1第三讲 材料的制备方法(2)金属材料制备(1冶金)

1、Northeastern University金属材料的制备方法金属材料的制备方法（冶金）（冶金）第第3讲讲 材料的制备方法材料的制备方法东北大学东北大学2006 年年 11 月月Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 根据金属所具性质的不同，金属的分类方法有多种。根据金属所具性质的不同，金属的分类方法有多种。 在冶金工业上，常把金属分为黑色金属和有色金属。在冶金工业上，常把金属分为黑色金属和有色金属。 其中铁、铬、锰或它们的合金的表面常有呈灰黑色的氧化物，所其中铁、铬、锰或它们的合金的表面常有呈灰黑色的氧化物，所以习惯上称这类金属为黑

2、色金属。以习惯上称这类金属为黑色金属。有色金属：其它金属等、黑色金属：金属CrMnFe金属的分类金属的分类Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金定义：定义：具有金属特性的多种元素的混合物具有金属特性的多种元素的混合物印刷铅字是锡、铅、锑合金；印刷铅字是锡、铅、锑合金； 青铜为铜、锡合金；青铜为铜、锡合金； 黄铜为铜、锌合金；黄铜为铜、锌合金；生铁是铁和碳的合金，调节碳的比例就可精炼成钢。生铁是铁和碳的合金，调节碳的比例就可精炼成钢。v低共熔混合物（低共熔合金）低共熔混合物（低共熔合金）：当两种金属按一定组成比共熔时，：当两种金属按一定组

3、成比共熔时，其熔点总比任何一组分金属熔点要低。当组成为某一定值时，熔点最其熔点总比任何一组分金属熔点要低。当组成为某一定值时，熔点最低，此熔点即为最低共熔温度。低，此熔点即为最低共熔温度。v如铋的熔点为如铋的熔点为544K，镉的熔点为，镉的熔点为594K，含，含40镉和镉和60铋的混合物铋的混合物为低共熔混合物，其熔点为为低共熔混合物，其熔点为413K。合金合金Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 因此，要获得各种金属及其合金材料必须首先通过因此，要获得各种金属及其合金材料必须首先通过各种方法将金属元素从矿物中各种方法将金属元素从矿物

4、中出来，接着对粗炼金属出来，接着对粗炼金属产品进行产品进行和和，然后，然后，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。一、冶金工艺概述一、冶金工艺概述 绝大多数金属元素（除绝大多数金属元素（除Au、Ag、Pt外）都以外）都以氧化物、氧化物、碳化物等化合物的形式存在碳化物等化合物的形式存在地壳之中。地壳之中。 金属的冶金工艺可以分为金属的冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金、电冶火法冶金、湿法冶金、电冶金以及真空冶金金以及真空冶金等。等。Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金火法冶金火法冶金：利用高温

5、从矿石中提取金属或其化合物的方法。利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。 ：选矿、焙选矿、焙烧球化或烧球化或烧结烧结金属化合物金属化合物的还原的还原除去杂质除去杂质提纯金属提纯金属一、冶金工艺概述一、冶金工艺概述Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 ：提取提取冶金冶金真空真空冶金冶金喷射喷射冶金冶金氯化氯化冶金冶金一、冶金工艺概述一、冶金工艺概述Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金湿法冶金湿法冶金：利用一些化学溶剂的化学作用，在水溶液或非水利用一些化学溶剂的化学作用，在水

6、溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和络合等反应，对溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和络合等反应，对原料、中间产物或二次再生资源中的金属进行提取和分离的原料、中间产物或二次再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程。冶金过程。 ：一、冶金工艺概述一、冶金工艺概述Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金电冶金电冶金：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程。金属的冶金过程。 ： 一、冶金工艺概述一、冶金工艺概述Northeastern University第一节第一节 金

7、属材料的制备金属材料的制备冶金冶金一、冶金工艺概述一、冶金工艺概述Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金应用广泛的金属材料应用广泛的金属材料钢铁钢铁（1）铁和铁合金）铁和铁合金（2）钢铁是怎样炼成的）钢铁是怎样炼成的 铁矿石和炼铁，炼钢铁矿石和炼铁，炼钢二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金F-18大黄蜂战斗机大黄蜂战斗机我军陆战王牌我军陆战王牌-99式主战坦克式主战坦克二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼军事上离不开钢铁军事上离不开钢铁中国九五式突击步枪中国九五式突

8、击步枪海军海军109驱逐舰驱逐舰Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金神神六六神五神五 二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金我们的生活中也离不开钢铁我们的生活中也离不开钢铁广州丫髻沙大桥广州丫髻沙大桥雷诺汽车雷诺汽车生活用品生活用品磁悬浮列车磁悬浮列车二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 自从自从1980年阿尔温年阿尔温托夫勒（托夫勒（第三次浪潮第三次浪潮的作者，美国未来

9、学家）的作者，美国未来学家）到处鼓吹钢铁是夕阳工业以来，使人们产生了一种错觉，似乎发展信息到处鼓吹钢铁是夕阳工业以来，使人们产生了一种错觉，似乎发展信息产业必须压缩钢铁工业，钢铁生产技术没有必要，也不可能继续发展。产业必须压缩钢铁工业，钢铁生产技术没有必要，也不可能继续发展。 而二十多年来的事实表明：而二十多年来的事实表明：钢铁生产需求接近饱和，世界产钢量没有显著增长，但是也没有萎缩；钢铁生产需求接近饱和，世界产钢量没有显著增长，但是也没有萎缩；钢铁生产技术和冶金工程科学仍在不断更新，新技术层出不穷；钢铁生产技术和冶金工程科学仍在不断更新，新技术层出不穷；钢铁材料品种继续增多，钢的性能和品质有

