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1、第8章 冶金工业,8.1概述,8.1.1冶金工业生产特点,1、高温连续生产 2、矿石品味低，消耗量大 3、原料共生元素多，要综合利用 4、按顺序进行流程式加工,钢铁材料是被广泛应用的金属，与其他金属材 料相比较，占有绝对的优势，表现在以下几个方面： 1、蕴藏的丰富性 2、存在的相对集中性 3、冶炼的容易性 4、具有较好的物理性能 5、性能可调性,8.1.2我国的钢铁工业资源,8.1.3钢铁生产工艺流程 钢铁生产过程包括从矿石原料的冶炼至生产出钢材的各个工艺生产环节，大体可分为炼铁生产过程、炼钢生产过程和轧钢生产过程。这种生产过程称为钢铁联合生产过程，用这种过程生产钢材的企业称为钢铁联合企业。
2、图8-1为炼钢生产的流程图，除了下述三个主要过程外，还有原料处理、炼焦、煤气、蒸汽、电力、水、运输等辅助过程。,图8-1 炼钢生产的流程图,8.2炼铁生产,炼铁，就是通过冶炼铁矿石到生铁的生产过程。现代炼铁主要是在高炉中进行，此外还有非高炉炼铁，但技术上尚未成熟。由于高炉炼铁技术经济指标好，工艺简单，产量大，效率高，能耗低，这种方法生产的铁占世界铁总产量的95以上。 高炉冶炼的主要产品是生铁，它是由铁(94左右)、碳(4左右)和少量杂质(Si、Mn、P、S)组成。按用途可分为炼钢生铁、铸造生铁和铁合金。它们分别占生铁总产量的8090、1015和5左右。,8.2.1高炉炼铁 1、概述 （1）高炉
3、结构,图8-2高炉本体构造简图,1炉喉；2炉身；3炉腰；4炉腹； 5炉缸；6围管；7风管；8炉壳； 9炉衬；10出铁口；11出渣口； 12高炉有效高度；13装料设备； 14煤气上升管；15炉底。,（2）生产工艺过程 高炉生产是在高温、密闭、具有一定压力的状态下连续进行的。把块状炉料按生产工艺要求分批、间断地装入炉内，炉料在炉内构成料柱。另一方面，鼓风机把冶炼所需的空气送到炼铁厂，经热风系统加热到9001300左右后，吹入炉内。焦炭在风口处燃烧，产生大量高温煤气，把热量传给炉料。炉料在炉内逐步下降，温度逐步升高，冶炼逐步进行。冶炼好的液态生铁和液态熔渣积储在炉缸内。出铁之前先要出渣。出渣口通常用
4、具有通水冷却塞头的堵液机堵着。出铁口通常用专用耐火泥封着。当铁水和熔渣排完，铁口喷出火焰，说明铁水和熔渣已排空，此时，立即启动泥炮，泥炮将以适当的吐泥速度向出铁口内打进定量的炮泥，堵住出铁口。,.,（3）高炉炉料及供料系统 高炉炉料有铁矿石、焦炭、熔剂（石灰石、白云 石、脉石等）等，具体如下： 矿石是各种铁矿物的集合体 焦炭是高炉的基本燃料 铁矿石的准备处理的一般工艺流程 高炉供料系统,（4 ）高炉送风系统 高炉送风系统包括鼓风机、冷风管道、蓄热式热风炉、 热风管道、阀门、登仪表等，直接向高炉内供应热风。 （5 ）煤气系统 高炉煤气是钢铁厂能源的一个重要组成部分。从高炉 顶排出的煤气含有CO，
5、约占20%25%，H2约1%3%， 并有少量的CH4等可燃性气体，含尘量10g/m340g/m3， 需经除尘处理，常用重力除尘法、洗涤塔法、静电除尘法。 (6)水循环系统 高炉冷却用循环水系统是不可缺少的系统。一座 1000m3的高炉每昼夜的耗水量达几万立方米。,2、高炉炼铁过程 高炉炼铁的任务是把铁矿石炼成生铁，它是一个连续的生产过程。 铁矿石在高炉中冶炼应完成三个基本作用：排除氧化铁中的氧（还原作 用）、把铁与脉石分开（造渣作用）、铁吸收碳素和降低熔点（渗碳作 用）。 （1）生产过程 按炉料在炉内的物理状态，在高炉内由上向下大致可分为五个区域： 块状区（块状带）软熔区（软熔带）滴落区（滴落
