1、材料工程基础材料工程基础 1.理论课学时及学分理论课学时及学分:36学时，学时，2学分学分 2.2.教材名称：教材名称：周美玲等周美玲等 主编主编材料工程基础材料工程基础.高等教育出版社，高等教育出版社，20132013年年 3.3.课程考核说明及要求：课程考核说明及要求：专业专业选选修课程，总成绩由两个部分构成，考试修课程，总成绩由两个部分构成，考试成绩（成绩（70%70%）和平时成绩（）和平时成绩（30%30%）。）。课程考试形式：课程考试形式：?4.4.作业、辅导和答疑作业、辅导和答疑课程简介：课程简介：本课程是材料科学与工程专业的学生在已经掌握有关本课程是材料科学与工程专业的学生在已经
2、掌握有关的材料基础知识的基础上，进一步拓展材料工程方面理的材料基础知识的基础上，进一步拓展材料工程方面理论基础知识的一门专业课程。通过该课程的学习，学生论基础知识的一门专业课程。通过该课程的学习，学生掌握材料制备过程中的基本科学原理和技能，能够根据掌握材料制备过程中的基本科学原理和技能，能够根据所确定材料的性能、结构与应用的要求，提出材料制备所确定材料的性能、结构与应用的要求，提出材料制备加工的方案和方法，并以此为引导，更深入地学习材料加工的方案和方法，并以此为引导，更深入地学习材料制备的专门知识。制备的专门知识。学习本课程的目的是为将来从事材料学习本课程的目的是为将来从事材料研究、材料加工等
3、行业的工作打下坚实的必备的理论和研究、材料加工等行业的工作打下坚实的必备的理论和实践研究的基础。实践研究的基础。材料的复合材料的复合金属复合材料金属复合材料陶瓷复合材料陶瓷复合材料生物复合材料生物复合材料材料改性与表面加工材料改性与表面加工表面改性表面改性表面防护表面防护薄膜制备技术薄膜制备技术材料成型与加工材料成型与加工金属金属粉末粉末材料的制取与合成材料的制取与合成材料熔炼材料熔炼粉末材料制备粉末材料制备第一章第一章 材料的熔炼材料的熔炼 原材料原材料加热加热液态液态冷冷凝凝固态固态第一节第一节 钢铁冶炼钢铁冶炼军事上离不开钢铁军事上离不开钢铁F-18F-18大黄蜂战斗机大黄蜂战斗机我军陆
4、战王牌我军陆战王牌-99-99式主战坦克式主战坦克海军海军109109驱逐舰驱逐舰中国九五式突击步枪中国九五式突击步枪神五神五 神神六六我们的生活中也离不开钢铁我们的生活中也离不开钢铁广州丫髻沙大桥广州丫髻沙大桥雷诺汽车雷诺汽车生活用品生活用品磁悬浮列车磁悬浮列车 两两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的先导的：第第一次工业革命（一次工业革命（1818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了物质基础蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础；第第二次工业革命（二次工业革命（2020世纪中叶以来）：单晶硅材世纪中叶以来）：单
5、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。铁铁 矿矿 石石 样样 本本黄铁矿FeS2磁铁矿磁铁矿Fe3O4褐铁矿褐铁矿2Fe2O3.3H2O菱铁矿FeCO3赤铁矿赤铁矿-Fe2O3铁在自然界的存在：氧化物、硫化物形式存在铁在自然界的存在：氧化物、硫化物形式存在 钢铁是怎样炼成的钢铁是怎样炼成的 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 铸铸造生铁造生铁 铸造铸造 新流程：直接氧化电弧炉炼钢连铸连轧 铁矿石铁矿石铁的氧化物铁的氧化物：
6、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：氧化物生成理论基础：氧化物生成自由能自由能-温度的关系图温度的关系图(Go-T图图)Go-T图提供的信息：图提供的信息：氧化物位置低的比位置高的稳定氧化物位置低的比位置高的稳定，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
7、：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要和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铁昂贵的经济效益的要求。显然在高炉中不能用比铁昂贵的Al、Mg、Ca、Si、Mn来作为还原剂。它们作为还来作为还原剂。它们作为还原剂是不经济的。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
8、由原料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，焦炭还作为带来，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要。料柱骨架，满足高炉冶炼过程的需要。只只要温度足够高，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
9、；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 高高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外，还炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外，还包括有包括有原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、煤气处理系统理系统、煤气处理系统。通通常，辅助系统的建设投资是高炉本体的常，辅助系统的建设投资是高炉本体的4-54-5倍。倍。生产中，各个系统互相配合、互相制约，形成一个生产中，各个系统互相配合、互相制约，形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高炉开炉之后，连续的、大规模的高温生产
10、过程。高炉开炉之后，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，一般要到一代寿命终了时和特殊事故暂时休风外，一般要到一代寿命终了时才停炉。才停炉。高炉本体是冶炼生铁的主体高炉本体是冶炼生铁的主体设备。由耐火材料砌筑成竖设备。由耐火材料砌筑成竖式圆筒形，外有钢板炉壳加式圆筒形，外有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却设备保护；固密封，内嵌冷却设备保护；高炉内部工作空间的形状称高炉内部工作空间的形状称为高炉内型。高炉内型从下为高炉内型。高炉内型从下往上分为往上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉炉身和炉喉五个部分，该容五个部分，
