1、冶金工艺冶金工艺 火法冶金火法冶金 湿法冶金湿法冶金 电冶金电冶金 火法冶金火法冶金 利用高温从矿石中提取金属或其化合物利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法称为火法冶金；的方法称为火法冶金；钢铁、铜、镍、铅、锌等；钢铁、铜、镍、铅、锌等；缺点：污染环境；缺点：污染环境；优点：成本较低；优点：成本较低；基本过程：矿石准备基本过程：矿石准备-冶炼冶炼-精炼精炼 主要方法：提炼冶金、氯化冶金、喷射主要方法：提炼冶金、氯化冶金、喷射冶金、真空冶金等。冶金、真空冶金等。湿法冶金湿法冶金 湿法冶金是指利用湿法冶金是指利用溶剂溶剂的化学作用，在的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还水溶液或非水
2、溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和络合等反应，对原料、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；提取和分离的冶金过程；主要过程：浸取、固主要过程：浸取、固-液分离、溶液的富液分离、溶液的富集、从溶液中提取金属或化合物；集、从溶液中提取金属或化合物；世界上全部的世界上全部的氧化铝氧化铝、氧化铀氧化铀、约、约74的锌、的锌、12的铜及多数稀有金属都是用的铜及多数稀有金属都是用湿法冶金方法生产的；湿法冶金方法生产的；最大优点最大优点：环境的污染较小，能处理低：环境的污染较小，能处理低品位的矿石。品位的矿石。电冶金
3、电冶金 利用电能从矿石或其他原料中提取、回利用电能从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程称为收、精炼金属的冶金过程称为电冶金电冶金；电冶金主要包括电热熔炼、水溶液电解电冶金主要包括电热熔炼、水溶液电解和熔盐电解三方面内容。和熔盐电解三方面内容。生物冶金生物冶金:生物浸出技术生物浸出技术(“973”(“973”项目：项目：微生物冶金的基础研究）微生物冶金的基础研究）细菌冶金细菌冶金.两次工业革命都是以新材料的发明和广泛两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的：应用为先导的：第一次工业革命（第一次工业革命（18世纪）：世纪）：钢铁工业钢铁工业的发展为的发展为蒸汽机的发明和应用奠定
4、了物质基础；蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础；第二次工业革命（第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。料对电子技术的发明和应用起了核心作用。钢铁生产基本过程钢铁生产基本过程 （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 铸锭铸锭(连铸连铸)轧制轧制 钢材钢材 铸造生铁铸造生铁 铸造铸造 新流程：直接氧化电弧炉炼钢连铸连轧 地壳中主要元素的平均质量百分比地壳中主要元素的平均质量百分比(克拉克值）克拉克值）元素元素OSiAlFeCaNaKMgTiH质量质量%46.0527.888.135
5、.173.652.782.582.060.620.14铁矿石铁矿石铁的氧化物铁的氧化物：Fe2O3,Fe3O4,2Fe2O33H2O,FeCO3脉石脉石：其他氧化物：其他氧化物(SiO2、MnO2、Al2O3)等等一、钢铁冶金的热力学一、钢铁冶金的热力学 炼铁主要是炼铁主要是还原过程还原过程，炼钢主要是炼钢主要是氧化过程氧化过程；理论基础：氧化物生理论基础：氧化物生成自由能成自由能-温度的关系温度的关系图（图（Go-T图图)氧势线氧势线 Go-T图提供的信息：图提供的信息：氧化物位置氧化物位置低低的比位置高的的比位置高的稳定稳定，位置低的元，位置低的元素能素能还原还原位置高的元素，并且两者相距
6、越远越位置高的元素，并且两者相距越远越好，相距越远反应进行得越彻底；好，相距越远反应进行得越彻底；稳定性：稳定性：CaOMgOAl2O3SiO2MnOFeOP2O5 特殊线：特殊线：2C+O2=2CO 交点对应温度：交点对应温度：C还原氧化物的最低温度，还原氧化物的最低温度，高高于此温度，于此温度，CO稳定，作为还原剂；反之，作稳定，作为还原剂；反之，作为氧化剂。为氧化剂。还原剂的选择还原剂的选择还必须适应大规模工业生产的需还必须适应大规模工业生产的需要和经济效益的要求。显然在高炉中不能用比要和经济效益的要求。显然在高炉中不能用比铁昂贵的铁昂贵的Al、Mg、Ca、Si、Mn来作为还原剂。来作为
