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1钢铁冶金概论河北理工大学2010.92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41.1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。5•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炼铁、炼钢、有色金属冶炼等粉末冶金、铸造、压力加工等63）冶金方法火法冶金：湿法冶金：电冶金：高温下分离矿石和金属，获得较纯金属过程用电能提取和精炼金属的方法在常温或低于100℃下，用溶剂处理矿石，分离和提取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1213•选矿•干燥•煅烧•焙烧•烧结•球团•熔炼•精炼火法冶金工序14钢铁冶炼工艺流程大体分为以下三类：(1)高炉—转炉流程铁矿石→高炉→生铁水→转炉→钢水此流程也叫“二步炼钢法”或“间接炼钢法”。此流程工艺技术成熟，生产率高，成本低，是现代钢铁冶金大规模工业生产的主要流程（主流）。152)直接还原炉—电炉流程铁矿石→直接还原炉→固态海绵铁（可替代废钢）→电炉→钢水此流程也叫“一步炼钢法”或“直接炼钢法”，是一种使铁矿石在低于熔化温度下直接还原成含碳量近似于钢的固态海绵铁的方法。此流程工序少，所以也叫“短流程”。此流程要求使用高品位铁矿石和高质量的一次能源（天然气或低硫煤），电耗较高。16(3)熔融还原炉—转炉流程铁矿石→熔融还原炉→生铁水→转炉→钢水此流程也叫“熔融还原法”，是一种将铁矿石在熔融状态下还原成生铁水的方法。此流程的工序也较少，所以也叫“短流程”。17•上述流程(2)和(3)相对于流程(1)来说，设备投资少，占地面积小，生产成本低……但目前流程(2)和(3)尚在发展阶段，二者产量之和占世界钢产量的比重还很小（＜5%）。•钢铁(联合企业)生产工艺流程：采矿→选矿→原料处理→炼铁→炼钢→轧钢→钢材18目前，炼铁技术的发展趋势：•高炉大型化，已出现了有效容积＞5000m3的巨型高炉。•发展高炉的精料（高、熟、净、匀、小、稳）技术。（提高含铁料的入炉品位，其次是要求原燃料强度高、成分均匀和稳定，粒度适中，含有害杂质少等）•采用强化冶炼（高风温、高压操作、富氧鼓风、脱湿鼓风、喷吹燃料、提高炉寿等）技术。•改进高炉设备（皮带上料、无料钟炉顶、炉前机械化、炉前除尘、外燃式热风炉、计算机控制……），改善工人劳动条件，为使高炉冶炼合理化和自动化创造必要条件。19炼钢技术的发展趋势：•发展氧气底吹转炉法和顶底复合吹炼法。•采用真空冶炼和钢水炉外精炼技术，改善钢的质量，扩大钢的品种。•发展连续铸钢（连铸）技术，采用计算机控制，使炼钢工艺连续化和自动化。•采用超大容量的转炉和超高功率的电炉，提高生产率，降低生产成本。20钢铁工业的发展状况能准确地反映一个国家的经济发达程度和发展水平。纵观当今世界各国，所有发达国家国家无一不具有相当发达的钢铁工业。目前，没有任何材料能替代钢铁材料在国民经济中的现有地位。21钢铁之所以成为用途最广、用量最大的材料的原因：•Fe的埋藏量大。在地球所有的金属元素中，Fe的埋藏量仅次于Al居第二位，而且埋藏集中，形成巨大的铁矿床，便于开采。铁矿石含Fe量（铁矿石品位）一般为25%～70%。•冶炼容易，生产规模大，效率高，质量好；成本低。•钢铁材料具有良好的物理、机械和工艺加工性能，如有较高的强度和韧性、导热和导电性、耐磨性、耐腐蚀性，有较好的焊接及铸锻轧性能等。•Fe易与其他元素(Ni、Cr、Mn、V、Si……)形成具有各种特殊性能的合金，扩大钢铁材料的品种。•钢铁易于通过热处理调整其机械性能，满足国民经济各方面的需要。221.5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%合格生铁：国家标准S含量不高于0.06%231）炼钢生铁——炼钢的主要原料，有一定成分要求。牌号炼04炼08炼10代号L04L08L10w[Si]/%＜0.450.45～0.850.85～1.252）铸造生铁——含硅量较高，主要用于铸造（俗称翻砂）各种零部件。此种生铁占生铁总量约10%左右。牌号铸34铸30铸26铸22铸18铸14代号Z34Z30Z26Z22Z18Z14w[C]/%＞3.3＞3.3＞3.3＞3.3＞3.3＞3.3w[Si]/%3.2～3.62.8～3.22.4～2.82.0～2.41.6～2.01.25～1.624（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25生铁与钢的区别•化学成分方面的区别钢和生铁都是Fe-C合金，但二者的含碳量不同；生铁的含碳量＞2%，钢的含碳量﹤2%；其他元素（Si、Mn、P、S等）也不同。