1、冶冶 金金 概概 论论An introduction to Metallurgy武汉科技大学冶金工程系22022-8-1/14:25:462课程教学目的 p 通过钢铁冶炼过程的基本原理、主要设备、生产工艺及操作制度的学习，使从事与冶金行业有关的非冶金专业学生对钢铁工业及钢铁联合企业的生产过程有一个全面而概括的了解，并初步掌握冶金的基本知识。第一章第一章 绪论绪论42022-8-1/14:25:474主要内容主要内容1.1 冶金基本概念冶金基本概念1.2 钢铁工业钢铁工业1.3 钢铁冶炼钢铁冶炼1.4 钢铁产品及副产品钢铁产品及副产品1.5 钢铁工业能耗及能源钢铁工业能耗及能源1.6 耐火材料耐
2、火材料1.7 环境保护环境保护52022-8-1/14:25:4751.1 1.1 冶金基本概念冶金基本概念1.1.1 冶金学冶金学1.1.2 火法冶金火法冶金(Pyrometallurgy)主要过程简介主要过程简介62022-8-1/14:25:4761.1.1 1.1.1 冶金学冶金学p 冶金学是一门研究如何冶金学是一门研究如何经济地经济地从矿石或其它从矿石或其它原料中原料中提取金属或金属化合物提取金属或金属化合物，并用一定加，并用一定加工方法制成工方法制成具有一定性能具有一定性能的金属材料的科学。的金属材料的科学。由于矿石性能不同，提取金属的原理、工艺由于矿石性能不同，提取金属的原理、工
3、艺过程和设备不同，从而形成专门的冶金学过程和设备不同，从而形成专门的冶金学科科冶金学冶金学(Metallurgy)。p 冶金学研究所涉及的内容：冶金学研究所涉及的内容：金属的制取，金金属的制取，金属的加工，金属性能的改进属的加工，金属性能的改进对金属成分、对金属成分、组织结构、性能和相关理论的研究。组织结构、性能和相关理论的研究。72022-8-1/14:25:477冶金学的分类冶金学的分类p 冶金学按研究的领域分冶金学按研究的领域分：提取冶金学提取冶金学（化学（化学冶金学）和冶金学）和物理冶金学物理冶金学(physical metallurgy)（材料的加工成型，通过控（材料的加工成型，通过
4、控制其组成、结构使已提取的金属具有某种性制其组成、结构使已提取的金属具有某种性能）。能）。p 提取冶金提取冶金（extractive metallurgy）：）：从矿石中从矿石中提取提取金属及金属化合物的过程，因金属及金属化合物的过程，因其中进行很多其中进行很多化学反应化学反应，又称，又称化学冶金化学冶金（chemical metallurgy）。）。82022-8-1/14:25:478p 按所冶炼金属类型分：按所冶炼金属类型分：p (Nonferrous metallurgy)p (Ferrous metallurgy)p p 按冶金工艺过程不同分：按冶金工艺过程不同分：)钢钢铁铁冶冶金金
5、（黑黑色色冶冶金金有有色色冶冶金金 电电冶冶金金湿湿法法冶冶金金火火法法冶冶金金提取冶金的分类提取冶金的分类92022-8-1/14:25:4791.1.2 1.1.2 火法冶金主要过程简介火法冶金主要过程简介p 干燥：干燥：去水去水，温度为，温度为400600。p 焙烧：以焙烧：以改变原料组成改变原料组成为目的的、在为目的的、在低于矿石低于矿石熔点温度下熔点温度下、在、在特定气氛中特定气氛中进行的冶金过程。进行的冶金过程。p 煅烧：在空气中以煅烧：在空气中以去去CO2和和水水为目的的冶金过为目的的冶金过程。程。p 烧结与球团：以获得特定矿物组成、结构及性烧结与球团：以获得特定矿物组成、结构及
6、性能的能的造块造块。p 熔炼：还原氧化物，熔炼：还原氧化物，提取粗金属提取粗金属。p 精炼：氧化杂质，精炼：氧化杂质，获得纯金属获得纯金属。p 铸造：液态金属铸造：液态金属凝固凝固成固态。成固态。102022-8-1/14:25:47101.2 1.2 钢铁工业钢铁工业1.2.1 1.2.1 钢铁材料钢铁材料1.2.2 1.2.2 钢钢(Steel)(Steel)与生铁与生铁(Pig iron)(Pig iron)的区别的区别 1.2.3 1.2.3 钢铁冶炼技术发展简史钢铁冶炼技术发展简史1.2.4 1.2.4 我国钢铁工业的发展我国钢铁工业的发展112022-8-1/14:25:47111
