金属材料制备_钢铁冶炼

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1、第1章 金属材料的制备,1.1 冶金工程基础 1.2 钢铁冶炼钢铁是怎样炼成的 1.3 有色金属冶炼 1.4 常用金属材料及其制备,1.2 钢铁冶炼钢铁是怎样炼成的,钢铁的实质为：钢和生铁的统称。 钢铁的基本成分都是铁，差别仅在于碳的含量不同。,1.2 钢铁冶炼钢铁是怎样炼成的,钢铁生产：两个过程 炼铁：用铁矿石和焦炭在高炉中熔炼成生铁； 炼钢：生铁在炼钢炉中熔炼成钢。,内容：生铁的冶炼、炼钢,1.2 钢铁冶炼钢铁是怎样炼成的,铁矿石：铁的氧化物脉石（SiO2、MnO、Al2O3）,炼铁的任务：使铁从铁的氧化物中还原；并使还原出的铁与脉石分离。,还原过程,炼钢的任务：以生铁为原料，通过冶炼降低

2、生铁中的碳及其他杂质元素的含量。,氧化过程,铁来自何处？,炼铁原料及其作用,1.2 钢铁冶金,1.2.1 钢铁冶金过程的热力学 1.2.2 生铁冶炼 1.2.3 炼钢,1.2.1 钢铁冶金过程的热力学,1 金属还原剂 Mn、Si、Al,2 碳质还原剂 C,1.2 钢铁冶炼,1.2.1 钢铁冶金过程的热力学 1.2.2 生铁冶炼 1.2.3 炼钢,1.2.2 生铁冶炼（高炉炼铁）,1.2.2 生铁冶炼,一、炼铁原料 二、高炉生产 三、高炉冶炼的理化过程 四、高炉冶炼的产品 五、非高炉炼铁法（直接还原）,一、炼铁原料,1 铁矿石 2 熔剂 3 燃料,（1） 铁矿石的工业类型,铁矿石：由一种或几种含

3、铁矿物和脉石所组成。 实际是由各种化合物所组成的机械混合物。,铁矿石中铁的氧化物：Fe2O3、 Fe3O4,（2） 对铁矿石的要求,a 含铁量： 愈高愈好按含量分为：贫矿（Fe45） b 还原性： 要好 气孔率 c 粒度： 大小合适 d 脉石成分： SiO2、Al2O3、 CaO、MgO e 杂质含量：有害杂质：S、P、As、Zn 要少 有益元素： Mn、Ni、Cr、V 适量矿石应具有一定的强度,一、炼铁原料,1 铁矿石 2 熔剂 3 燃料,2 熔剂,（1） 熔剂的作用a 降低脉石熔点SiO2：1625 Al2O3:2050b 去硫利用硫易与钙相结合的特性，生成CaS进入渣中去除 （2） 熔剂

4、种类分类：碱性熔剂、酸性熔剂熔剂成分：石灰石（CaCO3）,一、炼铁原料,1 铁矿石 2 熔剂 3 燃料,3 燃料,常用燃料：焦炭 作用：作为发热剂提供热量；还原剂；高炉料柱的骨架。,3 燃料,对焦炭的质量要求：含碳量要高，以保证它有高的发热量和燃烧温度；有害杂质硫、磷及水分、灰分、挥发分的含量要低；在常温及高温下有足够的机械强度；气孔率要大、粒度要均匀，以保证高炉有良好的透气性。,1.2.2 生铁冶炼,一、炼铁原料 二、高炉生产 三、高炉冶炼的理化过程 四、高炉冶炼的产品 五、非高炉炼铁法（直接还原）,二、高炉生产,二、高炉生产,1.2.2 生铁冶炼,一、炼铁原料 二、高炉生产 三、高炉冶炼

5、的理化过程 四、高炉冶炼的产品 五、非高炉炼铁法（直接还原）,三、高炉冶炼的理化过程,1 燃料的燃烧 2 氧化铁的还原 3 非铁元素的还原 4 铁的增碳 5 去硫 6 造渣,1 燃料的燃烧,三、高炉冶炼的理化过程,1 燃料的燃烧 2 氧化铁的还原 3 非铁元素的还原 4 铁的增碳 5 去硫 6 造渣,2 氧化铁的还原,铁矿石中铁的氧化物以Fe2O3和Fe3O4为主，其还原过程是从高价氧化物向低价氧化物的转化实现的，即：,还原剂：CO气体（间接还原）、固体C（直接还原）,2 氧化铁的还原CO的间接还原,间接还原 250950,2 氧化铁的还原固体C的直接还原,直接还原 950以上,三、高炉冶炼的