7、还原剂。它们作为还原剂是不经济的。它们作为还原剂是不经济的。C、CO和和H2是高炉炼铁适宜的还原剂。它们是高炉炼铁适宜的还原剂。它们由原料带来，兼有热能和化学能的双重职能，由原料带来，兼有热能和化学能的双重职能，焦炭还作为料柱骨架，满足高炉冶炼过程的需焦炭还作为料柱骨架，满足高炉冶炼过程的需要。要。只要温度足够高，只要温度足够高，CO几几乎能还原所有的元素；乎能还原所有的元素；高炉生产中，高炉生产中，FeO、P2O5最不稳定，全部被最不稳定，全部被还原；还原；MnO大部分被还大部分被还原；原；SiO2小部分被还原；小部分被还原；CaO，MgO，Al2O3几乎几乎不被还原；不被还原；二、高炉炼铁
8、二、高炉炼铁 从矿石中制取铁的过从矿石中制取铁的过程称为程称为炼铁炼铁；炼铁的；炼铁的炉子叫炉子叫高炉高炉；炼铁原料：铁矿石、炼铁原料：铁矿石、熔剂、燃料熔剂、燃料产出：生铁、煤气、产出：生铁、煤气、炉渣炉渣 1 1、高炉炼铁系统、高炉炼铁系统高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外，高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外，还包括有还包括有原燃料系统、上料系统、送风系统、原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、煤气处理系统渣铁处理系统、煤气处理系统。通常，辅助系统的建设投资是高炉本体的通常，辅助系统的建设投资是高炉本体的4-54-5倍。生产中，各个系统互相配合、互相制约，倍。生产中，各个系
9、统互相配合、互相制约，形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高炉开炉之后，整个系统必须日以继夜地连续生炉开炉之后，整个系统必须日以继夜地连续生产，除了计划检修和特殊事故暂时休风外，一产，除了计划检修和特殊事故暂时休风外，一般要到一代寿命终了时才停炉。般要到一代寿命终了时才停炉。高炉本体是冶炼生铁的高炉本体是冶炼生铁的主体设备。由耐火材料主体设备。由耐火材料砌筑成竖式圆筒形，外砌筑成竖式圆筒形，外有钢板炉壳加固密封，有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却设备保护；内嵌冷却设备保护；高炉内部工作空间的形高炉内部工作空间的形状称为高炉内型。高炉状称为高炉内型。高炉内型从
10、下往上分为内型从下往上分为炉缸、炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉炉腹、炉腰、炉身和炉喉喉五个部分，该容积总五个部分，该容积总和为它的和为它的有效容积有效容积，反，反映高炉所具备的生产能映高炉所具备的生产能力。力。高炉内衬高炉内衬：高炉内耐火：高炉内耐火材料砌筑的实体，其作材料砌筑的实体，其作用是形成高炉工作空间。用是形成高炉工作空间。高炉炉衬：陶瓷质材料高炉炉衬：陶瓷质材料（包括粘土质和高铝质（包括粘土质和高铝质等）、炭质材料（炭砖、等）、炭质材料（炭砖、炭捣石墨等）炭捣石墨等）高炉冷却设备高炉冷却设备 炉衬冷却是将通有冷却介质的金属冷却器件插炉衬冷却是将通有冷却介质的金属冷却器件插入砌体或置于砌体
11、外缘表面，由冷却介质将进入砌体或置于砌体外缘表面，由冷却介质将进入炉衬的热量带走，从而使输入和输出炉衬的入炉衬的热量带走，从而使输入和输出炉衬的热流平衡，保持炉衬工作表面稳定。热流平衡，保持炉衬工作表面稳定。由于高炉各部位热负荷不同，加上结构上的要由于高炉各部位热负荷不同，加上结构上的要求，高炉冷却设备有冷却壁、冷却水箱、外部求，高炉冷却设备有冷却壁、冷却水箱、外部喷水冷却、水冷炉底等多种形式和方法。喷水冷却、水冷炉底等多种形式和方法。2、高炉原料、高炉原料（1）铁矿石铁矿石：含铁矿物含铁矿物+脉石脉石=机械混合物机械混合物 天然铁矿石按其主要矿物分为天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿磁铁矿、赤
12、铁矿赤铁矿、褐铁矿褐铁矿和和菱铁矿菱铁矿等几种等几种 赤铁矿赤铁矿 又称又称红矿红矿，其主要含铁矿物为，其主要含铁矿物为Fe2O3，其中铁占，其中铁占70%，氧占，氧占30%，常温，常温下无磁性。但下无磁性。但Fe2O3有两种晶形，一为有两种晶形，一为-Fe2O3，一为，一为-Fe2O3，在一定温度下，在一定温度下，当当-Fe2O3转变为转变为-Fe2O3时，便具有了磁时，便具有了磁性。性。色泽为赤褐色到暗红色，由于其硫、磷含色泽为赤褐色到暗红色，由于其硫、磷含量低，还原性较磁铁矿好，是优良的炼铁量低，还原性较磁铁矿好，是优良的炼铁原料。原料。赤铁矿的熔融温度为：赤铁矿的熔融温度为：15801
13、640。磁铁矿磁铁矿 主要含铁矿物为主要含铁矿物为Fe3O4，具有磁，具有磁性。其化学组成可视为性。其化学组成可视为Fe2O3FeO，其，其中中 F e O=3 0%，F e2O3=6 9%；TFe=72.4%，O=27.6%；磁铁矿颜色为灰色或黑色，由于其结晶磁铁矿颜色为灰色或黑色，由于其结晶结构致密，所以还原性比其它铁矿差；结构致密，所以还原性比其它铁矿差；磁铁矿的熔融温度为：磁铁矿的熔融温度为：15001580。在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由于地表氧在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由于地表氧化作用使部分磁铁矿氧化转变为化作用使部分磁铁矿氧化转变为半假象赤铁矿半假象赤铁矿和和假象赤铁矿假象
