1、钢铁冶金学炼铁部分钢铁冶金学炼铁部分北京科技大学冶金与生态工程学院北京科技大学冶金与生态工程学院 钢铁冶金学炼铁第一章：概论钢铁冶金学炼铁第一章：概论吴铿吴铿 2007.03.05钢铁冶金学钢铁冶金学 钢铁冶金学是根据冶金物理化学、冶金钢铁冶金学是根据冶金物理化学、冶金传输原理和材料传输原理和材料(组织结构组织结构)学的原理和学的原理和方法来研究钢铁冶金过程的一门科学；方法来研究钢铁冶金过程的一门科学；钢铁冶金学与钢铁冶金钢铁冶金学与钢铁冶金(过程过程)的区别；的区别；钢铁冶金学的建立和发展及冶金工作者钢铁冶金学的建立和发展及冶金工作者的使命。的使命。炼铁部分课堂讲授内容的学时分配炼铁部分课堂
2、讲授内容的学时分配 第一章第一章 概论概论 3学时学时第二章第二章 铁矿粉造块铁矿粉造块 5学时学时 第三章第三章 高炉冶炼过程的物理化学高炉冶炼过程的物理化学 7学时学时第四章第四章 高炉冶炼过程的传输现象高炉冶炼过程的传输现象 5学时学时第五章第五章 高炉冶炼的能量利用高炉冶炼的能量利用 6学时学时第六章第六章 高炉炼铁工艺高炉炼铁工艺 8学时学时习题课和总结习题课和总结 6学时学时第七章第七章 高炉冶炼过程的数学模型概述高炉冶炼过程的数学模型概述 2学时学时第八章第八章 非高炉炼铁非高炉炼铁 2学时学时 总计总计 44学时学时课本和参考书课本和参考书 王筱留主编王筱留主编 钢铁冶金学钢铁
3、冶金学(炼铁部分炼铁部分)冶金工业出版社冶金工业出版社 北京北京 2006 (必备必备)参考书：东北大学、武汉，安徽、辽参考书：东北大学、武汉，安徽、辽宁、唐山和包头科技大学等学校出版宁、唐山和包头科技大学等学校出版的炼铁学。的炼铁学。(了解了解)鞍钢、宝钢、首钢和武钢等炼铁专家鞍钢、宝钢、首钢和武钢等炼铁专家的著作。的著作。(知道知道)第一章第一章 概论概论 1.1 钢铁工业在国民经济中的地位钢铁工业在国民经济中的地位 1.2 钢铁工业概况钢铁工业概况 1.3 钢铁联合企业中的炼铁生产钢铁联合企业中的炼铁生产 1.4 高炉炼铁过程概述高炉炼铁过程概述 1 1 钢铁工业在国民经济中的地位钢铁工
4、业在国民经济中的地位人均钢材消耗量反映了一个国家的人均钢材消耗量反映了一个国家的工业发达程度工业发达程度 日本人均钢材消耗量名列世界第一，日本人均钢材消耗量名列世界第一，为为800 kg/人人.年年 我国的人均钢材消耗量为我国的人均钢材消耗量为300 kg/人人.年左右年左右 评价国家的工业发达程度的一个指标评价国家的工业发达程度的一个指标工业化水工业化水平平1 工业生产中所占比利工业生产中所占比利2 机械化、自动化程度机械化、自动化程度3 快捷便利的物流水平快捷便利的物流水平4 高效的劳动生产率高效的劳动生产率国民生活水准国民生活水准1 便捷的交通工具便捷的交通工具2 完善齐备的市政设施完善
5、齐备的市政设施3 舒适环保的民用住宅舒适环保的民用住宅4 高质量的生活用品高质量的生活用品需要大量机械设备需要大量机械设备需要大量基础建设材料需要大量基础建设材料各种钢铁产品各种钢铁产品(数量大、质量好数量大、质量好)1 价格低廉；价格低廉；2 有较高的强度和韧性；有较高的强度和韧性；3 易于加工制造；易于加工制造；4 所需原料资源丰富；所需原料资源丰富；5 冶炼工艺成熟、技术高。冶炼工艺成熟、技术高。反映国民经济和工业发达的程度一个标志反映国民经济和工业发达的程度一个标志 稳定可靠的原料来源稳定可靠的原料来源(矿石、煤、熔剂、耐矿石、煤、熔剂、耐火材料等火材料等)稳定的动力资源稳定的动力资源