7、.2.1 1.2.1 钢铁材料钢铁材料p 钢铁是使用最多的金属材料钢铁是使用最多的金属材料 原因：储量大；冶炼加工容易；综合性能好原因：储量大；冶炼加工容易；综合性能好p 预计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例预计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例122022-8-1/14:25:4812132022-8-1/14:25:48131.2.2 1.2.2 钢与生铁的区别钢与生铁的区别142022-8-1/14:25:48141.2.3 1.2.3 钢铁冶炼技术发展简史钢铁冶炼技术发展简史p 远古至远古至13世纪末：半熔融状态的铁块世纪末：半熔融状态的铁块海绵海绵铁铁(sponge iron)；p
8、 13世纪末至世纪末至19世纪中叶：熔融状态的生铁世纪中叶：熔融状态的生铁粗钢，形成两步法炼钢；粗钢，形成两步法炼钢；p 19世纪中期至今世纪中期至今：1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢法；法；1864年法国人发明了平炉炼钢法年法国人发明了平炉炼钢法(OH)；1874年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法；年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法；20世纪初发明了电弧炉炼钢世纪初发明了电弧炉炼钢(EAF)；20世纪中叶氧气顶吹转炉（世纪中叶氧气顶吹转炉（LD法）。法）。152022-8-1/14:25:48151.2.3 1.2.3 我国钢铁工业的发展我国钢铁工业的发展
9、p19961996年，突破年，突破1 1亿吨；亿吨；p19991999年，产量世界第一；年，产量世界第一；p20032003年，突破年，突破2 2亿吨，世界唯一年产钢亿吨，世界唯一年产钢超过超过2 2亿吨的国家；亿吨的国家；p20042004年，产量年，产量2.82.8亿吨；亿吨；p20052005年，产量年，产量3.53.5亿吨；亿吨；p20062006年，产量年，产量4.24.2亿吨。亿吨。162022-8-1/14:25:4816全球部分钢厂产量排名全球部分钢厂产量排名 排名排名 公司公司 国家国家 20062006年年(百万吨百万吨)20052005年年(百万吨百万吨)同比增长同比增长
10、20062006200520051 11 1 米塔尔米塔尔荷兰荷兰63.6663.66 49.849.89 9 27.627.62 22 2安赛乐安赛乐 卢森堡卢森堡54.3254.3246.6546.6516.416.43 33 3 新日铁新日铁日本日本33.7033.7032.9032.90 12.412.44 44 4 JFEJFE日本日本 32.0232.0229.5729.57 8.38.35 55 5 浦项浦项韩国韩国31.2031.2031.4231.42-0.7-0.76 666 宝钢宝钢中国中国22.5322.53 22.7322.73-0.9-0.99 92626唐钢唐钢中
11、国中国19.0619.0616.0816.0818.518.516161818 鞍钢鞍钢中国中国15.0015.0011.9011.90 26.126.117172222沙钢沙钢 中国中国14.6314.6312.0212.0221.721.718181616武钢武钢中国中国13.7613.76 13.0513.055.55.52424 2424济钢济钢中国中国11.2411.24 10.4310.437.87.825252727马钢马钢中国中国10.9110.919.659.6513.113.126262525莱钢莱钢中国中国10.7910.7910.3410.344.44.42727232
12、3首钢首钢中国中国10.5510.5510.4410.441.01.028283131华菱华菱中国中国9.919.91 8.458.4517.217.2182022-8-1/14:25:481819901992199419961998200020022004200620085010015020025030035040045050036.4年代粗钢产量/Mt.a-1中国粗钢产量中国粗钢占全球粗钢产量的比例8.489.6311.212.2512.7212.6113.4113.6314.7715.6615.4017.8520.122.925.833.7965.3571.0080.9389.5492.