14、赤铁矿。所谓假象就是。所谓假象就是Fe3O4虽然氧化虽然氧化成成Fe2O3，但它仍保留原来磁铁矿的外形。它，但它仍保留原来磁铁矿的外形。它们一般可用们一般可用TFe/FeO的比值来区分：的比值来区分：TFe/FeO=2.33为纯磁铁矿石为纯磁铁矿石 TFe/FeO7.0为假象赤铁矿石为假象赤铁矿石 式中，式中，TFe矿石中的总含铁量（矿石中的总含铁量（%），又称），又称全铁；全铁；FeO矿石中的矿石中的FeO含量（含量（%）。）。褐铁矿褐铁矿 通常指含水氧化铁的总称。通常指含水氧化铁的总称。如如 3 F e2O3 4 H2O 称 为 水 针 铁 矿；称 为 水 针 铁 矿；2Fe2O33H2O
15、称称褐铁矿褐铁矿。这类矿石一般。这类矿石一般含铁较低，但经过焙烧去除结晶水后，含铁较低，但经过焙烧去除结晶水后，含铁量显著上升。含铁量显著上升。颜色为浅褐色、深褐色或黑色，硫、磷、颜色为浅褐色、深褐色或黑色，硫、磷、砷等有害杂质一般多。砷等有害杂质一般多。菱铁矿菱铁矿 又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体而得名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化而得名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化学组成为学组成为FeCO3，亦可写成，亦可写成FeOCO2，其中，其中FeO=62.1%，CO2=37.9%。常混入。常混入Mg、Mn等的矿物。一般含铁较低，但若受热分解放等的矿物。一般含铁
16、较低，但若受热分解放出出CO2后品位显著升高，而且组织变得更为后品位显著升高，而且组织变得更为疏松，很易还原。所以使用这种矿石一般要疏松，很易还原。所以使用这种矿石一般要先经焙烧处理。先经焙烧处理。铁矿石开采：铁矿石开采：露天开采露天开采：采用采掘设备在敞露的条件：采用采掘设备在敞露的条件下，以山坡露天或凹陷露天的方式，一下，以山坡露天或凹陷露天的方式，一个阶段一个阶段地向下剥离岩石和采出个阶段一个阶段地向下剥离岩石和采出有用矿物的一种采矿方法。有用矿物的一种采矿方法。地下开采地下开采：矿床埋藏地表以下很深，无：矿床埋藏地表以下很深，无法露天开采时采用。法露天开采时采用。铁矿石质量评价铁矿石质
17、量评价 铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必须严格要求。通常从以下几方面评价：须严格要求。通常从以下几方面评价：矿石品位矿石品位：品位即铁矿石的含铁量，它品位即铁矿石的含铁量，它决定着矿石的开采价值和入炉前的处理决定着矿石的开采价值和入炉前的处理工艺。入炉品位愈高，愈有利于降低焦工艺。入炉品位愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从而提高经济效益。比和提高产量，从而提高经济效益。品位品位提高，意味着酸性脉石大幅度减少，提高，意味着酸性脉石大幅度减少，冶炼时可少加石灰石造渣，因而渣量大冶炼时可少加石灰石造渣，因而渣量大大减少，既节省热量，又促进炉况顺行。大减少，既节省
18、热量，又促进炉况顺行。例如鞍山地区的酸性贫铁矿，含铁例如鞍山地区的酸性贫铁矿，含铁30%，SiO2 50%，富选后精矿品位达到，富选后精矿品位达到60%，SiO2降低到降低到14%；含铁量提高一倍，；含铁量提高一倍，SiO2降低近降低近3/4。生产。生产1t生铁的渣量和熔生铁的渣量和熔剂用量减少到原来的剂用量减少到原来的1/8。脉石成分脉石成分：碱性脉石，如碱性脉石，如CaO、MgO；酸性脉；酸性脉石，如石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含酸性脉石者。一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其中居多，即其中SiO2高，需加入石灰石造成碱度高，需加入石灰石造成碱度CaO/SiO2为为1.0左右的炉渣，
19、以满足冶炼工艺的左右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含需求。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含CaO高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值。高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值。如某铁矿成分（如某铁矿成分（%）Fe 45.30，CaO 10.05，MgO 3.34，SiO2 11.20 自然碱度（自然碱度（CaO/SiO2）=0.9，（，（CaO+MgO）/SiO2=1.2，接近炉渣碱度的正常范围，属，接近炉渣碱度的正常范围，属自熔自熔性性矿石。矿石。有害杂质和有益元素的含量有害杂质和有益元素的含量 有害杂质通常指有害杂质通常指S、P、Pb、Zn、As等，等，它们的含量愈低
