鋼鐵冶金導論主講：郭宇峰

1概論金屬的分類鐵金屬和非鐵金屬：前者系指鐵及其合金；后者則指除了鐵及其合金以外的金屬元素。黑色金屬和有色金屬：有色金屬則是指除鐵、鉻、錳3種金屬以外的所有金屬。冶金的起源與發展金、銀、銅及隕石鐵銅及其合金鐵具有工業意義的元素有75種遠古時代青銅器時代鐵器時代20世紀初及中葉冶金學的概念研究如何經濟地從礦石或其它原料中提取金屬或金屬化合物，并用各種加工方法制成具有一定性能的金屬材料的學科概念按內容可分為提取冶金學和物理冶金學兩門學科提取冶金學：研究如何從礦石中提取金屬或金屬化合物的生產過程，由于該過程伴隨有化學反應，又稱化學冶金。物理冶金學：通過成型加工制備有一定性能的金屬或合金材料，研究其組成，結構的內在聯系以及各種條件下的變化規律，為有效地使用和發展特定性能地金屬材料服務。包括金屬學，粉末冶金，金屬鑄造，金屬壓力加工等。冶金學的分類按提取金屬方法分類火法冶金：在高溫下礦石經熔煉與精煉反應及熔化作業，使其中地金屬和雜質分開，獲得較純的金屬的過程。過程可分為原料準備，焙燒、熔煉、精煉、蒸餾和離析等。所需能源，主要靠燃料燃燒，也有靠化學反應熱的。進行的化學反應則有熱分解、還原、氧化、硫化、鹵化、蒸餾等。火法冶金一般具有生產率高，流程短，設備簡單及投資省等優點，但卻不利于處理成分結構復雜礦或貧礦冶金學的分類濕法冶金：一般在常溫或低于100℃下，用溶劑處理礦石或精礦，使所需提取的金屬溶解于溶液中，而其它雜質不溶解。然后再從溶液中提取金屬，包括浸出，分離，富集和提取等工序。由于絕大部分溶劑為水溶液。故也稱水法冶金濕法冶金一般具有能耗低，過程易控制，能處理各類礦石。但生產規模及生產率不如火法冶金冶金學的分類電冶金：利用電能提取和精煉金屬的方法電熱冶金：利用電能轉變成熱能，在高溫下提煉金屬，本質與火法同。電化學冶金：用電化學反應使金屬從含金屬鹽類的水溶液或熔體中析出。前者稱為溶液電解，如銅的電解精煉，可歸入濕法冶金，后者稱為熔鹽電解，如電解鋁，可列入火法冶金。冶金學的分類煉鐵：從礦石或精礦中提取粗金屬，主要是用焦炭作燃料及還原劑，在高爐內的還原條件下，礦石被還原得到粗金屬-生鐵，其中溶解來自還原劑中的碳(4％一5％)及礦石、脈石中的雜質，如硅、錳、硫、磷等元素。鋼鐵冶金過程煉鋼：將生鐵中中過多的的元素(C、Si、Mn)及及雜質(S、P)通過過氧化作作用及熔熔渣參與與的化學學反應去去除，達達到無害害于鋼種種性能的的限度，，同時還還要除去去由氧化化作用引引入鋼液液中的氧氧(脫氧氧)，并并調整鋼鋼液的成成分，最最后把成成分合格格的鋼液液澆鑄成成鋼錠或或鋼坯，，便于軋軋制成材材。二次精煉：：為了提高一一般煉鋼方方法的生產產率及鋼液液的質量(進一步降降低雜質和和氣體的含含量)，而而將煉鋼過過程的某些些精煉工序序轉移到爐爐外盛鋼桶桶或特殊反反應爐中繼繼續完成或或深度完成成。鋼鐵冶金過過程冶金過程熱熱力學：利用化學熱熱力學的原原理研究冶冶金反應過過程的可能能性（方向向）及反應應達到平衡衡的條件，，以及在該該條件下反反應物能達達到的最大大產出率，，確定控制制反應過程程的參數（（溫度、壓壓力、濃度度及添加劑劑的選擇））冶金過程動動力學：利用化學動動力學的原原理及物質質、熱能、、動量傳輸輸的原理來來研究冶金金反應過程程的速率和和機理，確確定反應過過程速率的的限制環節節，從而得得出控制反反應的速率率的途徑冶金熔體：：是火法冶金金反應中參參加的具體體物質，包包括金屬互互溶的金屬屬熔體、氧氧化物互溶溶的熔渣及及硫化物互互溶的熔锍锍。