无机材料概论第4课——炼铁、炼钢

1、 DJTU Materials Science & Engineering 金属之最地壳中含量最高的金属元素人体中含量最高的金属元素目前世界年产量最高的金属导电、导热性最好的金属铝钙铁银DJTU Materials Science & Engineering 金属之最硬度最高的金属熔点最高的金属熔点最低的金属密度最大的金属密度最小的金属铬钨汞锇锂DJTU Materials Science & Engineering金属材料 有色金属有色金属 Al, Cu, Ti, Mg合金合金 DJTU Materials Science & Engineering金属材料金

2、属材料黑色金属黑色金属铁铁钢钢4.1 黑色金属 黑色金属包括铁、铬、锰三种。但后两种在实际生产中很少单独黑色金属包括铁、铬、锰三种。但后两种在实际生产中很少单独使用，故黑色金属就泛指钢、铁。使用，故黑色金属就泛指钢、铁。 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，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，似乎发展信息产业必须压缩钢铁工业，钢铁生产技术没有必要，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。也不可能继续发展。 而二十多年来的事

3、实表明：钢铁生产需求接近饱和，世界产钢量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；钢铁生产技术和冶金工程科学没有显著增长，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；钢铁材料品种继续增多，钢的仍在不断更新，新技术层出不穷；钢铁材料品种继续增多，钢的性能和品质有大幅度提高。性能和品质有大幅度提高。DJTU Materials Science & Engineering 铁是元素周期表上第铁是元素周期表上第26位元素，原子量为位元素，原子量为55.85，在，在大气压下于大气压下于1534熔化，熔化，2740气化。固态铁

4、的密度气化。固态铁的密度是是7,870Kg/m3。 高纯度的铁是很柔软的，没有多少使用价值。但当纯高纯度的铁是很柔软的，没有多少使用价值。但当纯铁中含有一定量的铁中含有一定量的C后，就变成我们在各方面使用的后，就变成我们在各方面使用的钢铁了。钢铁了。 钢与生铁都是以铁为主，并含有少量钢与生铁都是以铁为主，并含有少量C，Si，Mn，S等元素的铁碳合金，根据碳和其它元素含量的不同而等元素的铁碳合金，根据碳和其它元素含量的不同而区分为钢和生铁，特别是碳含量的差别，引起铁碳合区分为钢和生铁，特别是碳含量的差别，引起铁碳合金在不同温度下所处的状态和结构的变化，因而使钢金在不同温度下所处的状态和结构的变化

5、，因而使钢和生铁具有不同的性能和用途。和生铁具有不同的性能和用途。DJTU Materials Science & Engineering钢和生铁中主要元素的含量（%）元素元素碳（碳（C)硅硅(Si)锰锰(Mn) 磷（磷（P） 硫（硫（S）生铁生铁20.2-2.00.2-2.50.50.7钢钢20.01-0.3 0.3-0.80.050.05DJTU Materials Science & Engineering结构钢结构钢钢钢碳素钢碳素钢合金钢合金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

6、铸铁灰口铸铁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铸铁合金铸铁铁合金铁合金DJTU Materials Science & Engineering4.2 4.2 铁的生产铁的生产DJTU Materials Science & Engineering 钢铁冶炼技术大致可分为三个发展阶段：钢铁冶炼技术大致可分为三个发展阶段：(1) 13(1) 13世纪末以前，古代人的冶炼方法十分简单，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，因不能获得熔化矿

7、石的炉的炉膛内，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，称为相当多的氧化铁渣，称为海绵铁海绵铁。其含碳量极低，。其含碳量极低，所以塑性较高，经锻打成型，制成器具，在此时所以塑性较高，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期，冶炼工场在出产铁矿石和木材丰富的山区非常发达。常发达。DJTU Materials Science & Engineering (2) 13 (2) 13世纪末至世纪末至1919世纪中叶，随着铁的需要以及世纪中叶，随着铁的需要以及鼓风技术的发展

8、，炉子越来越高，逐渐形成现代鼓风技术的发展，炉子越来越高，逐渐形成现代高炉的雏形高炉的雏形- -木炭炉。由于炉容增大，采用鼓风技木炭炉。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。后很脆，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）。冶炼，得到性能比生铁好的粗钢（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：从此钢

9、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，第二步把生铁精第一步，从矿石中冶炼出生铁，第二步把生铁精炼成钢。炼成钢。 (3) 19 (3) 19世纪中期至今，以生铁为原料在高温下精炼成世纪中期至今，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。钢，一直是钢铁生产的主要方法。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。热风炉，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。DJTU Materials Science &

10、amp; Engineering 铁的生产工艺 铁的化学性质较为活泼铁的化学性质较为活泼,自然界中铁都是以化合物形自然界中铁都是以化合物形式存在的。炼铁用的多数是铁的氧化物。含铁比较式存在的。炼铁用的多数是铁的氧化物。含铁比较多的、并且具有冶炼价值的矿物称为铁矿石。多的、并且具有冶炼价值的矿物称为铁矿石。 炼铁就是从铁矿石中提取铁及有用元素形成生铁的炼铁就是从铁矿石中提取铁及有用元素形成生铁的过程。过程。 炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质等，其原理是矿石在特定的气氛中（还原物质CO、H2、C；适宜温

11、度等）通过物理化学反应获取还原；适宜温度等）通过物理化学反应获取还原后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分后的生铁。生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分是作为炼钢原料。是作为炼钢原料。DJTU Materials Science & Engineering 高炉炼铁是一种古老的冶炼方法，高生产率、低高炉炼铁是一种古老的冶炼方法，高生产率、低消耗、低成本是它的最大优势消耗、低成本是它的最大优势,加上不断地吸收新技加上不断地吸收新技术，高炉炼铁法仍然不断地在发展。术，高炉炼铁法仍然不断地在发展。 经过了几个世纪的发展，现代高炉技术已经达到非经过了几个世纪的发展，现代高炉技术已经达到非常

