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1、冶金工程概论,教 学 目 的,掌握金属冶炼的基本知识、原理与工艺实践，了解我国冶金工业现状及发展动态,教学安排,总学时 32学时 课堂教学 30学时 机动 2学时 教材：张训鹏主编. 冶金工程概论. 长沙：中南工业大学出版社 可阅读的课外书籍与杂志 书籍：钢冶金学 有色金属熔池熔炼,教学安排,冶金工艺导论 重金属冶金学 冶金原理 稀有金属冶金学 轻金属冶金学 杂志：有色金属（冶炼） 湿法冶金 稀有金属 轻金属 钢铁(工艺),第一章 绪论,教学要求：了解金属及其分类，建立冶金工程相关概念，了解我国冶金工业现状与发展方向,第一章 绪论,冶金 是一门研究如何经济地从矿石或精矿或其它原料中提取金属或化
2、合物，并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学 冶金学 研究金属的制取、加工和改进金属性能的各种技术及金属成分、组织结构、性能和相关基础理论 分为提取冶金和物理冶金两门学科,第一章 绪论,提取冶金 从矿石或精矿中提取金属（包括金属化合物）的生产过程（又称化学冶金、过程冶金学） 物理冶金 通过成型加工制备具有一定性能的金属或合金材料，包括金属学、粉末冶金、金属铸造、金属压力加工等,第一章 绪论,工程 将自然科学的理论应用到集体工农业生产部门中形成的各学科的总称（高级汉语大词典） 水利工程、化学工程、冶金工程,第一章 绪论,金属及其分类 自然界已发现109种元素，金属元素共93种，按提取冶
3、金分类可分为： 黑色金属：Fe, Cr, Mn 有色金属：其余的金属元素 重金属、轻金属、稀有金属、贵金属 10种常用有色金属,第一章 绪论,第一章 绪论,58-71 镧系,90-103 锕系,稀有轻金属 稀有高熔点金属 稀土金属 稀有分散性金属 稀有放射性金属,第一章 绪论,金属在地壳中的赋存状态 金 属：Au、Cu 化合物： 轻金属、稀有金属：氧化矿 重金属：硫化矿、氧化矿 过渡族元素：既有氧化物又有硫化物,第一章 绪论,冶金方法 火法冶金：高温无水相参与的过程 湿法冶金：低温有水相参与的过程 电 冶 金：利用电能提取和精炼金属的方法 冶金工艺流程和冶金过程 冶 金 工艺流 程：提取金属的
4、过程和方法 冶炼工艺流程图：各过程间的联系及其所获得产 品间的流动线路图,冶炼工艺流程图,第一章 绪论,冶金（单元）过程： 即一个冶炼阶段 焙烧 煅烧 烧结 熔炼 火法精炼 浸出 净化 电解,第一章 绪论,冶金工业现状及发展方向 现状 发展方向 强化过程 节能 低污染或无污染 产品多样化、精细化（高附加值）,第一章 绪论,冶金工业在国民经济中的地位和作用 P7-8 属原材料产业 国民经济的基础产业 现代社会的三大支柱之一,第二章 矿石与选矿,教学要求 了解矿石与选矿的基本概念，选矿工艺各方法的原理与应用,第二章 矿石与选矿,矿石 矿床：具有一定规模的矿石天然集合体 矿石：提取金属或生产其他产品
5、的矿物集合体 有用矿石：能够为人类利用的矿石 脉石：不含有用矿物或含量过少，不宜以工业规模进行加工的矿石 品位：矿石中有用成分的含量 矿物：具有一定化学成分及物理属性的天然元素和化合物 P11-12表2-3 冶金工业常见金属矿物,第二章 矿石与选矿,选矿 选矿 以廉价的处理费用，既不改变原矿的组成，又能使其高品位化 原矿：直接开采出来的矿石 精矿：经选矿使有用矿物进一步富集后的产品 尾矿：经选矿获得的主要为脉石或有害杂质的产品 P13 表2-4,第二章 矿石与选矿,破碎与筛分： 使有用矿物单体解离，使之适合矿石选别处理对粒度的要求 常用方法： P15 图2-2 破碎设备： P15 图2-3 破
