第一章-金属材料的制备.ppt

第一节第一节 冶金工艺冶金工艺 第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼第三节第三节 有色金属冶炼有色金属冶炼第一章第一章 金属材料的制备冶金金属材料的制备冶金1因因此此，要要获获得得各各种种金金属属及及其其合合金金材材料料必必须须首首先先通通过过各各种种方方法法将将金金属属元元素素从从矿矿物物中中提提提提取取取取出出来来，接接着着对对粗粗炼炼金金属属产产品品进进行行精精精精练练练练提提提提纯纯纯纯和和合合合合金金金金化化化化处处处处理理理理，然然后后浇浇浇浇注注注注成成成成锭锭锭锭，加加加加工工工工成成成成形形形形，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。第一节第一节 冶金工艺冶金工艺 绝大多数金属元素（除绝大多数金属元素（除AuAu、AgAg、PtPt外）都以外）都以氧化物、氧化物、碳化物等化合物的形式存在碳化物等化合物的形式存在地壳之中。地壳之中。金金属属的的冶冶金金工工艺艺可可以以分分为为火火法法冶冶金金、湿湿法法冶冶金金、电电冶冶金金等。等。冶金是基于矿产资源的开发利用和金属材料生产加冶金是基于矿产资源的开发利用和金属材料生产加工过程的工程技术。工过程的工程技术。2一、火法冶金一、火法冶金 定义定义定义定义：火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。（干法冶金）合物的方法。（干法冶金）工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程：矿石准备矿石准备矿石准备矿石准备冶炼冶炼冶炼冶炼精炼精炼精炼精炼选矿、干燥、选矿、干燥、焙烧、球化焙烧、球化或烧结或烧结氧化还原提氧化还原提取金属取金属除去杂质除去杂质提纯金属提纯金属第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述3q火法冶金火法冶金 矿石准备矿石准备矿石准备矿石准备：选矿选矿：去除矿石中大量无用的脉石或有害矿物，以获得：去除矿石中大量无用的脉石或有害矿物，以获得含有较多金属元素的精矿。含有较多金属元素的精矿。干燥干燥：去除矿石中的水分，干燥温度一般在：去除矿石中的水分，干燥温度一般在400400600600。焙烧焙烧：在一定的气氛下，将矿石加热到一定温度（低于：在一定的气氛下，将矿石加热到一定温度（低于熔点），使之发生物理化学变化以适应下一步冶金过程的熔点），使之发生物理化学变化以适应下一步冶金过程的要求。要求。烧结和球团烧结和球团：选矿得到的细精矿不宜直接使用，需先加：选矿得到的细精矿不宜直接使用，需先加入溶剂再高温烧结成块，或添加粘结剂压制成型或滚成小入溶剂再高温烧结成块，或添加粘结剂压制成型或滚成小球再烧结成球团。球再烧结成球团。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述4q火法冶金火法冶金 冶炼冶炼冶炼冶炼：将处理好的矿石，在高温下通过氧化还原生成粗：将处理好的矿石，在高温下通过氧化还原生成粗金属和炉渣的过程。金属和炉渣的过程。还原冶炼还原冶炼：使金属氧化物在高温熔炼炉还原性气氛下被还使金属氧化物在高温熔炼炉还原性气氛下被还原成熔体金属的冶炼方法。原成熔体金属的冶炼方法。加入的炉料：富矿、烧结矿、球加入的炉料：富矿、烧结矿、球团矿；造渣用的石灰石、石英石的溶剂；还加入焦炭、煤，团矿；造渣用的石灰石、石英石的溶剂；还加入焦炭、煤，既作为发热剂，产生高温，也作还原剂，使金属化还原。既作为发热剂，产生高温，也作还原剂，使金属化还原。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述5q火法冶金火法冶金造锍冶炼造锍冶炼：属氧化冶炼。主要用于处理硫化铜矿或硫化镍矿。：属氧化冶炼。主要用于处理硫化铜矿或硫化镍矿。生产上利用铜、镍、钴对硫的亲和力大于铁，而对氧的亲和生产上利用铜、镍、钴对硫的亲和力大于铁，而对氧的亲和力远小于铁的性质在熔炼过程中，使铁的硫化物不断氧化成力远小于铁的性质在熔炼过程中，使铁的硫化物不断氧化成氧化物随后与脉石造渣而除去。氧化物随后与脉石造渣而除去。氧化吹炼氧化吹炼：在氧化性气氛下进行冶炼，吹入氧气使生铁液：在氧化性气氛下进行冶炼，吹入氧气使生铁液中的硅、锰、碳、磷、硫等杂质被氧化炼成合格的钢水。中的硅、锰、碳、磷、硫等杂质被氧化炼成合格的钢水。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述6q火法冶金火法冶金 精炼精炼精炼精炼：对冶炼的金属进行去除杂质提高纯度的过程。