6、(水、电等）水、电等）庞大和畅通的运输设施庞大和畅通的运输设施(铁路、水运等铁路、水运等)雄厚的资金保证雄厚的资金保证(投资大、建设周期长、生投资大、建设周期长、生产流动资金量大产流动资金量大)具备上述条件保证钢铁工业发达具备上述条件保证钢铁工业发达1.2 钢铁工业的发展概况钢铁工业的发展概况 二次世界大战后的四十多年中，钢铁工二次世界大战后的四十多年中，钢铁工业获得重大发展业获得重大发展(钢铁冶金学的发展钢铁冶金学的发展)钢产量：钢产量：50年代初的年代初的2亿吨亿吨90年代的年代的7.4亿吨亿吨 我国概况我国概况古代占领先地位古代占领先地位(公元前六世纪已广泛使用铁器公元前六世纪已广泛使用
7、铁器)近代落后于发达国家，近代落后于发达国家，1890年年(汉阳铁厂投产到汉阳铁厂投产到 1949年约半个世纪内累计钢产量不到年约半个世纪内累计钢产量不到200万万t，技艺领先但科学落后。技艺领先但科学落后。改革开发后钢铁行业得改革开发后钢铁行业得到迅猛的发展，连续几年居世界第一名。到迅猛的发展，连续几年居世界第一名。美国、日本、原苏联和中国钢产量变化187120011973年1365089711973年11932102861988年1629557601526602000400060008000100001200014000160001871 18761881 1886 18911896 19
8、01 19061911 1916 1921 19261931 1936 19411946 1951 1956 19611966 1971 19761981 1986 19911996 2001万吨美国日本苏联中国18712001年世界年世界4大产钢国家的产量大产钢国家的产量“二战二战”后世界后世界4大产钢国家的产量大产钢国家的产量中国近中国近20年钢的产量年钢的产量20022007年主要国家粗钢产量年主要国家粗钢产量 万万 t1.3 钢铁生产工艺流程钢铁生产工艺流程 钢铁制造过程：把铁矿石冶炼成合格钢铁制造过程：把铁矿石冶炼成合格的钢的钢 铁矿石铁矿石去脉石、杂质和氧去脉石、杂质和氧铁；还铁；
9、还原熔化过程原熔化过程(炼铁炼铁)铁铁精炼（脱精炼（脱C、Si、P等）等）钢；氧钢；氧化精炼过程化精炼过程(炼钢炼钢)三种炼铁工艺流程的概念图三种炼铁工艺流程的概念图钢钢铁铁企企业业中中的的炼炼铁铁和和炼炼钢钢1.4 高炉高炉炼铁过程炼铁过程概述概述1.4.1 高高炉炼铁工炉炼铁工艺流程及艺流程及炉型炉型 运行中高炉运行中高炉纵剖面图纵剖面图1.4.2 高炉冶炼的特点高炉冶炼的特点及主要过程及主要过程 1-固体炉料区；固体炉料区；2-软熔区；软熔区；3-疏松焦炭区；疏松焦炭区；4-压实焦炭区；压实焦炭区；5-渣铁储存区；渣铁储存区；6-风口循环区风口循环区 特点特点:在黑箱的逆流过程中在黑箱的
10、逆流过程中(炉料下降及煤气上升炉料下降及煤气上升)，完成复合的物理化学反应和热量交换；完成复合的物理化学反应和热量交换；由于在高炉下部的由于在高炉下部的温度最高，高炉是最有温度最高，高炉是最有效效利用化学能和热能的冶金炉；利用化学能和热能的冶金炉；熔融带的形状和焦炭死料柱的透液性对保证熔融带的形状和焦炭死料柱的透液性对保证煤气流合理分布及炉料均匀下降至关重要，煤气流合理分布及炉料均匀下降至关重要，是高炉冶炼过程顺行的关键。是高炉冶炼过程顺行的关键。主要过程：主要过程：热量交换过程：上升的煤气将热量传递给热量交换过程：上升的煤气将热量传递给下降的炉料；下降的炉料；还原过程：炉料还原过程：炉料中金
