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1、冶 金 工 程 概 论,冶金工程系 阮飞155-4728-0765材冶学院北213室,课程学习指导,课程名称：冶金工程概论课程介绍：2.0学分，32学时结课方式：闭卷考试成绩评定：总成绩=0.3平时+0.7期末参考教材：钢铁冶金概论 李慧主编 冶金工业出版社钢铁冶金概论 薛正良主编 冶金工业出版社注意事项：平时注意做笔记，期末绝不划重点！无故旷课3次，不得参加期末考试！!授课理念：力求“以简洁的语言，讲授丰富的知识”,课程的主要目的,介绍钢铁冶炼及加工过程的基本原理、工艺特点及基本工艺流程，使非冶金专业学生对钢铁联合企业的生产过程有一个全面而概括的了解，并初步掌握冶金的基本知识。,主要内容,第
2、一章 绪论第二章 高炉冶炼原料第三章 高炉炼铁工艺第四章 非高炉炼铁第五章 铁水预处理第六章 炼钢基本原理第七章 氧气转炉炼钢第八章 电炉炼钢第九章 炉外精炼第十章 连铸,第一章 绪论,1.1概述,冶金是一门研究如何经济地从矿石或其它原料中提取金属或金属化合物，并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。,冶金方法：火法冶金它是指在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中的金属和杂质分开，获得较纯金属的过程。整个过程可分为原料准备、冶炼和精炼三个工序。过程所需能源，主要靠燃料燃烧供给，也有依靠过程中的化学反应热来提供的。,湿法冶金它是在常温或低于100下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要
3、提取的金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将金属提取和分离出来的过程。该方法包括浸出、分离、富集和提取等工序。,电冶金它是利用电能提取和精炼金属的方法。按电能形式可分为两类:电热冶金：利用电能转变成热能，在高温下提炼金属，本质上与火法冶金相同。电化学冶金：用电化学反应使金属从含金属的盐类的水溶液或熔体中析出。前者称为溶液电解，如铜的电解精炼，可归入湿法冶金；后者称为熔盐电解，如电解铝，可列入火法冶金。,生铁是含碳量24.5%的Fe-C合金，并含有少量硅、锰、硫、磷，其质地硬而脆，不能锻压，主要用于铸造。钢是生铁的深加工产物，液态生铁经脱碳、脱硫、脱磷脱氧和合金化(加入一种或几种数
4、量不等的合金元素，如硅、锰、铬、镍、钨、钼、钒、钛、铌等)成为钢。与生铁相比，钢具有良好的可塑性，可以轧制或锻造成各种形状的钢材和机械零部件，具有良好的综合力学性能。,1.2 钢铁工业的发展1.2.1 钢与生铁的区别,钢与铁的主要区别在于：含碳量不同,钢铁的特性：铁元素在自然界中的储量高 钢具有良好的物理、机械性能、较高的强度和韧性。钢铁可以通过热处理工艺调整机械性能，满足各种需求。将某些金属（Ni、Cr、V、Mn）作为加入钢中，获得各种性能的合金。铁矿石冶炼和加工较容易，生产规模大、效率高、质量好、成本低。,钢铁产品作为基础材料，在现代工业中应用最广。目前还没有那种材料能取代钢铁现有地位。,
5、钢铁冶炼技术发展简史,从远古钢铁冶炼到今天的现代化钢铁联合企业，大致分为三个阶段：1）远古至13世纪末利用自然地形，将铁矿石和木炭一起放入称为地窖炉的炉膛内，加热冶炼。因冶炼温度低，只能得到半熔化状态的铁块，其中混有较多的氧化铁渣，称作海绵铁。其含碳量极低，故塑性较高，经锻打成型，制作成器具。冶炼工场设在出产铁矿和木材丰富的山区。2）13世纪末到19世纪中叶随着鼓风技术的发展，炉子越来越高，逐渐形成现代高炉的雏形，炉内温度提高，能得到熔融状态的生铁，这种生铁很脆，无法锻造成器具，将这种生铁和矿石及木炭一起在炉内再进行冶炼，得到性能比前者好的粗钢（熟铁）。从此钢铁冶炼形成了一直沿用至今的二步冶炼
