钢铁冶金学的分类(ppt 51页)

钢铁工业的发展方向
加强含铁原料预处理环节，大力发展精料技术 提高熟料比 提高铁品位，降低SiO2含量 合理的炉料结构：高碱度烧结矿＋酸性球团矿
改善高炉工艺 采用高风温，高压操作。高富氧鼓风 ，脱湿鼓风，喷吹
燃料和炉外铁水预处理等技术，以提高产量，降低焦比
钢铁工业的发展方向
设备上的改进
冶金学的分类
电冶金：利用电能提取和精炼金属的方法 电热冶金：利用电能转变成热能，在高温下提炼
金属，本质与火法同。 电化学冶金：用电化学反应使金属从含金属盐类
的水溶液或熔体中析出。前者称为溶液电解，如 铜的电解精炼，可归入湿法冶金，后者称为熔盐 电解，如电解铝，可列入火法冶金。
钢铁冶金过程
钢铁工业的发展方向
炼钢
氧气转炉成为主要炼钢方法。电炉钢将获得稳步发展，特别 是以海绵铁为主要原料的电炉冶炼、近终形连注、连轧的炼钢 短流程的发展引人注目。
炼钢用原料的精选和预处理得到广泛重视 大力推广各种炉外精炼法。 连续铸锭获得迅速发展。 转炉操作采用静态及动态计算机控制 电炉用氧和采用高功率、超高功率，使电弧炉炼钢进入了一 个新的发展阶段；
现代炼铁方法
炼钢
转炉：铁水为原料，用纯氧氧化过还原进入铁水中的C、Si Mn、P等元素的放热反应作为热源，多余的热量用矿石或废 钢冷却。转炉是目前的主要炼钢手段，其冶炼周期短(2060分钟一炉钢)，可大型化(500吨)
1一炉壳；2一挡渣板； 3一托圈，4一轴承及轴 承座；5一支撑系统； 6一耳轴；7一制动装置； 8一减速机，9一电机及 制动器
钢铁冶金的发展简史
远古到13世纪末：利用自然地形将铁矿石与木炭一起放入用 砖砌筑的地炉内，加热冶炼，将矿石还原，生成海绵铁
13世纪末到19世纪中叶：把铁矿石装入高炉中冶炼成液态 生铁。再将生铁冶炼成粗钢，形成了沿用至今的工业冶炼法
19世纪中期至20世纪：以生铁，海绵铁或废钢为原料，在平 炉、转炉、电炉中冶炼成钢或合金钢的时代
冶金学的概念
概念
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，并用各种加工方法制成具 有一定性能的金属材料的学科
冶金学的分类
按内容可分为提取冶金学和物理冶金学两门学科 提取冶金学：研究如何从矿石中提取金属或金
属化合物的生产过程，由于该过程伴随有化学 反应，又称化学冶金。 物理冶金学：通过成型加工制备有一定性能的 金属或合金材料，研究其组成，结构的内在联 系以及各种条件下的变化规律，为有效地使用 和发展特定性能地金属材料服务。包括金属学， 粉末冶金，金属铸造，金属压力加工等。
优点：能耗低，污染小。
缺点：生产规模小，效率低，成本高。
铁矿石
炼
高炉
铁
过
程
铁水
熔剂 还原剂 燃料或电热
直接还原炉
铸铁机
海绵铁 商品铸铁
混铁炉
炼钢生铁块
炼
钢
转炉
废钢
平炉
过
程
钢水
废钢 电炉
铸锭或连铸
压 加 过 程
轧、锻 钢材
矿石－生铁－钢：即高 炉－转炉，平炉淘汰
矿石－海绵铁－钢：直 接还原－电炉流程
炼铁：从矿石或精矿中提取粗金属，主要是用焦炭 作燃料及还原剂，在高炉内的还原条件下，矿石被 还原得到粗金属-生铁，其中溶解来自还原剂中的 碳(4％一5％)及矿石、脉石中的杂质，如硅、锰、 硫、磷等元素。
钢铁冶金过程
炼钢：将生铁中过多的元素(C、Si、Mn)及杂质(S、 P)通过氧化作用及熔渣参与的化学反应去除，达 到无害于钢种性能的限度，同时还要除去由氧化 作用引入钢液中的氧(脱氧)，并调整钢液的成分， 最后把成分合格的钢液浇铸成钢锭或钢坯，便于 轧制成材。
2炼焦
传统焦炭生产工艺
生产工艺
洗煤
配煤
干馏 熄焦
原料
气煤：Vdaf＞28%-37%，GR.I＞50-65和Vdaf＞37%，GR.I＞35，变质程度低 的炼焦煤，加热时能产生大量胶质体，抗碎强度、耐磨强度差，但产气率 和化学产品收率高
肥煤：Vdaf＞10%-37%，GR.I＞85，强粘结性煤，加热时能产生大量胶质体， 耐磨强度好