6、理化过程,1 燃料的燃烧 2 氧化铁的还原 3 非铁元素的还原 4 铁的增碳 5 去硫 6 造渣,3 非铁元素的还原,（1） 锰的还原 （2） 硅的还原 （3） 磷的还原,（1） 锰的还原,铁矿石中锰的氧化物以MnO2的形式存在。,在高炉内锰的氧化物的还原过程也是从高价氧化物到低价氧化物的转化来实现的，即：,锰的高价氧化物易被CO依次还原成低价锰的氧化物MnO，然后由固体碳直接还原成锰。,（1） 锰的还原,但是MnO较FeO难还原，所以绝大部分锰是在炉缸内从炉渣中还原出来的。,（1） 锰的还原,在一般高炉冶炼中只有4080的锰被还原，并溶于铁中，其余的或被烧损或进入炉渣与SiO2形成MnSiO

7、3。,当含有MnO的炉渣滴落时，受到铁水中的碳（或焦炭）还原，其反应式为,提高温度有利于锰的还原。,提高炉渣的碱度有利于锰的还原。,（1） 锰的还原,提高炉渣的碱度有利于锰的还原。,3 非铁元素的还原,（1） 锰的还原 （2） 硅的还原 （3） 磷的还原,（2） 硅的还原,铁矿石中硅的氧化物以SiO2的形式存在。 由于SiO2很稳定，所以绝大部分都进入炉渣，只有少量的SiO2在1100以上的高温被焦炭还原后进入生铁。,SiO2被还原的程度与炉温有关，炉温越高，硅被还原的数量越多。因此,硅的氧化物在还原过程中，仅一部分硅从其氧化物中被还原出来，并溶于铁中。 若要得到含硅较高的生铁，必须提高炉温，

8、这就要消耗较多的燃料，而且还会降低生产率，所以冶炼铸造生铁和高硅生铁的成本较高。,3 非铁元素的还原,（1） 锰的还原 （2） 硅的还原 （3） 磷的还原,（3） 磷的还原,矿石中的磷主要以磷酸钙Ca3(PO4)2的形式存在，磷酸钙在12001500以固体碳为还原剂发生直接还原反应，其反应式为：,（3） 磷的还原,在有SiO2存在时，能与磷酸钙中的CaO相结合，使P2O5游离出来，从而加速磷酸钙的还原，其反应式为：,由于P2O5易挥发，变为气体与焦炭接触被还原,（3） 磷的还原,磷在高炉内有很好的还原条件，所以在冶炼普通生铁时，炉料中的磷几乎全部被还原后而进入生铁。因此，控制生铁含磷量的唯一办

9、法是控制炉料的含磷量。,三、高炉冶炼的理化过程,1 燃料的燃烧 2 氧化铁的还原 3 非铁元素的还原 4 铁的增碳 5 去硫 6 造渣,刚从铁矿石中还原出的铁呈固体多孔状，几乎不含碳，称为海绵铁。当海绵铁下落进入到10001100温度区间时，会与CO、焦炭相互作用而溶进大量碳，使铁的熔点降低，铁在炉身下部和炉腹处开始熔化，熔滴顺焦炭块流向炉缸，在此过程中碳还会大量进入铁的熔滴，并达到饱和程度，其含碳量可达到4或更高。,三、高炉冶炼的理化过程,1 燃料的燃烧 2 氧化铁的还原 3 铁的增碳 4 非铁元素的还原 5 去硫 6 造渣,5 去硫,在矿石和焦炭等燃料中的硫主要以硫化铁FeS的形式存在。硫

10、化铁与石灰石中的CaO以及固体碳作用，发生的炉渣脱硫主要是在铁水滴入炉缸穿过渣层时进行的，其反应式为：,5 去硫,减少生铁中硫的措施： 措施一（防）：采用优质炉料； 措施二（脱）：提高炉温和熔渣的碱度。,三、高炉冶炼的理化过程,1 燃料的燃烧 2 氧化铁的还原 3 铁的增碳 4 非铁元素的还原 5 去硫 6 造渣,6 造渣,高炉炼铁，除在化学上实现铁氧的分离（还原）外，还需要实现铁与其他氧化物及杂质的分离，这一过程是通过造成性能良好的液态炉渣，并利用渣、铁液之间的密度不同实现分离的。,6 造渣,造渣是矿石中的废料、燃料中的灰分与熔剂的熔合过程，熔合后的产物就是渣。 高炉炉渣主要由SiO2、Al

11、2O3和CaO组成。 炉渣不与熔融的金属液互溶，又比熔融的金属液轻，因此它浮在熔体的上面。,6 造渣,炉渣的种类：酸性渣、碱性渣、中性渣 炉渣的作用：通过熔化各种氧化物控制金属的成分；防止金属过分氧化；防止热量损失，起到绝热作用，保证金属不致过热。,1.1.2 生铁冶炼,一、炼铁原料 二、高炉生产 三、高炉冶炼的理化过程 四、高炉冶炼的产品 五、非高炉炼铁法（直接还原）,四、高炉冶炼的产品,1 生铁 2 高炉煤气 3 炉渣,生铁： 以Fe、C、Si、Mn、S、P等元素组成的合金。 铸造生铁：1020 含硅量高（2.753.25）碳以石墨形式存在 灰口生铁 炼钢生铁：8090 含碳量高（44.4