11、该容积总和为它的积总和为它的有效容积有效容积，反，反映高炉所具备的生产能力。映高炉所具备的生产能力。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
12、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 2、高炉原料、高炉原料（1 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
13、为，其主要含铁矿物为Fe2O3，其中，其中铁占铁占70%，氧占，氧占30%，常温下无磁性。但，常温下无磁性。但Fe2O3有有两种晶形，一为两种晶形，一为-Fe2O3，一为，一为-Fe2O3，在一定温，在一定温度下，当度下，当-Fe2O3转变为转变为-Fe2O3时，便具有了磁性。时，便具有了磁性。色泽为赤褐色到暗红色，由于其硫、磷含量低，还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，是优良的炼铁原料。原性较磁铁矿好，是优良的炼铁原料。赤铁矿的熔融温度为：赤铁矿的熔融温度为：15801640。磁铁矿磁铁矿 主要含铁矿物为主要含铁矿物为Fe3O4，具有磁性。其，具有磁性。其化学组成可
14、视为化学组成可视为Fe2O3FeO，其中，其中FeO=30%，Fe2O3=69%；TFe=72.4%，O=27.6%；磁铁矿颜色为灰色或黑色，由于其结晶结构致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；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。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3Fe2O34H2O称为水针铁矿；称为水针铁矿；2Fe2O33H2O称称褐铁矿褐铁矿。这类矿石一般含铁较低，但经过焙。这类矿石一般含铁较低，但经过焙烧去除结晶水后，含铁量显著上升。烧去除结晶水后，含铁量显著上升。颜色为浅褐
15、色、深褐色或黑色，硫、磷、砷等颜色为浅褐色、深褐色或黑色，硫、磷、砷等有害杂质一般多。有害杂质一般多。菱铁矿菱铁矿 又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体而得又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体而得名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化学组成为名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化学组成为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。一般含等的矿物。一般含铁较低，但若受热分解放出铁较低，但若受热分解放出CO2后品位显著升高，后品位显著升高，而且组织变得更为疏松，很易还原。所以使用这而且组织变得更为疏松，很易还原。所以使用这种矿石一
16、般要先经焙烧处理。种矿石一般要先经焙烧处理。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下，以：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，一个阶段一个阶段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有用矿物的一种采矿方法。地向下剥离岩石和采出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，无法露天：矿床埋藏地表以下很深，无法露天开采时采用。开采时采用。铁矿石质量评价铁矿石质量评价 铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必须严格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：要求。通常从以下几方面评价：矿石品位：
17、矿石品位：品位即铁矿石的含铁量，它决定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工艺。入炉着矿石的开采价值和入炉前的处理工艺。入炉品位愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从品位愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从而提高经济效益。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，冶炼时可提高，意味着酸性脉石大幅度减少，冶炼时可少加石灰石造渣，因而渣量大大减少，既节省热量，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。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%，SiO250%，富选后精矿品位达到富选后精矿品位达到60%，S
18、iO2降低到降低到14%；含铁；含铁量提高一倍，量提高一倍，SiO2降低近降低近3/4。生产。生产1t生铁的渣量和生铁的渣量和熔剂用量减少到原来的熔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；酸性脉石，如；酸性脉石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其。一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其中中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左左右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求。因此希望酸性脉右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含石含量愈少愈好。而含CaO高的碱性脉石则具有较高高的
19、碱性脉石则具有较高的冶炼价值。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，属自熔性自熔性矿石。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 S、P P、PbPb、ZnZn、AsAs等，它们等，它们的含量愈低愈好。的含量愈低愈好。CuCu有时为害，有时为益，视有时为害，有时为益，视具体情况而定。具体情况而定。入炉铁矿石有害杂质的界限含量入