12、高的水平。现代巨型高炉的炉容积已有常高的水平。现代巨型高炉的炉容积已有4000-5000 m3,年产生铁达年产生铁达250万万-300万吨。高炉的寿命很多都达万吨。高炉的寿命很多都达到了到了10-15年。年。高炉炼铁DJTU Materials Science & Engineering高炉炼铁 原料原料：铁矿石：铁矿石(氧化物氧化物)；熔剂；熔剂(CaCO3) 、燃料、燃料(焦炭焦炭) 铁矿石含铁量：铁矿石含铁量：3070， 其它是脉石（其它是脉石（SiO2；Al2O3；CaO，MgO） 杂质：有害杂质：有害S（FeS），），P(Ca3(PO4)2)，Zn, Pb 有利有利 Mn，N

13、i，Cr，V任务任务： 1）FeO的还原的还原 2）还原脉石或把脉石与铁水分离）还原脉石或把脉石与铁水分离熔剂熔剂 ： 分离脉石：与分离脉石：与SiO2、Al2O3形成低熔点的渣形成低熔点的渣燃料燃料： 焦碳和煤粉焦碳和煤粉可以把炼铁归结为：矿石的还原，除脉石，造渣可以把炼铁归结为：矿石的还原，除脉石，造渣 DJTU Materials Science & Engineering 高炉炼铁使用的原料是块状的铁矿石、燃料、熔高炉炼铁使用的原料是块状的铁矿石、燃料、熔剂和鼓风形态的空气。剂和鼓风形态的空气。 1 含铁原料含铁原料 铁矿石种类较多，在自然界中已发现的有铁矿石种类较多，在自然界

14、中已发现的有300多种多种含铁矿物。目前世界上常用的铁矿石，主要有磁含铁矿物。目前世界上常用的铁矿石，主要有磁铁矿石，赤铁矿石，褐铁矿石和菱铁矿石等。铁矿石，赤铁矿石，褐铁矿石和菱铁矿石等。DJTU Materials Science & Engineering常用铁矿石的分类、组成及性能 矿石矿石名称名称矿物及矿物及化学式化学式 密度密度(t/m3) 颜色颜色 含含Fe量量,%强度强度 还原性还原性 磁铁磁铁矿石矿石 Fe3O4 5.2 黑色或灰黑色或灰色色 40-70 坚硬致坚硬致密密 难还原难还原 赤铁赤铁矿石矿石 Fe2O3 4.9-5.3 红色至浅红色至浅灰色灰色 55-60

15、 软软,易易破碎破碎 易还原易还原 褐铁褐铁矿石矿石mFe2O3nH2O(m=1-3,n=1-4) 2.5-5.0黄褐暗褐黄褐暗褐或绒黑色或绒黑色 37-55 疏松疏松 易还原易还原 菱铁菱铁矿石矿石 FeCO3 3.8 灰色带黄灰色带黄褐色褐色 30-40 易破碎易破碎 焙烧后焙烧后易还原易还原DJTU Materials Science & Engineering磁铁矿磁铁矿MagnetiteFe3O4赤铁矿赤铁矿HematiteFe2O3DJTU Materials Science & Engineering褐铁矿褐铁矿LimoniteLimonite(mFe2O3nH2

16、O)菱铁矿菱铁矿SideriteSiderite(FeCO3) (1) 磁铁矿石磁铁矿石: 主要矿物是磁铁矿，呈黑色金属光泽，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，常含有纯磁铁矿矿石较少，常含有TiO2及及V2O3组成复合矿石，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晶形态，但无磁赤铁矿，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。性，被称为假象赤铁矿或半假象赤铁

17、矿。(2) 赤铁矿石赤铁矿石: 颜色呈红色或红褐色，故又称为红矿。颜色呈红色或红褐色，故又称为红矿。主要矿物为主要矿物为赤铁矿赤铁矿，无磁性，但组织疏松，易破碎，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界中，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，其储量最多常形成巨大的矿床，就世界范围而言，其储量最多（占铁矿石总储量的（占铁矿石总储量的48.3%），是炼铁的最主要铁矿），是炼铁的最主要铁矿石资源。石资源。DJTU Materials Science & Engineering (3) 褐铁矿石褐铁矿石: 常为含不同分子

18、结晶水的赤铁矿，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褐铁矿吸附着大量水分，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，由于水，使矿石气孔率增加，故还原性好，同时，由于去掉了水分，相应提高了矿石的品位。去掉了水分，相应提高了矿石的品位。 (4)菱铁矿石菱铁矿石: 它是含铁的碳酸盐。在自然界中，有它是含铁的碳酸盐。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，含铁工业开采价值的菱铁矿比其它三种矿石要少，含铁量不高，但受热分解放出量不高，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

19、也变得疏松多孔，易还原。DJTU Materials Science & Engineering 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粉，一般精，然后富选成含铁高的精矿粉，一般精矿粉的含铁量在矿粉的含铁量在63%-68%之间。由于高炉炼铁需之间。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过球团的办法焙烧成烧结的办法制成烧结矿或通过球团的办法焙烧成球团矿。烧结矿和球团矿统称人造富矿。球团矿。烧结矿和球团矿统称人造富矿。DJ

