冶金概论1-6章整理课件

2020/5/27/21:10:30,1,第一章1.1.1冶金学,冶金学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，并用一定加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。由于矿石性能不同，提取金属的原理、工艺过程和设备不同，从而形成专门的冶金学科冶金学(Metallurgy)。冶金学研究所涉及的内容：金属的制取，金属的加工，金属性能的改进对金属成分、组织结构、性能和相关理论的研究。,冶金学的分类,冶金学按研究的领域分：提取冶金学（化学冶金学）和物理冶金学(physicalmetallurgy)（材料的加工成型，通过控制其组成、结构使已提取的金属具有某种性能）。提取冶金（extractivemetallurgy）：从矿石中提取金属及金属化合物的过程，因其中进行很多化学反应，又称化学冶金（chemicalmetallurgy）。,2020/5/27/21:10:30,2,按所冶炼金属类型分：(Nonferrousmetallurgy)(Ferrousmetallurgy)按冶金工艺过程不同分：,提取冶金的分类,2020/5/27/21:10:30,3,1.1.2火法冶金主要过程简介,干燥：去水，温度为400600。焙烧：以改变原料组成为目的的、在低于矿石熔点温度下、在特定气氛中进行的冶金过程。煅烧：在空气中以去CO2和水为目的的冶金过程。烧结与球团：以获得特定矿物组成、结构及性能的造块。熔炼：还原氧化物，提取粗金属。精炼：氧化杂质，获得纯金属。铸造：液态金属凝固成固态。,1.2.1钢铁材料,钢铁是使用最多的金属材料原因：储量大；冶炼加工容易；综合性能好预计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例,2020/5/27/21:10:30,4,1.2.3钢铁冶炼技术发展简史,远古至13世纪末：半熔融状态的铁块海绵铁(spongeiron)；13世纪末至19世纪中叶：熔融状态的生铁粗钢，形成两步法炼钢；19世纪中期至今：1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢法；1864年法国人发明了平炉炼钢法(OH)；1874年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法；20世纪初发明了电弧炉炼钢(EAF)；20世纪中叶氧气顶吹转炉（LD法）。,1.2.2钢与生铁的区别,1.2.3我国钢铁工业的发展,1996年，突破1亿吨；1999年，产量世界第一；2003年，突破2亿吨，世界唯一年产钢超过2亿吨的国家；2004年，产量2.8亿吨；2005年，产量3.5亿吨；2006年，产量4.2亿吨。,2020/5/27/21:10:30,5,烧结/球团高炉转炉连铸机轧机直接还原或熔融还原电炉连铸机轧机,非高炉炼铁,钢铁生产的两个典型流程,高炉炼铁,长流程,短流程,钢铁冶炼的任务是把铁矿石冶炼成合格的钢。,2020/5/27/21:10:30,6,钢铁生产的典型工艺（长流程）,2020/5/27/21:10:30,7,钢铁工业的特点,生产规模大，物流吞吐大，每吨钢涉及的物流将是5-6吨。资源密集、能耗密集。在钢铁联合企业内，每吨钢降消耗0.7-0.8吨左右的标准煤、1.5-1.65吨左右铁矿石、3-8吨左右新水；制造流程工序多、结构复杂制造流程中伴随大量物质/能量排放，形成复杂的环境界面,1.4钢铁产品及副产品,产品生铁钢铁合金(Ferroalloy)副产品炉渣(Slag)煤气(Gas),生铁,它是铁和碳及少量硅。锰、硫、磷等元素组成的合金，主要由高炉生产，按其用途可分为炼钢生铁和铸造生铁。,2020/5/27/21:10:30,8,铁合金,铁合金是指铁与一种或几种元素组成的中间合金，主要用于炼钢脱氧或作为合金添加剂，当采用金属热还原法生产其它铁合金和有色金属时作还原剂(详见第七章)。如：硅铁、锰铁。,炉渣,炉渣是炉料在冶炼过程中不能进到生铁和钢中的氧化物、硫化物等形成的熔融体。其主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3等。根据冶炼方法的不同，钢铁生产产生的炉渣分为高炉渣和炼钢渣，按炉渣中含有不同的化学成分又可分为碱性渣和酸性渣。,煤气,钢铁生产中还能获得大量的可燃气体，高炉炼铁可产生高炉煤气，转炉炼钢可获得转炉煤气，炼焦时可得焦炉煤气等。煤气主要成分：CO、H2、CO2、N2、CH4,2020/5/27/21:10:30,9,钢铁工业是能源消耗的大户，约占全国总能源消耗量的1011。钢铁生产所用能源主要有煤炭、燃料油(重油)、天然气、电力等。煤占钢铁生产中燃料消耗的70%，钢铁工业用煤量已超过煤炭总产量的15。煤在钢铁企业主要用来炼焦和自备电厂发电、蒸汽机车烧煤、烧工业锅炉及部分窑炉，少部分制成粉煤用于高炉喷吹及烧结生产。,1.5.1钢铁生产用能源,1.5.2钢铁工业能耗,我国钢铁工业的能源消耗中，钢铁冶炼是耗能最高的工序，占钢铁工业能耗的6070。其主要耗于炼铁系统，焦化、烧结、球团、炼铁等工序。