华北理工冶金原理教案00绪论

钢铁冶金原理教案0绪论PAGE10绪论【目的要求】使学生概括地了解冶金过程理论的概念、重要意义和作用、主要内容、与专业课的区别及联系、发展历史、学习方法及参考书目等。【重点难点】冶金过程理论（冶金物理化学）的定义、冶金过程理论对冶金科研及生产的重要作用。【课程引入】通过认识实习，我们对钢铁企业的宏观概况有了一个初步的了解，在这里我们首先回顾钢铁联合企业所涉及的工艺流程，包括烧结、高炉炼铁、转炉炼钢和炉外精炼等工艺过程。在整个钢铁冶金生产过程中都发生了哪些反应？这些反应机理如何？这些都是冶金原理课程所涉及并需要我们探讨解决的问题。那么，冶金原理这门课程的主体内容如何呢？【课程内容】（1）冶金过程理论（冶金物理化学）的定义；（2）冶金过程理论研究的对象；（3）冶金过程理论包含的主要内容；（4）冶金过程理论对冶金科研及生产的重要作用；（5）冶金过程理论课与冶金专业课的关系；（6）冶金过程理论的发展史；（7）冶金过程理论课的学习方法；（8）学习冶金过程理论课的教材及参考书简介。一、本课程的重要性冶金物理化学是冶金专业的基础课之一（三大基础课程：冶金物理化学、金属学、冶金传输原理），是我们学习炼铁学、炼钢学及各专业课的基础，对我们今后进行钢铁冶金学的研究和生产实践都具有重要的指导作用。冶金物理化学到底有什么样的作用呢？具体讲：利用冶金物理化学的相关内容，我们可以解释在炼铁和炼钢过程中的一些现象，指导我们改进生产过程中的操作参数。例如，我们利用铁矿石和焦炭为什么能够炼出铁？炼铁是还原过程，为什么还要鼓风吹氧（碳氧化供热）？炼铁炼钢我们为什么还要造渣？铁水与钢水有何区别，如何利用铁水炼成我们需要的钢水？钢水为什么还要进行炉外精炼，精炼的目的是什么？这些问题都可以利用冶金原理中相关的热力学和动力学的知识去解释。二、本课程的局限性任何真理都有它应用的范围，超过一定的范围，真理也就变成了谬误。冶金物理化学提供的原理也是一样，都只是在一定条件下来解释一定的现象，超过了一定条件，物理化学给出的结论就可能出现错误，这就是冶金物理化学的局限性。冶金物理化学具有局限性主要有以下两方面的原因：1）冶金物理化学研究具有局限性。冶金反应都是在高温下进行的，因此在物理化学研究过程中，要想对各类参数进行有效测定是非常困难的，宏观测定难度大，微观就更难。因此，在实际的研究中，有时只能应用在较低温度下、甚至是常温下测定的数据进行外推得到的高温数据，计算结果误差肯定较大。2）冶金物理化学正处在不断完善发展的过程中，是理论和实践不断结合的产物。因此我们在应用冶金物理化学知识的时候，应灵活多变，依据现有的冶金物化理论，在现有的热力学和动力学数据的基础上，创造有利于生产的条件，提出合理的工艺流程。三、钢铁冶金过程钢铁冶金多采用火法过程，一般分为三个阶段：1）炼铁——从矿石或精矿中提取粗金属。应用的设备是高炉，引用的原料主要是矿石、焦炭和溶剂。入炉矿石主要包括碱性烧结矿、酸性球团矿和块矿，在保证铁含量的同时，保证炉子的透气性。焦炭主要是做燃料、还原剂和骨架的作用。溶剂为了造渣，脱除部分磷硫及其它杂质，最终与铁水分开。得到的产品就是生铁，生铁中除铁元素歪，还溶解了碳、硅、锰、磷、硫等五大元素及其它元素。2）炼钢：炼钢设备主要是转炉和电炉。炼钢的主要任务就是将生铁中的元素（C、Si、Mn）及杂质（S、P）通过氧化作用及熔渣参与的化学反应去除，达到无害于钢种性能的限度。氧化剂为氧气，因此氧化过程主要利用吹氧。造渣的目的主要是脱磷硫、去除夹杂、隔热保温、保护炉尘等作用，造渣剂主要利用石灰和萤石。此外炼钢后期还要去除由于氧化作用引入钢液中的氧（脱氧剂主要应用Al、Si、Mn，真空脱氧利用钢液中的残碳）。最后通过调整钢液的温度和成份，把成分合格的钢液浇铸成钢坯。3）二次精炼：为了提高钢水质量、扩大钢的品种、降低消耗和成本、缩短冶炼时间、提高生产率、协调好炼钢和连铸生产的配合等目的，而将炼钢过程的某些精炼工序转移到炉外盛钢桶或者特殊反应器中继续完成或深度完成。目前铁水预处理（脱硫、脱磷和脱硅三脱）也包括在炉外精炼内。