6、碎作业： P15 表2-5 破碎指标： P16 破碎机的生产能力 破碎比 筛分效率： P16目：,第二章 矿石与选矿,选矿工艺： 重选法：原理 P16 浮选法：原理 P16 正浮选/反浮选 浮选药剂 P16 浮选作业 P18 粗选：粗精矿、粗尾矿 精选：精矿、中矿 扫选：中矿、尾矿 磁选法： 原理 P19,第三章 炼 铁,教学要求： 了解高炉炼铁原料与设备，掌握高炉炼铁原理与工艺过程,第三章 炼 铁,铁的性质及铁冶炼发展史 性质：银白色 密度 7.866g/cm3 熔点 1535 良好的导热、导电和导磁性 丰度：5%，仅次于氧、硅、铝 赋存状态： 铁冶炼发展史：,第三章 炼 铁,炼铁原料与造块
7、 炼铁原料 铁矿石：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等 P22 表3-1 我国铁矿资源特点P22 ： 贫矿多、复合矿多 质量要求 P22 矿石品位要高 酸性脉石要低（SiO2、Al2O3） 有害杂质(S、P)要少 其他含铁原料：高炉烟尘 转炉烟尘 轧钢皮 硫酸渣,第三章 炼 铁,熔剂：CaO、 MgO或硅石 熔剂的作用 P23 质量要求 焦碳：燃料和还原剂 焦碳作用 质量要求,第三章 炼 铁,铁矿粉造块 （人造富矿或熟料） 烧结法将矿粉、熔剂、燃料按一定比例混合，在1300一1500条件下，矿粉局部熔化造渣，烧结成具有一定强度、一定粒度、化学成分稳定的高炉料。 团矿法是不适宜烧结的细磨精矿粉和其
8、它含铁粉料造块的方法。将细磨精矿粉、熔剂、燃料（12%，有时不加)等原料经配料混合，在造球机上滚成1015 mm的生球,生球在高温焙烧机上进行高温焙烧，焙烧好的球团经冷却、破碎、筛分得到成品球团矿。,第三章 炼 铁,烧结设备：带式烧结机 结构 P24图3-1 烧结过程 P25图3-2,点火炉,台车行进方向,第三章 炼 铁,烧结矿分类： 酸性烧结矿 碱度1 自熔性烧结矿 碱度 1.0-1.5 熔剂性烧结矿 碱度 2.0-2.4 碱度：（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）,第三章 炼 铁,烧结矿与球团矿的比较： (1) 细精矿粉(-325目占80)适宜造球，球团矿有利于贫矿资源利用（可对矿
9、石细磨精选）。 (2) 烧结矿对原料的适应性强，粗粒不适于造球的矿粉，钢厂氧化铁粉、炉尘、其它含铁物料仍需烧结处理。 (3) 球团冶金性能好（强度高、微气孔多、粒度均匀铁分高、还原性好），特别是小高炉，对降低焦比，提高产量十分显著。但在大高炉上高温还原膨胀粉化，使炉料透气性变坏，影响顺行。且球团碱度低，高炉若用100球团冶炼，势必增大石灰石加入量。故此，高炉常使用烧结与球团混合炉料，特别是熔剂性烧结矿和酸性球团配合使用时能收到较为理想的冶炼效果。,第三章 炼 铁,铁冶炼过程原理 高炉冶炼过程 P26 原料 产物 物料走向 高炉炉内分区及其特征,第三章 炼 铁,碳的燃烧反应 化学反应 （1）C焦
10、+ O2 = CO2 + 400928 kJ 不可逆反应 （2）2C焦+ O2 = 2CO+235130 kJ不可逆反应 （3）C焦+ CO2 = 2CO-165797 kJ 可逆反应 平衡气相成分与温度的关系 反应（3）的特点及在高炉冶炼过程中的作用,图2-2 风口径向煤气成分的变化,第三章 炼 铁,铁氧化物的还原 氧化物的稳定性 金属氧化物稳定性判据 氧化物标准生成自由能 氧化物的分解压 P28图36,第三章 炼 铁,结论: P28 (1)各种氧化物分解压随温度升高而增大，只有CO除外； (2)图中位置越低的氧化物，分解压愈小，氧化物愈稳定； (3)位置低的元素可还原位置高的氧化物； (4