20、TU Materials Science & Engineering所谓烧结，就是将精矿粉、富矿粉（小于所谓烧结，就是将精矿粉、富矿粉（小于8mm）与配入的熔剂粉（小于）与配入的熔剂粉（小于3mm的石灰石粉和白云石粉）和燃料粉（焦粉或无烟煤粉）组成混合料，的石灰石粉和白云石粉）和燃料粉（焦粉或无烟煤粉）组成混合料，同时加入一定量的水，将混合料制成小球。然后将基本上都是小球的混同时加入一定量的水，将混合料制成小球。然后将基本上都是小球的混合料铺在有箅子的烧结台车上，厚度在合料铺在有箅子的烧结台车上，厚度在400-700mm。将混合料中的燃料颗粒点着燃烧，产生将混合料中的燃料颗粒点着燃烧，

21、产生1250-1500的高温，与此同时，的高温，与此同时，在箅子下面抽空气，使混合料的燃料从上往下燃烧，直到料层底部。在在箅子下面抽空气，使混合料的燃料从上往下燃烧，直到料层底部。在高温下，混合料中的一些熔化温度低的矿物转变成液体，这些液体将周高温下，混合料中的一些熔化温度低的矿物转变成液体，这些液体将周围的矿粉溶入围的矿粉溶入,形成新的矿物质，当温度降低时，液体冷凝析出晶体，并形成新的矿物质，当温度降低时，液体冷凝析出晶体，并将周围颗粒较大而没有溶入液体的矿粒粘结在一起，形成大块的多孔蜂将周围颗粒较大而没有溶入液体的矿粒粘结在一起，形成大块的多孔蜂窝状的烧结矿。窝状的烧结矿。所谓球团生产就是

22、将极细的精矿粉与添加剂混合后，在旋转着的造球机所谓球团生产就是将极细的精矿粉与添加剂混合后，在旋转着的造球机（圆盘式和圆筒式两种）上加水制成（圆盘式和圆筒式两种）上加水制成8-15mm的圆球。这种圆球经过干燥、的圆球。这种圆球经过干燥、焙烧成为强度很高的球团矿。焙烧成为强度很高的球团矿。DJTU Materials Science & Engineering 烧结生产流程烧结生产流程DJTU Materials Science & Engineeringl燃料是高炉冶炼不可缺少的基本原料之一，几乎燃料是高炉冶炼不可缺少的基本原料之一，几乎所有高炉都使用所有高炉都使用焦炭作燃料焦

23、炭作燃料。在高炉炼铁中，焦。在高炉炼铁中，焦炭起三种作用：炭起三种作用： (1) 提供冶炼所需的热量；提供冶炼所需的热量； (2) 还原矿石所需的还原剂；还原矿石所需的还原剂； (3) 在高温区，焦炭是惟一的固体物，是支撑料在高温区，焦炭是惟一的固体物，是支撑料柱的骨架和使气流畅通的透气通路。柱的骨架和使气流畅通的透气通路。DJTU Materials Science & Engineering 强度好的强度好的块状焦炭是高炉炼不可缺少的燃料块状焦炭是高炉炼不可缺少的燃料。但因。但因炼焦煤资源的匮乏，而且炼焦生产还给环境造成严炼焦煤资源的匮乏，而且炼焦生产还给环境造成严重的污染。因此，

24、向高炉喷吹补充燃料，特别是喷重的污染。因此，向高炉喷吹补充燃料，特别是喷吹煤粉来替代部分焦炭，就是吹煤粉来替代部分焦炭，就是20世纪高炉炼铁技术世纪高炉炼铁技术进步最成功的一项。进步最成功的一项。 所谓喷吹煤粉，就是将不能炼焦的煤磨成细粉，与所谓喷吹煤粉，就是将不能炼焦的煤磨成细粉，与鼓风一起通过风口喷入炉缸的燃烧带，如同焦炭一鼓风一起通过风口喷入炉缸的燃烧带，如同焦炭一样，煤粉在燃烧带内与鼓风中的氧反应形成煤气并样，煤粉在燃烧带内与鼓风中的氧反应形成煤气并放出热量，所以喷吹煤粉可以代替焦炭的还原剂和放出热量，所以喷吹煤粉可以代替焦炭的还原剂和热源两个作用，但是不能代替焦炭的料柱骨架作用。热源

25、两个作用，但是不能代替焦炭的料柱骨架作用。目前世界各国的喷煤数量占单位生铁总燃料消耗的目前世界各国的喷煤数量占单位生铁总燃料消耗的30-50%。 DJTU Materials Science & Engineering矿石中的脉石与焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧矿石中的脉石与焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它们的熔点均较高（化物，它们的熔点均较高（SiO2 1713, Al2O3 2050），在高炉冶炼条件下很难熔化，为使其形），在高炉冶炼条件下很难熔化，为使其形成低熔点物质，需加入一定数量助熔剂（简称熔成低熔点物质，需加入一定数量助熔剂（简称熔剂），以形成许多低熔点的化合物和

26、共熔体，即所剂），以形成许多低熔点的化合物和共熔体，即所谓的谓的炉渣炉渣，并能达到完全熔化，且具有良好的流动，并能达到完全熔化，且具有良好的流动性，使渣铁容易分离。性，使渣铁容易分离。熔剂按其性质可分为碱性和酸性两种。高炉最常用的熔剂按其性质可分为碱性和酸性两种。高炉最常用的是是碱性熔剂，即石灰石和白云石碱性熔剂，即石灰石和白云石等。当脉石中碱性等。当脉石中碱性氧化物含量较高时，则用氧化物含量较高时，则用酸性熔剂，常用的有硅石酸性熔剂，常用的有硅石等。为充分利用钢铁工业废弃物，有些高炉用高碱等。为充分利用钢铁工业废弃物，有些高炉用高碱度的转炉钢渣代替碱性熔剂。度的转炉钢渣代替碱性熔剂。DJTU

