材料制备与加工原理-材料的熔炼

材料的制造和加工原理，福州大学材料科学与工程学院，讲师，李强教授黄晓巩准教授熊雷博士，第1章材料的熔炼、熔炼概念，将材料加热至熔点以上溶解于液体，进行精炼达到精制和合金化的目的，凝结成固体的制取过程。 这种方法是金属材料中最常用的传统方法。 以下以钢铁、铝、铜为例探讨冶金和铸锭质量控制问题。 单晶材料的制备也在本章介绍。 1.1钢铁冶金1.2铝冶金和熔炼1.3铜冶金1.4方向凝固和单晶材料制备铜器时代铜石并用时代初期的天然金属(铜、金、陨石) 的使用最早的冶金中国早期冶金青铜时代的中国商代以前的青铜器商周青铜铸造其他金属的铁器时代铁的发现和应用中国冶金铁中国铸铁的发明和发展中国生铁炼钢中国钢铁生产设备， 燃料和辅助材料中国古代钢铁技术影响他国罗马帝国时代的欧洲炼铁技术中国古代冶金的其他成果铸造技术金属表面装饰技术其他金属及其合金中国古代冶金的发展特征近代冶金技术的发展，中国冶金史、 1.1钢铁冶金1.1.1概述1.1.2钢铁冶金过程的化学反应热力学1.1.3高炉炼铁1.1.5炼钢1.1.6钢的特殊冶炼技术1.1.7铸钢和质量检测，1.1.1概述，1 .中国古代冶金铁技术史，金属的冶炼和加工对人类社会的经济发展具有非常重要的作用。 公元前三千年左右，居住在黄河流域上游、两河流域(底格里斯河与幼发拉底河之间的美索不达米亚平原)乌拉尔地区和尼罗河下游的人们同时开始使用锡青铜，脱离石器时代，人类社会进入了新时代。 中国古代冶金技术发展史上重要的一些历史阶段：夏代(公元前21世纪至前16世纪)进入青铜器时代。 商周(公元前17世纪至公元前3世纪)达到了顶峰期，创造了世界上水平最高的青铜文化。 从公元前13世纪到14世纪，开始使用铁。 春秋(公元前770年至前476年)中叶，开始使用用海绵铁锻造的铁和可能用渗碳得到的钢。 晚期，生铁技术大有突破，远远领先于世界其他地区。 公元前六世纪末，我国在世界上首先掌握了生铁的铸造方法，利用生铁，这一重大成就比西欧提前了约一千八百年。 公元前二世纪，我国发明了利用铸铁退火脱碳和热加工锻造生产钢铁的方法。 公元前一世纪，进一步发明了炒钢铁的炼钢方法，将生铁在炉内熔融搅拌，使氧化脱碳成为熟铁(高碳钢或低碳钢)，然后锻造除渣成形。 这项技术方法也比西欧提前了约1800年。 中国炼铁和炼钢术在汉代(前206-公元220 )世界领先，出土的汉代河南郡高炉椭圆形炉缸，长径4米，短径2.7米，炉容量估计可达50立方米。 隋、唐以后，掌握了大型铸件的铸造工艺。 例如，公元935年河北沧州大铁狮，2 .近代炼钢技术史，18世纪发明蒸汽机，19世纪发明电机，推进钢铁冶金技术近代炼铁技术的是1740年霍兹曼(Huntsman )坩埚炼钢法。 工业技术是1856年贝塞曼(Bessemer )酸性转炉法和1864年西门子(Siemens )兄弟、马丁(Martin )父子等创立的平炉炼钢法。 1878年托马斯开始采用碱转炉炼钢法，炼钢过程中除磷和硫。 1899年，Heroult等人发明了电弧炉炼钢法，不仅改变了能量类型，还在工业上发展了特殊钢炼技术。 1850年世界钢铁产量为6万吨。 1890年、2800万吨1887年、高锰钢1900年、18-4-1(W18Cr4V )高速钢1903年、硅钢1910年、奥氏体铬镍不锈钢(Cr18Ni8)、20世纪50年代，钢铁冶炼技术发展迅速。 炼铁：首先出现高炉容量大型化，有效容积达到5000立方米。炉料预处理、吹塑技术改进、检测技术和计算机动态控制显着提高了生铁冶炼的稳定操作和生产效率。 炼钢： 1952年，奥地利发明了纯氧吹转炉炼钢(LD )法，设备、操作费用低，冶炼周期短，成为现代炼钢的主流。 3、新型炼钢技术、炼钢及炉外处理新技术如真空熔炼法、炉外真空精炼、电渣熔炼法、等离子体精炼法投入工业应用后，特殊钢的生产和产品质量进一步提高。 