冶炼原理和工艺

金属材料冶炼原理和工艺东南大学材料科学与工程学院江苏省先进金属材料重点实验室余新泉绪论炼钢的基本过程我国钢铁业发展现状炼钢的基本任务1.1炼钢的基本过程地壳中铁元素比较丰富，约为5％，含铁矿物主要是以氧化物形式存在。铁容易形成各种不同类型的合金，这些合金能够满足当代机械、电气、建筑、运输等国民经济重要部门对材料性能的要求，因而钢材一直是国民经济中最重要的原材料之一。即使从20世纪后半叶起，有色金合金、塑料、陶瓷、复合材料等新兴材料开始崭露头角，并以很高的速度发展，在某些领域中可以取代部分钢材；但钢材除因其价格低廉外，还因其可回收性强，对于那些坚持可持续发展通路的国家来说，在国民经济的重要地位并没得到动摇。钢与生铁的区别：首先是碳的含量，理论上一般把碳含量小于2.11%称之钢，它的熔点在1450-1500℃，而生铁的熔点在1100-1200℃。在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。其次，其它元素O、N、Si、S、P…含量不同。高炉炼铁还原反应冶金热力学——氧化还原反应——钢铁冶金中的氧化还原铁矿石：赤铁矿Fe2O3、磁铁矿Fe3O4、褐铁矿Fe2O3·H2O和菱铁矿FeCO3脉石：SiO2、CaO、MgO、Al2O3、P2O5、MnO、S、……焦炭和灰分：C、FeS、CaSO4、有机硫化物、Al2O3、SiO2、……石灰石：CaO、MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3、S、……共生金属矿：大冶铁矿含Cu、攀枝花铁矿含V和Ti、马鞍山铁矿含V、包头铁矿含Nb、Mn和稀土金属、中南和西南铁矿含As和Sn、……MnOm+mC=nM+mCOMnOm+mCO=nM+mCO2还原反应谁先谁后，每个反应是吸热还是放热，对于整个冶炼工艺而言非常重要，是工艺设计的基础。转炉炼钢氧化反应N[M]+m[O]=MnOm冶金热力学——氧化还原反应——钢铁冶金中的氧化还原1).吹氧炼钢首先氧化的是铁水中的Si、Mn，然后C才被大量氧化并形成显著的CO燃烧火焰；2).碳焰上来以后，如果铁水中还含有Si、Mn，它们将以“余硅”、“余锰”存在于钢水之中很难再被进一步氧化；3).进入生铁的Nb、V、Cr可以在适当温度下，在C被大量氧化之前先被氧化进入炉渣，然后从渣中将这些合金元素提取出来，谓之“选择性氧化”；4).进入生铁中的Cu、Ni、Co在炼钢过程中不能被氧化，将始终留在钢内；所有元素相互之间存在一个氧化顺序问题，这是由它们的氧化反应自由能决定的，因此，必须熟悉和掌握元素的氧化规律，才能有效合理地控制炼钢过程。连铸凝固氧化反应N[M]+m[O]=MnOm冶金热力学——氧化还原反应——钢铁冶金中的氧化还原1).钢液凝固过程中，在凝固前沿因为分配系数的不同会出现某现元素的富集，从而产生一些元素的再氧化；2).金属元素的氧化产生的就是氧化物夹杂，这些夹杂有可能上浮进入熔渣，有可能留下成为钢材中最后的夹杂，并有可能有害，也有可能有利；3).因为元素的富集，可能出现C和O在凝固前沿同时富集，于是生成CO气体，而且经常出现在铸坯的表层下，严重影响后面的轧制工艺；在连铸过程中，因为外界热力学条件的变化而出现的新的氧化反应，我们同样需要掌握相关的热力学规律，从而避免在最后一个工艺阶段出现问题而前功尽弃。冶金热力学——氧化还原反应——钢铁冶金中的氧化还原一个问题的澄清：氧化还原是必然同时存在于一个化学反应中，之所以说炼铁是还原，炼钢是氧化，主要是针对我们的主要考察对象而言，并非炼铁只有还原，炼钢只有氧化。1).一个元素与氧结合被氧化的同时，一般会存在另外一个元素的氧被剥夺而被还原，Fe2O3+3C=3CO+2Fe；2).一个化学反应中，一个元素的化合价增加，我们称之为被氧化，同时必然存在另外一个元素的化合价减少而被还原，Si+O2=SiO2；3).一个化学反应中，失电子的元素被氧化，同时必然存在得电子的元素被还原，Zn+Cu++=Zn+++Cu，或者写成两步：Zn-2e=Zn++，Cu+++2e=Cu。