第3讲 材料的制备方法金属材料制备（1冶金）.ppt

1、金属材料的制备方法 （冶金）,第3讲 材料的制备方法,李 阳,东北大学 2006 年 11 月,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。 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色金属。,金属的分类,定义：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； 青铜为铜、锡合金； 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。 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，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。 如铋的

2、熔点为544K，镉的熔点为594K，含40镉和60铋的混合物为低共熔混合物，其熔点为413K。,合金,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提取出来，接着对粗炼金属产品进行精练提纯和合金化处理，然后浇注成锭，加工成形，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,绝大多数金属元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、碳化物等化合物的形式存在地壳之中。,金属的冶金工艺可以分为火法冶金、湿法冶金、电冶金以及真空冶金等。,火法冶金：利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。,一、冶金工艺概述,一、冶金工艺概述,湿法冶金：利用一些化学溶剂的化学作用，在水溶液

3、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。,一、冶金工艺概述,电冶金：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。,一、冶金工艺概述,熔盐电解：直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质在熔池中进行电解。,一、冶金工艺概述,应用广泛的金属材料钢铁,（1）铁和铁合金 （2）钢铁是怎样炼成的,铁矿石和炼铁，炼钢,二、钢铁冶炼,F-18大黄蜂战斗机,我军陆战王牌-99式主战坦克,二、钢铁冶炼,军事上离不开钢铁,中国九五式突击步枪,海军109驱逐舰,神六,神五,二、钢铁冶炼,我们的生活中也离不开钢铁,广州丫髻沙大

4、桥,雷诺汽车,生活用品,磁悬浮列车,二、钢铁冶炼,自从1980年阿尔温托夫勒（第三次浪潮的作者，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： 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基体特性。,二、钢铁冶炼,钢铁的分类,二、钢铁冶炼,Fe在地壳中的含量为5左右，在金属中仅次于铝， 除陨石

5、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(SiO2、MnO2 等)，这些统称为脉石。 炼铁的目的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。,二、钢铁冶炼,铁矿石,脉石和硫磷杂质,铁化合物,Fe3O4(磁铁矿石) Fe2O3(赤铁矿石) FeS2 (黄铁矿石) FeCO3(菱铁矿石),二、钢铁冶炼,磁铁矿Fe3O4,二、钢铁冶炼,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TiO2及V2O3组成复合矿石，即钒钛磁铁矿，由于受氧

6、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，但无磁性，被称为假象赤铁矿或半假象赤铁矿。,赤铁矿-Fe2O3,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，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（占铁矿石总储量的48.3%），是炼铁的最主要铁矿石资源。,二、钢铁冶炼,褐铁矿2Fe2O3.3H2O,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。,二、钢铁冶炼,菱铁矿FeCO3,它是含铁的碳

7、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，含铁量不高，但受热分解放出CO2后，不仅含铁量显著提高，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(0.0740.044mm)，然后富选成含铁高的精矿粉，一般精矿粉的含铁量在63%-68%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。,二、钢铁冶炼,黄铁矿FeS2,二、钢铁冶炼,铁矿石晶体,暗红色铁铝榴石晶体产地奥地利,立方体黄铁矿晶体 产地西班牙,祖母绿、黄铁矿、方解石共生产地哥伦比亚,二、钢铁冶炼,钢铁是怎样炼成的

8、,二、钢铁冶炼,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铁渣，称为海绵铁。 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,二、钢铁冶炼,13世纪末至19世纪中叶，随着铁的需要以及鼓风技术的发展，炉子越来越高，逐渐形成现代高炉的雏形-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

9、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，从矿石中冶炼出生铁，第二步把生铁精炼成钢。,第二个发展阶段,二、钢铁冶炼,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，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。,二、钢铁冶炼,生铁（主要产品）：分为炼钢生铁和铸造生铁。 炉渣（副产品）：含SiO2、CaO和Al2O3的铝硅酸盐，主要用于生产水泥。 煤气（副产品）：含2