20、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，它使钢材具有是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性热脆性。“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，低于钢材热加工的开始温度热加工的开始温度11501200。热加工时，分布。热加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂。于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂。因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁中因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁中S0.07%，优质生铁，优质生铁S0.03%，就是要严格控制钢，就是要严格控制钢中硫含量。中
21、硫含量。磷磷是钢材中的有害成分，使钢具有是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性冷脆性。磷能溶于磷能溶于-Fe中（可达中（可达1.2%），固溶并富集在晶），固溶并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，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称为为冷脆冷脆。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很。磷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，亦使钢材冷脆的危险难用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆的危险性增加。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
22、铁矿还含有；包头白云鄂博铁矿还含有Nb、Ta及稀土及稀土元素元素Ce、La等。这些元素有改善钢铁性能的作等。这些元素有改善钢铁性能的作用，故称用，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（%）达到一定数值时，）达到一定数值时，如如Mn5、Cr0.06、Ni0.2，Co0.03，V0.10.15，Mo0.3，Cu0.3，则称为，则称为复合矿复合矿石，经济价值很大，应考虑综合利用石，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强度 粒度粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿石不易还，使铁矿石不易还原；原；过小则增加气流阻力
23、，同时易吹出炉外形成炉尘损失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，则严重影响料柱透气性。因此，大块应破碎，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，粒度应适宜而均匀。一般要求粒度在粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。一般要求粒度在540mm范围。范围。铁矿石的强度铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程度。随着高是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度也要相应提高。否则易炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度也要相应提高。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。生成粉末、碎块，增加炉尘损失，使高炉料柱透气性
24、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，是评价铁矿石质量的重要指标。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，愈有利于降低焦比，提高产量。改还原性愈好，愈有利于降低焦比，提高产量。改善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶炼的重要措施之一。冶炼的重要措施之一。影响铁矿石还原性的因素主要有影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石矿物组成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔率结构的致密程度、粒度和气孔率等。等。矿石化学成分的稳定性矿石化学成分的稳定性
25、 铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱度和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，造成炉况不顺，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，炉况的频繁使焦比升高，产量下降。同时，炉况的频繁波动使高炉自动控制难以实现，因此，国内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的波动范围。稳定矿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是对矿石进行石成分的有效方法是对矿石进行混匀处理混匀处理。根据上述质量要求，一般的铁矿石很难完全满足要求，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须在入炉前进行必要的准备处理
26、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，获得合适而均匀的粒度。对于褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁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矿还应进行焙烧焙烧处理，以去除其结晶水和处理，以去除其结晶水和CO2，提高品，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。位，疏松其组织，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、筛破碎、筛分、细磨、精选分、细磨、精选，得到含铁，得到含铁60%以上的精矿粉，经混匀以上的精矿粉，经混匀后进行后进行造块造块，变成人造富矿