2004-2009年各国钢铁产量清单，4.theprincipallprocessstepsinvolvedinconvertingrawmaterialsintothemajorproductsforms . flowdiagramshowingtheprincipalsstepsfromrawmaterialstofinishedmillproducts，主要钢铁生产流程图，现代钢铁生产的一般流程，无缝钢管生产流程，棒材厂，采购原料，烧结厂，焦炭厂炼钢厂、钢铁厂中板厂、中厚板卷厂、中厚板卷厂、棒材、钢带、中板、宽幅板卷、焦炭、铁水、炼铁新厂铁水、颗粒厂颗粒、原料厂混合料、生产工艺流程图、烧结矿、钢坯、南钢株式会社、600282、1.1.2钢铁冶金过程的化学反应热力学、钢铁由铁、碳、其他合金化元素钢：0.02-2.08%铁：2.08%，钢是如何炼成的？ 矿石钢铁，铁的氧化物：在自然界中，铁多以氧化物的形式存在。 铁矿石组成，脉石：铁矿石中除铁氧化物以外的元素氧化物，SiO2、MnO2、Al2O3等统称为脉石。 钢铁冶金过程涉及一系列复杂的氧化还原反应。 炼铁主要是还原过程炼钢主要是氧化过程，炼铁的目的是从铁的氧化物中还原铁，分离还原铁和脉石。 可能发生的氧化和还原过程取决于相应氧化物的稳定性。 各种氧化物的稳定性表示还原的容易度，可以用氧化物的G0T图进行分析。 在钢铁冶金过程中绘制氧化物形成自由能g0与t的关系，构成G0T图. 另外，在G0T图中，位置低的氧化物比位置高的氧化物稳定的位置低的元素能够还原位置高的元素。 钢铁冶金过程中主要氧化物的稳定性按照CaO、MgO、Al2O3、SiO2、MnO、FeO、P2O5的顺序排列。 常用的还原剂有： (1)金属还原剂，Mn，Si，Al还原氧化铁，还原能力的顺序为Al，Si，Mn，由G0T图决定。 (2)碳质还原剂，图2C O22CO的G0T图，只要高于某一温度，c就能还原大部分元素。 在高炉的温度下能够还原MnO、FeO、Al2O3、SiO2的只能在电炉中还原。 1.1.3从高炉炼铁、炼铁矿石中提取铁的过程叫做炼铁。 高炉炼铁炉生产高炉(Blastfurnace ) (参见图)、炼铁原料(炉料)、高炉原料高炉产生高炉冶炼的化学反应，密闭的高炉主体是炼铁的主体设备。 用耐火材料构筑成立式圆筒形，钢板炉壳加强密封，埋入冷却设备进行保护。 高炉内部作业空间的形状称为高炉内模。 高炉内型从下向上分为缸、炉腹、炉腰、轴和慢5个部分，该容积的合计为其有效容积，反映了高炉具备的生产能力。 高炉主体和主要结构回归，中国宝钢高炉4063立方米，日产生铁超过10000吨，炉渣超过4000吨，日用焦炭超过4000吨。 (1)铁矿石，1 )高炉原料，(a )铁矿石的工业类型，铁矿石由含铁矿物和脉石组成。 自然界中含铁矿物多，具有经济价值的矿床一般有红铁矿、磁铁矿、褐铁矿、菱铁矿4种。表1-1铁矿石类型、(b )铁矿石要求、(c )冶炼前铁矿石处理、中国铁矿地理分布铁矿石储量超过10亿t的是辽宁鞍山本溪(106.5亿t )、四川攀枝花西昌(51.6亿t )、冀东北京(58.1亿t )、山西五台岚县(30.8亿t )宁(南京)芜(湖庐) (21.4亿t )、内蒙古包头白云鄂博(16.3亿t )、云南惠民(11.2亿t )、皖西霍丘(10.2亿t )、鲁中(10.1亿t )储量在510亿t之间的有鄂东、鄂、河北邯郸、邢台、滇中、甘肃酒泉、河南舞阳许昌、江西新馀吉安、闽南上述17个地区经过40多年的开发建设，惠民、鄂西、霍丘几个地区由于矿床本身特征和外部条件的影响，除了目前未被开发利用外，还成为我国主要的铁矿石原料供应基地。 (b )铁矿石的要求，铁含量越高越好。 一般铁矿石的铁含量在30-70%的范围内。 Fe(wt.% )的45%为富矿，可直接冶炼的Fe(wt.% )的45%为贫矿，需要选矿、烧结冶炼。 还原性好。 气孔的形状及气孔率。 粒度正好。 脉石成分。 酸性氧化物SiO2、Al2O3，优选少； 碱性氧化物CaO、MgO，优选高。 杂质含量少。 主要有害杂质和含量规定： S0.15%，P0.4%，Pb，Zn0.1%，As0.1% .(c )冶炼前处理、破碎和筛选铁矿石。 破碎筛分按粒度分类。 小粒度富矿经磨后成块，贫矿均须经磨选矿烧结。 选矿。 对于低品位矿，铁含量必须提高到60%以上。 常用的两种方法是水选择和磁选。 水选择器把包括铁矿和脉石在内的比重不同的磁选用于磁铁矿、烧结和成块。 将精矿、煤粉、石灰粉与水混合，用专用烧结炉烧结。 煤粉燃烧，达10001100，脉石熔融，与石灰结合形成硅酸盐，结合精矿，形成坚固多孔烧结矿。 