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冶金工程概论考试论文机械与动力工程专业2010-2 成绩：小谈钢铁冶金技术学号：姓名：2011年5月8日小谈钢铁冶金技术1 概述 冶金工业自新中国成立60年来.其发展速度非常迅速，在国内各个地区都有发展。在其发展的过程中，也给我们国家带来了非常可观的效益，是我们国家的国际地位和经济地位得到了提升。冶金工业就是衡量一个国家发达的标志。 【1冶金工业是指对金属矿物的勘探、开采、精选、冶炼、以及轧制成材的工业部门。包括黑色冶金式业（即钢铁工业）和有色冶金工业两大类。 冶金工业是重要的原材料工业部门，为国民经济各部门提供金属材料，也是经济发展的物质基础。 （一）钢铁工业 钢铁工业亦称黑色冶金工业。钢铁工业是重要的基础工业部门，是发展国民经济与国防建设的物质基础。冶金工业的水平也是衡量一个国家工业化的标志。 1.钢铁工业资源 钢铁工业是庞大的重工业部门。它的原料、燃料及辅助材料资源状况，影响着钢铁工业规模、产品质量、经济效益和布局方向。 （1）铁矿石是钢铁工业的主要原料。 （2）焦炭是钢铁工业的燃料。 （3）钢铁工业辅助原料资源。钢铁工业除需要大量铁矿石、 焦炭为主要原料外，尚需锰矿、石灰石、白云石、莹石、硅石及耐火材料等辅助材料。据有关资料统计，平均炼出一吨铁需要1.6吨辅助材料。 2.钢铁工业的发展与分布 民族地区钢铁工业是从解放以后才兴起的，从无到有，从小到大，发展迅速。1990年民族地区钢产量为368.26万吨，钢铁工业已经和正在成为民族地区经济的重要方面。 （二）有色金属工业 有色金属，是指除铁、锰、铬构成的黑色金属以外的所有金属的总称。与黑色金属相比，更具有耐蚀性、耐磨性、导电性、导热性、韧性、高强度性、放射性、易延性、可塑性、易压性和易轧性等特殊性能。它是发展现代工业、现代国防和现代科学技术不可缺少的重要材料。】 通过冶金工业的发展，生产出各种各样的产品，提供给需要的人，为人们的生活带来方便和乐趣。比如，现在建房打地基钢材，修铁路要钢材，制造兵器要钢材冶金工业的发展是国家的发展之本，经济发展之本。因为，国家想要发展，成为经济强国，那么冶金工业就是其根本，它的发展直接影响国家的发展。所以，冶金工业必然是发展主流。然而，冶金工业也是耗能大户，它所消耗的能源占全国总能源的12%左右。目前看来，冶金工业的发展不可能被国家放弃，因此，节约能源消耗，提高能源利用率是一个重要的环节。2 冶金工业余能利用及其相关技术 冶金工业遍布全国，不论是大连、天津、上海等沿海城市，还是内地的包头、太原、武汉、重庆、攀枝花等地，都有大型高铁企业的发展。而且，辽宁、黑龙江、山东、河南、四川、贵州、甘肃等地也建设了一批大型氧化铝厂、电解铝厂和铝材加工厂。而在湖南、江西、贵州、广西等地亦有大型的有色金属生产基地建立。所以说，钢铁和金属工业发展对国家来说非常重要，它的发展影面积广。其中和冶金有关的就有军事工业、建材工业、汽车工业、制药工业、煤炭工业、航天工业、钢铁工业、科技实验、兵器工业和电子工业等不下10种工业，所以说，国家的发展离不开冶金工业的发展。那么，对于冶金工业在开发和生产的同时而无法利用的能量，我们就应该向办法利用起来。冶金工业的的确确是耗能大户，但是它带来的利益和所消耗的能源是成正比的，它的发展必须进行下去。所以，我们需要做的就是如何通过技术的改进达到节约能源消耗和对余能的利用。例如，钢铁工业中的热能和煤粉无法充分利用完全，还有就是高炉炉顶的余压等，这些都是我们可以利用的余能。