10、6左右的CO，用作燃料。,炼铁产品及副产品：,炼钢的目的：除去生铁中多余的碳和大量杂质元素，使其化学成分达到钢的要求。,二、钢铁冶炼,1 黑色金属的生产,1.1 高炉冶炼生产过程,高炉附属系统： 原料系统; 送风系统; 燃料喷吹系统; 除尘系统; 渣铁处理系统;,二、钢铁冶炼,原料系统：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。 送风系统：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。 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

11、枪等。,二、钢铁冶炼,除尘系统：从炉顶逸出的含尘高达40-100g/m3的高炉煤气，经过一系列除尘设备，包括粗除尘(如重力除尘)、半精细除尘(洗涤塔)、精细除尘(文氏管、静电除尘器)等，使其含尘量降到15mg/m3以资利用。 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。 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(可作隔音保温材料)，也可用渣罐车送往弃渣场。,二、钢铁冶炼,鞍钢2000立方米高炉外景图,二、钢铁冶炼,二、钢铁冶炼,铁氧化物的生成与分解是

12、逐级进行的，当温度570时，称为高温转变： 当温度570时，称为低温转变： 高炉内主要还原剂是CO、C（在喷吹燃料时煤气中H2含量明显增加），还原基本分为 间接还原 与直接还原 两大类。,高炉内的主要还原反应,二、钢铁冶炼,产生还原剂： C+O2=CO2 CO2+C=2CO （空气，焦炭）,还原铁矿石： Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2 （铁矿石）,造渣（除脉石）： CaCO3=CO2+CaO CaO+SiO2=CaSiO3 （熔剂：石灰石）,炼铁的主要反应过程,二、钢铁冶炼,现象： _ 方程式： _,固体由红变黑,石灰水变浑浊。,CO还原氧化铁,二、钢铁冶炼,炼铁：,铁矿石（化合态）铁单

13、质（游离态）,（1）基本反应原理：,3CO+ Fe2O3=2Fe+3CO2,高温,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。,（3）设备：高炉,（2）原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气,二、钢铁冶炼,C+O2=CO2,CO2+C=2CO,3CO+Fe2O3 =2Fe+3CO2,二、钢铁冶炼,1.2 非高炉炼铁法,1. 直接还原炼铁法,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(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，因而直接还原

14、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。 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-电炉串联生产钢，形成了一个新的钢铁冶金生产工艺流程。,二、钢铁冶炼,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，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60年代才有重大突破，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。 （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，

15、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。,二、钢铁冶炼,（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70年代中期以来，世界钢产量一直在7亿吨左右，而海绵铁的产量却逐年增加工厂，60年代年产几十万吨到199

16、7年已发展到年产3620万吨。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,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矿石要求SiO2、Al2O3等的含量3%-5%。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。因为还原性是影响直接

17、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。 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。,二、钢铁冶炼,（1）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。天然气和液化石油气主要使用蒸汽转化，生成CO 和H2；重油使用氧气部分氧化法将碳氢化合物转化为CO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90%左右。 气基法的典型代表是Midrex法。Midrex气基法属竖炉法，为美国米德莱克斯（Midrex）公司所发明，是目前

18、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2-4是它的生产流程示意图。,二、钢铁冶炼,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。 CH4 H2O CO 3H2 (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，在还原区与CO、H2进行还原反应。还原气入炉时温度为750-900，送入距竖炉顶部2/3处的还原带。炉料在炉内停留约6小时，含铁矿石被CO和H2还原，被还原的海绵铁的金属铁含量在92%以上。然

19、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30时排出炉外，可保证海绵铁在大气中不再氧化，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CO和 H2（约占70%），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； Fe2O3 3H2 2Fe 3H2O Fe2O3 3CO 2Fe 3CO2,二、钢铁冶炼,（2）煤基法 煤基法使用的煤以烟煤为宜，这种煤能够与CO2反应生成CO（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1150以上，即高于直接还原法操作温度50-100，以避免析出的灰分与炉料和炉墙发生粘连，造成生产

