第三章钢铁冶金(2).ppt

3 1概述 铁在自然界的储量仅次于铝 而居第二位 另一方面 铁在自然界中有巨大的铁矿场 钢铁是所有金属中产量最高 用途最广 而成本最低的金属材料 3 1 1钢铁的分类 生铁 含碳量在4 5 1 7 之间的铁碳合金 熔点1100 C钢 含碳量在1 7 0 05 之间的铁碳合金 熔点1450 1500 C熟铁 含碳量 0 05 的铁碳合金 熔点1530 C 3 1 2我国的钢铁冶金企业 我国近代钢铁生产分为三个时期第一个时期 1890 1930年第二个时期 1931 1945年第三个时期 1946 1948年新中国的成立 使我国的钢铁工业迅速发展 新中国成立钢铁产量的变化 1949年钢产量为15 8万吨1952年钢产量为135万吨1957年钢产量为535万吨1966年钢产量为1532万吨1978年钢产量为3178万吨1988年钢铁产量 5640万吨2003年钢产量为2 201亿吨2004年钢产量为2 72亿吨2005的钢产量为3 31亿吨 连续10年世界排名第一 钢铁生产现状 建国初期只能生产100多个钢种现已能够生产包括高温合金钢 精密合金钢和低 微 温合金钢在内的1000多个钢种 能够轧制 加工的钢材和金属制品品种规格超过4万个 国民经济各行业所需的钢材品种大多可以国内生产 我国大型钢铁企业 至2004年底 我国钢铁生产企业达871家 其中 国有及国有控股企业107家 民营及民营控股企业706家 外资及外资控股企业58家 年产500万吨以上的大型钢铁联合企业有 宝钢鞍钢本钢首钢武钢马钢包钢攀钢沙钢华菱邯钢唐钢济钢安钢莱钢 宝钢 中国规模最大 品种规格最齐全 最具竞争力 高技术含量和高附加值产品份额比重最大的钢铁企业 年产钢能力2000万吨左右 2005年7月 被 财富 杂志评为2004年度世界500强企业第309位 成为中国竞争性行业和制造业中首批蝉联世界500强的企业 汽车板 造船板 家电板 管线钢 油管等高档产品在国内的市场占有率位于前列 优质工模具钢 高性能轴承钢 弹簧钢 钢帘线用钢以及航空航天用钢的主要供应商 鞍钢 鞍山地区铁矿石资源丰富 已探明铁矿石储量约占全国储量的四分之一 生铁 钢 钢材的综合能力均在1000万吨以上 国内能够生产轿车面板的少数钢铁企业之一 全球最大的集装箱钢板供货企业 向全国冶金行业输送技术人才5万余人 本钢 始建于1905年 企业历史悠久 队伍精良 截止2005年底 年产钢960万吨 我国重要的精品板材生产基地 拥有资产400 65亿元 本钢与鞍钢重组 形成年产钢2000万吨的能力 达到年销售收入1000亿元水平 武钢 新中国成立后由国家投资建设的第一个特大型钢铁联合企业 1958年9月13日正式投产 占地面积21 17平方公里 现有在岗职工近9万人 已形成年产钢铁各1000万吨的综合生产能力 主要生产热轧卷板 冷轧卷板 镀锌板 镀锡板 冷轧硅钢片 彩色涂层板以及大型型材 线材 中厚板等几百个品种 首钢 首钢始建于1919年 1958年建起了我国第一座侧吹转炉 1964年建成了我国第一座30吨氧气顶吹转炉 1994年首钢钢产量达到824万吨 列当年全国第一位 现有钢铁综合生产能力800万吨以上 集团职工人数从1995年的24 64万人减少到2003年的13 51万人 马钢 形成了铁 钢 材800万吨配套生产规模 拥有我国最先进的热轧大H型钢生产线和亚洲最大的车轮轮箍专业生产厂 安徽省最大的工业企业 总资产近300亿元 包钢 国家在 一五 期间建设的156个重点项目之一 2004年末 总资产达到351亿元 我国重要的钢铁工业基地和最大的稀土生产 