随着工业的发展，节能技术的不断完善，这方面的发展前景已经无法和余能利用技术的开发相比了。这个是从难易程度上来分析的，打个比方，为了同一个目的，有2个方向可以考虑，人们为了提高成效，先选择了在其中之一。在大量的人力物力的支持下，这方面很快就取得了不错的成效，但是随时间的流逝和开发的完善，想在这个方面再次取得较大的成就非常的困难。与其这样，不如把这些投资投入另外未考虑的那个方向，取得的成效一定远大于在前一个方向上的成就。这就是现在冶金工业遇见的问题，节能技术几乎无孔不入的被开发者们利用在了一切可利用的地方，但是余能利用技术却没多少人去开发。在这种情况下，着力于余能利用技术的开发所得的效益远大于节能技术的开发。现在针对余能的利用，已经有了多个成功的实例，例如：高炉炉顶余压发电，干熄焦，热结矿余热回收系统等。这些技术的成功，大大挺高了国家和人民的效益，也减少了对地球对国家对人民的资源的浪费。【2我国现在的企业的能源利用率平均在30%40%,还有大量余能尚未充分利用。由于消耗的能源中以燃料为主，所以余能绝大部分是以热能的形式存在。也有少数是气体的压力能和一部分带压力的冷却水的剩余压头。企业的余热资源中，就形态来说，有固体、液体、气体三种。余热又分几种，（1）排气余热气体余热中，多数为炉窑排放的废弃带的热。这种余热资源数量大，分布广，占余热资源重量的一半左右。如：转炉炉气，焦炉的荒煤气等。 （2）高温产品和炉渣的余热 如金属的冶炼、熔化和加工；煤的气化和炼焦；石油炼制；高炉渣、转炉渣排放时等 （3）冷却介质的余热 （4）化学反应余热 （5）废气、废液、废料余热 工业生产过程中，有时产生的大量的可燃废气、废液和废料，它们的显热及药理能过去都未被利用，故属余热之列。如：铁合金厂的冶炼炉排气，炼油厂的可燃废气，化工厂电石炉废气等属于可燃废气；可燃废液包括炼油厂下脚渣油，废机油，造纸黑油等；可燃废料包括纸张、塑料等木材废料。 （6）废汽、废水余热 这种余热存在于使用蒸汽和热水为生产所需热源的工厂，例如化工、机械、纺织、冶金等。】 我们回收余热是为了节约能源消耗，减少能源的浪费，因此，回收而来的余热我们就需要根据其温度、热量的大小和携带余热的物质形态合理利用这些资源，使其存在的效益最大化。这些回收的余热有的可以直接利用，有的则需要通过一定的方法来利用。 回收的余热的利用途径多种多样。通过不同的方法，可以用在发电、动力、生产用汽、采暖、海水淡化等。而余压能一般存在于钢铁、石油化工企业中 ，而对于这些余压能，也是由企业内部安装各种能量回收机来自给自足，从而达到节能的目的。目前，政府已将“余热余压”利用工程列为“十大重点节能工程”之一。高炉炼铁基本原理及工艺主要内容高炉主要技术经济指标高炉冶炼原、燃料及熔剂铁矿烧结的基本原理、工艺高炉冶炼基本原理与能量利用高炉强化冶炼的手段与方法一、高炉主要技术经济指标1、利用系数: =P（高炉昼夜产铁量）/Vu（高炉有效容积）t/m3.d）2、焦比 : K=Q（昼夜焦碳用量）/P （现主要核算综合焦比）3、冶炼强度: I=Q/Vu （反应焦碳的燃烧能力）4、休风率:计划外的检修时间占规定作业时间的百分比（2%）5、生铁成本：原料占80%6、一代炉龄：高炉点火开炉停炉大修历经时间（与耐材砌筑、I有关）二、高炉冶炼原、燃料及熔剂1.