钢铁冶金概论

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7）钢铁工业在降低能耗方面的成绩
近20年来钢铁工业在降低资源消 耗和环境负荷方面已作出很大努力并 取得显著的成绩，大幅降低了吨钢综 合能耗和大中型企业吨钢可比能耗。
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例如吨钢综合能耗从1980年的2040公斤标煤降 低到1999年的1083公斤标煤，大中型企业吨钢可比 能 耗 从 1980 年 的 1285 公 斤 标 煤 降 低 到 1999 年 的 833.0公斤标煤。
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3）我国能源使用情况
据资料统计,我国的能源开采回收 率只有32%, 能源加工、转换和储存的 效率为70.3%, 终端能源利用率平均为 42%, 这表示所生产能源中得到利用的 只占29%。
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4）我国单位产值能耗
据资料统计，我国每百万美元的单 位产值能耗为1172吨油当量，远高于日 本（162）、德国（229）、英国（292） 和美国（384）等发达国家的数值，也 远高于世界平均水平（397）。
分类：
耐火度
高级 1770~2000℃ 特殊 ＞2000℃
定型（烧成、不烧成等） 制造工艺及形态
不定型（耐火泥浆、涂层材料等） 28
4）耐火材料的基本要求
• 抵抗高温热负荷作用，不软化，不熔融；（高耐 火度） • 体积不收缩、仅有均匀膨胀（体积稳定性）； • 抵抗高温热负荷和重负荷共同作用，不丧失强度， 不发生蠕变和坍塌（抗蠕变性）； • 抵抗温度急剧变化或受热不均影响，不开裂，不 剥落（耐热震性）； • 抵抗化学侵蚀，不变质，不蚀损（抗渣性）； • 抵抗火焰和炉料、炉尘的冲刷、撞击和磨损（常 温、高温的耐磨性） • 抵抗高温真空作业和气氛变动的影响，不挥发， 不损坏（化学稳定性）
由冶炼方法不同分为：高炉渣和炼钢渣
炉渣的用途： （高炉渣）水泥、隔热材料、填料； 炉渣分类： （转炉wenku.baidu.com）烧结、炼铁、水泥、筑路、富集提取稀有金属
按化学成分不同分为：碱性渣和酸性渣
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CO(26~30%)+H2(1~3%) +CO2(10~14%)+N2(56~58%) +CH4(0.2~0.60%) 发热量3300~4200kJ/Nm3
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1) 工业化进程对环境和生态造成的负面影响 2) 环保投资与效果 3) 中国钢铁工业实施循环经济的战略构想 4) 未来钢铁工业的原料结构与能源结构
5) 利用贫矿资源的全新工艺路线
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1)工业化进程中对环境和生态造成的负面影响
在过去的一个世纪，全球众多国家因经 济高速增长带来的严重污染和生态破坏，导 致了一系列震惊世界的环境公害事件。这在 很大程度上是由于当今世界上的能源体系所 造成的。当前大量消耗的化石类能源均为碳 氢化合物，使用后释放出大量的温室气体— —CO2 以及SO2 、NOX 等有害气体，还有粉尘等 影响环境质量的物质。世界人口的急剧增长、 工业膨胀发展、森林过度砍伐、常规能源无 节制使用等因素都对环境生态系统构成严重 威胁。 38
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1.5 钢铁产品及副产品
1)钢铁冶炼产品
（1）生铁：
炼钢生铁[Si]≤1.25%
铁与C、Si、Mn、P、S组成的合金，主要由高炉生产
铸造生铁 1.25%≤[Si]≤4.25%
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冶炼设备：转炉钢、电炉钢 脱氧程度：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢 碳素钢：低、中、高碳 合金钢：低、中、高合金
按冶炼方法分：
2）钢铁冶金过程为什么要使用耐火材料
钢铁冶金过程大多是高温反应， 冶炼新技术的发展依赖优质高效 耐火材料的开发；此外，耐火材 料在节能方面起到重要作用。 （电极的喷涂料）
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3）耐火材料的种类
酸性（如：SiO2质） 化学特性 中性（如：C质、Al2O3、Cr2O3质） 碱性（以CaO、MgO为主） 普通 1580~1770℃
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在13种主要金属原料的地区分布前五位排名上，我 国除锡（占14.8%）和钼（占6.0%）外，其余都榜上 无名。
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2）我国主要自然资源使用现状
我国是资源和能源利用率较低的 国家之一。我国最终产品量仅占原料 投入量的20%——30%，60%以上的原料 变成了废弃物，资源回收率比世界平 均水平低20%。
（2）钢：
按化学成分分： 普通碳素钢 含[C]≤2%，并含有其它元素的Fe-C合金 优质碳素钢 按质量分： 高级优质钢 结构钢 工具钢 特殊性能钢
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按用途分：