10、大幅度提高。钢铁材料品种继续增多，钢的性能和品质有大幅度提高。 为什么非常古老的钢铁有这样强的生命力呢？这首先决定于钢铁的为什么非常古老的钢铁有这样强的生命力呢？这首先决定于钢铁的基体特性。基体特性。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金钢铁的分类钢铁的分类钢钢碳素钢碳素钢合金钢合金钢结构钢结构钢工具钢工具钢合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢合金模具钢合金模具钢黑色金属黑色金属白口铸铁白口铸铁灰口铸铁钢灰口铸铁钢生铁生铁球墨铸铁球墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁铸造生铁铸造生铁炼钢铸铁炼钢铸铁合金

11、铸铁合金铸铁铁合金铁合金二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 Fe在地壳中的含量为在地壳中的含量为5左右，在金属中仅次于铝左右，在金属中仅次于铝， 除除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素化合，陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素化合，特别是与氧化合，因此特别是与氧化合，因此铁矿石多以氧化物形式存在铁矿石多以氧化物形式存在。 铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物(SiO2、MnO2 等等)，这些，这些统称为脉石统称为脉石。 炼铁的目的炼铁的

12、目的就是使铁从铁的氧化物中还原，并使还原出就是使铁从铁的氧化物中还原，并使还原出的铁与脉石分离。的铁与脉石分离。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金铁矿石铁矿石脉石脉石和硫磷杂质和硫磷杂质铁化合物铁化合物Fe3O4(磁铁矿石磁铁矿石)Fe2O3(赤铁矿石赤铁矿石)FeS2 (黄铁矿石黄铁矿石) FeCO3(菱铁矿石菱铁矿石)二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金磁铁矿磁铁矿Fe3O4二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼主要矿物是磁铁矿，呈黑色

13、金属光泽，磁性强（复合矿可通主要矿物是磁铁矿，呈黑色金属光泽，磁性强（复合矿可通过磁选富集铁分），在自然界中纯磁铁矿矿石较少，常含有过磁选富集铁分），在自然界中纯磁铁矿矿石较少，常含有TiO2及及V2O3组成复合矿石，即钒钛磁铁矿，由于受氧化作组成复合矿石，即钒钛磁铁矿，由于受氧化作用，磁铁矿易被氧化成赤铁矿，有的仍保留着磁铁矿石的结用，磁铁矿易被氧化成赤铁矿，有的仍保留着磁铁矿石的结晶形态，但无磁性，被称为假象赤铁矿或半假象赤铁矿。晶形态，但无磁性，被称为假象赤铁矿或半假象赤铁矿。Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金赤铁矿赤铁矿-F

14、e2O3颜色呈红色或红褐色，故又称为红矿。主要矿颜色呈红色或红褐色，故又称为红矿。主要矿物为赤铁矿，无磁性，但组织疏松，易破碎，物为赤铁矿，无磁性，但组织疏松，易破碎，还原性优于磁铁矿。赤铁矿石广泛分布于自然还原性优于磁铁矿。赤铁矿石广泛分布于自然界中，常形成巨大的矿床，就世界范围而言，界中，常形成巨大的矿床，就世界范围而言，其储量最多（占铁矿石总储量的其储量最多（占铁矿石总储量的48.3%），是），是炼铁的最主要铁矿石资源。炼铁的最主要铁矿石资源。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金褐铁矿褐铁矿2Fe2O3.

15、3H2O常为含不同分子结晶水的赤铁矿，褐铁矿吸附常为含不同分子结晶水的赤铁矿，褐铁矿吸附着大量水分，加热时失去结晶水和游离水，使着大量水分，加热时失去结晶水和游离水，使矿石气孔率增加，故还原性好，同时，由于去矿石气孔率增加，故还原性好，同时，由于去掉了水分，相应提高了矿石的品位。掉了水分，相应提高了矿石的品位。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金菱铁矿菱铁矿FeCO3它是含铁的碳酸盐。在自然界中，有工业开采它是含铁的碳酸盐。在自然界中，有工业开采价值的菱铁矿比其它三种矿石要少，含铁量不价值的菱铁矿比其它三种矿石

16、要少，含铁量不高，但受热分解放出高，但受热分解放出CO2后，不仅含铁量显著后，不仅含铁量显著提高，而且也变得疏松多孔，易还原。提高，而且也变得疏松多孔，易还原。当铁矿石含铁量过低，就需要将它们粉碎当铁矿石含铁量过低，就需要将它们粉碎(0.0740.044mm)，然后富选成含铁高的精矿，然后富选成含铁高的精矿粉，一般精矿粉的含铁量在粉，一般精矿粉的含铁量在63%-68%之间。之间。由于高炉炼铁需要气流通畅，所以只能加入块由于高炉炼铁需要气流通畅，所以只能加入块矿，精矿粉要通过烧结的办法制成烧结矿或通矿，精矿粉要通过烧结的办法制成烧结矿或通过球团的办法焙烧成球团矿。烧结矿和球团矿过球团的办法焙烧成

