冶金概论

1冶金概论主讲：冶金工程系吴国玺陈韧孙丽娜朱万军2课程的主要目的介绍钢铁冶炼及加工过程的基本原理、工艺特点及基本工艺流程，使非冶金专业学生对钢铁联合企业的生产过程有一个全面而概括的了解，并初步掌握冶金的基本知识。3课程的主要内容•第一部分:绪论•第二部分:铁冶金•第三部分:铁合金冶炼•第四部分:钢冶金•第五部分:炉外精炼与连铸•第六部分:钢铁材料压力加工4第一部分:绪论•1.1冶金的基本概念•1.2冶金的相关学科•1.3冶金工业发展史•1.4现代冶金过程•1.5钢铁产品及副产品•1.6钢铁资源与能耗•1.7冶金中的耐火材料•1.8钢铁工业发展现状•1.9环保、循环经济与钢铁可持续发展51.1冶金的基本概念1)冶金的概念：冶金是研究如何经济地从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物，并采用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。6•2）冶金分类•提取冶金：•物理冶金：研究提取金属，存在化学反应研究金属材料成型过程71.2冶金学的支撑学科冶金学(理论基础)物理学流体力学化学物理化学(提供技术材料及研究课题)电子技术计算机技术81.3冶金工业发展历史人类社会发展史：原始社会→奴隶社会→封建社会→资本主义社会人类使用材料的历史：石器→青铜器→铁器→工业化(钢铁)→信息社会(多种新材料)9中国冶金的辉煌历史101.4现代冶金过程—冶炼过程11现代冶金过程—轧钢过程121.5钢铁产品及副产品1)钢铁冶炼产品（1）生铁：铁与C、Si、Mn、P、S组成的合金，主要由高炉生产炼钢生铁[Si]≤1.25%铸造生铁1.25%≤[Si]≤4.25%13（2）钢：含[C]≤2%，并含有其它元素的Fe-C合金按冶炼方法分：脱氧程度：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢按化学成分分：碳素钢：低、中、高碳合金钢：低、中、高合金按质量分：按用途分：普通碳素钢优质碳素钢高级优质钢结构钢工具钢特殊性能钢冶炼设备：转炉钢、电炉钢14（3）铁合金：铁与一种或几种元素组成的中间合金，用于炼钢脱氧及合金化15(1)炉渣炉料冶炼过程中不能进到金属中的S-化物,O-化物等形成的熔融体,主要成分:CaO,MgO,SiO2,Al2O3,MnO,FeO,P2O5,CaS等。炉渣分类：由冶炼方法不同分为：高炉渣和炼钢渣按化学成分不同分为：碱性渣和酸性渣2)钢铁副产品炉渣的用途：（高炉渣）水泥、隔热材料、填料；（转炉渣）烧结、炼铁、水泥、筑路、富集提取稀有金属16(2)煤气：焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气CO(5~7%)+H2(50~60%)+CO2(2~5%)+N2(5~10%)+CH4(20~30%)发热量15000~19000kJ/Nm3CO(26~30%)+H2(1~3%)+CO2(10~14%)+N2(56~58%)+CH4(0.2~0.60%)发热量3300~4200kJ/Nm3CO(50~70%)+H2(0.5~2.0%)+CO2(14~15%)+N2(10~20%)发热量7500~11000kJ/Nm3171.6钢铁资源与能耗1）我国主要自然资源现状•我国的四类基本资源中，耕地、淡水人均占有量只分别相当于世界平均水平的1/3和1/4，森林和草地只分别相当于世界平均水平的1/7和1/3；•能源资源中，煤炭、石油和天然气的人均探明储量分别只有世界平均水平的1/2、1/10和1/20。•矿产资源人均占有量只有世界平均水平的58%，排世界第53位;18在13种主要金属原料的地区分布前五位排名上，我国除锡（占14.8%）和钼（占6.0%）外，其余都榜上无名。192）我国主要自然资源使用现状我国是资源和能源利用率较低的国家之一。我国最终产品量仅占原料投入量的20%——30%，60%以上的原料变成了废弃物，资源回收率比世界平均水平低20%。