11、属氧化物中金属氧化物(主要是主要是Fe氧氧化物化物)被还原，高价被还原，高价(氧化物氧化物)低价低价金属；金属；造渣过程：完成还原的金属与脉石的熔融造渣过程：完成还原的金属与脉石的熔融态机械分离，达到要求成分的炉渣；态机械分离，达到要求成分的炉渣；渣铁反应过程：控制渣铁相互作用，得到渣铁反应过程：控制渣铁相互作用，得到成分及温度均合格的液态铁水。成分及温度均合格的液态铁水。1.4.3 高炉原料高炉原料 铁矿石铁矿石 含铁代用品含铁代用品天然块矿天然块矿人造富矿人造富矿(烧结矿，烧结矿，球球团矿团矿)碱性熔剂碱性熔剂(石灰、石灰石灰、石灰石石、白云石白云石)酸性熔剂酸性熔剂 硅石硅石特殊熔剂特殊
12、熔剂 萤石萤石高炉、转炉炉尘高炉、转炉炉尘残铁残铁轧钢铁皮轧钢铁皮硫酸渣硫酸渣 高炉原料高炉原料熔剂熔剂铁矿石铁矿石 凡是在当前的技术条件下，可经济地提取凡是在当前的技术条件下，可经济地提取出金属铁的岩石，称为铁矿石出金属铁的岩石，称为铁矿石。地壳中地壳中Fe元素居第四位，占元素居第四位，占4.2；在鉄矿石中不存在纯金属的铁，而是以氧在鉄矿石中不存在纯金属的铁，而是以氧化物、硫化物的形式存在；化物、硫化物的形式存在；除含除含Fe氧化物外，含有其他化合物，统称氧化物外，含有其他化合物，统称为脉石，常见的为脉石，常见的SiO2、Al2O3、CaO、MgO。铁矿石的分类铁矿石的分类赤铁矿赤铁矿(Fe
13、2O3)，理论含，理论含Fe70，红条痕，红条痕，较软，易还原；较软，易还原；磁铁矿磁铁矿(Fe3O4)，理论含，理论含Fe72.4，黑条，黑条痕，较硬，难还原；痕，较硬，难还原；褐铁矿褐铁矿(xFe2O3.yH2O)，黄褐条痕，疏松，黄褐条痕，疏松多孔，易还原；多孔，易还原；菱铁矿菱铁矿(FeCO3)，理论含，理论含Fe48.2，灰黄条，灰黄条痕，焙烧后易还原。痕，焙烧后易还原。假象及半假象赤铁矿假象及半假象赤铁矿 由于矿石在自然界中受到氧化作用，磁铁由于矿石在自然界中受到氧化作用，磁铁矿常转化为半假象和假象赤铁矿。矿常转化为半假象和假象赤铁矿。所谓所谓“假象半假象假象半假象”是指化学成分是
14、指化学成分Fe3O4 Fe2O3，结晶构造上仍为磁铁矿特征。，结晶构造上仍为磁铁矿特征。半假象赤铁矿：半假象赤铁矿：7 Fe全全/FeO质量比质量比 3.5 假象赤铁矿假象赤铁矿 Fe/FeO质量比质量比 7.0 铁矿石的评价铁矿石的评价含含Fe品位：品位：Fe的品位决定了矿石的价格，的品位决定了矿石的价格，即冶炼的经济型。将含即冶炼的经济型。将含Fe品位量达到品位量达到65%上的富矿直接入炉；上的富矿直接入炉；脉石量和成分：脉石量及其中脉石量和成分：脉石量及其中SiO2和和Al2O3要少，要少，CaO多，多，MgO合适；合适；矿物结构：矿物结构：Fe矿物与脉石矿物的结合程度矿物与脉石矿物的结
