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钢铁冶金导论主讲：郭宇峰1概论金属的分类铁金属和非铁金属：前者系指铁及其合金；后者则指除了铁及其合金以外的金属元素。黑色金属和有色金属：有色金属则是指除铁、铬、锰3种金属以外的所有金属。冶金的起源与发展金、银、铜及陨石铁铜及其合金铁具有工业意义的元素有75种远古时代青铜器时代铁器时代20世纪初及中叶冶金学的概念研究如何经济地从矿石或其它原料中提取金属或金属化合物，并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科概念按内容可分为提取冶金学和物理冶金学两门学科提取冶金学：研究如何从矿石中提取金属或金属化合物的生产过程，由于该过程伴随有化学反应，又称化学冶金。物理冶金学：通过成型加工制备有一定性能的金属或合金材料，研究其组成，结构的内在联系以及各种条件下的变化规律，为有效地使用和发展特定性能地金属材料服务。包括金属学，粉末冶金，金属铸造，金属压力加工等。冶金学的分类按提取金属方法分类火法冶金：在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中地金属和杂质分开，获得较纯的金属的过程。过程可分为原料准备，焙烧、熔炼、精炼、蒸馏和离析等。所需能源，主要靠燃料燃烧，也有靠化学反应热的。进行的化学反应则有热分解、还原、氧化、硫化、卤化、蒸馏等。火法冶金一般具有生产率高，流程短，设备简单及投资省等优点，但却不利于处理成分结构复杂矿或贫矿冶金学的分类湿法冶金：一般在常温或低于100℃下，用溶剂处理矿石或精矿，使所需提取的金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解。然后再从溶液中提取金属，包括浸出，分离，富集和提取等工序。由于绝大部分溶剂为水溶液。故也称水法冶金湿法冶金一般具有能耗低，过程易控制，能处理各类矿石。但生产规模及生产率不如火法冶金冶金学的分类电冶金：利用电能提取和精炼金属的方法电热冶金：利用电能转变成热能，在高温下提炼金属，本质与火法同。电化学冶金：用电化学反应使金属从含金属盐类的水溶液或熔体中析出。前者称为溶液电解，如铜的电解精炼，可归入湿法冶金，后者称为熔盐电解，如电解铝，可列入火法冶金。冶金学的分类炼铁：从矿石或精矿中提取粗金属，主要是用焦炭作燃料及还原剂，在高炉内的还原条件下，矿石被还原得到粗金属-生铁，其中溶解来自还原剂中的碳(4％一5％)及矿石、脉石中的杂质，如硅、锰、硫、磷等元素。钢铁冶金过程炼钢：将生铁中过多的元素(C、Si、Mn)及杂质(S、P)通过氧化作用及熔渣参与的化学反应去除，达到无害于钢种性能的限度，同时还要除去由氧化作用引入钢液中的氧(脱氧)，并调整钢液的成分，最后把成分合格的钢液浇铸成钢锭或钢坯，便于轧制成材。二次精炼：为了提高一般炼钢方法的生产率及钢液的质量(进一步降低杂质和气体的含量)，而将炼钢过程的某些精炼工序转移到炉外盛钢桶或特殊反应炉中继续完成或深度完成。钢铁冶金过程冶金过程热力学：利用化学热力学的原理研究冶金反应过程的可能性（方向）及反应达到平衡的条件，以及在该条件下反应物能达到的最大产出率，确定控制反应过程的参数（温度、压力、浓度及添加剂的选择）冶金过程动力学：利用化学动力学的原理及物质、热能、动量传输的原理来研究冶金反应过程的速率和机理，确定反应过程速率的限制环节，从而得出控制反应的速率的途径冶金熔体：是火法冶金反应中参加的具体物质，包括金属互溶的金属熔体、氧化物互溶的熔渣及硫化物互溶的熔锍。它研究熔体的相平衡、结构及其物理和化学性质，而熔体的组分是反应的直接参加者，熔体的结构及性质则直接控制着反应的进行钢铁冶金过程的理论基础远古到13世纪末：利用自然地形将铁矿石与木炭一起放入用砖砌筑的地炉内，加热冶炼，将矿石还原，生成海绵铁13世纪末到19世纪中叶：把铁矿石装入高炉中冶炼成液态生铁。