：对冶炼的金属进行去除杂质提高纯度的过程。物理精炼法物理精炼法u熔析精炼熔析精炼：利用某些杂质金属或其化合物在主金属中的：利用某些杂质金属或其化合物在主金属中的溶溶解度随温度的降低而显著减少的性质解度随温度的降低而显著减少的性质，改变温度，使原来成，改变温度，使原来成分均匀的粗金属分相，形成多相体系，而将杂质分离到一种分均匀的粗金属分相，形成多相体系，而将杂质分离到一种固体或液体中，与主金属分开，达到提纯金属的目的。多用固体或液体中，与主金属分开，达到提纯金属的目的。多用于提纯熔点较低的金属（于提纯熔点较低的金属（SnSn、PbPb、ZnZn、SbSb等），以去除熔点等），以去除熔点较高并与主金属形成二元共晶的杂质。较高并与主金属形成二元共晶的杂质。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述7q火法冶金火法冶金物理精炼法物理精炼法u精馏精炼精馏精炼：利用物质沸点不同，交替进行多次蒸发和冷凝：利用物质沸点不同，交替进行多次蒸发和冷凝去除杂质。适用于相互溶解或部分溶解的金属熔体。去除杂质。适用于相互溶解或部分溶解的金属熔体。u区域精炼区域精炼：又称为区域熔炼或区域提纯，指根据金属液体：又称为区域熔炼或区域提纯，指根据金属液体混合物在冷凝结晶过程中偏析（即杂质在固液相中分配比例混合物在冷凝结晶过程中偏析（即杂质在固液相中分配比例不同，将杂质富集到液相或固相中从而与主金属分离）的原不同，将杂质富集到液相或固相中从而与主金属分离）的原理，通过多次熔融和凝固，达到精炼的目的。理，通过多次熔融和凝固，达到精炼的目的。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述8q火法冶金火法冶金化学精炼法化学精炼法u氧化精炼氧化精炼：利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧化：利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧化挥发除去的精炼方法。挥发除去的精炼方法。u硫化精炼硫化精炼：用加入硫或硫化物的方法，除去粗金属中杂质：用加入硫或硫化物的方法，除去粗金属中杂质的精炼方法。的精炼方法。u氯化精炼氯化精炼：通入氯气或氯化物使杂质形成氯化物而与主金：通入氯气或氯化物使杂质形成氯化物而与主金属和分离的精炼方法。属和分离的精炼方法。u碱法精炼：碱法精炼：向粗金属加入碱，使杂质氧化并与碱结合成渣向粗金属加入碱，使杂质氧化并与碱结合成渣而被除去的精炼方法。而被除去的精炼方法。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述9二、湿法冶金二、湿法冶金 定义定义定义定义：湿法冶金是在常温或低于湿法冶金是在常温或低于100100以下，用溶剂处以下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其他理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其他杂质不溶解，然后再从溶液中将金属分离和提取出来的过杂质不溶解，然后再从溶液中将金属分离和提取出来的过程。大部分溶剂为水溶液，也称为水法冶金。程。大部分溶剂为水溶液，也称为水法冶金。工艺过程工艺过程工艺过程工艺过程：浸浸浸浸 出出出出（固（固（固（固 液）液）液）液）分分分分 离离离离（金属或（金属或（金属或（金属或化合物）化合物）化合物）化合物）提取提取提取提取（溶（溶（溶（溶 液液液液净净净净 化）化）化）化）富集富集富集富集第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述10q湿法冶金湿法冶金浸出：浸出：也称为浸取，是对矿石进行选择性溶解的过程。即也称为浸取，是对矿石进行选择性溶解的过程。即借助于浸出剂从矿石、精矿等固体物料中提取所需金属可溶借助于浸出剂从矿石、精矿等固体物料中提取所需金属可溶性成分，从而与其他不溶物质分离的过程。性成分，从而与其他不溶物质分离的过程。u浸取剂不同浸取剂不同：酸浸出、碱浸出、盐浸出：酸浸出、碱浸出、盐浸出u化学过程不同：化学过程不同：氧化浸出、还原浸出。氧化浸出、还原浸出。u浸出过程压力的不同浸出过程压力的不同：常压浸出、加压浸出。：常压浸出、加压浸出。u浸出方式：浸出方式：就地浸出、渗滤浸出、搅拌浸出、热球磨浸出、就地浸出、渗滤浸出、搅拌浸出、热球磨浸出、流态化浸出流态化浸出第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述11q湿法冶金湿法冶金固固-液分离：液分离：是将浸出液与残渣分离成液相和固相，同时是将浸出液与残渣分离成液相和固相，同时将夹带于残渣中的冶金溶剂和金属离子洗涤回收的过程。