15、合程度要弱，以易于进行矿物的单体分离。要弱，以易于进行矿物的单体分离。有害元素：有害元素：S、P、As、Cu对钢铁产品性对钢铁产品性 能有害，能有害，K、Na、Zn、Pb、F对炉衬和对炉衬和 高炉顺行有害，有害元素要少；高炉顺行有害，有害元素要少；有益元素：有益元素：Mn、Cr、Ni、V、Ti、Nb、稀、稀 土元素等对提高钢产品性能有利，有益元土元素等对提高钢产品性能有利，有益元 素量适当。素量适当。有益元素含量多时要为复合矿石考虑综有益元素含量多时要为复合矿石考虑综合利用。要考虑高炉冶炼中出现特殊现象。合利用。要考虑高炉冶炼中出现特殊现象。还原性：矿石中与还原性：矿石中与Fe结合的氧被还原剂
16、结合的氧被还原剂(CO 和和H2)夺取的难易程度称为还原性。疏松结夺取的难易程度称为还原性。疏松结构、微气孔多的含鉄氧化物物质还原性好；构、微气孔多的含鉄氧化物物质还原性好；褐铁矿赤铁矿磁铁矿褐铁矿赤铁矿磁铁矿 人造富矿天然铁矿人造富矿天然铁矿 冶金性能：冷和热态强度好、软化熔融温度冶金性能：冷和热态强度好、软化熔融温度 高、区间窄；高、区间窄；粒度分布：粒度分布：5 mm的粉末要少，的粉末要少，830 mm 宜，太大对还原不利；宜，太大对还原不利；太小对顺行不利。太小对顺行不利。熔剂熔剂 要求有效成分含量高，要求有效成分含量高，含含S、P等有害等有害元素少。元素少。其它含铁代用品其它含铁代用
17、品 要求含铁量高，杂质少，有一定的块要求含铁量高，杂质少，有一定的块度。度。1.4.4 高炉燃料高炉燃料高炉燃料高炉燃料固液体燃料固液体燃料焦炉煤气焦炉煤气气体燃料气体燃料煤煤 重油重油焦炭焦炭高炉煤气高炉煤气用于高炉本体用于高炉本体 用于热风炉用于热风炉和加热炉和加热炉焦炭焦炭按要求比例混合不同的煤，在按要求比例混合不同的煤，在(9001000)干馏而成的固体燃料干馏而成的固体燃料；焦炭的四大作用焦炭的四大作用热源：在风口前燃烧，提供冶炼所需热量；热源：在风口前燃烧，提供冶炼所需热量；还原剂：本身及其氧化产物还原剂：本身及其氧化产物CO均为还原剂均为还原剂；骨架和通道：熔融带的形状和炉芯焦骨
18、架和通道：熔融带的形状和炉芯焦(焦炭死焦炭死 料柱料柱)的透液性；的透液性；渗碳：铁水在炉缸的渗碳。渗碳：铁水在炉缸的渗碳。焦炭质量要求和作用：焦炭质量要求和作用：固定固定C高、灰分低；高、灰分低；S含量低、挥发份控制含量低、挥发份控制 1%左右；高温反应强度高、高温反应性低左右；高温反应强度高、高温反应性低 (C+CO22CO)；粒度合适，为矿石平均粒；粒度合适，为矿石平均粒 度的度的 35倍为宜，倍为宜，d小小/d大大0.7 其他燃料无法取代焦炭在高炉中的作用。焦其他燃料无法取代焦炭在高炉中的作用。焦 炭要用宝贵主焦煤资源，炼焦过程的污染非炭要用宝贵主焦煤资源，炼焦过程的污染非 常严重。减
19、少焦炭用量是高炉工作者奋斗的常严重。减少焦炭用量是高炉工作者奋斗的 目标，高炉喷煤技术应运而生。目标，高炉喷煤技术应运而生。煤粉喷吹和质量要求煤粉喷吹和质量要求高炉喷煤可置换部分昂贵焦炭，降低生铁成本；高炉喷煤可置换部分昂贵焦炭，降低生铁成本；高炉喷吹煤粉要固定高炉喷吹煤粉要固定C高，灰分低；含高，灰分低；含S低；粒低；粒 度适合；煤可磨性好，爆炸性弱；燃烧性好，度适合；煤可磨性好，爆炸性弱；燃烧性好，反应性强；反应性强；我国是世界上较早开发高炉喷煤技术的国家之我国是世界上较早开发高炉喷煤技术的国家之一。近些年我国高炉喷煤技术有了长足进步。一。近些年我国高炉喷煤技术有了长足进步。世界先进高炉喷