再将生铁冶炼成粗钢，形成了沿用至今的工业冶炼法19世纪中期至20世纪：以生铁，海绵铁或废钢为原料，在平炉、转炉、电炉中冶炼成钢或合金钢的时代钢铁冶金的发展简史现代炼铁法高炉法非高炉法传统的以焦炭为能源，与转炉炼钢相配合，组成高炉－转炉－轧机流程，被称为长流程，是目前的主要流程。优点：生产规模大，效率高，成本低。缺点：能耗高，污染大。泛指高炉以外，不以焦炭为能源，通常分为直接还原和熔融还原，一般与电炉配合，组成直接还原或熔融还原－电炉－轧机流程，被称为短流程，是目前的辅助流程。优点：能耗低，污染小。缺点：生产规模小，效率低，成本高。现代炼铁方法铁矿石熔剂还原剂燃料或电热高炉直接还原炉铁水铸铁机混铁炉转炉废钢炼钢生铁块平炉电炉海绵铁商品铸铁钢水铸锭或连铸轧、锻钢材废钢炼铁过程炼钢过程压加过程现代钢铁生产流程矿石－生铁－钢：即高炉－转炉，平炉淘汰矿石－海绵铁－钢：直接还原－电炉流程炼铁高炉—铁水需要焦炭炼焦：焦煤在隔绝空气的条件下，热解、碳化、胶结成具有一定强度和粒度的焦炭。炼焦工艺：洗煤配煤焦炉熄焦炼焦原料：焦煤炼焦设备：炼焦炉、推焦机炼焦产品：焦炭、沥青、煤焦油及其分馏产品现代炼铁方法炼铁对含铁原料有要求：粒度5~50mm，化学成分要稳定，机械强度要高，冶金性能要好天然块矿：粒度5~50mm，化学成分要稳定0－10mm粉矿：烧结细磨精选矿：球团铁水C、Si、S、P等元素含量高现代炼铁方法炼铁直接还原—海绵铁不需要焦炭海绵铁C、Si、S、P等元素含量低可采用粉矿现代炼铁方法炼铁融熔还原—铁水不需要焦炭可采用粉矿海绵铁C、Si、S、P等元素含量高现代炼铁方法炼钢转炉：铁水为原料，用纯氧氧化过还原进入铁水中的C、SiMn、P等元素的放热反应作为热源，多余的热量用矿石或废钢冷却。转炉是目前的主要炼钢手段，其冶炼周期短(20-60分钟一炉钢)，可大型化(500吨)1一炉壳；2一挡渣板；3一托圈，4一轴承及轴承座；5一支撑系统；6一耳轴；7一制动装置；8一减速机，9一电机及制动器现代炼铁方法炼钢电炉：废钢为原料，电能作为热源。海绵铁可以取代废钢，某些方面优如废钢。冶炼周期稍长(2-4小时)，电能较贵。也可大型化，特别是可以冶炼各种特殊钢，在低电价地区是一种有前途的产品方向灵活的方法1一倾炉用液压缸；2一倾炉摇架；3一炉门；4一熔池；5一炉盖；6一电极；7一电极夹持器(连接电极升降装置)；8一炉体，9一电弧；10一出钢槽现代炼铁方法炼钢炉外精炼：在传统的炼钢(初炼炉)转炉和电弧炉生产基础上，对钢液进行大规模再加工的过程。在炼钢炉外，对钢液进一步净化，调整成分和温度，承担炼钢炉的部分冶炼职能和部分炼钢炉不能承担的职能现代炼铁方法炼钢浇铸：把在炼钢炉中熔炼和炉外精炼所得到的合格钢水，经过盛钢桶及中间钢包等浇注设备，注入到一定形状和尺寸的钢锭模或结晶器中，使之凝固成为钢锭或钢坯模铸：将盛在盛钢桶内的钢水注入具有一定形状和尺寸的钢锭模中铸成钢锭的方法1一中心注管2一底板3一钢锭模现代炼铁方法炼钢连铸：将盛在盛钢桶内的钢水注入具有一定形状和尺寸的钢锭模中铸成钢锭的方法1一钢包；2一中间包；3一结晶器；4一二次冷却和铸坯导向装置；5一拉坯矫直装置；6一切割装置；7一出坯装置现代炼铁方法钢铁生产流程氧化-还原过程的比较A一铁矿石；B一高炉出炉铁水；C一装入炼钢炉的铁水；D一海绵铁；E一出炉钢水；F一成品钢；A→B一高炉过程；C→E一氧气转炉炼钢过程；A→D一直接还原铁；D→E一电炉炼钢；A→G→B一二步法熔融还原；A→G一预还原；G→B一终还原；A→H→B一一步法熔融还原世界钢铁冶金流程预测传统钢铁联合企业主要生产环节：原料处理，炼铁，炼钢，轧钢，能源供应，交通运输等将铁矿石在高炉内冶炼成生铁，用铁水炼成钢，再将钢水铸成钢锭或连铸坯，经轧制等塑性变形方法加工成各种用途的钢材钢铁工业的发展方向炼铁提高冶金焦质量合理选择炼焦煤基地和配煤方案煤料捣固、型煤压块、煤调湿和选择粉碎焦炉大型化、增加焦炉炭化室宽度和降低结焦速度采用干法熄焦，低水分熄焦和焦炭整粒高炉法加强含铁原料预处理环节，大力发展精料技术提高熟料比提高铁品位，降低SiO2含量合理的炉料结构：高碱度烧结矿＋酸性球团矿改善高炉工艺采用高风温，高压操作。