它研究究熔體的相相平衡、結結構及其物物理和化學學性質，而而熔體的組組分是反應應的直接參參加者，熔熔體的結構構及性質則則直接控制制著反應的的進行鋼鐵冶金過過程的理論論基礎遠古到13世紀末：：利用自然地地形將鐵礦礦石與木炭炭一起放入入用磚砌筑筑的地爐內內，加熱冶冶煉，將礦礦石還原，，生成海綿綿鐵13世紀末末到19世世紀中葉：：把鐵礦石裝裝入高爐中中冶煉成液液態生鐵。。再將生鐵鐵冶煉成粗粗鋼，形成成了沿用至至今的工業業冶煉法19世紀中中期至20世紀：以生鐵，海海綿鐵或廢廢鋼為原料料，在平爐爐、轉爐、、電爐中冶冶煉成鋼或或合金鋼的的時代鋼鐵冶金的的發展簡史史現代煉鐵法法高爐法非高爐法傳統的以焦焦炭為能源源，與轉爐爐煉鋼相配配合，組成成高爐－轉轉爐－軋機機流程，被被稱為長流流程，是目目前的主要要流程。優點：生產產規模大，，效率高，，成本低。。缺點：能耗耗高，污染染大。泛指高爐以以外，不以以焦炭為能源源，通常分分為直接還還原和熔融融還原，一一般與電爐爐配合，組組成直接還還原或熔融融還原－電電爐－軋機機流程，被被稱為短流流程，是目目前的輔助助流程。優點：能耗耗低，污染染小。缺點：生產產規模小，，效率低，，成本高。。現代煉鐵方方法鐵礦石熔劑劑還原劑燃料或電熱熱高爐直接還原爐爐鐵水鑄鐵機混鐵爐轉爐廢鋼煉鋼生鐵塊塊平爐電爐海綿鐵商品鑄鐵鋼水鑄錠或連鑄鑄軋、鍛鋼材廢鋼煉鐵過程煉鋼過程壓加過程現代鋼鐵生生產流程礦石－生鐵鐵－鋼：即即高爐－轉轉爐，平爐爐淘汰礦石－海綿綿鐵－鋼：：直接還原原－電爐流流程煉鐵高爐—鐵水水需要要焦焦炭炭煉焦焦：：焦煤煤在在隔隔絕絕空空氣氣的的條條件件下下，，熱熱解解、、碳碳化化、、膠膠結結成成具具有有一一定定強強度度和和粒粒度度的的焦焦炭炭。。煉焦焦工工藝藝：：洗煤煤配配煤煤焦焦爐爐熄熄焦焦煉焦焦原原料料：：焦煤煤煉焦焦設設備備：：煉焦焦爐爐、、推推焦焦機機煉焦焦產產品品：：焦炭炭、、瀝瀝青青、、煤煤焦焦油油及及其其分分餾餾產產品品現代代煉煉鐵鐵方方法法煉鐵鐵對含含鐵鐵原原料料有有要要求求：：粒粒度度5~50mm，，化學學成成分分要要穩穩定定，，機機械械強強度度要要高高，，冶金金性性能能要要好好天然然塊塊礦礦：：粒粒度度5~50mm，化學學成成分分要要穩穩定定0－－10mm粉礦礦：：燒燒結結細磨磨精精選選礦礦：：球球團團鐵水水C、、Si、、S、、P等等元元素素含含量量高高現代代煉煉鐵鐵方方法法煉鐵鐵直接接還還原原—海綿綿鐵鐵不需需要要焦焦炭炭海綿綿鐵鐵C、、Si、、S、、P等等元元素素含含量量低低可采用粉礦現代煉鐵方法法煉鐵融熔還還原—鐵水不需要要焦炭炭可采用用粉礦礦海綿鐵鐵C、、Si、S、P等元元素含含量高高現代煉煉鐵方方法煉鋼轉爐：：鐵水為為原料料，用用純氧氧氧化化過還還原進進入鐵鐵水中中的C、SiMn、、P等等元素素的放放熱反反應作作為熱熱源，，多余余的熱熱量用用礦石石或廢廢鋼冷冷卻。。