钢铁冶金概论复习资料

钢铁冶金概论期末复习
（炼铁部分）
1比较说明不同钢铁生产工艺流程
铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁铁→精炼（脱S、P、Si等）→钢
还原熔化过程氧化精炼过程
（炼铁）（炼钢）
1.绘制高炉本体内型结构说明各部分名称（画白色部分即可：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸、风口、渣口、铁口）
高炉五大附属系统名称及作用
（1）原料供应系统：保证及时、准确、稳定地将合格原料从贮矿槽送上高炉的炉顶；（2）送风系统：保证连续可靠地供给高炉冶炼所需数量和保证足够温度的热风；
（3）渣铁处理系统：及时处理高炉排放出的渣铁，保证高炉生产正常运行，获得合格的生铁和炉渣产品；
（4）煤气清洗系统：保证回收高炉煤气，使其含尘量降到15mg/m3左右，以便利用；（5）燃料喷吹系统：保证喷入高炉所需燃料，以代替部分焦炭消耗。

高炉内按物料变化五个区域的划分，并简单了解各部分的变化过程
（1）块状区主要特征：焦与炭呈交替分布层状，皆为固体状态
主要反应：矿石间接还原，碳酸盐分解
（2）软熔区主要特征：矿石呈软熔状，对煤气阻力大
主要反应：矿石的直接还原，渗碳和焦炭的气化反应
（3）滴落区主要特征：焦炭下降，其间夹杂渣铁液滴
主要反应：非铁元素还原，脱碳、渗碳、焦炭的气化反应
（4）焦炭回旋区主要特征：焦炭作回旋运动
主要反应：鼓风中的氧和蒸汽与焦炭及喷入的辅助燃料发生燃烧反应（5）炉缸区主要特征：渣铁相对静止，并暂存于此
主要反应：最终的渣铁反应
熟练掌握高炉冶炼主要技术经济指标的表达方式
1有效容积利用系数ημ定义：每立方米高炉有效容积每昼夜生产的合格铁量（t/m3·d）我国ημ=1.6~2.4（t/m3·d）日本ημ=1.8~2.8（t/m3·d）
2焦比定义：冶炼每吨生铁所消耗的焦炭的千克数（kg/t）我国焦比为250~650（kg/t）
3煤比定义：冶炼每吨生铁所消耗的煤粉的千克数（kg/t）我国煤比为50~220（kg/t）
4燃料比（焦比+煤比）定义：冶炼每吨生铁所消耗的固体燃料的总和（kg/t）我国燃料比为450~700（kg/t）
5综合焦比（焦比+煤比×煤焦置换比）
6煤焦置换比定义：喷吹1kg煤粉所能替代的焦炭的千克数，一般为0.8左右
7焦炭冶炼强度定义：每立方米高炉有效容积每昼夜燃烧的焦炭吨数（t/m3·d）
8综合冶炼强度定义：每立方米高炉有效容积每昼夜燃烧的综合焦炭的吨数（t/m3·d），一般为0.9~1.15t/m3·d
利用系数、焦比及冶炼强度三者关系
纯焦冶炼时：利用系数=焦炭冶炼强度/焦比
喷吹燃料时：利用系数=综合冶炼强度/综合焦比
（5）休风率定义：指高炉休风时间占规定作业时间的百分比
（6）焦炭负荷指每批炉料中铁矿石的重量与焦炭重量之比，用以评估燃料利用水平和调节配料
四种天然铁矿石的名称和分子式及特点
（1）磁铁矿：主要含铁矿物为Fe3O4 特点：理论含铁量72.4%，红条痕，较软，易还原。

（2）赤铁矿：主要含铁矿物为Fe2O3 特点：理论含铁量为70%。

黑条痕，较硬，难还原。

（3）褐铁矿：主要含铁矿物为含结晶水的氧化铁，mFe2O3·nH2O
特点：理论含铁量为55.2~66.1%，黄褐条痕，疏松多孔，易还原。

（4）菱铁矿：主要含铁矿物化学式为FeCO3
特点：理论含铁量为48.2%，灰黄条痕，焙烧后易还原。

焦炭在高炉冶炼中的作用如何？论述高炉冶炼对焦炭质量的要求
三大作用：（1）热源→在风口前燃烧，提供冶炼所需能量；
（2）还原剂→本身及其氧化产物CO均为铁氧化物的还原剂；
（3）骨架和通道→矿石高温熔化后，焦炭是唯一以固态存在的物料。

