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1、课 程 简 介 冶金是一种历史悠久的工艺，我国出土的两三千年前的冶金产品如青铜器具、兵器等，其工艺水平令现代的冶金学家也赞叹不已；但一直到19世纪末冶金还仅仅是一种技艺，没有理论的指导,任何微小的进步都要靠人们长期的摸索。20世纪初期人们将物理化学理论用于分析和研究冶金过程，揭示冶金过程的内在本质和规律性，形成了新的学科分支冶金过程原理，才使冶金由技艺发展成为科学。在冶金过程原理的指导下，冶金技术得到迅速的发展，同时在 国民经济中形成为一个举足轻重的产业部门。,1.1钢铁工业概况1.1.1国民经济中钢铁工业的地位,评价一个国家的工业发达程度,价格低廉有较高的强度和韧性易于加工制造所需原料资源丰
2、富 冶炼工艺成熟、效率高,人均钢材消耗量 反映了一个国家的经济发达程度 日本人均钢材消耗量名列世界第一，为800Kg/人.年 我国的人均钢材消耗量为80Kg/人.年,发展钢铁工业的基础,稳定可靠的原料来源（矿石、煤、熔剂、耐火材料等）稳定的动力资源（水、电等）庞大的运输设施（铁路、水运等）雄厚的资金保证（投资大、建设周期长、回收效率慢）钢铁工业的发展，标志着这些条件的完善,反映国民经济的发达程度。,1.1.2钢铁工业的发展概况,二次世界大战后的四十多年中，钢铁工业获得重大发展 钢产量：50年代初的2亿吨90年代的7.4亿吨 我国 古代占领先地位（公元前六世纪已广泛使用铁器）；近代落后于欧洲国家
3、；从1890年（汉阳铁厂投产）1949年约半个世纪内累计 的钢产量不到200万吨；新中国成立后，特别是改革开放以来，钢铁生产有了重大 发展：1949年 1960年 1976年 1980年 15.8万吨 1840万吨 2045万吨 3703万吨 1986年 1988年 1995年 1996年 5190万吨 5900万吨 9300 万吨 突破1亿吨 名列世界第二 名列世界第一,世界大型钢铁企业：新日铁（2500万吨）蒲项钢铁公司（2200万吨）法国钢铁公司（1500万吨）英国钢铁公司（1200万吨）日本钢管公司（1100万吨）宝山钢铁公司（2300万吨）,1.1.3钢铁生产工艺流程,钢铁冶金的任务
4、把 铁 矿 石 冶 炼 成 合 格 的 钢,铁矿石去脉石、杂质和氧铁铁精炼（脱C、Si、P等）钢,还原熔化过程 氧化精炼过程（炼铁）（炼钢）,钢铁企业中的炼铁和炼钢,三种钢铁工艺流程的概念图,钢 铁 产 品,1 现代高炉炼铁工艺,1 现代高炉炼铁工艺,高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即使用焦碳做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料中的铁从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。,C,+O2=CO2,CO2+C=2CO,3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2,高炉结构图,块状区：炉料保持装料时的分层状态，没有液体。在该区发生水分蒸发、碳酸盐分解、铁矿石被CO还原等气固反应，有固态铁(海绵铁)生成,软熔区
5、：由软化和部分熔化的脉石、熔剂、铁等半融状态的物料与焦炭夹层组成，矿石从开始到完全熔化，主要发生FeO的直接还原反应和碳的气化反应。倒V形的软熔带起着支撑炉料的作用。其焦炭层促使还原煤气沿炉子径向分布。,滴落区：为液态渣、铁的滴落带，该区只有焦炭仍是固体，且呈疏松状态堆积，向下面的回旋区供给焦炭。在这里主要发生非铁元素(锰、硅、磷等)的还原，铁的渗碳与脱硫，以及碳的气化反应。,焦炭回旋区：热风通过配置在炉缸上部炉壁周围的1540个风口进入高炉，热风压力为200400 kPa，风速200 300m/s，因而在每个风口前形成一个煤气与焦炭快速循环运动的袋形回旋区。回旋区往炉内延伸0.52m，周围被
6、焦块所包围，焦炭回旋区是高炉内唯一存在的氧化性区域，也是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。,炉缸区：铁水和炉渣从静止的焦炭缝隙中渗出，形成渣铁分层的熔池，并完成最后的还原反应。铁中的碳达到饱和，锰、铁、磷等元素部分还原并熔入生铁。,特 点在逆流（炉料下降及煤气上升）过程中，完成复杂的物理化学反应；在投入（装料）及产出（铁、渣、煤气）之外，无法直接观察炉内反应过程；维持高炉顺行（保证煤气流合理分布及炉料均匀下降）是冶炼过程的关键。,1.1高炉冶炼的特点及主要过程,过 程还原过程 实现矿石中金属元素（主要是Fe）和氧元素的化学分离；造渣过程 实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离；传热及渣铁反应过
