钢铁冶金工业概况

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1、钢铁冶金工业概况(北京科技大学冶金学院 张建良)目 录一、钢铁冶金基础知识 .1(一)前言 .1(二)高炉炼铁 .6(三)炼钢 .10(四)轧钢 .15二、钢铁工业环保及熔融还原技术 .19(一)钢铁工业节能与环保 .19(二)熔融还原技术 .21三、我国钢铁工业现状和面临的挑战 .23(一)我国钢铁工业发展概况 .23(二)我国钢铁钢铁工业面临的问题 .25(三)我国钢铁工业结构的调整 .31一、钢铁冶金基础知识(一)前言1、冶金的基本概念冶金的基本概念:是从矿石或其它原料中提取金属的过程。 (工业性的冶金生产,除了从原料中提取金属外,还包括对金属进一步的加工处理,使其获得使用时所需要的各种

2、性质)在 107 种元素中有 85 种金属元素。金属的特点:具有金属光泽,可塑性,导电性及导热性。黑色金属:铁锰铬和它们的合金重金属:Cu,Pb,Sn金属 轻金属:Al,Mg,Ca有色金属 贵金属:Au,Ag,Pt稀有金属:铯,钨,钛,锆,钒,铌放射性金属:镭,钍金属元素在自然界存在形式:氧化物、硫化物、碳酸盐。钢铁冶金的主要原料:铁矿石、燃料。铁的存在形式:Fe 2O3、Fe3O4、褐铁矿(Fe 2O3nH2O)、菱铁矿(FeCO 3)。冶金方法的分类:(1)火法冶金:利用高温从矿石或其它原料中提取金属的过程。工艺:矿石准备,冶炼,精炼。(2)湿法冶金:在溶液中进行的冶金过程(有色冶金)。工

3、艺:浸出,分离,富集,提取等。 (3)电冶金:利用电能提取金属的过程。钢铁冶金:火法,电冶金。有色冶金:火法,湿法。2、钢铁冶炼工艺和生产流程钢铁生产流程传统流程:高炉+转 炉直接还原竖炉+电炉新流程 直接还原回转窑+电炉熔融还原+转炉 高炉+转炉( 传统流程)矿山(采矿、选矿) :生产满足炼铁要求的铁矿石。造块(烧结、球团) :将粉矿制成人造富矿供高炉冶炼。焦化:生产满足高炉要求的焦炭。炼铁(高炉) :还原过程,将脉石等杂质去除,生产铁水。炼钢(转炉或电炉) :氧化过程,将铁水中的杂质氧化去除,生产钢水。炉外精炼:将钢水进一步去除气体、夹杂物,生产洁净度更高的钢水。连续铸钢:将钢水连续浇注成

4、钢坯(或直接送热连轧)。图 1 钢铁生产工艺流程图高炉m 3;电炉和转炉t ;烧结机m 2目前最大:高炉 4350m3(未来 5500 m3);电炉 150t,转炉 300t;烧结机 450 m2。3、钢铁产品及副产品钢铁冶炼产品(1)生铁:铁和碳及少量 Si、Mn、S、P 等元素组成的合金,主要由高炉生产。用途:炼钢生铁和铸造生铁(含 Si 高,产量占 10%)。(2)钢:含碳量低于 2,并含有其它元素的铁碳合金。(3)铁合金:铁与一种或几种元素组成的中间合金。用途:脱氧剂或合金添加剂。钢铁冶炼副产品(1)炉渣:冶炼过程中不能进入到生铁和钢中的氧化物、硫化物等形成的熔融体。(2)煤气高炉煤气