将夹带于残渣中的冶金溶剂和金属离子洗涤回收的过程。u沉降分离法沉降分离法：借助于重力的作用使固相沉积将液相与固相：借助于重力的作用使固相沉积将液相与固相分离的方法分离的方法u过滤分离法：过滤分离法：在压力的作用下，利用多孔介质拦截浸出液在压力的作用下，利用多孔介质拦截浸出液相中的固体离子，使液相与固相分离的方法。相中的固体离子，使液相与固相分离的方法。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述12q湿法冶金湿法冶金第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述富集：富集：对分离的溶液进行净化。一般浸出溶液中除欲提取的对分离的溶液进行净化。一般浸出溶液中除欲提取的金属外，还有其他金属和非金属杂质，必须将他们分离出来才金属外，还有其他金属和非金属杂质，必须将他们分离出来才能最终提取所需的金属。能最终提取所需的金属。方法：方法：结晶、蒸馏、沉淀置换、溶液萃取、离子交换、膜分结晶、蒸馏、沉淀置换、溶液萃取、离子交换、膜分离等离等提取：提取：通过电解、化学、置换、还原等方法从净化的溶液中通过电解、化学、置换、还原等方法从净化的溶液中获得金属或化合物方法获得金属或化合物方法13三、电冶金三、电冶金 定义定义定义定义：利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精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。炼金属的冶金过程。工艺分类工艺分类工艺分类工艺分类：电热冶金电热冶金电热冶金电热冶金 ：直接用电加热生产金属的一种冶金方法。包直接用电加热生产金属的一种冶金方法。包直接用电加热生产金属的一种冶金方法。包直接用电加热生产金属的一种冶金方法。包括括括括电弧熔炼电弧熔炼电弧熔炼电弧熔炼、电阻熔炼电阻熔炼电阻熔炼电阻熔炼、等离子熔炼、感应熔炼、电子束等离子熔炼、感应熔炼、电子束等离子熔炼、感应熔炼、电子束等离子熔炼、感应熔炼、电子束熔炼熔炼熔炼熔炼等。等。等。等。第一节第一节 冶金工艺概述冶金工艺概述电化学冶金：电化学冶金：电化学冶金：电化学冶金：利用电化学反应，使金属从含金属盐类的水利用电化学反应，使金属从含金属盐类的水利用电化学反应，使金属从含金属盐类的水利用电化学反应，使金属从含金属盐类的水溶液或熔体中析出的冶炼方法。包括溶液或熔体中析出的冶炼方法。包括溶液或熔体中析出的冶炼方法。包括溶液或熔体中析出的冶炼方法。包括溶液电解溶液电解溶液电解溶液电解和和和和熔盐电解熔盐电解熔盐电解熔盐电解14熔盐电解：熔盐电解：熔盐电解：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。适用于电极电位较负的金属，如电解。适用于电极电位较负的金属，如电解。适用于电极电位较负的金属，如电解。适用于电极电位较负的金属，如AlAlAlAl、MgMgMgMg、TiTiTiTi、BeBeBeBe、LiLiLiLi、TaTaTaTa、NbNbNbNb等等等等溶液电解：溶液电解：溶液电解：溶液电解：以金属浸出液作为电解液进行电解还原，使溶液中的金属离以金属浸出液作为电解液进行电解还原，使溶液中的金属离以金属浸出液作为电解液进行电解还原，使溶液中的金属离以金属浸出液作为电解液进行电解还原，使溶液中的金属离子还原为金属析出（子还原为金属析出（子还原为金属析出（子还原为金属析出（电解提取、不溶阳极电解电解提取、不溶阳极电解电解提取、不溶阳极电解电解提取、不溶阳极电解），使粗金属阳极经由溶），使粗金属阳极经由溶），使粗金属阳极经由溶），使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极（液精炼沉积于阴极（液精炼沉积于阴极（液精炼沉积于阴极（电解精炼、可溶阳极电解电解精炼、可溶阳极电解电解精炼、可溶阳极电解电解精炼、可溶阳极电解）的冶金过程。适用于电）的冶金过程。适用于电）的冶金过程。适用于电）的冶金过程。适用于电极电位较正的金属，如极电位较正的金属，如极电位较正的金属，如极电位较正的金属，如CuCuCuCu、NiNiNiNi、CoCoCoCo，AuAuAuAu、AgAgAgAg等等等等15 Fe在在地地壳壳中中的的含含量量为为5左左右右，在在金金属属中中仅仅次次于于铝铝，除除陨陨石石外外，纯纯铁铁在在地地壳壳中中还还未未见见到到，铁铁容容易易与与其其它它元元素素化化合合，特别是与氧化合，因此特别是与氧化合，因此铁矿石多以氧化物形式存在铁矿石多以氧化物形式存在。