第一章 炼铁和炼钢

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1、第一章 炼铁和炼钢钢铁是现代工农业生产中使用最广的金属材料。对机械制造工作者来说，了解钢铁材料的生产过程具有非常重要的意义。1.1 金属材料的分类金属是指具有良好的导电性和导热性、有一定的强度和塑性、并具有光泽的物质，如铁、铝和铜等。金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料、并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和合金。金属材料，尤其是钢铁材料在国民经济及其它方面都有重要作用，这是由于它具有比其它材料优越的性能，如物理性能、化学性能和工艺性能。它能够适应生产和科学技术发展的需要。金属（或金属材料）通常分为黑色金属和有色金属两大类：1. 黑色金属 以铁或其它为主而形成的物质，称为黑色金属，如钢

2、和生铁。2. 有色金属 除黑色金属以外的其它金属，称为有色金属，如铜、铝和镁等。在机械制造工业中，常用的金属材料如下表所列。 碳素结构钢碳素钢 碳素工具钢 铸造碳钢合金结构钢 合金工具钢黑色金属 合金钢 特殊性能钢铸造合金钢灰铸铁可锻铸铁铸铁 球墨铸铁蠕墨铸铁金属纯铜 黄铜铜及其合金白铜 青铜纯铝 铝及其合金 变形铝合金 有色金属 铸造铝合金 锡基轴承合金轴承合金 铅基轴承合金 铝基轴承合金钛及其合金 1.2 钢铁的冶炼 钢和铁都是主要由铁和碳两种元素组成的合金,其区别只在于含碳量的多少,理论上将含碳量在 2.11%以下的合金称为钢，以上的称为铁。生铁由铁矿石经高炉冶炼而得,它是炼钢和铸造的原

3、材料。现代的炼钢方法是以生铁为主要原料,装入高温的炼炉中 ,通过氧化作用降低生铁中的含碳量而炼成钢水,铸成钢锭后 ,再经轧制成钢材供应。少数钢锭经锻造成锻件后供应。 图 11 为钢铁材料生产过程示意图。一、炼铁铁的化学性质活泼，自然界中的铁，都是以含铁化合物形式存在，如，Fe2 O3、Fe3 O4、Feco3 等。炼铁用的多数是铁的氧化物。含铁比较多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其有用元素形成生铁的过程。现代钢铁工业生产生铁的主要方法是高炉炼铁。 1. 高炉炼铁的炉料 高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料和熔剂。（1） 铁矿石 铁矿石的作用是提供生铁的主要成分铁元素。

4、常用的铁矿石有磁铁矿（Fe 3O4） 、赤铁矿（Fe 2O3） 、褐铁矿（2F e2O3.3H2O）和菱铁矿（Feco3 ）等。铁矿石中除含图 1-1 钢铁材料生产过程示意图铁的氧化物外，还有脉石（SIO2、AL2O3 、CaO、MgO ）等。（2 ）燃料，炼铁的主要燃料是焦炭。焦炭在炼铁过程中起着双重作用：一方面，焦炭燃烧为炼铁过程的物理、化学反应提供热量。另一方面，焦炭中的碳及其燃烧产物CO 是铁及其它元素还原剂。（3 ）熔剂 矿石中的脉石及燃料中的灰分（主要含 SiO2、Al2O30）熔点高，加入熔剂使它组成熔点低、流动性好的熔渣，并浮在铁水表面，与铁水分离。常用的熔剂是石灰石。2.高炉

5、熔铁过程 炼铁所用的主要设备是高炉，如图 12 所示。为了是铁矿石在炉内充分还原，现代高炉的炉体高达 3040m 以上。炉料从受料斗进入炉腔，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。焦炭在 10001200高温热风的助燃下，迅速产生大量的热，使风口附近炉腔中心的温度高达 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。铁矿石在5701200之间受到 CO 气体和红热焦炭的还原，形成了海绵状铁。这种海绵铁在 10001100的高温下会从 CO 和焦炭中溶进大量的碳（含碳量可达 4%）

6、 ，因而铁的熔点下降，于是就炼成了铁。生铁的熔点约为 1200。因此，经过溶碳作用之后，生铁以液体状态滴入炉缸。生铁中还含有 Si0.53.5%、Mn0.51.5%、P0.071.0%和 S0.030.008%。图 1-2 高炉示意图硅来源于炉料中带入的 ，因此 非常稳定，极大部分都留在炉渣中，2 2只有少量的 在 1450 以上的高温被还原进入生铁。2铁矿石中都会有少量的 ， 在 7001100之间被还原成金属锰进2 2入生铁。铁矿石和石灰石中都有少量磷酸盐 和 ,它们()325 （ 3)25将在 12001500的高温下，几乎全部被还原进入生铁。炉料中还含有少量的硫和硫化物，尤其焦炭中含硫