203）我国能源使用情况据资料统计,我国的能源开采回收率只有32%,能源加工、转换和储存的效率为70.3%,终端能源利用率平均为42%,这表示所生产能源中得到利用的只占29%。214）我国单位产值能耗据资料统计，我国每百万美元的单位产值能耗为1172吨油当量，远高于日本（162）、德国（229）、英国（292）和美国（384）等发达国家的数值，也远高于世界平均水平（397）。22每万元GDP的能耗从1980年的7.98吨标煤降低到2002年的2.63吨标煤,减少了近2/3;每吨标煤所创造的GDP从1980年的2335元提高到2000年的6880元。0123456789101980200201000200030004000500060007000800019802000吨标煤创造产值（元）每万元GDP能耗（吨标煤）235）我国能源消耗增长率近三十年，我国GDP年平均增长率为9.5%，而相应的能源消耗增长率仅为4.2%,不到GDP年平均增长率的一半（44%）。246）钢铁工业能源消耗比例钢铁工业是能源和资源密集型产业,例如能源消耗约占世界总能耗的10%。我国钢铁工业在上世纪七十年代时占全国总能耗的13%—14%，从八十年代起有所降低，但也在10%以上。257）钢铁工业在降低能耗方面的成绩近20年来钢铁工业在降低资源消耗和环境负荷方面已作出很大努力并取得显著的成绩，大幅降低了吨钢综合能耗和大中型企业吨钢可比能耗。26例如吨钢综合能耗从1980年的2040公斤标煤降低到1999年的1083公斤标煤，大中型企业吨钢可比能耗从1980年的1285公斤标煤降低到1999年的833.0公斤标煤。600800100012001400160018002000220019901999600800100012001400160018002000220019801999吨钢可比能耗（公斤标煤）吨钢综合能耗（公斤标煤）271.7耐火材料1）什么是耐火材料2）钢铁冶金过程为什么要使用耐火材料耐火材料是耐火度不低于1580℃的材料，一般是指主要由无机非金属材料构成的材料和制品。耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化程度的温度，它标志材料抵抗高温作用的性能。钢铁冶金过程大多是高温反应，冶炼新技术的发展依赖优质高效耐火材料的开发；此外，耐火材料在节能方面起到重要作用。（电极的喷涂料）283）耐火材料的种类化学特性耐火度制造工艺及形态酸性（如：SiO2质）中性（如：C质、Al2O3、Cr2O3质）碱性（以CaO、MgO为主）普通1580~1770℃高级1770~2000℃特殊＞2000℃定型（烧成、不烧成等）不定型（耐火泥浆、涂层材料等）分类：29•抵抗高温热负荷作用，不软化，不熔融；（高耐火度）•体积不收缩、仅有均匀膨胀（体积稳定性）；•抵抗高温热负荷和重负荷共同作用，不丧失强度，不发生蠕变和坍塌（抗蠕变性）；•抵抗温度急剧变化或受热不均影响，不开裂，不剥落（耐热震性）；•抵抗化学侵蚀，不变质，不蚀损（抗渣性）；•抵抗火焰和炉料、炉尘的冲刷、撞击和磨损（常温、高温的耐磨性）•抵抗高温真空作业和气氛变动的影响，不挥发，不损坏（化学稳定性）4）耐火材料的基本要求305）耐火材料的生产工艺过程结合剂添加剂原料包装不定型耐材焦油结合热处理成型干燥烧成烧成砖混合粉碎配料混练添加剂不烧成砖配料混料电熔铸造冷却加工熔铸砖311.8钢铁工业发展现状1）目前钢铁材料的无法替代性；2）世界主要产钢国家过去百年(1901-2000)的发展情况；3）中国目前是世界第一产钢大国；4）中国钢铁工业技术装备已跻身世界先进水平321）钢铁仍然是不可替代的功能性、结构性基础性材料∵①生产能力、效率、资源的优势②性能价格比优势∴不可完全替代33世界主要产钢国家过去100年(1901~2000)的发展情况国家项目世界美国苏联（独联体）日本德国中国1．100年钢产量（亿吨）335.3570.955.938.3423.7619.482．