铁可锻铸铁铸造生铁炼钢铸铁合金铸铁铁合金第二章钢铁的冶炼2.1钢铁的冶炼历史2.2铁的生产工艺2.3钢的生产工艺2.1钢铁的冶炼历史钢铁冶炼技术大致可分为三个发展阶段。(1)13世纪末以前，古代人的冶炼方法十分简单，利用自然地形将铁矿石与木炭一起放入称为地窑炉的炉膛内，加热冶炼，因不能获得熔化矿石的高温，仅能制成半熔融状态的铁块，其中混杂有相当多的氧化铁渣，称为海绵铁。其含碳量极低，所以塑性较高，经锻打成型，制成器具，在此时期，冶炼工场在出产铁矿石和木材丰富的山区非常发达。(2)13世纪末至19世纪中叶，随着铁的需要以及鼓风技术的发展，炉子越来越高，逐渐形成现代高炉的雏形-木炭炉。由于炉容增大，采用鼓风技术，使单位时间内燃烧的燃料量增加了，炉内温度提高，能得到熔融状态的生铁，这种生铁冷却后很脆，不能锻造成器具。后来将生铁作原料和矿石、木炭一起在炉内再进行冶炼，得到性能比生铁好的粗钢（也叫熟铁）。从此钢铁冶炼就开始了一直沿用至今的二步冶炼法：第一步，从矿石中冶炼出生铁，第二步把生铁精炼成钢。(3)19世纪中期至今，以生铁为原料在高温下精炼成钢，一直是钢铁生产的主要方法。在此期间，高炉鼓风由热风代替冷风，并建产了蓄热式热风炉，鼓风动力采用电力。建立了作为生铁精炼炉的转炉、平炉、电炉的炼钢法。2.2铁的生产工艺铁的化学性质较为活泼,自然界中的铁都是以铁的化合物形式存在的。炼铁用的多数是铁的氧化物。含铁比较多的、并且具有冶炼价值的矿物称为铁矿石。炼铁就是从铁矿石中提取铁及有用元素形成生铁的过程。炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质CO、H2、C；适宜温度等）通过物化反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分是作为炼钢原料。下面分别介绍这三种冶炼方法的工艺。1概述高炉炼铁是一种古老的冶炼方法，高生产率、低消耗、低成本是它的最大优势,加上不断地吸收新技术，高炉炼铁法仍然不断地在发展。因而在可以预见的将来，高炉炼铁仍然是炼铁的主力军。经过了几个世纪的发展，现代高炉技术已经达到非常高的水平。现代巨型高炉的炉容积已有4000-5000m3,年产生铁达250万-300万吨。高炉的寿命很多都达到了10-15年。2.2.1高炉炼铁法2原料高炉炼铁使用的原料是块状的铁矿石、燃料、熔剂和鼓风形态的空气。（1）含铁原料铁矿石种类较多，在自然界中已发现的有300多种含铁矿物。目前世界上常用的铁矿石，主要有磁铁矿石，赤铁矿石，褐铁矿石和菱铁矿石等。各种矿石的组成及性能见表2-1。表2-1常用铁矿石的分类、组成及性能矿石名称矿物及化学式密度(t/m3)颜色含Fe量,%强度还原性磁铁矿石Fe3O45.2黑色或灰色40-70坚硬致密难还原赤铁矿石Fe2O34.9-5.3红色至浅灰色55-60软，易破碎易还原褐铁矿石mFe2O3.nH2O(m=1-3,n=1-4).2.5-5.0黄褐暗褐或绒黑色37-55疏松易还原菱铁矿石FeCO33.8灰色带黄褐色30-40易破碎焙烧后易还原(1)磁铁矿石主要矿物是磁铁矿，呈黑色金属光泽，磁性强（复合矿可通过磁选富集铁分），在自然界中纯磁铁矿矿石较少，常含有TiO2及V2O3组成复合矿石，即钒钛磁铁矿，由于受氧化作用，磁铁矿易被氧化成赤铁矿，有的仍保留着磁铁矿石的结晶形态，但无磁性，被称为假象赤铁矿或半假象赤铁矿。