铁冶金概论培训课程

1、铁冶金概论培训课程课程的主要目的 介绍钢铁冶炼及加工过程的基本原理、工艺特点及基本工艺流程，使非冶金专业学生对钢铁联合企业的生产过程有一个全面而概括的了解，并初步掌握冶金的基本知识。2课程的主要内容 第一部分:绪论 第二部分:铁冶金 第三部分:铁合金冶炼 第四部分:钢冶金 第五部分:炉外精炼与连铸 第六部分:钢铁材料压力加工3第一部分:绪论 1.1 冶金的基本概念 1.2 冶金的相关学科 1.3 冶金工业发展史 1.4 现代冶金过程 1.5 钢铁产品及副产品 1.6 钢铁资源与能耗 1.7 冶金中的耐火材料 1.8 钢铁工业发展现状 1.9 环保、循环经济与钢铁可持续发展41.1 冶金的基本概

2、念1) 冶金的概念： 冶金是研究如何经济地从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物，并采用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。5 2）冶金分类 提取冶金提取冶金： 物理冶金物理冶金：研究提取金属，存在化学反应研究金属材料成型过程61.2 冶金学的支撑学科冶金学(理 论 基 础)物理学流体力学化学物理化学(提供技术材料及研究课题)电子技术计算机技术71.3 冶金工业发展历史人类社会发展史：原始社会奴隶社会封建社会资本主义社会 人类使用材料的历史：石器青铜器铁器工业化(钢铁) 信息社会(多种新材料)8中国冶金的辉煌历史91.4 现代冶金过程冶炼过程10现代冶金过程轧钢过程111.5 钢铁产

3、品及副产品1)钢铁冶炼产品（1）生铁：铁与C、Si、Mn、P、S组成的合金，主要由高炉生产炼钢生铁Si1.25%铸造生铁1.25%Si4.25%12（2）钢：含C2%，并含有其它元素的Fe-C合金按冶炼方法分：脱氧程度：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢按化学成分分：碳素钢：低、中、高碳合金钢：低、中、高合金按质量分：按用途分：普通碳素钢优质碳素钢高级优质钢结构钢工具钢特殊性能钢冶炼设备：转炉钢、电炉钢13（3）铁合金：铁与一种或几种元素组成的中间合金，用于炼钢脱氧及合金化14(1)炉渣 炉料冶炼过程中不能进到金属中的S-化物,O-化物等形成的熔融体,主要成分: CaO,MgO,SiO2, Al2O3,

4、MnO,FeO, P2O5, CaS 等。炉渣分类：由冶炼方法不同分为：高炉渣和炼钢渣按化学成分不同分为：碱性渣和酸性渣2)钢铁副产品炉渣的用途： （高炉渣）水泥、隔热材料、填料；水泥、隔热材料、填料；（转炉渣）烧结、炼铁、水泥、筑路、富集提取稀有金属烧结、炼铁、水泥、筑路、富集提取稀有金属15 (2)煤气：焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气CO(57%)+H2(5060%)+CO2(25%)+N2(510%)+CH4(2030%)发热量1500019000kJ/Nm3CO(2630%)+H2(13%)+CO2(1014%)+N2(5658%)+CH4(0.20.60%)发热量33004200kJ/

5、Nm3CO(5070%)+H2(0.52.0%)+CO2(1415%)+N2(1020%)发热量750011000kJ/Nm3161.6 钢铁资源与能耗 我国的四类基本资源中，耕地、淡水人均占有我国的四类基本资源中，耕地、淡水人均占有量只分别相当于世界平均水平的量只分别相当于世界平均水平的1/3和和1/4，森，森林和草地只分别相当于世界平均水平的林和草地只分别相当于世界平均水平的1/7和1/3； 能源资源中，煤炭、石油和天然气的人均探能源资源中，煤炭、石油和天然气的人均探明储量分别只有世界平均水平的明储量分别只有世界平均水平的1/2、1/10和和1/20。 矿产资源人均占有量只有世界平均水平的

