第一章-材料的熔炼-1-1-钢铁冶金.讲述PPT课件
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• 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。
24
• 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；
27
铁熔焦 矿 石剂炭
上料机
喷吹 燃料 燃料罐
高炉
热风
冷风
空气
热风炉
鼓风机
炉渣
生铁
煤气
水
渣
铸炼特
渣
棉
造钢殊
除尘
净煤气
生生生
铁铁铁
建
绝
筑
热
炉 尘
材
材
料
料
其它用途 28
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 29
• 最大优点：环境的污染较小，能处理低 品位的矿石。
7
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。
8
• 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 • …….
9
1.1钢铁冶金
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。
2
材 料 学 科 二 级 学 科 分 类 表
材料学科
钢 有 冶 金 金 无 硅高 粉 复 腐 材 复 铸 焊
铁 色 金 属 属 机 酸分 末 合 蚀 料 合 造 接
冶 金 物 材 压 非 盐子 冶 材 与 科 材
金 属 理 料 力 金 工材 金 料 防 学 料
30
• 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。
31
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。
冶金、真空冶金等。
5
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；
6
• 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；
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）
19
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；
• 理论基础：氧化物生 成自由能-温度的关系 图（ΔGo-T图)
• 氧势线
20
21
22
• 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；
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
1
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
11
钢厂典型流程
12
宝钢生产工艺流程
13
14
15
• 炼铁视频 • 宝钢生产视频
16
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
17
高炉炉顶俯视
宝钢一号高炉（我国最大 高炉，有效容积4063m3)
25
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
26
• 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。
• 《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”
• 材料学家眼中的“冶金”—物理化学的过程
10
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。
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出铁口
地壳中主要元素的平均质量百分比(克拉克值）
元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H
质量 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
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。
23பைடு நூலகம்
• 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。
冶 化 与 加 属 程料
护与
金 学热工材 与
工
处料工
程
理
程
3
• 火法冶金 • 湿法冶金 • 电冶金 • ……
冶金工艺
4
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
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• 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；
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铁熔焦 矿 石剂炭
上料机
喷吹 燃料 燃料罐
高炉
热风
冷风
空气
热风炉
鼓风机
炉渣
生铁
煤气
水
渣
铸炼特
渣
棉
造钢殊
除尘
净煤气
生生生
铁铁铁
建
绝
筑
热
炉 尘
材
材
料
料
其它用途 28
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 29
• 最大优点：环境的污染较小，能处理低 品位的矿石。
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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。
8
• 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 • …….
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1.1钢铁冶金
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。
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材 料 学 科 二 级 学 科 分 类 表
材料学科
钢 有 冶 金 金 无 硅高 粉 复 腐 材 复 铸 焊
铁 色 金 属 属 机 酸分 末 合 蚀 料 合 造 接
冶 金 物 材 压 非 盐子 冶 材 与 科 材
金 属 理 料 力 金 工材 金 料 防 学 料
30
• 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。
31
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。
冶金、真空冶金等。
5
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；
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• 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；
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）
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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；
• 理论基础：氧化物生 成自由能-温度的关系 图（ΔGo-T图)
• 氧势线
20
21
22
• 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；
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
1
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
11
钢厂典型流程
12
宝钢生产工艺流程
13
14
15
• 炼铁视频 • 宝钢生产视频
16
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
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高炉炉顶俯视
宝钢一号高炉（我国最大 高炉，有效容积4063m3)
25
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
26
• 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。
• 《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”
• 材料学家眼中的“冶金”—物理化学的过程
10
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。
18
出铁口
地壳中主要元素的平均质量百分比(克拉克值）
元素 O Si Al Fe Ca Na K Mg Ti H
质量 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
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。
23பைடு நூலகம்
• 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。
冶 化 与 加 属 程料
护与
金 学热工材 与
工
处料工
程
理
程
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• 火法冶金 • 湿法冶金 • 电冶金 • ……
冶金工艺
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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