冶金概论

☐ 冶金学是一门研究如何经济地从矿石或其它原料中提取金属或金属化合物，并用一
定加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。

由于矿石性能不同，提取金属的原理、工艺过程和设备不同，从而形成专门的冶金学科—冶金学。

☐ 冶金学研究所涉及的内容：金属的制取，金属的加工，金属性能的改进→对金属成
分、组织结构、性能和相关理论的研究。

☐ 冶金学按研究的领域分：提取冶金学（化学冶金学）和物理冶金学（材料的加工成
型，通过控制其组成、结构使已提取的金属具有某种性能）。

☐ 提取冶金（extractive metallurgy ）：从矿石中提取金属及金属化合物的过程，因其
中进行很多化学反应，又称化学冶金（chemical metallurgy ）。

☐ 冶金学按研究的领域分：提取冶金学（化学冶金学）和物理冶金学（材料的加工成
型，通过控制其组成、结构使已提取的金属具有某种性能）。

按所冶炼金属类型分： 按冶金工艺过程不同分：火法冶金，湿法冶金，电冶金
火法冶金：干燥：去水，温度为400~600℃。

焙烧：以改变原料组成为目的的、在低于矿石熔点温度下、在特定气氛中进行的冶金过程。

煅烧：在空气中以去CO2和水为目的的冶金过程。

烧结与球团：以获得特定矿物组成、结构及性能的造块。

熔炼：还原氧化物，提取粗金属。

精炼：氧化杂质，获得纯金属。

铸造：液态金属凝固成固态。

钢铁是使用最多的金属材料 原因：储量大；冶炼加工容易；综合性能好；易改质处理
冶金发展史：远古至13世纪末：半熔融状态的铁块—海绵铁；13世纪末至19世纪中叶：熔融状态的生铁→粗钢，形成两步法炼钢；19世纪中期至今 ：1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢法；（酸性炉衬，高铝砖，不能脱磷1864年法国人发明了平炉炼钢法； 1874年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法； （碱性炉衬，镁碳砖） 20世纪初发明了电弧炉炼钢；20世纪中叶氧气顶吹转炉（LD 法）。

钢铁生产的两个典型流程
长流程：烧结/球团 — 高炉—转炉—连铸机—轧机（高炉炼铁）
短流程：直接还—电炉—连铸机—轧机原或熔融还原
钢铁生产的典型工艺（长流程）
钢和铁合金生铁、⎩⎨⎧钢铁冶金（黑色冶金）
有色冶金
钢铁产品：生铁，钢。

