1.金属材料的制备
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材料wk.baidu.com制备与加工
1
材料——人类赖以生存的重要物质基础。
材料——人类社会生产力水平的标志。
石器时代 人类历史 铜器时代
铁器时代 新材料推出与应用——人类的文明与进步
材料
现代文明的三大支柱 信息
能源
2
金属材料的制备
钢铁冶炼
有色金属熔炼
参考书：
1. 铁冶金学 2. 钢铁冶金原理 3. 炼钢学原理 4. 钢冶金 5. 钢铁冶金概论 6. 金属冶金工艺学 7. 有色金属熔炼与铸锭
磁铁矿（Fe3O4）：黑色或黑褐色，强磁性，磁选可选出，理论含 铁72.4%，天然矿石中含量最高，但还原性不 好，不单独用，碎后作烧结矿球团原料；
菱铁矿（FeCO3）：淡灰色或褐色，条纹是白或淡黄色（欧洲部分 地区用）
其它：砂铁、黄铁矿烧渣、轧钢铁皮、废铁屑。
9
1. 铁矿石成分： （1）主要成分Fe：50~60%Fe （>富矿； <贫矿，基本不使用）； （2）有用成分Mn、CaO ； （3）脉石成分SiO2、Al2O3（不需要的成分，但必然混入的）； （4）脉石中有害成分（矿石中也有）：S、P、Cu、As、Sn、Cr，
11
三、熔剂
1. 为生成和脉石成分反应、熔点低、流动性好的渣而添加的物质。
2. 炼铁用熔剂－主要是石灰石(CaCO3)
作用（1）矿石中脉石（SiO2、Al2O3) 酸性； 熔剂石灰石(CaCO3)热分解成CaO ； 生成熔点低的熔渣CaO-SiO2-Al2O3, 渣、铁易于分离。
（2）生成渣对铁水有脱硫作用。
（氧化精炼）
7
使用大量木炭（还原剂），森林枯竭，焦炭代替木炭。
➢1709年，英国人A. Darby 开发焦炭高炉；
➢1784年，英国人H. Cort 发明搅炼（puddling）法，煤作燃料从铁水精 炼成钢；
把钢铁和煤炭结合起来。但劳动生产率低，与高炉生产能力不相适应。
➢工业革命时期，发明钢的熔融精炼法，近代炼钢法的基础。
数种原煤（粉碎、混合）
1470~1570K，14~18h 焦炉、隔绝空气、干馏
焦炭
用于炼铁的煤 区别于一般燃料煤 （1）强度高（溃裂强度高）
3. 性状 炼铁用焦炭希望
（2）灰分少（11%以下） （3）粒度适当（25～75mm） （4）S含量低（0.5%～0.6%）
（5）多孔质，表面积大，反应性好。
多孔质 强度高
高炉内还原入铁水，影响质量；
2. 铁矿石性状： （下送风重要） （1）物理性质：粒度 物料破碎筛分Φ10-25mm
大部分细：块状化处理，烧结矿、球团原料 气孔率、压缩强度、粉化性、抗热震性等。 （2）化学性质：还原性（还原的容易程度）
10
二、焦炭 1. 作用 （1）还原剂：把铁矿石还原成铁（水）； （2）发热剂：熔化原料； （3）料柱的骨架：保持高炉透气性。 2. 制法
直接炼铁法：
铁矿石 木炭
少量铁块 锻铁
火坑
锻钢
1000~1500C 锻打挤出渣
德国一带的粒铁生产法；
英国一带的熟铁吹炼炉法；
日本古代的脚踏风箱炼铁法的前身炼铁法。
➢15世纪，莱茵河上游，熟铁吹炼炉加高，强制送风，炉底热度集中， 得到熔融状态的铁水；
间接炼铁法： 铁矿石 木炭
高炉
铁水
火坑
锻铁 锻钢
（还原冶炼）
现代仍是铁器时代 “钢的时代”
4
钢铁材料保持优势的理由： （1）资源较丰：铁元素占地壳的5％，丰度第4位，高品位矿石； （2）冶炼容易：大型、高速、连续、自动化，成本低廉； （3）作为结构材料有优越性：在强度、硬度、韧性方面； （4）对于合金化、热处理、加工等方面研究充分，可有宽广的适用性
钢铁材料缺点
（1）密度大 （2）易生锈
开发高强度钢等高强度材料 合适的设计，减少使用量
不锈钢
涂装
镀层
表面处理
电化学防腐
5
工业用铁的分类：按照[C]
化学纯铁 [C]0
按有无淬火效果区别
铁
工业纯铁 [C]＝0～0.02%
工业用铁 钢
[C]＝0.03%～1.2%
按锻延性、可铸性分
铸铁
炼铁原料 不可避免 钢铁冶炼方法 混入
3
钢铁冶炼
钢铁作为工业材料的地位
铁的冶炼 钢的熔炼
（1）金属材料（Fe、Al、Cu、Zn、Pb等） （2）陶瓷材料（水泥、玻璃、砖、陶器等） 工业材料 （3）塑料（聚乙烯、氯乙烯、聚酯等） （4）木材（加工材、合成板等） （5）纤维（纤维、纸等）
钢：94.5% 铝：2.5%（钢和铁的2%） 铜：1.3% 锌：0.7% 铅：0.5% 其它：0.1%
