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冶金概论 An Introduction to Metallurgy武汉科技大学冶金工程系 张保平第一章 绪论冶金工业的地位：（1）在学科中的地位地质 矿物加工 冶炼 材料加工 销售（2）在人类发展过程中的地位石器时代 青铜器时代（铜+10%锡或铅） 铁器时代 工业时代 信息化时代1.1 钢铁工业在国民经济中的地位 钢铁工业是基础材料工业，钢铁工业为其它制造业（如机器及机械制造、交通运输、军工、能源、航空航天等）提供最主要的原材料，也为建筑业及民用品生产提供基础材料。 一个国家钢铁工业的发展状况间接反映其国民经济发达的程度。 钢铁产品之所以能成为各制造行业和基础建设的基础材料，是因为它具有以下优越的性能和相对低廉的价格：p 具有较高的强度和韧性；p 可通过铸、锻、轧、切削和焊接等多种方式进行加工，以得到任何结构的工部件；p 废弃的钢铁产品可以循环利用；p 与其它工业相比，钢铁工业生产规模大、效率高、质量好、成本低，具有强大的竞争优势。1.1 钢铁工业在国民经济中的地位 钢和生铁的区别（Steel and Iron）1.2 钢铁工业的发展 1.2.1 早期的冶铁方法 海绵铁：是一种在土坑里用木炭在8001000下还原铁矿石，得到一种含有大量非金属氧化物的海绵状固态块铁。这种块铁含碳量很低，具有较好的塑性，经锻打成型，制作器具。 战国时期的“块铁渗碳钢”制造技术，造出了非常坚韧而锋利的宝剑。西汉晚期的”炒钢”的生铁脱碳技术；东汉水力鼓风技术、北宋时期的木风箱鼓风，并以石炭（煤）为炼铁原、燃料技术，极大地提高了冶铁规模。 欧洲的块炼铁是公元前1000年前后发明的，但是直到公元十三世纪末，十四世纪初才掌握生铁冶炼技术。 获得生铁的初期，人们把它当作废品，因为它性脆，不能锻造成器具。后来发现将生铁与矿石一起放入炉内再进行冶炼，得到性能比生铁好的粗钢（也称熟铁）。 从此钢铁冶炼就开始形成了一直沿用至今的二步冶炼法：第一步从矿石中冶炼出生铁；第二步把生铁精炼成钢。 随着时代的发展，高炉燃料从木炭发展到焦炭，鼓风动力用蒸汽机代替水力（或风力），产量也不断增长。 1.2.2 近代钢铁冶炼技术的发展 （1）底吹空气转炉的发明 1856年英国人贝塞麦(H.Bessemer)发明的底吹酸性空气转炉炼钢法。由于采用酸性炉衬和酸性渣操作，吹炼过程中不能去除硫、磷，同时为了保证有足够的热量来源要求铁水有较高的含硅量。故只能用低磷高硅生铁做原料。 1878年，英国人托马斯(S.G.Thomas)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，解决了高磷铁水的脱磷问题。 （2）平炉炼钢 1864年，法国人马丁（Martin）利用德国人西门子（Siemens）的蓄热原理发明了以铁水、废钢为原料的酸性平炉法炼钢。继托马斯碱性底吹空气转炉炼钢法以后，于1880年出现了第一座碱性平炉炼钢。 碱性平炉能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，因此碱性平炉一度成为世界上最主要的炼钢方法，其地位保持了半个多世纪。 （3）电弧炉的发明 1899年，法国人赫劳特（heroult）研制炼钢用三相交流电弧炉获得成功。 由于钢液成分、温度和炉内气氛容易控制、品种适应性大，这种方法特别适于冶炼高合金钢。 电弧炉炼钢法一直沿用至今，炉容量不断扩大（目前最大的电弧炉容量已超过400吨），铁水热装和电弧炉用氧技术的应用，使电炉产能不断提高，是当前冶炼碳素钢主要炼钢方法之一。 （4）氧气转炉炼钢 1948年，德国人罗伯特杜勒（Robert Durrer）在瑞士成功地进行了氧气顶吹转炉炼钢试验。1952年在奥地利林茨城（Linz），1953年在多纳维茨城(Donawitz)先后建成了30t氧气顶吹转炉车间并投入生产，所以该法也称LD法。 在美国一般称作BOF（Basic Oxygen Furnace）或BOP(Basic oxygen process)。 目前转炉钢的产量已达到世界总产钢量的80%左右。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。 1978年，法国钢铁研究院（IRSID）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，并先后在卢森堡、比利时、英国、美国和日本等国进行了实验和半工业性试验。 由于转炉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、气体间的平衡，吹炼过程平稳，渣中氧化铁的鉄含量少，减少了金属和铁合金的消耗，加之改造容易，因此该炼钢方法在各国得到了迅速推广。 （5）直接还原和熔融还原技术 用直接还原铁做原料的电炉炼钢新工艺，比高炉-转炉传统工艺流程的投资、原料和能源费用均低。 直接还原铁技术的新发展，为电炉提供了优质原料，弥补了当前废钢数量的不足。 建设了一批直接还原铁电炉炼钢新型联合企业。 直接还原技术有：p 墨西哥希尔萨（Hylsa）公司和美国米德兰（Midex）公司分别于1957年发明的HYL-I（1980年开发出HYL-III）和1968年发明的Midex法气基竖炉直接还原铁生产技术的诞生为标志。p 隧道窑（Hoganas法）、回转窑（DRC、SL/RN等）、转底炉（Inmetco、Midrex、Fastmet、Comet 、Itmk3等）、流化床（Circoreo、Finmet、Fior等）。 熔融还原技术的诞生，真正实现了用煤直接冶炼获得铁水。 工业化生产的熔融还原技术主要有奥钢联（VAI）与德国科尔夫（Korf）工程公司联合开发的用块状铁矿石和非焦原煤为原料生产铁水的Corex熔融还原法和 韩国浦项（POSCO）与奥钢联（VAI）联合开发的用粉状铁矿和非焦原煤为原料生产铁水的Finex熔融还原法。 2007年11月24日在我国宝钢集团浦钢公司罗泾工程基地投产的C-3000型Corex熔融还原炉，设计年生产铁水150万吨。 1.2.3 我国钢铁工业的发展1.3 钢铁生产基本流程：1. 铁水烧结厂、球团厂、焦化厂铁前系铁矿石焦炭高炉铁水 炼钢厂铁水预处理 转炉炼钢钢水精炼电弧炉连铸 铸坯轧钢厂连铸坯方坯板坯圆坯中、厚板、薄板无缝钢管棒材、线材、型材炼铁厂2. 废钢+铁水钢水精炼连铸轧机轧机轧机连铸坯矿山煤矿 高炉是炼铁的主要设备，使用的原料有：铁矿石（包括烧结矿、球团矿和块矿）、焦炭和少量熔剂（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；高炉渣经水淬后送水泥厂生产水泥。 炼钢，目前主要有两条工艺路线，即转炉炼钢流程和电弧炉炼钢流程。通常将“高炉-铁水预处理-转炉-精炼-连铸”称为长流程，而将“废钢电弧炉精炼连铸”称为短流程。 短流程与长流程区别：p 短流程无需庞杂的铁前系统和高炉炼铁，因而，工艺简单、投资低、建设周期短。p 但短流程生产规模相对较小，生产品种范围相对较窄，生产成本相对较高。p 同时受废钢和直接还原铁供应的限制，目前，大多数短流程钢铁生产企业也开始建高炉和相应的铁前系统，电弧炉采用废钢+铁水热装技术吹氧熔炼钢水，降低了电耗，提高了钢水品质，扩大了品种，降低了生产成本。 炼钢厂的最终产品是连铸坯。按照形状，连铸坯分为方坯、板坯和圆坯。 在轧钢厂，方坯分别被棒材、线材和型材轧机轧制成棒材、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 对钢铁联合企业来说，铁前系统主要包括烧结厂和焦化厂。（1）烧结厂 烧结厂的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，加工成粒度符合高炉要求的人造富块矿烧结矿。 在烧结混合料中，通过调整加入的熔剂（如消石灰、石灰石、白云石、蛇纹石等）和燃料（焦粉、无烟煤粉）的数量，通过烧结可以控制烧结矿的化学成分（如碱度、MgO、FeO等）和冶金性能（如强度、还原性能和低温还原粉化性能等）。 通过烧结还能去除烧结原料中80%以上的硫。（2）焦化厂 焦炭是高炉炼铁不可缺少的燃料和还原剂。 焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序。 用于炼焦的煤主要有气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等。 炼焦的副产品是高热值的焦炉煤气及作为化工原料的焦油、粗苯等。 每生产1t焦炭，可产生焦炉煤气390460m3，煤焦油2040kg，氨2.03.5kg，粗苯613kg。1.3.3 高炉炼铁 高炉的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。 高炉炼铁系统是个庞大的系统集成，围绕高炉本体，有原料供料系统、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同时协同工作。 高炉炼铁是个连续的生产过程，高温鼓风不间断地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，经除尘系统除去灰尘并减压后供热风炉燃烧，多余地煤气经加压后储存在煤气柜中，供其它厂使用。 高温煤气从风口向炉顶上升过程中将铁矿石中的氧化铁逐渐还原成金属铁，炉料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。 