对焦炭的质量要求：（1）强度高；（2）固定C高；（3）灰分低；（4）S含量低；（5）挥发份合适；（6）反应弱（C+CO2→2CO）（7）粒度合适（为矿石平均粒度的3~5倍为宜，d小/d大≈0.7）
2.归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求
（1）含Fe品位高：即铁矿石含铁量高，有利于增产节焦
（2）脉石少和分布均匀：SiO2要少、CaO要多、MgO要合适、Al2O3要少。

（3）有害杂质少：如S、P、Pb、等
（4）有益元素合适：如Mn、Cr、Ni、V、Ti、Nb等
（5）还原性好：高，有利。

（6）软熔性：指矿石的软化熔滴性，要求荷重软化点高且熔滴性好。

（7）冶金性能优良
（8）粒度分布合适：影响透气性和还原性，要适中、均匀。

3.人造富矿的种类名称烧结矿和球团矿
4.铁氧化物还原特点（逐级还原），写出以H2/CO还原铁氧化物的方程式
还原特点：遵循逐级还原的原则
T＞570℃：Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
T＜570℃：Fe2O3→Fe3O4→Fe
（1）用CO还原铁氧化物
T＞570℃：Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO→FeO+CO2 FeO+CO→Fe+CO2
T＜570℃：Fe2O3+CO→Fe3O4+CO2 Fe3O4+CO→Fe+CO2 用H2还原铁氧化物
T＞570℃：Fe2O3+H2→Fe3O4+H2O Fe3O4+H2→FeO+H2O FeO+H2→Fe+H2O
T＜570℃：Fe2O3+H2→Fe3O4+H2O Fe3O4+H2→Fe+H2O
5.高炉内间接还原和直接还原的定义和区别
直接还原和间接还原的定义：还原剂是固体C，产物是CO的反应，成为直接还原。

还原剂是气态以CO和H2，产物为CO2和H2O的铁各级氧化还原反应，称为间接还原。

区别：1还原剂和气体产物不同
2直接还原为强吸热反应，间接还原为弱吸热反应或放热反应
3直接还原发生在高温区，间接还原发生在中、低温区
4直接还原时一个C原子可以夺取氧化物中的一个氧原子，而间接还原需要过量CO+H2 6.掌握高炉冶炼炉渣的来源、主要成分、形成过程以及造渣的目的和作用
炉渣的主要来源：（1）矿石中的脉石；（2）焦炭灰分；（3）熔剂；（4）侵蚀的炉衬
炉渣的基本成分：CaO、MgO、SiO2、Al2O3。

高炉渣中还有少量FeO和硫化物
炉渣的形成过程：
（1）初渣：矿石软熔过程中（在软熔带内），渣和金属铁分离，各自聚合，形成初渣（2）中间渣：软熔带以下到风口燃烧带（滴落带）之间的渣
（3）终渣：在炉缸形成而排出炉外的渣
造渣的目的及作用：（1）性能良好的炉渣，可以实现金属与氧化物脉石的有效分离
（2）渣铁间热量及质量的交换是决定金属成品最终成分及温度的关键
（3）炉渣对炉衬起保护作用
7.高炉内有利于炉渣脱硫的热力学条件有哪些？如何降低铁水中硫的含量
炉渣脱硫反应式为[FeS]＋（CaO）＝（CaS）＋（FeO）或表示成离子反应式：[S]＋(O2-)＝[O]＋(S2-) △G0＝124455－50.26T
提高炉渣脱硫能力的措施
（1）提高温度；（2）提高炉渣碱度；（3）降低渣的氧势；（4) 改善动力学条件，提高铁液中硫的活度系数fs及渣铁交界面积。

