金属材料的制备与加工

7、块矿(lump ore)和粉矿(fine ore)
破碎、筛分
富矿
粉矿（<5mm）供烧结厂生产烧结矿 大中型高炉<45mm
块矿(>5~10mm),上限 中小型高炉<20~25mm
3.2 主要原料
高炉冶炼用的原料主要有铁矿石（天然富矿和人造富 矿）、燃料(fuel)（焦炭和喷吹燃料）、熔剂(flux)（石灰 石与白云石等）。
返矿
(送烧结)
φ9~16mm
成品球团矿
(送高炉)
5.高炉冶炼主要技术经济指标
有效容积利用系数（ŋV）：高炉每立方米有 效容积每天生产的合格铁水量（t/m3·d）
高炉每天的合格生铁量P
ηV=
高炉有效容积Vu
ห้องสมุดไป่ตู้
入炉焦比（K）：冶炼一吨生铁消耗的焦 炭量（kg/t）
每天装入高炉的焦炭量 K=
高炉每天出铁量
小结
重点掌握内容： ➢ 高炉炼铁原料及作用、烧结及过程； ➢ 高炉结构、高炉内区域及进行反应、高炉
生产主要技术经济指标；
➢ 思考题：如何实现炼铁工艺的清洁化生产？
五、高炉生产
1.生产原则 “优质、低耗、高产、长寿、高效益”
ŋV=I/K 提高利用系数的四种途径： （1）冶炼强度不变，不断降低焦比 （2）焦比不变，冶炼强度提高 （3）随着冶炼强度提高，焦比降低 （4）随着冶炼强度提高，焦比有所上升，但
熔剂的作用：
– 助熔，改善流动性，使渣铁容易分离； – 脱硫（焦炭和矿石中S）。
3.3 烧结
将各种粉状铁，配入适宜的燃料和熔剂， 均匀混合，然后放在烧结机点火烧结。在 燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化 作用下，部分混合料颗粒表面发生软化熔 融，产生一定数量的液相，并润湿其它未 融化的矿石颗粒。冷却后，液相将矿粉颗 粒粘结成块。这一过程叫烧结，所的到的 块矿叫烧结矿。
煤比M（或油比）：冶炼一吨生铁消耗的煤粉 量或重油（kg/t）
每天喷入高炉的煤粉量 M=
高炉每天出铁量
燃料比＝焦比＋煤比（或油比） 冶炼强度I：高炉每立方米有效容积每天消耗的
（干）焦炭量（焦比一定的情况下）
高炉每天消耗的焦炭量 I=
高炉的有效容积
ŋV=I/K
生铁合格率：生铁化学成分符合国家标准的总量占 生铁总量的指标。
冶炼1t生铁大约需要1.6~2.0t矿石，0.4~0.6t焦炭(coke)， 0.2~0.4t熔剂。
高炉冶炼是连续生产过程，必须尽可能为其提供数量充 足、品味高、强度好、粒度均匀粉末少、有害杂质少及 性能稳定的原料。
铁矿石
磁铁矿（Fe3O4）-magnettie 赤铁矿（Fe2O3）-hematite
金属材料的制备与加工
参考书目： 《钢铁冶金原理（炼铁部分）》
《钢铁冶金原理（炼铁部分）》 黄希祐 主编
《有色金属熔炼与铸锭》陈存中 主 编
《钢铁冶金学》王莜留 主编
第一部分 炼铁部分简介 一、钢铁工业在国民经济中的地位
国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经 济发达程度。
1.原因：钢铁工业是基础材料工业，可用于 制造提高劳动生产率的各种机械设备。
3.1基本概念
1 矿物(Minerals)：地壳中具有均一内部结构、化 学组成及一定物理、化学性质的天然化合物或自 然元素称为矿物。其中能够为人类利用的称为有 用矿物。
2 矿石(Ore)：在现代的技术经济条件下，能以工 业规模从中提取金属、金属化合物或其它产品的 矿物称为矿石。
3 矿石的品位(Ore grade)：矿石中有用成分的质 量百分含量，称为该矿石的品位。
煤气的体积的变化
煤气量取决于冶炼强度、鼓风成分、焦比 等因素。
煤气的体积 总量在上升 过程中是增 加的。
煤气的成分变化
CO：煤气上升过程中，CO在高炉下部高温区开始增 加，煤气中的CO含量会相应减小。
CO2：在炉缸、炉腹部位几乎为零，从中温区开始增 加。
H2：来源于风中H2O汽和焦炭中的有机H2和喷吹燃料 中 C生H成的4，部挥含分发量HH22逐， ，渐上 又减升可少过适，程量但中增由由加于于煤炉参气料中加中间H结2接的晶还含水原量和和。碳生作成用
休风率：高炉休风时间（不包括计划大、中、小修） 占日历工作时间的百分数。
规定的日历作业时间=日历时间-计划大中修及封炉
时间
休风率=
高炉休风时间 规定的日历作业时间 ×100%
休风率反映高炉操作及设备维护的水平。
生铁成本：生产每吨合格生铁所需原料、燃料、材 料、动力、人工等一切费用的总和，单位：元/tFe。
熔剂
概念：由于高炉造渣需要，入炉料中常需要配 加一定数量的助熔剂，简称熔剂。