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 炼钢厂 炼钢厂的主要任务是将铁水脱硫、脱磷、脱碳和脱氧合金化，然后将钢水浇铸成钢坯。 整个炼钢生产通常包括铁水预处理、转炉吹炼（脱磷和脱碳）、精炼（脱硫、脱氧和合金化）和连铸几个工序。 （1）铁水预处理 铁水预脱硫的任务就是将铁水进转炉前的硫含量降低到0.0050.010%，以减轻炼钢脱硫负担。（2）转炉吹炼 转炉示意图和吹炼过程如图 ： （3）精炼 精炼的基本任务是进一步脱硫、脱氧、脱气、去夹杂、合金化和温度调整。 根据生产品种的不同，各厂的精炼设备不尽相同。如LF、VD、RH、CAS等。 （4）连铸机 连铸机的任务是将钢水浇铸成一定断面的连铸坯。 根据最终轧钢产品的不同要求，连铸机分为板坯连铸机、方坯连铸机（包括大方坯和小方坯）、圆坯连铸机和异形坯连铸机。 1.3.5 轧钢厂 轧钢厂是钢铁联合企业生产最终产品钢材的加工厂。 轧钢是利用旋转的轧辊与钢坯间的接触摩擦将金属咬入轧辊缝隙间，同时在轧辊的压力作用下使金属发生塑性变形的过程。 按产品型式有棒线材、型材、板材（包括中厚板、热轧薄板、冷轧薄板、镀层板和涂层板）、钢管等。 第二章 铁矿粉造块2.1 铁矿石的种类2.1 铁矿石的种类 自然界中存在的铁矿石，按矿物组成大致可分为：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等。（1）磁铁矿 主要含铁矿物为Fe3O4，化学式也可写成Fe2O3FeO，理论含铁量72.4%。 一般当TFe / FeO3.5时称为磁铁矿，当TFe / FeO7.0时称为假象赤铁矿，界于两者之间称为半假象赤铁矿。2.1 铁矿石的种类 磁铁矿比较致密，外观和条痕（粉末的颜色）均为铁黑色。（2）赤铁矿 主要矿物为Fe2O3，理论含铁量70%。 这种矿石在自然界中常形成巨大的矿床，其贮藏量和开采量都占首位，是一种比较优良的炼铁原料。 赤铁矿有原生的（称原生赤铁矿），也有再生的（称假象赤铁矿）。 具有金属光泽的结晶态片状赤铁矿称镜铁矿。 结晶态的赤铁矿呈铁黑色或钢灰色，非结晶态赤铁矿呈红色或暗红色，但无论是哪种形态的赤铁矿，其条痕均为砖红色。 （3）褐铁矿 褐铁矿是含结晶水的氧化铁矿，其化学式为nFe2O3mH2O，但绝大部分含铁矿物是以2Fe2O33H2O形式存在。 褐铁矿理论含铁量随矿物中结晶水含量的不同变化在5566%。褐铁矿呈浅褐色，也有呈深褐色或黑色，条痕为褐色。（4）菱铁矿 菱铁矿为碳酸盐铁矿石，化学式为FeCO3，理论含铁量48.3%，受热分解析出CO2，自然界中有工业开采价值的菱铁矿很少。 铁矿石可分为富矿（实际含铁品位大于理论品位的70%时）和贫矿（实际含铁品位低于理论品位的70%时）。 在生产中通常把粒度为1045mm的富矿称为块矿，块矿可以直接加入高炉炼铁；把粒度小于810mm的富矿粉称为粉矿。 贫矿因其品位低，脉石（主要是SiO2、Al2O3等）含量高，必须经过选矿（磁选或浮选）以提高其品位。选矿后的产品称为精矿。精矿的粒度很细，一般-0.074mm达到5090% 目前大中型高炉炼铁生产使用的含铁物料主要是品位高于55%的块状铁矿石（烧结矿、球团矿和富块矿）。 烧结矿是将不能直接加入高炉冶炼的粉矿、精矿、二次含铁粉尘与石灰石、白云石等熔剂和燃料（焦粉、无烟煤粉）混合均匀后经烧结机烧结，得到具有一定粒度组成的人造富矿。 球团矿是由铁精矿粉加粘结剂（膨润土或消石灰）经混匀、造球、干燥和焙烧固结后得到的粒度均匀（916mm）的球形人造富矿。2.2 铁矿石烧结生产 2.2.1 烧结矿生产使用的原材料 含铁物料、熔剂和燃料。p 烧结生产使用的含铁物料包括：精矿粉匀矿、粉矿和破碎粉、钢铁厂二次含铁原料。 p 熔剂有：消石灰、石灰石粉、白云石粉、蛇纹石粉等。 p 燃料：焦粉和无烟煤粉。 2.2.2 烧结矿种类 非熔剂性烧结矿（酸性烧结矿、低碱度烧结矿）：烧结配料中不加熔剂或只加少量熔剂，烧结矿的碱度R0.5。 自熔性烧结矿：烧结混合料中添加较多数量的熔剂，使烧结矿碱度控制在R=1.01.3。 高碱度烧结矿：烧结混合料中加入过量熔剂，使烧结矿碱度远高于正常高炉渣碱度。高碱度烧结矿的碱度（R）通常为1.62.5。 目前，大、中型高炉炼铁生产基本上都使用:p 高碱度烧结矿+酸性球团矿+块矿p 高碱度烧结矿+酸性球团矿的炉料结构。2.2.3 烧结机结构 烧结矿生产有鼓风烧结和抽风烧结两种方法。 烧结机的大小(或生产能力)可用烧结机的有效烧结面积表示，如90m2、130m2、290m2和450m2等。 2.2.4 烧结生产工艺流程2.2.4 烧结生产工艺流程p 配料与混料 混料作业分一次混料和二次混料，一次混料主要起均匀成分作用，二次混料主要作用是制粒和提高料温。 