20、煤量已达世界先进高炉喷煤量已达267 kg/tHM，宝钢目，宝钢目前前 生产中为生产中为200230 kg/tHM。首秦、莱钢和长。首秦、莱钢和长治的平均煤比达到了治的平均煤比达到了190 kg/tHM左右的水平。左右的水平。1.4.5 耐火材料耐火材料 耐火材料耐火材料高炉本体用高炉本体用 热风炉热风炉不定形耐火材料不定形耐火材料 炉身上部：粘土砖炉身上部：粘土砖炉身中部：高铝砖炉身中部：高铝砖炉身下部：碳化硅砖炉身下部：碳化硅砖炉腰、炉腹：碳化硅砖炉腰、炉腹：碳化硅砖炉缸上部：碳化硅砖炉缸上部：碳化硅砖炉缸下部：外侧和底部炉缸下部：外侧和底部用碳砖，内衬高用碳砖，内衬高 铝砖铝砖陶瓷杯陶瓷
21、杯顶部及格顶部及格子砖上部子砖上部用硅砖；用硅砖；其它部位其它部位 用高铝砖用高铝砖或粘土砖或粘土砖铁口炮泥及炉前沟泥铁口炮泥及炉前沟泥焦粉粘土蒽油焦粉粘土蒽油刚玉碳化硅绢刚玉碳化硅绢云母焦粉焦油云母焦粉焦油喷补泥浆喷补泥浆 Al2O3+SiO2+粘结剂粘结剂(磷酸盐、皂土、水磷酸盐、皂土、水玻璃等玻璃等)高炉用各种耐火材料性能的比较高炉用各种耐火材料性能的比较宝钢原宝钢原1 1号高炉各部位耐火砖的材质号高炉各部位耐火砖的材质 1.4.6 高炉产品高炉产品高炉产品高炉产品 主产品铁水主产品铁水Si：0.31.25%C：0.55.0%Mn:0.10.8%P:0.080.4%S:0.020.07%
22、铁水温度铁水温度14201560 少量铁少量铁合金合金高碳锰高碳锰铁；铁；高碳硅高碳硅铁；铁；稀土硅稀土硅铁铁 高碳硅高碳硅锰合金锰合金等等副产品炉渣副产品炉渣渣量渣量:250400kg/tCaO:3544%SiO2：3242%Al2O3:614%MgO:413%渣温渣温14001600 热含量热含量16801900 kJ/kg副产品煤气副产品煤气煤气量煤气量16003500 M3/tHM煤气成分煤气成分CO:2126%H2:1.02.0%CH4:0.20.8%CO2:1421%N2:5557发热值发热值Q低低32003800kJ/M31.4.7 高炉主要技术经济指标高炉主要技术经济指标 1
23、有效容积利用系数有效容积利用系数定义：每定义：每M3高炉有效容积每昼夜生产的合格高炉有效容积每昼夜生产的合格 铁量铁量(tHM/M3.d)。我国我国=1.84.0 tHM/M3.d(大高炉低、小高大高炉低、小高炉高炉高);2 焦比焦比定义：冶炼每吨生铁所消耗焦炭的千克数定义：冶炼每吨生铁所消耗焦炭的千克数 (kg/tHM)。我国焦比为我国焦比为260550 kg/tHM3 煤比煤比 定义：冶炼每吨生铁所消耗的煤粉的千克数定义：冶炼每吨生铁所消耗的煤粉的千克数 (kg/tHM)。我国煤比为我国煤比为80230kg/tHM(150 kg/tHM居多居多);4 燃料比燃料比(焦比焦比+煤比煤比+油比
24、油比)定义：冶炼每吨生铁所消耗的固体和液体燃定义：冶炼每吨生铁所消耗的固体和液体燃 料的总和料的总和(kg/tHM)。我国燃料比为我国燃料比为480580(kg/tHM)，目前没有采，目前没有采用喷吹重油；用喷吹重油；5综合焦比综合焦比(焦比焦比+煤、油比煤、油比煤、油与焦置煤、油与焦置 换比换比)6 煤焦置换比煤焦置换比定义：喷吹定义：喷吹1kg煤粉所能替代的焦炭的煤粉所能替代的焦炭的kg数。数。一般为一般为0.81.0(不包括褐煤不包括褐煤)；7 焦炭冶炼强度焦炭冶炼强度定义：每定义：每M3高炉有效容积每昼夜燃烧的焦炭吨高炉有效容积每昼夜燃烧的焦炭吨 数数(t/M3.d)。通常为通常为0.