科研基地和重要的稀土信息中心 内蒙古自治区最大的工业企业 包钢白云鄂博矿是世界瞩目的铁 稀土等多元素共生矿 稀土储量居世界第一位 铌储量居世界第二位 具备年产钢850万吨以上的能力 攀钢 我国西部最大的钢铁生产基地 中国最大的铁路用钢生产基地 品种结构最齐全的无缝钢管生产基地 最大的钛原料和钛白粉生产基地 中国最大 世界第二大钒制品生产企业 2004年 以339 54亿元的营业收入位居我国500强企业第67位 名列国内钢铁行业第5位 独特资源优势 独特产品优势 独特工艺技术 独特工艺布局 华菱 1997年底由湖南三大钢铁企业 湘钢 涟钢 衡钢联合组建的大型企业集团 钢的生产能力由1997年的250万吨增加到2004年末的900万吨 钢产量由236万吨增加到713万吨 进入全国8强行列 湖南省第一家销售收入过两百亿元的企业集团 2004年末 集团资产总额373亿元 职工5 7万人 沙钢 位于张家港市 临江近海 拥有7公里长的长江深水岸线 1975年靠45万元自筹资金创办的钢铁企业 中国最大的民营钢铁企业 目前国内最大的电炉钢和优特钢材生产基地 具有年生产铁1000万吨 钢1500万吨 材1500万吨 不锈钢薄板40万吨 镀锌板15万吨的生产能力 现总资产超过360亿元 占地10平方公里 钢铁企业的特点 大型化集团化大资产化 沙钢炼铁炼钢工艺流程 沙钢线材料生产流程 选矿 炼铁 用户 炼钢 轧钢 焦化 矿山 烧结 球团 煤气 天然块矿 熔剂 生铁 渣 钢锭 焦碳 其它焦化品 3 1 3炼铁方法 目前一切炼铁方法都是通过还原的方式从含铁物料中提取金属的 现在炼铁方法的产生与发展是以一定的能源条件为转移的一 高炉炼铁特点 必须以焦碳为主要燃料 只能处理块状物料 二 非高炉铁 特点 不以焦碳为主要燃料 可处理粉状物料 其燃料可以包括煤 天燃气 燃油 电能等 1 直接反应法特点 物料在固体状态下还原2 熔融还原法特点 物料在熔融状态下进行还原 3 2高炉炼铁的工艺及设备 目前最重要的 产量最大的炼铁方法是高炉炼铁法 高炉炼铁法生产能力大 经济效果好 规模日益大型化 技术日臻完善 自动化 计算机化程度较高 3 2 1高炉生产体系 高炉 渣铁处理系统 原料系统 煤气清洗系统 送风系统 3 2 2高炉本体结构 高炉是一个典型的竖式火法冶金设备 属于鼓风炉 其的特点 立式 高温 连续 外热 鼓风 以焦碳为燃料 宜处理块状物料 炉料与炉气逆向运动 沙钢2000立方米高炉 1 炉基2 炉壳3 炉衬4 冷却设备5 风渣铁口6 装料设备7 金属结构 3 2 3高炉炉型1 炉缸2 炉腹3 炉腰4 炉身5 炉喉 3 3高炉炼铁原料和燃料 3 3 1铁矿石一 种类1 天然铁矿石没有经过选矿 烧结等加工处理 开采出来后直接用于炼铁的铁矿 最常用的含铁矿物主要有四种 磁铁矿 赤铁矿 褐铁矿 菱铁矿 铁矿石的一组成及特性 2 人造富矿 贫矿经过选矿得到富的铁矿粉 然后经过烧结或球团化成为具有一定机械强度与粒度的块状的铁原料 根据制块方法的不同分为 1 烧结矿 块状2 球团矿 球状 二 铁矿石的要求 1 含铁量 含铁量高 大于50 为富矿 45 35 为中矿 30 35 的为贫矿 2 脉石成分 SiO2 Al2O3 CaO MgO3 杂质元素1 有害元素 如S P As等2 有益元素 如Mn V Ti Ni W等 二 铁矿石的要求 4 强度和粒度 粒度20 30mm5还原性 菱铁矿 褐铁矿 赤铁矿 磁铁矿6 软化性 物料开始变形的温度和开始变形到这型终了的温度区间 7 各项质量指标的稳定性现在的高炉冶炼人造富矿的比例达到80 