27、 Materials Science & Engineering 鼓风是经风机压缩后具有很高压强的空气，在现鼓风是经风机压缩后具有很高压强的空气，在现代大高炉上鼓风压强可达代大高炉上鼓风压强可达0.4兆帕以上。为了强化高兆帕以上。为了强化高炉冶炼和向高炉喷吹补充燃料，常将制氧机生产的炉冶炼和向高炉喷吹补充燃料，常将制氧机生产的氧气加入鼓风中，使鼓风的含氧量达到氧气加入鼓风中，使鼓风的含氧量达到22%-30%。风机出来的鼓风都要经热风加热到风机出来的鼓风都要经热风加热到1000以上，然以上，然后送入高炉。后送入高炉。DJTU Materials Science & Enginee

28、ring 高炉是用焦炭、铁矿石和熔剂炼铁的一种竖式的高炉是用焦炭、铁矿石和熔剂炼铁的一种竖式的反应炉。反应炉。 高炉是一个竖立的圆筒形炉子，其内部工作空间高炉是一个竖立的圆筒形炉子，其内部工作空间的形状称为高炉内型，即通过高炉中心线的剖面的形状称为高炉内型，即通过高炉中心线的剖面轮廓。轮廓。 现代高炉内型一般由圆柱体和截头圆锥体组成，现代高炉内型一般由圆柱体和截头圆锥体组成，由下而上分为由下而上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五五段。段。 由于高炉炼铁是在高温下进行的，所以它的工作由于高炉炼铁是在高温下进行的，所以它的工作空间是用耐火材料围砌而成，外面再用钢板作炉空

29、间是用耐火材料围砌而成，外面再用钢板作炉壳。壳。DJTU Materials Science & Engineering 1-炉底耐火材料；炉底耐火材料； 2-炉壳；炉壳； 3-生产后炉内砖衬侵蚀线；生产后炉内砖衬侵蚀线； 4-炉喉钢砖；炉喉钢砖； 5-煤气导出管；煤气导出管； 6-炉体夸衬；炉体夸衬； 7-带凸台镶砖冷却壁；带凸台镶砖冷却壁； 8-镶砖冷却壁；镶砖冷却壁； 9-炉底碳砖；炉底碳砖； 10-炉底水冷管；炉底水冷管； 11-光面冷却壁；光面冷却壁； 12-耐热基墩；耐热基墩； 13-基座基座DJTU Materials Science & EngineeringD

30、JTU Materials Science & EngineeringDJTU Materials Science & Engineering 在高炉炉顶设有装料装置，通过它将冶炼用的炉料在高炉炉顶设有装料装置，通过它将冶炼用的炉料（由焦炭和矿石按一定比例组成）按批装入炉内。（由焦炭和矿石按一定比例组成）按批装入炉内。在高炉下部炉缸的上沿，沿圆周均匀地布置了若干在高炉下部炉缸的上沿，沿圆周均匀地布置了若干个风口（个风口（100m3小高炉有小高炉有 8-10个，个，4000m3以上的大高以上的大高炉则有炉则有36-42 个）。加热到个）。加热到1000以上的热风，经铜以上的热风，

31、经铜质水冷风口送入炉内，供焦炭燃烧形成高温煤气。质水冷风口送入炉内，供焦炭燃烧形成高温煤气。在炉缸的底部设有铁口，可周期性或连续性地排放在炉缸的底部设有铁口，可周期性或连续性地排放出液态生铁和炉渣。在风口和铁口之间还设有渣口出液态生铁和炉渣。在风口和铁口之间还设有渣口以排放部分炉渣，减轻铁口负担。以排放部分炉渣，减轻铁口负担。DJTU Materials Science & Engineering炼铁炼铁 现代高炉采用优质耐火材料，例如炉底、炉缸部现代高炉采用优质耐火材料，例如炉底、炉缸部位用微碳孔碳砖，炉身下部和炉腰部位用铝碳砖位用微碳孔碳砖，炉身下部和炉腰部位用铝碳砖或碳化硅砖，其

32、它部位用优质高铝砖和高致密度或碳化硅砖，其它部位用优质高铝砖和高致密度的粘土砖等作炉衬。的粘土砖等作炉衬。 炉壳用含锰的高强度低合金钢制作，安装有性能炉壳用含锰的高强度低合金钢制作，安装有性能好的含铬耐热铸铁、球墨铸铁或铜质立式冷却器，好的含铬耐热铸铁、球墨铸铁或铜质立式冷却器，或铜质的卧式冷却器。或铜质的卧式冷却器。DJTU Materials Science & Engineering 高炉冶炼过程是一个连续的生产过程，全过程是在炉料自高炉冶炼过程是一个连续的生产过程，全过程是在炉料自上而下，煤气自下而上的相互接触过程中完成的。上而下，煤气自下而上的相互接触过程中完成的。 炉料从受

33、料斗进入炉腔。在高炉底部的炉缸和炉腹中装满炉料从受料斗进入炉腔。在高炉底部的炉缸和炉腹中装满焦炭。炉腰和炉身中则是铁矿石、焦炭和石灰石，层层相焦炭。炉腰和炉身中则是铁矿石、焦炭和石灰石，层层相间，一直装到炉喉。间，一直装到炉喉。 从风口鼓入的热风温度高达从风口鼓入的热风温度高达1000-1300，炉料中焦炭在风，炉料中焦炭在风口前燃烧，迅速产生大量的热，使风口附近炉腔中心温度口前燃烧，迅速产生大量的热，使风口附近炉腔中心温度高达高达1800以上。以上。 由于底部焦炭很厚，燃烧不完全，因此，炉气中存在大量由于底部焦炭很厚，燃烧不完全，因此，炉气中存在大量CO气体，在炉内造成了良好的还原性气氛，产

