冶炼原理和工艺

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金属材料冶炼原理和工艺
东南大学材料科学与工程学院 江苏省先进金属材料重点实验室 余新泉
绪 论

炼钢的基本过程 我国钢铁业发展现状

炼钢的基本任务
1.1 炼钢的基本过程
地壳中铁元素比较丰富,约为 5 %,含铁矿物主
要是以氧化物形式存在。 铁容易形成各种不同类型的合金,这些合金能够 满足当代机械、电气、建筑、运输等国民经济重 要部门对材料性能的要求,因而钢材一直是国民 经济中最重要的原材料之一。 即使从 20世纪后半叶起,有色金合金、塑料、陶 瓷、复合材料等新兴材料开始崭露头角,并以很 高的速度发展,在某些领域中可以取代部分钢材; 但钢材除因其价格低廉外,还因其可回收性强, 对于那些坚持可持续发展通路的国家来说,在国 民经济的重要地位并没得到动摇。


新中国成立后,特别是改革开放以来,我国的钢
铁事业得到迅速发展,1980年钢产量达到3712
万吨,1990年达到6500万吨,1996年首次突破 1亿吨大关,成为世界第一产钢大国。2009年产 量达到5.68亿吨,占世界产量的40%多。

可以这样讲,我国的钢铁工业对世界产生了重要
影响,我国不仅是产钢大国,而且已经开始迈入
钢铁强国的行列。
YOY:Year-on-year percentage
我国粗钢产量的变化情况
2008年主要国家钢产量排名
排名 国家 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 中国 日本 美国 俄罗斯 印度 韩国 德国 乌克兰 巴西 意大利 2008(百万吨) 2007 502 118 91.5 68.5 55.1 53.5 45.8 37.1 33.7 30.5 489 120 98.2 72.4 53.1 51.5 48.6 42.8 33.8 31.5
钢与生铁的区别:

首先是碳的含量,理论上一般把碳含量小于2.11%称
之钢,它的熔点在1450-1500℃,而生铁的熔点在
1100-1200℃。

在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体,随着碳含 量的增加,其强度、硬度增加,而塑性和冲击韧性 降低。

其次,其它元素O、N、Si、S、P…含量不同。
冶金热力学—— 氧化还原反应—— 钢铁冶金中的氧化还原
技术相对落后

2005年中国钢铁工业吨钢综合能耗比国际先进水平 高出10%~15%。 2007年钢铁工业总能源占全国能耗14.71%,工业 废水排放量占工业排放总量8.53%,工业粉尘排放 量占工业总排放15.18%。
中国钢铁工业的能耗与国际先进水平的
800
归一化的可比能耗 kgce/t
差距
钢铁产业振兴规划
2009年1月14日国务院通过钢铁产业振兴规划提出: 加快钢铁产业调整和振兴,必须以控制总量、淘汰 落后、联合重组、技术改造、优化布局为重点, 推动钢铁产业由大变强。 1.要统筹国内外两个市场,落实扩大内需措施,拉动国 内钢材消费;实施灵活的出口税收政策,稳定国际市 场份额。 2.要严格控制钢铁总量,淘汰落后产能,不得再上单纯 扩大产能的钢铁项目。
冶金热力学—— 氧化还原反应—— 钢铁冶金中的氧化还原
一个问题的澄清:
氧化还原是必然同时存在于一个化学反应中,之所以说炼铁是还原,炼钢 是氧化,主要是针对我们的主要考察对象而言,并非炼铁只有还原,炼钢 只有氧化。 1). 一个元素与氧结合被氧化的同时,一般会存在另外一个元素的氧被剥夺 而被还原,Fe2O3+3C=3CO+2Fe; 2). 一个化学反应中,一个元素的化合价增加,我们称之为被氧化,同时必 然存在另外一个元素的化合价减少而被还原,Si+O2=SiO2; 3). 一个化学反应中,失电子的元素被氧化,同时必然存在得电子的元素被 还原,Zn+Cu++=Zn+++Cu,或者写成两步:Zn-2e=Zn++,Cu+++2e=Cu。
781
700 620
683 663 602
600
500
日本
法国
德国
英国
中国
* 除中国的数据是2005年的外,其它均是1994年的数据。
我国落后炼铁和炼钢能力分别达到1亿吨和 5500万吨,这些落后能力单位能耗通常比大型 设备高出10%~15%,物耗高出7%~10%, SO2排放高出3倍以上。 提出了工作目标: 2007年全国淘汰落后炼铁能力3000万吨,炼 钢能力3500万吨; 2010年全国淘汰落后炼铁能力1亿吨,炼钢能 力5500万吨。 能否实现?
资源性产品价格已成为影响世界经济的重要因素