p 布料。布料器安装在烧结机头部，在布料器前面是铺底料机。台车上料层厚度可达到500800mm。p 点火与烧结 。 点火器内煤气燃烧产生的高温将上部料层中的燃料点燃，并产生热量。在台车下风箱抽风产生的负压作用下，热量向下传递，使下部料层逐渐升温、燃烧。 p 从烧结料层横截面看，可以把整个烧结料层从上向下分为烧结矿层、燃烧层、预热层、干燥层和湿料层。p 最高温度在燃烧层中部，可达到12501350，高温持续时间约11.5min。 在燃烧层内，燃料颗粒燃烧产生的高温使周围物料熔融，形成液相。由于液相的浸润作用，将周围未熔化的矿粒粘结起来。在冷却时液相中的矿物结晶，或形成玻璃质（冷却速度较快时），而将全部烧结料结合成块。 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（mFe2O3nH2O） 高岭土（Al2O3 2SiO22H2O) 熔剂分解： CaCO3=CaO+CO2(750以上) MgCO3=MgO+CO2(720) 还原与再氧化反应： Fe、Mn等 靠近燃料颗粒处：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 ; Fe3O4+CO=3FeO+CO2; 远离燃料颗粒处：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3 ; 3FeO+1/2O2=Fe3O4. 气化反应： 脱硫8595。 FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2 2FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO2p 整粒。 从烧结机上卸下的热烧结矿经环式冷却机冷却后需要进行破碎和筛分分级，这一工序称为整粒。 通过整粒，将烧结矿按粒度分成2540mm、1225mm和512mm三级送高炉矿槽。 2.2.5 烧结矿质量 烧结矿质量评价一般包括化学成分、筛分指数和粒度组成、转鼓指数、还原性、低温还原粉化指数和熔滴性能。 烧结矿化学成分 烧结矿化学成分主要包括：TFe、FeO、CaO、SiO2、MgO、Al2O3、K2O、Na2O、S、P和R（=CaO/SiO2）等。 目前，高炉使用的高碱度烧结矿的碱度R1.6，TFe55%。 筛分指数和粒度组成p 筛分指数是测定烧结矿中粒度-6.3mm部分的粉末数量占烧结矿总量的百分比，代表烧结矿粉末量的多少，因此也称粉末率。p 粒度组成是测定烧结矿各粒级数量，可以看出烧结矿的颗粒均匀程度和粒度主要分布范围，用800500100mm方孔筛测定。p 摇筛方型筛孔尺寸分别为40mm、25 mm、16 mm、10 mm、6.3mm。 转鼓指数和抗磨指数。 转鼓指数是评价烧结矿耐冲击和耐磨性能的重要指标。 还原性。烧结矿还原性是测定铁矿石中氧化铁被CO还原能力的量度。 低温还原粉化指数 是评价铁矿石冶金性能优劣的重要性指标. 铁矿石软熔滴落性能。铁矿石软熔滴落性能用来模拟高炉内软熔带的形成与铁矿石性能之间的关系。 2.3 球团矿生产 高炉炼铁使用的球团矿是TFe60%、粒度均匀(915mm)、抗压强度高(150200kg)、还原性好的氧化球团。 氧化球团的生产方法主要有竖炉工艺、链篦机回转窑工艺和带式焙烧工艺。 目前，我国主要采用竖炉和链篦机回转窑生产氧化球团矿。 2.3.1 竖炉球团生产工艺（1）配料与混料 使用的主要原材料是磁铁精矿粉，用膨润土或消石灰做粘结剂。 膨润土的主要矿物是蒙脱石(SiO266.7%, Al2O328.3%, H2O5%)，具有良好的膨胀吸水和粘结能力，能提高精矿粉的成球能力，提高生球落下强度和爆裂温度。 作为粘结剂的膨润土加入量一般为 0.82.5%。 精矿粉与粘结剂的混匀在圆筒混料机内完成。 由于精矿粉水分含量高于造球需要的最佳水分含量（810%），需要在混料工序用煤气燃烧的高温废气对过湿精矿粉进行适度脱水。 （2）造球 造球作业用如图所示的圆盘造球机完成。 混合料用皮带机连续送入造球盘后通过滚动形成母球，并逐渐长大形成生球。 （3）焙烧固结 球团焙烧在竖炉中完成。 球团竖炉的大小用矩形炉口的面积表示，如8m2、10m2、16m2等。 一座10m2竖炉的年产量可达到50万吨。 竖炉内气流如图所示。 生球用布料器从炉口布料，经烘床干燥，进入氧化带、高温焙烧固结带和冷却带完成球团矿的焙烧固结过程。 干燥带主要完成生球水分的蒸发和干燥。竖炉炉口废气温度达到400650，生球内部水分快速蒸发并向外迁移。 氧化带温度9501100。在这一区域Fe3O4氧化成Fe2O3，保持足够氧化时间, 使整个球团充分氧化。 焙烧固结带温度11501300。