材料科学与基础分析

①元素的氧化和脱碳
Fe、Si、Mn等元素的氧化
[Fe]+1/2[O2]=(FeO) [Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe] [Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]
脱碳过程的主要反应
[C]+1/2[O2]=[CO] [C]+(FeO)=[CO]+[Fe] [C]+{O}=[CO]
②造渣 炼钢过程中的造渣主要是为了脱磷和脱硫。
③炉渣
碱性炉渣（炉渣中CaO质量分数较高）主要可 用来生产水泥，酸性炉渣（炉渣中SiO2较高） 主要用来制造渣砖和渣棉等建筑材料。
`5.1.1.2 钢的制备
1、炼钢的实质与基本的物理化学过程
钢与生铁在化学成分上的主要差别是碳、硅质 量分数低，硫、磷等有害元素和杂质质量分数 少。而实现这一目标的方法就是在熔化的生铁 中加入氧化剂（氧气或氧化物等），使元素和 杂质氧化成气体和形成炉渣被去除。
表4－1 铁矿石的矿物组成及特征
名称
化学成分
颜 色
磁铁 Fe3O4＋非铁氧化 黑
矿
物
色
赤铁 Fe2O3＋非铁氧化 红
矿
物
色
褐铁 Fe2O3•nH2O＋非铁 褐
矿
氧化物
色
菱铁 FeCO3+非铁氧化 灰
矿
物
色
冶炼性能
含铁量 /w%
有害 杂质
还原性
45～70 多 不好
55～60 少
好
35～55 磷少 好
选矿是不改变原矿石中有用矿物成分而除去脉 石，提高原矿石中有用矿物的品位，同时除去 有害杂质。
干燥和煅烧是为了节约冶炼工序中的热能，便 于矿石的搬运和向炉内供料等，防止水分引起 的反应性能降低等目的。
焙烧是把矿石加热到比熔化温度低200～300℃， 以改变矿石的化学组成，除去原料中的有害杂 质，回收有用元素，同时还可以使矿石组织疏 松，便于破碎和提高矿石的还原性的工艺过程。
3Fe2O3＋CO＝2Fe3O4＋CO2 Fe3O4＋CO＝3FeO＋CO2 FeO＋CO＝Fe＋CO2
②其它元素的变化
由于铁矿石中含有SiO2、MnO2和Ca(PO4)2 等组分，在高炉冶炼条件下，它们被还原成 Si、Mn和P等进入铁水中。另外焦炭和矿石 中的硫也会在冶炼过程中部分转入铁水。因 此，冶炼的生铁中除碳外，还含有约 0.5w%~3.5w%Si，0.5w%~1.5w%Mn， 0.07w%~1.0w%P，以及0.03w%~0.08w%S 等元素。
氧气顶吹转炉炼钢法是高炉或化铁炉直接供应 高温铁水作为原料，熔炼时利用从炉口顶部吹 入的高压纯氧来氧化铁水，同时产生热量维持 熔炼所需的高温。氧气顶吹转炉炼钢法的冶炼 过程主要包括装料、吹炼和出钢三个阶段。 转炉炼钢的特点: 吹炼速度快、生产率特别高。另外，氧气顶吹 转炉炼钢品种多、质量好，它可以冶炼全部平 炉冶炼的钢种和部分电炉钢种，而且冶炼过程 中的原材料消耗少，热效率高，成本低。
粉矿造块是为了充分利用各种资源和便于冶炼 操作，将粉矿以及其它含铁粉料再进行加工处 理，制成人造富矿块。
（2）钢铁冶炼
一、高炉炼铁
1、高炉炼铁原料 ①铁矿石
根据其矿物组成铁矿石分为四种：赤铁矿、磁 铁矿、褐铁矿和菱铁矿。 矿石中除铁的氧化物外，还含有被称为脉石的 非铁氧化物，主要成分为SiO2和Al2O3等。
转炉炼钢