铁矿石种类及质量评价品位：含铁量，理论上品位1%，焦比2%，产量 3%脉石成分：SiO2、Al2O3越好（须重视Al2O3 ），MgO 越好有害杂质：S、P、Cu、Pb、Zn、As、K、Na有益元素：Mn、V、Ni、Cr强度和粒度：强度易粉化影响高炉透气性，不同粒度应分级入炉;还原性：被CO、H2还原的难易、影响焦比;化学成分稳定性： TFe波动0.5%，SiO2 0.03%混匀的重要性（条件：平铺直取原料场应足够大）;矿石代用品： 高炉炉尘、转炉炉尘、轧钢皮、硫酸渣等。2. （助）熔剂（1）作用：形成低熔点易流动的炉渣、脱S（碱性熔剂）（2）种类：(3)熔剂的质量要求碱性氧化物含量（CaO+MgO52%） 概念：石灰石有效熔剂性CaO（有效）=CaO（石灰石）-RSiO2（石灰石）S、P S（0.010.08%），P（0.0010.03%）减少CaCO3入炉： 原因：a. 高温分解吸热 b. CO2+C=2CO c. CO2会冲淡CO浓度 造成焦比K增加。3.高炉用燃料焦碳：主要作用： 作为高炉热量主要来源的6080%，其它热风提供提供还原剂C、CO 料柱骨架，保证透气性、透液性质量要求： 含炭量：C灰份渣量、强度、反应性 焦比 含S量：生铁中S80%来源于焦碳 强 度：M40、M10粒度组成： 焦丁的利用及混装过渡区的问题成分稳定（特指水分）： 干熄焦技术（宝钢）焦碳反应性： C+CO2=2CO开始反应的高低快慢影响间接还原区的范围，从而影响焦比。4.精料的含义：“高、稳、熟、小、匀、净”方针高：（1）矿石品位高（天然矿62%，烧结矿57%，球团矿60%）渣量降低300KG/T铁（2）固定炭高，灰份10%（3）还原性好：烧结矿中FeO 10%（4）机械强度高：转鼓指数、高温强度、软熔温度稳：化学成分稳定（TFe、R）熟：增加熟料率1%，0.3%，焦比1.2kg/tFe小、匀、净：平均粒度差小、杂质少日本称为“整粒”处理三、铁矿烧结及球团的基本原理、工艺（一）烧结料组成：（1）含铁料：精矿份200目以下（考虑成球性）、富矿粉（58MM，烧结中的骨架）、其他（炉尘、轧钢皮等）（2）熔剂：以CaO为主， CaO 1%，烧结产量 3%（3）燃料：焦粉、无烟煤35%，20%可进行金属化烧结（低品位矿石冶炼可持续发展问题）（4）返矿：机尾筛下物（未烧透影响成品率）烧结的车间的全貌烧结流程（二）烧结料层结构烧结点火示意图1.烧结矿层：随烧结过程进行不断加厚，抽入空气过冷使烧结矿骤冷将影响烧结矿强度。2.燃烧层：主要反应为：C的燃烧、MCO3分解、FeS2氧化、形成液相、铁氧化物分解还原氧化。（由于液相的产生使该层透气性变差）3.预热层：主要反应为：氧化还原、结晶水分解、部分MCO3分解4.干燥层：主要为烧结料中水分蒸发，易使烧结料球破坏5.过湿层：原始混合料层，水分凝聚，影响料层透气性（三）烧结过程的特点1.燃料燃烧需空气过剩，过剩系数=1.41.5（燃料分布较稀疏）2.一般情况下烧结保持弱氧化气氛（金属化烧结除外）3.烧结过程存在自动蓄热作用（可以考虑采用上高下低的分层配炭）4.存在传热速度与燃烧速度的同步问题5.存在如何减少“过湿”现象的问题6.存在有害杂质S的去除问题（S由易去除S化物转化为硫酸盐的问题）7.存在选用何种液相体系作为固结成型机理问题8.如何解决还原性与强度矛盾的问题（四）强化烧结的措施1.改善透气性：适宜的水分、延长混料时间、小球烧结、预热混合料2.提高抽风负压：但需考虑电耗成本增加问题3.高压烧结：增加气体质量流量4.热风烧结：可部分解决还原性与强度之间的矛盾5.加入稳定剂：P类、B类、Mn、V类6.提高R：铁酸钙理论，即控制液相成分，但不利于脱S7.厚料层烧结：充分利用自动蓄热作用（条件：预热混合料、低水原则）8.