34、生的气体，在炉内造成了良好的还原性气氛，产生的CO气气体在炉体中上升。体在炉体中上升。DJTU Materials Science & Engineering同时，由于下部的焦炭燃烧产生空隙，上面的焦炭、矿石和熔同时，由于下部的焦炭燃烧产生空隙，上面的焦炭、矿石和熔剂在炉体内缓慢下降，速度大约为剂在炉体内缓慢下降，速度大约为0.5-1mm/s。炽热的。炽热的CO气体气体在炉内上升过程中加热缓慢下降的炉料，并把铁矿石中铁氧化在炉内上升过程中加热缓慢下降的炉料，并把铁矿石中铁氧化物还原为金属铁，铁矿石在物还原为金属铁，铁矿石在570-1200之间受到之间受到CO气体和红热气体和红热焦炭的还

35、原，形成了海绵铁。海绵铁在焦炭的还原，形成了海绵铁。海绵铁在1000-1100的高温下溶的高温下溶入大量的碳，因而铁的熔点下降，形成了生铁。入大量的碳，因而铁的熔点下降，形成了生铁。生铁的熔点约为生铁的熔点约为1200，以液体状态滴入炉缸。矿石中未被还，以液体状态滴入炉缸。矿石中未被还原的物质形成熔渣，实现渣铁分离。最后调整铁液的成分和温原的物质形成熔渣，实现渣铁分离。最后调整铁液的成分和温度达到终点，定期从炉内排入炉渣和生铁。上升的高炉煤气流，度达到终点，定期从炉内排入炉渣和生铁。上升的高炉煤气流，由于将能量传给炉料而温度不断下降，最终形成高炉煤气从炉由于将能量传给炉料而温度不断下降，最终形

36、成高炉煤气从炉顶导出管排出。顶导出管排出。DJTU Materials Science & Engineering 1-1-料斗；料斗；2-2-大钟；大钟； 3-3-焦炭；焦炭；4-4-燃料带；燃料带； 5-5-炉渣；炉渣；6-6-铁水；铁水； 7-7-渣罐；渣罐；8-8-铁罐；铁罐； 9-9-铁口；铁口；10-10-风口；风口； 11-11-矿石；矿石；12-12-上升煤气上升煤气高炉治炼过程示意图高炉治炼过程示意图 在高炉中主要进行下面几个步骤：在高炉中主要进行下面几个步骤： 1 铁的间接还原和直接还原反应铁的间接还原和直接还原反应 这是高炉炼铁的主要反应。铁矿石在下降这是高炉炼铁

37、的主要反应。铁矿石在下降过程中，从过程中，从400开始就被开始就被CO和和H2按按Fe2O3Fe3O4FeOFe逐步从高价铁还原逐步从高价铁还原到低价铁，直到金属铁，当矿石进入高温到低价铁，直到金属铁，当矿石进入高温区（区（850-1000）后，又被固体碳还原。）后，又被固体碳还原。DJTU Materials Science & Engineering 铁的间接还原是指铁氧化物与铁的间接还原是指铁氧化物与CO、H2反应生成铁的过反应生成铁的过程。以程。以FeO与与CO为例，反应式是：为例，反应式是： FeO COFe CO2 铁的直接还原是指利用固体碳和铁氧化物反应生成铁铁的直接还原

38、是指利用固体碳和铁氧化物反应生成铁的过程。以的过程。以FeO还原为例，反应式是：还原为例，反应式是： FeO CFe CO 直接还原反应是不可逆的，虽然它还原单位铁所消耗直接还原反应是不可逆的，虽然它还原单位铁所消耗的还原剂量少，但它是吸热反应，需要燃烧更多的焦的还原剂量少，但它是吸热反应，需要燃烧更多的焦炭来补偿反应的吸热量。炭来补偿反应的吸热量。 间接还原的特点之一是反应可逆。为使反应向我们所间接还原的特点之一是反应可逆。为使反应向我们所要求的方向要求的方向-形成低价氧化铁和金属铁的方向进行，就形成低价氧化铁和金属铁的方向进行，就要用过量的还原剂要用过量的还原剂CO和和H2。DJTU Ma

39、terials Science & Engineering造渣过程是物料尚处在固体状态下就开始的。脉石与从造渣过程是物料尚处在固体状态下就开始的。脉石与从高价氧化物还原出来的高价氧化物还原出来的 FeO和和MnO等形成低熔化点的等形成低熔化点的矿物，在一定的温度下软化和熔融成初渣。它在滴落矿物，在一定的温度下软化和熔融成初渣。它在滴落过程中不断与煤气和焦炭接触，连续发生化学反应，过程中不断与煤气和焦炭接触，连续发生化学反应，逐渐失去逐渐失去FeO和和MnO，同时吸收焦炭灰分及上升煤气，同时吸收焦炭灰分及上升煤气中所携带的物质。也是吸收熔剂中的中所携带的物质。也是吸收熔剂中的CaO、Mg

40、O。随着成分的变化，炉渣的熔点逐步升高，但它进入了高随着成分的变化，炉渣的熔点逐步升高，但它进入了高温区，有足够的热量对它加热，保证它透过炉内的焦温区，有足够的热量对它加热，保证它透过炉内的焦炭区，而汇集在炉缸中，在铁液的上面形成渣层。铁炭区，而汇集在炉缸中，在铁液的上面形成渣层。铁液穿过渣层时，在渣铁界面上发生渣铁间的反应，调液穿过渣层时，在渣铁界面上发生渣铁间的反应，调整生铁成分和炉渣成分，最后形成终渣。整生铁成分和炉渣成分，最后形成终渣。DJTU Materials Science & Engineering2 造渣过程造渣过程 刚从铁矿石还原出来的金属铁呈固体多孔状，几乎不含碳