钢产量达到1亿吨（年数）554128(1.3~1.6亿吨18年)260.4亿吨31年534中国目前是世界第一产钢大国20002001200220032004200520060100002000030000400004.1878亿吨1.2579亿吨2.201亿吨35•高炉：大型化、长寿化、大喷煤、利用系数•转炉：生产效率、炉龄、负能炼钢•连铸：高效化、紧凑化•轧钢：全自动连轧•自控：检测、智能化中国钢铁工业技术装备已跻身世界先进水平361.9环保、循环经济与钢铁工业的可持续发展进入新世纪后人类社会发展发展呈现知识型经济和循环型经济两大趋势。知识型经济要求加强经济过程中智力资源对物质资源的替代，实现经济活动的知识化转向；循环型经济要求以环境友好的方式利用自然资源和环境容量，实现经济活动的生态化转向。371)工业化进程对环境和生态造成的负面影响2)环保投资与效果3)中国钢铁工业实施循环经济的战略构想4)未来钢铁工业的原料结构与能源结构5)利用贫矿资源的全新工艺路线38在过去的一个世纪，全球众多国家因经济高速增长带来的严重污染和生态破坏，导致了一系列震惊世界的环境公害事件。这在很大程度上是由于当今世界上的能源体系所造成的。当前大量消耗的化石类能源均为碳氢化合物，使用后释放出大量的温室气体——CO2以及SO2、NOX等有害气体，还有粉尘等影响环境质量的物质。世界人口的急剧增长、工业膨胀发展、森林过度砍伐、常规能源无节制使用等因素都对环境生态系统构成严重威胁。1)工业化进程中对环境和生态造成的负面影响39•每天向空气排放的CO2有1750万吨；•每天的地球表土损失为6480万吨；•每天沙漠化的土地有100多平方公里；•仅占地球水源6%的淡水每天都在遭受污染；•每天有140个物种遭灭绝；•…………1)工业化进程中对环境和生态造成的负面影响40长期以来，钢铁工业一直作为能耗和污染大户受到批评，据报道，钢铁工业的固体粉尘、二氧化硫和烟尘排放分别列行业第二、第三和第四位，其中粉尘排放约占工业总排放量的五分之一。工业化进程中对环境和生态造成的负面影响41七五——十五计划期间我国环保费用占GDP的0.69%——1.3%,环保产业“十五”投资达到7000亿元人民币，虽然与发达国家相比在总量和比例上都是较低的(例如美国1990年环保费用为1200亿美元，占GDP2.8%),但已成为政府和企业的承重负担，而且治理效果也不尽人意，说明走“末端治理”的道路,虽然化费了很大的代价，却未能收到理想的效果。2)环保投资与效果42金属材料的发现开创了人类物质文明的新纪元，几千年来大规模的应用又加速了人类社会发展的历史进程，金属材料和其它材料一起构成了人类社会的四大支柱之一。但是随着地球表壳资源的日益贫化，金属矿产资源已迅速枯竭。据专家估计，地球上金属矿产的开采只能维持100至300年，其中，铁只能开采100——160年，而钛、铜、银的开采将不足50年。3)中国钢铁工业实施循环经济的战略构想43我国的矿产资源相对不足，已探明铁矿总储量仅530亿吨左右，按目前的生产规模只可稳定供应约20年。除了资源问题以外，环境生态保护也日益向钢铁材料的生产提出更高要求。中国已探明铁矿储量44尽管蓬勃发展的各种新型材料将会在很多领域逐渐取代传统材料，但由于其高性价比和高循环使用率，钢铁材料不仅是迄今人类文明发展的“钢筋铁骨”，在未来人类社会的材料使用中还必将长期占据重要的地位。当然，其原料和能源结构以及生产形式也必然会发生根本的变化。钢铁材料在历史和未来的地位45大量消耗天然资源，大量排放炉渣、废热和废气的传统的钢铁材料生产方式必将逐步被取代。原材料和能源充分循环利用、高效率、低排放甚至零排放的新型生产方式应得到发展和推广。这种生产方式的细节尚不十分清晰，但从循环经济的要求和技术积累的层面分析，应该包含以废钢循环为主的原料结构和以氢能源为主体的能源结构，包含对排气、废水和废渣的回收和综合利用,以此从根本上保证可持续发展的需要。4)未来钢铁工业的原料与能源结构—高效低排放的新型生产方式46未来钢铁工业实施循环构想47构想的物质基础：具有最高的循环使用率的钢铁材料目前世界上年产8亿吨左右的粗钢中，有近40%来自废钢的回炉熔炼。废钢的循环，有利于人