20、操作故障。煤基法使用的煤还要求灰分含量低（25%）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。 此法的重要设备是回转窑。,二、钢铁冶炼,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部位。煤不但是还原剂

21、，同时还提供所需要的热量。 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；还原区-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。 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。SL/RN是由美国、德国、加拿大的4家创立此法的各公司名字的字首缩与而成的。,二、钢铁冶炼,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，使水分蒸发和石灰石分解，达

22、到800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CO气体，CO在氧化区被燃烧成CO2，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8-10h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。 若炉料在回转窑中经过预热和还原后，再进一步提高温度（1250）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，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，这就是回转窑粒铁法。此法由于作业率低、产量小、耐火材料消耗

23、高等重在缺点，近年来逐渐被淘汰。,二、钢铁冶炼,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。 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；而直接还原炼铁法产品是海绵铁，代替废钢供电炉炼钢使用。 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。,2.熔融还原炼铁法,二、钢铁冶炼,工艺流程 熔

24、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20世纪70年代始，国内外研究开发的大多数是二步法。 Corex 法是奥地利和德国于20世纪70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，再加

25、上煤气除尘和调温系统组成。,二、钢铁冶炼,1-熔融气化炉； 2-预还原竖炉； 3-煤仓； 4-热旋风除尘器； 5-煤气冷却器； 6-炉顶煤气冷却器； 7-铁矿石； 8-煤及石灰； 9-外供煤气； 10-氧； 11-铁水及炉渣； 12-原料气； 13-冷却气； 14-还原气； 15-炉顶煤气。,二、钢铁冶炼,Corex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95%，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续均匀

26、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，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。氧气将燃烧成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800-850，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。,二、钢铁冶炼,1.3 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。 目前各国采用的炼钢方法有转炉炼钢、电

27、炉炼钢和平炉炼钢等，而主要发展趋势为纯氧顶吹转炉炼钢。至1976年，转炉钢已占世界钢总产量的70。,二、钢铁冶炼,炼钢的基本过程：,铁元素的氧化： 2FeO22（FeO）,Si Mn P C,(FeO）,（SiO2） （MnO） （P2O5） （CO）,Fe,铁元素的再还原：,二、钢铁冶炼,2P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + 4CaOP2O5 FeS + CaO = FeO + CaS,由于P、S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除。,造渣除P、S：,二、钢铁冶炼,炼钢技术的发展，已有200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。 现

28、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）。 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“平炉”。这种炼钢法也称为“平炉炼钢法”。也就是今天的平炉，并用于炼钢生产，平炉炼钢法，扩大了原料的来源，生铁，废钢、铁屑、熟铁、铁矿石均可。所以在20世纪60年代以前，得到迅速发展。进而发展成为风行世界的主要炼钢方法。,二、钢铁冶炼,五十年代以前，平炉钢占世界钢产量的85。近年来，除浇铸大型铸件或供水压机等成材的大钢锭，平炉炼钢仍在发挥其作用外，由于纯氧顶吹转炉炼钢技术的发展，转炉钢的产量大幅度增长，世界各国平炉钢产量才逐年下降。 平炉炼钢法的最

29、大缺点是冶炼时间长（一般需要68h），燃料耗损大（热能的利用只有2025），基建投资和生产费用高。一个年产1200万吨钢的钢厂，只要建成六个250300t的纯氧顶吹转炉就够了，如果修建平炉却需要500t的大型平炉3040座。 虽然目前世界上仍在生产的平炉已普遍采用氧气炼钢，生产率有较大的提高，但除尘系统复杂，投资高昂，因此平炉炼钢不再发展，甚至有拆除改建为顶吹或底吹转炉的趋势。,二、钢铁冶炼,碱性平炉炼钢：以液态生铁或废钢为原料；利用炉气和矿石供氧；以气体或液体燃料供热。,二、钢铁冶炼,3.1.1.3 转炉炼钢过程,1.4 转炉炼钢过程,这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使