天然块矿：粒度5~50mm，化学成
分要稳定 0－10mm粉矿：烧结 细磨精选矿：球团
铁水C、Si、S、P等元素含量高
现代炼铁方法
炼铁
直接还原—海绵铁
不需要焦炭 可采用粉矿 海绵铁C、Si、S、P等元素含量低
现代炼铁方法
炼铁
融熔还原—铁水 不需要焦炭 可采用粉矿 海绵铁C、Si、S、P等元素含量高
保护环境，根治污染，保持生态平衡
钢铁工业的前沿技术
开发用烟煤或天然气作还原剂，不用高炉，将铁矿石还原成 海绵铁的直接还原和熔融还原炼铁法。 超高功率电炉问世，直流电弧炉迅速发展。 多种炉外精炼法投入生产 连铸技术的发展和扩大应用 等离子作为热源具有温度高(5000一30000℃)、能量高度集中、 工作气体离子化状态、离子流速度快(100一500m／s)等特点， 用于冶金有潜在优势，近年成功用于连铸中间包加热。 真空冶金、微波冶金技术 电渣冶金在特种冶金中无论产量及品种均居首位 近终成形是金属毛坯制备的新技术，其特点是： 人工智能控制即以神经网络的人工智能为基础进行控制。
冶金学的分类
湿法冶金：一般在常温或低于100℃下，用溶剂处 理矿石或精矿，使所需提取的金属溶解于溶液中， 而其它杂质不溶解。然后再从溶液中提取金属， 包括浸出，分离，富集和提取等工序。由于绝大 部分溶剂为水溶液。故也称水法冶金
湿法冶金一般具有能耗低，过程易控制，能处理各类 矿石。但生产规模及生产率不如火法冶金
高炉容积不断扩大，出现了5000m3高炉 采用皮带运输上料 采用无料钟炉顶 炉前机械化，如机械化换风口，设置活动主沟等 在炉前设置除尘、排烟设备 采用外燃式热风炉 电子计算机的应用
钢铁工业的发展方向
非高炉法
直接还原法 大型化生产技术、煤的气化技术等 熔融还原法 工业化生产技术 降低能耗和生产成本
焦煤：Vdaf＞20%-28%，GR.I＞50-65和Vdaf＞10%-28%，GR.I＞65，中等及低 挥发份的中等及强粘结性煤，加热时能产生热稳定很高的胶质体，抗碎强 度、耐磨强度好，但推焦困难
瘦煤：Vdaf＞10%-20%，GR.I＞20-65，低挥发份的中等及强粘结性煤，加热 时能产生胶质体，抗碎强度较好，耐磨强度稍差
模铸：将盛在盛钢桶内的钢水注入具有一定形状和尺寸的 钢锭模中铸成钢锭的方法
1一中心注管 2一底板 3一钢锭模
现代炼铁方法
炼钢
连铸：将盛在盛钢桶内的钢水注入具有一定形状和尺寸的 钢锭模中铸成钢锭的方法
1一钢包；2一中间包；3一结晶 器；4一二次冷却和铸坯导向装 置；5一拉坯矫直装置；6一切 割装置；7一出坯装置
现代炼铁方法
高炉法
传统的以焦炭为能源，与转炉炼钢相配合， 组成高炉－转炉－轧机流程，被称为长流 程，是目前的主要流程。
现
优点：生产规模大，效率高，成本低。
代 炼
缺点：能耗高，污染大。
铁
泛指高炉以外，不以焦炭为能源，通常分
法
为直接还原和熔融还原，一般与电炉配合，
非高炉法
组成直接还原或熔融还原－电炉－轧机流 程，被称为短流程，是目前的辅助流程。
现代炼铁方法
炼钢
炉外精炼：在传统的炼钢(初炼炉)转炉和电弧炉生产基础 上，对钢液进行大规模再加工的过程。在炼钢炉外，对钢 液进一步净化，调整成分和温度，承担炼钢炉的部分冶炼 职能和部分炼钢炉不能承担的职能
现代炼铁方法
炼钢
浇铸：把在炼钢炉中熔炼和炉外精炼所得到的合格钢水， 经过盛钢桶及中间钢包等浇注设备，注入到一定形状和尺 寸的钢锭模或结晶器中，使之凝固成为钢锭或钢坯
冶金过程动力学：利用化学动力学的原理及物质、热能、动 量传输的原理来研究冶金反应过程的速率和机理，确定反应 过程速率的限制环节，从而得出控制反应的速率的途径
冶金熔体：是火法冶金反应中参加的具体物质，包括金属互 溶的金属熔体、氧化物互溶的熔渣及硫化物互溶的熔锍。它 研究熔体的相平衡、结构及其物理和化学性质，而熔体的组 分是反应的直接参加者，熔体的结构及性质则直接控制着反 应的进行
二次精炼：为了提高一般炼钢方法的生产率及钢 液的质量(进一步降低杂质和气体的含量)，而将 炼钢过程的某些精炼工序转移到炉外盛钢桶或特 殊反应炉中继续完成或深度完成。