,2020/5/27/21:10:30,10,2004年重点钢铁企业工序能耗比较(千克标准煤/t),2020/5/27/21:10:30,11,1.5.3节能途径,改进生产工艺及操作，更新和改造耗能高的设备。降低能源损失（“废料”、煤气、热能、压力能），减少生产工序。回收利用散失热量。加强企业能源管理，加强能源利用技术的研究工作，提高操作技术水平，充分发挥现有设备能力，以节能为目标合理组织生产。,1.6冶金用耐火材料,钢铁冶金的技术进步和过程温度的提高分不开，耐火材料的发展与钢铁冶金的技术进步紧密相关。耐火材料产品绝大部分（6080%）用于冶金行业。耐火材料在冶金中的应用有：高温炉管坩埚、容器热电偶绝缘管热电偶保护管炉膛耐火材料炉膛保温材料,2020/5/27/21:10:30,12,1.6.1耐火材料定义,耐火材料是耐火度不低于1580的无机非金属材料。ISO定义：耐火材料是耐火度至少为1500的非金属材料或制品（但不排除含有一定比例的金属）。在高温炉（高炉、热风炉、转炉、各种加热炉）中，炉膛是用耐火材料砌成的。对耐火材料的要求是：有足够高的耐火度，合理的形状，质地致密，高温下有一定强度，无明显挥发现象以及不与炉内工作气氛发生反应等。,1.6.2耐火材料分类,按化学成分：氧化物、非氧化物、复合系按形态：定形、不定形按耐火度分：普通15801770;高级17702000;特级2000以上按制作工艺分：泥浆浇注；可塑成型,2020/5/27/21:10:30,13,1.7环境保护,钢铁厂产生的各种污染物有：大气污染物质污水固体废弃物,大气污染物质,SOX：是通过原料、燃料中硫磺成分的燃烧而产生的。烧结工厂等为其主要发生源。NOX：通过燃烧后发生。烧结工厂等为其主要发生源。煤尘：通过燃烧后发生。烧结炉、各加热炉为其发生源。粉尘：从燃料原料的输送、处理过程，及储藏场中产生。炼铁、炼钢工程为其主要发生源。,2020/5/27/21:10:30,14,钢铁工业用水主要是冷却水，其次是煤气洗涤水，以及冲洗设备、地面及除尘用水等。污水中含有下列污染物：固体悬浮物（SSSolidsuspension）：从排气集尘、高温物质的直接冷却等过程中产生。油：由各种机械等所使用的油所发生的漏泄及冷轧工程使用轧制机的机油等原因而产生。化学需氧量（CODChemicaloxygendemand）：从煤炭干馏时的氨水，及冷轧、电镀废水中产生。酸、碱：从冷轧工程的酸洗工程、电镀工程等的脱脂工程中产生。,污水,固体废弃物,炉渣：从高炉、铁水预处理、转炉、电炉、二次精炼设备等的冶炼工程中产生。污泥：在各种水处理过程中产生。灰尘：从各种干式集尘机中产生。,2020/5/27/21:10:30,15,钢铁生产中产生的污染物(1),2020/5/27/21:10:30,16,钢铁生产中产生的污染物(2),2020/5/27/21:10:30,17,第二章高炉炼铁2.1.1.1几个基本概念,1矿物(Minerals)：地壳中具有均一内部结构、化学组成及一定物理、化学性质的天然化合物或自然元素称为矿物。其中能够为人类利用的称为有用矿物。2矿石(Ore)：在现代的技术经济条件下，能以工业规模从中提取金属、金属化合物或其它产品的矿物称为矿石。3矿石的品位(Oregrade)：矿石中有用成分的质量百分含量，称为该矿石的品位。4脉石(Gauge)：矿石中没有用的成分称为脉石，一般在冶炼过程中需要去除。,2020/5/27/21:10:30,18,5、富矿(high-gradeore)：含铁品位50%的铁矿石赤铁矿：理论含铁量70%磁铁矿：理论含铁量72.4%菱铁矿：理论含铁量48.3%褐铁矿：理论含铁量55.266.1%6、贫矿(leanore)：实际含铁量低于理论含铁量70%的铁矿石称贫矿（必须经过选矿后使用）7、块矿(lumpore)和粉矿(fineore),2020/5/27/21:10:30,19,8、精矿(oreconcentrate)：贫矿经过破碎，细磨，并通过磁选或浮选得到的高品位细粉状矿石.,2020/5/27/21:10:30,20,2.1.1.2主要原料,高炉冶炼用的原料主要有铁矿石（天然富矿和人造富矿）、燃料(fuel)（焦炭和喷吹燃料）、熔剂(flux)（石灰石与白云石等）。冶炼1t生铁大约需要1.62.0t矿石，0.40.6t焦炭(coke)，0.20.4t熔剂。高炉冶炼是连续生产过程，必须尽可能为其提供数量充足、品味高、强度好、粒度均匀粉末少、有害杂质少及性能稳定的原料。,铁矿石处理工艺流程,矿石(ore)破碎(crush)筛分(screen)富矿(high-gradeore)混匀(mix)高炉；矿石破碎筛分贫矿(leanore)磨矿(grinding)筛分选矿造块人造富矿高炉,2020/5/27/21:10:30,21,燃料,焦炭的作用：发热剂、还原剂及料柱骨架。粒度：大型高炉4060mm；中型高炉2540mm；小型高炉1525mm；喷吹燃料：固体（无烟煤与烟煤粉）液体（重油、煤焦油）气体（天然气或焦炉煤气）,熔剂,熔剂主要使用石灰石(calcite)和白云石(dolomite)；熔剂的要求：有效成分含量高（CaO+MgO）；有害杂质S、P低；粒度均匀，强度好，粉末少。熔剂的作用：助熔，改善流动性，使渣铁容易分离；脱硫（焦炭和矿石中S）。