30、杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。 转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，炉侧有许多小孔（风口），压缩空气从这些小孔里吹炉内，又叫做侧吹转炉。开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化(FeO,SiO2,MnO)生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。,二、钢铁冶炼,几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一

31、氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。 当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需15分钟左右。如果空气是从炉低吹入，那就是低吹转炉。随着制氧技术的发展，现在已普遍使用氧气顶吹转炉（也有侧吹转炉）。这种转炉如吹的是高压工业纯氧，反应更为剧烈，能进一步提高生产效率和钢的质量。,二、钢铁冶炼,目前纯氧顶吹转炉随着氧枪的多孔喷头的研制成功

32、，大大提高了单位时间内的供氧量，并由于操作技术上的革新（例如，用电子计算技术来调节、控制冶炼过程），不论转炉容量的大小，吹炼时间基本上相差不多，即使300t转炉，净吹氧时时也可缩短到12min左右。 在一定限度内，炉容量越大，经济效果越好，因此顶吹转炉迅速走向大型化。现在世界上最大的转炉为350t，并且正在研究建造400450t转炉。,二、钢铁冶炼,转炉的结构图,氧气顶吹转炉炼钢法,二、钢铁冶炼,电炉炼钢法主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000。冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高。 以废钢为原料的电炉炼钢，比之高

33、炉转炉法基建投资少，同时由于直接还原的发展，为电炉提供金属化球团代替大部分废钢，因此就大大地推动了电炉炼钢。世界上现有较大型的电炉约1400座，目前电炉正在向大型、超高功率以及电子计算机自动控制等方面发展，最大电炉容量为400t。 国外150t以上的电炉几乎都用于冶炼普通钢，许多国家电炉钢产量的6080均为低碳钢。我国由于电力和废钢不足，目前主要用于冶炼优质钢和合金钢。,1.5 电炉炼钢,二、钢铁冶炼,电弧炉炼钢：,利用石墨电极和金属炉料之间形成的电弧高温加热和熔化金属，金属熔化后加入铁矿石、熔剂等，并吹氧，以加速钢中的碳、硅、锰、磷等元素的氧化。当碳、磷含量合格时，扒去氧化性炉渣再加入石灰、

34、萤石、电石、硅铁等造渣剂和还原剂，形成高碱度还原渣，脱去钢中的氧和硫。,二、钢铁冶炼,（1）电炉炼钢的分类及功用 电炉炼钢是用电作为热源进行钢铁冶炼的方法，它有两种形式：一是电弧炉，一是感应炉。 感应炉只发生熔化而不发生冶炼作用，因此可按照需要的成分预先配好人炉原料。感应加热时产生的涡流，对熔体有搅动作用，使钢的成分均匀一致。电炉可以冶炼各种性能的合金钢。 利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。气体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在3000以上。对于熔炼金属，电弧炉比其他炼钢炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼。电弧炉按电弧形式可

35、分为三相电弧炉、自耗电弧炉、单相电弧炉和电阻电弧炉等类型。,二、钢铁冶炼,电弧炼钢炉的炉体由炉盖、炉门、出钢槽和炉身组成，炉底和炉壁用碱性耐火材料或酸性耐火材料砌筑。 电弧炼钢炉按每吨炉容量所配变压器容量的多少分为普通功率电弧炉、高功率电弧炉和超高功率电弧炉。 电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢。 电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利。 电弧炉炼钢发明后不久，就用于冶炼合金钢，并得到较大的发展。,二、钢铁冶炼,（2）电炉炼钢的工艺流程 造渣：调整钢、铁生产中熔渣成分、碱度和粘度及其反应能力的操作。目