铁铁矿矿石石中中除除铁铁的的氧氧化化物物外外，还还有有其其它它元元素素的的氧氧化化物物(SiO2、Al2O3、MnO2等等)，这些，这些统称为脉石统称为脉石。炼炼铁铁的的目目的的就就是是使使铁铁从从铁铁的的氧氧化化物物中中还还原原，并并使使还还原原出出的铁与脉石分离。的铁与脉石分离。第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼16生产基本过程：生产基本过程：（高炉的还原过程）（氧化过程）（高炉的还原过程）（氧化过程）铁矿石铁矿石炼铁炼铁炼钢炼钢铸锭（连铸）铸锭（连铸）轧制轧制钢材钢材铸造生铁铸造生铁铸造铸造第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼171 1、炼铁的原料、炼铁的原料：铁矿石、熔剂和及燃料。铁矿石、熔剂和及燃料。一、生铁冶炼一、生铁冶炼（1）铁矿石）铁矿石含铁矿物和脉石组成。含铁矿物和脉石组成。赤铁矿赤铁矿赤铁矿赤铁矿(Fe(Fe2 2OO3 3)：70%Fe70%Fe红色红色红色红色磁铁矿磁铁矿磁铁矿磁铁矿(Fe(Fe3 3OO4 4)：72.4%Fe72.4%Fe黑色黑色黑色黑色褐铁矿褐铁矿褐铁矿褐铁矿(2Fe(2Fe2 2OO3 33H3H2 2O)O)：59.8%Fe59.8%Fe黄褐色黄褐色黄褐色黄褐色菱铁矿（菱铁矿（菱铁矿（菱铁矿（FeCOFeCO3 3）：）：）：）：42.8%Fe42.8%Fe淡黄色淡黄色淡黄色淡黄色脉石：脉石：SiO2、Al2O3、CaO、MgO等等第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼一、生铁冶炼一、生铁冶炼18褐褐铁铁矿矿菱菱铁铁矿矿赤铁矿赤铁矿磁铁矿磁铁矿19l l对铁矿石的要求：对铁矿石的要求：含铁量愈高愈好；含铁量愈高愈好；含铁量愈高愈好；含铁量愈高愈好；3070%3070%，贫矿：，贫矿：Fe%Fe%45%45%富矿：富矿：Fe%Fe%45%45%还原性好还原性好还原性好还原性好；粒度适中粒度适中粒度适中粒度适中；通常为；通常为1025mm1025mm脉石成分中碱性氧化物含量高脉石成分中碱性氧化物含量高脉石成分中碱性氧化物含量高脉石成分中碱性氧化物含量高；杂质含量少；杂质含量少；杂质含量少；杂质含量少；S%S%0.15%0.15%，P%P%0.4%0.4%，As%As%0.1%0.1%有一定强度有一定强度有一定强度有一定强度l l冶炼前铁矿石的处理：冶炼前铁矿石的处理：主要通过选矿来提高矿石的品位主要通过选矿来提高矿石的品位:A:A:贫铁矿贫铁矿 破碎破碎 筛分筛分 细磨细磨 选矿选矿 精矿粉精矿粉 混匀混匀 烧结、造块烧结、造块（烧结矿或球团矿）（烧结矿或球团矿）筛分筛分储藏储藏 过筛过筛 称量称量 入炉入炉。B:B:天然富矿天然富矿 破碎破碎 筛分筛分 混匀混匀储藏储藏 过筛过筛 称量称量入入炉炉一、生铁冶炼一、生铁冶炼1、炼铁的原料、炼铁的原料20（2 2）熔剂）熔剂l l作用：作用：作用：作用：降低脉石熔点，生成熔渣；降低脉石熔点，生成熔渣；降低脉石熔点，生成熔渣；降低脉石熔点，生成熔渣；去硫去硫去硫去硫l l种类：种类：种类：种类：通常用碱性熔剂石灰石通常用碱性熔剂石灰石通常用碱性熔剂石灰石通常用碱性熔剂石灰石l l要求：要求：要求：要求：碱性氧化物高（碱性氧化物高（碱性氧化物高（碱性氧化物高（CaO+MgOCaO+MgO）50%50%，酸性氧化物低，酸性氧化物低，酸性氧化物低，酸性氧化物低(SiO(SiO2 2+Al+Al2 2OO3 3）3.5%3.5%P P、S S低，强度高，粒度均匀，粒度最好与矿石粒度一致低，强度高，粒度均匀，粒度最好与矿石粒度一致低，强度高，粒度均匀，粒度最好与矿石粒度一致低，强度高，粒度均匀，粒度最好与矿石粒度一致一、生铁冶炼一、生铁冶炼1、炼铁的原料、炼铁的原料21（3 3）燃料）燃料l l作用：作用：作用：作用：发热剂，提供热量；发热剂，提供热量；发热剂，提供热量；发热剂，提供热量；还原剂；还原剂；还原剂；还原剂；料柱骨架；料柱骨架；料柱骨架；料柱骨架；渗碳剂渗碳剂渗碳剂渗碳剂l l要求：要求：要求：要求：含碳量高；含碳量高；含碳量高；含碳量高；有害杂质硫、磷及水分、灰分、挥发分的含量低；有害杂质硫、磷及水分、灰分、挥发分的含量低；有害杂质硫、磷及水分、灰分、挥发分的含量低；有害杂质硫、磷及水分、灰分、挥发分的含量低；在常温及高温下要有足够的机械强度；在常温及高温下要有足够的机械强度；在常温及高温下要有足够的机械强度；在常温及高温下要有足够的机械强度；气孔率要大，粒度要均匀气孔率要大，粒度要均匀气孔率要大，粒度要均匀气孔率要大，粒度要均匀l