41、，称为海绵铁。它的熔化温度很高，在1500以上。随着炉料从还原地带向下方运动，煤气中CO分解形成的碳黑具有很高的活性，它附着或聚积在海绵铁表面的孔隙里，使其渗C，形成铁的碳化物。随着碳的渗入，海绵铁的熔化熔化温度降低；在到达高炉内的软化熔融带时，海绵铁由固体转变为铁滴。在液态铁滴穿过焦炭区时，渗入的碳量继续增加，最终达到饱和状态。炼钢生铁的含碳量4%。 生铁形成过程中，还伴随着有害元素硫，磷等的去除。DJTU Materials Science & Engineering3 生铁的形成生铁的形成 日生产日生产3000吨生铁需要：吨生铁需要： 6000吨铁矿石吨铁矿石 3000吨焦炭吨焦

42、炭 1500吨石灰石吨石灰石 2548 m3/min热空气热空气DJTU Materials Science & Engineering高炉的冶炼理化过程：高炉的冶炼理化过程： 1 燃烧过程燃烧过程:CO2CO2 (1) CO2在上升过程中：在上升过程中：CO2CCO (2) 溶剂分解溶剂分解:CaCO3CaOCO2 (3) 铁的还原铁的还原:FeOCOCO2Fe(间接还原间接还原) (4) FeOCFeCO （直接还原）（直接还原） 增碳：增碳：铁水在与焦碳的接触中会增碳扩散铁水在与焦碳的接触中会增碳扩散 过程，过程， 使铁水被使铁水被C所饱和。所饱和。(5) 其他元素的还原其他元素

43、的还原: Mn，Si 部分被还原，被还原后进入铁水中部分被还原，被还原后进入铁水中 Al不被还原不被还原 ，只能和熔剂形成渣，只能和熔剂形成渣 (6) 去去S: FeSCaOCaSFeO (7) 去去P： Ca3(PO4)2C CaOPCO在铁水中：在铁水中： C饱和，溶有部分的饱和，溶有部分的Mn，Si，S以及全部的以及全部的P。DJTU Materials Science & Engineering 一、概述一、概述 二、转炉炼钢法二、转炉炼钢法 三、平炉炼钢法三、平炉炼钢法 四、电炉炼钢法四、电炉炼钢法DJTU Materials Science & Engineerin

44、g4.3 钢的生产钢的生产 钢和铁都是以铁元素为基本成分的铁碳合金。生铁和钢所以在性能上有较大的差异，主要原因是由于含碳量的不同使铁碳合金的组织结构不同而造成的。生铁除了含有较高的碳外，还含有一定量的的其它杂质。 所谓炼钢，就是通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，再根据对钢性能的要求加入适量的合金元素，使其成为具有高强度、高韧性或其它特殊性能的钢。一、概述一、概述DJTU Materials Science & Engineering 1 脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量不但是引脱碳并将其含量调整到一定范围。碳含量不但是引起生铁和钢性能差异的决定性因素，同样也是控制钢起生铁和钢性

45、能差异的决定性因素，同样也是控制钢性能的最主要元素。钢中含碳量增加，则硬度、强度、性能的最主要元素。钢中含碳量增加，则硬度、强度、脆性都将提高，而延展性能将下降。脆性都将提高，而延展性能将下降。 2 去除杂质，主要包括：去除杂质，主要包括：（1） 脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，脱磷、脱硫：对绝大多数钢种来说，P、S均为有均为有害杂质。害杂质。P可引起钢的冷脆，而可引起钢的冷脆，而S则引起钢的热脆。则引起钢的热脆。（2 ）脱氧：由于在氧化精炼过程中，钢液中溶入一定）脱氧：由于在氧化精炼过程中，钢液中溶入一定的氧，它将大大影响钢的质量。一般是向钢液中加入的氧，它将大大影响钢的质量。一般是向钢液中

46、加入比铁有更大亲氧力的元素来降低钢中的含氧量（如比铁有更大亲氧力的元素来降低钢中的含氧量（如Al、Si、Mn等合金）等合金）DJTU Materials Science & Engineering炼钢的基本任务可归纳为：炼钢的基本任务可归纳为：（3） 去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要是指去除气体和非金属夹杂物：钢中气体主要是指溶解在钢中的氢和氟。非金属夹杂物包括氧化物、溶解在钢中的氢和氟。非金属夹杂物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化硫化物、磷化物、氮化物以及它们所形成的复杂化合物。在一般炼钢方法中，主要靠碳合物。在一般炼钢方法中，主要靠碳-氧反应时产生氧反应

47、时产生CO气泡的逸出，所引起的熔池沸腾来降低钢中气体气泡的逸出，所引起的熔池沸腾来降低钢中气体和非金属夹杂物。和非金属夹杂物。 3 调整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、调整钢液成分和温度。为保证钢的各种物理、化学性能还应加入适量的合金元素使其含量达到化学性能还应加入适量的合金元素使其含量达到规定。规定。DJTU Materials Science & Engineering 炼钢的基本过程是氧化。向铁液中吹入纯氧或加入铁矿石炼钢的基本过程是氧化。向铁液中吹入纯氧或加入铁矿石使铁被氧化。生成的使铁被氧化。生成的FeO溶解在铁液中，与铁液中其它元溶解在铁液中，与铁液中其它元素发生反应。

