第2章-金属材料的冶炼

1、中国是使用铁器最早的国家之一，但是中国炼铁技术究竟在什么时候发明的问题，学术界还没有一致的结论。不少学者都认为中国开始用铁的时候在春秋、战国之间。这种说法最早是由章鸿钊先生在中国铜器铁器时代沿革考中提出的，其结论是： (1)中国开始用铁的时代在春秋、战国之间，即公元前5世纪。由于吴、楚等国冶铁技术渐精，开始制作铁兵器，但当时兵器还是以铜制为多。 (2)中国铁器的渐盛时代在战国到西汉，即从公元前4世纪到公元开始的时候。这时农具及日用器具已多用铁制，但兵器还兼用铜铸造。 (3)中国铁器的全盛时代在东汉以后，即公元1世纪以后。东汉兵器已都用铁锻制，此后铜渐缺乏，甚至禁止用铜器。,概述,谢谢您的观看,

2、战国时期冶铁残炉遗址,酒店冶铁遗址位于河南省驻马店市西平县境内的酒店村，是我国战国时期三大冶铁遗址之一。总面积约两万八千平方米，南部地面尚存一座目前发现最早的，全国仅有的战国冶铁残炉。,位于郑州市西北二十多公里的惠济区古荥镇(荥阳故城)西墙外。考古发掘表明，古荥汉代冶铁遗址是汉代国家治铁专营时期河南郡第一冶铁作坊，出土铁器经过部分金相检测,有灰口铁、白口铁、麻口铁、铸铁脱碳钢、古代球墨铸铁等 。,郑州古荥汉代冶铁遗址,汉代冶炼作坊的铁矿渣和红烧土,在济南老城区运署街考古发掘现场出土的铁矿渣和红烧土。济南考古研究所经过近一个月的挖掘，证实在济南老城区运署街南侧的山东黄河河务局防汛指挥中心办公楼工

3、地发现的遗址为汉代大型冶铁作坊遗迹。这是山东首次发现大规模的汉代冶炼作坊遗址。,炼铁炉炉壁,炼铁炉遗址,铁厂镇铁炉嘴冶铁场遗址为迄今发现的自贡地区年代最古老的冶铁场遗址。遗址长约500米、宽约300米，整个面积约1.5万平方米。遗址现存炼铁炉一座，铁炉直径3.35米、通高4.4米，基座为长条型耐火石；炉门高77厘米、宽70厘米，炉壁内径1.75米，厚1.08米，表面光滑坚硬。,明代宋应星在天工开物中所附的古代炼铁工艺的示意图。图中的风箱可能是维持反应炉中高温的重要发明之一。,十年左右的时间实现了钢产量翻番,1990-2000年中国钢厂能耗的变化进程,中国钢铁工业的能耗与国际先进水平的,* 除中

4、国的数据是2001年的外，其它均是1994年的数据。,主要国家的铁矿石储量与钢产量,我国冶金资源的缺乏,部分钢铁企业的水资源效率和水循环率,金属材料简介,1.金属材料定义 金属材料是由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。,2.金属材料分类,金属材料,黑色金属,有色金属,特种金属,广义的黑色金属包括铁、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。,指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系

5、数小,包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。,钢和生铁中主要元素的含量（%）,生铁含碳量高，其性质硬而脆，不能锻造，它主要用于铸造电动机壳，变速箱壳体，机床体与支架以及其它机械零件。在世界各国铁产量中，大部分是作为炼钢原料，而只有10%左右用于铸造各种部件和零件。,钢,碳素钢：铁 和碳的和金,合金钢：碳 素钢中加入 铬、锰、钨 、镍、钼、 钴、硅等合 多元素,低碳钢：含碳 量低于0.3%,中碳钢：含碳 量为0.3%0.6%,高碳钢

6、：含碳量 高于0.6%,锰钢,不锈钢,硅钢,钨钢,抗腐蚀性好医疗器械、炊具,导磁性好变压器、发电机芯片,韧性好，硬度大钢轨、铀承,耐高温，硬度大刀具,韧性好焊接性好强度低,强度高韧性好加工性好,硬而脆热处理后弹性好,1.冶金工艺,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。,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、电冶金等。,1.火法冶金,定义：利用高温加热从矿石