6、矿产资源人均占有量只有世界平均水平的 58%，排世界第，排世界第53位位;17 18 我国是资源和能源利用率较低的国家之一。我国最终产品量仅占原料投入量的20%30%，60%以上的原料变成了废弃物，资源回收率比世界平均水平低20%。19 据资料统计据资料统计, ,我国的能源开采回收率只我国的能源开采回收率只有有32%, 32%, 能源加工、转换和储存的效率为能源加工、转换和储存的效率为70.3%, 70.3%, 终端能源利用率平均为终端能源利用率平均为42%, 42%, 这表这表示所生产能源中得到利用的只占示所生产能源中得到利用的只占29%29%。20 据资料统计，我国每百万美元的单位产值能耗

7、为1172吨油当量，远高于日本（162）、德国（229）、英国（292）和美国（384）等发达国家的数值，也远高于世界平均水平（397）。21 每万元GDP的能耗从1980年的7.98吨标煤降低到2002年的2.63吨标煤,减少了近2/3;每吨标煤所创造的GDP从1980年的2335元提高到2000年的6880元。 吨标煤创造产值（元）每万元GDP能耗（吨标煤）22 近三十年，我国近三十年，我国GDPGDP年平均增年平均增长率为长率为9.5%9.5%，而相应的能源消耗增，而相应的能源消耗增长率仅为长率仅为4.2%,4.2%,不到不到GDPGDP年平均增长年平均增长率的一半（率的一半（44%44

8、%）。）。 23 钢铁工业是能源和资源密集型钢铁工业是能源和资源密集型产业产业, , 例如能源消耗约占世界总能例如能源消耗约占世界总能耗的耗的10%10%。我国钢铁工业在上世纪。我国钢铁工业在上世纪七十年代时占全国总能耗的七十年代时占全国总能耗的13%13%14%14%，从八十年代起有所降低，但，从八十年代起有所降低，但也在也在10%10%以上。以上。24 近近2020年来钢铁工业在降低资源消耗和年来钢铁工业在降低资源消耗和环境负荷方面已作出很大努力并取得显著环境负荷方面已作出很大努力并取得显著的成绩，大幅降低了吨钢综合能耗和大中的成绩，大幅降低了吨钢综合能耗和大中型企业吨钢可比能耗。型企业吨

9、钢可比能耗。25 例如吨钢综合能耗从1980年的2040公斤标煤降低到1999年的1083公斤标煤，大中型企业吨钢可比能耗从1980年的1285公斤标煤降低到1999年的833.0公斤标煤。 吨钢可比能耗（公斤标煤）吨钢综合能耗（公斤标煤）261.7 耐火材料1）什么是耐火材料2）钢铁冶金过程为什么要使用耐火材料耐火材料是耐火度耐火度不低于1580的材料，一般是指主要由无机非金属无机非金属材料材料构成的材料和制品。耐火度耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化程特定软化程度的温度度的温度，它标志材料抵抗高温作用的性能。钢铁冶金过程大多是高温反应，冶炼新技术的发展依赖优质高效耐火材料的开发；此外，

10、耐火材料在节能方面起到重要作用。（电极的喷涂料）273）耐火材料的种类化学特性耐火度制造工艺及形态酸性（如：SiO2质）中性（如：C质、Al2O3、Cr2O3质）碱性（以CaO、MgO为主）普通 15801770 高级 17702000特殊 2000定型（烧成、不烧成等）不定型（耐火泥浆、涂层材料等）分类：28 抵抗高温热负荷作用，不软化，不熔融；（高耐火度高耐火度） 体积不收缩、仅有均匀膨胀（体积稳定性体积稳定性）； 抵抗高温热负荷和重负荷共同作用，不丧失强度，不发生蠕变和坍塌（抗蠕变性抗蠕变性）； 抵抗温度急剧变化或受热不均影响，不开裂，不剥落（耐耐热震性热震性）； 抵抗化学侵蚀，不变质，