48、铁液中的素发生反应。铁液中的FeO越多，各种元素被氧化得越剧越多，各种元素被氧化得越剧烈。碳被氧化成烈。碳被氧化成CO气体，直接从铁液中逸出；硅和锰被气体，直接从铁液中逸出；硅和锰被氧化生成氧化生成SiO2和和MnO2进入熔渣。进入熔渣。 铁液中的含碳量降低到一定程度时，氧化即告完成，铁液铁液中的含碳量降低到一定程度时，氧化即告完成，铁液炼成了钢液。此时，钢液中剩余相当多的炼成了钢液。此时，钢液中剩余相当多的FeO，因此要在，因此要在炼钢炉中和盛钢桶中加入适量的锰铁、硅铁和铝等脱氧剂炼钢炉中和盛钢桶中加入适量的锰铁、硅铁和铝等脱氧剂进行脱氧，来还原钢液中的进行脱氧，来还原钢液中的FeO，以改善

49、钢的力学性能。，以改善钢的力学性能。 炼钢方法主要有转炉法、平炉法、电炉法等。炼钢方法主要有转炉法、平炉法、电炉法等。DJTU Materials Science & Engineering二、转炉炼钢法 贝塞麦于贝塞麦于1856年发明了梨形可动式转炉，将熔化的生铁放入年发明了梨形可动式转炉，将熔化的生铁放入转炉内，吹进高压空气，使生铁中所含的硅、锰、碳、磷燃转炉内，吹进高压空气，使生铁中所含的硅、锰、碳、磷燃烧掉，只花烧掉，只花10分钟就把分钟就把1015吨铁水炼成钢。若是用搅拌法吨铁水炼成钢。若是用搅拌法需几天时间才能完成。但是，贝塞麦发明的转炉是酸性转炉，需几天时间才能完成。但是

50、，贝塞麦发明的转炉是酸性转炉，在酸性转炉环境中，在酸性转炉环境中，磷很难被氧化除掉磷很难被氧化除掉。1879年，托马斯提年，托马斯提出了碱性转炉炼钢法，即采用白云石高温烧成的熟料，混合出了碱性转炉炼钢法，即采用白云石高温烧成的熟料，混合焦油做成碱性的耐火砖炉衬，冶炼过程中吹入空气并加入生焦油做成碱性的耐火砖炉衬，冶炼过程中吹入空气并加入生石灰。这样便使整个反应在碱性高温条件下进行，石灰。这样便使整个反应在碱性高温条件下进行，被氧化的被氧化的磷与石灰结合起来磷与石灰结合起来，残留于渣内而不返回钢内，脱磷问题因，残留于渣内而不返回钢内，脱磷问题因此得以解决。此得以解决。 20世纪中叶，由于制氧机的

51、制造成功，成本低廉的氧气在工世纪中叶，由于制氧机的制造成功，成本低廉的氧气在工业中大量使用，氧气炼钢的技术迅速发展起来。业中大量使用，氧气炼钢的技术迅速发展起来。DJTU Materials Science & Engineering 氧气炼钢法分为氧气斜吹转炉炼钢法、卧式转炉双管吹氧氧气炼钢法分为氧气斜吹转炉炼钢法、卧式转炉双管吹氧法、纯氧顶吹的转炉炼钢法等。法、纯氧顶吹的转炉炼钢法等。 氧气顶吹转炉是目前的主要办法，国外称氧气顶吹转炉是目前的主要办法，国外称LD转炉或转炉或BOF炉。炉。氧气顶吹转炉炼钢法反应速度快，生产率高，不需要燃料氧气顶吹转炉炼钢法反应速度快，生产率高，不需要

52、燃料,热效率高，成为冶金史上发展最迅速的新技术，并逐渐取热效率高，成为冶金史上发展最迅速的新技术，并逐渐取代平炉成为炼钢方法的主流。与通用的平炉比较，投资少代平炉成为炼钢方法的主流。与通用的平炉比较，投资少于平炉于平炉40%50%；效率高于平炉倍，所需劳力少，；效率高于平炉倍，所需劳力少，占用场地小，炼钢时间短，钢的成本低，质量高。纯氧顶占用场地小，炼钢时间短，钢的成本低，质量高。纯氧顶吹炼钢法出现后，世界钢产量急剧增长，各种高质量的特吹炼钢法出现后，世界钢产量急剧增长，各种高质量的特种钢也炼制出来。种钢也炼制出来。DJTU Materials Science & Engineerin

53、g （1） 转炉主体设备转炉主体设备 转炉主体设备是实现炼钢工艺的主要设备，它由炉体、转炉主体设备是实现炼钢工艺的主要设备，它由炉体、炉体支撑装置和炉体倾动机构等组成炉体支撑装置和炉体倾动机构等组成DJTU Materials Science & Engineering1-炉壳；炉壳； 2-挡渣板；挡渣板；3-托圈；托圈； 4-轴承及轴承座；轴承及轴承座；5-支撑系统；支撑系统；6-耳轴；耳轴；7-制动装置；制动装置；8-减速机；减速机；9-电机及制动器电机及制动器炉壳：由锥形炉帽、圆筒形炉身及球形炉底三部分组成。各部分炉壳：由锥形炉帽、圆筒形炉身及球形炉底三部分组成。各部分用钢板成型

54、后再焊接成整体。钢板厚度主要取决于炉子容量，炉用钢板成型后再焊接成整体。钢板厚度主要取决于炉子容量，炉壳和损坏主要是产生裂纹和变形。因此，要求炉壳材质有良好的壳和损坏主要是产生裂纹和变形。因此，要求炉壳材质有良好的焊接性能和抗蠕变性能。为防止炉帽变形，近年来广泛采用水冷焊接性能和抗蠕变性能。为防止炉帽变形，近年来广泛采用水冷炉口。炉口。托圈：其主要作用是支撑炉体，传递倾动力矩。大、中型转炉托托圈：其主要作用是支撑炉体，传递倾动力矩。大、中型转炉托圈，一般用钢板焊接成箱式结构，可通水冷却。托圈与耳轴连成圈，一般用钢板焊接成箱式结构，可通水冷却。托圈与耳轴连成整体，转炉则坐落在托圈上。整体，转炉则