7、中提取金属或其化合物的方法。火法冶金是提取纯金属最古老、最常用的方法。 原理：将矿石或原材料加热到熔点以上，使之熔化为液态，经过与溶剂的冶炼及物理化学反应再冷凝为固体而提取金属原材料，并通过对原料精炼达到提纯及合金化，以制备高质量的锭坯。 优点及缺点：火法冶金提取金属，不仅效率高而且成本较低。 缺点是污染环境。,1.火法冶炼的基本过程,火法冶金的工艺流程一般分为矿石准备、冶炼、精炼3个步骤。,脉石获得含较多金属元素的精矿,将处理好的矿石在高温下用气体或固体还原剂还原出金属单体的过程 。所用的还原剂包括焦炭、氢和活泼金属。,对冶炼制取的粗金属原料进行提高纯度及合金化的处理过程,2.火法冶金的主要

8、方法,火法冶金,提取 冶金,真空 冶金,喷射 冶金,氯化 冶金,2.湿法冶金,湿法冶金是指利用一些溶剂的化学作用，在水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。 湿法冶金包括浸取、固液分离、溶液的富集和从溶液中提取金属或化合物等4个过程。,离 子 浸 取,固 液 分 离,金属或化 合物提取,溶 液 富 集,3.电冶金,定义：利用电能从矿石或其他原料中提取、回收或精炼金属的冶金过程称为电冶金。电冶金包括电热熔炼、水溶液电解和熔盐电解等方法。,1.电热熔炼,直接用电加热生产金属的一种冶金方法。电热熔炼包括电弧熔炼、等

9、离子熔炼和电磁熔炼等。,2.水溶液电解,在电冶金中，应用水溶液电解精炼金属称为电解精炼或可溶阳极电解；而应用水溶液电解从浸取液中提取金属称为电解提取或不溶阳极电解。,电解精炼,电解提取,3.熔盐电解,2.钢铁材料的制备,Fe在地壳中的含量为5左右，在金属中仅次于铝。铁的化学性质较为活泼，铁容易与其它元素化合，特别是与氧化合，除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，因此自然界中的铁都是以铁的化合物形式存在的。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。 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

10、中还原，并使还原出的铁与脉石分离。,（高炉的还原过程） （氧化过程） 铁矿石 炼铁 炼钢铸锭（连铸） 轧制 钢材 铸造生铁 铸造 新流程：直接氧化电弧炉炼钢连铸连轧,钢铁冶炼的基本过程,1.生铁的冶炼,生铁是用铁矿石在高炉中经过一系列的物理化学反应过程冶炼出来的。,宝钢高炉全貌,炼铁高炉实物图,高炉炼铁过程示意图,1.高炉原料,铁矿石,赤铁矿,磁铁矿,菱铁矿,褐铁矿,(1)磁铁矿石。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

11、晶形态，但无磁性，被称为假象赤铁矿或半假象赤铁矿。 (2)赤铁矿石。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。,(3) 褐铁矿石 。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。 (4)菱铁矿石。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，含铁量不高，但受热分解放出CO2后，不仅

12、含铁量显著提高，而且也变得疏松多孔，易还原。,(a)破碎和筛分,(b)选矿,(c)烧结和造块,烧结球团,烧结矿,熔剂,（a）作用： 形成低熔点易流动的炉渣、脱S（碱性熔剂） （b）种类：,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焦炭作燃料。在高炉炼铁中，焦炭起三种作用： (a)提供冶炼所需的热量； (b)还原矿石所需的还原剂； (c)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。,燃料,用于高炉的燃料应满足以下几条要求,2.高炉生产过程 进入高炉有铁矿石、熔剂、焦炭等原料，热空气经环风管吹入高炉；焦炭即作为燃料又是还原剂，有一部分与铁化合；石灰石与脉石反

13、应生成炉渣，并与矿石中的硫反应，将其带入渣内 。,高炉治炼过程示意图 1-料斗； 2-大钟； 3-焦炭； 4-燃料带； 5-炉渣； 6-铁水； 7-渣罐； 8-铁罐； 9-铁口； 10-风口； 11-矿石；12-上升煤气,3.高炉的冶炼理化过程： 1） 燃烧过程:CO2 CO2 CO2在上升过程中：CO2C CO 2） 溶剂分解:CaCO3CaO CO2 3） 铁的还原:FeOCOCO2Fe(间接还原) FeOCFeCO （直接还原） 4）增碳：铁水在与焦碳的接触中会增碳扩散过程， 使铁水被C所饱和。 5）其他元素的还原: Mn，Si 部分被还原，被还原后进入铁水中 Al不被还原，只能和熔剂形