,2020/5/27/21:10:30,22,2.1.2烧结(sintering),将各种粉状铁矿粉，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放在烧结机点火烧结。在燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化作用下，部分混合料颗粒表面发生软化熔融，产生一定数量的液相，并润湿其它未融化的矿石颗粒。冷却后，液相将矿粉颗粒粘结成块。这一过程叫是烧结，所的到的块矿叫烧结矿。,烧结生产的必要性在自然界中，能直接用于高炉冶炼的富矿越来越少，使得人们不得不开采贫矿（含铁品位2540%），但贫矿直接入炉是不经济的，仍须经过选矿提高其品位。要选矿，必须对矿石进行破碎研磨，因此铁矿粉选矿后粒度组成不符合高炉冶炼的要求，必须经过造块后方可用于冶炼。,烧结矿的优点烧结矿是人工制造的矿石，它比天然矿石有许多优点，通常含铁量高，粒度组成均匀，气孔率大，成分稳定，还原性能好。另外，含碱性熔剂，高炉造渣性能好，具有良好的冶金性能。高炉使用烧结矿，可提高产量，降低燃料消耗。,烧结工艺流程,2020/5/27/21:10:30,24,烧结过程示意图,烧结料层有明显的分层，依次出现烧结矿层、燃烧层、预热和干燥层、过湿层，然后又相继消失，最后剩下烧结矿层。,烧结过程的主要反应,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（Al2O32SiO22H2O)熔剂分解：CaCO3=CaO+CO2(750以上)MgCO3=MgO+CO2(720),2020/5/27/21:10:30,25,烧结过程的主要反应,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+4SO22FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO2,烧结矿的形成,烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体。由含铁矿物和脉石矿物组成的液相粘结在一起组成。含铁矿物有磁铁矿、方铁矿（或浮氏体）、赤铁矿粘结相主要有铁橄榄石、钙铁橄榄石、硅灰石、硅酸二钙、硅酸三钙、铁酸钙、钙铁灰石及少量反应不全的游离石英和石灰。,2020/5/27/21:10:30,26,2020/5/27/21:10:30,27,烧结矿质量指标烧结矿质量对高炉冶炼有重大影响，改善其质量是“精料”的主要措施。对其质量评价指标主要有化学成分、物理性能、冶金性能等。,化学成分高炉要求烧结矿化学成分稳定，波动小，有害杂质少。主要包括TFe、FeO、S、碱度（CaO/SiO2）。目前武钢入炉烧结矿品位在55%56%左右，一级品允许波动范围为0.5；碱度在1.90左右，一级品允许波动范围为0.08；S含量一级品0.08%。,2020/5/27/21:10:30,28,物理性能包括机械强度和粒度组成等。高炉要求烧结矿机械强度高，粉末少，粒度均匀。烧结矿粒度小于5mm的称之为粉末。粉末含量对高炉料柱透气性影响很大。粉末含量高，高炉透气性差，导致炉况不顺，可能引起崩料或悬料。反应机械强度的指标为：转鼓指数、抗磨指数、筛分指数。目前武钢烧结矿的转鼓强度大约在79%80%左右。,高温冶金性能低温还原粉化率（RDIReductionDegradationIndex）：是指烧结矿在高炉上部约500还原气氛下抗粉化的能力。3.15mm粒级越小越好。还原度（RI）：是指烧结矿在900还原气氛下被还原成Fe的能力。还原度越高越好,2020/5/27/21:10:30,29,精矿粉：用于生产氧化球团粉矿+精矿粉：用于生产高碱度烧结矿,氧化球团:品位高（TFe6267%）粒度均匀(915mm)强度高(150200kg)还原性好,高碱度烧结矿：碱度(CaO/SiO2)1.6机械强度好冶金性能好:还原性能,低温还原粉化性能,软熔性能,烧结机,世界上90%以上烧结矿由抽风带式烧结机生产，其主要设备为烧结台车。,2020/5/27/21:10:30,30,氧化球团:品位高,粒度均匀(915mm),强度高(150200kg),还原性好，是一种优质的炼铁原料,2.1.3球团,将准备好的原料(细磨精矿或其他细磨粉状物料、添加剂等)，按一定比例经过配料、混匀制成一定尺寸的小球，然后采用干燥焙烧或其他方法使其发生一系列的物理化学变化而硬化固结这一过程即为球团生产过程其产品即为球团矿。球团矿生产的工艺流程一般包括原料准备、配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序。