17、球团矿。烧结矿和球团矿统称人造富矿。统称人造富矿。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金黄铁矿黄铁矿FeS2二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金铁矿石晶体铁矿石晶体暗红色铁铝榴石晶体暗红色铁铝榴石晶体产地奥地利产地奥地利立方体黄铁矿晶体立方体黄铁矿晶体产地西班牙产地西班牙祖母绿、黄铁矿、方解石共生祖母绿、黄铁矿、方解石共生产地哥伦比亚产地哥伦比亚二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金

18、属材料的制备金属材料的制备冶金冶金钢铁是怎样炼成的钢铁是怎样炼成的二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金钢铁的冶炼历史钢铁的冶炼历史 13世纪末以前，古代人的冶炼方法十分简单，利用自然地形将铁世纪末以前，古代人的冶炼方法十分简单，利用自然地形将铁矿石与木炭一起放入称为地窑炉的炉膛内，加热冶炼，因不能获得熔矿石与木炭一起放入称为地窑炉的炉膛内，加热冶炼，因不能获得熔化矿石的高温，仅能制成半熔融状态的铁块，其中混杂有相当多的氧化矿石的高温，仅能制成半熔融状态的铁块，其中混杂有相当多的氧化铁渣，称为海绵铁。化铁渣，称为

19、海绵铁。 其含碳量极低，所以塑性较高，经锻打成型，制成器具，在此时其含碳量极低，所以塑性较高，经锻打成型，制成器具，在此时期，冶炼工场在出产铁矿石和木材丰富的山区非常发达。期，冶炼工场在出产铁矿石和木材丰富的山区非常发达。第一个发展阶段第一个发展阶段二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 13世纪末至世纪末至19世纪中叶，随着铁的需要以及鼓风技术的发展，炉世纪中叶，随着铁的需要以及鼓风技术的发展，炉子越来越高，逐渐形成现代高炉的雏形子越来越高，逐渐形成现代高炉的雏形-木炭炉。木炭炉。 由于炉容增大，采用鼓风技术，

20、使单位时间内燃烧的燃料量增加由于炉容增大，采用鼓风技术，使单位时间内燃烧的燃料量增加了，炉内温度提高，能得到熔融状态的生铁，这种生铁冷却后很脆，了，炉内温度提高，能得到熔融状态的生铁，这种生铁冷却后很脆，不能锻造成器具。不能锻造成器具。 后来将生铁作原料和矿石、木炭一起在炉内再进行冶炼，得到性后来将生铁作原料和矿石、木炭一起在炉内再进行冶炼，得到性能比生铁好的粗钢（也叫熟铁）。能比生铁好的粗钢（也叫熟铁）。 从此钢铁冶炼就开始了一直沿用至今的二步冶炼法：第一步，从从此钢铁冶炼就开始了一直沿用至今的二步冶炼法：第一步，从矿石中冶炼出生铁，第二步把生铁精炼成钢。矿石中冶炼出生铁，第二步把生铁精炼成

21、钢。第二个发展阶段第二个发展阶段二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金第三个发展阶段第三个发展阶段 19世纪中期至今，以生铁为原料在高温下精炼成钢，一直是钢铁世纪中期至今，以生铁为原料在高温下精炼成钢，一直是钢铁生产的主要方法。生产的主要方法。 在此期间，高炉鼓风由热风代替冷风，并建产了蓄热式热风炉，在此期间，高炉鼓风由热风代替冷风，并建产了蓄热式热风炉，鼓风动力采用电力。鼓风动力采用电力。 建立了作为生铁精炼炉的转炉、平炉、电炉的炼钢法。建立了作为生铁精炼炉的转炉、平炉、电炉的炼钢法。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼N

22、ortheastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金生铁生铁（主要产品）（主要产品）：分为炼钢生铁和铸造生铁。分为炼钢生铁和铸造生铁。炉渣炉渣（副产品）（副产品）：含含SiO2、CaO和和Al2O3的铝硅酸盐，主要用于生产水泥。的铝硅酸盐，主要用于生产水泥。煤气煤气（副产品）（副产品）：含含26左右的左右的CO，用作燃料。，用作燃料。炼铁产品及副产品：炼铁产品及副产品： 炼钢的目的炼钢的目的：除去生铁中多余的碳和大量杂质元素，使其化学成分达除去生铁中多余的碳和大量杂质元素，使其化学成分达到钢的要求。到钢的要求。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeast

23、ern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金1 黑色金属的生产黑色金属的生产1.1 高炉冶炼生产过程高炉冶炼生产过程 高炉附属系统：高炉附属系统：原料系统原料系统;送风系统送风系统;燃料喷吹系统燃料喷吹系统;除尘系统除尘系统;渣铁处理系统渣铁处理系统;二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 原料系统：原料系统：炼铁原料主要包括铁矿石、焦炭、石灰石（和白云炼铁原料主要包括铁矿石、焦炭、石灰石（和白云石）、锰矿石和一些铁矿石的替代品。石）、锰矿石和一些铁矿石的替代品。 送风系统：送风

24、系统：送风系统为高炉连续稳定地提供足够的热风，是高炉送风系统为高炉连续稳定地提供足够的热风，是高炉正常冶炼的前提，单位时间内风量的高低决定了生产率。正常冶炼的前提，单位时间内风量的高低决定了生产率。 燃料喷吹系统：燃料喷吹系统：为缓解焦煤资源短缺而采用的喷出燃料技术已普为缓解焦煤资源短缺而采用的喷出燃料技术已普及，它包括煤粉制备、储存、空压机、高压泵及一系列管道阀门及，它包括煤粉制备、储存、空压机、高压泵及一系列管道阀门输送设备及喷枪等。输送设备及喷枪等。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 除尘系统：除尘系统