l常用的燃料：常用的燃料：常用的燃料：常用的燃料：焦炭焦炭焦炭焦炭喷吹用燃料：喷吹用燃料：喷吹用燃料：喷吹用燃料：1030%1030%，有的达，有的达，有的达，有的达4050%4050%，包括气体燃料（天然气、焦炉，包括气体燃料（天然气、焦炉，包括气体燃料（天然气、焦炉，包括气体燃料（天然气、焦炉煤气等）、液体燃料（重油、柴油、焦油）、固体燃料（无烟煤粉）煤气等）、液体燃料（重油、柴油、焦油）、固体燃料（无烟煤粉）煤气等）、液体燃料（重油、柴油、焦油）、固体燃料（无烟煤粉）煤气等）、液体燃料（重油、柴油、焦油）、固体燃料（无烟煤粉）一、生铁冶炼一、生铁冶炼1、炼铁的原料、炼铁的原料222、高炉设备及工艺过程、高炉设备及工艺过程一、生铁冶炼一、生铁冶炼23一、生铁冶炼一、生铁冶炼2、高炉设备及工艺过程、高炉设备及工艺过程24炼炼铁铁高高炉炉的的结结构构25炼炼铁铁工工业业设设备备图图26炼炼铁铁工工业业设设备备图图27一、生铁冶炼一、生铁冶炼2、高炉设备及工艺过程、高炉设备及工艺过程28（1）燃料的燃烧）燃料的燃烧C+O2CO2CO2+C2CO3 3、炼铁的物理化学过程、炼铁的物理化学过程（2）炉料的蒸发、挥发、及分解）炉料的蒸发、挥发、及分解水分的蒸发和结晶水的分解水分的蒸发和结晶水的分解105以上，吸附水（游离水）可蒸发，对高炉无害。以上，吸附水（游离水）可蒸发，对高炉无害。200开始，褐铁矿（开始，褐铁矿（2Fe2O3.3H2O）分解，）分解，400500分解分解速度最大。速度最大。约约400高岭土（高岭土（Al2O3.2SiO2.2H2O）开始分解，在）开始分解，在500600才迅速进行。才迅速进行。燃料挥发分的挥发燃料挥发分的挥发焦碳中含挥发分焦碳中含挥发分0.71.3%，在风口被加热到，在风口被加热到14001600，这些挥发分进入煤气。由于量少，对煤气成分和冶炼过程影响，这些挥发分进入煤气。由于量少，对煤气成分和冶炼过程影响很小。很小。碳酸盐的分解碳酸盐的分解主要指主要指CaCO3、MgCO3、FeCO3、MnCO3的分解反应，前的分解反应，前两者为主，其反应式为：两者为主，其反应式为：CaCO3=CaO+CO2-42520KcalMgCO3=MgO+CO2-26470Kcal一、生铁冶炼一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程、炼铁的物理化学过程29CO作还原剂（间接还原）作还原剂（间接还原）T570：3Fe2O3CO2Fe3O4CO22Fe3O42CO6FeO2CO26FeO6CO6Fe6CO2T570：3Fe2O3CO2Fe3O4CO22Fe3O42CO3Fe4CO2基本为放热反应，主要在高炉上部基本为放热反应，主要在高炉上部800以下的低以下的低温区进行温区进行。（3）铁的还原）铁的还原当当T570时：时：FeFe2 2O O3 3 FeFe3 3O O4 4 FeFe当当T570时：时：FeFe2 2O O3 3 Fe Fe3 3O O4 4 FeO FeO Fe Fe一、生铁冶炼一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程、炼铁的物理化学过程30固体碳作还原剂（直接还原固体碳作还原剂（直接还原）高炉内固体碳的还原作用化学反应：FeO+CO=Fe+CO2+3250KJCO2+C=2CO39600KJ综合以上反应结果相当于碳对氧化物的直接还原：FeO+C=Fe+CO36350KJ吸热反应，反应主要在高炉下部吸热反应，反应主要在高炉下部1000以上进行以上进行一、生铁冶炼一、生铁冶炼3、炼铁的物理化学过程、炼铁的物理化学过程31氢作为还原剂（间接还原氢作为还原剂（间接还原）当当T570：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+H2=3FeO+H2OFeO+H2=Fe+H2O当当T2.110.50.52.00.10.40.07钢钢2.110.40.30.80.050.05生铁按用途分为三种：生铁按用途分为三种：炼钢生铁炼钢生铁：占生铁总量的：占生铁总量的80%90%,w(si)=0.6%1.6%,w(s)0.07%。铸造生铁铸造生铁，又称翻砂生铁，用于铸造生产。主要特点是，又称翻砂生铁，用于铸造生产。主要特点是含含si较高，较高，w(si)=2.753.25%，占产量的，占产量的10%20%。特殊生铁特殊生铁：如铬铁、硅铁、锰铁：如铬铁、硅铁、锰铁w(Mn)=1025%等，为等，为高炉冶炼的铁合金。用于炼钢的脱氧剂和合金元素的添加剂。高炉冶炼的铁合金。