14、成渣 6）去S: FeSCaOCaSFeO 7）P： Ca3(PO4)2C CaOPCO 所以在铁水中： C饱和，溶有部分的Mn，Si，S以及全部的P。,生铁（主要产品）： 由Fe和C、Si、Mn、P、S等元素组成的合金，有以下几种： 铸造生铁:特点是含硅较多，其中的碳以游离的石墨存在，断面呈灰色在，故又称灰口铁。 炼钢生铁。碳以化合物Fe3C的形式存在，断面呈银白色，故又称白口生铁。 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26左右的CO，用作燃料。,4.高炉产品,2.钢的冶炼,1.钢和生铁的主要区别,人们由铁矿中提取铁，将矿石、焦炭

15、和石灰石（助熔剂）在高炉中冶炼，使氧化铁还原成生铁（或铸铁）。所得生铁一般含铁9095，碳34.5和少量的硅、锰、硫、磷等。生铁是炼钢或熟铁（锻铁）的原料,含碳量在0.21.7之间的铁合金称为钢,含碳量小于0.2的为熟铁。生铁在平炉、转炉或电炉中进一步冶炼除去碳、硅、磷等杂质，可得各种组成的钢。 因此，钢和生铁都是铁基合金，都含碳、硅、锰、硫、磷5种元素。其主要区别如下表所示,2.炼钢的基本任务,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，使之成为具有性能优良的钢。炼钢的基本任务可归纳如下： 1)脱碳。在高温溶融状态下进行氧化熔炼，把生铁中的碳氧

16、化降低到所炼钢号的规格范围内，是炼钢过程的一项最主要任务。 2)去磷和去硫。把生铁中的有害杂质磷和硫降低到所炼钢号的规格范围内。 3)去气和去非金属夹杂物。把熔炼过程中进入钢液中的有害气体(氢和氮)及非金属夹杂物(氧化物、硫化物和硅酸盐等)排除掉。,4)脱氧与合金化。把氧化熔炼过程中生成的对钢质有害的过量的氧(以FeO形式存在)从钢液中排除掉；同时加入合金元素，将钢液中的各种合金元素的含量调整到所炼钢号的规格范围内。 5)调温。按照熔炼工艺的需要，适时地提高和调整钢液温度到出钢温度。 6)浇注。把熔炼好的合格钢液浇注成一定尺寸和形状的钢锭或连铸坯，以便下一步轧制成钢材。浇注包括铸锭或连续铸钢。

17、 值得强调的是，炼钢过程主要是氧化过程。,3.钢的性能,钢的性能包括物理性能、化学性能、工艺性能和力学性能。从事钢铁冶炼工作的人员必须了解钢的性能并应用于实践。 钢的力学性能 在生产实践中钢铁材料的外力作用下会变形、断裂，当外力限制在某一范围内时，它就不会发生宏观变形或变形后并不断裂，这就是钢的一种力学性能。 由钢制成的各类零部件和设备，在使用过程都会受到不同形式的外力作用，通常称这种外力为载荷。钢抵抗载荷作用的种种特性，就称为钢的力学性能。,根据载荷作用性质的不同，它可以分为静载荷、冲击载荷和疲劳载荷三种 静载荷：指在长时间内持续作用的大小和方向不变化或变化很小的载荷； 冲击载荷：指在短时间

18、内突然增加的载荷； 疲劳载荷：指大小和方向作周期性变化的动载荷。 根据载荷作用方式的不同，它可以分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷。,钢铁材料受载荷作用后，所引起的几何形状和尺寸的变化称为变形。,变形有弹性变形和塑性变形两种。,弹性变形：指材料受外力的作用发生变形后，能随外力的去除而变形消失，这种变形称为弹性变形； 塑性变形：指材料受外力的作用发生变形后，当载荷去除后变形仍不消失，这种变形称为塑性变形。 钢的力学性能通常包括强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 强度：钢在载荷作用下，抵抗塑性变形或断裂的能力称为钢的强度； 塑性：指金属材料在外力作用下，能够稳定地发生永久变形并

