冶金工程前言作业

冶金工程科学前沿系列讲座概述姓 名：xxx学 号：s20xxxxx1班 级：冶研2013-29目 录1 前言12 炼铁部分12.1 炼铁技术的现状12.2 炼铁技术的进展12.3 炼铁技术研究热点举例22.3.1 大型高炉炉缸的数值模拟22.3.2 氧气高炉23 炼钢部分23.1 钢中非金属夹杂物的相关研究33.1.1 通过渣钢精炼对夹杂物进行控制33.1.2 钢中镁铝尖晶石夹杂物的研究33.2 炼钢过程中的喷射技术33.3 CO2冶金43.4 特殊钢冶金43.5 单嘴精炼炉技术43.6 氧化物冶金54 连铸部分54.1 连铸结晶器的冶金行为54.2 连铸动态轻压下技术65 其它部分65.1 中国钢铁生态化建设65.2 钢铁生产流程理论及其应用75.3 金属材料的强化及高强钢的开发75.4 冶金物理化学与冶金工艺75.5 电化学冶金75.6 冶金热力学计算进展与软件应用85.7 节能环保与资源高值利用85.8 冶金反应工程学理论与方法思考86 建议91 前言北京科技大学研究生课程冶金工程科学前沿是一门极大地开阔学生眼界的课程。其内容涉及到了冶金工程的方方面面，概括起来包括如下四个大的部分：炼铁部分、炼钢部分、连铸部分、其它部分。该课程实际上是19次讲座，分别由19位老师讲述冶金工程当下先进或者热门的技术及工艺。2 炼铁部分该部分概述了吴胜利老师、程树森老师和张建良老师关于炼铁方面的讲座内容。2.1 炼铁技术的现状我国炼铁技术现状总结为如下六点：（1）燃料比偏高；（2）精料程度偏差；（3）片面追求高冶炼强度以达到高容积利用系数；（4）盲目追求高喷煤比；（5）装备大马拉小车；（6）炼铁集中度低，淘汰落后小高炉不尽人意。2.2 炼铁技术的进展当前炼铁技术的发展趋势涉及到了很多方面，概况起来为如下几个方面：（1）原料：烧结设备大型化、超厚料层技术、烧结余热回收技术、烟气脱硫脱硝技术、球团设备大型化、赤铁矿球团技术、高MgO球团技术、干熄焦技术、炼焦煤温度控制技术、捣固焦技术；（2）高炉：炉料分布控制技术、炉顶煤气干法除尘技术、高炉长寿技术、高风温技术、富氧喷煤技术、高炉操作技术、专家技术及检测技术；（3）非高炉：直接还原与熔融还原炼铁技术的研究不断深入；（4）炼铁环保：炼铁系统工序能耗降低及污染物排放减少。2.3 炼铁技术研究热点举例2.3.1 大型高炉炉缸的数值模拟影响大型高炉使用寿命的因素有两个：一个是炉缸、炉底容易烧穿；另一个是炉腹、炉腰及炉身下部寿命短。导致炉缸、炉底烧穿的原因主要有铁水对炉缸和炉底的冲刷、氧化及化学侵蚀。因此只要将铁水与炉缸、炉底隔离，便可阻止铁水对炉缸和炉底的冲刷、氧化及化学侵蚀。但是，目前用于高炉的耐火炉衬都不可能承受高温铁水的长期冲刷、氧化和侵蚀，需要在高炉炉缸和炉底冻结一层渣铁壳，此渣铁壳可成为炉缸、炉底耐火炉衬的保护层。应用传热学理论建立炉缸和炉底温度场的数学模型。通过软件编程，应用数值分析的结果，将1 150 及870 等温线推离炉缸和炉底的炭砖热面，使炉缸和炉底热面冻结一层渣铁壳，把炙热的铁水与炉缸、炉底耐火炉衬隔离开，从而阻止上述侵蚀行为的发生。2.3.2 氧气高炉氧气高炉从20 世纪70 年代提出以来，国内外学者进行了长期系统研究。20 世纪90 年代初，俄罗斯Tula 公司和日本NKK 公司分别进行了氧气高炉工业化试验，理论分析和试验研究结果表明：全氧鼓风和大量喷吹煤粉在工艺上是可行的，具有节约焦炭和降低燃料消耗的优势。但是由于当时制氧和CO2脱除等技术尚不成熟，生产成本较高，最终没有实现工业化生产。近几年，随着人们对温室气体的关注和国际社会对CO2减排的呼声，国内外又开始了新一轮氧气高炉炼铁技术研究，企图大幅度降低炼铁生产CO2排放。