12、）、含硅量较低（1.5）碳以Fe3C形式存在 白口生铁 特种生铁：高锰、高硅生铁炼钢时作为脱氧剂或炼制合金钢的附加材料,四、高炉冶炼的产品,1 生铁 2 高炉煤气 3 炉渣,2 高炉煤气,高炉排出的炉气中，含有大量的CO、CH4和H2等，是可燃性煤气，可作为工业上的燃料。 每炼100t生铁，将产生约500t煤气。,四、高炉冶炼的产品,1 生铁 2 高炉煤气 3 炉渣,3 炉渣,高炉炉渣中含有50左右的CaO，可以用来制造水泥、造砖或铺路。 每炼100t生铁，大约有50-80t炉渣。,1.1.2 生铁冶炼,一、炼铁原料 二、高炉生产 三、高炉冶炼的理化过程 四、高炉冶炼的产品 五、非高炉炼铁法（

13、直接还原）,五、非高炉炼铁法（直接还原）,高炉炼铁的缺点： 高炉炼铁过程需要消耗大量焦炭和熔剂，为产生鼓风用的压缩空气，还需要消耗大量电能，所以能耗大。 全世界炼焦煤仅占煤总储量的10左右，随着逐年大量开采，储量锐减，价格上涨。 高炉炼铁排放CO2、SO2、CO、HF量的限制日益严格。 人们致力于开发用烟煤或天然气作还原剂，不用焦炭，不用庞大高炉的非高炉炼铁法。 非高炉炼铁法的生产方法很多，气基竖炉直接还原法。,气基竖炉直接还原,1.2 钢铁冶金,1.2.1 钢铁冶金过程的热力学 1.2.2 生铁冶炼 1.2.3 炼钢,炼钢生铁：C：3.54.5Si：0.61.6Mn： 0.51.5 P： 0

14、.40.8 S不大于：0.040.07,炼钢：以生铁为主要原料，通过一系列冶金过程，使其含碳量大幅度降至某一成分范围（1.3） ，并使各种杂质元素的含量降低的一定程度以下，得到钢。,氧化过程,脱氧过程,1.2.3 炼钢,由于碳、硅、锰、磷与氧的亲和力比铁大，所以可以采取氧化方法把它们除去。,炼钢过程：氧化过程,1.2.3 炼钢,一、炼钢原材料 二、典型现代炼钢法 三、炼钢过程的基本反应 四、钢的浇注,一、炼钢原材料,主要材料：生铁、废铁和铁合金 辅助材料：造渣材料：石灰、白云石等熔 剂：氟石氧 化 剂：氧气、铁矿石、氧化铁皮等还 原 剂：硅铁、锰铁、铝、焦炭等 冷 却 剂：废钢、富铁矿等,1.

15、2.3 炼钢,一、炼钢原材料 二、典型现代炼钢法 三、炼钢过程的基本反应 四、钢的浇注,二、典型现代炼钢法,1 转炉炼钢 2 电弧炉炼钢 3 平炉炼钢（淘汰）,1 转炉炼钢,顶吹氧气转炉炼钢的过程：装料、吹炼、脱氧和出钢,转炉炼钢是利用空气或氧气进行氧化,转炉炼钢,1 转炉炼钢,二、典型现代炼钢法,1 转炉炼钢 2 电弧炉炼钢 3 平炉炼钢（近淘汰）,2 电弧炉炼钢,电弧炼钢是利用石墨电极和钢料之间形成电弧高温（通常可达3000）加热，并吹氧实现炼钢过程。,1.2.3 炼钢,一、炼钢原材料 二、典型现代炼钢法 三、炼钢过程的基本反应 四、钢的浇注,三、炼钢过程的基本反应,炼钢温度：15001700 熔池 炼钢的基本过程： 氧化：铁元素受到氧化，形成FeO溶解于铁水中 FeO与铁水中的其它元素产生一系列的氧化作用 如：碳被氧化成CO气体，直接从熔池中逸出 硅和锰被氧化后，形成炉渣从熔池中上浮 脱磷、脱硫： 脱氧：采取一定方法降低钢液的中氧含量,二、炼钢过程的基本反应,（一） 氧化 （二） 脱磷和脱硫 （三） 脱氧,（一） 氧化,1 氧化脱碳 2 硅的氧化 3 锰的氧化,1 氧化脱碳,2 硅的氧化,