,2020/5/27/21:10:30,31,生产球团矿的原料,(1)磁铁精矿粉:TFe=6069%(Fe3O4理论品位72.4%)粒度-200目(0.074mm)7080%,（2）粘结剂：膨润土(SiO266.7%,Al2O328.3%,H2O5%):0.52.5%,粘结剂的作用:(1)吸收水分(2)改善精矿粉造球性能(3)提高生球强度(4)提高生球爆裂温度,2020/5/27/21:10:30,32,950氧化:保持足够氧化时间,使整个球团充分氧化11501250长大:Fe2O3晶体再结晶长大,球团强度迅速提高1100:温度低于1100,Fe2O3再结晶缓慢,球团强度差1300:温度高于1300,Fe2O3开始分解,Fe2O3Fe3O4,若升温过快,外层Fe2O3迅速长大,阻碍O2向中心扩散,形成分层结构,球团强度差.,900:2Fe3O4+1/2O2-3Fe2O3,1100:Fe2O3晶粒长大形成强大的晶桥,2020/5/27/21:10:30,33,6,8,10,16m2竖炉,8m2日产1000吨球团矿,8m2竖炉焙烧室有效高度(即从炉口到排矿器中心线之间的距离)7.510m,焙烧室有效容积6090m3炉口平均有效宽度1.7m,长度4.65.1m燃烧室容积6065m3,优点：结构简单，对材质无特殊要求缺点：单炉产量低，只适用于磁精粉球团焙烧由于竖炉内气体流难控制，焙烧不均匀造成球团矿质量不均匀,2020/5/27/21:10:30,34,优点：设备简单，可以处理各种矿石，生产各种球团矿缺点：易结圈,2020/5/27/21:10:30,35,优点：操作简单，控制方便，可以处理各种矿石，生产能力大缺点：上下层质量不均，台车易损，需要高温合金，流程复杂,带式焙烧机,2020/5/27/21:10:30,36,2.2.1高炉冶炼过程及特点,现代高炉生产过程是一个庞大的生产体系，除高炉本体外，还有供料、送风、煤气净化除尘、喷吹燃料和渣铁处理等系统。高炉炼铁的本质传质过程：矿石中的O2-O2-进入煤气中，实现铁与氧的分离传热过程：煤气携带的热量传给炉料，使炉料熔化成渣铁，实现渣铁分离,2020/5/27/21:10:30,37,高炉结构,高炉是由耐火材料砌筑而成竖式圆筒形炉体，外有钢板制成炉壳加固密封，内嵌冷却器保护，炉子自上而下依次分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五部分。炉缸部分设有风口、铁口和渣口，炉喉以上为装料装置和煤气封盖及导出管。,2020/5/27/21:10:30,38,高炉炉内炉料状况及反应,2020/5/27/21:10:30,39,2.2.2燃烧反应,炉顶加入的焦炭，其中风口前燃烧的碳量约占入炉总碳量的65%75%，是在风口前与鼓风中的O2燃烧，1721参加直接还原反应，10左右溶解进入铁水。燃烧反应的作用：为高炉冶炼过程提供主要热源；为还原反应提供CO、H2等还原剂；为炉料下降提供必要的空间。,燃烧反应,燃烧反应的机理一般认为分两步进行：风口前碳素的燃烧是不完全燃烧，生成CO并放出热量。由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的C与H2O发生下列反应：C+H2O=CO+H2-124390kJ实际生产中的条件下，风口前碳素燃烧的最终产物由CO、H2、N2组成。,2020/5/27/21:10:30,40,回旋区及燃烧带,回旋区：风口前产生焦炭和煤气流回旋运动的区域称为回旋区。回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行燃烧反应的区域称为燃烧带。实践中常以CO2降至12的位置定为燃烧带界限。大型高炉的燃烧带长度在10001500mm左右。,2.2.3.1基本概念,还原反应还原剂夺取金属氧化物中的氧，使之变为金属或该金属低价氧化物的反应。高炉炼铁常用的还原剂主要有CO、H2和固体碳。铁氧化物的还原顺序遵循逐级还原的原则。当温度小于570时，按Fe2O3Fe3O4Fe的顺序还原。当温度大于570时，按Fe2O3Fe3O4FeOFe的顺序还原。,2020/5/27/21:10:30,41,2.2.3.2高炉内铁氧化物的还原,用CO和H2还原铁氧化物用CO和H2还原铁氧化物，生成CO2和H2O还原反应叫间接还原。用CO作还原剂的还原反应主要在高炉内小于800的区域进行。用H2作还原剂的还原反应主要在高炉内8001100的区域进行。,用固体碳还原铁氧化物用固体碳还原铁氧化物，生成CO的还原反应叫直接还原。在高炉内具有实际意义的只有FeO+C=Fe+CO的反应。直接还原要通过气相进行反应，其反应过程如下：直接还原一般在大于1100的区域进行，8001100区域为直接还原与间接还原同时存在区，低于800的区域是间接还原区。,2020/5/27/21:10:30,42,锰的还原,高炉内锰氧化物的还原由高级向低级逐级还原直到金属锰，顺序为：从MnO2到MnO可通过间接还原进行还原反应。MnO还原成Mn只能靠直接还原取得。MnO的直接还原是吸热反应。高炉炉温是锰还原的重要条件，其次适当提高炉渣碱度，增加MnO的活度，也有利于锰的直接还原。还原出来的锰可溶于生铁或生成Mn3C溶于生铁。,硅的还原,硅的还原只能在高炉下部高温区(1300以上)以直接还原的形式进行：SiO2+2CSi2CO-628297kJSiO2在还原时要吸收大量热量，硅在高炉内只有少量被还原。还原出来的硅可溶于生铁或生成FeSi再溶于生铁。较高的炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还原。铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志。