双层烧结：二次点火，设备复杂9.料面插孔烧结：提高透气性 烧结设备（料仓）烧结设备（烧嘴）烧结设备（台车）烧结设备（主排气管）烧结设备（烧结布料机构）烧结设备（除尘设备）烧结设备（抽风系统）烧结设备（风机与风箱）烧结设备（破碎机）烧结设备（传动装置）四、高炉冶炼基本原理（一）高炉还原过程（二）造渣与脱S（三）风口前C的燃烧（四）炉料与煤气运动（五）高炉能量利用高炉的五大系统 高炉的原料系统原料系统之一上料皮带 炉顶布料 称量料斗 送风系统 送风系统之热风炉 高炉本体预览 高炉本体平台构成 高炉炉型（一）高炉还原过程1.高炉炉内状况（1）块状带：矿焦保持装料时的分层状态，与布料形式及粒度有关，占BF总体积60%（2001100） 主要反应：水分蒸发 结晶水分解 除CaCO3外的其它MCO3分解 间接还原 碳素沉积反应（2CO=C+CO2）（2）软熔带：矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也称“焦窗”形状受煤气流分布与布料影响，可分为正V型，倒V型，W型 主要反应：Fe的直接还原 Fe的渗碳 CaCO3分解 吸收S（焦碳中的S向渣、金、气三相分布） 贝波反应：C+CO2=2CO （3）滴落带：主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦碳床 主要反应：Fe、Mn、Si、P、Cr的直接还原，Fe的渗C（4）回旋区：C在鼓风作用下一面做回旋运动一面燃烧，是高炉热量发源地（C的不完全燃烧），高炉唯一的氧化区域。 主要反应： C+O2=CO23 钢铁冶金联合企业“钢铁冶金”学科是国家及上海市重点学科。建有科技部与上海市共建“现代冶金和材料制备”国家重点实验室培育基地、上海市科委直属的“上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室”，并设有冶金学博士后科研流动站，本学科师资力量雄厚，学术梯队结构合理，仪器装备精良，科研条件为国内前列水平，在钢铁冶金基础理论研究和重大新技术的开发方面成果丰硕显著。（上海大学）本学科点的主要研究方向有： (1)钢铁冶金过程制氢技术； (2)特殊物理场下冶金和材料制备过程； (3)炼钢和二次精炼新技术及纯净钢和特种钢研究； (4)冶金熔体物理化学及数据库； (5)铁和铁合金的熔炼新技术； (6)金属材料的高新制备技术； (7)金属连铸凝固技术； (8)冶金中的传输理论与过程数模及仿真。钢铁冶金联合企业有严格的生产环节，其具体环节如下：最开始是采矿，粉碎，选矿。采掘铁矿石，用粉碎机粉碎，用磁力选矿或浮力选矿选出含铁量高的矿石制成矿粉。然后制料，通过烧结法或者球团法制成烧结料或者球团料。然后到炼铁，也就是把料加入高炉炼成铁水。之后就是炼钢。把铁水注入转炉，进行吹炼。在这之前可以进行铁水预处理。炼钢之后可以进行精炼处理。再然后就是连铸。用连铸机把钢水铸成钢坯。最后进行轧制。如果是板坯。钢轧机把钢坯轧成一定厚度的钢板。或者是方坯，制成线材或棒材。 钢铁冶金的主要工艺可分为以下步骤：烧结-炼铁-炼钢-连铸（模铸）-轧钢 烧结：就是把铁矿粉造块，为高炉提供精料的一种方法。是利用铁矿粉、熔剂、燃料及返矿按一定比例制成块状冶炼原料的一个过程。 炼铁高炉的冶炼过程主要目的是用铁矿石经济高效的得到温度和成分合乎要求的液态生铁。 高炉冶炼的全过程可以概括为：在尽量低能量消耗的条件下，通过受控炉料及煤气流的逆向运动，高效率的完成还原、造渣、传热及渣铁反应等过程，得到化学成分与温度较为理想的液态金属产品。 