11、不蚀损（抗渣性抗渣性）； 抵抗火焰和炉料、炉尘的冲刷、撞击和磨损（常温、常温、高温的耐磨性高温的耐磨性） 抵抗高温真空作业和气氛变动的影响，不挥发，不损坏（化学稳定性化学稳定性）4）耐火材料的基本要求295）耐火材料的生产工艺过程结合剂添加剂原料包装不定型耐材焦油结合热处理成型干燥烧成烧成砖混合粉碎配料混练添加剂不烧成砖配料混料电熔铸造冷却加工熔铸砖301.8 钢铁工业发展现状1）目前钢铁材料的无法替代性；2）世界主要产钢国家过去百年(1901-2000)的发展情况；3）中国目前是世界第一产钢大国；4）中国钢铁工业技术装备已跻身世界先进水平311）钢铁仍然是不可替代的功能性、结构性基础性材料）

12、钢铁仍然是不可替代的功能性、结构性基础性材料生产能力、效率、资源的优势生产能力、效率、资源的优势 性能价格比优势性能价格比优势 不可完全替代不可完全替代 32世界主要产钢国家过去世界主要产钢国家过去100年年(19012000)的发展情况的发展情况 国家项目世界美国苏联（独联体）日本德国中国1100年钢产量（亿吨）335.3570.955.938.3423.7619.482钢产量达到1亿吨（年数）554128(1.3 1.6亿吨18年)260.4亿吨31年533中国目前是世界第一产钢大国中国目前是世界第一产钢大国20002001200220032004200520060100002000030

13、000400004.1878亿吨1.2579亿吨2.201亿吨34 高炉：大型化、长寿化、大喷煤、利用系数高炉：大型化、长寿化、大喷煤、利用系数 转炉：生产效率、炉龄、负能炼钢转炉：生产效率、炉龄、负能炼钢 连铸：高效化、紧凑化连铸：高效化、紧凑化 轧钢：全自动连轧轧钢：全自动连轧 自控：检测、智能化自控：检测、智能化 中国钢铁工业技术装备已跻身中国钢铁工业技术装备已跻身世界先进水平世界先进水平351.9 环保、环保、 进入新世纪后人类社会发展发展呈现知进入新世纪后人类社会发展发展呈现知识型经济和循环型经济两大趋势。知识型经识型经济和循环型经济两大趋势。知识型经济要求加强经济过程中智力资源对物

14、质资源济要求加强经济过程中智力资源对物质资源的替代，实现经济活动的知识化转向；循环的替代，实现经济活动的知识化转向；循环型经济要求以环境友好的方式利用自然资源型经济要求以环境友好的方式利用自然资源和环境容量，实现经济活动的生态化转向。和环境容量，实现经济活动的生态化转向。3637 在过去的一个世纪，全球众多国家因经济在过去的一个世纪，全球众多国家因经济高速增长带来的严重污染和生态破坏，导致高速增长带来的严重污染和生态破坏，导致了一系列震惊世界的环境公害事件。这在很了一系列震惊世界的环境公害事件。这在很大程度上是由于当今世界上的能源体系所造大程度上是由于当今世界上的能源体系所造成的。当前大量消耗

15、的化石类能源均为碳氢成的。当前大量消耗的化石类能源均为碳氢化合物，使用后释放出大量的温室气体化合物，使用后释放出大量的温室气体COCO2 2以及以及SOSO2 2、NONOX X等有害气体，还有粉尘等影等有害气体，还有粉尘等影响环境质量的物质。世界人口的急剧增长、响环境质量的物质。世界人口的急剧增长、工业膨胀发展、森林过度砍伐、常规能源无工业膨胀发展、森林过度砍伐、常规能源无节制使用等因素都对环境生态系统构成严重节制使用等因素都对环境生态系统构成严重威胁。威胁。 38 每天向空气排放的每天向空气排放的COCO2 2有有17501750万吨；万吨； 每天的地球表土损失为每天的地球表土损失为648