用于炼钢的脱氧剂和合金元素的添加剂。一、生铁冶炼一、生铁冶炼4、炼铁的主要产品、炼铁的主要产品39（2）炉渣炉渣按冶炼矿石的品位不同，冶炼按冶炼矿石的品位不同，冶炼1t生铁产生渣生铁产生渣量量0.30.6t之间。可用来制造水泥、造砖、矿渣之间。可用来制造水泥、造砖、矿渣棉等。棉等。（3）高炉煤气高炉煤气冶炼冶炼1t生铁可产生生铁可产生20003000m3的高炉煤的高炉煤气，其中含有质量分数约气，其中含有质量分数约25%的的CO，1%4%的的H2，少量甲烷等可燃烧气体，其发热值为，少量甲烷等可燃烧气体，其发热值为30004000KJ/m3。一座日产。一座日产2000t生铁的高炉，每日生铁的高炉，每日产生的高炉煤气相当于产生的高炉煤气相当于500t标准煤或相当于标准煤或相当于500t原煤，原煤，可作为工业上的燃料可作为工业上的燃料。使用前应除尘。使用前应除尘。一一般高炉煤气总量的般高炉煤气总量的1/3左右用于自身热风炉的加热，左右用于自身热风炉的加热，其余可供动力、炼焦、炼钢、烧结、轧钢等部门其余可供动力、炼焦、炼钢、烧结、轧钢等部门使用。使用。（4）炉尘炉尘炉气上升时从炉内带出的细颗粒固体炉料。冶炼炉气上升时从炉内带出的细颗粒固体炉料。冶炼1t生铁产生炉尘生铁产生炉尘50100Kg。可做烧结配料。可做烧结配料。405 5、高炉技术经济指标、高炉技术经济指标 (1)有效容积利用系数有效容积利用系数（高炉利用系数高炉利用系数）nn=P/VuP生铁日产量（t/d）Vu高炉有效容积（m3）每立方米高炉有效容积一昼夜（每立方米高炉有效容积一昼夜（d）生产生铁的质量（）生产生铁的质量（t）单位为：单位为：t/m3dn越大，生铁产量越高，高炉生产率也越高。目前世界主要产铁国年平均高炉有效利用系数在2.02.5t/m3d之间，先进的达2.83.2t/m3d。一、生铁冶炼一、生铁冶炼41(2)铁焦比铁焦比KK=Q/PQ每日消耗焦炭量（每日消耗焦炭量（t/d）铁焦比就是生产铁焦比就是生产1t生铁所消耗的焦炭重量生铁所消耗的焦炭重量（Kg）。）。在工厂习惯常用在工厂习惯常用kg/t表示，显然铁焦比越低越好。表示，显然铁焦比越低越好。在喷吹燃料条件下，不能只用铁焦比来表达，须用在喷吹燃料条件下，不能只用铁焦比来表达，须用燃燃料比料比（K燃），即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。燃），即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。K燃燃=（焦炭（焦炭+煤粉煤粉+重油重油+）kg/t。国外铁焦比日本最低，近年一般在国外铁焦比日本最低，近年一般在400kg/t左右，燃左右，燃料比一般在料比一般在450kg/t左右。我国重型企业年平均铁焦比左右。我国重型企业年平均铁焦比为为500kg/t，居世界中等水平。，居世界中等水平。一、生铁冶炼一、生铁冶炼4、高炉技术经济指标、高炉技术经济指标42(3)冶炼强度冶炼强度II=Q/Vu1立方米高炉有效容积每天消耗焦炭的重量立方米高炉有效容积每天消耗焦炭的重量（t）。目前国内外一般约为1.0t/m3d左右。利用系数、铁焦比和冶炼强度三者之间的关系：n=I/K可见，利用系数n与冶炼强度成正比，与铁焦比成反比，要提高n，强化高炉生产，应从降低K和升高I两方面考虑，在目前能源紧缺的情况下，首先应考虑降低K。(4)生铁合格率生铁合格率根据国家标准，根据国家标准，在在一定期间（日、月、旬等）内，合格生一定期间（日、月、旬等）内，合格生铁铁占生铁占生铁总产量的总产量的百分数为百分数为生铁合格率生铁合格率。优质率，即优质生铁占生铁总产量的百分数。优质率，即优质生铁占生铁总产量的百分数。对生铁质量的考查主要看其化学成分（如S和Si）是否符合国家标准，一般合格率应在99%以上。一、生铁冶炼一、生铁冶炼5、高炉技术经济指标、高炉技术经济指标43(5)生铁成本生铁成本生产生产1t生铁所需的费用生铁所需的费用，它是衡量高炉生产经济效益的重要指标，成本越低，经济效益越高，说明高炉的生产效果越好。(6)高炉一代寿命（炉龄高炉一代寿命（炉龄）从高炉点火到停火大修之间的时间，或高炉相邻两从高炉点火到停火大修之间的时间，或高炉相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命，寿命越长，则一代炉龄产量越高，各项消耗相对减少，经济效益越好。一般大高炉一代寿命10年左右，有的达到18年。一、生铁冶炼一、生铁冶炼5、高炉技术经济指标、高炉技术经济指标446 6、非高炉炼铁法、非高炉炼铁法高炉炼铁的高炉炼铁的缺点缺点：投资大、流程长，能耗高，：投资大、流程长，能耗高，污染大。污染大。