,2020/5/27/21:10:30,43,磷的还原,磷酸铁(FeO)3P2O58H2O又称蓝铁矿，蓝铁矿结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原，反应式为：磷酸钙（主要存在形式）在高炉内首先进入炉渣，在11001300时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60；当有SiO2存在时，可以加速磷的还原：磷在高炉冶炼条件下，全部被还原以Fe2P形态溶于生铁。,2020/5/27/21:10:30,44,FeO+C=Fe+CO650kcal/kgFeMnO+C=Mn+CO1248kcal/kgMnSiO2+2C=Si+2CO5360kcal/kgSi2Ca3(PO4)2+3SiO2+10C=3Ca2SiO4+4P+10CO5471kcal/kgP,铁水主要成分：C、Si、Mn、P、S、,元素收得率铁99.7%锰4060%（炼钢生铁）70%（铸造生铁）磷100%,铅、锌、砷的还原,还原出来的铅（密度11.34g/cm3）易沉积于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅在高炉内易挥发上升，遇到CO2和H2O将被氧化，随炉料一起下降时又被还原，在炉内循环。还原出来的锌，在炉内挥发、氧化、体积增大使炉墙破坏，或凝附于炉墙形成炉瘤。还原出来的砷，与铁化合影响钢铁性能，使钢冷脆，焊接性能大大降低。,2020/5/27/21:10:30,45,2.2.3.5生铁的生成与渗碳过程,生铁的生成：渗碳和已还原的元素进入生铁中，得到含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁。渗碳过程固体海绵铁发生渗碳过程：（渗C有限，不到1）在1400左右时，与炽热的焦炭继续进行固相渗碳。熔化后的金属铁与焦炭发生渗碳反应：3Fe液+C焦=Fe3C液。,2.2.4高炉炉渣与脱硫,高炉炉渣是铁矿石中的脉石和焦炭(燃料)中的灰分等与熔剂相互作用生成低熔点的化合物，形成非金属的液相。高炉炉渣的成分高炉炉渣作用成渣过程生铁去硫,2020/5/27/21:10:30,46,2.2.4.1高炉炉渣的成分,高炉炉渣的来源：矿石中的脉石、焦炭(燃料)中的灰分、熔剂中的氧化物、被侵蚀的炉衬等。高炉炉渣的成分：氧化物为主，且含量最多的是SiO2、CaO、Al2O3、MgO。炉渣中氧化物的种类：碱性氧化物、酸性氧化物和中性氧化物。以碱性氧化物为主的炉渣称碱性炉渣；以酸性氧化物为主的炉渣称酸性炉渣。炉渣的碱度(R)：炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的质量百分数之比表示炉渣碱度：高炉炉渣碱度一般表示式：R=w(CaO)w(SiO2)炉渣的碱度根据高炉原料和冶炼产品的不同，一般在1.01.25之间。,2020/5/27/21:10:30,47,2.2.4.2成渣过程,（1）焦炭在风口处完全燃烧，灰分进入炉渣。（2）石灰石在下降过程中，分解的CaO在滴落带，被初渣溶解，参与造渣。（3）矿石在块状带固相反应生成了低熔点的化合物沿焦炭缝隙流下，分离出初渣。随后渣中(FeO)不断还原进入铁中，至滴落带，炉渣以滴状下落，渣中FeO已降到23。（4）滴落的初渣成分不断变化，初渣开始是自然碱度，以后随着SiO2的还原，石灰石渣化并加入焦炭灰分，经过碱度波动之后形成终渣。成渣过程中，软熔带对炉内料柱透气性影响很大，习惯上把这一带叫成渣带。,2.2.4.2高炉炉渣的作用,分离渣铁，具有良好的流动性，能顺利排出炉外。具有足够的脱硫能力，尽可能降低生铁含硫量，保证冶炼出合格的生铁。具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用。保护炉衬，具有较高熔点的炉渣，易附着于炉衬上，形成“渣皮”，保护炉衬，维持生产。,2020/5/27/21:10:30,48,2.2.4.3生铁去硫,硫的来源：矿石、焦炭、熔剂和喷吹燃料中的硫分。炉料中焦炭带入的硫最多，占7080。冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称硫负荷。炉渣去硫炉渣去硫反应：FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)生成的FeO在高温下与焦炭作用：(FeO)+C=Fe+CO-Q总的脱硫反应可写成：FeS+(CaO)+C=(CaS)+Fe+CO-Q炉外脱硫高炉常用的炉外脱硫剂是苏打粉(Na2CO3)。反应式为：Na2CO3+FeS=Na2S+FeO+CO2-Q还有石灰、白云石、电石、复合脱硫剂等。,2020/5/27/21:10:30,49,高炉中铁水脱硫反应：,高炉渣的主要组成：CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、MnO、S,烧结矿：CaO、SiO2、MgO、Al2O3、S球团矿、块矿：SiO2、Al2O3、S焦炭、煤粉：SiO2、Al2O3、S高炉中8085%的S来自焦炭和煤粉,主要成分：CaOSiO2Al2O3MgOFeOMnOCaS3540354015（18）121.01.0,R=CaO/SiO2=1.01.25（熔点13001350）,2020/5/27/21:10:30,50,2.2.5.1炉料运动,炉料在炉内下降的基本条件：高炉内不断形成促使炉料下降的自由空间。