（2）平炉炼Βιβλιοθήκη Baidu法
平炉炼钢是靠外加燃料的燃烧来加热熔炼的，一 般以煤气为燃料。氧化方法是以吹入纯氧为主， 并加入铁矿石为辅。 平炉冶炼过程包括补炉、装料、熔化、精炼、脱 氧和出钢五个阶段。 平炉炼钢的特点是原料不受限制。另外平炉炼钢 的化学成分和温度容易控制，钢的质量比较稳定。 但平炉炼钢投资浩大，冶炼时间长，生产率较低， 有被转炉炼钢法取代的趋势。
根据用途生铁分为铸造生铁和炼钢生铁两大类。 铸造生铁主要用来重新熔化，生产各种铸铁件。 这种生铁的含硅量较高，具有良好的铸造性能 和使用性能。 炼钢生铁主要用于炼钢生产中，其含硅量较低。 因含硅量低，铁中碳主要以Fe3C形式存在，性 能脆而硬。
②高炉煤气
高炉煤气经过除尘净化后，可作为各种加热设 备和生活用的燃料，具有很高的经济价值。
30～40
少
最好（焙 烧后）
磁铁矿
赤铁矿
褐铁矿
菱铁矿
②燃料
对炼铁用焦炭的要求是固定碳质量分数要尽量 高，灰分尽量少，含硫磷尽量低，有一定透气 性和强度。
③熔剂 高炉炼铁过程中加入熔剂的目的是与矿石中的 脉石和焦炭中的灰分发生作用，形成低熔点的 熔渣，与铁水分离并排出炉外。
2、炼铁设备及过程
图5－1 高炉 结构示意图
（3）电弧炉炼钢法
电弧炉炼钢法是依靠石墨制成的电极与炉料之间 产生的高温电弧来进行加热熔炼的。电弧炉炼钢 法的步骤分为装料、熔化、氧化、还原及出钢。
电弧炉炼钢的主要特点是冶炼温度高，炉内气 氛可以控制，钢水成分容易调节，能有效清除 硫、磷等有害杂质，加入贵金属元素损失少， 但生产率较低，电能成本高，所以电弧炉炼钢 法主要用于生产合金钢和高质量钢种。
③造渣
高炉冶炼过程中造渣的主要作用是有效地将还 原出来的铁与各种杂质分离，同时控制生铁成 分达到一定要求，特别是保证含硫量合格。
炉料中的脉石和焦炭燃烧后的灰分是高炉炉渣 的主要来源，其主要成分是SiO2和Al2O3，去除 这些高熔点杂质的方法是在炉内加入作为熔剂 的石灰石。
4、高炉主要产品
①生铁
高炉包括炉型、上料系统、送风系统、煤气除 尘系统、渣铁处理系统和喷吹系统等几个部分。
3、高炉内发生的基本反应 （1）燃料的燃烧
C＋O2＝CO2 2C＋O2＝2CO
（2）冶金反应 ①氧化铁的还原
氧化铁的还原是从高价氧化物到低价氧化物， 最后到金属铁逐级进行的，即 Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe
2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO•P2O5)+5[Fe]
[FeS]+(CaO)=(FeO)+(CaS) ③脱氧出钢
钢水脱氧主要是向钢水中加入适量的硅铁和锰 铁，一则利用硅和锰来还原钢水中的FeO，同 时为钢中增添硅和锰的质量分数，以改善钢的 性能。
2、炼钢方法
（1）氧气顶吹转炉炼钢法
第五章 材料的制备与成型加工
第一节 金属材料的制备与合成
从含有金属的矿石和其它原料中提炼出金属并 除去杂质的工业过程称为金属冶炼。
1 矿石
地壳中天然存在的元素或化合物称为矿物， 矿石是在经济和技术上能从中提取金属、金 属化合物以及其它有用物质的矿物的集合体。
（1）矿石的预处理
矿石的预处理包括选矿、干燥和煅烧、焙烧以 及粉矿造块。