11、)在一定温度条件下，几乎所有的氧化物都可被C还原。,第三章 炼 铁,铁氧化物的离解 P29 图37 T570 Fe2O3Fe3O4FeOFe T570 Fe2O3Fe3O4FeOFe T570 Fe2O3Fe3O4Fe 间接还原：用CO还原 直接还原：用C还原,第三章 炼 铁,高炉内非铁氧化物的行为 P29 (1) P2O5 （全部进入生铁） (2) MnO （2/3进入生铁） (3) SiO2 （少量进入生铁） (4) CaO、MgO、Al2O3,第三章 炼 铁,高炉炼铁工艺与实践 高炉炼铁法简介 近代钢铁制造工序,第三章 炼 铁,高炉炼铁过程 高炉炼铁的优缺点 热效率高、生产率高、原料适应
12、性强、炉子寿命长（15-20年）；但铁水成分及温度难以准确控制 高炉设备 高炉本体 高炉附属系统 P38,高炉内各部位主要反应,还原 渗碳 造渣 脱硫,第三章 炼 铁,渗碳过程 P33 渗碳反应 2Fe +2CO = Fe3C + CO2 3Fe + C = Fe3C 主要反应 渗碳作用,第三章 炼 铁,造渣过程 炉渣作用 (1)具有适当的熔化温度，以保证炉缸温度适当 (2)具有良好的流动性，以利渣铁分离 (3)具有足够的脱硫能力，以降低生铁含硫量 (4)具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用 (5)性能稳定，有利于保护炉衬 炉渣组成 炉渣是各种氧化物的熔合体 CaO-SiO2-Al2O3-(M
13、gO)系,第三章 炼 铁,炉渣性质 酸碱性 氧化物分类 P34 炉渣碱度：炉渣中碱性氧化物含量/酸性氧化物含量 CaO/SiO2 1 碱性渣 CaO/SiO2 1 酸性渣 CaO/SiO2 0.9 - 1.2 我国炼铁高炉渣 熔化温度与熔化性温度 炉渣完全转变为均一液体时之温度 熔化温度及其影响因素,第三章 炼 铁,熔化性温度 炉渣从不能流动转变为自由流动时的温度，即粘度曲线与45切线的切点温度 (图中A点对应温度),第三章 炼 铁,粘度 P35 流体流动时相互作用产生的内摩擦力的体现 单位 Pas 影响因素 温度 组成,常见液体的粘度,液 体 温 度/K 粘度/Pas 液 体 温 度/K 粘
14、度/Pas 水 298 0.00089 汞 273 0.0017 蓖麻油 298 0.8 流动好的渣 3.0 钢液 1868 0.0025,第三章 炼 铁,脱硫过程 高炉内生铁脱硫主要通过炉渣去除 炉渣脱硫反应 FeS十(CaO)十C(CaS)十Fe十CO 141055kJ 提高炉渣脱硫能力措施 (1)提高炉渣碱度 (2)提高温度 (3)还原性炉渣,炉外脱硫,第三章 炼 铁,高炉生产的主要技术经济指标 P39-40 高炉有效容积利用系数 平均水平 1.5-2.0 t/m3d 先进水平 3.0 t/m3d 焦比 生产1t生铁所消耗的焦炭量 一般水平 400-600 kg/tFe 先进水平 400
15、 kg/tFe,第三章 炼 铁,冶炼强度 每昼夜高炉燃烧的焦炭量与高炉容积的比值 生铁合格率 生铁分为炼钢铁和铸造铁 炉龄 高炉从点火开始到停炉大修为止的时间 一般10年 高者可达1520年,第三章 炼 铁,高炉炼铁技术的发展 P40-41 (1)高炉大型化 (2)精料 (3)高压操作 (4)高风温 (5)富氧鼓风 (6)喷吹燃料 (7)脱湿鼓风 (8)炉顶煤气余压发电 (9)高炉操作自动化,第四章 炼 钢,教学要求：了解炼钢原料与设备，掌握炼钢原理与各种炼钢工艺特点,第四章 炼 钢,概述 钢铁分类及其性能 工业纯铁： C2.11% (2%) 钢: 0.02%C2.11%(2%) 钢的分类 P44表4-1,第四章 炼 钢,C、Si、Mn、P、S在铸铁和钢中的含量 铸铁 钢 C 2.5%-4.5% 0.03%-1.2% Si 0.5%-2.0% 0.01%-0.3% Mn 0.5%-2.0% 0.3%-0.8% P 0.02%-0.5% 0.01%-0.05% S 0.01%-0.1% 0.01%-0.05%,第四章 炼 钢,炼钢过程原理 炼钢的基本任务 通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，