20、愈好。它们的含量愈低愈好。Cu有时为害，有有时为害，有时为益，视具体情况而定。时为益，视具体情况而定。入炉铁矿石有害杂质的界限含量入炉铁矿石有害杂质的界限含量（%）硫硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。脆性。“热脆热脆”就是就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成几乎不熔于固态铁而与铁形成FeS，而，而FeS与与Fe形成的共晶体熔点为形成的共晶体熔点为988，低于钢材热加工的开始温度低于钢材热加工的开始温度11501200。热。热加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂。致开裂。因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁
21、因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁中中S0.07%，优质生铁，优质生铁S0.03%，就是要严格，就是要严格控制钢中硫含量。控制钢中硫含量。磷磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。性。磷能溶于磷能溶于-Fe中（可达中（可达1.2%），固溶并），固溶并富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶粒间的强度大大增高，从而使钢材的室粒间的强度大大增高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称为温强度提高而脆性增加，称为冷脆冷脆。磷。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆用热处理的
22、方法来消除，亦使钢材冷脆的危险性增加。的危险性增加。铁矿石中常共生有铁矿石中常共生有Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo；包头白云鄂博铁矿还含有；包头白云鄂博铁矿还含有Nb、Ta及稀及稀土元素土元素Ce、La等。这些元素有改善钢铁性能等。这些元素有改善钢铁性能的作用，故称的作用，故称有益元素有益元素。当它们在矿石中的含量（当它们在矿石中的含量（%）达到一定数值）达到一定数值时，如时，如Mn5、Cr0.06、Ni0.2，Co0.03，V0.10.15，Mo0.3，Cu0.3，则称为，则称为复合复合矿石，经济价值很大，应考虑综合利用矿石，经济价值很大，应考虑综合利用。矿石的粒度和强度矿石的粒度和
23、强度 粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹矿石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹出炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影出炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影响料柱透气性。因此，大块应破碎，粉末应筛除，响料柱透气性。因此，大块应破碎，粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。一般要求粒度在粒度应适宜而均匀。一般要求粒度在540mm范范围。围。铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度
24、也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，增加炉也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，增加炉尘损失，使高炉料柱透气性变坏。尘损失，使高炉料柱透气性变坏。铁矿石的还原性铁矿石的还原性 铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或或H2还原的难易程度，是评价铁矿石还原的难易程度，是评价铁矿石质量的重要指标。还原性愈好，愈有利质量的重要指标。还原性愈好，愈有利于降低焦比，提高产量。改善矿石还原于降低焦比，提高产量。改善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶炼的重要措施之一。炼的重要措施之一。影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组影响铁矿石还原性