6、带）回旋区 炉缸区 （2）焦炭的作用 焦炭燃烧放热并生成大量还原气体，保证炉料加热分解、还原、造 渣、熔化、渣铁反应等过程的进行。焦炭燃烧形成的自由空间为炉料的 下降创造了空间。 （3）铁矿石的还原 高炉下降的铁矿石受上升煤气气流的加热和CO的还原。,3、生铁的形成 从炉身部分还原出来的金属铁（海绵铁）在块状带主要发生气相渗碳，上升的煤气流温度降低，加上新生海绵铁的催化作用，促进渗碳沉积反应。CO分解出来的极细颗粒状碳粒，吸附在海绵铁表面，使其渗碳。进入软熔带，温度升高，有少量Si、Mn还原进入生铁，进一步渗碳，生铁熔滴下落，改善了与焦炭接触条件，加速了渗碳，是生铁渗碳的主要阶段。,8.2.2
7、非高炉炼铁,1、 原理 非高炉炼铁是指不采用高炉而将铁矿石直接还原成铁或钢的方法。,2、炼铁方法 （1）电炉炼铁法。 （2）直接还原炼铁法：气基法、煤基法。 （3）熔融还原炼铁法。 概述；工艺流程；熔融还原法的优点。,8.3炼钢生产,1、概念 所谓炼钢，就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高强度、高韧性或其它特殊性能的钢。,8.3.1 概述,2、炼钢的基本任务 1）脱碳并将其含量调整到一定范围 2）去除杂质，主要包括： 脱磷、脱硫脱氧 去除气体和非金属夹杂物 3）调整钢液成分和温度 3炼钢的方法 主要方法：平炉炼钢法、转炉炼钢法、电炉炼
8、钢法,1、概述 1856年威廉西门子得到一项将蓄热原理用于所有需大量热能的炉子的专利。最初，此法主要是用于玻璃熔化炉，可节省50的燃料。将此法用于炼钢，是在炉的两端建有放置 “砖格”的蓄热室，砖格先由炼钢炉排出的热气加热，然后把要进炉的空气预热。,8.3.2平炉炼钢,2、设备 平炉炉体由上、下两部分组成。上部包括熔炼室、 炉头，下部结构包括沉渣室、蓄热室、换向阀及排烟 系统等。上下两部分由上升道连接。以炉门中心线为 界，平炉两边是完全对称的。,图8-5 平炉结构示意图,3工艺 废钢矿石法是应用最广泛的平炉炼钢操作方法。金属料中生铁约占5080%，由于生铁带入大量杂质，为加速供氧，在装料时装入约
9、占金属料重1220%的铁矿石作氧化剂，故称为废钢矿石法。废钢矿石法的熔炼过程分为：补炉、装料、熔化、精炼、脱氧和出钢。,1概述 氧气顶吹转炉是目前的主要办法，国外称LD转炉，美国称BOF炉。氧气顶吹转炉炼钢法反应速度快，生产率高，不需要燃料,热效率高，成为冶金史上发展最迅速的新技术，并逐渐取代平炉成为炼钢方法的主流。与通用的平炉比较，投资少于平炉4050；效率高于平炉35倍，所需劳力少，占用场地小，炼钢时间短，钢的成本低，质量高。纯氧顶吹炼钢法出现后，世界钢产量急剧增长，各种高质量的特种钢也炼制出来。,8.3.3氧气转炉炼钢,2设备 （1）转炉主体设备。转炉主体设备是实现炼钢工艺的主要设备，它
10、由炉体、炉体支撑装置和炉体倾动机构等组成。 （2）供氧系统设备。炼钢时用氧量极大，要求供氧及时、氧压稳定、安全可靠。供氧系统由输氧管道、阀门和向转炉吹氧的吹氧管装置等设备组成。,1-炉壳；2-挡渣板； 3-托圈；4-轴承及轴承座；5-支撑系统； 6-耳轴；7-制动装置； 8-减速机；9-电机及制动器.,图8-6转炉炉体结构,3工艺流程 氧气转炉炼钢，就是利用氧气将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素快速氧化到吹炼终点。在吹氧的全部时间内，熔池中始终进行着强烈的元素氧化反应，只是在吹氧结束后的为时很短的脱氧和合金化时间内，熔池中的反应才主要是还原反应。氧化反应放出的热量，将主炉铁水12001300）加热