轉爐爐是目目前的的主要要煉鋼鋼手段段，其其冶煉煉周期期短(20-60分分鐘一一爐鋼鋼)，，可大大型化化(500噸)1一爐殼殼；2一擋擋渣板板；3一托托圈，，4一一軸承承及軸軸承座座；5一支支撐系系統；；6一耳耳軸；；7一一制動動裝置置；8一減減速機機，9一電電機及及制動動器現代煉煉鐵方方法煉鋼電爐：：廢鋼為為原料料，電電能作作為熱熱源。。海綿綿鐵可可以取取代廢廢鋼，，某些些方面面優如如廢鋼鋼。冶冶煉周周期稍稍長(2-4小小時)，電電能較較貴。。也可可大型型化，，特別別是可可以冶冶煉各各種特特殊鋼鋼，在在低電電價地地區是是一種種有前前途的的產品品方向向靈活活的方方法1一傾傾爐用用液壓壓缸；；2一一傾爐爐搖架架；3一爐爐門；；4一一熔池池；5一爐爐蓋；；6一電電極；；7一一電極極夾持持器(連接接電極升降降裝置置)；；8一一爐體體，9一電電弧；10一一出鋼鋼槽現代煉煉鐵方方法煉鋼爐外精精煉：：在傳統統的煉煉鋼(初煉煉爐)轉爐爐和電電弧爐爐生產產基礎礎上，，對鋼鋼液進進行大大規模模再加加工的的過程程。在在煉鋼鋼爐外外，對對鋼液液進一一步凈凈化，，調整整成分分和溫溫度，，承擔擔煉鋼鋼爐的的部分分冶煉煉職能能和部部分煉煉鋼爐爐不能能承擔擔的職職能現代代煉煉鐵鐵方方法法煉鋼鋼澆鑄鑄：：把在在煉煉鋼鋼爐爐中中熔熔煉煉和和爐爐外外精精煉煉所所得得到到的的合合格格鋼鋼水水，，經經過過盛盛鋼鋼桶桶及及中中間間鋼鋼包包等等澆澆注注設設備備，，注注入入到到一一定定形形狀狀和和尺尺寸寸的的鋼鋼錠錠模模或或結結晶晶器器中中，，使使之之凝凝固固成成為為鋼鋼錠錠或或鋼鋼坯坯模鑄鑄：：將盛盛在在盛盛鋼鋼桶桶內內的的鋼鋼水水注注入入具具有有一一定定形形狀狀和和尺尺寸寸的的鋼錠錠模模中中鑄鑄成成鋼鋼錠錠的的方方法法1一一中中心心注注管管2一一底底板板3一一鋼鋼錠錠模模現代代煉煉鐵鐵方方法法煉鋼鋼連鑄鑄：：將盛盛在在盛盛鋼鋼桶桶內內的的鋼鋼水水注注入入具具有有一一定定形形狀狀和和尺尺寸寸的的鋼錠錠模模中中鑄鑄成成鋼鋼錠錠的的方方法法1一一鋼鋼包包；；2一一中中間間包包；；3一一結結晶晶器；；4一一二二次次冷冷卻卻和和鑄鑄坯坯導導向向裝裝置；；5一一拉拉坯坯矯矯直直裝裝置置；；6一一切切割裝裝置置；；7一一出出坯坯裝裝置置現代煉鐵方方法鋼鐵生產流流程氧化-還原過程程的比較A一鐵礦石石；B一高高爐出爐鐵鐵水；C一一裝入煉鋼鋼爐的鐵水水；D一海綿鐵鐵；E一出出爐鋼水；；F一成品品鋼；A→B一高高爐過程；；C→E一氧氧氣轉爐煉煉鋼過程；；A→D一直直接還原鐵鐵；D→E一電電爐煉鋼；；A→G→B一二步法法熔融還原原；A→G一預預還原；G→B一終終還原；A→H→B一一步法法熔融還原原世界鋼鐵冶冶金流程預預測傳統鋼鐵聯聯合企業主要生產環環節：原料處理，，煉鐵，煉煉鋼，軋鋼鋼，能源供應，，交通運輸輸等將鐵礦石在在高爐內冶冶煉成生鐵鐵，用鐵水水煉成鋼，，再將鋼水水鑄成鋼錠錠或連鑄坯坯，經軋制制等塑性變變形方法加加工成各種種用途的鋼鋼材鋼鐵工業的的發展方向向煉鐵提高冶金焦焦質量合理選擇煉煉焦煤基地地和配煤方方案煤料搗固、、型煤壓塊塊、煤調濕濕和選擇粉粉碎焦爐大型化化、增加焦焦爐炭化室室寬度和降降低結焦速速度采用干法熄熄焦，低水水分熄焦和和焦炭整粒粒高爐法加強含鐵原原料預處理理環節，大大力發展精精料技術提高熟料比比提高鐵品位位，降低SiO2含量合理的爐料料結構：高高堿度燒結結礦＋酸性性球團礦改善高爐工工藝采用高風溫溫，高壓操操作。