以上 3 3 2燃料 目前炼铁中最重要的燃料是焦碳 而焦碳的用量及质量极大的影响到生产的顺利进行 生产的成本及产量的质量 此外还有其它一些代焦燃料 如 天然气 煤气 重油 原油 无烟煤粉 一 焦碳的作用 一 焦碳的作用1 发热剂 提供冶炼过程中需要的热量 2 还原剂 提供冶炼过程中需要的还原剂 形成还原性气氛 3 料柱骨架 改善料柱的透气性 利于生产顺利进行 二 对焦碳的质量要求 1 含碳量高 灰份少2 有害杂质S P少3 强度好 焦粉少 粒度圴匀 有适当的气孔率4 化学成分稳定 3 3 3熔剂 作用 调整炉渣成分 改善炉渣性质 使脉石全部进入渣中并与铁很好的分离 一 种类1 酸性熔剂 主要成分为SiO2的物料 如石英石 河沙 粘土矿等 2 碱性熔剂 主要成分为CaO MgO CaF等矿物的物料 如石灰石 白云石 萤石等 二 要求 根据冶炼中对渣的性质的要求 根据铁矿石的成分 根据所炼铁的种类 采用不同的熔剂 对熔剂的要求是 1 有效成分高2 有害S P杂质少3 强度好 粒度圴匀 粉末少 3 3 4锰矿石 世界上锰开采量的90 用于钢铁工业 常用的锰矿石有 软锰矿 MnO2硬锰矿 KRO MnO2 nH2O RO MnO CaO MgO等 黑锰矿 Mn3O4褐锰矿 Mn2O3水锰矿 Mn2O3 H2O 3 3 5其它含铁原料 一 高炉炉尘二 氧气顶吹转炉炉尘三 轧钢氧化铁皮四 硫酸渣五 碱性转炉渣 平炉渣以及其它有色冶金中的含铁高的渣 3 4高炉冶炼产品 一 生铁根据用途不同 可分为三类 1 炼钢生铁 要求含S要低 2 铸造生铁 灰口铁 含硅较高 3 特殊生铁 合金铁 S P含量要低 3 4高炉冶炼产品 二 高炉煤气含CO约22 32 发热值约为3000 4000KJ M 三 炉渣主要成分为 CaO SiO2 Al2O3 MgO可用作建筑材料等 3 5高炉炼铁原理 高炉的固体物料在高炉冶炼中从上到下的运动 从低部鼓入炉内的风在炉腹处与燃料作用产生热与气 从下往上运动 逆向运动的物料与气体发生一连串的物理化学反应 最后得到生铁与炉渣 一 炉料的挥发与分解 1 水分的挥发与分解2 焦碳中的挥发分的挥发3 碳酸盐的分解吸热耗碳冲淡还原性气氛 二 铁氧化物的还原 还原反应是高炉冶炼最基本的物理化学反应 某元素的氧化物还原的难易程度取决于该元素对氧的结合能力的大小 与氧亲合力大 氧化物分解压小 生成自由焓较正 这种元素的氧化物稳定 容易氧化 难以还原 反之则不稳定 难以氧化 同时氧化物的稳定性与温度有关 温度越高氧化物的稳定性越小 1 铁氧化物还原的规律 规律 从高价到低价逐级还原当温度高于570 c时 Fe2O3Fe3O4FeOFe当温度低于570 c时 Fe2O3Fe3O4Fe 2 用CO还原氧化物 间接还原 CO是高炉炼铁的主要还原剂当温度 570 c时 3Fe2O3 CO 2Fe3O4 CO2 QFe3O4 CO 3FeO CO2 QFeO CO Fe CO2 Q 2 用CO还原氧化物 间接还原 当温度 570 c时Fe3O4 4CO 3Fe 4CO2 Q上述反应的Kp Pco2 Pco co2 co 设炉内 co2 co 100 co 100 Kp 1 f T CO还原铁氧化物平衡气相图 结论 1 各稳定相区的大小由平衡气相组成CO 来划分 还原反应的方向决定于气相中CO的浓度 2 低价铁氧化物比高价铁氧化物难还原 3 用C还原铁氧化物 直接还原 还原反应 因只在高温区进行 FeO C CO实际反应历程 FeO CO CO2CO2 C 2CO即实际上是通过CO还进行的 CO2 C 