第一章 材料的熔炼-1-1 钢铁冶金

• 1、高炉炼铁系统
高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外， 还包括有原燃料系统、上料系统、送风系统、 渣铁处理系统、煤气处理系统。 通常，辅助系统的建设投资是高炉本体的4-5 倍。生产中，各个系统互相配合、互相制约， 形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高 炉开炉之后，整个系统必须日以继夜地连续生 产，除了计划检修和特殊事故暂时休风外，一 般要到一代寿命终了时才停炉。
湿法冶金
• 湿法冶金是指利用溶剂的化学作用，在 水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还 原、中和、水解和络合等反应，对原料、 中间产物或二次再生资源中的金属进行 提取和分离的冶金过程； • 主要过程：浸取、固-液分离、溶液的富 集、从溶液中提取金属或化合物；
• 世界上全部的氧化铝、氧化铀、约74％ 的锌、12％的铜及多数稀有金属都是用 湿法冶金方法生产的； • 最大优点：环境的污染较小，能处理低 品位的矿石。
• 磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆 性。 • 磷能溶于 α-Fe中（可达 1.2%），固溶并 富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶 粒间的强度大大增高，从而使钢材的室 温强度提高而脆性增加，称为冷脆。磷 在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难 用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆 的危险性增加。
• 铁矿石中常共生有Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、 Mo ；包头白云鄂博铁矿还含有 Nb 、 Ta 及稀 土元素Ce、La等。这些元素有改善钢铁性能 的作用，故称有益元素。 • 当它们在矿石中的含量（ % ）达到一定数值 时，如 Mn≥5 、 Cr≥0.06 、 Ni≥0.2 ， Co≥0.03 ， V≥0.1~0.15 ， Mo≥0.3 ， Cu≥0.3 ，则称为复合 矿石，经济价值很大，应考虑综合利用。
• 还原剂的选择还必须适应大规模工业生产的需 要和经济效益的要求。显然在高炉中不能用比 铁昂贵的Al、Mg、Ca、Si、Mn来作为还原剂。 它们作为还原剂是不经济的。 • C 、 CO 和 H2 是高炉炼铁适宜的还原剂。它们 由原料带来，兼有热能和化学能的双重职能， 焦炭还作为料柱骨架，满足高炉冶炼过程的需 要。
• 矿石的粒度和强度 • 粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁 矿石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹 出炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影 响料柱透气性。因此，大块应破碎，粉末应筛除， 粒度应适宜而均匀。一般要求粒度在5~40mm范 围。 • 铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程 度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度 也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，增加炉 尘损失，使高炉料柱透气性变坏。
钢铁生产基本过程
（高炉的还原过程）（氧化过程）
铁矿石 → 炼铁 → 炼钢 →铸锭(连铸)→ 轧制 → 钢材 铸造生铁 铸造
新流程：直接氧化→电弧炉炼钢→连铸连轧
高炉炉顶俯视
宝钢一号高炉（我国最大 高炉，有效容积4063m3) 出铁口
地壳中主要元素的平均质量百分比(克拉克值）
元素 质量 %
O
Si
材料学科二级学科分类表
材料学科
钢 铁 冶 金
有 色 金 属 冶 金
冶 金 物 理 化 学
金 属 材 料 与 热 处 理
金 属 压 力 加 工
无 机 非 金 属 材 料
硅 酸 盐 工 程
高 分 子 材 料 与 工 程
粉 末 冶 金
复 合 材 料
腐 蚀 与 防 护
材 料 科 学 与 工 程
复 铸 焊 合 造 接 材 料
磁铁矿