3. 石灰石加入量
碱度(basicity) R=(CaO)/(SiO2)
要求R＝1.0～1.4 块度20～50mm
R>1.0 碱性操作 R<1.0 酸性操作
4. 高炉渣中Al2O3含量10%～20% 白云石：CaCO3.MgCO3 高时对策：加入MgO（熔剂） 橄榄石：(Mg.Fe)O.SiO2 蛇纹岩：(3MgO.2SiO2.3H2O) 12
➢1856年酸性底吹转炉法（H. Bessemer）;
平炉法（Siemens- Martin）; ➢1879年碱性底吹转炉法 （S.G.Thomas）; ➢1899年电炉法（P.Heroult）
铁水作为原料 高效精炼钢水 大生产时代
间接熔融 炼铁法
铁矿石 焦炭
石灰石
高炉
铁水
（还原冶炼）
炼钢炉
钢水
（氧化精炼）
8
第一章、铁的冶炼
第一节、高炉炼铁的原料 主要原料是：铁矿石、焦炭（煤）、熔剂。 一、铁矿石
赤铁矿（Fe2O3）：红色、赤褐色，多无磁或弱磁，还原性好，是 最重要的铁资源（占铁矿石埋量的50%）；
褐铁矿（Fe2O3.nH2O）：黄褐色、赤褐色，含0.5~4个结晶水，矿 石有时在炉内热裂，消耗炉热，较少单 独用于高炉，烧结矿和球团原料；
P:引起冷脆的有害元素；
特殊元素：Ni、Cr、Mo、W
S:引起热脆的有害元素 控制含量<0.05%。
common steel or plain carbon6steel
钢铁的生产历史
➢公元前3000~5000 年，埃及古墓，铁器，直接用陨铁打制的；
➢公元前1500~2000 年，古代东方（土耳其），冶炼铁矿石制作铁器；
[C]＝2.5%～4.5% C:控制钢强、硬度，韧
性降低，变脆
碳
common 1%[C]b980MPa；
多种杂质元素
elementSsi:增强、硬度 1%[Si]－b增98MPa；
合金元素
Mn:淬透性、韧性增， 可降低S的有害性；
special special steel or alloy steel elements
1
材料——人类赖以生存的重要物质基础。
材料——人类社会生产力水平的标志。
石器时代 人类历史 铜器时代
铁器时代 新材料推出与应用——人类的文明与进步
材料
现代文明的三大支柱 信息
能源
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金属材料的制备
钢铁冶炼
有色金属熔炼
参考书：
1. 铁冶金学 2. 钢铁冶金原理 3. 炼钢学原理 4. 钢冶金 5. 钢铁冶金概论 6. 金属冶金工艺学 7. 有色金属熔炼与铸锭
磁铁矿（Fe3O4）：黑色或黑褐色，强磁性，磁选可选出，理论含 铁72.4%，天然矿石中含量最高，但还原性不 好，不单独用，碎后作烧结矿球团原料；
菱铁矿（FeCO3）：淡灰色或褐色，条纹是白或淡黄色（欧洲部分 地区用）
其它：砂铁、黄铁矿烧渣、轧钢铁皮、废铁屑。
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1. 铁矿石成分： （1）主要成分Fe：50~60%Fe （>富矿； <贫矿，基本不使用）； （2）有用成分Mn、CaO ； （3）脉石成分SiO2、Al2O3（不需要的成分，但必然混入的）； （4）脉石中有害成分（矿石中也有）：S、P、Cu、As、Sn、Cr，
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三、熔剂
1. 为生成和脉石成分反应、熔点低、流动性好的渣而添加的物质。
2. 炼铁用熔剂－主要是石灰石(CaCO3)
作用（1）矿石中脉石（SiO2、Al2O3) 酸性； 熔剂石灰石(CaCO3)热分解成CaO ； 生成熔点低的熔渣CaO-SiO2-Al2O3, 渣、铁易于分离。
（2）生成渣对铁水有脱硫作用。
（氧化精炼）
7
使用大量木炭（还原剂），森林枯竭，焦炭代替木炭。
➢1709年，英国人A. Darby 开发焦炭高炉；
➢1784年，英国人H. Cort 发明搅炼（puddling）法，煤作燃料从铁水精 炼成钢；
把钢铁和煤炭结合起来。但劳动生产率低，与高炉生产能力不相适应。
➢工业革命时期，发明钢的熔融精炼法，近代炼钢法的基础。
数种原煤（粉碎、混合）
1470~1570K，14~18h 焦炉、隔绝空气、干馏
焦炭