13、6195.36101.24108.91114.56123.35127.64151.63181.55202.31272.80418.78489.00349.360481216202428323630.9中国年粗钢产量增长情况中国年粗钢产量增长情况192022-8-1/14:25:48191.3 1.3 钢铁冶炼钢铁冶炼赤赤铁铁矿矿磁磁铁铁矿矿线线材材 板板材材202022-8-1/14:25:4820p 烧结烧结/球团球团 高炉高炉转炉转炉连铸机连铸机轧机轧机p 直接还原或熔融还原直接还原或熔融还原电炉电炉连铸机连铸机轧机轧机 非高炉炼非高炉炼铁铁钢铁生产的两个典型流程钢铁生产的两个典型流程高炉
14、炼铁高炉炼铁长流程长流程短流程短流程钢铁冶炼的任务是把铁矿石冶炼成合格的钢。钢铁冶炼的任务是把铁矿石冶炼成合格的钢。212022-8-1/14:25:4821现代钢铁冶炼的两种基本流程现代钢铁冶炼的两种基本流程222022-8-1/14:25:4822钢材加工工艺流程钢材加工工艺流程232022-8-1/14:25:4823钢铁生产的典型工艺（长流程）钢铁生产的典型工艺（长流程）242022-8-1/14:25:4824钢铁工业的特点钢铁工业的特点p 生产规模大，物流吞吐大，每吨钢涉及的物生产规模大，物流吞吐大，每吨钢涉及的物流将是流将是5-65-6吨。吨。p 资源密集、能耗密集。在钢铁联合企
15、业内，资源密集、能耗密集。在钢铁联合企业内，每吨钢降消耗每吨钢降消耗0.7-0.80.7-0.8吨左右的标准煤、吨左右的标准煤、1.5-1.651.5-1.65吨左右铁矿石、吨左右铁矿石、3-83-8吨左右新水；吨左右新水；p 制造流程工序多、结构复杂制造流程工序多、结构复杂p 制造流程中伴随大量物质制造流程中伴随大量物质/能量排放，形成能量排放，形成复杂的环境界面复杂的环境界面252022-8-1/14:25:48251.4 1.4 钢铁产品及副产品钢铁产品及副产品p 产品产品 生铁生铁 钢钢 铁合金铁合金(Ferroalloy)(Ferroalloy)p 副产品副产品 炉渣炉渣(Slag)
16、(Slag)煤气煤气(Gas)(Gas)262022-8-1/14:25:4826生铁生铁p 它是铁和碳及少量硅。锰、硫、磷等元素组它是铁和碳及少量硅。锰、硫、磷等元素组成的合金，主要由高炉生产，按其用途可分成的合金，主要由高炉生产，按其用途可分为为炼钢生铁炼钢生铁和和铸造生铁铸造生铁。272022-8-1/14:25:4827铁合金铁合金p 铁合金是指铁与一种或几种元素组成的中间铁合金是指铁与一种或几种元素组成的中间合金，主要用于炼钢脱氧或作为合金添加剂，合金，主要用于炼钢脱氧或作为合金添加剂，当采用金属热还原法生产其它铁合金和有色当采用金属热还原法生产其它铁合金和有色金属时作还原剂金属时作
17、还原剂(详见第七章详见第七章)。如：硅铁、。如：硅铁、锰铁。锰铁。282022-8-1/14:25:4828炉渣炉渣p 炉渣是炉料在冶炼过程中不能进到生铁和炉渣是炉料在冶炼过程中不能进到生铁和钢中的氧化物、硫化物等形成的熔融体。钢中的氧化物、硫化物等形成的熔融体。p 其主要成分是其主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3等。等。p 根据冶炼方法的不同，钢铁生产产生的炉根据冶炼方法的不同，钢铁生产产生的炉渣分为渣分为高炉渣高炉渣和和炼钢渣炼钢渣，按炉渣中含有不，按炉渣中含有不同的化学成分又可分为同的化学成分又可分为碱性渣碱性渣和和酸性渣酸性渣。292022-8-1/14:25:4829p
18、碱度碱度(R)：炉渣中CaO与SiO2的质量百分数之比。这是二元碱度，还有三元碱度等p )()(22SiOwCaOwR)()()(23SiOwMgOwCaOwR302022-8-1/14:25:4830煤气煤气p钢铁生产中还能获得大量的可燃气体，钢铁生产中还能获得大量的可燃气体，高炉炼铁可产生高炉煤气，转炉炼钢高炉炼铁可产生高炉煤气，转炉炼钢可获得转炉煤气，炼焦时可得焦炉煤可获得转炉煤气，炼焦时可得焦炉煤气等。气等。p煤气主要成分：煤气主要成分：CO、H2、CO2、N2、CH4 312022-8-1/14:25:48311.5 1.5 钢铁工业能源及能耗钢铁工业能源及能耗1.5.1 1.5.1