（3）铁合金：
铁与一种或几种元素组成的中间合金，用于炼钢脱氧及合金化
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2)钢铁副产品
(1)炉渣 炉料冶炼过程中不能进到金属中的S-化物,O-化物 等形成的熔融体,主要成分: CaO,MgO,SiO2, Al2O3,MnO,FeO, P2O5, CaS 等。
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1.6 钢铁资源与能耗
1）我国主要自然资源现状 • 我国的四类基本资源中，耕地、淡水人均 占有量只分别相当于世界平均水平的1/3 和1/4，森林和草地只分别相当于世界平 均水平的1/7和1/3； • 能源资源中，煤炭、石油和天然气的人均 探明储量分别只有世界平均水平的1/2、 1/10和1/20。 • 矿产资源人均占有量只有世界平均水平的 58%，排世界第53位;
1) 冶金的概念： 冶金是研究如何经济地从矿石或其他原 料中提取金属或金属化合物，并采用各种 加工方法制成具有一定性能的金属材料的 科学。
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• 2）冶金分类
• 提取冶金：研究提取金属，存在化学反应
•
物理冶金：研究金属材料成型过程
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1.2 冶金学的支撑学科
冶金学
物理学
化学
物理化学
流体力学
(理 论 基 础)
冶 金 概 论
主讲：冶金工程系
吴国玺 陈 韧 孙丽娜 朱万军
1
课程的主要目的
介绍钢铁冶炼及加工过程的基本 原理、工艺特点及基本工艺流程，使 非冶金专业学生对钢铁联合企业的生 产过程有一个全面而概括的了解，并 初步掌握冶金的基本知识。
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课程的主要内容
• • • • • • 第一部分:绪论 第二部分:铁冶金 第三部分:铁合金冶炼 第四部分:钢冶金 第五部分:炉外精炼与连铸 第六部分:钢铁材料压力加工
1980
2002
1980
2000
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5）我国能源消耗增长率
近三十年，我国GDP年平均增 长率为9.5%，而相应的能源消耗 增长率仅为4.2%,不到GDP年平均 增长率的一半（44%）。
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6）钢铁工业能源消耗比例
钢铁工业是能源和资源密集 型产业, 例如能源消耗约占世界 总能耗的10%。我国钢铁工业在上 世纪七十年代时占全国总能耗的 13%—14%，从八十年代起有所降 低，但也在10%以上。
吨钢综合能耗（公斤标煤）
2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
吨钢可比能耗（公斤标煤）
2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600
1990
1999
1980
1999
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1.7 耐火材料
1）什么是耐火材料
耐火材料是耐火度不低于 1580℃的材料，一般是指主要 由无机非金属材料构成的材料 和制品。耐火度是指材料在高 温作用下达到特定软化程度的 温度，它标志材料抵抗高温作用 的性能。
(提供技术材料及研究课题) 电子技术 计算机技术
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1.3 冶金工业发展历史
人类社会发展史： 原始社会→奴隶社会→封建社会→资本主义社会 人类使用材料的历史：
石器→青铜器→铁器→工业化(钢铁) →信息社 会(多种新材料)
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中国冶金的辉煌历史
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1.4 现代冶金过程—冶炼过程
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现代冶金过程—轧钢过程
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1）钢铁仍然是不可替代的功能性、结构性基础性材料
∵①生产能力、效率、资源的优势 ②性能价格比优势
∴ 不可完全替代
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世界主要产钢国家过去100年 (1901~2000)的发展情况
国家 项目 1．100年钢产 量（亿吨） 335.35 70.9 世界 美国 苏联 （独联 体） 55.9 日本 德国 中国
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中国已探明铁矿储量
我国的矿产资源相对不足，已探 明铁矿总储量仅530亿吨左右，按目前 的生产规模只可稳定供应约20年。除 了资源问题以外，环境生态保护也日 益向钢铁材料的生产提出更高要求。
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钢铁材料在历史和未来的地位
尽管蓬勃发展的各种新型材料将会在 很多领域逐渐取代传统材料，但由于其高性 价比和高循环使用率，钢铁材料不仅是迄今 人类文明发展的“钢筋铁骨”，在未来人类 社会的材料使用中还必将长期占据重要的地 位。当然，其原料和能源结构以及生产形式 也必然会发生根本的变化。