(2)赤铁矿石。颜色呈红色或红褐色，故又称为红矿。主要矿物为赤铁矿，无磁性，但组织疏松，易破碎，还原性优于磁铁矿。赤铁矿石广泛分布于自然界中，常形成巨大的矿床，就世界范围而言，其储量最多（占铁矿石总储量的48.3%），是炼铁的最主要铁矿石资源。(3)褐铁矿石常为含不同分子结晶水的赤铁矿，褐铁矿吸附着大量水分，加热时失去结晶水和游离水，使矿石气孔率增加，故还原性好，同时，由于去掉了水分，相应提高了矿石的品位。(4)菱铁矿石。它是含铁的碳酸盐。在自然界中，有工业开采价值的菱铁矿比其它三种矿石要少，含铁量不高，但受热分解放出CO2后，不仅含铁量显著提高，而且也变得疏松多孔，易还原。当铁矿石含铁量过低，就需要将它们粉碎(0.074－0.044mm)，然后富选成含铁高的精矿粉，一般精矿粉的含铁量在63%-68%之间。由于高炉炼铁需要气流通畅，所以只能加入块矿，精矿粉要通过烧结的办法制成烧结矿或通过球团的办法焙烧成球团矿。烧结矿和球团矿统称人造富矿。所谓烧结，就是将精矿粉、富矿粉（小于8mm）与配入的熔剂粉（小于3mm的石灰石粉和白云石粉）和燃料粉（焦粉或无烟煤粉）组成混合料，同时加入一定量的水，将混合料制成小球。然后将基本上都是小球的混合料铺在有箅子的烧结台车上，厚度在400-700mm。将混合料中的燃料颗粒点着燃烧，产生1250-1500℃的高温，与此同时，在箅子下面抽空气，使混合料的燃料从上往下燃烧，直到料层底部。在高温下，混合料中的一些熔化温度低的矿物转变成液体，这些液体将周围的矿粉溶入,形成新的矿物质，当温度降低时，液体冷凝析出晶体，并将周围颗粒较大而没有溶入液体的矿粒粘结在一起，形成大块的多孔蜂窝状的烧结矿。烧结矿生产的流程见图2-2。图2-2烧结生产流程所谓球团生产就是将极细的精矿粉与添加剂混合后，在旋转着的造球机（圆盘式和圆筒式两种）上加水制成8-15mm的圆球。这种圆球经过干燥、焙烧成为强度很高的球团矿。（2）燃料燃料是高炉冶炼不可缺少的基本原料之一，几乎所有高炉都使用焦炭作燃料。在高炉炼铁中，焦炭起三种作用：(1)提供冶炼所需的热量；(2)还原矿石所需的还原剂；(3)在高温区，焦炭是惟一的固体物，是支撑料柱的骨架和使气流畅通的透气通路。强度好的块状焦炭是高炉炼不可缺少的燃料。但因炼焦煤资源的匮乏，而且炼焦生产还给环境造成严重的污染。因些，向高炉喷吹补充燃料，特别是喷吹煤粉来替代部分焦炭，就是20世纪高炉炼铁技术进步最成功的一项。所谓喷吹煤粉，就是将不能炼焦的煤磨成细粉，与鼓风一起通过风口喷入炉缸的燃烧带，如同焦炭一样，煤粉在燃烧带内与鼓风中的氧反应形成煤气并放出热量，所以喷吹煤粉可以代替焦炭的还原剂和热源两个作用，但是不能代替焦炭的料柱骨架作用。目前世界各国的喷煤数量占单位生铁总燃料消耗的30-50%。（3）熔剂矿石中的脉石与焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它们的熔点均较高（SiO21713℃,Al2O32050℃），在高炉冶炼条件下很难熔化，为使其形成低熔点物质，需加入一定数量助熔剂（简称熔剂），以形成许多低熔点的化合物和共熔体，即所谓的炉渣，并能达到完全熔化，且具有良好的流动性，使渣铁容易分离。