36、的是通过渣金属反应炼出具有所要求成分和温度的金属。例如氧气顶吹转炉造渣和吹氧操作是为了生成有足够流动性和碱度的熔渣，以便把硫、磷降到计划钢种的上限以下，并使吹氧时喷溅和溢渣的量减至最小。 出渣：电弧炉炼钢时根据不同冶炼条件和目的在冶炼过程中所采取的放渣或扒渣操作。如用单渣法冶炼时，氧化末期须扒氧化渣；用双渣法造还原渣时，原来的氧化渣必须彻底放出，以防回磷等。,二、钢铁冶炼,炼钢： 生铁 钢,(1)需要做到：,降：降低含碳量,除：除去硫、磷等杂质,调：调节合金元素的含量,（2 )基本反应原理：,利用氧化还原反应，在高温下，用氧化剂（用纯氧气）把生铁中过多的碳和其它杂质氧化除去。,（4）炼钢设备：

37、 转炉，电炉，平炉,（3）炼钢的原料：生铁，氧气，生石灰，硅铁和锰铁,二、钢铁冶炼,生铁和钢的比较,二、钢铁冶炼,炼铁和炼钢的比较,二、钢铁冶炼,（1）炉外精炼的含义 （2）炉外精炼的方法 （3）炉外精炼要完成的任务 （4）精炼手段,1.6 电炉炼钢及炉外精炼,二、钢铁冶炼,将炼钢炉（转炉、电炉等）中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫二次冶金。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。 初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。 精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。 将炼钢分两步进行的好处是：可提

38、高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。 炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等 。,二、钢铁冶炼,炉外精炼的含义,（1）单元操作内容少，功效单一，处理时间短，适用于生产节奏快的情况。 真空处理：真空室处理（VD）、真空浇注、循环脱气（RH）、提升脱气（DH）等； 喷粉处理：SL、TN、KIP、RH-IJ等； 吹氩：吹氩搅拌、罩下吹氩（CAS）、CAS-OB、IR-UT等。 （2）有较多的单元操作，功效较全面，处理时间长，成本较高。 不锈钢脱碳：AOD、VOD、RH-OB等； 加热精炼；

39、VAD、ASEA-SKF、LF等。,炉外精炼的方法,二、钢铁冶炼,（1）降低钢中氧、硫、氢、氮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）调整钢水温度到浇注所要求的范围内，最大限度地减小包内钢水的温度梯度。,炉外精炼要完成的任务,二、钢铁冶炼,渣洗、真空、搅拌、喷吹和加热(调温) 、过滤等,炉外精炼的手段,二、钢铁冶炼,（1）渣洗,获得洁净钢并能适当进行脱氧、脱硫的最简便的精炼手

40、段。 将事先配好(在专门炼渣炉中熔炼)的合成渣倒入钢包内，借出钢时钢流的冲击作用，使钢液与合成渣充分混合，从而完成脱氧、脱硫和去除夹杂等精炼任务。 在电弧炉冶炼中，还有在出钢前控制调整还原渣的成分、流动性和温度，出钢时钢渣混出，借此使钢液与还原渣充分混合，以进步利用还原渣的精炼作用脱氧脱硫，称同炉渣洗，这种工艺也是利用了渣洗原理。,二、钢铁冶炼,（2）真空 将钢水置于真空室内，由于真空作用使反应向生成气相方向移动，达到脱气、脱氧、脱碳等目的。真空是炉外精炼中广泛应用的一种手段。 （3）搅拌 通过搅拌扩大反应界面，加速反应物质的传递过程，提高反应速度。搅拌方法：吹气搅拌和电磁搅拌。 （4）加热

41、调节钢水温度的一项重要手段，使炼钢与连铸更好地衔接。加热方法：电弧加热法和化学加热法。,二、钢铁冶炼,（5）喷吹 用气体作载体将反应剂加入金属液内的一种手段。喷吹的冶金功能取决于精炼剂的种类，它能完成脱碳、脱硫、脱氧、合金化和控制夹杂物形态等精炼任务。 （6）过滤 利用陶瓷过滤器将中间包内钢液中的氧化物夹杂等过滤掉。真空应用最广而且效果明显。吹氩时的氩气泡也可看作小的真空因为其中CO、H2、N2 的分压均很小。,二、钢铁冶炼,钢液的真空处理,（1） 真空冶金的一般规律压力对化学平衡的影响 （2） 金属的真空脱氧 （3） 钢液的真空脱气,二、钢铁冶炼,（1）真空冶金的一般规律 压力对化学平衡的影