常用熔剂主要有：碱性：石灰石(calcite)和白云 石(dolomite)；
酸性：石英石（SiO2），含酸性脉石贫铁矿； 中性：高Al原料。
熔剂的要求：
– 有效成分含量高（CaO+MgO）； – 有害杂质S、P低； – 粒度均匀，强度好，粉末少。
2.现状
1949年，中国钢铁工业技术水平及装别极其落后， 钢的年产量只有25万吨。
1960年后，我国逐渐建立了现代化钢铁工业基础， 年产钢量1000万吨以上。
2011年，我国年钢产量近7亿吨，居世界首位，其 中某些企业技术装备已经接近甚至达到世界领先 水平。
注意：我国是世界上的钢铁大国，但不是钢铁强 国！
球团矿生产的工艺流程一般包括原料准备、 配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、 成品和返矿处理等工序。
圆盘造球机
竖炉 球团 矿生 产的 工艺 流程
铁精矿 膨润土
配料
燃烧煤气
混匀（圆筒混料机） (精矿过湿时)
造球（圆盘造球机）
返
生球过筛（辊轴筛） 矿
布料（移动布料机）
焙烧固结（竖炉）
(经链板机)
筛分（振动筛）
精矿、粉矿 （0~10mm）
石灰石、白云石 （80~0mm）
碎焦、无烟煤 （25~0mm）
瓦斯灰、轧钢皮 （10~0mm）
烧结 工艺 流程
破碎
>3mm
破碎
筛分
3~0mm
配
料
3~0mm
皮
带
烟道灰
一 次 混 料（混匀） 二 次 混 料（制粒）
布料
点火器
烧
结机
水 水蒸汽
灰尘
除尘
破碎
抽风
筛分
热返矿
烟筒
冷却
亨利·贝塞麦在1855年发明了酸性空气 底吹转炉炼钢法，第一次解决了用铁水直 接炼得液态钢的问题，使炼钢生产的质量、 产量提高了一大步。
1878年英国入托马斯(S.G.Thoma s)发明了碱 性炉衬的底吹转炉炼钢法，在工业炉中以 白云石加少量粘土作粘结剂制成炉衬，在 吹炼过程中加入石灰造碱性渣，解决了高 温铁水的脱磷问题。
排放
整粒 高炉矿槽 高炉
冷返矿 冷返矿
烧结过程主要反应
燃烧反应：C+O2，烧结废气中以CO2为主，存 在少量CO，还有一些自由氧和氮。
2C+O2=2CO； C+O2=CO2
分解反应：
结晶水的分解：褐铁矿（mFe2O3·nH2O）
高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O)
熔剂分解：CaCO3=CaO+CO2(750℃以上)
褐铁矿（mFe2O3·nH2O）-limonite 菱铁矿（FeCO3）-siderite
燃料
焦炭的作用：发热剂、还原剂及料柱骨架。 粒度：大型高炉 40~60mm； 中型高炉 25~40mm； 小型高炉 15~25mm；
喷吹燃料： 固体（无烟煤与烟煤粉） 液体（重油、煤焦油） 气体（天然气或焦炉煤气）
1.高炉炼铁目的
目的：将铁矿石高效而经济地得到温度与 成分合乎要求的液态生铁。
一方面实现矿石重金属元素Fe与O的分离， 即还原过程，另一方面还要实现被还原金 属与脉石的机械分离，即熔化与造渣过程。
2 .高炉结构及炉内区域分布 2.1 高炉结构
2.2高炉内各区域分布
3.含铁原料及其他辅料 3.1 基本概念 3.2 主要原料 3.3 烧结(sintering) 3.4 球团(pelletizing)
中国是最早使用铁器的国家之一，春 秋晚期（公元前6世纪），铁器已经广泛应 用。西汉时期盐铁官营，使冶铁业得以大 规模发展，据资料显示，当时已经有炉缸 横断面积8.5m2的高炉。
优势保持了2000年，直到明代中叶 （17世纪初），西方资本主义世界产业革 命兴起时为止。
1740年出现了一种可以熔炼液体钢的方 法——坩埚法，它是将生铁和废铁送入石 墨和粘土制成的坩埚内用火焰加热熔化炉 料，之后将熔化的炉料铸成钢锭，但这种 方法不能去除钢中的有害杂质。
＞1.0~2.0
家
特级
≤0.10
标 准
w (P)
一级 二级 三级
＞0.10~0.15 ＞0.15~0.25 ＞0.25~0.40
w (S)
特类 一类 二类 三类
≤0.02 ＞0.02~0.03 ＞0.03~0.05 ＞0.05~0.07
铁水温度在1450~1550℃。按照Si含量的不同，将高炉铁水分为炼钢生铁(w [Si]<1.25%) 和铸造生铁(w [Si]≥1.25%)。炼钢生铁中C含量在3.7~4.3%之间。
炉龄（高炉一代寿命）：即从高炉点火开始到停炉 大修之间实际运行的时间或产铁量。炉龄长，产铁 多，经济效益高。
铁种
炼钢生铁
我
牌号
炼04 炼08
炼10
国
代号
L04
L08
L10
生 铁
w (Si)
≤0.45
>0.45~0. >0.85~1.