25、：从炉顶逸出的含尘高达从炉顶逸出的含尘高达40-100g/m3的高炉煤气，经的高炉煤气，经过一系列除尘设备，包括粗除尘过一系列除尘设备，包括粗除尘(如重力除尘如重力除尘)、半精细除尘、半精细除尘(洗洗涤塔涤塔)、精细除尘、精细除尘(文氏管、静电除尘器文氏管、静电除尘器)等，使其含尘量降到等，使其含尘量降到15mg/m3以资利用。以资利用。 渣铁处理系统：渣铁处理系统：处理好从渣铁口排放的高温液态渣铁是保证高处理好从渣铁口排放的高温液态渣铁是保证高炉正常生产的重要环节，它包括炉前出铁场及设备，渣铁输送炉正常生产的重要环节，它包括炉前出铁场及设备，渣铁输送设备、铸铁机，铁水炉外处理设备，水渣场等。

26、设备、铸铁机，铁水炉外处理设备，水渣场等。 大多数高炉采用冲成水渣的方式处理炉渣，作为是制造水泥的大多数高炉采用冲成水渣的方式处理炉渣，作为是制造水泥的原料，或用压缩空气吹成渣棉原料，或用压缩空气吹成渣棉(可作隔音保温材料可作隔音保温材料)，也可用渣，也可用渣罐车送往弃渣场。罐车送往弃渣场。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern Universit

27、y第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 铁氧化物的生成与分解是逐级进行的，当温度铁氧化物的生成与分解是逐级进行的，当温度570时，称为时，称为高温转变：高温转变： 当温度当温度570时，称为低温转变：时，称为低温转变： 高炉内主要还原剂是高炉内主要还原剂是CO、C（在喷吹燃料时煤气中（在喷吹燃料时煤气中H2含量明显含量明显增加），还原基本分为增加），还原基本分为 间接还原间接还原 与与直接还原直接还原 两大类。两大类。3243OFeOFeFeOFe3243OFeOFeFe高炉内的主要还原反应高炉内的主要还原反应二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University

28、第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金产生还原剂：产生还原剂： C+O2=CO2 CO2+C=2CO （空气，焦炭）（空气，焦炭） 还原铁矿石：还原铁矿石： Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2 （铁矿石）（铁矿石） 造渣（除脉石）：造渣（除脉石）： CaCO3=CO2+CaO CaO+SiO2=CaSiO3 （熔剂：石灰石）（熔剂：石灰石）炼铁的主要反应过程炼铁的主要反应过程二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金现象：现象： _方程式：方程式： _固体由红变黑固体由红变黑,石灰水变浑浊。石灰水变浑浊

29、。Fe2O33CO2Fe3CO2高温高温CO还原氧化铁二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金炼铁：炼铁： 铁矿石（化合态）铁矿石（化合态）铁单质（游离态）铁单质（游离态）（1）基本反应原理：）基本反应原理：3CO+ Fe2O3=2Fe+3CO2高温高温利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂（主要是利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂（主要是CO)从铁矿石中还原出铁。从铁矿石中还原出铁。（3）设备：高炉）设备：高炉（2）原料：）原料：铁矿石、焦炭、石灰石铁矿石、焦炭、石灰石、空气、空气二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Nort

30、heastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金C+O2=CO2CO2+C=2CO3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金1.2 非高炉炼铁法非高炉炼铁法 1. 直接还原炼铁法直接还原炼铁法 直接还原法直接还原法是指在铁矿石熔化温度下把铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过是指在铁矿石熔化温度下把铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程，产品叫直接还原铁或海绵铁。程，产品叫直接还原铁或海绵铁。 由于低温还原，得到的直接还原铁未能充分渗碳，因而含碳较低由于低

31、温还原，得到的直接还原铁未能充分渗碳，因而含碳较低(2%)，属于钢的成分。矿石中的脉石成分既不能熔化造渣脱除，也不能被还原，因而属于钢的成分。矿石中的脉石成分既不能熔化造渣脱除，也不能被还原，因而直接还原铁中几乎保留了铁矿石中的全部脉石杂质，实际生产中仍需要用电炉直接还原铁中几乎保留了铁矿石中的全部脉石杂质，实际生产中仍需要用电炉精炼成钢。精炼成钢。 电炉精炼的主要任务是熔化脱除杂质和调整钢的成分，而不是氧化脱碳。电炉精炼的主要任务是熔化脱除杂质和调整钢的成分，而不是氧化脱碳。 直接还原法直接还原法-电炉串联生产钢，形成了一个新的钢铁冶金生产工艺流程。电炉串联生产钢，形成了一个新的钢铁冶金生产

32、工艺流程。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 直接还原炼铁法已有百余年的历史，先后提出各种不同的工艺方法直接还原炼铁法已有百余年的历史，先后提出各种不同的工艺方法400余种，余种，但是真正成为工业生产方法的只有少数几种，而且是到但是真正成为工业生产方法的只有少数几种，而且是到20世纪世纪60年代才有年代才有重大突破，这是因为：重大突破，这是因为： （1）冶金焦的价格大幅度上涨，而石油、天然气大量开发使用，特别是高）冶金焦的价格大幅度上涨，而石油、天然气大量开发使用，特别是高效率天然气转化法的应用，提供了直接还