• 在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由于地表氧 化作用使部分磁铁矿氧化转变为半假象赤铁矿 和假象赤铁矿。所谓假象就是 Fe3O4 虽然氧化 成 Fe2O3 ，但它仍保留原来磁铁矿的外形。它 们一般可用TFe/FeO的比值来区分： TFe/FeO=2.33 为纯磁铁矿石 TFe/FeO<3.5 为磁铁矿石 TFe/FeO=3.5~7.0 为半假象赤铁矿石 TFe/FeO>7.0 为假象赤铁矿石 式中，TFe－矿石中的总含铁量（%），又称 全铁；FeO－矿石中的FeO含量（%）。
第一章 材料的熔炼
• 1.1 钢铁是怎样炼成的--钢铁冶金 • 1.2 铝冶金与熔炼 • 1.3 铜冶金
附带：贵金属冶金
冶金 Metallurgy
• 地质-勘探-采矿-选矿-冶金-材料-机械……. • 冶金是基于矿产资源的开发利用和金属材 料生产加工过程的工程技术 ； • 86种金属 ，除Au、Ag、Pt自然界存在单 质； • 氧化物、硫化物、碳酸盐、硅酸盐、硫酸 盐…… • 冶金工业是国家的基础产业。
菱铁矿
铁矿石开采： 露天开采：采用采掘设备在敞露的条件 下，以山坡露天或凹陷露天的方式，一 个阶段一个阶段地向下剥离岩石和采出 有用矿物的一种采矿方法。
地下开采：矿床埋藏地表以下很深，无 法露天开采时采用。
铁矿石质量评价
铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必 须严格要求。通常从以下几方面评价： • 矿石品位：品位即铁矿石的含铁量，它 决定着矿石的开采价值和入炉前的处理 工艺。入炉品位愈高，愈有利于降低焦 比和提高产量，从而提高经济效益。
• 有害杂质和有益元素的含量 有害杂质通常指S、P、Pb、Zn、As等， 它们的含量愈低愈好。Cu有时为害，有 时为益，视具体情况而定。
入炉铁矿石有害杂质的界限含量（%）
• 硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热 脆性。 • “热脆”就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成 FeS，而FeS与Fe形成的共晶体熔点为988℃， 低于钢材热加工的开始温度 1150~1200℃。热 加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导 致开裂。 • 因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁 中S≤0.07%，优质生铁S≤0.03%，就是要严格 控制钢中硫含量。
Al
Fe
Ca Na
K
ห้องสมุดไป่ตู้
Mg
Ti
H
46.05 27.88 8.13 5.17 3.65 2.78 2.58 2.06 0.62 0.14
铁矿石
铁的氧化物：Fe2O3,Fe3O4,2Fe2O3•3H2O,FeCO3 脉石：其他氧化物(SiO2、MnO2、Al2O3)等
一、钢铁冶金的热力学
• 炼铁主要是还原过程， 炼钢主要是氧化过程；
• 只要温度足够高，CO几 乎能还原所有的元素； • 高炉生产中，FeO、 P2O5最不稳定，全部被 还原；MnO大部分被还 原；SiO2小部分被还原； CaO，MgO，Al2O3几乎 不被还原；
二、高炉炼铁
从矿石中制取铁的过 程称为炼铁；炼铁的 炉子叫高炉；
炼铁原料：铁矿石、 熔剂、燃料 产出：生铁、煤气、 炉渣
• 2、高炉原料 （1）铁矿石： 含铁矿物+脉石=机械混合物
天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、 赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种
常见铁矿石的组成及特征
• 赤铁矿 又称红矿，其主要含铁矿物为 Fe2O3 ，其中铁占 70% ，氧占 30% ，常温 下无磁性。但 Fe2O3 有两种晶形，一为 αFe2O3 ，一为γ- Fe2O3 ，在一定温度下， 当α-Fe2O3转变为γ- Fe2O3时，便具有了磁 性。 • 色泽为赤褐色到暗红色，由于其硫、磷含 量低，还原性较磁铁矿好，是优良的炼铁 原料。 • 赤铁矿的熔融温度为：1580~1640℃。
• 品位提高，意味着酸性脉石大幅度减少， 冶炼时可少加石灰石造渣，因而渣量大 大减少，既节省热量，又促进炉况顺行。 • 例如鞍山地区的酸性贫铁矿，含铁30%， SiO2 50%，富选后精矿品位达到60%， SiO2降低到14%；含铁量提高一倍， SiO2降低近3/4。生产1t生铁的渣量和熔 剂用量减少到原来的1/8。
冶金工艺
• • • • 火法冶金 湿法冶金 电冶金 ……
火法冶金
• 利用高温从矿石中提取金属或其化合物 的方法称为火法冶金； • 钢铁、铜、镍、铅、锌等； • 缺点：污染环境； • 优点：成本较低； • 基本过程：矿石准备--冶炼--精炼 • 主要方法：提炼冶金、氯化冶金、喷射 冶金、真空冶金等。