19、 钢铁生产用能源钢铁生产用能源1.5.2 1.5.2 钢铁工业能耗钢铁工业能耗1.5.3 1.5.3 节能途径节能途径322022-8-1/14:25:4832p 钢铁工业是能源消耗的大户，约占全国总能钢铁工业是能源消耗的大户，约占全国总能源消耗量的源消耗量的10101111。p 钢铁生产所用能源主要有钢铁生产所用能源主要有煤炭煤炭、燃料油、燃料油(重重油油)、天然气、电力等。、天然气、电力等。p 煤占钢铁生产中燃料消耗的煤占钢铁生产中燃料消耗的70%70%，钢铁工业，钢铁工业用煤量已超过煤炭总产量的用煤量已超过煤炭总产量的1515。p 煤在钢铁企业主要用来煤在钢铁企业主要用来炼焦炼焦和自备电
20、厂发电、和自备电厂发电、蒸汽机车烧煤、烧工业锅炉及部分窑炉，少蒸汽机车烧煤、烧工业锅炉及部分窑炉，少部分制成粉煤用于高炉喷吹及烧结生产。部分制成粉煤用于高炉喷吹及烧结生产。1.5.1 1.5.1 钢铁生产用能源钢铁生产用能源332022-8-1/14:25:48331.5.2 1.5.2 钢铁工业能耗钢铁工业能耗p 我国钢铁工业的能源消耗中，我国钢铁工业的能源消耗中，钢铁冶钢铁冶炼炼是耗能最高的工序，占钢铁工业能是耗能最高的工序，占钢铁工业能耗的耗的60607070。其主要耗于。其主要耗于炼铁系统炼铁系统，焦化、烧结、球团、炼铁等工序。焦化、烧结、球团、炼铁等工序。342022-8-1/14:
21、25:483420042004年重点钢铁企业工序能耗比较年重点钢铁企业工序能耗比较(千克标准煤千克标准煤/t)/t)指标指标烧结烧结焦化焦化炼铁炼铁转炉转炉电炉电炉平均值平均值66.3866.38142.21142.21466.20466.2026.5726.57209.89209.8919991999年国际年国际先进水平先进水平58.8958.89128.1128.1437.93437.93-8.88-8.88198.6198.6差值差值7.497.4914.1114.1128.2728.2735.4535.4511.2911.29指标指标烧结烧结球团球团焦化焦化炼铁炼铁转炉转炉电炉电炉轧钢
22、轧钢吨钢综吨钢综合能耗合能耗平均值平均值 66.3866.38 42.0042.00 142.21142.21 466.20466.20 26.5726.57 209.89209.89 92.9192.91761761先进值先进值 52.0652.06 19.2219.2288.1388.13395.41395.41-3.77-3.77 146.31146.31 53.6853.68565565落后值落后值108.6108.60 083.3083.30 229.15229.15 591.81591.81 75.2375.23 325.44325.44 286.89286.8911031103差
23、值差值56.5464.08141.02196.4079.00179.23 233.21538352022-8-1/14:25:49351.5.3 1.5.3 节能途径节能途径p 改进生产工艺及操作，更新和改造耗能高的改进生产工艺及操作，更新和改造耗能高的设备。设备。p 降低能源损失（降低能源损失（“废料废料”、煤气、热能、压、煤气、热能、压力能），减少生产工序。力能），减少生产工序。p 回收利用散失热量。回收利用散失热量。p 加强企业能源管理，加强能源利用技术的研加强企业能源管理，加强能源利用技术的研究工作，提高操作技术水平，充分发挥现有究工作，提高操作技术水平，充分发挥现有设备能力，以节能为
24、目标合理组织生产。设备能力，以节能为目标合理组织生产。362022-8-1/14:25:49361.6 1.6 冶金用耐火材料冶金用耐火材料p 钢铁冶金的技术进步和过程温度的提高分不钢铁冶金的技术进步和过程温度的提高分不开，耐火材料的发展与钢铁冶金的技术进步开，耐火材料的发展与钢铁冶金的技术进步紧密相关。紧密相关。p 耐火材料产品绝大部分（耐火材料产品绝大部分（6080%）用于）用于冶金行业。冶金行业。p 耐火材料在冶金中的应用有：耐火材料在冶金中的应用有：高温炉管高温炉管 坩埚、容器坩埚、容器 热电偶绝缘管热电偶绝缘管 热电偶保护管热电偶保护管 炉膛耐火材料炉膛耐火材料 炉膛保温材料炉膛保温