高富富氧鼓風，，脫濕鼓鼓風，噴吹吹燃料和爐爐外鐵水預預處理等技技術，以提提高產量，，降低焦比比鋼鐵工業的的發展方向向設備上的改改進高爐容積不不斷擴大，，出現了5000m3高爐采用皮帶運運輸上料采用無料鐘鐘爐頂爐前機械化化，如機械械化換風口口，設置活活動主溝等等在爐前設置置除塵、排排煙設備采用外燃式式熱風爐電子計算機機的應用鋼鐵工業的的發展方向向非高爐法直接還原法法大型化生產產技術、煤煤的氣化技技術等工業化生產產技術降低能耗和和生產成本本熔融還原法法鋼鐵工業的的發展方向向煉鋼氧氣轉爐成成為主要煉煉鋼方法。。電爐鋼將將獲得穩步步發展，特特別是以海海綿鐵為主主要原料的的電爐冶煉煉、近終形形連注、連連軋的煉鋼鋼短流程的的發展引人人注目。煉鋼用原料料的精選和和預處理得得到廣泛重重視大力推廣各各種爐外精精煉法。連續鑄錠獲獲得迅速發發展。轉爐操作采采用靜態及及動態計算算機控制電爐用氧和和采用高功功率、超高高功率，使使電弧爐煉煉鋼進入了了一個新的的發展階段段；近來許多國國家對將氧氧氣頂吹轉轉爐、電孤孤爐和爐外外精煉設備備結合起來來的冶煉工工藝十分重重視，認為為是煉鋼生生產在擴大大品種、提提高鋼材質質量方面的的最重要途途徑；鋼鐵工業的的發展方向向鋼鐵工業發發展的關鍵鍵采用用新新流流程程、、新新技技術術、、新新裝裝備備代代替替傳傳統統的的全全流流程程生生產產方方式式。。（（短短流流程程））節約約資資源源、、能能源源，，降降低低制制造造成成本本、、投投資資成成本本及及勞勞動動成成本本。。滿足足國國民民經經濟濟各各部部門門對對鋼鋼材材使使用用性性能能及及質質量量上上不不斷斷提提高高的的要要求求，，例例如如汽汽車車用用深深沖沖鋼鋼板板要要求求：：鋼鋼中中[C]十十[P]十十LS]十十[O]十十[N]十十[H]總總和和不不大大于于0.01%。。保護護環環境境，，根根治治污污染染，，保保持持生生態態平平衡衡鋼鐵鐵工工業業的的前前沿沿技技術術開發發用用煙煙煤煤或或天天然然氣氣作作還還原原劑劑，，不不用用高高爐爐，，將將鐵鐵礦礦石石還還原原成成海海綿綿鐵鐵的的直直接接還還原原和和熔熔融融還還原原煉煉鐵鐵法法。。超高高功功率率電電爐爐問問世世，，直直流流電電弧弧爐爐迅迅速速發發展展。。多種爐外外精煉法法投入生生產連鑄技術術的發展展和擴大大應用等離子作作為熱源源具有溫溫度高(5000一30000℃)、能量量高度集集中、工工作氣體體離子化化狀態、、離子流流速度快快(100一500m／s)等特點點，用于于冶金有有潛在優優勢，近近年成功功用于連連鑄中間間包加熱熱。真空冶金金、微波波冶金技技術電渣冶金金在特種種冶金中中無論產產量及品品種均居居首位近終成形形是金屬屬毛坯制制備的新新技術，，其特點點是：人工智能能控制即即以神經經網絡的的人工智智能為基基礎進行行控制。。