25、的因素主要有矿物组成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔率等。率等。矿石化学成分的稳定性矿石化学成分的稳定性 铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱度和性质以及生铁质量的波动，造成炉度和性质以及生铁质量的波动，造成炉况不顺，使焦比升高，产量下降。同时，况不顺，使焦比升高，产量下降。同时，炉况的频繁波动使高炉自动控制难以实炉况的频繁波动使高炉自动控制难以实现，因此，国内外都严格控制炉料成分现，因此，国内外都严格控制炉料成分的波动范围。稳定矿石成分的有效方法的波动范围。稳定矿石成分的有效方法是对矿石进行是对矿石进行混匀处理混匀处理。根据上
26、述质量要求，一般的铁矿石很难完全满根据上述质量要求，一般的铁矿石很难完全满足要求，须在入炉前进行必要的足要求，须在入炉前进行必要的准备处理准备处理。对天然富矿（如含对天然富矿（如含Fe50%以上），须经以上），须经破碎破碎、筛分筛分，获得合适而均匀的粒度。对于褐铁矿、，获得合适而均匀的粒度。对于褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁矿还应进行菱铁矿和致密磁铁矿还应进行焙烧焙烧处理，以去处理，以去除其结晶水和除其结晶水和CO2，提高品位，疏松其组织，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。改善还原性，提高冶炼效果。对贫铁矿的处理要复杂得多。一般都必须经过对贫铁矿的处理要复杂得多。一般都必须经过破碎、筛
27、分、细磨、精选破碎、筛分、细磨、精选，得到含铁，得到含铁60%以上以上的精矿粉，经混匀后进行的精矿粉，经混匀后进行造块造块，变成人造富矿，变成人造富矿，再进行适当破碎，筛分后入炉。再进行适当破碎，筛分后入炉。（2）熔剂）熔剂 熔剂的作用：熔剂的作用：降低脉石熔点、去硫降低脉石熔点、去硫 高炉冶炼条件下，脉石及灰分不能熔化，高炉冶炼条件下，脉石及灰分不能熔化，必须加入熔剂，使其与矿石脉石和灰分必须加入熔剂，使其与矿石脉石和灰分作用生成作用生成低熔点低熔点化合物，形成流动性好化合物，形成流动性好的炉渣，实现渣铁分离并自炉内顺畅排的炉渣，实现渣铁分离并自炉内顺畅排出。此 外，一 定 碱 度 的 炉
28、渣，如出。此 外，一 定 碱 度 的 炉 渣，如CaO/SiO2=1.01.2，可去除生铁中有害，可去除生铁中有害杂质杂质硫硫，提高生铁质量。，提高生铁质量。熔剂的种类熔剂的种类 由于矿石脉石和焦炭灰分多系酸性氧化物，所由于矿石脉石和焦炭灰分多系酸性氧化物，所以高炉主要用以高炉主要用碱性熔剂碱性熔剂，如，如石灰石石灰石（CaCO3）、）、白云石白云石（CaCO3MgCO3）等。）等。石灰石资源丰富，使用最广。白云石同时含有石灰石资源丰富，使用最广。白云石同时含有CaO和和MgO，既可代替部分石灰石，又使渣，既可代替部分石灰石，又使渣中含有一定数量的中含有一定数量的MgO，改善渣的流动性和，改善
29、渣的流动性和稳定性，从而促进脱硫。在使用高稳定性，从而促进脱硫。在使用高Al2O3矿石，矿石，炉渣炉渣Al2O3高时其效果特别显著。高时其效果特别显著。（3）燃料）燃料 焦炭焦炭是高炉冶炼的主要燃料，具有如下作用：是高炉冶炼的主要燃料，具有如下作用：(1)燃料燃料。燃烧后发热，产生冶炼所需热量。燃烧后发热，产生冶炼所需热量。(2)还原剂还原剂。焦炭中的固定碳和它燃烧后生成的。焦炭中的固定碳和它燃烧后生成的CO都是都是铁矿石还原所需的还原剂。铁矿石还原所需的还原剂。(3)料柱骨架料柱骨架。高炉内是充满着炉料和熔融渣、铁的一。高炉内是充满着炉料和熔融渣、铁的一个料柱，焦炭约占料柱体积的个料柱，焦炭
30、约占料柱体积的1/31/2，对料柱透气性，对料柱透气性具有决定性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔剂具有决定性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔剂已经熔化、造渣，变成液态渣和铁，只有焦炭仍保持已经熔化、造渣，变成液态渣和铁，只有焦炭仍保持固态，为渣、铁滴落和煤气上升以及炉缸内的渣、铁固态，为渣、铁滴落和煤气上升以及炉缸内的渣、铁正常流通和排出，提供了必要条件，使冶炼过程得以正常流通和排出，提供了必要条件，使冶炼过程得以顺利进行。焦炭的这一作用目前尚不能为其他燃料所顺利进行。焦炭的这一作用目前尚不能为其他燃料所代替。代替。喷吹用燃料喷吹用燃料 向高炉内喷吹的辅助燃料可代替部分焦向高炉内喷吹的辅助