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每万元GDP的能耗从1980年的7.98吨标煤降低 到2002年的2.63吨标煤,减少了近2/3;每吨标煤所 创造的GDP从1980年的2335元提高到2000年的6880 元。
每万元GDP能耗（吨标煤）
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
吨标煤创造产值（元）
8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
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3)中国钢铁工业实施循环经济的战略构想
金属材料的发现开创了人类物质文明的 新纪元，几千年来大规模的应用又加速了人 类社会发展的历史进程，金属材料和其它材 料一起构成了人类社会的四大支柱之一。但 是随着地球表壳资源的日益贫化，金属矿产 资源已迅速枯竭。据专家估计，地球上金属 矿产的开采只能维持100至300年，其中，铁 只能开采100——160年，而钛、铜、银的开 采将不足50年。
1)工业化进程中对环境和生态造成的负面影响
• • • • • •
每天向空气排放的CO2有1750万吨； 每天的地球表土损失为6480万吨； 每天沙漠化的土地有100多平方公里； 仅占地球水源6%的淡水每天都在遭受污染； 每天有140个物种遭灭绝； …………
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工业化进程中对环境和生态造成的负面影响
长期以来，钢铁工业一直作为能耗 和污染大户受到批评，据报道，钢铁工 业的固体粉尘、二氧化硫和烟尘排放分 别列行业第二、第三和第四位，其中粉 尘排放约占工业总排放量的五分之一。
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2)环保投资与效果
七五——十五计划期间我国环保费用占 GDP的0.69%——1.3%,环保产业“十五”投资 达到7000亿元人民币，虽然与发达国家相比在 总量和比例上都是较低的 (例如美国1990年环 保费用为1200亿美元，占GDP 2.8%), 但已成 为政府和企业的承重负担，而且治理效果也不 尽人意，说明走“末端治理”的道路, 虽然化 费了很大的代价，却未能收到理想的效果。
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第一部分:绪论
• • • • • • • • • 1.1 冶金的基本概念 1.2 冶金的相关学科 1.3 冶金工业发展史 1.4 现代冶金过程 1.5 钢铁产品及副产品 1.6 钢铁资源与能耗 1.7 冶金中的耐火材料 1.8 钢铁工业发展现状 1.9 环保、循环经济与钢铁可持续发展
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1.1 冶金的基本概念
38.34
23.76
19.48
2．钢产量达 到1亿吨（年 数）
>55
41
28(1.3~ 1.6亿吨 18年)
26
>0.4亿 吨 31年
5
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中国目前是世界第一产钢大国
4.1878亿吨
40000
30000
20000
1.2579亿吨
10000
2.201亿吨
0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006
(2)煤气：焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气
CO(5~7%)+H2(50~60%) +CO2(2~5%)+N2(5~10%) +CH4(20~30%) 发热量15000~19000kJ/Nm3
CO(50~70%)+H2(0.5~2.0%) +CO2(14~15%)+N2(10~20%) 发热量7500~11000kJ/Nm3
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5）耐火材料的生产工艺过程
原料 结合剂 添加剂 粉碎 混合 配料 混练 热处理 不定型耐材 成型 干燥 烧成 烧成砖 不烧成砖 添加剂 配料 混料 电熔 铸造 冷却 加工 熔铸砖
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包装
焦油结合
1.8 钢铁工业发展现状
1）目前钢铁材料的无法替代性； 2）世界主要产钢国家过去百年(1901-2000)的发 展情况； 3）中国目前是世界第一产钢大国； 4）中国钢铁工业技术装备已跻身世界先进水平
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中国钢铁工业技术装备已跻身 世界先进水平
• • • • • 高炉：大型化、长寿化、大喷煤、利用系数 转炉：生产效率、炉龄、负能炼钢 连铸：高效化、紧凑化 轧钢：全自动连轧 自控：检测、智能化
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1.9 环保、循环经济与钢铁工业 的可持续发展
进入新世纪后人类社会发展发展呈 现知识型经济和循环型经济两大趋势。 知识型经济要求加强经济过程中智力资 源对物质资源的替代，实现经济活动的 知识化转向；循环型经济要求以环境友 好的方式利用自然资源和环境容量，实 现经济活动的生态化转向。