①铁水滴下穿过渣层时，在渣层中脱硫，此时渣铁接触好，脱硫反应快。

②渣铁界面上，虽接触面积不如前者大，但接触时间长，可保证充分反应，最终完成脱硫反应。

（5）保证高炉稳定顺行。

8.强化高炉生产有哪些方法
（1）提高入炉料含铁品位，优化入炉料结构
（2）提高焦炭质量。

特别是焦炭的高温性能
以上两条是强化高炉冶炼需要具备的条件，技术措施如下
1、高炉大型化、矮胖
2、高压操作，采用高顶压，采用无料钟炉顶
3、高风温（大修或新建的高炉均采用了高温内烧式热风炉，一般情况下风温在1200℃左右）
4、高富氧
5、燃料喷吹
6、综合鼓风
7、精料技术
8、高煤比
9、取消渣口，停止放上渣10、采用中心加焦、大批重分装技术。

11、计算机控制高炉机械化和自动化12、TRT余压发电13、长寿技术
9.高炉冶炼操作制度有哪些
高炉基本操作制度为：送风制度，装料制度，炉缸热制度和造渣制度。

随着高炉冶炼技术的进步和高炉长寿的需要，在操作管理上又增加了喷吹制度和冷却制度。

10.计算题
某厂拟建年产500万吨制钢生铁的高炉炼铁车间，设计参数如下：有效容积利用系数2.5，综合焦比450kg，煤比180kg，年计划休风15天，允许铁损率1%。

试计算高炉有效容积，综合冶炼强度，高炉车间年消耗焦炭及煤粉总量。

解：（1）实际工作日：365-15=350（天）ημ=2.5 铁损率1%
据公式：P=ημ·Vμ
得：ημ·Vμ×350×（1-1%）=5000000
Vμ=5000000/（ημ×350×（1-1%））
有效容积：Vμ=5772 m3
（2）已知综合焦比=450kg
综合焦比=焦比+煤比×0.8
即：450=焦比+180×0.8
焦比=306 kg
所以：年消耗焦炭量=306×[5000000/（1-1%）]=1.545×109 kg
年消耗煤粉量=180×[5000000/（1-1%）]=9.09×108 kg
（3）综合冶炼强度
据：利用系数、焦比及冶炼强度三者关系
纯焦冶炼时：利用系数=焦炭冶炼强度/焦比
喷吹燃料时：利用系数=综合冶炼强度/综合焦比
综合冶炼强度=综合焦比×利用系数=0.45×2.5=1.125 t/m3·d
（炼钢部分）
炼钢的基本任务
四脱：C、O、P、S 二去：去气体（溶解在钢中的氢气、氮气）和夹杂（非金属夹杂：氧化物、硫化物、氮化物及它们所形成的更复杂的化合物）两调整：调整成分和温度
分析脱磷、硫影响因素
脱磷2[P]+4(CaO)+5(FeO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]+Q ——①
脱硫[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)-Q —————————②
影响因素：（1）温度①为放热②为吸热所以高温抑制脱磷促进脱硫
（2）R 促进脱磷脱硫
（3）氧化性（FeO）对脱磷有利对脱硫不利
（4）渣量不要大渣量，渣量越多，含P、S越多
（5）加速搅拌促进脱硫脱磷
（6）金属液中成分[Si][Mn][Cr][C]与氧的亲和力大于磷与氧的亲和力时，阻碍磷的氧化，不利脱磷；[C][Si]有利于脱硫
2.如何促进脱磷
脱磷2[P]+4(CaO)+5(FeO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]+Q ——①
适当的熔池温度、较高的炉渣碱度、高的氧化铁含量、良好的流动性炉渣、充分的搅拌速度、大渣量
3.炉渣脱硫反应式
脱硫[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)
4.脱氧的方法
（1）沉淀脱氧（脱氧剂加入钢水中）（直接）x[M]+y[O]=[M x O y] [M x O y]=（M x O y）用于转炉缺点：污染钢水优点：速度快
（2）扩散脱氧（脱氧剂加入渣中）（间接）Lo=（%O）/[%O] 用于电炉缺点：速度慢优点：不污染钢水
（3）真空脱氧[C]+[O]=[CO] 用于炉外精炼氧分压降低，置于真空条件下，抽真空促使O与C反应，同时脱氧脱碳
6.三种脱氧名称及优点
（1）沉淀脱氧优点：速度快、操作简单、效率高、成本低
（2）扩散脱氧优点：扩散脱氧的产物存在于熔渣中，有利于提高钢水洁净度
（3）真空脱氧优点：脱氧比较彻底，脱氧产物为CO气体，不污染钢液，同时还具有脱氢脱氮作用
7.活性石灰的优点
活性石灰的活度大于310ml，体积密度1700~2000mg/m3,气孔率高达40%，比表面积0.05~0.13m2/kg.使用活性石灰能减少石灰、萤石消耗量和炼钢渣量，有利于提高脱硫、脱磷效果，减少炉内热损失和对炉衬的腐蚀
8.氧气顶吹转炉的三种装入制度
（1）定量装入：指整个炉役期间，保证金属料装入量不变
（2）定量装入：指整个炉役期间，随着炉子容积的增大，依次逐渐增大装入量，保证每炉的金属熔池深度不变
（3）分阶段定量装入：指将炉子按炉膛的扩大程度划分为若干个阶段，每个阶段实行定量装入，分阶段定量装入兼有两者的优点，是生产中最常见的装入制度。