改进：不用焦碳，不用高炉，用烟煤改进：不用焦碳，不用高炉，用烟煤或天然气作还原剂，采用直接还原或熔融还原或天然气作还原剂，采用直接还原或熔融还原生产铁，以供电炉炼钢，经二次精炼，连铸连生产铁，以供电炉炼钢，经二次精炼，连铸连轧，形成最佳短流程。轧，形成最佳短流程。(1)直接还原直接还原：用煤或天然气等还原剂直接将固态：用煤或天然气等还原剂直接将固态铁矿石还铁矿石还原成固态海绵铁。可用煤基回转窑、原成固态海绵铁。可用煤基回转窑、气基竖炉等设备直接还原。气基竖炉等设备直接还原。煤基回转窑煤基回转窑中：中：Fe2O3+3CO2Fe+3CO2气基竖炉气基竖炉中：中：CH4+H2OCO+3H2（天然气裂化反应）（天然气裂化反应）Fe2O3+3H22Fe+3H2OFe2O3+3CO2Fe+3CO2一、生铁冶炼一、生铁冶炼456 6、非高炉炼铁法、非高炉炼铁法一、生铁冶炼一、生铁冶炼466 6、非高炉炼铁法、非高炉炼铁法一、生铁冶炼一、生铁冶炼476 6、非高炉炼铁法、非高炉炼铁法(2)熔融还原：用铁矿石和普通烟煤作原料，在汽熔融还原：用铁矿石和普通烟煤作原料，在汽化炉的流化床中，将直接还原得到的海绵铁进一化炉的流化床中，将直接还原得到的海绵铁进一步加热熔化，在熔融汽化炉的炉底形成铁水与炉步加热熔化，在熔融汽化炉的炉底形成铁水与炉渣的熔池。渣的熔池。一、生铁冶炼一、生铁冶炼48二、钢的冶炼二、钢的冶炼炼炼钢钢的的目目的的：除除去去生生铁铁中中多多余余的的碳碳和和大大量量杂杂质质元元素素，使其化学成分达到钢的要求。使其化学成分达到钢的要求。存在两种不同的钢铁生产工艺流程：存在两种不同的钢铁生产工艺流程：矿石矿石生铁生铁钢，即以高炉钢，即以高炉转炉为主的流程；转炉为主的流程；矿石矿石海绵铁海绵铁钢，即以直接还原为主的流程。钢，即以直接还原为主的流程。传统的第一种，工艺成熟，可大规模生产，是现代钢铁生产传统的第一种，工艺成熟，可大规模生产，是现代钢铁生产的主要形式。直接还原流程，规模小，目前，正在发展，是的主要形式。直接还原流程，规模小，目前，正在发展，是钢铁生产的重要补充。钢铁生产的重要补充。第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼二、钢的冶炼二、钢的冶炼491、炼钢用原料、炼钢用原料两两类类：金金属属料料和和非非金金属属料料。金金属属料料主主要要指指铁铁液液（生生铁铁）、废废钢钢和和铁铁合合金；非金属料主要指造渣材料、氧化剂、冷却剂、还原剂和增碳剂等金；非金属料主要指造渣材料、氧化剂、冷却剂、还原剂和增碳剂等。（1）铁液）铁液转炉炼钢的基本原料（占转炉金属装入量的转炉炼钢的基本原料（占转炉金属装入量的70100%）。u对铁水总的技术要求对铁水总的技术要求:“硅、锰合适，磷、硫低，成分稳定，温度高硅、锰合适，磷、硫低，成分稳定，温度高”。Si：0.50.8%为宜为宜。易与氧结合，生成。易与氧结合，生成SiO2，同时放出大量的热，同时放出大量的热，容易成渣。铁水含容易成渣。铁水含Si量高，则转炉可多加废钢，多加矿石，提高钢水收得量高，则转炉可多加废钢，多加矿石，提高钢水收得率。但铁水含率。但铁水含Si量过高，会导致石灰耗量增大而增大渣量，易产生喷溅，量过高，会导致石灰耗量增大而增大渣量，易产生喷溅，而且对炉衬寿命不利。而且对炉衬寿命不利。Mn：0.20.4%为宜。为宜。对化渣、脱对化渣、脱S以及提高炉龄有益。为节约锰资以及提高炉龄有益。为节约锰资源，现生产上对源，现生产上对Mn不作特殊要求，只希望铁水含不作特殊要求，只希望铁水含Mn量相对稳定，以便吹量相对稳定，以便吹炼终点的含炼终点的含Mn量相对稳定，便于合金化。量相对稳定，便于合金化。P：炼铁过程中矿石中炼铁过程中矿石中P部分还原入生铁，其含量无法控制（只能通部分还原入生铁，其含量无法控制（只能通过配料调节），炼钢过配料调节），炼钢希望含希望含P量低些量低些。S：有害杂质。通常有害杂质。通常要求铁水含要求铁水含S量量0.07%以减轻炼钢脱以减轻炼钢脱S的负担的负担。T：希望尽可能减少波动，避免过低，希望尽可能减少波动，避免过低，一般要求（一般要求（12001300）第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼501、炼钢用原料、炼钢用原料（2）废钢）废钢电炉炼钢的基本原料。废钢用量约占钢铁料质量的电炉炼钢的基本原料。废钢用量约占钢铁料质量的70%90%，氧气转炉用铁水炼钢时，由于热量富裕，可氧气转炉用铁水炼钢时，由于热量富裕，可多加入多达多加入多达30%的废钢作为调整吹炼温度的的废钢作为调整吹炼温度的冷却剂冷却剂，采用采用废钢冷却可减低钢铁料、造渣材料和氧气的消耗，而且比废钢冷却可减低钢铁料、造渣材料和氧气的消耗，而且比用铁矿石冷却效果好喷溅少用铁矿石冷却效果好喷溅少。