由Fe3O4氧化而来的新生态Fe2O3晶体发生再结晶长大, 形成强大的晶桥，球团强度迅速提高。 球团经高温焙烧固结后进入冷却带，被下部鼓入的冷风冷却。 2.3.2 链篦机-回转窑球团矿生产工艺 链篦机回转窑法对原料的适应性比竖炉法更强。它不但适应于磁铁矿，在一定程度上还能适用于赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿。 由于球团的干燥和预热是在链篦机上进行的，布料平整，料层静止，在正确的热工制度下，不会产生球团的粉碎；球团的焙烧阶段是在窑内进行，窑内温度可以达到焙烧所要求的温度，使球团得到充分固结； 同时，由于球团得到均衡的翻滚，保证了球团焙烧的最终质量要求，而且总体质量也很均匀。 第四章 铁水预处理4.1 铁水预处理的基本概念 铁水预处理是指铁水进入炼钢炉之前，为脱硫、脱硅、脱磷而进行的处理过程。 除上述普通铁水预处理外，还有特殊铁水预处理，如脱铬、脱锰以及针对铁水含有特殊元素提纯精炼或资源综合利用而进行的提钒、提铌、提钨、提铬等预处理过程。 实际生产过程中，铁水预处理分为深脱和浅脱。4.2.1 铁水预脱硫的冶金原理4.2.1.1 铁水脱硫剂的种类 铁水脱硫剂的种类很多，在实际生产中，用作铁水脱硫剂的主要是Ca、Mg、Na等元素的单质或化合物。 常用的脱硫剂主要有：p Ca系脱硫剂，包括电石粉 (CaC2)、石灰 (CaO)、石灰石 (CaCO3)等；p Mg系脱硫剂，包括金属Mg粉、镁焦、镁合金等；p Na系脱硫剂，主要是苏打粉(Na2CO3)。 CaC2脱硫的反应式如下：CaC2(s) S =CaS(s) 2C 石灰脱硫反应式：p 铁水硅含量高（0.05%）时，反应式为：2CaO(s)+Sl/2Si = CaS (s)1/2（Ca2SiO4）(s)p 硅含量低时，反应式为：CaO（s）SC = （CaS）(s)CO（g） 铁水中加入苏打灰后，与铁水中的硫发生以下3个化学反应：Na2CO3(l) S + 2C = Na2S(l) + 3CO Na2CO3(l) S + Si = Na2S(l) + SiO2(s) + 3CONa2O + S = Na2S(l) + O 镁通过喷枪喷入铁水后，在高温下发生液化、气化并溶于铁水：Mg(S) Mg(l) Mg Mg 在高温下，镁和硫有很强的亲和力，溶入铁水中的Mg和Mg都能与铁水中的S迅速反应生成固态的MgS，上浮进入渣中。镁与硫的相互反应存在两种情况： 第一种情况： Mg + S = MgS(s) 第二种情况： Mg MgMg + S =MgS(S)4.2.2 铁水脱磷的冶金原理4.2.2.1 铁水脱磷的基本冶金条件 铁水在氧化性渣下的脱磷反应式表示如下：2P 5(FeO) 4(CaO) (4CaOP2O5) + 5Fe 由此可得出脱磷反应的热力学基本条件： （1）铁水中氧含量要高。铁水脱磷需要提供氧，实际生产中经常采用加入铁氧化物或辅助吹氧的方式来提供氧。铁氧化物是脱磷剂的主要组成，主要有铁矿、烧结矿、氧化铁皮，转炉烟尘以及转炉炉渣，一般 (FeO) 20。 （2）渣中起固定脱磷产物的碱性氧化物含量要高。（碱度R23），脱磷的初级产物(3FeOP2O5)不稳定，通过加入碱性氧化物，让磷在高碱度炉渣中形成稳定的4CaOP2O5或3Na2OP2O5。4.2.2.1 铁水脱磷的基本冶金条件 （3）铁水温度要低。铁水氧化脱磷反应为放热反应，铁水温度低，Kp、Lp值就大，因此温度低有利于铁水脱磷。温度为12501400对脱磷有利。 （4）铁水初始硅含量要低。在高炉铁水条件下，铁水中还含有0.40.6左右的Si，Si与氧的亲和力远大于P。硅酸钠与硅酸钙的稳定性比磷酸钠和磷酸钙好，因此必须对铁水预脱硅，才能用石灰或苏打渣系进行有效脱磷。因此，为保证有效的脱磷必须先将Si降低到0.10.15。4.2.2.2 脱磷剂的组成 氧化剂、固定剂和助熔剂是铁水脱磷的三大要素。 实践证明Fe2(SO4)3、MnO2、CaSO4、Fe2O3、FeO、MnO等都是很好的脱磷氧化剂，CaCO3次之。 固定剂：CaO等。 助熔剂：CaCl2、CaF2等。4.2.2.3 不同脱磷剂的脱磷反应（1）石灰系脱磷剂 石灰系脱磷剂常用的组成范围为()，固定剂:氧化剂:助熔剂3070：2045：040。（2）苏打系脱磷剂 固体Na2CO3在852熔化为液体，在铁水处理温度下是流动性很好的液体，可按下式分解为：Na2CO3(L) = Na2O(L) + CO2 故脱磷反应为：4.2.3 脱硅反应的冶金原理 脱硅剂是以提供氧源的材料为主剂，氧化剂有固体氧化剂和气体氧化剂。 固体氧化剂主要有：铁矿石、球团矿、烧结矿、轧钢铁皮、铁矿砂、锰矿粉等，其主要成分是氧化铁、氧化锰。气体氧化剂主要是氧气。 除主剂外还加入少量副剂。