长期以来,世界资源价格体系被少数财团所垄断, 处于一种不合理的状态。价格没有反映资源的稀 缺程度、市场的供需关系、和环境成本等因素。 从1980 到2008上半年间,全球: 石油价格上升3.9倍达143美元/桶 铁矿石价格上涨4.9倍,达144美元/吨 焦煤价格上涨4.4倍 高价位的原料,已将钢铁行业逼到了悬崖绝壁。
3.要发挥大集团的带动作用,推进企业的联合 重组,培育具有国际竞争力的大型和特大型 企业钢铁集团,优化产业布局,提高集中度。 4.要加大技术改造、研发和引进力度,在中央 预算内基建投资中列支专项资金,推动钢铁 产业技术进步,调整品种结构,提升钢材质 量。 5.要整顿铁矿石进口市场秩序,规范钢材销售 制度,建立产销风险共担机制。
高炉炼铁
还原反应
铁矿石:赤铁矿Fe2O3、磁铁矿Fe3O4、褐铁矿Fe2O3· H2O和菱铁矿FeCO3 脉石:SiO2、CaO、MgO、Al2O3、P2O5、MnO、S、…… 焦炭和灰分:C、FeS、CaSO4、有机硫化物、Al2O3、SiO2、…… 石灰石:CaO、MgO、Al2O3、SiO2、Fe2O3、S、…… 共生金属矿:大冶铁矿含Cu、攀枝花铁矿含V和Ti、马鞍山铁矿含V、包头铁 矿含Nb、Mn和稀土金属、中南和西南铁矿含As和Sn、……
线材 钢筋
板带材
8024 9708
26096
52 2
1272 324 104 409
505 116
2879 294 19 371
106 101
106 98.4 84.1 97.8
冷轧薄宽带 1804 钢 电工板 447 镀层板 1765
我国钢铁生产问题
粗钢产量严重供大于求 钢材出口严重萎缩 钢铁产能严重供大于求 钢铁落后产能淘汰严重滞后,难于实施 资源匮乏 技术落后

中国钢铁生产需要新的发展阶段

钢铁生产从规模扩张,进入到结构调整----组 织结构、产品结构、营销模式。 钢铁产量从高速增长进入到平稳增长。 钢铁企业的效益从高利润进入到正常利润回 归。 钢铁行业的发展模式——绿色环保循环经济 为前提,要进一步实现装备大型化、生产专 业化、经营集团化、原料采购全球化。

按预测计算,2009-2020年的12年间,中国年钢材消费增 长率为2.74%。其中2011-2015年为2.17%,2015-2020年 为1.77%。
产能过剩矛盾加剧


到2008年底,我国炼钢产能达6.6亿吨,与实际粗 钢产量比较,过剩产能达1.6亿吨以上. 钢铁产品结构与市场需求的矛盾加剧,我国宽带钢 产能已建成和规划的达1.7亿吨,大大超过实际市 场需求,我国的中厚钢板的产能已达8000万吨,也 大大超过实际市场需求. 2009年的粗钢产量按照GDP8%预测,需要4.84.9亿吨左右。由于国内需求量的减少,出口量的 减少两大因素的影响,这就加剧的了产能过剩的矛 盾,这将直接导致钢材价格将在低价位线震荡。
(百万吨)
增长率(%) 2.6 -1.2 -6.8 -5.4 3.7 3.8 -5.6 -13.4 -0.2 -3.4
粗钢:2009年全国粗钢产量5.68亿吨, 产量前十位的省市分别是:
排名 1 省份 河北 产量(万吨) 13500 占总量(%) 23.84
2 3 4 5
6
江苏 山东 辽宁 山西
河南
20年来典型的钢铁生产工艺流程的变化 (a)以往的工艺流程;(b)现代工艺流程
1.2 我国钢铁业的发展现状