11、到15601660。,1、概述 电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，是目前国内外生产特殊钢的主要方法。 电弧炉炼钢是以电能作为热源，靠电极与炉料间放电产生电弧，用电弧的热量来熔化炉料并进行必要的精炼，冶炼出所需钢和合金的炼钢方法。,8.3.4电弧炉炼钢,2设备 电弧炉的构造主要是由炼钢工艺和工艺装备水平来决定的，同时又与电炉的容量大小、装料方式、传动方式等有关。电弧炉的基本结构如图所示。,1倾炉用液压缸；2倾炉摇架；3炉门；4熔池；5炉盖；6电极；7电极夹持器（连接电极升降装置）；8炉体；9电弧；10出钢槽。,图8-6 电弧炉结构,3主要工艺流程 碱性电弧炉的工艺操作可分为两种：氧化法和 不氧化法。
12、两者都是用较好的合金废钢作原料，废 钢成分与冶炼钢种的成分基本相近似。 氧化法是以一般废钢为原料，冶炼过程中用矿 石或氧气来氧化炉料中的杂质，同时通过氧化沸腾 过程去除钢水中大部分气体，此法不能回收废钢中 的大部分合金元素，但它是电炉冶炼的基本方法， 在我国应用最为广泛。 氧化法可分为：补炉、装料、熔化期、氧化期、 还原期、出钢六个阶段。,8.3.5炼钢先进技术 进入21世纪，平炉趋于消亡，转炉钢产量基本保持不变，仍将占主导地位，电炉钢产量将大幅度增加。缩短炼钢时间、提高转炉废钢比、减少电炉电能和电极单耗、提高钢水质量、降低成本的各种炼钢先进技术，在21世纪必将进一步普及和推广应用。炼钢先进技
13、术有： 1、转炉高废钢比炼钢 2、超高功率直流电弧炉 3、超纯净钢冶炼技术,8.4.1铸锭工艺 钢水凝固是液态钢水转变为固体钢的过程。钢的冶炼 完成之后，出钢钢水注入盛钢包内。在盛钢包内还要对钢 水进行脱氧（或真空脱氧）及调整钢的成分，之后注入钢 锭模中（或铸型中），冷凝成钢锭或铸钢件。 连续铸钢机种类有立式、直弯式、弧式、椭圆型、水 平式等多种形式。铸锭按钢水脱氧程度的不同分为：镇静 钢、沸腾钢、半镇静钢。,8.4铸锭,连铸的优点是： 简化铸钢工艺，生产率高，投资少 金属收得率高，能耗少，生产成本低 铸坯质量较好 降低了劳动强度，为生产连续化、自动化创造了条件连铸的缺点是机构设备较复杂，要求
14、管理和操作技术水平高；对耐火材料的质量要求比较高；浇注某些大断加板坯、沸腾钢、高合金钢还有一定困难。,连铸机的浇铸设备包括盛钢桶的支承和运载设备： 1、钢包回转台 2、中间包 3、中间包的承载装置,8.4.2浇铸设备,8.5钢材的生产,8.5.1概述 （1）钢材的概念 钢材是钢锭、钢坯或钢材通过压力加工制成我们所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。 （2）钢材的生产方法 大部分钢材加工都是通过压力加工，使被加工的钢（坯、锭等）产生塑性变形。 根据钢材加工温度不同以分冷加工和热加工两种。钢材的主要加工方法有： 轧制。 锻造。 挤压 拉拨,8.5.2轧钢机械设备 轧钢机械或轧钢设备主要指完成由原料到
15、成品整个轧钢工艺过程中使用的机械设备。 1、轧钢机 2、辅助设备,8.5.3轧钢工艺简介 1、一般轧钢生产工艺 钢材轧制也称轧钢。轧钢工艺过程一般包括 原料（钢锭或钢坯）清理、加热、轧制、轧后冷却 及精整理等工序 。 2、轧钢生产基本工序 （1）原料准备及清理 （2）钢的加热 （3）钢的轧制 （4）轧后冷却 （5）钢材的清理和精整,在冶金工厂方面存在着以下几个方面的安全技术问题： 1、冶炼安全 2、机器设备安全 3、电气安全 4、煤气安全 5、起重安全 6、锅炉、压力容器安全,8.6冶金工业安全生产与环境保护,8.6.1冶金工业生产安全技术问题,1、水污染 2、大气污染 3、固体废弃物污染 4、噪声污染,8.6.2冶金工业环境保护,1冶金工业的生产有什么特点？ 2简述高炉炼铁的原理及生产过程。 3非高炉炼铁的方法有哪几种？各有什么特点？ 4简述废钢矿石法的熔炼工艺及特点。 5简述氧气转炉炼钢的工艺流程。 6比较平炉炼钢、氧气转炉炼钢和电弧炉炼钢的生产工艺特点。 7简述炼钢的先进技术。 8钢材的生产工艺及分类。 9如何进行冶金工业生产过程的安全防范？,复习思考题：,