19、能继续保持其完整性而不被破坏的性能； 硬度：指材料对更硬物体压入其基体时所表现的抵抗力；,韧性：指钢材抵抗冲击载荷作用而不被破坏的能力。 疲劳强度：在交变应力的作用下，金属材料发生突然断裂的现象称为疲劳。钢材抵抗疲劳的能力用疲劳强度来衡量，它是金属材料在无数次对称循环的交变载荷作用下而不破坏的最大应力。 钢的物理性能 钢的物理形态有液态(钢水)和固态(钢锭、钢坯和各种钢材)，这里只介绍固态钢的物理性能。 钢的物理性能包括：密度、熔点、热膨胀性、磁性 密度：通常固态钢的密度为7.87.9 g/cm3 熔点：钢的组成不同，其熔点也不同，正常情况下碳钢的熔点在14501500.,热膨胀性：钢的体积随

20、温度而变化称为钢的热膨胀性。 磁性：金属被磁场磁化或吸引的性能称为磁性。钨钢和铬钢被磁化后磁性不会消失，称为硬磁性材料，可用来制造永久磁铁；硅钢磁化后随着磁场消失而失去磁性，称为软磁性材料，可用来制作电机和变压器的铁心。 钢的化学性能,钢的工艺性能,4.炼钢的基本过程,元素的氧化 炼钢的主要途径是向液体金属供氧，使多余的碳和杂质元素被氧化去除。炼钢过程可以直接向高温金属熔池吹入工业纯氧，也可以利用氧化性炉气和铁矿石供氧。氧进入金属溶液后首先和铁发生氧化反应：,2FeO22（FeO）,然后FeO再和金属中的其它元素发生氧化反应：,造渣脱磷和脱硫 由于P、S元素的存在严重影响钢的性能，所以必须脱除

21、。在采用碱性氧化法炼钢时，可通过加入石灰石造渣的方法去除磷和硫这两种元素：,2P + 5FeO + 4CaO = 5Fe + 4CaOP2O5 (进入熔渣) FeS + CaO = FeO + CaS (进入熔渣),脱氧及合金化 随着金属液中碳和其他杂质元素的氧化，钢液中溶解的氧(以FeO形式存在)相应增多，致使钢中氧夹杂含量升高，钢的质量下降，而且还有碍于钢液的合金化及成分的控制。因此，冶炼后期对钢液进行脱氧处理，通常加入硅铁、铝或镁等易氧化元素完成。,合金化：钢液脱氧后可以向钢液中加入所需要的各种元素，进行合金化处理，以将钢液调整到规格要求的成份，最后浇铸成锭坯。 5.常用的炼钢方法,碱性

22、平炉炼钢,1)概述 1856年威廉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，可节省50的燃料。将此法用于炼钢，是在炉的两端建有放置 “砖格”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，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。1868年威廉西门子用生铁和铁矿石炼钢成功。这种炼钢法被称做 “西门子马丁炼钢法”。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

23、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。虽然平炉冶炼的时间比较长(一般为24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、铁屑、熟铁、铁矿石均可，炼出的钢质量稳定、均匀，在1930年到1960年的30年间，世界每年钢的总产量近80%是平炉钢。50年代初期氧气顶吹转炉投入生产，从60年代起平炉逐渐失去其主力地位。,2)设备 平炉炉体由上、下两部分组成。上部包括熔炼室、炉头，下部结构包括沉渣室、蓄热室、换向阀及排烟系统等。上下两部分由上升道连接。以炉门中心线为界，平炉两

24、边是完全对称的。,熔炼室 是加热和熔炼的空间，为平炉的主要部分。由炉底、前后墙及炉顶等耐火材料砌体所组成，并用钢结构加固。 炉头 熔炼室两端各有一个炉头，是供引入燃料和空气进行混合燃烧，产生合理火焰，同时可以从熔炼室排出废气。炉头内装有重油喷嘴，供给重油和重油雾化剂(蒸气或压缩空气)。 上升道 连接炉头和沉渣室的垂直通道。 蓄热室 内排列着一定高度和适当格孔尺寸的砖格子，其上部与沉渣室相通，下部则通向烟道。,高温废气通过蓄热室，将其大部分热量传给格子砖；换向后，格子砖又将热量传给通入的冷空气或煤气，使其升温。这样不断循环地工作。废气进入蓄热室温度通常为1500-1550，离开蓄热室时约500-