高富氧鼓风，脱湿鼓风，喷吹燃料和炉外铁水预处理等技术，以提高产量，降低焦比钢铁工业的发展方向设备上的改进高炉容积不断扩大，出现了5000m3高炉采用皮带运输上料采用无料钟炉顶炉前机械化，如机械化换风口，设置活动主沟等在炉前设置除尘、排烟设备采用外燃式热风炉电子计算机的应用钢铁工业的发展方向非高炉法直接还原法大型化生产技术、煤的气化技术等工业化生产技术降低能耗和生产成本熔融还原法钢铁工业的发展方向炼钢氧气转炉成为主要炼钢方法。电炉钢将获得稳步发展，特别是以海绵铁为主要原料的电炉冶炼、近终形连注、连轧的炼钢短流程的发展引人注目。炼钢用原料的精选和预处理得到广泛重视大力推广各种炉外精炼法。连续铸锭获得迅速发展。转炉操作采用静态及动态计算机控制电炉用氧和采用高功率、超高功率，使电弧炉炼钢进入了一个新的发展阶段；近来许多国家对将氧气顶吹转炉、电孤炉和炉外精炼设备结合起来的冶炼工艺十分重视，认为是炼钢生产在扩大品种、提高钢材质量方面的最重要途径；钢铁工业的发展方向钢铁工业发展的关键采用新流程、新技术、新装备代替传统的全流程生产方式。（短流程）节约资源、能源，降低制造成本、投资成本及劳动成本。满足国民经济各部门对钢材使用性能及质量上不断提高的要求，例如汽车用深冲钢板要求：钢中[C]十[P]十LS]十[O]十[N]十[H]总和不大于0.01%。保护环境，根治污染，保持生态平衡钢铁工业的前沿技术开发用烟煤或天然气作还原剂，不用高炉，将铁矿石还原成海绵铁的直接还原和熔融还原炼铁法。超高功率电炉问世，直流电弧炉迅速发展。多种炉外精炼法投入生产连铸技术的发展和扩大应用等离子作为热源具有温度高(5000一30000℃)、能量高度集中、工作气体离子化状态、离子流速度快(100一500m／s)等特点，用于冶金有潜在优势，近年成功用于连铸中间包加热。真空冶金、微波冶金技术电渣冶金在特种冶金中无论产量及品种均居首位近终成形是金属毛坯制备的新技术，其特点是：人工智能控制即以神经网络的人工智能为基础进行控制。2炼焦传统焦炭生产工艺洗煤配煤干馏熄焦生产工艺原料气煤：Vdaf＞28%-37%，GR.I＞50-65和Vdaf＞37%，GR.I＞35，变质程度低的炼焦煤，加热时能产生大量胶质体，抗碎强度、耐磨强度差，但产气率和化学产品收率高肥煤：Vdaf＞10%-37%，GR.I＞85，强粘结性煤，加热时能产生大量胶质体，耐磨强度好焦煤：Vdaf＞20%-28%，GR.I＞50-65和Vdaf＞10%-28%，GR.I＞65，中等及低挥发份的中等及强粘结性煤，加热时能产生热稳定很高的胶质体，抗碎强度、耐磨强度好，但推焦困难瘦煤：Vdaf＞10%-20%，GR.I＞20-65，低挥发份的中等及强粘结性煤，加热时能产生胶质体，抗碎强度较好，耐磨强度稍差传统焦炭生产工艺洗煤目的：降低原煤中的灰份和硫，类似于选矿方法：重选、油团聚法等配煤控制配合煤的灰分、硫和胶质层厚度，胶质层厚度16－20mm，精煤粒度配合要适当，含水量应尽可能低传统焦炭生产工艺干馏设备：焦炉控制合理的加热制度干燥、预热：50－200℃热分解：200－300℃软化：300－500℃半焦：500－900℃成焦：900－1000℃传统焦炭生产工艺熄焦湿法熄焦：在熄焦塔内用水直接喷洒在赤热的焦炭上达到熄焦降温之目的。工艺因设备简单、投资及运行费用低廉干法熄焦：利用冷的惰性气体在熄炉中与炽热红焦进行热交换来冷却红焦。能回收红焦显热、减少环境污染、提高焦炭质量，但投资高、能耗高传统焦炭生产工艺存在的问题及改进措施资源紧缺：提高弱黏结性煤比率，煤预热提高其黏结性，采用细颗粒煤粉的型煤技术提高其堆密度。生产效率较低：高温预热、炭化室壁的高热传导率、薄壁化以及均匀加热热效率较差：对入炉煤进行高温预热，提高了干馏开