形成炉料下降的自由空间的因素焦炭在风口前燃烧生成煤气。炉料中的碳素参加直接还原。炉料在下降过程中重新排列、压紧并熔化成液相，体积缩小。定时放出渣铁。,煤气的体积的变化,煤气量取决于冶炼强度、鼓风成分、焦比等因素。煤气的体积总量在上升过程中是增加的。,2020/5/27/21:10:30,51,煤气成分的变化,CO：煤气上升过程中，CO在高炉下部高温区开始增加，煤气中的CO含量会相应减小。CO2：在炉缸、炉腹部位几乎为零，从中温区开始增加。H2：来源于风中H2O汽和焦炭中的有机H2和喷吹燃料中的挥发H2，上升过程中由于参加间接还原和生成CH4，含量逐渐减少，但由于炉料中结晶水和碳作用生成部分H2，又可适量增加煤气中H2的含量。N2：鼓风带入的N2，焦炭中的有机N2和喷吹燃料中的挥发N2，在上升过程中不参加任何反应，绝对量不变。CH4：高温时少量焦炭与H2作用生成CH4，上升过程中又加入焦炭挥发分中CH4，但数量很少，变化不大。,2020/5/27/21:10:30,52,炉内热交换现象：炉缸煤气在上升过程中把热量传递给炉料，温度逐渐降低；而炉料在下降过程吸收煤气的热量，温度逐渐上升。,煤气温度的变化,压头损失(p)的表示式p=P炉缸-P炉喉压头损失p的作用增加到一定程度时，将妨碍高炉顺行。,煤气压力的变化,2020/5/27/21:10:30,53,2.2.6高炉生产主要技术经济指标,有效容积利用系数（V）：高炉每立方米有效容积每天生产的合格铁水量（t/m3d）入炉焦比（K）：冶炼一吨生铁消耗的焦炭量（kg/t）,煤比（或油比）：冶炼一吨生铁消耗的煤粉量或重油（kg/t）燃料比焦比煤比（或油比）冶炼强度：高炉每立方米有效容积每天消耗的（干）焦炭量（焦比一定的情况下）V=I/K,生铁合格率：生铁化学成分符合国家标准的总量占生铁总量的指标。休风率：高炉休风时间（不包括计划大、中、小修）占日历工作时间的百分数。规定的日历作业时间=日历时间-计划大中修及封炉时间休风率反映高炉操作及设备维护的水平。生铁成本：生产每吨合格生铁所需原料、燃料、材料、动力、人工等一切费用的总和，单位：元/tFe。炉龄（高炉一代寿命）：即从高炉点火开始到停炉大修之间实际运行的时间或产铁量。炉龄长，产铁多，经济效益高。,2020/5/27/21:10:30,56,铁水温度在14501550。按照Si含量的不同，将高炉铁水分为炼钢生铁(wSi1.25%)和铸造生铁(wSi1.25%)。炼钢生铁中C含量在3.74.3%之间。,我国生铁产品国家标准,2020/5/27/21:10:30,57,2.3.1.1高炉内型,高炉是一个竖立圆筒形炉子，其内部工作空间形状称为高炉内型，即通过高炉中心线的剖面轮廓。高炉内型一般由炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五段组成。炉型设计合理，能促进高炉冶炼指标的改善和延长高炉的使用寿命，故炉型是高炉最基本的工艺参数。现代高炉向大型化发展，合理炉型总的趋势是矮胖化。,超大型高炉：Vu3000m3大型高炉：Vu15002500m3中型高炉：Vu6001000m3小型高炉：Vu300m3以下,我国第一座超大型高炉是1985年9月15日建成投产的宝钢1号高炉4063m3。到目前为止，我国已经建成投产32004350m3超大型高炉近20座，5000m3级超大型高炉有河北曹妃甸首钢京唐钢铁公司的2座5500m3高炉、沙钢5860m3。一座4000m3级高炉日产生铁量达到10000以上。,2020/5/27/21:10:30,58,2.3.1.2炉顶装料装置,高炉炉顶装料设备的作用是按冶炼要求，向炉内合理布料，同时要严密封住炉内荒煤气不逸出炉外。常用的炉顶装料设备主要有钟式炉顶和溜槽式（亦称无钟式）炉顶。,2.3.2.2送风系统,高炉送风系统包括高炉鼓风机、冷风管路、热风炉、热风管路、风口以及管路上的各种阀门等。蓄热式热风炉由拱顶、燃烧室和蓄热室等几部分构成。蓄热式热风炉呈周期性工作，一个工作周期有燃烧期、送风期和切炉期三个过程。一般一座高炉有三至四座热风炉。,由热风炉送出的热风通过热风总管送到高炉，再经热风围管和送风支管，将热风均匀的分配到每个风口，以便炉内焦炭和喷吹燃料进行燃烧。热风围管由钢结构本体、耐火内衬、吊挂装置和下部电葫芦单轨梁组成。风口装置主要由风口大套、中套和风口小套组成。,热风围管及风口,2020/5/27/21:10:30,59,渣铁分离器,炉顶煤气温度：200250炉顶煤气压力：22.5kg/cm2炉顶煤气成分：CO：2026%、CO2：1622%、N2：5460%、H2：3%、CH4：0.8%。,1水渣沟;2水渣槽及放散筒;3分配器;4脱水转鼓;5鼓内胶带运输机6鼓外胶带运输机;7水渣成品贮存槽;8集水斗;9冷却水池;10泵站11脱水转鼓的细筛网;12轴向刮板;13吹扫用压缩空气;14冲洗水,转鼓脱水法工艺流程,2020/5/27/21:10:30,61,第三章铁水预处理工艺,铁水预处理是指铁水进入炼钢炉之前对其进行脱除杂质元素或从铁水中回收有价值元素的一种工艺。