废钢来源复杂，因此废钢的。废钢来源复杂，因此废钢的管理和加工非常重要。废钢入炉前应仔细检查，严禁混入管理和加工非常重要。废钢入炉前应仔细检查，严禁混入封门器皿，爆炸物和有害物质，注意防止混入铅，锌，锡，封门器皿，爆炸物和有害物质，注意防止混入铅，锌，锡，铜等有色金属，此外，应尽量减少带入的泥沙，耐火材料铜等有色金属，此外，应尽量减少带入的泥沙，耐火材料和炉渣等和炉渣等（3）铁合金）铁合金炼钢生产中广泛使用的铁合金和炼钢生产中广泛使用的铁合金和脱氧剂脱氧剂有：有：锰铁、硅锰铁、硅铁、铝铁铁、铝铁。其他脱氧剂有：硅钙合金，硅锰铝合金，以及铝、锰、镍、其他脱氧剂有：硅钙合金，硅锰铝合金，以及铝、锰、镍、钴等金属。钴等金属。第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼511、炼钢用原料、炼钢用原料（4）造渣材料）造渣材料石灰：石灰：碱性炼钢方法碱性炼钢方法基本的造渣材料基本的造渣材料，由石灰石煅烧而成，来源广，由石灰石煅烧而成，来源广泛，价廉，有相当的脱硫，脱磷能力，不危害炉衬，泛，价廉，有相当的脱硫，脱磷能力，不危害炉衬，对石灰要求：对石灰要求：CaO含量高，含量高，SiO和和S的含量尽量低的含量尽量低。石灰容易受潮粉化，。石灰容易受潮粉化，变为硝石灰（变为硝石灰（Ca(OH)2）,应尽量用新烧的石灰，采用密封的容器储藏和应尽量用新烧的石灰，采用密封的容器储藏和运输，运输，块度要求在块度要求在540mm范围范围，块度太大熔化困难，块度太小则容易，块度太大熔化困难，块度太小则容易从空气中吸收水分，带入炉内，使钢被其中的氢腐蚀，所以，应保持石从空气中吸收水分，带入炉内，使钢被其中的氢腐蚀，所以，应保持石灰干燥、新鲜，在料仓储存时间不得超过灰干燥、新鲜，在料仓储存时间不得超过3天。天。氟石（萤石）：氟石（萤石）：普通应用的熔剂，主要的成分是普通应用的熔剂，主要的成分是CaF2，熔点低，（约，熔点低，（约930），还能使），还能使CaO和阻碍石灰溶解的硅酸钙熔点降低，而且作用迅和阻碍石灰溶解的硅酸钙熔点降低，而且作用迅速，因而能速，因而能加速石灰的溶解，迅速改善炉渣的流动性加速石灰的溶解，迅速改善炉渣的流动性。成分要求：成分要求：CaF285%,SiO25%,S0.2%,块度块度540mm，且干燥，洁，且干燥，洁净。萤石的优点是作用快，不降低炉渣碱度，但用量过多会引起喷溅，净。萤石的优点是作用快，不降低炉渣碱度，但用量过多会引起喷溅，并减低炉衬寿命，通常为石灰石用量的并减低炉衬寿命，通常为石灰石用量的015%。白云石：白云石：碳酸盐矿物，碳酸盐矿物，属镁质造渣剂的一种，属镁质造渣剂的一种，CaMg(CO3)2。理论成分理论成分:CaO30.4%、MgO21.9%、CO247.7%。常含有硅、铝、铁、钛等杂。常含有硅、铝、铁、钛等杂质。熔点比石灰低，加入白云石代替部分石灰，质。熔点比石灰低，加入白云石代替部分石灰，增加渣中增加渣中MgO含量，降含量，降少炉衬中少炉衬中MgO向炉渣中转移，减轻炉渣对炉衬侵蚀，延长炉衬寿命，而向炉渣中转移，减轻炉渣对炉衬侵蚀，延长炉衬寿命，而且还能促进前期造渣。且还能促进前期造渣。第二节第二节 钢铁冶炼钢铁冶炼521、炼钢用原料、炼钢用原料（5）氧化剂）氧化剂氧气氧气：一般要求氧气的纯度一般要求氧气的纯度98%，冶炼含氮低的钢种时，冶炼含氮低的钢种时，氧气的纯度氧气的纯度99.5%。炼钢用的氧气一般由厂内的制氧车间供应，用管道输送。炼钢用的氧气一般由厂内的制氧车间供应，用管道输送。铁矿石、氧化铁皮铁矿石、氧化铁皮：为改善脱磷条件，还需使用一定量的铁：为改善脱磷条件，还需使用一定量的铁矿石，作为氧化剂使用的铁矿石，要求铁含量高，矿石，作为氧化剂使用的铁矿石，要求铁含量高，SiO2、P和水和水分尽量少，使用前应加热。有时也利用轧钢和锻造车间的氧化铁分尽量少，使用前应加热。有时也利用轧钢和锻造车间的氧化铁皮代替部分铁矿石，但氧化皮潮湿，油污较多，使用前应烘烤。皮代替部分铁矿石，但氧化皮潮湿，油污较多，使用前应烘烤。（6）冷却剂）冷却剂除除废钢废钢外，转炉炼钢外，转炉炼钢常用的冷却剂常用的冷却剂有：有：富铁矿、球团矿、烧富铁矿、球团矿、烧结矿、氧化铁皮、石灰石结矿、氧化铁皮、石灰石等。等。用富铁矿等炼铁原料或氧化铁皮作为冷却剂，主要利用它们用富铁矿等炼铁原料或氧化铁皮作为冷却剂，主要利用它们氧化金属中的杂质时要吸收大量的热。氧化金属中的杂质时要吸收大量的热。（7）增碳剂）增碳剂电弧炉炼钢使用的增碳剂有电弧炉炼钢使用的增碳剂有石墨、碳粉石墨、碳粉等。它们粒度应小于等。它们粒度应小于0.5mm，使用前应烘烤。，使用前应烘烤。第二节第