常用的副剂主要是石灰、萤石、CaCl2、 NaCl、CaO十CaF2、CaO十CaF2十Na2CO3以及转炉钢渣等。一般将炉渣碱度(CaO十CaF2)/SiO2)调整为0.91.2。 随着铁水预处理技术的发展，铁水预处理方法很多。 用于铁水预脱硫的方法有：铺撒法、摇包法、机械搅拌法、喷粉法、喂线法、气泡搅拌法、气泡泵法、钟罩加入法等。 用于铁水预脱磷的方法，按照处理设备可分为炉外法、炉内法；按照加料方式可分为喷吹法、搅拌法；按照工艺特点可分为：专用炉法、SARP法、ORP法、NPP法。 用于铁水预脱硅的方法，按处理场所不同，可分为在高炉出铁过程中向炉前铁水沟加固体氧化剂连续脱硅法，向铁水罐或混铁车内喷射脱硅剂脱硅和吹氧法脱硅。 按加入脱硅剂方法不同，有自然投入法、喷枪在铁水面上的液面喷吹法和喷枪插入铁水内的喷吹法等。 按搅拌方法不同，有吹气搅拌、铁水落下流搅拌、喷吹的气粉流搅拌和叶轮搅拌方法等。 4.3.1 铺撒法(投入法) 铺撒法是一种简易的铁水预处理法，处理过程中只需将处理剂铺撒在铁水沟适当位置，预处理剂随铁流而下，或将处理剂撒在铁水罐底部，靠铁流的冲击使预处理剂和铁水发生反应而脱除有关杂质元素或提取有用元素。 该工艺对生产条件有较强的适应性，无明显工艺缺陷。进行脱硫预处理时，铁水温降78。且脱硫渣没有回硫倾向。无铁损及喷枪烧损。 缺点也不少。4.3.2 摇动法 摇动法，也称为铁水容器搅拌处理法。可以分为：p 回转炉法。即在回转炉的铁水面上加入熔剂，并进行搅拌；p 摇包法。在偏心回转包的铁水中加入熔剂。包的转速为4050转/分；p DM摇包法，摇包能正逆向进行，铁水和熔剂混合良好，转速为43转/分，正逆换向周期14秒，中间停止三秒。 该法容器转动笨重，动力消耗高，包衬寿命低，使用较少。4.3.3 机械搅拌法 机械搅拌法是铁水预处理技术的重要进展, 它放弃了转动的容器运动方式, 通过机械搅动来使液体金属与熔剂混合接触达到脱硫、脱硅、脱磷的目的。 机械搅拌法可以分为以下几种：DO法、莱茵法（RS法）、KR搅拌法、赫歇法、NP法。几种方法中，KR法应用比较广泛。4.3.3.1 莱茵法 这种方法也称为RS法（Rhein Stahl），是德国莱茵河钢铁厂的克雷默（F.Kraemer）等人于1969年研制成功的，后来在曼内斯曼（Mannesmann）公司引进了200t的RS装置。欧洲各国也采用此法，是一种用于铁水预脱硫的方法。 莱茵法的搅拌器是采用铁芯加强的耐火材料制成的倒T型搅拌器，处理时转速为6070转/分。 其特点是：莱茵搅拌器只是部分插入铁水内部，通过搅拌使罐上部的铁水和熔剂形成涡流搅动，混合接触，并通过循环流动使整个包内铁水都达到上层脱硫区来实现预处理的目的。 采用RS法脱硫时，用熔剂CaC2 58 kg/t，处理时间10min，脱硫率7080。4.3.3.2 KR搅拌法 KR法（Kambara Reactor）是日本新日铁钢铁厂于1963年开始研制，1965年投入工业生产。以后被日本钢管和住友金属公司等厂家采用，铁水罐容量可达200t以上，该法主要用于脱硫。 我国最早的KR系统是武钢二炼钢1979年由新日铁引进的KR专利和设备。 KR法的主体设备包括：升降装置、机械搅拌装置、搅拌桨更换车、熔剂输送装置、扒渣系统等。 KR搅拌法就是将耐火材料制成的并经过烘烤的十字形搅拌头插入铁水罐液面下一定深处, 并使之旋转。 当搅拌器旋转时, 铁水液面形成 “V” 形旋涡 ( 中心低, 四周高 ), 此时加入脱硫剂、脱磷剂后, 熔剂微粒在浆叶端部区域内由于湍动而分散, 并沿着半径方向“吐出”, 然后悬浮, 绕轴心旋转和上浮于铁水中, 也就是说, 借这种机械搅拌作用使熔剂卷入铁水中并与接触, 混合、搅动, 从而进行脱硫脱磷反应。 当搅拌器开动时, 在液面上看不到熔剂, 停止搅拌后, 所生成的干稠状渣浮到铁水面上, 扒渣后即达到脱硫、脱磷的目的。 bXha图 KR法搅拌器形状示意图 对于KR搅拌法，由于熔剂在叶片上端打散，使这个部容易受到磨损，所以选择四个叶片的搅拌头最为合适。搅拌头使用4个叶片，可以使其旋转时铁水面不易产生波浪, 铁水飞溅较少, 叶片的磨损情况也小, 可以减少搅拌的更换次数, 提高使用寿命, 降低耐火材料消耗等，处理效果明显好于两个叶片。 十字型搅拌头的形状如图所示，搅动头为高铝质耐火材料，寿命为90100次，每使用34次后需要用耐火材料进行修补。 与莱茵法相比，两种方法的最大区别是：搅拌器插入铁水深度不同，KR 法是将搅拌器沉浸到铁水内部, 而不是在铁水和熔剂之间的界面上。通过搅拌形成铁水运动旋涡使熔剂撒开并混入铁水内部, 加速预处理过程，其铁水流动情况如图所示 。4.3.4 吹气搅拌法 吹气搅拌法主要有顶吹法、底吹法(PDS或CLDS)和气泡泵法三种。