将成块浸湿的精矿或精矿与助熔剂的混合物在圆盘或圆筒内滚动到直径10-30mm的球上，进行干燥烧结制造。 (2)助熔剂、助熔剂是降低脉石和燃料灰分中高熔点化合物的熔点，生成低熔点化合物，制成熔渣，分离脉石和铁的原料。 (a )降低脉石熔点的作用。 除硫。 利用s和Ca容易结合的CaS进入炉渣中，去除s的目的。 (b )种类，焊剂分为碱性焊剂和酸性焊剂，它取决于脉石和燃料灰分的性质。 通常使用碱性焊剂石灰石。 (3)燃料、燃烧供热，在燃烧中起还原剂的作用。 燃料应符合以下要求。 碳含量高，有害杂质少。 例如s、p和水分、灰分和挥发成分等。 常温和高温下足够的机械强度气孔率大，粒度均匀，透气性得到保证。 焦炭是煤在焦炭炉内隔断空气，加热到1000-1100，干馏后形成的多孔质块状物。 强度大、发热高、价格便宜的缺点是灰分多(7-15% )，s、p含量高。 常用的燃料主要是焦炭。 2 .高炉生产、高炉结构如图1-2所示。 进入高炉的炉料铁矿石、焦炭、焊剂从炉顶向下发生一系列化学反应。 工作原理见图1-3，焦炭既是燃料又是还原剂，一部分与铁化合。 石灰石与脉石反应生成炉渣，与矿石中的s反应生成CaS并带入炉渣内。 还原矿石逐渐下降，温度和CO浓度不断上升，加速反应，将Fe2O3还原成FeO。 最终在风口区，剩馀的FeO被还原成铁，熔化的铁和炉渣慢慢进入炉床，更难熔化的炉渣浮上熔体的表层，铁液和炉渣分别被排出。 生铁可以铸造成锭，也可以直接炼钢。根据热平衡和物质平衡的统计，1吨生铁的需求，1Kg生铁的热消耗量1.25104J，3 .高炉冶炼的化学反应，燃料的燃烧铁的增加还原铁的碳的其他元素的还原脱硫炉渣，与高炉冶炼相关的主要化学反应，(1)燃料的燃烧，co2co2c2co， 在风口区1600-1750CCO2上升用红热的焦炭还原，CO的上升与矿石发生还原反应，(2)铁的还原、间接还原，在250-350、950下用气体CO进行，以Fe2O3 co2f E3 o 4co 22 Fe3o 42 co6 FeO 2co 26 FeO 6co FeO CFe CO2COCO2 C，氧减少，(3)铁的碳增加，矿石还原的铁呈海绵状，碳含量极低，在落下过程中被吸收直到碳饱和。 同时，其他元素的含量使生铁的c含量，例如碳化物形成元素Mn、Cr、v、Ti等提高c含量. (4)其他元素的还原、Mn的还原、Mn被带入矿石中，以MnO2的形式存在，以MnO2coMnO2(700) mnoc (s )mnco (1100以上)，在一般的高炉炼铁中，Mn被还原，溶解于铁中，剩馀部分烧毁或进入炉渣中，SiO2和mnco (1100以上) 提高温度和炉渣碱度，进而发生如下反应，mnSi3caomnocasio3mnonocmnco、MnSiO3 CaO CMn CaSiO3 CO、全反应、si的还原作为SiO2存在于脉石中，SiO2 2CSi 2CO(1100以上)、p 作为2存在于矿石中的ca3(po4)2c3 Cao2p5co (12001500)如果有SiO2，则被磷酸酐置换，ca3(po4)23si o 23 c a2SiO42、P2O5容易挥发，气体与碳的接触被还原，P2O5 C4P 10CO (6)造渣、矿石中的废料、燃料中的灰分与助熔剂反应形成渣，主要成分为SiO2、Al2O3、CaO，含有少量MnO、FeO、CaS等。 熔渣与金属不相容，轻轻浮在熔体上。 熔渣的作用：通过溶解各种氧化物来控制金属成分，浮游在金属液表面的熔渣保护金属，发挥防止金属过度氧化、防止热损失的绝热作用，防止金属过热。 4、高炉产品、生铁为Fe、c、Si、Mn、s、p等合金。 c含量为2%左右。 生铁、灰口生铁、铸造厂原料。 (c以石墨存在)炼钢生铁、白口生铁、炼钢原料。 (c以Fe3C的形式存在)特殊生铁，例如高硅、高锰生铁的情况下，作为炼钢的脱氧剂，或者作为精炼合金钢的辅助材料。 高炉煤气，工业燃料，日用。 渣可用于水泥生产、砖制造和铺路。 5 .高炉冶炼的技术经济指标，高炉利用系数n=P/Vu冶炼强度I=Q/Vu焦炭比K=Q/P，P每昼夜生产铁量VU有效容积Q昼夜装入的焦炭量，1.1.4直接还原和熔融还原铁，高炉冶炼投资大，工艺长， 能源消耗高的全世界焦炭(煤储量的10% )枯竭，价格上涨对高炉炼铁排放CO2、SO2、CO、H