25、700；而空气及煤气经蓄热室加热后的温度为1000-1300。 3 )工艺 废钢矿石法是应用最广泛的平炉炼钢操作方法。金属料中生铁约占50-80%，由于生铁带入大量杂质，为加速供氧，在装料时装入约占金属料重12-20%的铁矿石作氧化剂，故称为废钢矿石法。 废钢矿石法的熔炼过程分为：补炉、装料、熔化、精炼、脱氧和出钢。,（a）补炉期 通常从上炉出完钢至下炉加入原料的一段时间，称为补炉期。常用的补炉材料有镁粉、熟白云石、氧化铁皮等。 （b） 装料期 从装入冷料到兑完铁水，这段时间称为装料期。炉料包括散状料（矿石、石灰、石灰石等）和金属料（轻、重废钢及铁水或生铁块等）。炉料应按一定次序依次从几个炉门

26、装入炉内。若装生铁块，则加在最上层；若装铁水，刚需待冷料装完并加热到表面开始熔化时，再将铁水兑入。 （c）熔化期 从兑完铁水到炉料全部熔化完毕，这段时间称为熔化期，约占总熔炼时间的30-50%。为缩短熔化期，应向平炉供给最大热量，并采用吹氧强化措施。熔化期的重要操作是及时放出初期渣和提前造渣，以达到去除磷，硫并获得,合适熔毕碳的目的，同时为精炼操作创造良好条件。当炉料全部熔清后，取样分析，以确定精炼期操作。当温度和炉渣均达到规定要求时，熔化期结束进入精炼期。 （d）精炼期 自熔毕到脱氧（炉内脱氧）或出钢（炉外脱氧），这段时称为精炼期。,电弧炉炼钢,1 )概述 电炉炼钢，主要是指电弧炉炼钢，是目

27、前国内外生产特殊钢的主要方法。20世纪初赫劳特等发明了电弧炉炼钢，作为熔炼特殊钢和高合金钢的方法，并获得稳步的发展。目前，世界上95%以上的电炉钢是电弧炉生产的，还有少量电炉钢是由感应炉、电渣炉等生产的。电弧炉根据炉衬性质不同，分为酸性炉和碱性炉，酸性电弧炉因对炉料要求,很严格，一般只有少数机械厂采用。所以，所谓电弧炉炼钢，通常是指碱性电弧炉炼钢。 电弧炉炼钢是以电能作为热源，靠电极与炉料间放电产生电弧，用电弧的热量来熔化炉料并进行必要的精炼，冶炼出所需钢和合金的炼钢方法。 电弧可以通过电流、电压加以控制，因此电弧炉较其它炼钢方法具有独特的优点：废气带走的热量相对较少，热效率比较高，其热效率可

28、达65%以上；温度高，电弧区划温度高达3000以上，可快速熔化种种炉料，并使钢水加热到大于1600；同时温度容易调整和控制，可满足冶炼不同钢种的要求；炉内气氛可以控制，既可造成氧化性气氛，又可造成还原性所氛，因此，不仅能去除钢中的磷，而且还具有很强的脱氧、脱硫能力，故钢中非金属夹杂物含量相对较低，合金元素收得率也相对较高，钢的成,分容易控制，适于冶炼各种合金钢及优质钢；可用100%的废钢进行熔炼，而且与其它炼钢法相比，设备比较简单。 但是，电弧炉也存在一些不足之处，如由于电弧炉的离解作用，使空气和水蒸气离解出大量氢和氧，在还原期易被钢水吸收，因些，电炉钢若不经特殊处理，其氢、氧含量一般比转炉钢

29、高；由于电弧炉是点热源，炉内温度分布不均匀，熔池平静时，各部位的钢水温度相差较大，尤其大炉子更为突出。,2)设备 电弧炉的构造主要是由炼钢工艺和工艺装备水平来决定的，同时又与电炉的容量大小、装料方式、传动方式等有关。 电炉设备的分类方法有很多：,按炉衬耐火材料的性质：酸性电炉、碱性电炉； 按电流特性：交流电炉、直流电炉； 按功率水平：普通功率电炉、高功率电炉、超高功率电炉； 按废钢预热：竖炉，炉料连续预热电炉； 按出钢方式：槽式出钢电炉，偏心底出钢(EBT)电炉、中心底出钢(CBT)电炉、水平出钢(HOT)电炉； 按底电极形式：触针式、导电炉底式、金属棒式直流炉,炉体是电炉的最主要装置，用来熔