16、06480万吨；万吨； 每天沙漠化的土地有每天沙漠化的土地有100100多平方公里；多平方公里； 仅占地球水源仅占地球水源6%6%的淡水每天都在遭受污染；的淡水每天都在遭受污染； 每天有每天有140140个物种遭灭绝；个物种遭灭绝； 39 长期以来，钢铁工业一直作为能耗和污长期以来，钢铁工业一直作为能耗和污染大户受到批评，据报道，钢铁工业的固体染大户受到批评，据报道，钢铁工业的固体粉尘、二氧化硫和烟尘排放分别列行业第二、粉尘、二氧化硫和烟尘排放分别列行业第二、第三和第四位，其中粉尘排放约占工业总排第三和第四位，其中粉尘排放约占工业总排放量的五分之一。放量的五分之一。 40 七五七五十五计划期间

17、我国环保费用占十五计划期间我国环保费用占GDPGDP的的0.69%1.3%,0.69%1.3%,环保产业环保产业“十五十五”投资投资达到达到70007000亿元人民币，虽然与发达国家相比在亿元人民币，虽然与发达国家相比在总量和比例上都是较低的总量和比例上都是较低的 ( (例如美国例如美国19901990年环年环保费用为保费用为12001200亿美元，占亿美元，占GDP 2.8%), GDP 2.8%), 但已成但已成为政府和企业的承重负担，而且治理效果也不为政府和企业的承重负担，而且治理效果也不尽人意，说明走尽人意，说明走“末端治理末端治理”的道路的道路, , 虽然化虽然化费了很大的代价，却未

18、能收到理想的效果。费了很大的代价，却未能收到理想的效果。 41 金属材料的发现开创了人类物质文明的金属材料的发现开创了人类物质文明的新纪元，几千年来大规模的应用又加速了人新纪元，几千年来大规模的应用又加速了人类社会发展的历史进程，金属材料和其它材类社会发展的历史进程，金属材料和其它材料一起构成了人类社会的四大支柱之一。但料一起构成了人类社会的四大支柱之一。但是随着地球表壳资源的日益贫化，金属矿产是随着地球表壳资源的日益贫化，金属矿产资源已迅速枯竭。据专家估计，地球上金属资源已迅速枯竭。据专家估计，地球上金属矿产的开采只能维持矿产的开采只能维持100100至至300300年，其中，铁年，其中，铁

19、只能开采只能开采100160100160年，而钛、铜、银的开年，而钛、铜、银的开采将不足采将不足5050年。年。 42 我国的矿产资源相对不足，已探明铁我国的矿产资源相对不足，已探明铁矿总储量仅矿总储量仅530530亿吨左右，按目前的生产规亿吨左右，按目前的生产规模只可稳定供应约模只可稳定供应约2020年。除了资源问题以年。除了资源问题以外，环境生态保护也日益向钢铁材料的生外，环境生态保护也日益向钢铁材料的生产提出更高要求。产提出更高要求。43 尽管蓬勃发展的各种新型材料将会在尽管蓬勃发展的各种新型材料将会在很多领域逐渐取代传统材料，但由于其高性很多领域逐渐取代传统材料，但由于其高性价比和高循

20、环使用率，钢铁材料不仅是迄今价比和高循环使用率，钢铁材料不仅是迄今人类文明发展的人类文明发展的“钢筋铁骨钢筋铁骨”，在未来人类，在未来人类社会的材料使用中还必将长期占据重要的地社会的材料使用中还必将长期占据重要的地位。当然，其原料和能源结构以及生产形式位。当然，其原料和能源结构以及生产形式也必然会发生根本的变化。也必然会发生根本的变化。 44 大量消耗天然资源，大量排放炉渣、废热和废气大量消耗天然资源，大量排放炉渣、废热和废气的传统的钢铁材料生产方式必将逐步被取代。原材料的传统的钢铁材料生产方式必将逐步被取代。原材料和能源充分循环利用、高效率、低排放甚至零排放的和能源充分循环利用、高效率、低排