高炉炉料经各种化学还原反应生产出合格铁水然后通过鱼雷罐送入炼钢，然后作为炼钢原料入转炉冶炼成钢。炉渣经水冲渣排入渣池，通过渣水分离，炉渣排走，水循环利用。 高炉冶炼过程中产生的付产品高炉煤气做为低热值气体燃料供热风炉，烧结，锅炉，预热炉和加热炉等使用。 炼钢广义上说就是铁水通过氧化反应脱碳、升温、合金化的过程。它的主要任务是脱碳、脱氧、升温、去除气体和非金属夹杂、合金化。 连铸就是合格钢水在铸机中冷却成坯的过程。 轧钢：在旋转的轧辊间改变钢坯形状的压力加工过程。4 钢铁冶金联合企业发展状况及其前景1）目前钢铁材料的无法替代性；2）世界主要产钢国家过去百年(1901-2000)的发展情况；3）中国目前是世界第一产钢大国；4）中国钢铁工业技术装备已跻身世界先进水平。尽管蓬勃发展的各种新型材料将会在很多领域逐渐取代传统材料，但由于其高性价比和高循环使用率，钢铁材料不仅是迄今人类文明发展的“钢筋铁骨”，在未来人类社会的材料使用中还必将长期占据重要的地位。当然，其原料和能源结构以及生产形式也必然会发生根本的变化。未来钢铁工业的原料与能源结构高效低排放的新型生产方式。大量消耗天然资源，大量排放炉渣、废热和废气的传统的钢铁材料生产方式必将逐步被取代。原材料和能源充分循环利用、高效率、低排放甚至零排放的新型生产方式应得到发展和推广。这种生产方式的细节尚不十分清晰，但从循环经济的要求和技术积累的层面分析，应该包含以废钢循环为主的原料结构和以氢能源为主体的能源结构，包含对排气、废水和废渣的回收和综合利用, 以此从根本上保证可持续发展的需要。1 我国钢铁冶金行业基本现状市场需求拉动我国钢铁冶金行业生产能力适度增长20世纪90年代以来，我国经济一直保持着较高的增长速度，而且高于世界平均经济增长速度。从经济周期的中长期波动的角度来看，我过目前任然处于中长期周期的上升阶段，经济规模任然在快速扩大。经济的不断扩张必然引起钢材需求量的不断增长。与经济周期相对应钢材需求量也处于一个上升的时期。在这种趋势下，我国钢铁业出现快速发展，钢铁产量已连续10位居世界第一，近年来发展尤其迅速，1996年突破1亿吨，2003年突破2亿吨，2006年达到4，3亿吨。据不完全统计，全国观有钢铁工业企业4000余家，拥有员工超过250万人，完成工业总产植超过10000亿元。产品结构调整取得了明显成效（1）板管产量大幅度增加，板管比显著提高。近年来，板管产量增加较多，1995年板管产量只有3448万吨，2000年板管产量达到5478万吨，增加2030万吨，增长幅度58.896。板管比也有提高，1995年板管比38.4%。2000年板管比达到41.6%，增加3.2个百分点。（2）板管材中长期短缺的高档次板。管材大幅度增长。我国长期短缺的高技术含量、高附加值产品。主要是冷热轧薄板、镀锌板、镀锡板。冷轧硅钢片、冷轧不锈板、石油专用管等，在“九五”期间都有大幅度增长。1.3工艺装备结构调整取得重大突破（1）大力发展连铸技术，连铸比有很大提高。1995年全国连铸比只有46.4%。2000年全国连铸比达到87.53%，2001年全国连铸比为91.37%。（2）淘汰后关闭“五小”取得初步成效。小高炉、小转炉、小电炉、小轧机、土焦等落后工艺设备开始陆续淘汰，1995年以来，已经累计淘汰小高炉1378座，减少产铁能力957万吨；同时淘汰了数百座小电炉、小转炉等落后的炼钢能力。2我国钢铁冶金行业存在的主要问题2.1产能扩张速度过快，成本上升压力加大，资源保障程度降低近几年来，我国钢铁工业产能和产量持续以超过20%的增幅快速增长。