6、法：第一步从矿石中冶炼出生铁，第二部由生铁精炼成钢。3）19世纪中期至今以生铁为原料在高温下精炼成钢，一直是钢铁生产的主要方法。在此期间，高炉鼓风由热风代替冷风，并建立了蓄热式热风炉，鼓风动力采用电力。确立了作为生铁精炼炉的转炉、平炉、电炉炼钢法。,1.2.3 近代钢铁冶炼技术的发展19世纪中期至今，钢铁冶炼得到了迅速的发展，这一时期钢铁冶炼技术的变革包括以下内容：底吹空气转炉的发明1856年英国人贝塞麦发明的底吹酸性空气转炉炼钢法。缺点：不能去除硫、磷；只能用低磷高硅生铁做原料。1878年，英国人托马斯发明了碱性底吹空气转炉炼钢法(即托马斯法)，用白云石加少量黏结剂制成炉衬，在吹炼过程中加入
7、石灰造碱性渣，解决了高磷铁水的脱磷问题。但空气底吹碱性转炉钢水中氮的含量高，炉子寿命也比较低。,平炉时代1864年，法国人马丁发明酸性平炉法炼钢。1880年出现第一座碱性平炉。碱性平炉适用于各种原料条件，生铁和废钢的比例可以在很宽的范围内变化，解决了废钢炼钢的诸多问题，钢的品种质量也大大超过空气转炉。但是设备庞大，生产率较低，对环境污染较大。目前平炉已经基本淘汰，但第一次炼钢技术革新是以平炉取代底吹空气转炉为标志的。,电弧炉的发明1899年，法国人赫劳特发明三相交流电弧炉。适于冶炼高合金钢，是当前冶炼碳素钢主要方法之一。,氧气转炉时代1952年奥地利林茨城、1953年多纳维茨城先后建立氧气顶吹
8、转炉(LD法)车间并投入生产，美国称作BOF或BOP。特点：生产率很高；钢的品种多，可以熔炼全部平炉钢种和大部分电炉钢种；钢水质量好，转炉钢的气体和非金属夹杂物的含量低于平炉钢；深冲性能和延展性能良好。无需外来热源，原料实用性强，投资低而建设速度快。氧气转炉炼钢是目前世界上最主要的炼钢方法。第二次炼钢技术革新是以氧气顶吹转炉代替平炉为标志。,1967年，氧气底吹转炉试验成功。由于从炉底吹入氧气，改善了冶金反应的动力学条件，脱碳能力强，有利于冶炼超低碳钢种，也适合高磷铁水。1978年，在顶吹转炉上进行了底吹惰性气体搅拌的实验并获得成功。特点：复合吹炼兼有底吹和顶吹转炉炼钢的优点，促进了金属与渣、
9、气体间的平衡，吹炼过程平稳，渣中氧化铁的含量少，减少了金属和铁合金的消耗，改造容易。,直接还原和熔融还原技术,1890年中国第一家钢铁厂在汉阳创建；1949年新中国成立，当年钢铁产量只有15.8万吨，居世界第26位，不到当时世界钢铁年总产量的1.6亿吨0.1%；经过第一个五年计划,1957年钢产量就达到535.5万吨；到1978年，我国钢产量达到3178万吨，居世界第五位，占当年世界钢铁产量的4.42%。1979年以后，我国钢铁工业获得了快速发展，新建了宝钢、天津钢管等大型现代化钢铁企业。通过对老企业挖潜改造，钢产量以每年400-500万吨的速度快速增长。1989年，我国钢产量达到6159万吨
10、，首次突破6000万大关，成为继美国、苏联、日本之后第4个产钢大国。,1.2.4 新中国钢铁工业的发展,上世纪80年代，我国钢产量平均年增长率5.82%；90年代为6.99%；到1996年,我国钢产量已突破亿吨大关,达到10124万吨,跃居世界第一位；进入21世纪，20002004年的四年间，平均增长率就高达20.71%；2003年，我国钢铁产量突破2亿吨，成为世界上唯一年产钢超过2亿吨的国家；2004年，我国粗钢产量已达到2.72亿吨，占全球钢产量10.5亿吨25.8%。中国粗钢产量已从占世界的10%上升到了25%；2005年，我国钢、铁、材的产量突破3亿吨，只用了短短的两年时间；,1.3