2CO反应的平衡 CO与温度的关系作图 可以得到用C还原的平衡气相图 C还原铁氧化物的平衡气相图 结论 当碳直接参加还原反应时 1 各种物质的稳定相区由温度确定 2 各反应进行的方向由温度决定 4 复杂氧化物的还原 特点 先分解后氧化 如 FeO SiO2 FeO SiO2 QFeO CO Fe CO2 Q结论 复杂氧化物比简单氧化物难还原 5 非铁元素的行为 1 易还原的非铁元素 氧化物的分解压大于铁氧化物 如 Cu Pb Ni P等2 部分还原的非铁元素 氧化物的分解压与铁氧化物的分解压 如Mn Si V Cr3 不能还原的非铁元素 氧化物的分解压比铁氧化物小的 如Ca Mg Al等 五 生铁的形成 渗碳 生铁的形成过程是铁的还原和不断渗碳以及其它元素进入铁中的过程 渗碳有两种形式 固体渗碳液体渗碳 五 生铁的形成 渗碳 CO C CO2 Q这是一个可逆的反应 正向反应为强吸热 逆反应是碳的沉积 生成的固体碳颗粒细活性大 在高炉的炉身下部 温度较低时 3Fe 固 C Fe3C 固 在高炉的炉腹以下 温度较高时 3Fe 液 C Fe3C 液 因此高炉炼铁渗碳过程是不可避免的 六 造渣与脱硫 把矿石中的脉石 焦碳的灰分 在熔剂的作用下熔化成渣而与铁分离的过程叫做造渣 炉渣是熔炼过程中熔汇一切脉石成分和焦碳的灰分形成不与铁互溶的另一类熔体 1 造渣的作用 1 使脉石和焦碳中的灰分与熔剂形成比重轻 熔点低的化合物与铁水分离 2 除去S P As Sb等杂质 3 控制部分元素的还原 调整生铁的成分 4 调节炉缸的温度 一切熔炼过程 即一切通过造渣与所要提取的物料分离的火法冶金过程 造渣都是生产中十分重要的环节 2 炉渣的性质 1 碱度 炉渣中碱性氧化物与酸性氧化物的含量之比 2 熔化性 熔化温度及熔化性温度3 流动性 炉渣粘度的倒数 4 稳定性 炉渣的性质随温度变化的程度 炉渣的性质极大的影响到炉渣的作用 而炉渣的性质又决定于炉渣的组成 3 炉渣的形成 低熔点化合物软化和熔化 与未熔化的固体颗粒粘结在一起 初渣 在下降过程在吸收更多的脉石和熔剂参加造渣 而渣中的铁氧化物不断还原 在风口处吸收焦碳燃烧后的灰分 进入炉缸 完成还原与脱硫 形成终渣 4 脱硫 生铁的含硫量是影响生铁质量的最重要的指标之一 高炉除硫是利用硫形成能在渣中溶解的化合物从而进入渣中的方式进行的 脱硫反应主要发生在炉缸中的渣铁界面上 4 脱硫 脱硫反应可以如下的方程表示 FeS CaO C CaS Fe CO Q为了提高炉渣的脱硫能力 主要有三个基本条件 1 碱度高2 炉温高3 还原性炉渣 渣中铁含量少 七 燃烧反应 2C O2 2CO QC O2 CO2 QCO2 C 2CO Q燃烧反应为高炉炼铁中物料运动的源泉 热能的源泉 气体还原剂产生的源泉 燃烧反应是高炉冶炼各反应的基础 高炉内各部位主要反应示意图 3 5炼钢原理与工艺 3 5 1炼钢的任务与原理炼钢就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质一 任务1 脱碳 脱除生铁中的碳 2 除杂 除去钢中的杂质3 合金化 调整钢中成分 3 5 1炼钢的任务与原理 二 原理使杂质氧化 形成不与金属互溶的氧化物而造渣除去 现代炼钢法都是在高温熔融情况下 通过氧化的方法 使C和其它杂质氧化从铁水中除去的 炼钢过程的实质就是一个氧化除杂质的高温过程 3 5 2炼钢的原料 一 金属料1 生铁要求 Si0 4 0 8 Mn0 2 0 4 S 0 04 2 废钢要求 含锈 水 泥沙要少 不应含有色金属Cu Zn Pb等 3 5 2炼钢的原料 