熔剂按其性质可分为碱性和酸性两种。高炉最常用的是碱性熔性，即石灰石和白云石等。当脉石中碱性氧化物含量较高时，则用酸性熔剂，常用的有硅石等。为充分利用钢铁工业废弃物，有些高炉用高碱度的转炉钢渣代替碱性熔剂。（4）鼓风鼓风是经风机压缩后具有很高压强的空气，在现代大高炉上鼓风压强可达0.4兆帕以上。为了强化高炉冶炼和向高炉喷吹补充燃料，常将制氧机生产的氧气加入鼓风中，使鼓风的含氧量达到22%-30%。风机出来的鼓风都要经热风加热到1000℃以上，然后送入高炉。3主要设备高炉是用焦炭、铁矿石和熔剂炼铁的一种竖式的反应炉（如图2-3）。高炉是一个竖立的圆筒形炉子，其内部工作空间的形状称为高炉内型，即通过高炉中心线的剖面轮廓。现代高炉内型一般由圆柱体和截头圆锥体组成，由下而上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五段。由于高炉炼铁是在高温下进行的，所以它的工作空间是用耐火材料围砌而成，外面再用钢板作炉壳。图2-3高炉的结构1-炉底耐火材料；2-炉壳；3-生产后炉内砖衬侵蚀线；4-炉喉钢砖；5-煤气导出管；6-炉体夸衬；7-带凸台镶砖冷却壁；8-镶砖冷却壁；9-炉底碳砖；10-炉底水冷管；11-光面冷却壁；12-耐热基墩；13-基座在高炉炉顶设有装料装置，通过它将冶炼用的炉料（由焦炭和矿石按一定比例组成）按批装入炉内。在高炉下部炉缸的上沿，沿圆周均匀地布置了若干个风口（100m3小高炉有8-10个，4000m3以上的大高炉则有36-42个）。加热到1000℃以上的热风，经铜质水冷风口送入炉内，供焦炭燃烧形成高温煤气。在炉缸的底部设有铁口，可周期性或连续性地排放出液态生铁和炉渣。在风口和铁口之间还设有渣口以排放部分炉渣，减轻铁口负担。现代高炉采用优质耐火材料，例如炉底、炉缸部位用微碳孔碳砖，炉身下部和炉腰部位用铝碳砖或碳化硅砖，其它部位用优质高铝砖和高致密度的粘土砖等作炉衬。炉壳用含锰的高强度低合金钢制作，安装有性能好的含铬耐热铸铁、球墨铸铁或铜质立式冷却器，或铜质的卧式冷却器。4工艺流程：高炉冶炼过程是一个连续的生产过程，全过程是在炉料自上而下，煤气自下而上的相互接触过程中完成的。如图2-4所示。炉料从受料斗进入炉腔。在高炉底部的炉缸和炉腹中装满焦炭。炉腰和炉身中则是铁矿石、焦炭和石灰石，层层相间，一直装到炉喉。从风口鼓入的热风温度高达1000-1300℃，炉料中焦炭在风口前燃烧，迅速产生大量的热，使风口附近炉腔中心温度高达1800℃以上。由于底部焦炭很厚，燃烧不完全，因此，炉气中存在大量CO气体，在炉内造成了良好的还原性气氛，产生的CO气体在炉体中上升。同时，由于下部的焦炭燃烧产生空隙，上面的焦炭、矿石和熔剂在炉体内缓慢下降，速度大约为0.5-1mm/s。炽热的CO气体在炉内上升过程中加热缓慢下降的炉料，并把铁矿石中铁氧化物还原为金属铁，铁矿石在570-1200℃之间受到CO气体和红热焦炭的还原，形成了海绵铁。海绵铁在1000-1100℃的高温下溶入大量的碳，因而铁的熔点下降，形成了生铁。生铁的熔点约为1200℃，以液体状态滴入炉缸。矿石中未被还原的物质形成熔渣，实现渣铁分离。最后调整铁液的成分和温度达到终点，定期从炉内排入炉渣和生铁。上升的高炉煤气流，由于将能量传给炉料而温