钢铁冶金过程的理论基础
冶金过程热力学：利用化学热力学的原理研究冶金反应过程 的可能性（方向）及反应达到平衡的条件，以及在该条件下 反应物能达到的最大产出率，确定控制反应过程的参数（温 度、压力、浓度及添加剂的选择）
近来许多国家对将氧气顶吹转炉、电孤炉和炉外精炼设备结 合起来的冶炼工艺十分重视，认为是炼钢生产在扩大品种、提 高钢材质量方面的最重要途径；
钢铁工业发展的关键
采用新流程、新技术、新装备代替传统的全流程生产方式。 （短流程）
节约资源、能源，降低制造成本、投资成本及劳动成本。
满足国民经济各部门对钢材使用性能及质量上不断提高的要 求，例如汽车用深冲钢板要求：钢中[C]十[P]十LS]十[O]十[N] 十[H]总和不大于0.01%。
传统焦炭生产工艺
洗煤
目的：降低原煤中的灰份和硫，类似于选矿 方法：重选、油团聚法等
配煤
控制配合煤的灰分、硫和胶质层厚度，胶质层厚度 16－20mm，精煤粒度配合要适当，含水量应尽可能 低
传统焦炭生产工艺
干馏
设备：焦炉 控制合理的加热制度
干燥、预热：50－200℃
热分解： 200－300℃
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世界钢铁冶金流程预测
传统钢铁联合企业
将铁矿石在高炉内冶炼成生铁，用铁水炼成钢， 再将钢水铸成钢锭或连铸坯，经轧制等塑性变形方 法加工成各种用途的钢材
主要生产环节：原料处理，炼铁，炼钢，轧钢， 能源供应，交通运输等
钢铁工业的发展方向
炼铁 高炉法
提高冶金焦质量
合理选择炼焦煤基地和配煤方案 煤料捣固、型煤压块、煤调湿和选择粉碎 焦炉大型化、增加焦炉炭化室宽度和降低结焦速度 采用干法熄焦，低水分熄焦和焦炭整粒
现代钢铁生产流程
现代炼铁方法
炼铁
高炉—铁水 需要焦炭
炼焦：焦煤在隔绝空气的条件下，热解、碳化、胶结 成具有一定强度和粒度的焦炭。
炼焦工艺： 洗煤
配煤
焦炉 熄焦
炼焦原料：焦煤 炼焦设备：炼焦炉、推焦机
炼焦产品：焦炭、沥青、煤焦油及其分馏产品
现代炼铁方法
炼铁
对含铁原料有要求：粒度5~50mm， 化学成分要稳定，机械强度要高， 冶金性能要好
冶金学的分类
按提取金属方法分类
火法冶金：在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔 化作业，使其中地金属和杂质分开，获得较纯的 金属的过程。过程可分为原料准备，焙烧、熔炼、 精炼、蒸馏和离析等。所需能源，主要靠燃料燃 烧，也有靠化学反应热的。进行的化学反应则有 热分解、还原、氧化、硫化、卤化、蒸馏等。
火法冶金一般具有生产率高，流程短，设备简单及投 资省等优点，但却不利于处理成分结构复杂矿或贫矿
钢铁冶金导论
主讲：郭宇峰
1概 论
金属的分类
铁金属和非铁金属：前者系指铁及其合金； 后者则指除了铁及其合金以外的金属元素。
黑色金属和有色金属：有色金属则是指除铁、 铬、锰3种金属以外的所有金属。
冶金的起源与发展
远古时代 青铜器时代 铁器时代
20世纪初及中叶
金、银、 铜及陨石铁
铜及其合金
铁
具有工业意义 的元素有75种
钢铁生产流程氧化-还原过程的比较
A→B一高炉过程； C→E一氧气转炉炼钢过程； A→D一直接还原铁； D→E一电炉炼钢； A→G→B一二步法熔融还原； A→G一预还原； G→B一终还原； A→H→B一一步法熔融还原
A一铁矿石；B一高炉出炉铁水；C一装入炼钢炉的铁水； D一海绵铁；E一出炉钢水；F一成品钢；
软化：
现代炼铁方法
炼钢
电炉：废钢为原料，电能作为热源。海绵铁可以取代废钢， 某些方面优如废钢。冶炼周期稍长(2-4小时)，电能较贵。 也可大型化，特别是可以冶炼各种特殊钢，在低电价地区 是一种有前途的产品方向灵活的方法
1一倾炉用液压缸；2一倾炉摇架； 3一炉门；4一熔池；5一炉盖； 6一电极；7一电极夹持器(连接电 极升降装置)；8一炉体，9一电 弧；10一出钢槽