用于炼铁的煤 区别于一般燃料煤 （1）强度高（溃裂强度高）
3. 性状 炼铁用焦炭希望
（2）灰分少（11%以下） （3）粒度适当（25～75mm） （4）S含量低（0.5%～0.6%）
（5）多孔质，表面积大，反应性好。
多孔质 强度高
高炉内还原入铁水，影响质量；
2. 铁矿石性状： （下送风重要） （1）物理性质：粒度 物料破碎筛分Φ10-25mm
大部分细：块状化处理，烧结矿、球团原料 气孔率、压缩强度、粉化性、抗热震性等。 （2）化学性质：还原性（还原的容易程度）
10
二、焦炭 1. 作用 （1）还原剂：把铁矿石还原成铁（水）； （2）发热剂：熔化原料； （3）料柱的骨架：保持高炉透气性。 2. 制法
直接炼铁法：
铁矿石 木炭
少量铁块 锻铁
火坑
锻钢
1000~1500C 锻打挤出渣
德国一带的粒铁生产法；
英国一带的熟铁吹炼炉法；
日本古代的脚踏风箱炼铁法的前身炼铁法。
➢15世纪，莱茵河上游，熟铁吹炼炉加高，强制送风，炉底热度集中， 得到熔融状态的铁水；
间接炼铁法： 铁矿石 木炭
高炉
铁水
火坑
锻铁 锻钢
（还原冶炼）
现代仍是铁器时代 “钢的时代”
4
钢铁材料保持优势的理由： （1）资源较丰：铁元素占地壳的5％，丰度第4位，高品位矿石； （2）冶炼容易：大型、高速、连续、自动化，成本低廉； （3）作为结构材料有优越性：在强度、硬度、韧性方面； （4）对于合金化、热处理、加工等方面研究充分，可有宽广的适用性
钢铁材料缺点
（1）密度大 （2）易生锈
开发高强度钢等高强度材料 合适的设计，减少使用量
不锈钢
涂装
镀层
表面处理
电化学防腐
5
工业用铁的分类：按照[C]
化学纯铁 [C]0
按有无淬火效果区别
铁
工业纯铁 [C]＝0～0.02%
工业用铁 钢
[C]＝0.03%～1.2%
按锻延性、可铸性分
铸铁
炼铁原料 不可避免 钢铁冶炼方法 混入
3
钢铁冶炼
钢铁作为工业材料的地位
铁的冶炼 钢的熔炼
（1）金属材料（Fe、Al、Cu、Zn、Pb等） （2）陶瓷材料（水泥、玻璃、砖、陶器等） 工业材料 （3）塑料（聚乙烯、氯乙烯、聚酯等） （4）木材（加工材、合成板等） （5）纤维（纤维、纸等）
钢：94.5% 铝：2.5%（钢和铁的2%） 铜：1.3% 锌：0.7% 铅：0.5% 其它：0.1%
3. 石灰石加入量
碱度(basicity) R=(CaO)/(SiO2)
要求R＝1.0～1.4 块度20～50mm
R>1.0 碱性操作 R<1.0 酸性操作
4. 高炉渣中Al2O3含量10%～20% 白云石：CaCO3.MgCO3 高时对策：加入MgO（熔剂） 橄榄石：(Mg.Fe)O.SiO2 蛇纹岩：(3MgO.2SiO2.3H2O) 12
➢1856年酸性底吹转炉法（H. Bessemer）;
平炉法（Siemens- Martin）; ➢1879年碱性底吹转炉法 （S.G.Thomas）; ➢1899年电炉法（P.Heroult）
铁水作为原料 高效精炼钢水 大生产时代
间接熔融 炼铁法
铁矿石 焦炭
石灰石
高炉
铁水
（还原冶炼）
炼钢炉
钢水
（氧化精炼）
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第一章、铁的冶炼
第一节、高炉炼铁的原料 主要原料是：铁矿石、焦炭（煤）、熔剂。 一、铁矿石
赤铁矿（Fe2O3）：红色、赤褐色，多无磁或弱磁，还原性好，是 最重要的铁资源（占铁矿石埋量的50%）；
褐铁矿（Fe2O3.nH2O）：黄褐色、赤褐色，含0.5~4个结晶水，矿 石有时在炉内热裂，消耗炉热，较少单 独用于高炉，烧结矿和球团原料；
P:引起冷脆的有害元素；
特殊元素：Ni、Cr、Mo、W
S:引起热脆的有害元素 控制含量<0.05%。
common steel or plain carbon6steel
钢铁的生产历史
➢公元前3000~5000 年，埃及古墓，铁器，直接用陨铁打制的；
➢公元前1500~2000 年，古代东方（土耳其），冶炼铁矿石制作铁器；
[C]＝2.5%～4.5% C:控制钢强、硬度，韧
性降低，变脆
碳
common 1%[C]b980MPa；
多种杂质元素
elementSsi:增强、硬度 1%[Si]－b增98MPa；
合金元素
Mn:淬透性、韧性增， 可降低S的有害性；
special special steel or alloy steel elements