11、钢铁生产基本流程1.3.1 概述,炼铁：高炉是炼铁的主要设备；原料有铁矿石、焦炭和少量溶剂(石灰石)；产品为铁水、高炉煤气和高炉渣。铁水送炼钢厂炼钢；高炉煤气主要用来烧热风炉，同时供炼钢厂和轧钢厂使用；高炉渣经水淬后生产水泥。炼钢：通常将“高炉铁水预处理转炉精炼连铸”称为长流程，将“废钢电弧炉精炼连铸”称为短流程。炼钢厂的最终产品是连铸坯。按照形状，分为方坯、板坯和圆坯。在轧钢厂，方坯分别被轧制成棒材、线材和型材；板坯被轧制成中厚板和薄板，圆坯被穿孔、轧制成无缝钢管。,1.3.2 铁前系统 烧结厂 主要任务是将粉状铁矿石(包括富粉矿、精矿粉等)和钢铁厂二次含铁粉尘，通过烧结机的烧结过程，加工成
12、粒度符合高炉要求的人造富块矿烧结矿。,目前，大中型钢铁企业烧结厂使用的烧结机主要是带式抽风烧结机，烧结机的大小一般用烧结机台车的有效烧结面积表示，如360m2。,焦化厂 设备：焦炉。生产过程：洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序。原料：气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等。炼焦过程：将配好的煤料装入焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下，由两侧燃烧室供热，随温度升高经干燥、预热、热分解、软化、半焦、结焦成具有一定强度的焦炭，然后由推焦机把焦炭从炭化室推出，再进行熄焦，将焦炭温度降低到200以下。为环保和节能，现代化的大型焦炉都采用了干法熄焦。,副产品：高热值的焦炉煤气及焦油、粗苯等；焦炉的大小：
13、炭化室孔数和炭化室高度表示如焦炉为55孔6m。,1.3.3 高炉炼铁 主要任务是用铁矿石和焦炭冶炼出合格的铁水供转炉炼钢，同时产生大量高炉煤气供炼铁厂、热风炉、烧结厂、炼钢厂、轧钢厂使用。高炉的大小用有效容积表示，武钢炼铁厂的1号高炉2200m3、2号高炉3800m3、4号2800m3、3号和57号3200m3。,高炉炼铁系统：高炉本体、原料供料系统、炉顶装料系统、鼓风送风系统、煤气除尘系统、喷煤系统和渣铁处理系统。,生产过程：高温鼓风从高炉炉缸的风口吹入高炉。焦炭和煤粉在风口燃烧产生还原煤气和热量，同时腾出空间使上部炉料连续下降。炉料通过炉顶装料设备按批次定时加入高炉，煤气从炉顶排出，经除尘
14、系统除去灰尘并减压后供热风炉燃烧，多余的煤气经加压后储存在煤气柜中，供其他厂使用。高炉内变化：高温煤气在从风口向炉顶上升的过程中将铁矿石中的氧化铁逐渐还原成金属铁，炉料在向下运动过程中吸收煤气携带的热量，温度不断升高，当温度达到12001400时铁矿石开始软化、熔融、直至熔化滴落，最终流入炉缸，当炉缸内铁水和炉渣积存到一定数量时，打开铁口将铁水和炉渣放出，超大型高炉一般设有4个铁口，正常情况下始终保持一个铁口在出铁。铁水和炉渣经过主铁沟撇渣器进行渣铁分离，渣子经渣沟流向水渣冲制箱，铁水经过摆动溜嘴装入铁水罐或鱼雷式混铁车内，然后通过铁路运输送往炼钢厂炼钢。,1.3.4 炼钢主要任务：将铁水脱硫
15、、脱磷、脱碳和脱氧合金化，然后将钢水浇铸成钢坯。炼钢生产包括：铁水预处理、转炉吹炼(脱磷和脱碳)、精炼(脱硫、脱氧和合金化)和连铸。铁水预处理：铁水预处理主要是预脱硫、脱磷、脱硅。任务：将铁水进转炉前的硫、磷、硅含量脱除到一定含量，以减轻炼钢脱硫负担。,转炉吹炼：过程：铁水兑入转炉，再加入废钢和石灰等造渣材料后降下氧枪吹氧，铁水中的硅、锰和磷被氧化进入炉渣，碳被氧化进入炉气中，当含碳量和温度达到要求后出钢。,连铸：任务：将钢水浇铸成一定断面的连铸坯。连铸机分为板坯这铸机、方坯连铸机(包括大方坯和小方坯)、圆坯连待机和异型坯这铸机。薄板坯连铸连轧：薄板坯连铸与普通板坯连铸的主要区别是铸坯的厚度不
16、同。普通板坯厚度在230350mm，而薄板坯厚度一般在5090mm。,1.4 耐火材料,凡是耐火度高于1580，能在一定程度上抵抗温度骤变、炉渣侵蚀和承受高温荷重作用的无机非金属材料，称为耐火材料。耐火材料品种繁多，通常按化学特性、耐火度、制造工艺及形态分类。,1.4.1 耐火材料的主要性能,应用领域：高温技术领域；热工设备；高温容器。基本要求：耐火度不软化，不熔化；体积稳定性不收缩，仅有均匀膨胀；高温热态强度不丧失强度，不发生蠕变，坍塌；耐热震性温度急剧变化，受热不均匀时不开裂，不剥落；抗渣性抗化学侵蚀性；耐磨性抗冲刷，撞击，磨损；低蒸气压，高化学稳定性。,耐火材料的气孔 普通耐火材料在常温