33、原炼铁法需要的还原煤气，解决效率天然气转化法的应用，提供了直接还原炼铁法需要的还原煤气，解决能源的来源和价格问题。能源的来源和价格问题。 （2）电炉炼钢迅速发展，超高功率新技术的应用使电炉炼钢得到高速发展，）电炉炼钢迅速发展，超高功率新技术的应用使电炉炼钢得到高速发展，合格的废钢供应不足，大大扩展了直接还原铁的需求。合格的废钢供应不足，大大扩展了直接还原铁的需求。 （3）废钢（多数是从社会收集的废钢）中往往含有某些对钢性能不利的有）废钢（多数是从社会收集的废钢）中往往含有某些对钢性能不利的有色金属，如铜、锡、砷、铅等，无论用氧化熔炼或还原熔炼都无法去除它色金属，如铜、锡、砷、铅等，无论用氧化熔

34、炼或还原熔炼都无法去除它们。而随着废钢的循环利用，它们在钢中的含量会越积越多。因而需要加们。而随着废钢的循环利用，它们在钢中的含量会越积越多。因而需要加入直接还原铁来稀释它们。入直接还原铁来稀释它们。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 （4）选矿技术的提高，扩大了直接还原炼铁法的矿石资源。原来只能使用杂）选矿技术的提高，扩大了直接还原炼铁法的矿石资源。原来只能使用杂质少且品位高的天然富矿，现在高品位铁精矿粉制造的球团矿，其脉石含量质少且品位高的天然富矿，现在高品位铁精矿粉制造的球团矿，其脉石含量可以降低到不需

35、要在还原生产中脱除，使直接还原技术简化，而且产量提高。可以降低到不需要在还原生产中脱除，使直接还原技术简化，而且产量提高。 从本世纪从本世纪70年代中期以来，世界钢产量一直在年代中期以来，世界钢产量一直在7亿吨左右，而海绵铁的产量却亿吨左右，而海绵铁的产量却逐年增加工厂，逐年增加工厂，60年代年产几十万吨到年代年产几十万吨到1997年已发展到年产年已发展到年产3620万吨。海绵万吨。海绵铁的稳定增长和电炉炼钢的增长有显著关系。少量金属化率较低的直接还原铁的稳定增长和电炉炼钢的增长有显著关系。少量金属化率较低的直接还原铁还可用于高炉，以提高产量和降低焦比。直接还原铁的生产主要在天然气铁还可用于高

36、炉，以提高产量和降低焦比。直接还原铁的生产主要在天然气资源丰富的地区，拉丁美洲国家生产的海绵铁占全世界产量的一半以上。资源丰富的地区，拉丁美洲国家生产的海绵铁占全世界产量的一半以上。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金含铁原料含铁原料 品位的高低是最重要的品质，由于直接还原铁大多用于电炉炼钢，它的残品位的高低是最重要的品质，由于直接还原铁大多用于电炉炼钢，它的残留脉石会使电炉炼钢电耗升高，生产率降低，炉衬寿命缩短，危害较大。留脉石会使电炉炼钢电耗升高，生产率降低，炉衬寿命缩短，危害较大。所以直接还原炼铁法使用的

37、矿石要求所以直接还原炼铁法使用的矿石要求SiO2、Al2O3等的含量等的含量3% -5%。危。危害电炉钢品质的有害元素，如铜、砷等则因为电炉钢品种不同而有不同的害电炉钢品质的有害元素，如铜、砷等则因为电炉钢品种不同而有不同的要求。要求。 直接还原法炼铁法对于还原性和软化温度也有严格要求。因为还原性是影直接还原法炼铁法对于还原性和软化温度也有严格要求。因为还原性是影响直接还原炼铁法生产率的最重要因素，因此这种方法只使用还原性好的响直接还原炼铁法生产率的最重要因素，因此这种方法只使用还原性好的球团矿或块矿。球团矿或块矿。几种主要的直接还原炼铁法几种主要的直接还原炼铁法 根据使用的燃料不同，直接还原

38、炼铁法分为两大类：用煤气作气体还原剂根据使用的燃料不同，直接还原炼铁法分为两大类：用煤气作气体还原剂和载热体的气基法；以固体煤作为还原剂和热源的煤基法。和载热体的气基法；以固体煤作为还原剂和热源的煤基法。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金（1）气基法）气基法 气基法中的煤气常用天然气、焦炉煤气、液化石油气、重油等转化制造。天然气基法中的煤气常用天然气、焦炉煤气、液化石油气、重油等转化制造。天然气和液化石油气主要使用蒸汽转化，生成气和液化石油气主要使用蒸汽转化，生成CO 和和H2；重油使用氧气部分氧化法；重油使

39、用氧气部分氧化法将碳氢化合物转化为将碳氢化合物转化为CO和和H2。 目前为止，无论从产量还是产能上看，气基法占主导地位，约占目前为止，无论从产量还是产能上看，气基法占主导地位，约占90%左右。左右。 气基法的典型代表是气基法的典型代表是Midrex法。法。Midrex气基法属竖炉法，为美国米德莱克斯气基法属竖炉法，为美国米德莱克斯（Midrex）公司所发明，是目前最完善、生产能力最强、使用最普遍的直接还）公司所发明，是目前最完善、生产能力最强、使用最普遍的直接还原炼铁法。它由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气重整炉组成。这种方原炼铁法。它由供料系统、还原竖炉、烟气处理、天然气重整炉组成。这种