9.氧气顶吹转炉炼钢的供氧制度的内容
供氧制度是指向熔池中供氧的方法，其内容包括确定恰当的供氧强度，选择合理的喷头类型、结构和尺寸，采用适宜的喷枪高度与工作氧压。

当喷头的类型和尺寸确定后，吹炼过程中能够调节的供氧参数是枪位和工作氧压。

10.成渣过程
（1）吹炼初期，炉渣主要来自铁水中硅、锰、铁的氧化产物，加入炉内的石灰块由于温度低，表面形成冷凝外壳，阻碍了熔化。

由于硅、锰、铁的氧化反应，炉内温度升高，促进了石灰熔化，炉渣的碱度逐渐提高
（2）吹炼中期，随着温度的升高和石灰的进一步熔化，脱碳反应速度加快，导致渣中（FeO）逐渐降低，石灰熔化速度减缓，但炉渣泡沫化程度迅速提高
（3）吹炼末期，脱碳速度下降，渣中（FeO）再次升高，石灰继续熔化，并加快了熔化速度。

同时，熔池中乳化和泡沫现象趋于减弱和消失
11.石灰渣化机理
炼钢过程中成渣速度主要指的是石灰熔化速度，快速成渣是转炉造渣制度的核心问题。

吹炼初期，各元素的氧化产物FeO、SiO2、MnO 、Fe2O3等形成了熔渣。

加入的石灰块浸泡在初期渣中，初期渣中的氧化物从石灰表面向其内部渗透，并与CaO 发生化学反应，生成一些低熔点的矿物，引起石灰表面的渣化，这些反应不仅在石灰块的外表面进行，而且也在石灰气孔的内表面进行。

但是在吹炼初期，SiO2易与CaO反应生成钙的硅酸盐，沉积在石灰块的表面上，如果生成物是致密、高熔点的2CaO·SiO2和2CaO·SiO2将阻碍石灰的进一步渣化溶解。

如果生成CaO·SiO2和3CaO·2SiO2则不会妨碍石灰溶解。

吹炼中期，碳的激烈氧化消耗大量的（FeO），熔渣的矿物组成发生了改变，2FeO·SiO2→CaO·FeO·SiO2，2→2CaO·SiO2，熔点升高，石灰的渣化有所减缓。

吹炼末期，渣中（FeO）有所增加，石灰的渣化加快，渣量又有增加。

12.影响石灰溶解速度的因素
（1）石灰质量为使石灰尽快吸收FeO和Fe2O3生成低熔点的铁酸钙，应采用块度小，比表面积大、晶粒度细、气孔率高、反应能力强的活性石灰。

（2）炉渣成分渣中FeO对石灰溶解速度有较大的影响，它能显著降低炉渣粘度，改善炉渣向石灰缝隙浸透的条件，有利于FeO在石灰中的扩散，并与CaO形成低熔点化合物，促进石灰的熔化，此外炉渣中的MnO、MgO也将改善炉渣流动性，有利于石灰熔化。