31、燃料可代替部分焦炭，大幅度降低焦比。目前喷吹的燃料炭，大幅度降低焦比。目前喷吹的燃料已占高炉全部燃料用量的已占高炉全部燃料用量的1030%，有，有的达的达40%。喷吹用燃料来源广泛，可分为喷吹用燃料来源广泛，可分为固固（如无（如无烟煤粉）、烟煤粉）、液液（重油、柴油等）、（重油、柴油等）、气体气体（如天然气、焦炉煤气）三种。（如天然气、焦炉煤气）三种。3、高炉生产高炉生产 进入高炉的有进入高炉的有铁矿石、熔剂、焦炭铁矿石、熔剂、焦炭等原等原料，热空气经环风管吹入高炉；焦炭既料，热空气经环风管吹入高炉；焦炭既作为燃料又是还原剂；石灰石与脉石反作为燃料又是还原剂；石灰石与脉石反应生成炉渣，并与矿石
32、中的硫反应，将应生成炉渣，并与矿石中的硫反应，将其（其（CaS)带入渣内带入渣内。高炉内的状况高炉内的状况装料：料斗装料：料斗-小料钟小料钟-大大料钟料钟在高炉底部在高炉底部炉缸炉缸和和炉炉腹腹内全是焦炭，在炉内全是焦炭，在炉身中装的是身中装的是层层相间层层相间的铁矿石、焦炭和石的铁矿石、焦炭和石灰石，直到灰石，直到炉喉炉喉。每隔每隔3-4h从炉中放一次从炉中放一次铁水，铁水，1-1.5h放一次炉放一次炉渣。高炉一旦点火后，渣。高炉一旦点火后，可持续工作可持续工作10年以上年以上才停炉大修。才停炉大修。高炉内主要区域高炉内主要区域 将正在运行中的高炉将正在运行中的高炉突然停炉并进行解剖突然停炉
33、并进行解剖分析，结构表明，根分析，结构表明，根据物料存在形态的不据物料存在形态的不同，可将高炉划分为同，可将高炉划分为五个区域：五个区域：块状带、块状带、软熔带、滴落带、风软熔带、滴落带、风口前回旋区、渣体聚口前回旋区、渣体聚集区集区。块状带块状带：炉料中水分蒸：炉料中水分蒸发及受热分解，铁矿石发及受热分解，铁矿石还原，炉料与煤气热交还原，炉料与煤气热交换；焦炭与矿石层状交换；焦炭与矿石层状交替分布，呈固体状态；替分布，呈固体状态；以气固相反应为主。以气固相反应为主。软熔带软熔带：炉料在该区域：炉料在该区域软化，在下部边界开始软化，在下部边界开始熔融滴落；主要进行直熔融滴落；主要进行直接还原反
34、应，初渣形成。接还原反应，初渣形成。滴落带滴落带：滴落的液态渣：滴落的液态渣铁与煤气及固体碳之间铁与煤气及固体碳之间进行多种复杂的化学反进行多种复杂的化学反应。应。回旋区回旋区：喷入的燃料与：喷入的燃料与热风发生燃烧反应，产热风发生燃烧反应，产生高热煤气，是炉内温生高热煤气，是炉内温度最高的区域。度最高的区域。渣铁聚集区渣铁聚集区：在渣铁层：在渣铁层间的交界面及铁滴穿过间的交界面及铁滴穿过渣层时发生渣铁反应。渣层时发生渣铁反应。4、高炉炼铁的理化过程、高炉炼铁的理化过程 1）燃烧过程燃烧过程:CO2CO2 CO2在上升过程中：在上升过程中：CO2CCO 2）溶剂分解溶剂分解:CaCO3CaOC
35、O2 3）铁的还原铁的还原:FeOCOCO2Fe(间接还原间接还原)FeOCFeCO（直接还原）直接还原）4）增碳增碳：铁水在与焦碳的接触中会增碳扩散：铁水在与焦碳的接触中会增碳扩散 过程，过程，使铁水被使铁水被C所饱和。所饱和。5）其他元素的还原其他元素的还原:Mn，Si 部分被还原，被还原后进入铁水中部分被还原，被还原后进入铁水中 Al不被还原不被还原，只能和熔剂形成渣，只能和熔剂形成渣 6）去去S:FeSCaOCaSFeO 7）P还原：还原：Ca3(PO4)25C 3CaO2P5CO 8）造渣：）造渣：SiO2、Al2O3、CaO等等铁水中：铁水中：C饱和，溶有部分饱和，溶有部分Mn，S
36、i，S以及全部的以及全部的P。渣中渣中CaO/SiO2的比值称为的比值称为炉渣碱度炉渣碱度，或二元，或二元碱度。把（碱度。把（CaO+MgO）/SiO2的比值称为炉的比值称为炉渣总碱度，或三元碱度。把（渣总碱度，或三元碱度。把（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）的比值称为炉渣全碱度或四）的比值称为炉渣全碱度或四元碱度。元碱度。在一定冶炼条件下，在一定冶炼条件下，Al2O3和和MgO含量变化不含量变化不大，也不常分析。因此，实际生产中常用碱大，也不常分析。因此，实际生产中常用碱度度CaO/SiO2，而且习惯上常把，而且习惯上常把CaO/SiO21的的炉渣称为炉渣称为碱性渣碱性渣；CaO/
37、SiO20.60%)(C0.60%)。合金钢合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。等的钢。根据钢中合金元素含量的多少，又可分为根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢低合金钢，中合金钢和高合金钢中合金钢和高合金钢。一般合金元。一般合金元素总含量素总含量小于小于3%3%的为的为普通低合金钢普通低合金钢，总含量为，
38、总含量为3%3%5%5%的为的为低合金钢低合金钢，大于大于10%10%的叫的叫高合金钢高合金钢，总含量介于总含量介于5%5%10%10%之间为之间为中合金钢中合金钢。按钢中所含有的按钢中所含有的主要合金元素不同主要合金元素不同可分为可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢等。等。按冶炼方法和质量水平分类按冶炼方法和质量水平分类 按炼钢炉按炼钢炉设备不同设备不同可分为可分为转炉钢、电炉钢、平转炉钢、电炉钢、平炉钢炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔
39、炼钢等。按按脱氧程度不同脱氧程度不同可分为可分为沸腾钢沸腾钢（不经脱氧或微（不经脱氧或微弱脱氧）、弱脱氧）、镇静钢镇静钢（脱氧充分）和（脱氧充分）和半镇静钢半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。按按质量水平质量水平不同可分为不同可分为普通钢、优质钢和高级普通钢、优质钢和高级优质钢。优质钢。按用途分类按用途分类分三类：结构钢，工具钢，特殊性能钢分三类：结构钢，工具钢，特殊性能钢 结构钢结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括包括碳素结构钢碳素结构钢和和合金结构钢合金结构钢，主要用于制造，主要用于制造机器和结构
40、的零件及建筑工程用的金属结构等。机器和结构的零件及建筑工程用的金属结构等。碳素结构钢碳素结构钢是指用来制造工程结构件和机械零是指用来制造工程结构件和机械零件用的钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，件用的钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，一般一般S0.055%S0.055%，P0.045%P0.045%，优质碳素钢优质碳素钢SS和和PP均均0.040%0.040%。碳素结构钢的价格最低，。碳素结构钢的价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。工艺性能良好，产量最大，用途最广。合金结构钢合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢适
41、当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。合金结构钢根据化学的强度、韧性和淬透性。合金结构钢根据化学成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又可分为同，又可分为渗碳钢、调质钢和氮化钢渗碳钢、调质钢和氮化钢。合金结构钢合金结构钢 渗碳钢渗碳钢指用指用低碳结构钢制成零部件低碳结构钢制成零部件，经表面，经表面化学处理，淬火并低温回火后，使零件化学处理，淬火并低温回火后，使零件表面硬表面硬度高而心部韧性好度高而心部韧性好，既耐磨又能承受高的交变，既耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。负荷或冲击负荷。调质钢调质钢的的含碳量大于含碳量大于0.2
42、5%0.25%，所制成的零件，所制成的零件经淬火和高温回火调质处理后，可得到适当的经淬火和高温回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。高强度与良好的韧性。氮化钢氮化钢一般是指以一般是指以中碳合金结构钢制成零中碳合金结构钢制成零件件，先经过调质或表面火焰淬火、高频淬火处，先经过调质或表面火焰淬火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能，最后再进行氮化理，获得所需要的力学性能，最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。工具钢工具钢 包括包括碳素工具钢碳素工具钢和和合金工具钢合金工具钢及及高速钢高速钢。碳素工具钢碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整
43、的硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%C1.30%0.65%C1.30%），），为了提高钢的综合性为了提高钢的综合性能，有的钢中加入能，有的钢中加入0.35%0.35%0.60%0.60%的锰。的锰。合金工具钢合金工具钢不仅含有不仅含有很高碳很高碳，有的高达，有的高达2.30%2.30%，而且含有而且含有较高的铬较高的铬，铬的含量可达到，铬的含量可达到13%13%、钨、钨（达（达9%9%）、钼、钒等合金元素，这类钢主要用）、钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。于各式模具。高速工具钢高速工具钢除含有除含有较高的碳（较高的碳（1%1%左右）左右）外，还外，还含有含有很高的钨很高的钨（有的