40、方法生产的海绵铁占直接还原炼铁法生产海绵铁总量的法生产的海绵铁占直接还原炼铁法生产海绵铁总量的60%以上。图以上。图2-4是它的生是它的生产流程示意图。产流程示意图。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 天然气进入转化炉内，在镍基触媒的催化下，通过天然气裂化反应将其转化成天然气进入转化炉内，在镍基触媒的催化下，通过天然气裂化反应将其转化成煤气和氢气。煤气和氢气。 CH4 H2O CO 3H2 (天然气裂化反应天然气裂化反应) 球团矿或天然块矿从炉顶通过布料器（或多个加料管）合理地布入炉中，在还球团矿或天然块矿从

41、炉顶通过布料器（或多个加料管）合理地布入炉中，在还原区与原区与CO、H2进行还原反应。还原气入炉时温度为进行还原反应。还原气入炉时温度为750-900，送入距竖炉顶，送入距竖炉顶部部2/3处的还原带。炉料在炉内停留约处的还原带。炉料在炉内停留约6小时，含铁矿石被小时，含铁矿石被CO和和H2还原，被还原还原，被还原的海绵铁的金属铁含量在的海绵铁的金属铁含量在92%以上。然后海绵铁进入下部没有砖衬的冷却带，以上。然后海绵铁进入下部没有砖衬的冷却带，用专门的冷却气或炉顶气冷却，冷却到用专门的冷却气或炉顶气冷却，冷却到30时排出炉外，可保证海绵铁在大气时排出炉外，可保证海绵铁在大气中不再氧化，细碎的产

42、品可压制成块存放，供电炉熔炼使用。直接还原后的废中不再氧化，细碎的产品可压制成块存放，供电炉熔炼使用。直接还原后的废气中仍含有大量的气中仍含有大量的CO和和 H2（约占（约占70%），通过洗涤器从新返回到重整炉，然），通过洗涤器从新返回到重整炉，然后进入竖炉循环使用。反应方程式为；后进入竖炉循环使用。反应方程式为； Fe2O3 3H2 2Fe 3H2O Fe2O3 3CO 2Fe 3CO2二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金（2）煤基法）煤基法 煤基法使用的煤以烟煤为宜，这种煤能够与煤基法使用的煤以烟煤为宜，这

43、种煤能够与CO2反应生成反应生成CO（生产中称这种性（生产中称这种性能叫煤的反应性），煤中灰分的熔化温度一般要求在能叫煤的反应性），煤中灰分的熔化温度一般要求在1150以上，即高于直接还以上，即高于直接还原法操作温度原法操作温度50-100，以避免析出的灰分与炉料和炉墙发生粘连，造成生产操，以避免析出的灰分与炉料和炉墙发生粘连，造成生产操作故障。煤基法使用的煤还要求灰分含量低（作故障。煤基法使用的煤还要求灰分含量低（25%）和含硫量低）和含硫量低(0.8%)。 回转窑法是煤基法中最重要、最有价值、应用较广的工艺。此法还原铁矿石可回转窑法是煤基法中最重要、最有价值、应用较广的工艺。此法还原铁矿石

44、可按不同的作业温度生产海绵铁、粒铁及液态铁水，但以低温作业的回转窑生产按不同的作业温度生产海绵铁、粒铁及液态铁水，但以低温作业的回转窑生产海绵铁最有意义。回转窑的优点是能够直接使用固体煤作为能源，能有效地除海绵铁最有意义。回转窑的优点是能够直接使用固体煤作为能源，能有效地除去某些杂质；缺点是生产率低，热效率也低，所以应用范围不广泛，仅适用于去某些杂质；缺点是生产率低，热效率也低，所以应用范围不广泛，仅适用于天然气等资源匮乏地区。天然气等资源匮乏地区。 此法的重要设备是回转窑。此法的重要设备是回转窑。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制

45、备金属材料的制备冶金冶金 窑体稍有倾斜（窑体稍有倾斜（4%的斜度），窑中装有耐火衬，在窑头、窑中、窑尾设有耐的斜度），窑中装有耐火衬，在窑头、窑中、窑尾设有耐火材料挡圈以增加炉料停留时间。火材料挡圈以增加炉料停留时间。 煤燃烧所需要的空气通过风管沿轴向吹入窑中，风管安装在沿窑长方向的不同煤燃烧所需要的空气通过风管沿轴向吹入窑中，风管安装在沿窑长方向的不同部位。煤不但是还原剂，同时还提供所需要的热量。部位。煤不但是还原剂，同时还提供所需要的热量。 沿窑长方向分两个区：预热区沿窑长方向分两个区：预热区-煤燃烧将原料的混合物加热至还原温度；还原煤燃烧将原料的混合物加热至还原温度；还原区区-煤进一步燃

46、烧为生产海绵铁提供热量。通过控制向窑内吹入的空气量和喷煤进一步燃烧为生产海绵铁提供热量。通过控制向窑内吹入的空气量和喷煤量，可以有效控制窑内的反应。煤量，可以有效控制窑内的反应。 直接还原法煤基回转窑中应用最广泛，而且最具有代表性的一种方法就是直接还原法煤基回转窑中应用最广泛，而且最具有代表性的一种方法就是SL/RN法。法。SL/RN是由美国、德国、加拿大的是由美国、德国、加拿大的4家创立此法的各公司名字的字家创立此法的各公司名字的字首缩与而成的。首缩与而成的。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 原料（铁矿石