30、化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉的炉体由金属构件和耐火材料砌成的炉衬两部分组成，分为炉壳、炉盖、倾动机构、电极装置、炉顶装料系统、电炉电气设备等。,电弧炉示意图1-倾炉用液压缸；2-倾炉摇架；3-炉门；4-熔池；5-炉盖；6-电极；7-电极夹持器（连接电极升降装置）；8-炉体；9-电弧；10-出钢槽,3 )主要工艺流程 碱性电弧炉的工艺操作可分为两种：氧化法和不氧化法。不氧化法也称为返回冶炼法。两者都是用较好的合金废钢作原料，废钢成分与冶炼钢种的成分基本相近似。 氧化法是以一般废钢为原料，冶炼过程中用矿石或氧气来氧化炉料中的杂质，同时通过氧化沸腾过程去除钢水中大部分气体，此法不能回收废钢中的大

31、部分合金元素，但它是电炉冶炼的基本方法，在我国应用最为广泛。 氧化法可分为补炉、装料、熔化期、氧化期、还原期、出钢六个阶段。 （a）补炉 电炉冶炼时，炉衬在高温下不断受到化学浸蚀和机械冲刷，每炼一炉钢后，炉衬都遭到损坏。为了保证正常冶,炼和延长炉衬寿命，每次出钢后必须进行补炉。补炉是用补炉机完成。 （b）装料 装料对熔化时间、合金元素烧损和炉衬寿命有很大影响。对装料的要求是快和密实。 （c）熔化期 电炉炼钢的熔化期是指从通电开始到炉料熔清这段时间，约占全炉冶炼时间的一半左右，占电能消耗的60%-70%。 （d）氧化期 氧化期的任务是进一步脱磷、去除钢中的气体及非金属夹杂物和加热、均匀钢温到出钢

32、要求。 脱磷是氧化期主要任务，炉渣的氧化性、碱度、渣量及渣的流动性是脱磷效果的重要条件。脱磷的反应如下,2P5(FeO) 4(CaO)(4CaOP2O5) 5Fe 加入强碱性氧化物CaO的目的是使P2O5与其生成稳定的磷酸钙，从而提高渣氧化脱磷能力。 脱碳反应是炼钢过程极其重要的化学反应。通过碳的氧化造成熔池的激烈沸腾以去除钢中的气体和非金属夹杂物，同时还有利于熔池的加热，并使钢液的化学成分和温度均匀。 FeO C Fe CO （e）还原期 还原期也叫精炼期，通常是指氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间。主要任务是脱氧、脱硫、调整钢液的化学成分和钢温。 电炉炼钢脱氧方法有：沉淀脱氧、扩散脱氧和综合脱

33、氧。,脱硫：还原期脱硫和脱氧过程是同时进行的。还原期炉温较高，而且由于扩散脱氧的结果，炉渣中的FeO含量已降到0.5%以下，炉渣的碱度也比较高，电炉有充分的脱硫条件。 为了提高脱硫能力，在渣中加入强碱性氧化物，通常用石灰。 (FeS) (CaO)(CaS) （FeO） （f）出钢 当钢液具备以下条件时即可出钢：化学成分全部达到标准；钢液脱氧良好；炉渣为流动性良好的白渣，同时白渣要保持适当的时间；温度要满足规定。,氧气顶吹转炉炼钢,1 )概述 贝塞麦于1856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、磷燃烧掉，只花10分钟就把1015吨铁水炼成钢。

34、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，在酸性转炉环境中，磷很难被氧化除掉。1879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，被氧化的磷与石灰结合起来，残留于渣内而不返回钢内，脱磷问题因此得以解决。 20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。 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。 氧气顶吹转炉是目前的主要办法，国外称LD转炉，美国称BOF炉。氧气顶吹转炉炼钢

35、法反应速度快，生产率高，,不需要燃料,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4050；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。 2 )设备 （a）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、炉体支撑装置和炉体倾动机构等组成。,转炉炉体结构1-炉壳；2-挡渣板；3-托圈；4-轴承及轴承座；5-支撑系统；6-耳轴；7-制动装置；8-减速机；9-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

36、分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。 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。托圈与耳轴连成整体，转炉则坐落在托圈上。 耳轴：转炉工艺要求炉体应能正反旋转360，在不同操作期间，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、出钢和倒渣等操作的要求。,（b）供氧系统设备 炼钢时用氧量极大，要求供氧及时、氧压稳定、