二 造渣剂酸性熔剂 主要成分为SiO2的物料 如石英石 河沙 粘土矿等 碱性熔剂 主要成分为CaO MgO CaF等矿物的物料 如石灰石 石灰 白云石 萤石等 3 5 2炼钢的原料 三 氧化剂1 气体氧化剂 氧气O2 98 2 固体氧化剂 铁矿石 Fe 58 62 氧化铁皮 Fe 70 75 锰矿石 Mn 35 45 烧结矿及球团矿 Fe 50 3 5 2炼钢的原料 四 脱氧剂和合金剂主要有 锰铁 这是炼钢中必加的一种脱氧剂硅铁 常用的脱氧剂铝 强脱氧剂此处还有钨铁 钒铁 钼铁 钛铁 铬铁和锆铁等 这类脱氧剂又是常有的合金剂 3 5 3炼钢的主要反应 一 氧化2M M n O2 2 MmOn m M n O MmOn m M n FeO MmOn n Fe 这些反应概括了炼钢过程在最基本最实质性的变化 同时来表明了杂质元素氧化的途径 生铁在任何炼钢炉中熔炼成钢的过程 实质上都是碳 硅 锰 磷等杂质通过氧化生成氧化物从铁中析出的过程 C CO脱碳反应 Si SiO2 脱硅反应 Mn MnO 脱锰反应 P P2O5 3FeO P2O5 脱磷反应脱硫反应与炼铁脱硫一样 FeS CaO CaS FeO 二 造渣 生成的杂质氧化物与熔剂作用 或相互作用生成熔点低 性质稳定的化合物的过程就叫做造渣过程 渣的作用1 通过炉渣成分及性能的调整 除去有害杂质2 保护渣熔融钢液不受炉气的过氧化作用 并防止外界气体3 向钢中输送氧以氧化各种中杂质 二 造渣 造渣反应就是简单氧化物生成更稳定的复合化合物的反应SiO2 2FeO 2FeO SiO2MnO SiO2 MnO SiO2P2O5 FeO 3FeO P2O53FeO P2O5 4CaO 4CaO P2O5 3FeO2FeO SiO2 2CaO 2CaO SiO2 2FeO 三 脱氧 钢中含氧对钢材性能的影响1 破坏钢锭的合理结构2 降低钢的机械性能3 加剧钢的热脆倾向因此炼钢过程中 必须在浇注之前 进行脱氧 三 脱氧 脱氧方法 1 扩散脱氧 把氧化剂加到渣中 利用渣中FeO量的降低达来促使钢中的氧量降低的方法2 合成渣脱氧 利用含FeO低的炉渣与钢水混合降低钢中含氧量的方法3 直接脱氧法 把脱氧剂加到钢液中 脱氧反应在钢液中进行的脱氧方法 y FeO x Me MexOy y Fe 3 5 4炼钢方法 按照热源的不同 可分为 1 转炉炼钢2 平炉炼钢3 电炉炼钢 1 电阻加热法2 电弧加热法3 感应加热法4 电子束加热法5 等离子电热法 3 5 5氧气顶吹转炉炼钢 一 氧气顶吹转炉炼钢法的发展1856年 英国人贝塞麦发明了酸性空气底吹转炉 1865年 马丁兄弟把平炉用于炼钢 1878法国人托马斯发明了碱性空气底吹转炉炼钢法 1924 1925试验在空气底吹转炉上采用富氧鼓风试验 1936年 采用纯氧进行底吹试验 1948年 特罗进行了用氧枪来进行顶吹的试验1950 1951在林茨和多那茨 建立了30吨的氧气顶吹转炉 人类开始了氧气顶吹炼钢的时代 3 5 5氧气顶吹转炉炼钢 我国的转炉炼钢1955年开始进行小型试验 1962年进行工业试验 1964年在首钢建成并投产第一座30吨的转炉开始了我国炼钢工业转炉取代平炉炼钢的时代 3 5 5氧气顶吹转炉炼钢 二 氧气顶吹转炉炼钢的优点1 生产率高2 钢的品种多 质量好3 原料消耗少 热效率高 成本低4 原料适应性好5 基本投资少 建设速度快6 有利于开展综合利用 实现自动化 3 5 5氧气顶吹转炉炼钢 三 转炉构造与设备1 转炉的构造炉体托圈和耳轴 支承装置 倾动装置 二 供氧设备氧枪氧枪升降装置 四 氧气顶吹转