钢铁产量与产能的过快增长，造成铁矿石进口数量急剧上升。近4年间，我国进口铁矿石每年以20%以上的幅度增长，4年累计增加1.4亿吨。进口量的急剧增加，客观上引发了国际市场矿石贸易价格的飞速上涨。从2005年4月1日起，我国进口价格在前几年已上涨了近50%的基础上，猛涨71.5%。矿石进口的数量和价格的攀升，加大了钢铁企业未来的运营成本和运营的风险，危机钢铁工业及其下游产业的可持续发展。此外，钢铁生产过快增长，加剧了煤电油运的紧张局面。2.2 产业组织结构任然不合格，规模不经济问题依然比较严重国际相比，我国长贴工业的集中度明显偏低。2003年我国最大的量大钢铁企业宝钢集团和鞍山钢铁集团合计钢产量，只占全国产量的13.5%。2004年底，全国钢铁企业约有300家，总生产能力2.5亿吨。在这300家企业中，2004年底年产钢铁在100万吨以上的企业56家，其中，年产钢材在2000万吨以上的有1家，1000万吨以上的企业有1家，500万吨以上的企业只有15家，100万吨以上的企业有40余家，其他240多家小型企业都是不符合产业政策，消耗大量资源生产劣质，底档次产品，需要淘汰关闭。2.3钢材品种结构仍然不够合格，产品结构与市场需求错位2003年，我国生产钢材的板管比为41.5%，其中板带为34%；而市场需求的板管比板带比分别为48.6%和42%，分别相差7个和8个百分点。国内板管带材生产不足，只能依靠进口解决。近年来，在我国进口钢材中，板管带材的关键品种进口量在80%以上。底附加值的普通钢材品种，特别是建筑用长线产品严重过剩。但是国民经济发展急需的高档次，高附加值的产品如轿车用钢、家用面板。轴承钢、齿轮钢等国内还不能满足需求，仍需进口。3我国钢铁冶金行业的发展趋势3.1将逐步提高集中度，企业购并重组势在必行 从理论上来讲，提高行业集中程度有二种选择；一是增量的集中，一是存量的集中，二是增量与存量的集中。增量的集中是指通过现有大型企业通过建设新的钢铁生产线，扩大钢铁产量规模来实现集中，即通过“内涵式”扩大再生产来集中。存量集中是指通过现有企业的结构调整，大企业收购兼并中小钢铁企业，大型钢铁联合企业在竞争中壮大，而中小企业或设备、技术落后的企业在竞争中被淘汰，从而实现钢铁产业的集中，即通过“外延式”扩张来集中。对于增量集中来说，会导致供给总量的不断增加，需要以相应需求总量的增加为前提。有研究表明，依靠增量来提高钢铁产业的集中程度不可取。因此，在竞争中扶优限劣、优胜劣汰、实施购并重组将成为钢铁产业集中或快速集中的主要渠道与手段。3.2节能降耗、改善环保，不断进行技术创新，走可持续发展道路2007年中央经济会议提出“坚持以节约能源资源和保护生态环境为切入点积极促进产业结构优化升级是主要任务之一”。强调必须进一步统一认识，下最大决心、用最大力气，力求取得实际成效。必须采取有力措施，充分挖掘潜力，努力实现节能降耗和污染减排的约束性目标。上述工作将是今后钢铁下业较长时期的战略性任务和目标。我国钢铁工业今后的发展不仅是规模、效益、品种、质量、产品功能和成木的问题，而且还要考虑与社会、人类、自然等方面而协调发展的问题，充分合理及最大限度地利用资源、最少排放与社会协调发展的生态要求。满足日益严格的环保控制要求，促进企业与城市环境友好相处和行业可持续发展的密切结合。3.3加强钢铁冶金行业信息化建设 随着以计算机网络技术为代表的信息时代的到来，以信息化为契机改造现实冶金行业已经是刻不容缓的事情。冶金行业信息化是指