我国很早就掌握了炼铁的冶炼技术,东汉时就 出现了冶炼和锻造技术,南北朝时期就掌握了 灌钢法,曾在世界范围内处于领先地位。 但旧中国钢铁工业非常落后,产量很低,从 1890年建设的汉阳钢铁厂至1948年的半个世 纪中,钢产量累计到200万吨,1949年只有 15.8万吨。
5490 4857 4783 2648
2328
9.67 8.55 8.42 4.66
4.1
7 8 9 10
天津 上海 湖北 安徽
2124 2032 1985 1760
3.74 3.58 3.5 3.1
2008年我国主要钢材品种产量
(万吨)
品种 长材
产量 26251
进口量 127
出口量 1618
自给率 106
主要国家的铁矿石储量与钢产量
冶金资源的缺乏
世界可开 采年限 铁矿 焦煤 锰矿 156年 40~60年 81年 国内尚可 开采年限 (30+20)年 (40+20)年 富矿进口
2010年进口845万吨
2010年进口135.5万吨
备注
2009年进口≥4亿吨
铬矿
镍矿
155年
52年
富矿进口
富矿进口
基本进口
冶金热力学—— 氧化还原反应—— 钢铁冶金中的氧化还原
连铸凝固
氧化反应
N[M]+m[O]=MnOm
1). 钢液凝固过程中,在凝固前沿因为分配系数的不同会出现某现元素的富集, 从而产生一些元素的再氧化; 2). 金属元素的氧化产生的就是氧化物夹杂,这些夹杂有可能上浮进入熔渣, 有可能留下成为钢材中最后的夹杂,并有可能有害,也有可能有利; 3). 因为元素的富集,可能出现C和O在凝固前沿同时富集,于是生成CO气体, 而且经常出现在铸坯的表层下,严重影响后面的轧制工艺; 在连铸过程中,因为外界热力学条件的变化而出现的新的氧化反应,我们同 样需要掌握相关的热力学规律,从而避免在最后一个工艺阶段出现问题而前 功尽弃。
钢铁行业联合重组加快



由唐钢和邯钢组成的河北钢铁集团 由济钢和莱钢组成的山东钢铁集团 由鞍钢和本钢组成的东北钢铁集团 由沙钢和淮钢永钢组成的沙钢集团 由江阴兴澄、大冶和石钢组成的中信特钢集团 由武钢、昆钢柳钢组成的广西钢铁集团 由宝钢、广钢韶钢组成的广钢集团
MnOm+mC=nM+mCO
MnOm+mCO=nM+mCO2
还原反应谁先谁后,每个反应是吸热还是放热,对于整个冶炼源自文库艺而言非常 重要,是工艺设计的基础。
冶金热力学—— 氧化还原反应—— 钢铁冶金中的氧化还原
转炉炼钢
氧化反应
N[M]+m[O]=MnOm
1). 吹氧炼钢首先氧化的是铁水中的Si、Mn,然后C才被大量氧化并形成显著 的CO燃烧火焰; 2). 碳焰上来以后,如果铁水中还含有Si、Mn,它们将以“余硅”、“余锰” 存在于钢水之中很难再被进一步氧化; 3). 进入生铁的Nb、V、Cr可以在适当温度下,在C被大量氧化之前先被氧化 进入炉渣,然后从渣中将这些合金元素提取出来,谓之“选择性氧化”; 4). 进入生铁中的Cu、Ni、Co在炼钢过程中不能被氧化,将始终留在钢内; 所有元素相互之间存在一个氧化顺序问题,这是由它们的氧化反应自由能决 定的,因此,必须熟悉和掌握元素的氧化规律,才能有效合理地控制炼钢过 程。
250 200
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过去长期以来, 依靠价值低价的资源、廉价的劳动力形成 了我国在国际市场的比较优势,特别是在出口和吸引投资 带动下,保持了经济的高速增长,今天这一优势正在丧失, 我国资源、能源越来越多的依靠进口,定价权不掌握在我 们手中;国内劳动力价格上升,使我国经济低成本发展时 期成为过去,我国经济进入了高成本时代。 我国经济总量已经位列世界前矛,但经济的发展模式依然 是粗放式,对资源的需求特别庞大,单纯依靠本国资源是 根本无法满足,经济发展的多数原料要靠进口满足。对世 界市场的影响巨大,从全球资源供求关系因为我国经济的 快速发展发生了巨大变化,从过去的供大于求到目前的供 不应求,而钢材生产的供求关系也正在发生逆转,由过去 的供不应求转变为供大于求这二基本关系的变化,决定了 我国经济需要进行结构调整,才能保证持续发展。
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