5、,转炉煤气,焦炉煤气。4、钢与生铁的区别:钢铁中主要五种主要元素(除铁外)C:控制钢的强度和硬度的重要元素; Si:增加强度和硬度;Mn:提高 钢 的淬透性,提高 韧性,降低硫的有害作用;P:有害元素,引起钢 的冷脆;S:有害元素,引起钢 的热脆。钢与生铁的区别:两者都是以铁为基本元素,又包括以下元素C,Si,Mn,P,S。生铁:含 C:2.04.5, 钢:含 C:0.22.0%。(1)生铁:硬而脆,不能锻造。按用途来分:炼钢生铁;铸造生铁(占约 10%),如电机外壳;(2)钢:有较好的综合机械性能如机械强度高,韧性好,可加工成钢材和制品。5、钢铁工业在国民经济中的地位(1)钢铁与交通交通是现

6、代社会的命脉,而交通与钢铁密切相关:铁路交通的发展离不开钢铁:例:铁轨、机车等;钢铁是汽车的主要原料;航空设备:发动机需要热强钢及高温合金。飞机起落架、主梁等关键受力部件为超高强度钢。(2)钢铁与能源石油开采需要大量的钢材,例:钻台、井架、海洋石油平台、输油管等;发电设备用钢,例:锅炉用耐热钢、汽轮机和发动机用钢等;机械化采煤用钢;燃料电池材料中 65%是钢材。(3)钢铁与建筑建筑用钢通常是钢产量中的首位;钢结构有可以加长跨距,增加使用面积;钢结构用利于抵御地震等;钢结构件容易回收,有利于环境;钢结构建筑更耐久并容易维护。(4)钢铁与通讯钢铁为主要的功能材料,例:电磁铁、永久磁铁、电磁屏蔽合金

7、等;有线传输的线路;卫星和运载火箭的金属材料,例:马氏体时效钢、高温合金、超低温容器用钢、记忆合金等。(5)钢铁与国防常规兵器,例:枪、炮、坦克等;海军舰艇;航空材料;飞机起落架、主梁、大应力接头等。(二)高炉炼铁1、高炉炼铁任务:把铁矿石冶炼成合格的铁水。2、高炉炼铁用原料高炉炼铁原料:铁矿石、燃料和熔剂。铁矿石:天然富矿,人造富矿(1.62.0t/tHM)。燃料:焦炭,喷吹燃料(如煤粉)(0.4 0.6t/tHM) 。熔剂:石灰石,白云石(0.20.4t/tHM)。焦炭的作用:发热剂,还原剂和料柱骨架。铁矿石分类及特征:1)赤铁矿:Fe 2O3,理论含铁量 70%、含氧 30%,暗红色,还

8、原性好,含 P、S、As 少。又称为红矿。2)磁铁矿:Fe 3O4,理论含铁量 72.4%、含氧 27.6%,灰色或黑灰色结构致密,坚硬有磁性,还原性差,含 P、S 较高,如我国海南岛、内蒙古白云鄂博矿。3)褐铁矿:mFe 2O3nH2O,理论含铁量 5566%,暗褐色或黑色,结构疏松,还原性好。我国这种矿石不多。4)菱铁矿:FeCO 3,含 铁 48.2%,灰色或黄褐色,焙烧后含铁量提高,变得多孔,还原性好。铁矿石的定义:能从中提取铁或铁的化合物的矿物。1)富铁矿:可直接冶炼的,如:含铁 50%的天然(富) 铁矿。2)贫铁矿:品位太低,需经选矿加工富集的铁矿石。3)铁精矿:经选矿加工处理后获

9、得的高品位铁矿石,通常为粉矿,粒度-200 目(0.074mm )左右。4)脉石:矿中没有利用价值的矿物,通常在矿石处理过程被废弃。高炉炼铁对铁矿石要求:品位高:即铁矿石含铁量高;脉石成分少,且以碱性为主:CaO、MgO 多较好;有害杂质少,有益元素适中:特别 S、P 少;还原性好:易还原;高温冶金性能好;强度高、粒度均匀、化学成分稳定;图 2 烧结矿生产工艺流程图烧结矿生产:将矿粉(富矿粉或精矿粉)、燃料(焦粉或无烟煤) 、熔剂 (石灰粉、石灰石粉、白云石粉等)按一定比例混合,然后放在烧结机上点火进行烧结,利用其中燃料燃烧所产生的热量,使局部生成液相,将矿粉粘结在一起,形成坚实而多孔的烧结矿