（3）铁水成分铁水中ω[Mn]在0.6%~1.0%之间时，初渣形成快，中期渣“返干”现象减轻，铁水中[Si]含量过低，炉渣熔化较难。

（4）助熔剂萤石、铁矾土、矿石或氧化铁皮均有助于化渣
（5）供氧操作适当地采取高枪位，渣中（FeO）含量增加，便于尽快形成碱性渣
13.简述单渣法造渣
整个吹炼过程中只造一次渣，中途不倒渣，不扒渣，直到吹炼终点出钢。

适用于Si、P、S 含量较低，或者对P、S要求不太严格的钢种。

采用单渣操作，工艺简单，吹炼时间短，劳动条件好，易于实现自动控制。

单渣操作脱磷效率一般在90%左右，脱硫效率约为30%~40%。

14.吹炼终点经验控制方法有哪几种，具体说明
经验控制方法有两种：拉碳法和增碳法
拉碳法就是熔池中含碳量达到出钢要求时停止吹氧，即吹炼终点符合终点的具体目标，不需要再专门向熔池中追加增碳剂增碳
增碳法是在吹炼平均含碳量不小于0.08%钢种时，都采取吹到0.05%~0.06%的碳时停吹，然后根据所炼钢种的规格，在钢包内增碳。

15.复吹转炉的冶金特征
（1）炉渣氧化性明显降低
（2）钢液中残锰量明显提高
（3）脱磷和脱硫反应非常接近平衡，有较高的磷和硫分配系数
（4）吹炼平衡，喷溅量少，金属收得率高
16.什么叫熔化期，熔化期任务，缩短熔化期措施
（1）熔化期：装完料后立即通电开始熔化炉料，一直到全部炉料基本熔毕，这段时间成为熔化期
（2）熔化期任务：采取各种有效措施加快炉料的熔化，提前造渣去磷，减少和防止熔化过程中金属的蒸发和钢液吸气，并将钢水尽快加热到氧化期所需的温度
（3）缩短熔化期措施：采取废钢预热、合理供电、吹氧助熔和氧——燃助熔等措施
17.超高功率电炉简介
所谓超高功率，是指单位时间输入到电炉中的能量比普通电弧炉大2~3倍。

其优点是：大大缩短了熔化时间，提高了生产率；改善了热效率，进一步降低了电耗；使用大电流短电弧，热量集中，电弧稳定，对电网的影响小
18.什么叫偏心底出钢（EBT）电炉，有什么优点？
将传统电炉的出钢槽改成出钢箱，出钢口在出钢箱底部垂直向下，出钢口下部没有开闭机构，出钢箱顶部中央设有塞盖，便于出钢口的填料与维护
优点：（1）简化结构，降低阻抗，提高炉体寿命
（2）无渣出钢，有利于精炼操作及节能
（3）降低出钢温度，节约电耗，提高钢质量，提高钢包寿命
19.炉外处理的基本手段及作用
（1）搅拌能改善冶金反应动力学条件，强化反应体系的传质和传热，加速冶金反应，均匀钢液成分和温度，有利于夹杂物聚集长大和上浮排出
（2）真空可以使反应向着生成气态物质的方向移动，使钢液可以进一步脱气、脱碳和脱氧（3）加热
（4）添加精炼剂精炼钢液
20.拉坯速度定义每分钟拉出铸坯的长度，单位m/min，简称拉速。

21.什么叫液相穴深度和冶金长度
液相穴深度：从结晶器液面开始到铸坯中心液相凝固终了的长度，也成为液心长度
冶金长度：根据最大拉速确定的液相穴深度为冶金长度
22.提高浇铸速度的思路措施
1、低过热度浇铸（低温浇铸）
2、高效传热的结晶器技术
3、高速浇铸用结晶器保护渣3、非正弦振动
4、结晶器下方的有效支撑和强化冷却
5、结晶器液面的控制
6、弯曲矫直要考虑变形速度
7、结晶器采取电磁制动技术
8、重视基本操作
另有内容
1.炉渣的碱度：炉渣中碱性氧化物浓度总和与酸性氧化物浓度总和之比为炉渣碱度。

2.吨钢供氧氧压：6~12 MPa
顶吹：O2
3.供气底吹：N2、Ar、CO2
溅渣：N2
4.钢水二次精炼方法工作原理及精炼功能（主要是LF炉法和RH炉法）。