47、、煤粒、熔剂）从窑尾加入圆形回转窑中。窑缓慢旋转使矿和煤原料（铁矿石、煤粒、熔剂）从窑尾加入圆形回转窑中。窑缓慢旋转使矿和煤在被加热和还原的同时向出料端移动。窑头外设有烧嘴燃烧燃料。形成的废气在被加热和还原的同时向出料端移动。窑头外设有烧嘴燃烧燃料。形成的废气则由窑尾排出。则由窑尾排出。 炉料与炉气呈逆向运动，在运动过程中，炉料在预热段被加热，使水分蒸发和炉料与炉气呈逆向运动，在运动过程中，炉料在预热段被加热，使水分蒸发和石灰石分解，达到石灰石分解，达到800后，煤中的固体碳开始还原铁矿石中的氧化铁，直到获后，煤中的固体碳开始还原铁矿石中的氧化铁，直到获得海绵铁或铁料，而碳则转变成得海绵铁或铁

48、料，而碳则转变成CO气体，气体，CO在氧化区被燃烧成在氧化区被燃烧成CO2，放出热，放出热量以满足还原反应的要求，产品排出窑后进入回转冷却筒冷却得到海绵铁或粒量以满足还原反应的要求，产品排出窑后进入回转冷却筒冷却得到海绵铁或粒铁，也可热送电炉直接炼钢。回转内反应温度应控制在铁，也可热送电炉直接炼钢。回转内反应温度应控制在1100以下，经以下，经8-10h完完成还原反应后出窑。回转窑所产生的废气从进料端吸走，高温废气可余热利用。成还原反应后出窑。回转窑所产生的废气从进料端吸走，高温废气可余热利用。 若炉料在回转窑中经过预热和还原后，再进一步提高温度（若炉料在回转窑中经过预热和还原后，再进一步提高

49、温度（1250）进入粒铁）进入粒铁带，金属铁与炉渣开始软化，在半熔化状态下金属铁由小颗粒堆集成卵状粒铁，带，金属铁与炉渣开始软化，在半熔化状态下金属铁由小颗粒堆集成卵状粒铁，炉料出炉后经水淬冷却后很容易用磁选或重选把粒铁与脉石分开，这就是炉料出炉后经水淬冷却后很容易用磁选或重选把粒铁与脉石分开，这就是回转回转窑粒铁法窑粒铁法。此法由于作业率低、产量小、耐火材料消耗高等重在缺点，近年来。此法由于作业率低、产量小、耐火材料消耗高等重在缺点，近年来逐渐被淘汰。逐渐被淘汰。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 熔融还原

50、法是指不以焦炭为燃料，以煤炭为主要能源，使用天然富矿、人造熔融还原法是指不以焦炭为燃料，以煤炭为主要能源，使用天然富矿、人造富矿（烧结矿或球团矿）取代高炉生产液态生铁的方法。富矿（烧结矿或球团矿）取代高炉生产液态生铁的方法。 熔融还原炼铁法与直接还原炼铁法不同，熔融还原的发展目标是熔融还原炼铁法与直接还原炼铁法不同，熔融还原的发展目标是代替高炉炼代替高炉炼铁法铁法，产品是与高炉铁水性质相近的液态生质，仍是转炉炼钢的原料；而直，产品是与高炉铁水性质相近的液态生质，仍是转炉炼钢的原料；而直接还原炼铁法产品是接还原炼铁法产品是海绵铁海绵铁，代替废钢供电炉炼钢使用。，代替废钢供电炉炼钢使用。 熔融还原

51、的特点是在炼铁过程中，使炉渣和生铁熔化而分离，从而可以脱除熔融还原的特点是在炼铁过程中，使炉渣和生铁熔化而分离，从而可以脱除煤灰分和矿石的脉石。这样它对原料、燃料的要求不像直接还原炼铁法那样煤灰分和矿石的脉石。这样它对原料、燃料的要求不像直接还原炼铁法那样严格。因此，熔融还原炼铁法是具有相当的竟争能力和广阔的前景的炼铁方严格。因此，熔融还原炼铁法是具有相当的竟争能力和广阔的前景的炼铁方法。法。2.熔融还原炼铁法熔融还原炼铁法二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金工艺流程工艺流程 熔融还原发展过程中出现过两种方法：

52、一步法和二步法。一步法熔融还原是在一熔融还原发展过程中出现过两种方法：一步法和二步法。一步法熔融还原是在一个反应器内完成铁矿石还原和渣铁分离全部过程的方法。二步法熔融还原在预还个反应器内完成铁矿石还原和渣铁分离全部过程的方法。二步法熔融还原在预还原炉内进行铁矿石预还原，然后进入终还原器内进一步还原和使渣铁熔化分离，原炉内进行铁矿石预还原，然后进入终还原器内进一步还原和使渣铁熔化分离，并产生还原性气体供预还原使用。在众多的试验中，一步法都没有获得成功，从并产生还原性气体供预还原使用。在众多的试验中，一步法都没有获得成功，从20世纪世纪70年代始，国内外研究开发的大多数是二步法。年代始，国内外研究

53、开发的大多数是二步法。 Corex 法是奥地利和德国于法是奥地利和德国于20世纪世纪70年代末联合开发的，是目前惟一已形成生产年代末联合开发的，是目前惟一已形成生产能力的熔融还原炼铁法，而且其投资、生产成本、铁水质量等几个方面已经基本能力的熔融还原炼铁法，而且其投资、生产成本、铁水质量等几个方面已经基本上可以与传统的焦炭高炉炼铁法相竟争。上可以与传统的焦炭高炉炼铁法相竟争。 Corex 法由预还原竖炉子和熔融制气炉（也称为终还原炉或熔融气化炉）串联，法由预还原竖炉子和熔融制气炉（也称为终还原炉或熔融气化炉）串联，再加上煤气除尘和调温系统组成。再加上煤气除尘和调温系统组成。二、钢铁冶炼二、钢铁冶