欧盟和日本分别启动了“ULCOS”项目和“COURSE50”项目，都将氧气高炉炼铁流程作为钢铁企业炼铁中长期发展方向，集中政府、企业和科研院所等单位力量进行技术攻关。我国对氧气高炉的研究从20 世纪80 年代开始，秦民生等提出了FOBF 流程，并进行了理论分析和试验研究。2009 年钢铁研究总院进行了全氧鼓风炼铁半工业化试验，推进了我国氧气高炉研究工作。3 炼钢部分该部分概述了王新华老师、朱荣老师、张立峰老师、成国光老师和宋波老师关于炼钢方面的讲座内容。3.1 钢中非金属夹杂物的相关研究3.1.1 通过渣钢精炼对夹杂物进行控制高强度合金结构钢常用于制作机械设备的轴件、齿轮、轴承、弹簧等，疲劳破坏是导致上述工件失效的重要原因，而钢中非金属夹杂物经常会成为疲劳裂纹的起源。夹杂物对钢材抗疲劳破坏性能的影响与其在钢热加工时的变形能力有重要关系，如夹杂物在钢热加工时发生良好变形，其与钢基体之间能保持很好的结合。反之，如夹杂物变形很小或根本不变形，在钢基体与夹杂物界面上会形成微裂纹、空洞等，在交变应力下容易成为疲劳破坏源。在CaO-SiO2-Al2O3系中存在一个熔点较低的成分区域，尽管该区域内夹杂物不属于在钢热轧过程能良好变形的塑性夹杂物，但由于熔点不高，轧制过程可以发生稍许变形，因而能够减少夹杂物-钢基体界面上生成微裂纹、空洞。此外，在较低熔点的软质夹杂物与钢基体界面，应力集中程度降低，这也有利于改善钢材的疲劳性能。通过采用高Al2O3含量和高碱度炉渣，促进渣-钢间反应钢中生成较低熔点的非金属夹杂物，以改善合金结构钢抗疲劳性能。3.1.2 钢中镁铝尖晶石夹杂物的研究MgAl2O4 夹杂物具有稳定的面心立方结构，熔点较高（2 135 ）、硬度大（HV:2 1002 400kg/mm2）、轧制时不易变形，属D类点状不变形夹杂物。MgAl2O4 夹杂物尺寸大多数为2.0 6.0m，形状有球形、立方体形和不规则形。这类夹杂物会造成钢铁产品的表面缺陷，降低钢材的抗腐蚀性能，K. Mizuno 和H. Todoroki 等人在不锈钢表面缺陷处发现了大量的MgOAl2O3 夹杂物。其次这类夹杂物还容易沉积在浸入式水口内部，造成水口堵塞。所以必须对钢中MgAl2O4 夹杂物进行研究，减小其危害性。3.2 炼钢过程中的喷射技术鉴于转炉冶炼环境的高温等特殊条件，无法直接观察炉内钢液的流动。对超音速氧气射流特性参数的计算通常采用经验或理论公式；或采用冷态实验的方法对转炉氧枪的射流流场进行研究，结果相对粗略。近年来数值模拟技术的迅速发展，使得转炉氧枪的射流流场特性得到更深入的研究，突破了实验模拟的局限性。近年来，集束射流技术（Cojet 技术）在电炉炼钢工艺中得到了良好的应用，如将它移植到转炉炼钢，对于传统的转炉钢厂而言，每年有可能带来约1 500万美元的经济效益。集束射流氧枪较好地解决了超音速氧枪存在的缺陷。即氧气射流的穿透能力较弱，同样的供氧能力，超音速氧枪的操作枪位较低，使得在钢液脱碳的同时脱磷能力降低，也使得多孔超音速射流氧枪处于恶劣的工作环境。3.3 CO2冶金中国年产钢约7 亿t，按吨钢CO2 排放量2.3t计算，总排放量达到16.1亿t，成为CO2 排放的大户，占国内工业总排放量的16% 左右。如何降低CO2 排放及将CO2 进行资源化利用已越来越引起钢铁工作者的重视。CO2 在高温下具有弱氧化性，因此可作为炼钢过程反应介质；同时在特定温度下，也可作为炼钢搅拌气及保护气使用。有关CO2 在炼钢过程的利用，已在转炉、LF、AOD(VOD)、连铸等工序应用。3.4 特殊钢冶金特殊钢是具有特殊的化学成分(合金化)、采用特殊的工艺生产、具备特殊组织和性能、能够满足特殊需要的钢类。与普通钢相比，特殊钢具有更高的强韧性、物理性能、化学性能、生物相容性和工艺性能。在特殊钢中，除了优质碳素结构钢、碳素弹簧钢和碳素工具钢外，其余均为合金钢。