42、响,根据麦克斯韦关系式，吉布斯自由能随压力的变化，决定于该物质在该温度下的摩尔体积。 气体物质的摩尔体积大，压力的变化明显地影响气态物质的吉布斯自由能。n摩尔气体在温度不变而气体压力变动的情况下，吉布斯自由能的变化关系可用下式表达。 式中n为气体摩尔数；R为气体常数；T为绝对温度；P1和P2分别为反应的始态与终态时的气体压力。,二、钢铁冶炼,1）当反应生成物为气体时，降低系统的压力，反应仍具有自发进行的趋势，也就是提高真空度可使已达到平衡的反应向产生气体的方向继续进行。 2） 在常压下适用的物理化学基本规律在高真空条件下（如1Pa）仍然是适用的。 3）压力的变化使冶金物理化学理论分析增加了一个

43、变量。 在常压下往往将相律公式简化为F=C-P+1，但当压力变化时，相律公式仍应恢复为F=C-P+2,二、钢铁冶炼,（2）金属的真空脱氧,真空条件下碳的脱氧能力 在常压下进行冶炼时，碳的脱氧能力较低，必须使用强脱氧剂进行终脱氧。碳的脱氧产物是CO气体，在降低压力后，平衡向产生CO气体方向移动，使碳的脱氧能力提高。 真空条件下，碳的脱氧能力可以达到和硅、铝相近的水平，当钢液中C、O含量不高时，可用浓度代替活度。因为K和m在一定温度下是常数，所以真空可以使碳的脱氧能力提高。 在实际情况下，碳的脱氧能力并不能达到热力学计算的那样强的水平，提高真空度不能使碳的脱氧能力无限提高。 在生产实践中不管采用哪

44、一种真空熔炼或处理装置，钢液在真空下由碳脱氧后，其残存的氧含量总是大于按热力学计算的值。,二、钢铁冶炼,电渣冶金,国外电渣冶金发展概况 一九四年虽然霍普金斯已取得了发明专利，但是由于当时技术上的封闭和不成熟，以及理论上存在着电渣冶金是埋弧过程的错误的主导思想，致使电渣冶金的发展长期处于停滞状态。现代电渣冶金技术是由前苏联发展起来的。乌克兰巴顿电焊研究院在埋弧焊接过程中偶然发现，过多的渣液会使电弧熄灭，并使操作变得平稳，于是发明了电渣焊。并在电渣焊的基础上开发出电渣冶金技术。一九五八年，乌克兰德聂泊尔特钢厂建成了世界第一台0.5t工业电渣炉，使电渣冶金进入了工业化生产进程。,二、钢铁冶炼,. 2

45、9/03/1916-19/03/2000,二、钢铁冶炼,进入六十年代，出于航空航天及军备竞赛的需要，苏联对电渣冶金开展了大量的研究工作，并曾一度把发展电渣冶金作为苏联的第二党纲，极大地推动了电渣冶金的发展。而美国和西欧的一些国家，在真空电弧重熔与电渣金熔经历了七年激烈竞争后确认，电渣重熔不仅设备简单，易于操作，成本较低，在质量方面，除去气不及真空电弧重熔外，结晶组织、钢锭表面、脱硫及去除夹杂物的能力均优于真空电弧重熔。 多年来，国外电渣冶金已不满足于一般电渣锭的生产，在工业技术成熟的基础上向着更深更广的领域发展，形成了一个跨专业、跨行业的新学科。已开发出的工艺技术有：电渣熔铸、电渣浇注、电渣转