54、炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金1-熔融气化炉；熔融气化炉；2-预还原竖炉；预还原竖炉；3-煤仓；煤仓；4-热旋风除尘器；热旋风除尘器；5-煤气冷却器；煤气冷却器；6-炉顶煤气冷却器；炉顶煤气冷却器；7-铁矿石；铁矿石；8-煤及石灰；煤及石灰；9-外供煤气；外供煤气；10-氧；氧；11-铁水及炉渣；铁水及炉渣；12-原料气；原料气；13-冷却气；冷却气；14-还原气；还原气；15-炉顶煤气。炉顶煤气。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 Core

55、x法的预还原竖炉类似于法的预还原竖炉类似于Midrex直接还原炼铁法的竖炉，采用天然富块直接还原炼铁法的竖炉，采用天然富块矿或球团矿作为含铁料，从熔融制气炉来的还原煤气（矿或球团矿作为含铁料，从熔融制气炉来的还原煤气（CO+H2之和大于之和大于95%，以以CO为主）将铁矿石预还原，由于竖炉是高效率的还原反应器，在短时间内为主）将铁矿石预还原，由于竖炉是高效率的还原反应器，在短时间内金属化率就可达到金属化率就可达到90%以上。然后由下部的的螺旋给料器将金属化的炉料连以上。然后由下部的的螺旋给料器将金属化的炉料连续均匀地输入熔融制气炉。续均匀地输入熔融制气炉。 熔融制气炉类似于高炉的炉腹和炉缸部位

56、，在上部连续均匀地输入金属氧化熔融制气炉类似于高炉的炉腹和炉缸部位，在上部连续均匀地输入金属氧化物的同时，煤块亦从上部加入，而从其下部炉缸风口鼓入氧气。氧气将其燃物的同时，煤块亦从上部加入，而从其下部炉缸风口鼓入氧气。氧气将其燃烧成烧成CO并放出热量。落下的炉料中残余的氧化铁在这里得到最终还原。还原并放出热量。落下的炉料中残余的氧化铁在这里得到最终还原。还原的金属铁渗碳，炉料熔化而使渣铁分离。形成的煤气上升，从熔融制气炉上的金属铁渗碳，炉料熔化而使渣铁分离。形成的煤气上升，从熔融制气炉上部逸出。逸出煤气经除尘后，部分煤气调温到部逸出。逸出煤气经除尘后，部分煤气调温到800-850，再输入上部的

57、预还，再输入上部的预还原竖炉供矿石预还原使用，多余的部分煤气则外供给其它用户。原竖炉供矿石预还原使用，多余的部分煤气则外供给其它用户。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金1.3 平炉炼钢过程平炉炼钢过程 炼钢的方法有很多种，其基本原理是相同的，所不炼钢的方法有很多种，其基本原理是相同的，所不同的是在冶炼过程中需要的氧和热能来源不同，所同的是在冶炼过程中需要的氧和热能来源不同，所用的设备和操作方法不同。用的设备和操作方法不同。 目前各国采用的炼钢方法有转炉炼钢、电炉炼钢和目前各国采用的炼钢方法有转炉炼钢、电炉炼钢

58、和平炉炼钢等，而主要发展趋势为纯氧顶吹转炉炼钢。平炉炼钢等，而主要发展趋势为纯氧顶吹转炉炼钢。至至1976年，转炉钢已占世界钢总产量的年，转炉钢已占世界钢总产量的70。二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金炼钢的基本过程：炼钢的基本过程：铁元素的氧化：铁元素的氧化： 2FeO22（FeO） SiMnPC(FeO）（SiO2）（MnO）（P2O5）（CO）Fe铁元素的再还原：铁元素的再还原： 二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金 2

59、P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + 4CaOP2O5 FeS + CaO = FeO + CaS 由于由于P、S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。造渣除造渣除P、S： 脱氧：脱氧：消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。消除钢中的氧化杂质，提高钢的质量。 合金化：合金化：按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金化处理。按照不同钢种对合金元素成分的要求，进行合金化处理。 二、钢铁冶炼二、钢铁冶炼Northeastern University第一节第一节 金属材料的制备金属材料的制备冶金冶金炼钢技术的发展，已有炼钢技术的发展，已有200多年

60、的历史。基本原理就是在冶炼过多年的历史。基本原理就是在冶炼过程中，对生铁进行脱碳。同时除去其中的其他有害杂质。程中，对生铁进行脱碳。同时除去其中的其他有害杂质。现代炼钢方法中最先诞生的是空气转炉炼钢法或称贝斯曼炼钢法现代炼钢方法中最先诞生的是空气转炉炼钢法或称贝斯曼炼钢法（1856年）。年）。随后，又出现了蓄热式炉，由于这种炼钢炉形状低平又有一个平随后，又出现了蓄热式炉，由于这种炼钢炉形状低平又有一个平展的熔池，所以被称为展的熔池，所以被称为 “平炉平炉”。这种炼钢法也称为。这种炼钢法也称为 “平炉炼钢平炉炼钢法法”。也就是今天的平炉，并用于炼钢生产，平炉炼钢法，扩大了。也就是今天的平炉，并用