7、最多，这也是生铁中硫的主要来源。3.高炉的产品 生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的要求，生铁可分为两类：（1）铸造生铁 这类生铁的断口呈暗灰色，含硅量较高，用于机械制造厂生产成形铸件。（2）炼钢生铁 这类生铁断口呈亮白色，含硅量较低（1.5%） ，用来在炼钢炉中炼钢。高炉冶炼的副产品是煤气和炉渣。高炉排出的炉气含有大量 CO、 和4等可燃性气体，具有很高的经济价值。高炉炉渣主要成分是 ， ，可2 2用来制造水泥、渣棉和渣砖等建筑材料。二、炼钢现代炼钢方法是以生铁为主要原料，首先把生铁熔化成液体，将它倾入高温的炼钢炉内铁与氧相互作用，铁被氧化。+122 +1生成的 溶解在铁水中， 与铁水中其它

8、元素产生一系列氧化反应： + +22FeO+SiSiO 2+2Fe+Q3FeO+MnMnO+Fe+Q 45FeO+2PP 2O5+5Fe+Q5铁水中的氧化铁越多，各种元素被氧化得越剧烈。碳被氧化生成 CO 气体，直接从铁水中逸出；硅和锰被氧化生成 SiO2和 MnO 而进入熔渣。铁水中的含碳量降低到一定程度时，氧化即告完成，铁水炼成了钢水。这时的钢水中剩余相当多的 FeO。因此，要在炼钢炉和盛钢桶中加入适量的锰铁、硅铁和铝来还原钢水中的 FeO，以改善钢的力学性能。当钢水的成分和温度达到规定要求时，便可出钢。2.炼钢方法 现代炼钢方法主要有转炉、电炉和平炉等。三种炼钢炉的示意图如图1-3 所示

9、。各种炼钢方法的热源及特点比较列于表 1-1.图 1-3 各种炼钢方法和钢水的浇铸表 1-1 三种炼钢方法炼钢方法 热源 主要原料 主要特点 产品氧气转炉 氧化反应的化学热液态炼钢生铁、废钢冶炼速度快，生产率高。钢的品种、质量与平炉大致相当平炉 煤气、天然气、重油炼钢生铁、废钢容量大，炉料中废钢比例大，冶炼时间长工艺过程容易控制碳素钢和低合金钢电弧炉 电能 废钢炉料通用性大。炉内气氛可以控制，脱氧良好，能冶炼难熔合金合金钢钢。钢的质量优良，品种多样炼钢炉根据衬耐火材料性质的不同，可分为酸性炉（炉衬主要成分为 SiO2）和碱性炉（炉衬主要成分为 MgO、CaO）等两种。现在大多采用碱性炉炼钢。3

10、 钢的浇注 钢水炼成后，除少数用来浇铸成铸钢件外，其余都浇铸成钢锭（或连铸坯） 。钢锭用于轧钢或锻造大型锻件的毛坯。图 13 是刚水的模铸法和连续法的示意图。连铸法由于生产率高，钢坯质量好，得到广泛采用。4 镇静钢、半镇静剂钢和沸腾钢 根据钢水脱氧程度的不同，成品钢可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三种，如图 14 所示。镇静钢 钢水冶炼后期用锰铁、硅铁和铝进行充分脱氧，钢水在钢锭模内平静地凝固。这类钢锭化学成分均匀，内部组织致密质量较高。用于钢锭头部形成相当深的缩孔，轧制时被切除，钢的浪费较大，如图 14 所示。沸腾钢 钢水在冶炼后期仅用锰铁进行不充分的脱氧 图 14 镇静钢锭、 半镇静钢锭和沸

11、腾钢锭。钢水浇入钢锭模后，钢水中的 FeO 和碳相互作用，脱氧过程仍在进行(FeO+CFe+CO),生产的 CO 气体，引起了钢水沸腾的现象。大部分气体逸出，少数气体凝固时被封闭在钢锭内部，形成许多少气泡，如图 1-4 所示。这类钢锭不产生缩孔，切头浪费少。但是，钢的成分不均匀，组织不够致密，质量较差。沸腾钢只能是低碳钢。（3）半镇静钢 半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢两者之间。如图 14 所示。表 12 为镇静钢和沸腾钢的脱氧和力学性能的对比。表 12 镇静钢和沸腾钢的特点和性能项目 镇静钢 沸腾钢脱氧程度 脱氧安全，基本上无 CO 气泡产生，钢水浇注时平静 脱氧不安全，产生大量 CO 气泡，钢水浇注后有明显沸腾现象特点 表面质量一般，偏析轻微 表面质量良好，偏析较严重冲击韧度良好 冲击韧度较差力学性能在条件相同的情况下，强度和伸长率大致相同