7、程 实现成分及温度均合格的液态铁水。,1.1高炉冶炼的特点及主要过程,1.1高炉原料,铁 矿 石,其它含铁代用品,天然块矿人造富矿 烧结矿 球团矿,碱性熔剂石灰,石灰石,白云石酸性熔剂 硅石特殊熔剂 萤石,残铁高、转炉炉尘 轧钢铁皮 硫酸渣,高 炉 原 料,熔 剂,1.1.1高炉对含铁原料的要求,我国现代高炉的追求高 产 率低 能 耗低 成 本,高炉的要求,1.1.1高炉对含铁原料的要求,含铁品位高,冷态强度高,熟料比高,粒度适宜,化学成分稳定,有害元素含量要少,低温还原粉化率低,还原膨胀率低,还原性好,软化温度高软化区间窄,熔融滴落温度高,滴落区间窄,高炉的要求,1.2 高炉燃料,高 炉 燃
8、 料,固体燃料,焦炉煤气,气体燃料,煤 粉,焦 炭,高炉煤气,1.3 耐火材料,耐 火 材 料,高炉本体用,热风炉内,不定形耐火材料,炉身上部粘土砖 炉身中部高铝砖 炉身下部碳化硅砖 炉腰、炉腹碳化 硅砖 炉缸上部碳化硅砖 炉缸下部外侧和底 部用碳砖，内衬高铝砖陶瓷杯,顶部及格子砖上部用硅砖；其它部位 用高铝砖或粘土砖,铁口炮泥及炉前沟泥 一般：焦粉粘土蒽油 特殊：刚玉碳化硅绢 云母焦粉焦油 喷补泥浆 Al2O3SiO2粘结剂（磷酸盐、皂土、水玻璃等）,1.2高炉产品,高 炉 产 品,主产品铁水Si 0.31.25%C 2.55.0%Mn 0.10.8%P 0.080.4%S 0.020.07
9、%铁水温度 14001500,少量铁合金 高碳锰铁 高碳硅铁 稀土硅铁高碳硅锰合金等,副产品炉渣 300600Kg/tCaO 3544SiO2 3242Al2O3 614MgO 413渣温1400-1600 热含量 16801900 KJ/Kg,副产品煤气16003500M3/tCO 2126%H2 1.02.0CH4 0.20.8CO2 1421 N2 5557Q低 32003800 KJ/M3,1.3高炉主要技术经济指标,1、有效容积利用系数 定义：每M3高炉有效容积每昼夜生产的合格铁量（T/M3.d）。我国1.62.4 T/M3.d；日本1.82.8 T/M3.d2、焦比 定义：冶炼每吨
10、生铁所消耗的焦炭的千克数（Kg/T）。我国焦比为250650Kg/T3、煤比 定义：冶炼每吨生铁所消耗的煤粉的千克数（Kg/T）。我国煤比为50220Kg/T,4、燃料比（焦比煤比）定义：冶炼每吨生铁所消耗的燃料的总和（Kg/T）。我国燃料比为450700（Kg/T）5、综合焦比（焦比煤比煤焦置换比）6、煤焦置换比 定义：喷吹1Kg煤粉所能替代的焦炭的Kg数。一般为0.8左右,1.3.1高炉主要技术经济指标,7、焦炭冶炼强度定义：每M3高炉有效容积每昼夜燃烧的焦炭吨数（t/M3.d）。一般为0.81.0t/M3.d 8、综合冶炼强度定义：每M3高炉有效容积每昼夜燃烧的综合焦炭的吨数（t/M3.
11、d）。一般为0.91.15t/M3.d利用系数、焦比及冶炼强度三者关系纯焦冶炼时：利用系数焦炭冶炼强度/焦比喷吹燃料时：利用系数综合冶炼强度/综合焦比,1.3.1高炉主要技术经济指标,9、燃烧强度 定义：每M3炉缸截面积每昼夜燃烧的焦炭的吨数（t/M3.d）。10、工序能耗 Ci（燃料消耗动力消耗回收二次能源）/产品产量（吨标准煤/T）1Kg标准煤的发热量为7000千卡（29310KJ）炼铁工序能耗在510Kg标准煤/吨铁，占吨钢总能耗50。,1.3.1高炉主要技术经济指标,11、焦炭负荷定义：每批炉料中铁、锰矿石的总重量与焦碳重量之比，用于评估燃料利用水平，调节配料的重要参数。12、生铁合格率定义：合格生铁量占高炉总产量的百分数。13、修风率定义：高炉修风时间占规定作业时间的百分数。14、炉龄定义：从高炉点火开炉到停炉大修，或高炉相邻两次的大修之间的冶炼时间。,1.3.1高炉主要技术经济指标,1、试述3种钢铁生产工艺的特点。2、简述高炉冶炼过程的特点及三大主要过程。3、画出高炉本体图，并在其图上标明四大系统。4、归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求。5、试述焦炭在高炉炼铁中的三大作用及其质量要求。6、试述高炉喷吹用煤粉的质量要求。7、熟练掌握高炉冶炼主要技术经济指标的表达方式。,第一章 思考题,