20年来典型的钢铁生产工艺流程的变化（a）以往的工艺流程；（b）现代工艺流程1.2我国钢铁业的发展现状我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术，东汉时就出现了冶炼和锻造技术，南北朝时期就掌握了灌钢法，曾在世界范围内处于领先地位。但旧中国钢铁工业非常落后，产量很低，从1890年建设的汉阳钢铁厂至1948年的半个世纪中，钢产量累计到200万吨，1949年只有15.8万吨。新中国成立后，特别是改革开放以来，我国的钢铁事业得到迅速发展，1980年钢产量达到3712万吨，1990年达到6500万吨，1996年首次突破1亿吨大关，成为世界第一产钢大国。2009年产量达到5.68亿吨，占世界产量的40%多。可以这样讲，我国的钢铁工业对世界产生了重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已经开始迈入钢铁强国的行列。我国粗钢产量的变化情况YOY：Year-on-yearpercentage2008年主要国家钢产量排名排名国家2008（百万吨）2007（百万吨）增长率（%）1中国5024892.62日本118120-1.23美国91.598.2-6.84俄罗斯68.572.4-5.45印度55.153.13.76韩国53.551.53.87德国45.848.6-5.68乌克兰37.142.8-13.49巴西33.733.8-0.210意大利30.531.5-3.4粗钢：2009年全国粗钢产量5.68亿吨，产量前十位的省市分别是：排名省份产量（万吨）占总量（%）1河北1350023.842江苏54909.673山东48578.554辽宁47838.425山西26484.666河南23284.17天津21243.748上海20323.589湖北19853.510安徽17603.12008年我国主要钢材品种产量品种产量进口量出口量自给率长材262511271618106线材802452505106钢筋97082116101板带材2609612722879106冷轧薄宽带钢180432429498.4电工板4471041984.1镀层板176540937197.8（万吨）我国钢铁生产问题粗钢产量严重供大于求钢材出口严重萎缩钢铁产能严重供大于求钢铁落后产能淘汰严重滞后，难于实施资源匮乏技术落后按预测计算，2009－2020年的12年间，中国年钢材消费增长率为2.74%。其中2011－2015年为2.17%，2015－2020年为1.77%。产能过剩矛盾加剧到2008年底,我国炼钢产能达6.6亿吨,与实际粗钢产量比较,过剩产能达1.6亿吨以上.钢铁产品结构与市场需求的矛盾加剧,我国宽带钢产能已建成和规划的达1.7亿吨,大大超过实际市场需求,我国的中厚钢板的产能已达8000万吨,也大大超过实际市场需求.2009年的粗钢产量按照GDP8%预测,需要4.8-4.9亿吨左右。由于国内需求量的减少，出口量的减少两大因素的影响,这就加剧的了产能过剩的矛盾,这将直接导致钢材价格将在低价位线震荡。过去长期以来,依靠价值低价的资源、廉价的劳动力形成了我国在国际市场的比较优势，特别是在出口和吸引投资带动下，保持了经济的高速增长，今天这一优势正在丧失，我国资源、能源越来越多的依靠进口，定价权不掌握在我们手中；国内劳动力价格上升，使我国经济低成本发展时期成为过去，我国经济进入了高成本时代。我国经济总量已经位列世界前矛，但经济的发展模式依然是粗放式，对资源的需求特别庞大，单纯依靠本国资源是根本无法满足，经济发展的多数原料要靠进口满足。对世界市场的影响巨大，从全球资源供求关系因为我国经济的快速发展发生了巨大变化，从过去的供大于求到目前的供不应求，而钢材生产的供求关系也正在发生逆转,由过去的供不应求转变为供大于求这二基本关系的变化，决定了我国经济需要进行结构调整，才能保证持续发展。资源性产品价格已成为影响世界经济的重要因素长期以来，世界资源价格体系被少数财团所垄断，处于一种不合理的状态。