铁水预处理可分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理，前者有脱硫、脱硅、脱磷或同时脱磷脱硫；后者有铁水提钒、提铌等。,铁水在进入转炉前，为除去某些有害元素的处理过程。,预脱硫：电石、石灰、金属镁等炉外脱硫剂预脱硅：铁水沟、盛铁水容器中喷吹氧化剂预脱磷：盛铁水容器中喷吹氧化剂,铁水预处理按需要可在铁水沟、盛铁水容器(铁水包、鱼雷罐)或转炉中时行。简化炼钢过程，提高钢的质量,2020/5/27/21:10:30,62,铁水预处理的化学冶金学意义化学冶金学意义：创造最佳的冶金反应环境!钢铁冶金工艺优化：高炉分离脉石、还原铁矿石铁水预处理脱硅、脱磷、脱硫转炉脱碳、升温钢水炉外精炼去夹杂、合金化,铁水预处理(脱硫)的优越性(1)满足用户对超低硫、磷钢的需求，发展高附加值钢种：如：船板钢、油井管钢：S、P0.005%管线钢、Z向钢、IF钢：S0.0020.004%(2)减轻高炉脱硫负担，放宽对硫的限制，提高产量，降低焦比；(3)炼钢采用低硫铁水冶炼，可获得巨大的经济效益。,依据采用脱硫剂的种类及其搅拌方法，目前生产中采用的炉外脱硫方法可分为四类：铁流搅拌法、机械搅拌法、气体搅拌法和插入法。用得较多的为机械搅拌法(KR法)和气体搅拌法(顶部喷吹法)。KR法:用实心旋转器搅拌铁水，脱硫剂为CaC2和石灰粉加Na2CO3。顶部喷吹法:以载气（N2）将脱硫剂经顶部喷嘴喷入鱼雷型混铁车和铁水包的铁水中，脱硫剂为CaC2、Na2CO3。,铁水预脱硫方法,2020/5/27/21:10:30,63,2020/5/27/21:10:30,64,2020/5/27/21:10:30,65,Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe原理脱硅剂主剂主要成分是氧化剂，有氧气、铁矿石、烧结矿、轧钢皮等。还加少量的副剂，主要有石灰、萤石等。用于调节炉渣的碱度、改善炉渣流动性等。,2020/5/27/21:10:30,66,3.1炼钢的基本任务,四脱：C、S、P、O；二去：气体、夹杂；二调整：温度、成分。,炼钢（steelmaking）,3.2.1炼钢炉渣的作用,作用：通过对炉渣成分、性能及数量的调整，可以控制金属中各元素的氧化和还原过程；向钢中输送氧以氧化各种杂质；吸收钢液中的非金属夹杂物，并防止钢液吸气（H、N）。副作用：侵蚀炉衬；降低金属收得率。,3.2.2炼钢炉渣的来源及其组成,炼钢炉渣的来源：加入的各种造渣材料及被侵蚀炉衬；炼钢中化学反应的产物：氧化物和硫化物；废钢带入得泥沙和铁锈；氧化物或冷却剂带入的脉石。炉渣的组成以各种金属氧化物为主，并含有少量硫化物和氟化物。炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO。,2020/5/27/21:10:30,67,3.2.3炼钢炉渣的主要性质,碱度(basicity)：R1.31.5，低碱度渣；R1.82.0，中碱度渣；R2.5，高碱度渣；氧化性炉渣向金属熔池传氧的能力，一般以渣中氧化铁（FeO）含量来表示。炉渣的氧化能力是个综合的概念，其传氧能力还受炉渣粘度、熔池搅拌强度、供氧速度等因素的影响。,直接氧化方式,直接氧化是指氧气直接与铁液中的元素产生氧化反应。当向铁液中吹入氧气时，如果在铁液与气相界面有被溶解的元素如SiMnC,虽有大量的铁原子存在，但根据元素的氧化次序SiMnC将优先于铁而被氧化。反应可写为：C+12O=COSi+O2=（SiO2）Mn+12O2（MnO）在氧气转炉炼钢时氧气流股冲击铁液形成一个冲击坑，氧气与铁液直接接触，易产生元素的直接氧化。,2020/5/27/21:10:30,68,吹入的氧气由于动力学的原因首先与铁液中的Fe原子反应形成FeO进入炉渣同时使铁液中溶解氧O。炉渣中的（FeO）和溶解在铁液中的O再与元素发生间接氧化。其反应为：O2+Fe=(FeO)(FeO)=Fe+O如：2O+Si=(SiO2)或2(FeO)+Si=2Fe+(SiO2)在渣-金界面上往往产生元素的间接氧化反应。,间接氧化方式,2020/5/27/21:10:30,69,3.3.2炼钢熔池中元素的氧化次序,溶解在铁液中的元素的氧化次序可以通过与1molO2的氧化反应的标准吉布斯自由能变化来判断。在标准状态下，反应的Go负值越多，该元素被氧化的趋势就越大，则该元素就优先被大量氧化。铁液中常规元素与氧反应的标准吉布斯自由能变化与温度的关系,1.CuNiMoW等元素氧化的Go线都在Fe氧化Go线之上。从热力学角度来说，在炼钢吹氧过程中这些元素将受到Fe的保护而不氧化。2.CrMnVNb等元素的氧化程度随冶炼温度而定。3.AlTiSiB等元素氧化的Go线在图中位于较低的位置，它们最易氧化。在实际生产中，这些元素作为强脱氧剂使用。注意：虽然在炼钢温度下，Fe氧化的Go线高于其它元素氧化的Go线，但由于铁液中大多数为Fe原子，氧与Fe原子接触机会多，故在实际上Fe还是会氧化。,2020/5/27/21:10:30,70,3.3.3脱碳反应,炼钢的一个重要任务是利用氧化方法将铁液中过多的碳去除，称为脱碳。