炉外精炼的手段包括：渣洗、真空、搅拌、喷吹、加热（调温）和过滤六种，各种精炼设备都是这六种手段的组合。应用比较多的精炼设备包括：LF、RH、CAS、VOD等。二次精炼的任务：（1）降低钢中O、S、P、H、N和非金属夹杂物含量，改变夹杂物形态，以提高钢的纯净度，改善钢的机械性能；（2）深脱碳，满足低碳或超低碳钢的要求，在特定条件下，把碳脱到极低的水平。（3）微调合金成分，把合金成分控制在很窄的范围内，并使其分布均匀，尽量降低合金的消耗，以提高合金收得率。（4）调整钢液温度到浇注所要求的范围内，最大限度地减小包内钢水地温度梯度。4）连铸：连铸是钢铁生产中的重要环节，也是炼钢的最后一个工艺过程。炼钢的最终成品就是连铸得到的铸坯。连铸研究的内容包括钢水的凝固规律、钢种的成分设计、气泡和夹杂物的控制、铸坯缺陷形成原理等等。四、钢铁（火法）冶金的特点——“一高三多”钢铁冶金的特点概括为四个字——“一高三多”“一高”：高温度，温度一般在1000℃以上，炼钢炼铁过程通常在1500~1600“三多”：多相体系、多组元和多相反应共存。“多相体系”是指反应体系中的反应物和生成物呈现不同的物相——固、液、气。例如：高炉内铁液、煤气、焦炭组成的反应体系就是s-g-l三相共存；高炉内CO间接还原铁矿石为s-g两相；渣铁反应体系为l-l两相；炼钢过程吹氧脱碳为氧气、熔渣和钢水组成的反应体系，g-l-l三相；二次精炼脱气过程为g-l两相。“多组元”表示冶金过程涉及到的高温熔体都不是纯组元。铁水中含有C、Si、Mn、P、S五大元素；钢水中含有合金成分；熔渣中含有CaO、SiO2、FeO、MgO、Al2O3等。“多相反应共存”是指冶金过程中发生的化学反应一般都不是独立的，而是相互影响、相互制约的。例如：焦炭直接还原铁氧化物的反应为，但实际上该反应为固－固反应，反应速度非常慢，这与实际的高炉炼铁速度相去甚远，主要原因是这里存在相互促进的多相反应：（气固反应，速率很快），（生成的气化焦炭，该反应为碳的气化反应，又称布都阿尔反应。而该反应得到的又去还原铁氧化物）。有些化学反应能够相互促进，而有些反应则出现相互制约的现象，比如炼钢脱碳过程，脱碳一般处在高温阶段，脱碳速率较快，但是高温不利于脱磷，也就是炼钢过程的脱碳和脱磷反应是相互制约的；再比如冶炼不锈钢需要“去碳保铬”，因此我们需要创造一些条件使碳氧化，而不使铬氧化，包括高温、真空和提高铁液碳活度。下面我们简单介绍几个利用冶金物理化学的理论解释实际生产中的一些问题。五、利用物理化学的知识解释钢铁冶金过程现象的应用实例1）高炉炉顶煤气成分为什么必须含有CO？高炉炉顶煤气主要含有N2（<50%）、CO（20%~25%）、CO2(17%~22%)，此外还含有少量的H2、CH4。综合来说，高炉炉顶煤气中含有CO和CO2的总量大约在42%~44%。我们知道，CO是高炉内重要的还原剂，也是重要的热源（燃烧生成CO2会释放大量热量），另一方面CO属于有毒气体，出现煤气泄漏会严重危机工人的生命。因此我们希望CO在炉内能够100%的消耗，高炉煤气中不含CO是最理想的。但这永远都是无法实现的，这是因为高炉内存在化学平衡反应——。该平衡反应的，根据物理化学的知识，因此，在高炉上部温度下该气化反应存在一个固定的平衡常数，也就是说CO2）矿石中的氧化物种类繁多，为什么有的氧化物全部还原，有的氧化物不被还原，有的氧化物部分被还原？矿石中含有Fe、Mn、Si、S、P、Al、Mg、Ca等多种元素，但被还原量却不同：磷、铁、铜等全部被还原；Si、Ti等近50%还原；Al、Mg、Ca等不能被还原。原因：氧化物稳定性不同。氧化物的稳定性可以利用冶金物理化学中的氧势来解释：磷、铜氧势线远远高于碳的氧势线，全部还原；Al、Mg、Ca等的氧势线远远低于碳的氧势线，不能被还原；Si、Ti等与碳氧势线接近，部分还原。3）为什么说高炉炼铁比炼钢过程更容易脱硫？这可以通过脱硫热力学解释，脱硫的热力学条件是“三高一低”——高温度、高高碱度、高渣量、低氧化亚铁（渣中低氧势）。