25、材料372022-8-1/14:25:4937 1.6.11.6.1耐火材料定义耐火材料定义p耐火材料是耐火度不低于耐火材料是耐火度不低于1580的无机的无机非金属材料。非金属材料。p ISO定义：耐火材料是耐火度至少为定义：耐火材料是耐火度至少为1500 的非金属材料或制品（但不排除的非金属材料或制品（但不排除含有一定比例的金属）。含有一定比例的金属）。p在高温炉（高炉、热风炉、转炉、各种加在高温炉（高炉、热风炉、转炉、各种加热炉）中，炉膛是用耐火材料砌成的。热炉）中，炉膛是用耐火材料砌成的。p对耐火材料的要求是：有足够高的耐火度，对耐火材料的要求是：有足够高的耐火度，合理的形状，质地致密，
26、高温下有一定强合理的形状，质地致密，高温下有一定强度，无明显挥发现象以及不与炉内工作气度，无明显挥发现象以及不与炉内工作气氛发生反应等。氛发生反应等。382022-8-1/14:25:49381.6.2 1.6.2 耐火材料分类耐火材料分类p按化学成分：氧化物、非氧化物、复按化学成分：氧化物、非氧化物、复合系合系p按形态：定形、不定形按形态：定形、不定形p按耐火度分：普通按耐火度分：普通15801770;高级高级17702000;特级特级2000 以上以上p按制作工艺分：泥浆浇注；可塑成按制作工艺分：泥浆浇注；可塑成型型392022-8-1/14:25:4939SnPbZnAlCuNiFe高岭
27、土耐火土SiC,80-90%熔融铝矾土铬铁矿38%Cr2O3纯Al2O3Cr2O3FeOCr2O3MgO,90-95%纯SiC纯BeO纯ZrO2纯MgO纯ThO2石墨020040060080010001200140016001800200022002400260028003000320034003600熔化温度C402022-8-1/14:25:49401.7 1.7 环境保护环境保护p 钢铁厂产生的各种污染物有：钢铁厂产生的各种污染物有：大气污染物质大气污染物质 污水污水 固体废弃物固体废弃物412022-8-1/14:25:4941大气污染物质大气污染物质p SOX：是通过原料、燃料中硫磺
28、成分的燃烧而：是通过原料、燃料中硫磺成分的燃烧而产生的。烧结工厂等为其主要发生源。产生的。烧结工厂等为其主要发生源。p NOX：通过燃烧后发生。烧结工厂等为其主要：通过燃烧后发生。烧结工厂等为其主要发生源。发生源。p 煤尘：通过燃烧后发生。烧结炉、各加热炉为煤尘：通过燃烧后发生。烧结炉、各加热炉为其发生源。其发生源。p 粉尘：从燃料原料的输送、处理过程，及储藏粉尘：从燃料原料的输送、处理过程，及储藏场中产生。炼铁、炼钢工程为其主要发生源。场中产生。炼铁、炼钢工程为其主要发生源。422022-8-1/14:25:4942p 钢铁工业用水主要是钢铁工业用水主要是冷却水冷却水，其次是煤气，其次是煤气
29、洗涤洗涤水水，以及冲洗设备、地面及除尘用水等。，以及冲洗设备、地面及除尘用水等。p 污水中含有下列污染物：污水中含有下列污染物：固体悬浮物（固体悬浮物（SS Solid suspension）：从排气集尘、高温物）：从排气集尘、高温物质的直接冷却等过程中产生。质的直接冷却等过程中产生。油：由各种机械等所使用的油所发生的漏泄及冷轧油：由各种机械等所使用的油所发生的漏泄及冷轧工程使用轧制机的机油等原因而产生。工程使用轧制机的机油等原因而产生。化学需氧量（化学需氧量（COD Chemical oxygen demand）：从煤炭干馏时）：从煤炭干馏时的氨水，及冷轧、电镀废水中产生。的氨水，及冷轧、电
30、镀废水中产生。酸、碱：从冷轧工程的酸洗工程、电镀工程等的脱酸、碱：从冷轧工程的酸洗工程、电镀工程等的脱脂工程中产生。脂工程中产生。污水污水432022-8-1/14:25:4943固体废弃物固体废弃物p炉渣：从高炉、铁水预处理、转炉、炉渣：从高炉、铁水预处理、转炉、电炉、二次精炼设备等的冶炼工程中电炉、二次精炼设备等的冶炼工程中产生。产生。p污泥：在各种水处理过程中产生。污泥：在各种水处理过程中产生。p灰尘：从各种干式集尘机中产生。灰尘：从各种干式集尘机中产生。钢铁钢铁生产生产中产中产生的生的污染污染物物(1)钢铁钢铁生产生产中产中产生的生的污染污染物物(2)462022-8-1/14:25:4946第一章第一章 小结小结p 重点掌握内容：重点掌握内容：火法冶金及其主要工序；火法冶金及其主要工序；钢铁生产长流程和短流程生产工艺；钢铁生产长流程和短流程生产工艺；钢铁工业能源及能耗特点；钢铁工业能源及能耗特点；耐火材料及其要求。耐火材料及其要求。