17、下是由固相和气孔构成的非均质体。耐火材料中气孔存在的形态大致可分为三类，见下图：图21 耐火制品中气孔类型1封闭气孔，2开口气孔，3贯通气孔,耐火材料的结构性质,气孔率：耐火材料中的气孔体积与材料总体积之比。通常以开口气孔体积的相对含量表示。体积密度：耐火材料单位表观体积的质量。单位kg/cm3。对同种耐火材料而言，体积密度越大气孔率越低。透气度：一定时间内和一定压差下，气体透过一定断面和厚度的试样的量，表示气体通过耐火制品难易程度的特征值。,耐火材料的力学性质,常温耐压强度：常温下材料单位面积所能承受的最大压力（N/mm2)。高温耐压强度：材料在高于10001200的高温热态下单位面积所能承
18、受的最大压力，以N/mm2表示。抗折强度：是指材料在单位截面所承受的极限弯曲应力。蠕变：材料受外力作用产生的变形随时间而增加的现象。弹性模量：耐火材料在受外力作用时产生变形时，在弹性极限内应力与应变的比值。耐磨性：耐火材料抵抗固体、液体、含尘气流对其表面的机械磨损的能力。,耐火材料的热学性质,热膨胀性 材料的线度和体积随温度升降，发生可逆性增减的性能。主要影响因素是其化学矿物组成，在砌筑时要预留一定的膨胀缝，使用时要确定正确的烘烤制度。导热性 表示在能量传递过程中，热量从温度较高部分传至较低部分的数量，以导热系数来衡量，W/m。影响因素：材料的化学矿物组成，组织结构和温度。对于保温材料而言，希
19、望其导热系数越小越好。导温性 以导温系数表示，标志材料受热时温度的传递速度，主要取决于导热系 数和体积密度。导电性 通常用电阻率表示，随其气孔率的增大而增加。,耐火材料的使用性质,耐火度 耐火度是耐火材料达到特定软化程度的温度，表征耐火材料抵抗高温作用的性能。表示的意义与熔点不同。熔点是结晶体液相与固相处于平衡时的温度。提高耐火度的途径是提高主成分和主晶相的数量并尽量降低杂质。荷重软化温度 耐火材料在一定重负荷和热负荷共同作用下达到某一特定压缩变形时的温度。表征耐火材料抵抗重负荷和高温热负荷共同作用而保持稳定的能力。高温体积稳定性 耐火材料在高温下长期使用时，其外形体积保持稳定不发生变化的性能
20、。一般以耐火材料在无重负荷作用下重烧体积百分率或重烧体积百分率变化来衡量。,耐热震性 是耐火制品抵抗温度急剧变化而不破坏的能力。耐火材料在加热或冷却的过程中内部产生的热应力是其 开裂，剥落的根本原因。热应力产生的原因内部晶体各向或各相间膨胀不同，并存在温度梯度。抗渣性 耐火材料在高温下抵抗熔渣及其他熔融液侵蚀而不易损毁的性能。熔渣渗入耐火材料的渠道：内部孔隙和裂纹；基质；晶体间的晶界。提高抗渣性的措施：提高致密性，减少晶界，减少基质。耐真空性 选择稳定性高，蒸气压低，致密性高的材料。耐火制品形状规整和尺寸的准确性,耐火材料生产工艺流程,耐火材料制品包括烧成砖和不烧砖,烧成砖,具有一定形状和尺寸
21、的块状的烧成制得的耐火制品。工艺流程包括：1）原料处理2）破碎3）配料4）混练5）成型6）干燥7）烧成其中烧成制度是关键,不烧砖,不经过烧成而能直接使用的耐火制品。工艺流程：分别用不同材质的耐火原料，经过合理配料，再由粘结剂结合而成。常用粘结剂：磷酸盐、硫酸盐、水玻璃、氯化物等,耐火材料生产工艺流程,第一章课后思考题,1.何为冶金？常见的冶金方法有哪些？火法、湿法、电冶金2.钢与生铁有何区别？碳含量，2%为钢3.何为长流程炼钢，何为短流程炼钢？长流程：高炉-铁水预处理-转炉-精炼-连铸短流程：废钢-电弧炉-精炼-连铸4.何为耐火材料？冶金领域对耐火材料的基本要求是什么？耐火度高于1580，一定程度上抵抗温度骤变、炉渣侵蚀和承受高温荷重作用的无机非金属材料。,