55、坐落在托圈上。耳轴：转炉工艺要求炉体应能正反旋转耳轴：转炉工艺要求炉体应能正反旋转360，在不，在不 同操作期间，同操作期间，炉子要处于不同的倾动角度。为此，转炉有两根旋转耳轴，一侧炉子要处于不同的倾动角度。为此，转炉有两根旋转耳轴，一侧耳轴与倾动机构相连而带动炉子旋转。耳轴与倾动机构相连而带动炉子旋转。倾动机构：其作用是倾动炉体，以满足兑铁水、加废钢、取样、倾动机构：其作用是倾动炉体，以满足兑铁水、加废钢、取样、出钢和倒渣等操作的要求。出钢和倒渣等操作的要求。DJTU Materials Science & Engineering转炉炼钢 吹氧管基本结构简图吹氧管基本结构简图1-吊环

56、；吊环；2-中心管；中心管；3-中层管；中层管；4-上托座；上托座；5-外层管；外层管；6-下托座；下托座；7-喷头喷头DJTU Materials Science & Engineering(2) 供氧系统设备供氧系统设备炼钢时用氧量极大，要求供氧及炼钢时用氧量极大，要求供氧及时、氧压稳定、安全可靠。供氧时、氧压稳定、安全可靠。供氧系统由输氧管道、阀门和向转炉系统由输氧管道、阀门和向转炉吹氧的吹氧管装置等设备组成。吹氧的吹氧管装置等设备组成。结构如图所示。结构如图所示。 氧气转炉炼钢，就是利用氧气将铁水中的碳、硅、锰、氧气转炉炼钢，就是利用氧气将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素快速氧化到

57、吹炼终点。在吹氧的全部时间内，磷等元素快速氧化到吹炼终点。在吹氧的全部时间内，熔池中始终进行着强烈的元素氧化反应，只是在吹氧熔池中始终进行着强烈的元素氧化反应，只是在吹氧结束后的为时很短的脱氧和合金化时间内，熔池中的结束后的为时很短的脱氧和合金化时间内，熔池中的反应才主要是还原反应。反应才主要是还原反应。 氧化反应放出的热量，将主炉铁水（氧化反应放出的热量，将主炉铁水（1200-1300）加热到加热到1560-1660。DJTU Materials Science & Engineering顶吹转炉法顶吹转炉法DJTU Materials Science & Engineeri

58、ng氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉DJTU Materials Science & Engineering 1856年威廉年威廉西门子得到一项将蓄热原理用于所有需大量热西门子得到一项将蓄热原理用于所有需大量热能的炉子的专利。最初，此法主要是用于玻璃熔化炉，可能的炉子的专利。最初，此法主要是用于玻璃熔化炉，可节省节省50的燃料。将此法用于炼钢，是在炉的两端建有放的燃料。将此法用于炼钢，是在炉的两端建有放置置 “砖格砖格”的蓄热室，砖格先由炼钢炉排出的热气加热，的蓄热室，砖格先由炼钢炉排出的热气加热，然后把要进炉的空气预热。但用固态燃料试验时很不顺利，然后把要进炉的空气预热。但用固态燃料试验时很

59、不顺利，存在着一些问题，诸如炉灰堵塞了蓄热室的砖格等。存在着一些问题，诸如炉灰堵塞了蓄热室的砖格等。 1864年法国人马丁改造了炉体，又采用了威廉年法国人马丁改造了炉体，又采用了威廉西门子用蓄西门子用蓄热提高炉温的办法，用生铁和废铁炼出了优质钢。热提高炉温的办法，用生铁和废铁炼出了优质钢。1868年年威廉威廉西门子用生铁和铁矿石炼钢成功。这种炼钢法被称做西门子用生铁和铁矿石炼钢成功。这种炼钢法被称做 “西门子西门子马丁炼钢法马丁炼钢法”。由于这种炼钢炉形状低平又有一。由于这种炼钢炉形状低平又有一个平展的熔池，所以被称为个平展的熔池，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

60、“平炉炼钢法平炉炼钢法”。DJTU Materials Science & Engineering三、平炉炼钢法三、平炉炼钢法 平炉炼钢时，经过下层蓄热室预热的空气和煤气被送入上层平炉炼钢时，经过下层蓄热室预热的空气和煤气被送入上层熔池，在铁水表面吹拂、燃烧，能够比较完全地将铁水中的熔池，在铁水表面吹拂、燃烧，能够比较完全地将铁水中的碳和其他杂质氧化，得到优质的钢。碳和其他杂质氧化，得到优质的钢。 虽然平炉冶炼的时间比较长（一般为虽然平炉冶炼的时间比较长（一般为24小时），但熔池很大，小时），但熔池很大，一炉便可炼百吨钢水，产量较高。而且不限于生铁，废钢、一炉便可炼百吨钢水，产量较高。而且不限于生铁，废钢、铁屑、熟铁、铁矿石均可，炼出的钢质量稳定、均匀，在铁屑、熟铁、铁矿石均可，炼出的钢质量稳定、均匀，在1930年至年至1960年的年的30年间，世界每年钢的总产量近年间，世界每年钢的总产量近80%是平是平炉钢。炉钢。 50年代初期氧气顶吹转炉投入生产，从年代初期氧气顶吹转炉投入生产，从60年代起平炉逐渐失年代起平炉逐渐失去其主力地位。许多国家的平炉已经或正在陆续被氧气转炉去其主力地位。许多国家的平炉已经或正在