25、81.0t/M3.d 8 综合冶炼强度综合冶炼强度定义：每定义：每M3高炉有效容积每昼夜燃烧的综合焦高炉有效容积每昼夜燃烧的综合焦 炭的吨数炭的吨数(t/M3.d)。一般为一般为0.91.15t/M3.d9 利用系数、焦比及冶炼强度三者关系利用系数、焦比及冶炼强度三者关系纯焦冶炼时：利用系数焦炭冶炼强度纯焦冶炼时：利用系数焦炭冶炼强度/焦比焦比喷吹燃料时：利用系数综合冶炼强度喷吹燃料时：利用系数综合冶炼强度/综合综合 焦比焦比10 燃烧强度燃烧强度定义：每定义：每M3炉缸截面积每昼夜燃烧的焦炭的炉缸截面积每昼夜燃烧的焦炭的 吨数吨数(t/M3.d)11 工序能耗工序能耗 Ci(燃料消耗燃料消耗
26、+动力消耗动力消耗-回收二次能源回收二次能源)/产品产品产量产量(吨标准煤吨标准煤/tHM)1 kg标准煤的发热量为标准煤的发热量为29310 kJ(7000千卡千卡)全球若干先进高炉的主要指标全球若干先进高炉的主要指标本章思考题本章思考题1 试述长流程中试述长流程中3种炼铁生产工艺的特点。种炼铁生产工艺的特点。2 画出画出运行中高炉纵剖面图和主要区域，简述运行中高炉纵剖面图和主要区域，简述高高炉冶炼过程的特点及主要过程。炉冶炼过程的特点及主要过程。3 画出高炉本体图，并在其图上标明四大系统。画出高炉本体图，并在其图上标明四大系统。4 归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求。归纳高炉炼铁对铁矿石的质量
27、要求。5 试述焦炭在高炉炼铁中的四个作用及对其质量试述焦炭在高炉炼铁中的四个作用及对其质量的要求。的要求。6 试述高炉喷吹用煤粉的质量要求。试述高炉喷吹用煤粉的质量要求。7 掌握高炉冶炼主要技术经济指标的表达方式。掌握高炉冶炼主要技术经济指标的表达方式。法国科学家、哲学家彭加勒的科学与假设一书法国科学家、哲学家彭加勒的科学与假设一书对他的思想，尤其对他解决科学问题的方法有很大对他的思想，尤其对他解决科学问题的方法有很大影响影响。彭加勒认为，人们在科学上无需探求客观真理，因彭加勒认为，人们在科学上无需探求客观真理，因为科学是人类经验的分类和组合，不是打开终极真为科学是人类经验的分类和组合，不是打开终极真理的钥匙理的钥匙。冯冯卡门接受了这一思想，他强调，卡门接受了这一思想，他强调，“科学上的东科学上的东西，我们不能一概予以绝对肯定。如果某种现象用西，我们不能一概予以绝对肯定。如果某种现象用现有定律无法解释，那么就必须对它们进行修正或现有定律无法解释，那么就必须对它们进行修正或另寻合适的新定律另寻合适的新定律。”回顾以往，若无彭加勒哲学观点开路，科学界接受回顾以往，若无彭加勒哲学观点开路，科学界接受爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论恐怕没有那么爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论恐怕没有那么快快。