顶吹法和底吹法预先将熔剂加到铁水表面，然后通过顶枪或罐底的透气砖往铁水中喷吹气体进行搅拌。这两种方法设备费用低，操作简便，但处理效果不如机械搅拌法好。 CLDS法是改进了的PDS法，一般能连续处理4罐铁水，这样可以提高处理效率，省去了除渣何减少铁损失，但是需要倒包处理。 气泡泵法也称气泡泵环流搅拌法，简称GMR法。它是应用气泡泵的扬水原理研制成功的。 在新型装置上气泡泵本身旋转，可以进一步提高处理效率，缩短处理时间。4.3.5 喷射法 喷射法也称喷粉法或喷吹法，主要有ATH法、TDS法、铁水罐喷射法。 ATH法是1970年原西德蒂森公司研究成功并投入应用的一种方法，它将一支外衬耐火材料的喷枪与水平方向成一定角度（如600或700）斜插入鱼雷罐内，用载气向熔池内喷射固体粉末熔剂进行脱硫、脱磷处理。 TDS法是日本新日铁公司开发的，它将喷枪从上部垂直插入鱼雷罐内，熔剂从喷枪的两侧孔喷入铁水中。 铁水罐喷射法是将喷抢垂直或倾斜地插入铁水罐深部，用载流气体送入脱硫剂并进行搅拌。 由于喷射法是在喷吹气体、熔剂和铁水三者之间充分搅拌混合的情况下进行脱硫、脱磷的，因此脱硫效率高、处理时间短、操作费用较低，并且处理铁水量大、操作方便灵活。从而受到人们的极大重视，成了目前应用最广泛的铁水处理方法。 上述三种喷射法按照熔剂加入特点可分混合喷吹、复合喷吹两大类。复合喷吹又有：顺序喷吹、双通道喷吹和双枪喷吹。 (1) 混合喷吹 混合喷吹是最简单的模式，它仅需要一个喷吹罐。对于铁水预脱硫，这种模式要求来厂的脱硫剂事先完全混合好，若混合剂中含有镁粒，需要采取特殊措施以避免物料偏析。 通常混合脱硫剂中CaC2占515，其余为金属镁粉或含金属镁2025的石灰粉。 单一喷吹系统具有易于操作和维护、设备投资低等特点，而且喷粉速度的控制系统比较简单。 (2) 复合喷吹 复合喷吹是采用两套相互独立控制的喷粉系统，两种脱硫剂：镁粉和石灰或镁粉和电石粉分别经由两条输送管并在喷粉枪内汇合，通过一套喷粉枪向铁水内喷吹。 这种系统可使操作者更好的控制喷吹过程，进而更好的利用脱硫剂，在提高喷粉速度的同时不会造成喷枪堵塞。4.3.6 带汽化室喷射法 采用带有汽化室的喷吹金属镁粉喷枪与普通喷镁粉的浸没式喷枪十分相似，但它却采用一个专门用于喷吹金属镁粉的特殊喷枪，如图所示。4.4 典型的铁水预脱硫工艺4.4.1.1 铁水包单吹颗粒镁脱硫的工艺 为保证把镁剂 ( 不掺添加料 ) 可靠地喷入铁水中并使镁的吸收率在 95% 以上，且不堵枪，应合理选择喷枪和输镁管路的结构和喷吹系统参数。应使供氮压力稳定, 喷枪端面距包底约0.2m，喷枪结构要保证为镁溶解于铁水并继而被吸收创造良好的条件。喷枪浸入深度不足2.4m 的铁水包，喷枪端部要装备锥形气化室。 整个脱硫过程可采用计算机自动控制，每次处理前只需输入初始硫含量、目标硫含量、铁水温度、铁水重量等参数，脱硫处理过程便可自动进行。 其工艺流程为： 单吹颗粒镁脱硫工艺参数如下： 脱硫剂 颗粒镁，粒度为0.51.6mm，纯度大于 或等于92； 氮气压力 1.0Mpa； 初始铁水硫含量 S0.035%； 目标铁水硫含量 S=0.005%； 喷吹时间 10min； 脱硫剂（Mg）流量 815kg/min； 脱硫剂（Mg）消耗 0.46kg/t； 温降 10 4.4.1.2 铁水包镁基复合喷吹脱硫的工艺流程 镁基脱硫剂是由镁粉加上石灰粉或电石粉及其他添加剂组成, 喷入铁水后脱硫反应主要由镁粉完成。 复合喷吹的镁粉和石灰粉(或电石粉)分别存贮在两个喷吹罐内, 用载气输送, 在管道内混合。通过调节分配器的粉料输送速度来确定两种粉料的比例, 对镁粉流动性无要求。 整个脱硫过程可采用计算机自动控制, 每次处理前只需输入初始硫含量、目标硫含量、铁水温度、铁水重量等参数、脱硫处理过程便可自动进行。 镁基复合喷吹脱硫工艺流程如下图所示： 镁基复合脱硫工艺参数为： 脱硫剂 Mg +CaO 氮气压力 1.1Mpa 初始铁水S 0.035% 目标铁水S 0.005% 喷吹时间 10min 脱硫剂流量 Mg粉12kg/min；石灰粉45kg/min 脱硫剂消耗 Mg粉0.65kg/t；石灰粉1.92kg/min 温降 20 4.4.1.3 铁水罐KR脱硫工艺 采用铁水罐KR搅拌脱硫工艺中，脱硫剂常采用CaO，其工艺流程为： 向铁水罐中兑铁水 铁水罐运到扒渣位并倾翻 第一次测温取样 第一次扒渣 铁水罐回位 加脱硫剂 搅拌脱硫 搅拌头上升 第二次测温取样 铁水罐倾翻 第二次扒渣 铁水罐回位 铁水罐开至吊罐位 兑入转炉。 KR脱硫的主要参数为： 脱硫剂 CaO 初始铁水S 0.035% 渣层厚度 50mm 目标铁水 tUS 0.005% 处理时间 5910min，平均7min 温降 32 4.4.1.4 TDS法铁水脱硫工艺 TDS法脱硫处理工艺如图所示。