10、。球团矿生产:将精矿粉、熔剂和少量粘结剂,在造球机中滚成直径 815mm 的生球,然后干燥、焙 烧固结成型,成为具有良好冶金性能的入炉含铁原料。3、高炉炼铁设备高炉本体及附属系统:1)高炉本体2)供料系统3)送风系统4)煤气净化5)除尘系统6)燃料喷吹系统7)渣铁处理系统等4、高炉炼铁原理及工艺图 3 高炉炼铁原理图高炉冶炼主要过程还原过程:实现矿石中金属元素(主要是 Fe)和氧元素的化学分离;造渣过程:实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离;送风系统传热及渣铁反应过程:获得成分及温度均合格的液态铁水;5、高炉炼铁产品及副产品铁水高炉煤气-CO,CO 2,N2炉渣-CaO,Al 2O3 ,Si

11、O2,MgO 等。6 高炉生产主要技术经济指标质量指标:生铁合格率;产量指标:高炉有效容积利用系数, 休风率;能源指标:焦比,煤比,燃料比;强化指标:冶炼强度;经济指标:生铁成本;炉龄:高炉一代寿命。(三)炼钢1、炼钢基本任务炼钢包括冶炼和浇注两个过程。炼钢:以生铁和废钢为原料,在炼钢炉内精炼成成份和温度合格的钢液并浇注成钢锭或铸坯。炼铁与炼钢比较炼铁:把铁矿石冶炼成合格的铁水。炼钢:以生铁(铁水)和废钢为原料,在炼钢炉内精炼成成份和温度合格的钢液并浇注成钢锭或铸坯。炼铁本质:还原过程炼钢本质:氧化过程炼钢基本任务:四脱 (C、P、S、O)、二去(气、夹)、升温、合金脱 C:(区分钢铁) ,C

12、:硬度、强度、脆性;脱 S、P:有害元素,S 热脆,P 冷脆;脱 O:钢中氧含量过多变脆;去气、夹杂:气(H 、N);升温、合金化;完成任务措施:供氧、造渣、升温、加脱氧剂、加合金料。2、炼钢用原料主原料(钢铁料) :生铁:铁水、冷生铁;废钢:本厂、外购;辅原料:造渣剂:石灰、石灰石、萤石、白云石、合成渣料;冷却剂(氧化剂) :铁矿石、氧化铁皮、球团、烧结矿;脱氧剂(合金料) :Fe-Si、Mn-Fe、Al 合金等。3、炼钢工艺与设备炼钢主要设备转炉:BOF 或 LD电炉:EAF平炉(已淘汰)图 4 转炉设备氧气顶吹转炉的操作过程:(1)装料清除炉渣,炉衬如有损坏,补炉。然后把转炉转到装料位置,将预先称量好的铁水和废钢装入炉内。为防止水分爆炸,先装废钢。有些厂家:炉役后期,避免废钢冲击和剧烈冷却,废钢量大时,避免强烈冷却,先兑铁水后加废钢。(2)吹炼下降氧枪加入第一批渣料(石灰,白云石,氧化铁皮及矿石)占总渣量的 2/31/2,氧枪降到预定位置 (液面上方 13 米)即以规定的氧压(0.81.2MPa)开始吹炼氧气股流与熔池面接触,Fe,C,Mn,Si 氧化 点火,放热升温。吹炼过程分为三期:吹炼初期(Si,Mn 氧化期)P:被氧化进入炉渣。中期(C 氧化期)随硅锰减少 T,此时炉口喷出火焰变大,亮度提高,炉渣起泡,进入中期。后期C

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