一般合金钢约占特殊钢生产量的70%。目前世界上有近2 000 个特殊钢牌号、约50 000 个品种规格、数百个特殊钢材料、品种规格和检验标准。与普通钢相比，特殊钢具有高纯净度、高均匀性、超细组织和高精度等特点。特殊钢因性能多样化和服役性能优良，故其在能源开发、交通运输、石油化工、机电制造、轻工纺织、食品饮料、医药卫生、信息技术、日常生活、国防军工等诸多领域得到应用。3.5 单嘴精炼炉技术炉外精炼是目前冶炼品种钢和提高钢材质量的主要手段。目前炉外精炼的主要方法有VD、RH、LF、VOD 等。其中RH 具有精炼效果好、处理周期短、生产能力大、容易操作等一系列优点而成为重要的炉外精炼手段。RH 又发展了RH-OB、RH-PB、RH-KTB、RH-IJ 等多种改进型，这些改进完善和增加了RH 的功能使得它成为能够脱除碳、硫、磷、氧等元素和非金属夹杂物以及升温、调整成分等的多功能精炼设备。为了提高真空精炼效率和延长耐火材料的寿命，北京钢铁学院(现北京科技大学) 张鉴教授等在20 世纪70 年代将原大连钢厂1 座13 t RH 精炼炉改造而成一种新颖炉外精炼方法，并取名为单嘴精炼炉，该炉型标志性的特征就是将RH 的2 个插入管(浸入管) 合并成单个圆形大插入管(浸入管) ，其循环气体直接从钢包底部偏心吹入真空室使得钢液循环流动。单嘴精炼炉的“单嘴”含义就是单个“插入管”，主要是为了区分RH 的双插入管的目的。单嘴精炼炉从提出至今已经有30 多年历史了，在这几十年的过程中，该技术也进行了不断摸索，取得了较为丰富的研究结果。3.6 氧化物冶金非金属夹杂物一直被认为是钢中的有害杂质，是钢铁产品出现缺陷的主要诱因。但是，对多数钢种而言，尺寸50m 以上的大型夹杂物对钢的性能才有影响，几微米以下的小夹杂物在凝固和轧制过程中可作为硫化物、碳化物和氮化物的异质形核核心，通过控制夹杂物的大小、形态、数量和分布，可以提高钢材的性能。日本新日铁将细化和利用氧化物夹杂的技术称为氧化物冶金，并应用于产品开发。氧化物冶金的最新应用主要是改善高强度厚钢板的大线能量焊接性能和非调质钢的韧性。大线能量焊接要求钢中的细小氧化物颗粒在1 400 高温下仍有很强的钉扎作用，同时进一步细化焊缝和焊接热影响区( HAZ) 的组织，以缩小焊接部位与母材性能的差异。非调质钢则要求既保证材料的韧性，又要省掉热锻后的调质热处理工序，以降低成本。此外，氧化物冶金技术在凝固、厚板压力加工等工序的应用也有新进展。4 连铸部分该部分概述了张家泉老师和张炯明老师关于连铸方面的讲座内容。4.1 连铸结晶器的冶金行为连铸过程中，铸坯质量缺陷大多与结晶器内钢液流动及传热有关。钢液面波动过于剧烈时，易导致保护渣下渣不均，进而引起铸坯表面与结晶器冷却壁之间传热不均，促使结晶器内初生坯壳生长不均匀，在热应力的作用下，最终导致铸坯表面纵裂纹的产生。此外，液面波动过大时，还易引起钢液二次氧化的发生。反之，若钢液面过于稳定，流动微弱，弯月面处钢液更新较慢，温度较低，不利于保护渣的熔化，亦会影响结晶器内凝固坯壳的润滑和传热效果。因此，优化结晶器内钢液的流场和温度场对提高铸坯质量具有重要意义。4.2 连铸动态轻压下技术由于金属凝固过程必然伴随体积收缩，在常规连铸条件下，铸坯凝固末端的糊状区内，因钢水流动补缩困难，在最后凝固的枝晶间必然要形成缩孔和疏松；此外，凝固过程中由于选分结晶，铸坯中心的钢水逐渐浓化，最后必然产生中心偏析。这些低倍组织结构和成分均匀性问题一直是制约常规板坯连铸全面质量提高的瓶颈。连铸动态轻压下技术便是在常规连铸的基础上，引进动态辊缝技术，通过在线跟踪铸坯凝固进程、根据钢种的凝固收缩特性和当时的凝固终点位置，在铸坯凝固末端的合适位置实施合理的压下补偿量；通过抑制铸坯末端糊状区因凝固补缩不畅而造成的疏松与溶质富积（偏析）的程度，达到对铸坯内部致密度和成分均匀性综合控制的目的。