元素含量CSi/%Mn/%P/%S/%生铁＞2%0.2~2.00.2~2.5≤0.50≤0.07钢﹤2%0.01~0.30.3~0.8﹤0.05﹤0.0526•物理性能及加工性能方面生铁：硬且脆，耐磨性好，强度差，不能压力加工、锻造焊接性能差、熔点低，利于铸造。钢：熔点比生铁高（随含碳量的增加而下降）性能比生铁强，机械强度高，韧性好，可磨性好、易加工成型；导电性、导热性好，易热处理……生铁与钢的区别27（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品种主要成分主要用途Fe—Mnw[Mn]=73%～85%，w[C]=0.1%～7.5%脱氧、脱硫、锰合金化、高锰钢Fe—Siw[Si]=14%～93%，w[C]=0.2%～1.3%脱氧、脱硫、硅钢、特殊铸铁Fe—Crw[Cr]=55%～70%，w[C]=0.01%～8.0%不锈钢、耐热钢、结构钢、工具钢28(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29(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/Nm3301.6钢铁资源与能耗1）能源及分类•能源：能够提供能量的资源。能源是发展国民经济的重要物质基础，也是发展钢铁工业不可缺少的重要物质。在世界上，有很多因争夺能源而引发的战争。•能源种类：固体燃料、液体燃料、气体燃料、太阳能、水能、风能、地热、潮汐等。•能源按其来源不同，可分为一次能源和二次能源。311.6钢铁资源与能耗1）能源及分类一次能源：指自然界原本就存在的天然能源。例如原煤、石油、天然气、水能、风能、太阳能、地热、核能、潮汐能等。一次能源又分为可再生能源和非再生能源。可再生能源：在自然界中可不断再生，并有规律得到补充，能循环使用的能源。如水能、太阳能、风能、地热能、海洋能、潮汐能等。321.6钢铁资源与能耗1）能源及分类非再生能源：经过亿万年才能形成，在短期内不能再生的能源。例如原煤、石油、天然气等。非再生能源日益减少，全世界已开始重视可再生能源的开发和利用。331.6钢铁资源与能耗1）能源及分类•二次能源：是指将一次能源经加工转换后而得到的能源。例如焦炭、电力、重油、煤气、水蒸气等。标准煤：度量各种能源发热量的单位或标准。1kg标准煤的发热量为29.27MJ，将其他能源折算成标准煤，如重油的发热量为39.71MJ，相当于1.36kg标准煤。34•我国是能源储量比较丰富的国家。1.6钢铁资源与能耗1）能源及分类能源水力煤石油天然气排位131016•我国几种主要能源的储量不少，但如果按人均占有量计算，我国又是一个能源匮乏的国家。•我国能源战略：开源节流，实现可持续发展。351.6钢铁资源与能耗2）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;36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。373）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%。384）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%。395）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）。40单位（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;2009年全国单位GDP能耗为1.077吨标准煤。012345678910198020022009每万元GDP能耗（吨标煤）416）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%）。427）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。438）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。44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，2009年重点企业吨钢综合能耗为619.44公斤标煤。吨钢可比能耗为595.38公斤标煤。60080010001200140016001800200022001990199920096008001000120014001600180020002200198019992009吨钢可比能耗（公斤标煤）吨钢综合能耗（公斤标煤）45•吨钢