副产品：炉渣，煤气生铁：它是铁和碳及少量硅、锰、硫、磷等元素组成的合金，主要由高炉生产，按其用途可分为炼钢生铁和铸造生铁。

炉渣：是炉料在冶炼过程中不能进到生铁和钢中的氧化物、硫化物等形成的熔融体。

其主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3、MnO、FeO、P2O5、CaS等。

根据冶炼方法的不同，钢铁生产产生的炉渣分为高炉渣和炼钢渣，按炉渣中含有不同的化学成分又可分为碱性渣和酸性渣。

煤气：钢铁生产中还能获得大量的可燃气体，高炉炼铁可产生高炉煤气，转炉炼钢可获得转炉煤气，炼焦时可得焦炉煤气等。

煤气主要成分：CO、H2、CO2、N2、CH4
钢铁生产用能源：钢铁工业是能源消耗的大户，约占全国总能源消耗量的10～11％。

钢铁生产所用能源主要有煤炭、燃料油(重油)、天然气、电力等。

煤占钢铁生产中燃料消耗的70%，钢铁工业用煤量已超过煤炭总产量的15％。

煤在钢铁企业主要用来炼焦和自备电厂发电、蒸汽机车烧煤、烧工业锅炉及部分窑炉，少部分制成粉煤用于高炉喷吹及烧结生产。

钢铁工业消耗：我国钢铁工业的能源消耗中，钢铁冶炼是耗能最高的工序，占钢铁工业能耗的60～70％。

其主要耗于炼铁系统，焦化、烧结、球团、炼铁等工序，占钢铁生产能耗的一半以上。

节能途径：改进生产工艺及操作，更新和改造耗能高的设备。

降低能源损失（“废料”、煤气、热能、压力能），减少生产工序。

回收利用散失热量。

加强企业能源管理，加强能源利用技术的研究工作，提高操作技术水平，充分发挥现有设备能力，以节能为目标合理组织生产。

耐火材料：凡是耐火度高于1580℃，能在一定程度上抵抗温度骤变、炉渣侵蚀和承受高温荷重作用的无机非金属材料，称为耐火材料。

耐火材料由耐火砂岩进入到现代科技产品，已成为独立的生产行业，其产品的60～80％消耗于冶金工业。

钢铁生产对耐火材料的要求是：耐火度高；能抵抗温度骤变；抗熔渣、金属液等侵蚀能力强；高温性能和化学稳定性好。

钢铁厂产生的各种污染物有：大气污染物质、污水、固体废弃物
大气污染物：SOX：是通过原料、燃料中硫磺成分的燃烧而产生的。

烧结工厂等为其主要发生源。

NOX：通过燃烧后发生。

烧结工厂等为其主要发生源。

煤尘：通过燃烧后发生。

烧结炉、各加热炉为其发生源。

粉尘：从燃料原料的输送、处理过程，及储藏场中产生。

炼铁、炼钢工程为其主要发生源。

污水：钢铁工业用水主要是冷却水，其次是煤气洗涤水，以及冲洗设备、地面及除尘用水等。

污水中含有下列污染物：固体悬浮物（SS）：从排气集尘、高温物质的直接冷却等过程中产生。

油：由各种机械等所使用的油所发生的漏泄及冷轧工程使用轧制机的机油等原
因而产生。

化学需氧量（COD）：从煤炭干馏时的氨水，及冷轧、电镀废水中产生。

酸、碱：从冷轧工程的酸洗工程、电镀工程等的脱脂工程中产生。

固体废弃物炉渣：从高炉、铁水预处理、转炉、电炉、二次精炼设备等的冶炼工程中产生。

污泥：在各种水处理过程中产生。

灰尘：从各种干式集尘机中产生。

主要原料：高炉冶炼用的原料主要有铁矿石（天然富矿和人造富矿）、燃料（焦炭和喷吹燃料）、熔剂（石灰石与白云石等）。

冶炼1t生铁大约需要1.6~2.0t矿石，0.4~0.6t焦炭，0.2~0.4t 熔剂。

高炉冶炼是连续生产过程，必须尽可能为其提供数量充足、品味高、强度好、粒度均匀粉末少、有害杂质少及性能稳定的原料。

铁矿石工艺流程：矿石→破碎→筛分→富矿→混匀→天然块矿→高炉；
矿石→破碎→筛分→贫矿→磨矿→筛分→选矿→造块→人造富矿→高炉燃料：焦炭的作用：发热剂、还原剂及料柱骨架。

粒度：大型高炉40~60mm；中型高炉25~40mm；小型高炉15~25mm；喷吹燃料：固体（无烟煤与烟煤粉）液体（重油、煤焦油）气体（天然气或焦炉煤气）
☐溶剂：熔剂主要使用石灰石和白云石；
☐熔剂的要求：
有效成分含量高（CaO+MgO）；
有害杂质S、P低；
粒度均匀，强度好，粉末少。

☐熔剂的作用：
助熔，改善流动性，使渣铁容易分离；
脱硫（焦炭和矿石中S）。

烧结：将各种粉状铁，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在烧结机点火烧结。

在燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化作用下，部分混合料颗粒表面发生软化熔融，产生一定数量的液相，并润湿其它未融化的矿石颗粒。

冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块。

这一过程叫是烧结，所的到的块矿叫烧结矿
☐然结过程：烧结料层有明显的分层，依次出现烧结矿层、燃烧层、预热和干燥
层、过湿层，然后又
相继消失，最后剩下
烧结矿层。

抽风烧结工艺流程
☐烧结过程主要反应；燃烧反应：C+O2，烧结废气中以CO2为主，存在少量CO，还有一些自由氧和氮。

2C+O2=2CO；C+O2=CO2
☐分解反应：
结晶水的分解：褐铁矿（mFe2O3·nH2O）
高岭土（Al2O3· 2SiO2·2H2O)
熔剂分解：CaCO3=CaO+CO2(750℃以上)
MgCO3=MgO+CO2(720℃)
☐还原与再氧化反应：Fe、Mn等
靠近燃料颗粒处：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2;
Fe3O4+CO=3FeO+CO2;
远离燃料颗粒处：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3;
3FeO+1/2O2=Fe3O4.
☐气化反应：脱硫85％～95％。

FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2
2FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO2
☐烧结矿：烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体。

由含铁矿物和脉石矿物组成的液相粘结在一起组成。

☐含铁矿物有磁铁矿、方铁矿（或浮氏体）、赤铁矿
☐粘结相主要有铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅灰石、硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸钙、钙铁灰石及少量反应不全的游离石英和石灰。

球团：将准备好的原料(细磨精矿或其他细磨粉状物料、添加剂等)，按一定比例经过配料、混匀制成一定尺寸的小球，然后采用干燥焙烧或其他方法使其发生一系列的物理化学变化而硬化固结．这一过程即为球团生产过程．其产品即为球团矿。

☐球团矿生产的工艺流程一般包括原料准备、配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序。

高炉冶炼过程及特点：现代高炉生产过程是一个庞大的生产体系，除高炉本体外，还有供料、送风、煤气净化除尘、喷吹燃料和渣铁处理等系统。

☐高炉炼铁的本质
传质过程：矿石中的O2- O2-
进入煤气中，实现铁与氧的分离
传热过程：煤气携带的热量传给炉料，使炉料熔化成渣铁，实现渣铁分离。