2煉焦焦傳統焦炭炭生產工工藝生產工藝藝原料氣煤：Vdaf＞28%-37%，GR.I＞50-65和Vdaf＞37%，GR.I＞35，變質質程度低低的煉焦焦煤，加加熱時能能產生大大量膠質質體，抗抗碎強度度、耐磨磨強度差差，但產產氣率和和化學產產品收率率高肥煤：Vdaf＞10%-37%，GR.I＞85，強強粘結性性煤，加加熱時能能產生大大量膠質質體，耐耐磨強度度好焦煤：Vdaf＞20%-28%，GR.I＞50-65和Vdaf＞10%-28%，，GR.I＞65，中中等及低低揮發份份的中等等及強粘粘結性煤煤，加熱熱時能產產生熱穩穩定很高高的膠質質體，抗抗碎強度度、耐磨磨強度好好，但推推焦困難難瘦煤：Vdaf＞10%-20%，GR.I＞20-65，低低揮發份份的中等等及強粘粘結性煤煤，加熱熱時能產產生膠質質體，抗抗碎強度度較好，，耐磨強強度稍差差傳統焦炭炭生產工工藝洗煤目的：降低原煤煤中的灰灰份和硫硫，類似似于選礦礦方法：重選、油油團聚法法等配煤控制配合合煤的灰灰分、硫硫和膠質質層厚度度，膠質質層厚度度16－－20mm，精精煤粒度度配合要要適當，，含水量量應盡可可能低傳統焦炭炭生產工工藝干餾設備：焦爐控制合理理的加熱熱制度干燥、預預熱：50－200℃℃熱分解：：200－300℃℃軟化：300－－500℃半焦：500－－900℃成焦：900－－1000℃傳統焦炭炭生產工工藝熄焦濕法熄焦焦：在熄焦塔塔內用水水直接噴噴灑在赤赤熱的焦焦炭上達達到熄焦焦降溫之之目的。。工藝因因設備簡簡單、投投資及運運行費用用低廉干法熄焦焦：利用冷的的惰性氣氣體在熄熄爐中與與熾熱紅紅焦進行熱交換換來冷卻紅紅焦。能回回收紅焦顯顯熱、減少少環境污染染、提高焦焦炭質量，，但投資高高、能耗高高傳統焦炭生生產工藝存在的問題題及改進措措施資源緊缺：：提高弱黏結結性煤比率率，煤預熱熱提高其黏黏結性，采采用細顆粒粒煤粉的型型煤技術提提高其堆密密度。生產效率較較低：高溫預熱、、炭化室壁壁的高熱傳傳導率、薄薄壁化以及及均勻加熱熱熱效率較差差：對入爐煤進進行高溫預預熱，提高高了干餾開開始溫度；；通過中低低溫干餾，，降低了焦焦炭出爐溫溫度，并減減少了焦爐爐加熱用的的熱量。另另外，通過過對產生的的煤氣以及及燃燒排放放氣體的顯顯熱回收等等，實現節節能煤氣泄漏污污染環境：：采用插塞式式輸送方式式進行入爐爐煤的輸送送，調整焦焦爐的操作作壓力和實實現出爐時時的密閉集集塵，降低低粉塵量，，另外，通通過改善加加熱煤氣燃燃燒裝置，，實現低ＮＮＯｘ排排放。煉焦新技術術的開發煤料預處理理技術煤料預熱技技術預熱溫度：：150-250℃℃原理：增加加堆密度，，快速加熱熱效果：改善善焦炭質量量1%-2%，提高高生產能力力35-40%，降降低煉焦能能耗煉焦新技術術的開發煤料預處理理技術煤料干燥與與調濕技術術水分控制：：6%左右右原理：增大大堆密度效果：提高高焦爐生產產率10-15%，，改善焦炭炭質量0.5%-1%，降降低煉焦能能耗，增加加高揮發分分弱粘結煤煤的配用量量，煉焦爐爐預熱得以以回收煉焦新技術術的開發煤料預處理理技術型煤壓塊技技術原理：增加堆密度度，緊密煤煤粒間距型煤壓塊作作用1、型煤內內部煤粒接接觸緊密，，在煉焦過過程中有利利于粘結組組分；2、型煤與與粉煤混合合煉焦時，，型煤致密密、導熱性性好，比周周圍粉煤升升溫快，較較早軟化，，處于軟化化熔融時間間