价格没有反映资源的稀缺程度、市场的供需关系、和环境成本等因素。从1980到2008上半年间,全球：石油价格上升3.9倍达143美元/桶铁矿石价格上涨4.9倍,达144美元/吨焦煤价格上涨4.4倍高价位的原料，已将钢铁行业逼到了悬崖绝壁。050100150200250独联体澳大利亚巴西加拿大印度南非美国中国瑞典钢产量/t金属铁储量/亿吨钢产量/百万吨主要国家的铁矿石储量与钢产量冶金资源的缺乏52年155年81年40~60年156年世界可开采年限基本进口富矿进口镍矿2010年进口135.5万吨富矿进口铬矿2010年进口845万吨富矿进口锰矿(40+20)年焦煤2009年进口≥4亿吨(30+20)年铁矿备注国内尚可开采年限技术相对落后2005年中国钢铁工业吨钢综合能耗比国际先进水平高出10%～15%。2007年钢铁工业总能源占全国能耗14.71%，工业废水排放量占工业排放总量8.53%，工业粉尘排放量占工业总排放15.18%。中国钢铁工业的能耗与国际先进水平的620683602663781500600700800归一化的可比能耗kgce/t日本法国德国英国中国差距*除中国的数据是2005年的外，其它均是1994年的数据。我国落后炼铁和炼钢能力分别达到1亿吨和5500万吨，这些落后能力单位能耗通常比大型设备高出10%~15%，物耗高出7%~10%，SO2排放高出3倍以上。提出了工作目标：2007年全国淘汰落后炼铁能力3000万吨，炼钢能力3500万吨；2010年全国淘汰落后炼铁能力1亿吨，炼钢能力5500万吨。能否实现？中国钢铁生产需要新的发展阶段钢铁生产从规模扩张,进入到结构调整----组织结构、产品结构、营销模式。钢铁产量从高速增长进入到平稳增长。钢铁企业的效益从高利润进入到正常利润回归。钢铁行业的发展模式——绿色环保循环经济为前提，要进一步实现装备大型化、生产专业化、经营集团化、原料采购全球化。钢铁产业振兴规划2009年1月14日国务院通过钢铁产业振兴规划提出:加快钢铁产业调整和振兴,必须以控制总量、淘汰落后、联合重组、技术改造、优化布局为重点，推动钢铁产业由大变强。1.要统筹国内外两个市场,落实扩大内需措施,拉动国内钢材消费;实施灵活的出口税收政策,稳定国际市场份额。2.要严格控制钢铁总量,淘汰落后产能,不得再上单纯扩大产能的钢铁项目。3.要发挥大集团的带动作用,推进企业的联合重组,培育具有国际竞争力的大型和特大型企业钢铁集团,优化产业布局,提高集中度。4.要加大技术改造、研发和引进力度，在中央预算内基建投资中列支专项资金，推动钢铁产业技术进步，调整品种结构，提升钢材质量。5.要整顿铁矿石进口市场秩序,规范钢材销售制度,建立产销风险共担机制。钢铁行业联合重组加快由唐钢和邯钢组成的河北钢铁集团由济钢和莱钢组成的山东钢铁集团由鞍钢和本钢组成的东北钢铁集团由沙钢和淮钢永钢组成的沙钢集团由江阴兴澄、大冶和石钢组成的中信特钢集团由武钢、昆钢柳钢组成的广西钢铁集团由宝钢、广钢韶钢组成的广钢集团1.3炼钢的基本任务炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。归纳为：“四脱”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。采用的主要技术手段为：供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。1.3.1钢中的磷对于绝大多数钢种来说磷是有害元素。钢中磷的含量高会引起钢的“冷脆”，即从高温降到0℃以下，钢的塑性和冲击韧性降低，并使钢的焊接性能与冷弯性能变差。磷是降低钢的表面张力的元素，随着磷含量的增加，钢液的表面张力降低显著，从而降低了钢的抗裂性能。磷是仅次于硫在钢的连铸坯中偏析度高的元素，而且在铁固熔体中扩散速率很小，因而磷的偏析很难消除，从而严重影响钢的性能，所以脱磷是炼钢过程的重要任务之一。磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但通常是以[P]来