21、放甚至零排放的新型生产方式应得到发展和推广。这种生产方式的细新型生产方式应得到发展和推广。这种生产方式的细节尚不十分清晰，但从循环经济的要求和技术积累的节尚不十分清晰，但从循环经济的要求和技术积累的层面分析，应该包含以废钢循环为主的原料结构和以层面分析，应该包含以废钢循环为主的原料结构和以氢能源为主体的能源结构，包含对排气、废水和废渣氢能源为主体的能源结构，包含对排气、废水和废渣的回收和综合利用的回收和综合利用, , 以此从根本上保证可持续发展的以此从根本上保证可持续发展的需要。需要。 4546 目前世界上年产目前世界上年产8 8亿吨亿吨左右的粗钢中，左右的粗钢中，有近有近40%40%来自来自

22、废钢废钢的回炉熔炼。废钢的循的回炉熔炼。废钢的循环，有利于人类社会的可持续发展，而且环，有利于人类社会的可持续发展，而且最终将成为地球上钢铁材料最终将成为地球上钢铁材料唯一的原料来唯一的原料来源源。47 与其它人工材料如玻璃、纸张、塑料等相与其它人工材料如玻璃、纸张、塑料等相比，钢铁材料具有最高的循环使用率。比，钢铁材料具有最高的循环使用率。 48循环存在的两大难题循环存在的两大难题49 有害杂质在循环中的富集是废钢完全循有害杂质在循环中的富集是废钢完全循环利用的一大障碍。估计目前每年无法再利环利用的一大障碍。估计目前每年无法再利用的废钢约占废钢总量的用的废钢约占废钢总量的7%7%，到，到20

23、152015年，其年，其累计量将达到累计量将达到2 2亿吨。将来随着废钢循环次数亿吨。将来随着废钢循环次数的累加和社会需求对钢铁产品的质量要求的的累加和社会需求对钢铁产品的质量要求的进一步提高，对钢铁产品中残存元素含量的进一步提高，对钢铁产品中残存元素含量的限制也将会越来越严格，而在现代技术条件限制也将会越来越严格，而在现代技术条件下无法回收利用的废钢数量还会急剧增长。下无法回收利用的废钢数量还会急剧增长。因此，以普通废钢为原料生产高纯净钢将是因此，以普通废钢为原料生产高纯净钢将是未来必须解决的难题。未来必须解决的难题。 50 为了解决以普通废钢为原料生产高纯为了解决以普通废钢为原料生产高纯净

24、钢的难题。近年来已有不少针对钢液中净钢的难题。近年来已有不少针对钢液中脱除铜、锡、砷、锑、铋等残存元素的技脱除铜、锡、砷、锑、铋等残存元素的技术研究。几年前上海大学提出渣化还原、术研究。几年前上海大学提出渣化还原、逆向提取的技术思路并正在对这一问题作逆向提取的技术思路并正在对这一问题作了初步的研究和探讨。了初步的研究和探讨。 51 52 在某些钢铁产量已达平衡、废钢资源充在某些钢铁产量已达平衡、废钢资源充裕的发达国家，以普通废钢为原料生产高裕的发达国家，以普通废钢为原料生产高纯净钢的需求已初见端倪。在中国，由于纯净钢的需求已初见端倪。在中国，由于历来的高铁钢比和废钢资源不足，目前似历来的高铁钢