44、高达（有的高达19%19%）和铬、钒、钼等）和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的热硬性。合金元素，具有较好的热硬性。特殊性能钢特殊性能钢 指的是具有特殊化学性能或力学性能指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如的钢，如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢温合金钢等。等。2、炼钢原理、炼钢原理 炼钢炼钢实际是以生铁为主要原料，通过一系列实际是以生铁为主要原料，通过一系列的冶金过程，使其碳含量大幅度降低至某一的冶金过程，使其碳含量大幅度降低至某一成分范围，并使各种杂质元素的含量降低到成分范围，并使各种杂质元素的含量降低到一定限度以下。一定限度以下。由于由于C、Si、Mn、P与
45、与O的亲和力比的亲和力比Fe大，故大，故采用采用氧化氧化的方法把它们除去。的方法把它们除去。因此，将生铁冶炼成钢的过程主要是一个因此，将生铁冶炼成钢的过程主要是一个氧氧化过程化过程，任何一种炼钢方法，其，任何一种炼钢方法，其实质实质就是将就是将生铁中多余的各种杂质通过有选择的氧化、生铁中多余的各种杂质通过有选择的氧化、造渣和形成气体等途径来降低它们的含量。造渣和形成气体等途径来降低它们的含量。炼钢温度炼钢温度：1500-1700，此温度下炉料处于，此温度下炉料处于熔化状态熔化状态 供氧化反应的氧的来源：供氧化反应的氧的来源：工业纯氧工业纯氧、空气、氧、空气、氧化铁皮等；化铁皮等；炼钢炉中进入铁
46、液的炼钢炉中进入铁液的氧氧首先与首先与铁铁发生反应（发生反应（Fe在铁液中浓度最高，根据质量作用定律，化学在铁液中浓度最高，根据质量作用定律，化学反应速度与反应物浓度成正比）反应速度与反应物浓度成正比）2Fe+O2=2FeO 高温高温FeO又能与生铁中的又能与生铁中的C、Si、Mn、P等元等元素发生反应，将其氧化，而铁则被还原出来素发生反应，将其氧化，而铁则被还原出来（在有些情况下也会发生直接的氧化反应），（在有些情况下也会发生直接的氧化反应），反应产物进入炉气或转入炉渣而排出。反应产物进入炉气或转入炉渣而排出。炼钢过程的物理化学原理炼钢过程的物理化学原理 脱脱C Si、Mn的氧化的氧化 脱脱
47、P 脱脱S 脱脱O 脱碳脱碳：脱碳反应时炼钢的最主要反应，碳：脱碳反应时炼钢的最主要反应，碳的氧化有两种方式。的氧化有两种方式。直接氧化：直接氧化：2C+O2=2CO 间接氧化：间接氧化：2Fe+O2=2FeO C+FeO=Fe+CO CO的产生有利于钢液成分的均匀化，的产生有利于钢液成分的均匀化，清除钢液中的气体和非金属夹渣。清除钢液中的气体和非金属夹渣。Si、Mn的氧化的氧化：放热反应，低温即可进行；：放热反应，低温即可进行；直接氧化反应：直接氧化反应：Si+O2=SiO2 2Mn+O2=2MnO 间接氧化为主：间接氧化为主：Si+2FeO=SiO2+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe 炉
48、渣形成：炉渣形成：SiO2+2FeO=2FeOSiO2 SiO2+2MnO=2MnO SiO2 脱脱P：P在钢中是以在钢中是以Fe2P形态存在，炼钢过形态存在，炼钢过程与炉渣的程与炉渣的FeO和和CaO相化合成为磷酸钙；相化合成为磷酸钙；Fe2P+5FeO+4CaO=(CaO)4P2O5+9Fe 该反应是放热反应，故低温脱磷有利；该反应是放热反应，故低温脱磷有利；高高碱度和强氧化性也是脱碱度和强氧化性也是脱P的重要条件的重要条件，酸性，酸性炉去炉去P困难。困难。脱脱S：S是以是以FeS形式存在，当渣中有足够的形式存在，当渣中有足够的CaO时：时：FeS+CaO=FeO+CaS 该反应可逆，为避
49、免此反应向左进行，使该反应可逆，为避免此反应向左进行，使S重新回到钢液中，为克服此问题，可向渣重新回到钢液中，为克服此问题，可向渣中加入中加入C：FeS+CaO+C=Fe+CaS+CO 脱脱O：采用脱氧剂除去钢液中残留的：采用脱氧剂除去钢液中残留的FeO中中的的O，还原出，还原出Fe，脱氧剂则被氧化，脱氧产，脱氧剂则被氧化，脱氧产物聚集浮到钢液表面。物聚集浮到钢液表面。常用脱氧剂：锰铁、硅铁、铝常用脱氧剂：锰铁、硅铁、铝 Me+FeO=MeO+Fe 脱氧方法脱氧方法：沉淀脱氧和扩散脱氧：沉淀脱氧和扩散脱氧 沉淀脱氧沉淀脱氧：将脱氧剂直接加到钢液中，使：将脱氧剂直接加到钢液中，使脱氧剂直接与钢液
50、的氧化亚铁反应进行脱脱氧剂直接与钢液的氧化亚铁反应进行脱氧。氧。优点：速度快优点：速度快 缺点：脱氧产物缺点：脱氧产物MnO、SiO2、Al2O3易残留易残留在钢液中。在钢液中。扩散脱氧扩散脱氧：将脱氧剂加入到炉渣中，使脱：将脱氧剂加入到炉渣中，使脱氧剂与炉渣的氧剂与炉渣的FeO反应。按照分配定律，在反应。按照分配定律，在一定温度下，一定温度下，FeO在炉渣和钢液中的浓度之在炉渣和钢液中的浓度之比是常数。当炉渣的比是常数。当炉渣的FeO减少后，钢液的减少后，钢液的FeO向渣中扩散，达到间接脱氧的效果。向渣中扩散，达到间接脱氧的效果。缺点是速度慢，但钢液干净。缺点是速度慢，但钢液干净。实际实际：