由于连铸动态轻压下在提升铸坯内部质量、提高连铸生产效率等方面具有巨大的发展潜力和独特优越性，被认为是发展中的新一代连铸技术。5 其它部分该部分概述了李素芹老师、徐安军老师、王福明老师、郭汉杰老师、焦树强老师、曹战民老师、苍大强老师、吴铿老师的讲座内容。5.1 中国钢铁生态化建设钢铁生产过程是耗能高和污染重的行业之一。众所周知，生产1.0 吨钢按先进国家的指标也要排放2.2 吨的CO2，1.0 公斤的NO和1.0 公斤的SO2以及0.6 公斤的粉尘；每生产一吨钢还要消耗约一吨的标准煤。每吨钢需要约5吨固体原料，即生产1吨钢就要排出将近4 吨的固体废弃物，一个一年生产7 亿吨钢的世界产钢第一大国，其环境负荷可想而知有多严重，如不处理这些固体废弃物，将会造成严重的环境问题，也是显而易见的。国内外在发展过程中，尝试了许多发展工业的模式，在众多的方案中，工业生态成为一种为多数人接受的最佳的解决发展与环境问题的方案。5.2 钢铁生产流程理论及其应用冶金流程工程学, 在解决单元操作、单元工序和装置的功能解析-优化的基础上, 使不同工序、装置之间的关系协调优化, 再推进到整个制造流程中工序和装置及其关系的重构性集成优化, 这有助于与信息技术相结合, 实现过程计算机控制和企业管理级计算机控制等。进而可以和市场预测、客户分析等模型相连接,将大大提升钢铁企业的信息化、智能化水平。5.3 金属材料的强化及高强钢的开发金属材料强化的方法包括形变强化、固溶强化、分散强化、细晶强化、相变强化。钢铁作为传统的材料之一, 多年来人们为提高其使用性能开展了广泛的研究工作。研究和生产实践表明, 具有高强度兼有高韧度的钢铁材料是最理想的材料。然而, 实际上钢铁材料这两方面的性能是相互矛盾的, 要提高钢铁材料的强度必然降低其韧度, 要提高钢铁材料的韧度必然降低其强度。影响材料强度和韧度的主要原因是其化学成分和组织结构。研究表明, 材料组织的细化处理是同时提高材料强度和韧度的最有效途径。5.4 冶金物理化学与冶金工艺研究冶金物理化学有重要意义，它能使人们在研究冶金工艺时少走很多弯路，甚至能使人们避免去研究一些不可能的事情。正如郭汉杰老师所说“在理论上可行时，实践上有可能可行。若是理论上不可行，则实践上必定不可行。”5.5 电化学冶金电化学冶金的原理就是电解池的原理。阳极若是活性电极则本身失去电子，若为惰性电极则阴离子放电。阳离子则在阴极放电，阴极上析出金属。电化学冶金包括电解提取和电解精炼。电解提取金属有如下优点：（1）还原能力强，用还原剂不能还原的活泼金属如钠，电解是唯一的制备方法；（2）不用还原剂，引入杂质较少，可获得纯度较高的金属；（3）与火法冶金相比，水溶液排入大气中的烟气和废物较少，有利于环境的保护。5.6 冶金热力学计算进展与软件应用热力学计算主要用于解决如下问题：（1）可行性研究；（2）实验条件指导；（3）实验结果理论解释；（4）过程模拟；（5）工艺条件优化。冶金热力学计算的进展主要包括CALPHAD 技术及热力学数据库、多元相图平衡计算。冶金热力学计算应用举例：夹杂物生成和控制的热力学条件、冶金过程的模拟。5.7 节能环保与资源高值利用中国钢铁工业节能环保技术的现状是一个高中低水平同时存在和开始由重视向具体抓的阶段。中国钢铁业近年来的发展势头大大加快, 由此带来的钢铁业的总量高耗能和总量高污染排放引起了各界的高度重视。近年的节能环保技术发展得到了明显的加速, 尤其是节能工作。因为有多年来的丰富成果和经验积累, 大中型钢铁企业的能耗水平己经达到了较高的水平, 有的已经达到了国际先进水平。但是仍然还有不少中小型钢铁企业的能耗指标还很高。在目前的条件下, 一是将成熟的节能环