25、比和废钢资源不足，目前似乎还未感觉到这种迫切性。但是，近年来乎还未感觉到这种迫切性。但是，近年来钢铁产量异乎寻常的快速扩张和进口废钢钢铁产量异乎寻常的快速扩张和进口废钢量的增长，再考虑到我国钢材消费强度必量的增长，再考虑到我国钢材消费强度必然要降低的趋势，钢铁生产和消费平衡的然要降低的趋势，钢铁生产和消费平衡的到来很可能会比预期的要早。到来很可能会比预期的要早。 53 在传统的以矿石为原料的炼钢流程中，在传统的以矿石为原料的炼钢流程中，碳是主要的还原剂，同时，煤炭在不少国碳是主要的还原剂，同时，煤炭在不少国家和地区也超过石油、天然气和电力成为家和地区也超过石油、天然气和电力成为钢铁生产过程中主

26、要的能源。本世纪后期钢铁生产过程中主要的能源。本世纪后期世界各国将面临石油资源枯竭的问题，煤世界各国将面临石油资源枯竭的问题，煤炭资源虽然能维持更长的时间，但是由于炭资源虽然能维持更长的时间，但是由于温室气体排放问题已经受到全球的关注，温室气体排放问题已经受到全球的关注，因此限制化石燃料在一次能源中的使用比因此限制化石燃料在一次能源中的使用比例是势在必行的。例是势在必行的。 54 氢氢作为理想的未来能源日益引起重视，作为理想的未来能源日益引起重视，与天然气、煤和石油不同与天然气、煤和石油不同, ,氢燃烧时高效、氢燃烧时高效、清洁，仅产生水蒸气而不会产生污染物或清洁，仅产生水蒸气而不会产生污染物

27、或温室气体。可以展望以氢取代碳作为还原温室气体。可以展望以氢取代碳作为还原剂的绿色冶金方向。剂的绿色冶金方向。55 为使人类能应用氢这一高效、清洁为使人类能应用氢这一高效、清洁的能源，科学家们正在做不懈的努力，的能源，科学家们正在做不懈的努力，以便利用太阳能、水能、风能、核能等以便利用太阳能、水能、风能、核能等能源制氢，氢的经济、安全和有效利用能源制氢，氢的经济、安全和有效利用问题也引起强烈的关注，问题也引起强烈的关注，“氢经济氢经济”的的概念呼之欲出。在未来，当解决了利用概念呼之欲出。在未来，当解决了利用再生能源大量生产和储存廉价氢源的问再生能源大量生产和储存廉价氢源的问题时，则其广泛应用将

28、成为可能。题时，则其广泛应用将成为可能。 56 按照循环经济中企业内部循环、生产之按照循环经济中企业内部循环、生产之间循环、社会整体循环、物质能量循环四间循环、社会整体循环、物质能量循环四大循环和资源的节约（大循环和资源的节约（ReduceReduce）、回收）、回收 (Recycle) (Recycle) 和再利用和再利用(Reuse)(Reuse)的的三大原则三大原则，在，在未来钢铁生产流程中各种能量和物质的循未来钢铁生产流程中各种能量和物质的循环利用和回收以及与上下游产业的交融是环利用和回收以及与上下游产业的交融是钢铁工业实施循环经济战略的重要课题题。钢铁工业实施循环经济战略的重要课题题。 57 由于经济性原因，传统的钢铁生产由于经济性原因，传统的钢铁生产流程适合于使用富矿作为原料。作为未流程适合于使用富矿作为原料。作为未来以废钢为主的原料结构的补充，还需来以废钢为主的原料结构的补充，还需要采用全新的工艺利用地球上的贫矿资要采用全新的工艺利用地球上的贫矿资源来补偿金属循环中的损耗。源来补偿金属循环中的损耗。 58 地球上的贫矿资源占有不小的比例，地球上的贫矿资源占有不小的比例，例如我国的铁矿资源中贫矿占例如我国的铁矿资源中贫矿占97.8%97.8%，此外还存在着多组元共生和嵌布