85
25
产
一组
≤0.4
品
w (Mn) 二组
＞0.4 ~1.0
国
三组
煤气压力的变化
压力损失(△p)的表示式 △p =P炉缸-P炉喉
压力损失△p的作用 增加到一定程度时，将妨碍高炉顺行。
可供生产者选择的装料制度内容有以下几项： 批重、装料顺序、料线、装料装置的布料功 能变动等来达到预定目的。
批重：每座高炉都有一个临界批重（料批的 大小）。2000m3的高炉批重大于30t， 5000m3的高炉批重大于76.8t。
2.条件：
稳定可靠的原材料资源：煤炭、焦炭、铁 矿石、辅料等。
稳定可靠的动力资源：电力、水等。
稳定可靠的运输系统：铁路、海运、公路 等。
3.钢铁工业的特点：钢铁具有高强度及韧 性、易于加工、资源储量丰富。制造成本 较低、技术成熟、高能耗和高碳排放、污 染较重。
二、钢铁工业概况
1.历史：
N挥2发：N鼓2风，带在入上的升N过2程，中焦不炭参中加的任有何机反N2应和，喷绝吹对燃量料不中变的。 CH4：高温时少量焦炭与H2作用生成CH4，上升过程中
又加入焦炭挥发分中CH4，但数量很少，变化不大。
煤气温度的变化
炉内热交换现象：炉缸煤气在上升过程中 把热量传递给炉料，温度逐渐降低；而炉 料在下降过程吸收煤气的热量，温度逐渐 上升。
4 脉石(Gauge)：矿石中没有用的成分称为脉石， 一般在冶炼过程中需要去除。
5、富矿(high-grade ore)：含铁品位>50%的铁矿石
赤铁矿：理论含铁量70%
磁铁矿：理论含铁量72.4%
菱铁矿：理论含铁量48 . 3%
褐铁矿：理论含铁量55 . 2~66.1%
6、贫矿(lean ore)：实际含铁量低于理论含铁量70%的铁 矿石称贫矿（必须经过选矿后使用）
MgCO3=MgO+CO2(720℃)
烧结台车
世界上90% 以上烧结矿 由抽风带式 烧结机生产， 其主要设备 为烧结台车。
3.4 球团
将准备好的原料(细磨精矿或其他细磨粉状 物料、添加剂等)，按一定比例经过配料、 混匀制成一定尺寸的小球，然后采用干燥 焙烧或其他方法使其发生一系列的物理化 学变化而硬化固结．这一过程即为球团生 产过程，其产品即为球团矿。
上升幅度小于冶炼强度
四种途径都被应用过，冶炼强度对焦比的影响 成为高炉增产的关键。
2.高炉操作制度
高炉冶炼是逆流式连续过程。在高炉上颈部 预热及反应程度对下部工作状况有极大影响， 通过控制操作制度可维持操作的稳定，是生 产的基础。
操作制度包括：装料制度、送风制度、造 渣制度即热制度。
（1）装料制度
是炉料装入炉内方式的总称，决定着炉料 在炉内分布的状况。利用装料制度的变化 及调节炉况被称为“上部调节”。
生产中以炉喉处煤气中CO2分布，或煤气温 度分布，或煤气流速分布作为上部调节的 依据。
实际生产中，存在四种煤气分布情况。
煤气的运动
煤气的体积的变化 煤气的成分的变化 煤气的温度的变化 煤气的压力的变化
3.发展趋势 节能减排-CDQ、TRT
绿色冶金-太阳能光伏炼钢
清洁生产-短缺资源替代、二次资源综合利用、从 源头控制
能源替代-氢冶金、生物冶金
工艺优化-SC-EAF-CC-CR(废钢-电弧炉-连铸-连 轧)、熔融还原
三.钢铁生产的流程 钢铁生产工艺
高炉生产工艺流程
四、高炉炼铁工艺概述