在高炉内，温度高；炉渣碱度高；渣中氧势低（处于还原气氛）；铁水硫活度高（铁水碳硅磷等浓度高），因此高炉炉内利于脱硫。4）炼钢过程的主要目的是去碳，吹氧前期为什么碳不会大量氧化，而是硅、锰等元素氧化后才会产生碳的氧化？吹氧后期碳大量氧化，为什么铁不被氧化，而是渣中FeO的量保持在一定水平？这些现象都可以利用冶金物理化学中的选择性氧化来解释。与氧化物的远远相对应，氧势线高的单质在转炉内不被氧化，氧势线低的单质首先被氧化。5）为什么说转炉内不利于脱磷，我们创造什么样的条件才能脱磷？这个现象也可以利用冶金物理化学中的选择性氧化来解释，在标准状态下，磷的氧势线远远高于铁的氧势线，因此在吹氧的过程中，磷只能在铁氧化后才能被氧化脱除。为了脱磷，需要在转炉内造碱性渣，从而降低磷的氧势线，并使其低于铁的氧势线而氧化脱除。6）在碱性操作条件下，为什么吹炼终点钢液中硅含量为痕迹量？这可以利用熔渣热力学来解释：在碱性渣操作时，熔渣碱度很高，渣中存在大量自由态的CaO。吹炼初期，Si被大量氧化，生成的SiO2将与CaO等碱性氧化物形成类似于的复杂氧化物，而结合态SiO2不具有反应能力，因此在吹炼后期温度升高后，SiO2不会被还原，使吹炼终点钢中硅含量为“痕迹量”。7）在碱性操作条件下，为什么吹炼终点钢液中会有“余锰”（含量）？同样可以利用熔渣热力学来解释：在碱性渣操作时，熔渣碱度很高，渣中存在大量自由态的CaO。吹炼初期Mn被氧化生成的MnO为碱性氧化物，在渣中呈自由状态，吹炼后期温度升高后，（MnO）会被还原，因此吹炼终点，钢种中会有一定的“余锰”量。8）为什么冶炼不锈钢需要高温度、真空和加镍工艺？这是由不锈钢冶炼过程中“去碳保铬”的热力学条件决定的。去碳保铬的反应目的是使碳氧化、铬还原，要使该反应得以进行，就需要提供一定的热力学条件：提高温度（增加）；降低总压（降低）；提高碳活度（加镍可使增加）。六、冶金物理化学的主要内容1）几个概念（1）冶金物理化学(physicalchemistryofmetallurgy)：在冶金中，应用物理化学的原理和方法来研究冶金过程原理的科学就称为冶金物理化学，或称为冶金过程物理化学(physicalchemistryofprocessmetallurgy)、冶金过程理论、冶金原理。冶金过程物理化学的内容主要包括冶金过程热力学、冶金过程动力学及冶金熔体三部分，有人也将冶金熔体分为熔渣和金属熔体。（2）冶金过程热力学（thermodynamicsofprocessmetallurgy）是利用化学热力学的原理研究冶金反应过程的可能性（方向）及反应达到平衡的条件，以及在该条件下反应物能达到的最大产出率，确定控制反应过程的参数（温度、压力、浓度及添加剂的选择）。（3）冶金过程动力学（kineticofprocessmetallurgy）是利用化学动力学的原理及物质、能量、动量传输的原理来研究冶金过程的速率和机理，确定反应过程速率的限制环节，从而得到控制或提高反应的速率，缩短冶炼时间，增加生产率的途径。（4）冶金熔体（metallurgicalmelt）是火法冶金反应中参加的具体物质，包括金属互溶的金属熔体、氧化物互溶的熔渣及硫化物互溶的熔锍（matte）等。它研究熔体的相平衡、结构及其物理和化学性质，而熔体的组分是反应的直接参加者，熔体的结构及性质则直接控制着反应的进行。2）本课程的主要内容教材的前四章分别对冶金物理化学的四个方面进行了阐述：第一章：冶金热力学基础第二章：冶金动力学基础第三章：金属熔体第四章：冶金炉渣教材的后四章是对前四章基础的应用，分别应用于还原熔炼、氧化熔炼和炉外精炼。第五章：化合物的形成第六章：氧化物还原熔炼，是冶金物理化学在炼铁过程中的应用第七章：氧化熔炼，是冶金物理化学在炼钢过程中的应用第八章：炉外精炼，是冶金物理化学在炉外精炼过程中的应用七、教材及参考书目1）课程教材黄希祜编.《钢铁冶金原理》（第3版），冶金工业出版社2005。2）主要参考书[1]王常珍主编.《冶金物理化学研究方法》，冶金工业出版社，2002；[2]张羡夫，李运刚编著。《冶金原理习题解》，冶金工业出版社，2008；[3]陈国发，李运刚编著。《相