4.4.2 鱼雷罐喷粉脱磷工艺 典型的鱼雷罐喷粉脱磷工艺有：住友鹿岛厂新精炼(NRe)工艺流程、君津厂最佳精炼(ORP)工艺流程。其工艺流程如图: 君津厂最佳精炼(ORP)工艺流程1983年川崎千叶厂进行了底吹转炉Q-BOP脱磷的工业试验。以后，住友开发了预炼炉工艺，称为两级转炉串联操作SRP工艺，如图所示。第五章 转炉炼钢5.1 转炉炼钢概述 所谓炼钢，就是将铁水、废钢等炼成具有所要求化学成分的钢，并使其具有一定的物理化学性能和力学性能。 炼钢的基本任务:p 四脱：C、S、P、O；p 二去：气体、夹杂；p 二调整：温度、成分。 转炉炼钢以铁水和废钢为主原料，向转炉熔池吹入氧气，使杂质元素氧化，杂质元素氧化热提高钢水温度，一般在2535min内完成一次精炼的快速炼钢法。5.2 转炉炼钢设备 转炉炼钢由转炉、转炉倾动机构、熔剂供应系统、铁合金加料系统、供氧系统、OG系统、钢包及钢包台车、渣罐及台车等部分组成。氧气顶吹转炉的设备及附属设备：1-料仓；2-称量料仓；3-批料漏斗；4-烟罩；5-氧枪；6-转炉炉体；7-出钢口；8-废钢料斗；9-往钢包加料的运输车；10-钢包；11-渣罐；12-铁水罐；13-运输机 （1）炉子系统 转炉作为反应容器，用于装铁水和废钢。转炉炉体由炉壳、托圈、耳轴和耳轴轴承座四部分组成。转炉倾动机构的作用是转动炉体。 （2）熔剂供应系统 熔剂供应系统一般由贮存、运送、称量和向转炉加料等几个环节组成。 熔剂通过皮带运输机运送到转炉的高位料仓，称量后加入到转炉。 熔剂用于炼钢的造渣、保护炉衬和冷却钢水，主要有：石灰、轻烧白云石和生白云石、萤石、矿石和氧化铁皮等。 铁合金供应系统一般由贮存、运送、称量和向钢包加料等几个环节组成。 熔剂通过皮带运输机运送到中位料仓，称量后加入到钢包。铁合金用于钢水的脱氧和合金化。 转炉炼钢常用的铁合金有锰铁、硅铁、硅锰铁和铝等。 （3）供氧系统 供氧系统一般是由制氧机、加压机、中间储气罐、输氧管、控制闸阀，测量仪表及喷枪等主要设备组成。 供氧系统是炼钢工艺中的关键技术，送氧管道和氧枪是炼钢工艺的关键设备之一。氧枪由枪身和喷头组成。 枪身是由三种不同直径的无缝钢管套装而成，通水冷却。 喷头用导热良好的紫铜制成，孔形状一般采用拉瓦尔管的形状，大型转炉普遍应用了三孔四孔五孔喷头。 氧枪结构示意图（4）底部供气系统 顶底复吹技术的关键部件是复吹转炉的底部供气元件。 底部供气元件分为两大类，即喷嘴型和砖型。（4）烟气处理系统 转炉炉内的气体称为炉气，炉气离开炉口进入烟罩后称为烟气。 氧气转炉在吹炼期间产生大量含尘炉气，其温度高达14001600，炉气中含有大量CO和含铁60左右的粉尘。 转炉炉气的处理方法主要有燃烧法和未燃烧法。 未燃法是在炉口上方采用可以升降的活动烟罩，使炉气在收集过程中尽量不与空气接触，经降温除尘净化后，通过风机抽入煤气回收系统中。 OG系统主要是由烟罩、一级文氏管、90弯头脱水器、二级文氏管、风机等组成，主要用于烟气净化回收，用于对转炉烟气采用未燃法、湿式处理方式。 钢包及钢包台车：钢包用于盛装钢水；钢包台车将钢水运送到不同的加工、处理地点。 渣罐及台车：渣罐用于盛装热炉渣；钢渣台车将热炉渣运送到不同的加工、处理地点。 5.3 转炉炼钢过程5.3.1 转炉炼钢原料p 金属料：铁水、废钢、铁合金；p 辅助材料： 造渣材料、氧化剂、冷却剂、还原剂和增碳剂。（1）铁水 铁水是氧气转炉炼钢的基本原料，一般占金属料的70100。 铁水成分和铁水温度是否适当和稳定，对简化和稳定转炉操作并获 得良好的技术经济指标非常重要。 铁水成分p Si：发热元素，转炉热量来源。根据P，Si一般在0.40.8范围内。p Mn：有利元素。Mn一般在0.20.4左右p P：有害元素，导致钢冷脆，强发热元素。P是高炉不能去除的元素，故只能要求P稳定，采用铁水预处理脱磷或相应的炼钢方法来去除。p S：有害元素，导致钢热脆。S0.04。采用铁水预处理脱硫， S12001300，且保持稳定，以利于炉子热行，迅速成渣。p 有铁水预处理工艺，铁水温度应适当提高。（2）废钢 废钢用量占钢铁料的2030。对转炉来说，既是金属料也是冷却剂。 合金钢废钢应按所含合金分组堆放。 应严防混入有害杂质和危险品，并减少带入的泥沙、耐火材料和炉渣等。 对外形尺寸和单重过大的 废钢，应预先进行解体和 切割；对轻薄料要打包或 压块，以缩短装料时间。（3）铁合金 转炉炼钢中使用的各种铁合金进行脱氧。如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及复合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金、硅锰铝合金；还有铝、锰、镍等金属。 铁合金应合理选用以降低成本，使用前应烘烤以减少气体带入。另外要纯净，不得混有其它夹杂物