• 材料学家眼中的“冶金”—物理化学的过 程
两次工业革命都是以新材料的发明和广泛 应用为先导的：
第一次工业革命（18世纪）：钢铁工业的发展为 蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础； 第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材 料对电子技术的发明和应用起了核心作用。
钢厂典型流程
宝钢生产工艺流程
• 炼铁视频 • 宝钢生产视频
高炉冷却设备 • 炉衬冷却是将通有冷却介质的金属冷却器件插 入砌体或置于砌体外缘表面，由冷却介质将进 入炉衬的热量带走，从而使输入和输出炉衬的 热流平衡，保持炉衬工作表面稳定。 • 由于高炉各部位热负荷不同，加上结构上的要 求，高炉冷却设备有冷却壁、冷却水箱、外部 喷水冷却、水冷炉底等多种形式和方法。
• 褐铁矿 通常指含水氧化铁的总称。 如 3Fe2O3· 4H2O 称 为 水 针 铁 矿 ； 2Fe2O3· 3H2O 称褐铁矿。这类矿石一般 含铁较低，但经过焙烧去除结晶水后， 含铁量显著上升。 颜色为浅褐色、深褐色或黑色，硫、磷、 砷等有害杂质一般多。
褐铁矿
• 菱铁矿 又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体 而得名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化 学组成为FeCO3，亦可写成FeO· CO2，其中 FeO=62.1%，CO2=37.9%。常混入Mg、Mn 等的矿物。一般含铁较低，但若受热分解放 出CO2后品位显著升高，而且组织变得更为 疏松，很易还原。所以使用这种矿石一般要 先经焙烧处理。
• 高炉本体是冶炼生铁的 主体设备。由耐火材料 砌筑成竖式圆筒形，外 有钢板炉壳加固密封， 内嵌冷却设备保护； • 高炉内部工作空间的形 状称为高炉内型。高炉 内型从下往上分为炉缸、 炉腹、炉腰、炉身和炉 喉五个部分，该容积总 和为它的有效容积，反 映高炉所具备的生产能 力。
高炉内衬：高炉内耐火 材料砌筑的实体，其作 用是形成高炉工作空间。 高炉炉衬：陶瓷质材料 （包括粘土质和高铝质 等）、炭质材料（炭砖、 炭捣石墨等）
• 脉石成分：碱性脉石，如CaO、MgO；酸性脉 石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含酸性脉石者 居多，即其中SiO2高，需加入石灰石造成碱度 CaO/SiO2为1.0左右的炉渣，以满足冶炼工艺的 需求。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含 CaO高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值。 • 如某铁矿成分（%） Fe 45.30，CaO 10.05，MgO 3.34，SiO2 11.20 自然碱度（CaO/SiO2）=0.9，（CaO+MgO） /SiO2=1.2，接近炉渣碱度的正常范围，属自熔 性矿石。
• 理论基础：氧化物生 成自由能-温度的关系 图（ΔGo-T图) • 氧势线
• ΔGo-T图提供的信息： 氧化物位置低的比位置高的稳定，位置低的元 素能还原位置高的元素，并且两者相距越远越 好，相距越远反应进行得越彻底； 稳定性：CaO>MgO>Al2O3>SiO2>MnO>FeO>P2O5
特殊线：2C+O2=2CO 交点对应温度：C还原氧化物的最低温度，高 于此温度，CO稳定，作为还原剂；反之，作为 氧化剂。
铁 矿 石
熔 剂
焦 炭
上料机
喷吹 燃料罐
燃料 高炉
热风 热风炉
冷风 鼓风机
空气
炉渣
生铁
煤气
水 渣
渣 棉
铸炼特 造钢殊 生生生 铁铁铁
除尘
净煤气
其它用途
建 筑 材 料
绝 热 材 料
炉 尘
高炉炼铁系统示意图 1—料车； 2—上料斜桥； 3—高炉； 4—铁渣口； 5—风口； 6—热风炉； 7—重力除尘器；8—文氏管；9—洗涤塔； 10—烟囱
电冶金
• 利用电能从矿石或其他原料中提取、回 收、精炼金属的冶金过程称为电冶金； • 电冶金主要包括电热熔炼、水溶液电解 和熔盐电解三方面内容。
• 生物冶金:生物浸出技术(“973”项目： 微生物冶金的基础研究） • 细菌冶金 • …….
1.1钢铁冶金
• 《钢铁是怎样炼成的》--作者：奥斯特洛 夫斯基（苏联）--主人公：保尔•柯察金 “精神的冶炼过程”
赤铁矿
• 磁铁矿 主要含铁矿物为Fe3O4，具有磁 性。其化学组成可视为 Fe2O3•FeO ，其 中 FeO=30% ， Fe2O3=69% ； TFe=72.4%，O=27.6%； • 磁铁矿颜色为灰色或黑色，由于其结晶 结构致密，所以还原性比其它铁矿差； • 磁铁矿的熔融温度为：1500~1580℃。