46、注、电渣热封顶、电渣离心浇注、电渣复合熔铸及快速电渣重熔等。 尤其值得重视的是电渣熔铸异形件的发展，小到几十克重的不锈钢假牙齿，大到几十吨重的发电机转子，直至重量超过百吨的水泥回转窑炉圈等，均可不经锻造在异形水冷结晶器中直接熔铸成型。现在电渣熔铸的主要产品有大型发电机转子、水轮机叶片、船舶柴油机大型曲轴、各种高压容器、大型环件、各类轧辊、模具、透平涡轮盘、厚壁中空管、石油裂化管、齿轮毛坯、三通管、核电站压水堆主回路管道等。种类规格之多，形状之复杂不胜枚举。,二、钢铁冶炼,二、钢铁冶炼,乌克兰巴顿电焊研究所电渣工艺中的物理冶金研究室，由列夫.密多瓦尔博士领导，主要的科研方向是： -应用液态添加金

47、属和电渣重熔钛和钛合金的电渣工艺的研究； -用于新型优质和安全（可靠）的金属结构材料的电渣过程及生产工艺的基础研究和应用研究。 上述科研方向一些实际的设计和应用成果： 本研究室的科学研究成果前苏联时期在冶金和机械制造工业中得到了广泛的应用。近些年其中最著名的一个成果就是带有高速钢表面层的轧机复合轧辊的制造，其寿命比普通的生铁轧辊高五倍多。其基本的工艺路线是电渣熔焊-液态金属添加。该工艺在乌克兰“新克拉玛托夫斯克机械厂”已经得以实现。 研究室开发出基于电渣重熔方法制造复合坯料的新工艺，这种新的流程能够将化学成分相差很大的不同材料复合在一起，并保证各层之间高质量的熔融，和最小稀释度。新工艺实现了工

48、具钢-碳钢、含镍高温合金-碳钢、铜-钢复合双金属钢锭的生产。,二、钢铁冶炼,二、钢铁冶炼,Macrostructure of ESS LM HSS Roll billet,二、钢铁冶炼,Macrostructure of ESS LM HSS Roll billet,二、钢铁冶炼,(x 100),Core,Clad layer,Transition zone at HSS roll,二、钢铁冶炼,二、钢铁冶炼,冶炼金属的方法很多，其实质是用还原的方法，由于金属的化学活动性不同，金属离子得到电子还原成金属原子的能力也不同，因此就必须采取不同的冶炼方法。工业上冶炼金属一般用热分解法、热还原法或电解

49、法。现简单介绍如下,冶炼金属的方法,二、钢铁冶炼,1热分解法 有些不活泼金属仅用热分解法就能制得。在金属活动性顺序中，位于氢后面的金属的氧化物受热就能分解，例如： 2HgO = 2HgO2 2Ag2O = 4AgO2,二、钢铁冶炼,2热还原法 多数金属的冶炼过程属于热还原法。常用的还原剂有焦炭、一氧化碳、氢气和活泼金属等，例如： MgOC = MgCO Fe2O33CO = 2Fe3CO2 WO33H2 = W3H2O Cr2O32Al=2CrAl2O3,二、钢铁冶炼,3电解法 在金属活动性顺序中，钾、钠、钙、铝等几种金属的还原性很强，这些金属都很容易失去电子，因此不能用一般的方法和还原剂使其

50、从化合物中还原出来，而只能用通电分解其熔融盐或氧化物的方法来冶炼。 2Al2O3 = 4Al3O2 2NaCl = 2NaCl2 对于某些不活泼金属，如铜、银等，也常用电解其盐溶液的方法进行精炼，但电解法要消耗大量电能，成本较高。,二、钢铁冶炼,1.1 铝突出的化学性质（亲氧性）,（1）接触空气或氧气 形成一层致密的氧化膜，覆盖阻止内层铝被氧化； 铝不溶于水和酸、在空气中或水中稳定。,三、有色金属的生产,1. 金属铝的冶炼,（2）放入汞盐 形成铝汞齐，在潮湿的空气中即长出胡须状的“白毛”立即放出大量的热，投入水中，放出H2。 3HgCl2+2Al=2AlCl3+Hg， Al+Hg=Al(Hg)