脱碳反应是贯穿于冶炼过程。在高温下C主要氧化成为CO。C与氧的反应有：在渣-金界面上：C+（FeO）=CO+FeC+O=CO在气-金界面上：C+12O2=CO,脱碳反应的作用,脱碳反应除了调整钢液碳含量的作用外，其反应产物CO气体的上浮排除使得脱碳反应给炼钢带来独特的作用。促进熔池成分温度均匀；提高化学反应速度；降低钢液中的气体含量和夹杂物数量：造成喷溅和溢出：,2020/5/27/21:10:30,71,3.3.4硅的氧化,硅的直接氧化和间接氧化反应式在气-金界面上Si+O2=（SiO2）在渣-金界面上Si+2O=（SiO2）Si+2（FeO）=（SiO2）+2Fe,3.3.5锰的氧化与还原,铁液中的锰反应,形成在高温下是稳定的MnO。Mn的氧化反应式为：在气-金界面上Mn+1/2O2=（MnO）在渣-金界面上Mn+O=（MnO）Mn+（FeO）=（MnO）+Fe,3.3.6脱磷反应,氧化脱磷：在炼钢温度下，气化脱磷反应是不能进行的。由于Fe优先于P氧化，通过直接氧化反应的气化脱磷也是难以进行的。通过加入石灰造碱性渣可以将铁液中的磷脱出到炉渣中。这是由于P2O5时是酸性氧化物，遇到碱性氧化物如CaO能生成稳定的化合物而进入炉渣。,2020/5/27/21:10:30,72,用碱性炉渣进行脱磷的反应为：在渣-金界面3(CaO)+2P+5O=(3CaOP2O5)3(CaO)+2P+5(FeO)=(3CaOP2O5)+5Fe在渣-金-气界面3(CaO)+2P+5/2O2=(3CaOP2O5),脱磷反应式,炉渣脱硫的基本反应式FeS=(FeS)+)(CaO)+(FeS)=(CaS)+(FeO)(CaO)+FeS=(CaS)+(FeO)(吸热)从反应式中可以看出，脱硫的基本条件是：高碱度、高温、低氧化性。,2020/5/27/21:10:30,73,影响脱硫反应的基本条件分析(1)炉渣碱度研究结果表明：炉渣碱度在3035之间最好，过高会使黏度增加，不利硫在钢渣之间的扩散，过低则不符合脱硫要求。(2)氧化性炉渣氧化性对脱硫的影响较为复杂，从脱硫反应式中可以看出，渣中的还原性越强，即(FeO)越低越有利于脱硫反应。但实际生产中氧气转炉的氧化渣中也能去除一部分硫，其主要原因是：(FeO)的存在改善了渣的流动性，能促进石灰的熔化，有利于高碱度渣的形成，从而部分改善了脱硫条件。尽管氧化渣中也能脱硫，但在其他条件如搅拌、温度、碱度等完全相同的条件下，氧化渣的去硫效果还是远远低于还原渣的。(3)温度高温有利于吸热反应的进行，即有利于去硫反应的顺利进行。(4)钢渣搅拌情况去硫是钢渣界面反应，加强钢渣搅拌扩大反应界面积有利于去硫。例如电炉(还原期)出钢时，采用钢渣混出的方法，使钢液和炉渣强烈混合，钢渣界面大大增加，充分发挥了电炉还原渣的脱硫能力，使脱硫反应能够迅速进行。(5)渣量增加渣量可以减少(CaS)的相对浓度，可促进去硫反应。,2020/5/27/21:10:30,74,气化脱硫,气化脱硫主要通过炉渣中硫的气化来实现，即：(S2-)+3/2O2=SO2+(O2-)或写为：6(Fe3+)+(S2-)+2(O2-)=6(Fe2+)+SO26(Fe2+)+3/2O2=6(Fe3+)+3(O2-)两个反应式表明，渣中的铁离子充当气化脱硫所需氧的媒介。需要明确的是，气化脱硫是以炉渣脱硫为基础的，首先硫从金属液被脱除到炉渣中，然后炉渣中的硫再被气化脱除进入炉气中。在转炉炼钢中，有约三分之一的硫是以气化脱硫的方式去除的。,3.3.8钢的脱氧,脱氧是向炼钢熔池或钢水中加入脱氧剂，脱氧元素与氧反应，生成的脱氧产物或进入渣中或成为气相排出。脱氧剂应具有脱氧元素与氧的亲和力大、脱氧产物易排除、成本低和来源广等的特点。根据脱氧反应发生的地点不同，脱氧方法分为沉淀脱氧扩散脱氧和真空脱氧。,2020/5/27/21:10:30,75,钢中氧的危害性主要表现在以下三个方面。1产生夹杂。钢液凝固时，其中多余的氧与钢中其他元素结合生成非金属夹杂物，进而破坏了钢基体的连续性，降低钢的强度极限、冲击韧性、伸长率等各种力学性能和导磁性能、焊接性能等。2形成气泡。钢液中的氧含量过高，在浇铸过程中会再次与钢中碳反应，产生CO气体，从而会使钢锭（坯）产生气孔、疏松，甚至上涨等缺陷，严重时会导致钢锭（坯）报废。3晶界上的FeO和FeS还会形成低熔点(910)物质，使钢在热加工时发生热脆。,沉淀脱氧,又叫直接脱氧。把块状脱氧剂加入到钢液中，脱氧元素在钢液内部与钢中氧直接反应，生成的脱氧产物上浮进入渣中的脱氧方法称为沉淀脱氧。出钢时向钢包中加入硅铁锰铁铝铁或铝块脱氧就是沉淀脱氧。,2020/5/27/21:10:30,76,扩散脱氧,又叫间接脱氧。它是将粉状的脱氧剂如C粉Fe-Si粉CaSi粉Al粉加到炉渣中，降低炉渣中的氧含量，使钢液中的氧向炉渣中扩散，从而达到降低钢液中氧含量的一种脱氧方法。在电炉炼钢的还原期和炉外精炼过程向渣中加入粉状脱氧剂进行脱氧操作就是扩散脱氧。,是利用降低系统的压力来降低钢液中氧含量的脱氧方法。它只适用于脱氧产物为气体的脱氧反应如C-O反应。这种脱氧方法常用于炉外精炼中，如RH真空处理VADVD等精炼方法都可实现钢液的真空脱氧。,真空脱氧,3.3.9脱气,钢中气体（H、N）的来源：金属料如废钢和铁合金中含有