51、 Hg占据Al表面，使Al疏松 4Al(Hg)+3O2+2XH2O 2Al2O3XH2O (白毛)+ (Hg) 2Al(Hg)+6 H2O 2Al(OH)3+3H2+ (Hg),三、有色金属的生产,（3）铝热法的基本原理： 2Al + 3/2 O2 = Al2O3 fH=-1669.7kJ/mol fH1000k=-3339kJ/mol 氧化物 CaO MgO NiO Cr2O3 SiO2 Fe2O3 fH /kJmol-1 -635.5 -601.8 -245 -1129 -859.4 -822.2 2Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2Fe rH0 (-847.5kJ/mol) 温

52、度可达3273K，使铁熔化，焊热铁轨，冶金上冶炼Ni、Cr、Mn、V等难熔金属。,三、有色金属的生产,（4）两性 高纯铝(99.95%)不与一般酸作用，只溶于王水； 普通铝能被冷浓硫酸或浓、稀硝酸所钝化； 2Al+6H2SO4=3Al2(SO4)3+SO2+6H2O； Al2O3、Al(OH)3具两性。,三、有色金属的生产,1.2 金属铝的冶炼,Hell-Heroult法 1886年美国霍尔、法国厄鲁尔（两人均出生在1863年，死于1914年，发明时22岁）分两步进行： 1从铝钒土中提取Al2O3 Al2O3+2NaOH+3H2O=2NaAl(OH)4 2NaAl(OH)4+2CO2 = Al

53、(OH)3+Na2CO3+H2O Al(OH)3 = Al2O3+ 3H2O,三、有色金属的生产,三、有色金属的生产,2电解Al2O3得Al 电解质：Al2O3 ,2%-8%冰晶石Na2AlF6 10%CaF2作助熔剂，降低电解质的溶融温度(Al2O3bp2273K, 电解质bp1173-1273K) 阴极（铁质槽壳）:4Al3+ + 12e = 4Al（沉淀于槽底，定时放出） 阳极（石墨）:6O2- -12e = 3O2,三、有色金属的生产,铝的生产流程示意图,三、有色金属的生产,三、有色金属的生产,金属镁及其合金具有密度小、比强度和比刚度高、导电导热性能较好、阻尼减震和电磁屏蔽性能良好、易

54、于加工成型、废料容易回收等优点，广泛应用于航天航空、交通运输、电子技术、光学器材、精密机械、日用商品等领域。由此镁及镁合金获得“21世纪的绿色工程材料”的美誉。 镁合金制造的汽车零部件，可减轻汽车自重、提高燃料利用率、减少环境污染；采用镁合金制造飞机、导弹、飞船、卫星、轻武器等重要武器装备零部件，意味着武器射程、命中率和飞行器机动性能的提高，航天器发射成本的降低；镁合金用于制造手机、笔记本电脑和数码相机等数字产品的外壳,具有强度高、美观及电磁屏蔽等优点。,2. 金属镁的冶炼,三、有色金属的生产,皮江法制镁原理,皮江法是1940年左右发展起来的一种炼镁方法，原料是白云石和硅铁，往细磨的原料中添加2.5%的萤石，经混合后压成坚实的团块。,三、有色金属的生产,生产方式为间歇式的，可分为3个步骤 （1）预热期：装料后，预热炉料，排除炉料中的二氧化碳与水分。 （2）低真空加热期：盖上蒸馏罐的盖子，在低真空条件下加热。 （3）高真空加热期：罐内真空度保持13.3133.3Pa，温度达1200左右，由于外面水箱的冷却作用，钢套的温度大约250，镁蒸气冷凝在钢罐中的钢套上。 最终，切断真空，将盖子打开，取出冷凝着镁的钢套。