27、，再进行适当破碎，筛分后，变成人造富矿，再进行适当破碎，筛分后入炉。入炉。（2 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，必高炉冶炼条件下，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作用生须加入熔剂，使其与矿石脉石和灰分作用生成成低熔点低熔点化合物，形成流动性好的炉渣，实化合物，形成流动性好的炉渣，实现渣铁分离并自炉内顺畅排出。此外，一定现渣铁分离并自炉内顺畅排出。此外，一定碱度的炉渣，如碱度的炉渣，如CaO/SiO2=1.01.2，可去除，可去除生铁中有害杂质生铁中有害杂质硫硫，提高生铁质量。，提高生铁质量。
28、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，所以由于矿石脉石和焦炭灰分多系酸性氧化物，所以高炉主要用高炉主要用碱性熔剂碱性熔剂，如，如石灰石石灰石（CaCO3）、）、白白云石云石（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，又使渣中含，既可代替部分石灰石，又使渣中含有一定数量的有一定数量的MgO，改善渣的流动性和稳定性，改善渣的流动性和稳定性，从而促进脱硫。在使用高从而促进脱硫。在使用高Al2O3矿石，炉渣矿石，炉渣Al2O3高时其效果特别显著。高时其效果特别显著。（3 3
29、）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都是铁都是铁矿石还原所需的还原剂。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、铁的一个料。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柱，焦炭约占料柱体积的1/31/2，对料柱透气性具有决定，对料柱透气性具有决定性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔剂已经熔化、造性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔
30、剂已经熔化、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、铁正常流通和排出，提供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，使冶炼过程得以顺利进行。焦炭的这一作用了必要条件，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代替。目前尚不能为其他燃料所代替。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炭，向高炉内喷吹的辅助燃料可代替部分焦炭，大幅度降低焦比。目前喷吹的燃料已占高炉大幅度降低焦比。目前喷吹的燃料已占高炉全部燃料用量的全部燃料用量的1030%，有的达，有的达4
31、0%。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（如无烟煤（如无烟煤粉）、粉）、液液（重油、柴油等）、（重油、柴油等）、气体气体（如天然（如天然气、焦炉煤气）三种。气、焦炉煤气）三种。3 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、焦炭等原料，等原料，热空气经环风管吹入高炉；焦炭既作为燃料又热空气经环风管吹入高炉；焦炭既作为燃料又是还原剂；石灰石与脉石反应生成炉渣，并与是还原剂；石灰石与脉石反应生成炉渣，并与矿石中的硫反应，将其（矿石中的硫反应，将其（CaS）带入渣内带入渣内。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
32、炉缸炉缸和和炉腹炉腹内全是焦炭，在炉身中内全是焦炭，在炉身中装的是装的是层层相间层层相间的铁矿的铁矿石、焦炭和石灰石，直石、焦炭和石灰石，直到到炉喉炉喉。每隔每隔3-4h3-4h从炉中放一次从炉中放一次铁水，铁水，1-1.5h1-1.5h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1010年以上才年以上才停炉大修停炉大修。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
33、、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
34、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 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:CaCO3CaOCO2 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
35、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，Si，S以及全部的以及全部的P。5 5、高炉产品、高炉产品（1）生铁生铁-不是不是纯铁！纯铁！含含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素组成的合金。等元素组成
36、的合金。w(C)在在2%左右，实际上可达左右，实际上可达3.5%-4.5%铸造生铁铸造生铁：即灰口生铁，碳以游离石墨形式存：即灰口生铁，碳以游离石墨形式存在，断面呈灰色；在，断面呈灰色；炼钢生铁炼钢生铁：即白口生铁，碳以：即白口生铁，碳以Fe3C形式存在，形式存在，断面呈银白色；断面呈银白色；特种生铁特种生铁：高锰、高硅生铁，作脱氧剂等；：高锰、高硅生铁，作脱氧剂等；（2）高炉煤气高炉煤气：含：含CO、CO2、CH4、H2等等（3）炉渣炉渣6、高炉冶炼的技术经济指标、高炉冶炼的技术经济指标 高炉利用系数高炉利用系数 tm-3d-1 n=P/V=每炉每昼夜产铁量每炉每昼夜产铁量/有效容积有效容积
37、 冶炼强度冶炼强度 tm-3d-1 I=Q/V=一昼夜装入的焦炭量一昼夜装入的焦炭量/有效容积有效容积 焦比焦比 K=Q/P=一昼夜装入的焦炭量一昼夜装入的焦炭量/每炉每昼夜每炉每昼夜产铁量产铁量 高炉炼铁的高炉炼铁的缺点缺点：投资大、流程长、能耗高、焦：投资大、流程长、能耗高、焦煤储量少价格高、环境压力大煤储量少价格高、环境压力大 发展发展：烟煤或天然气作还原剂：烟煤或天然气作还原剂 直接还原（直接还原（direct reduction)熔融还原（熔融还原（smelting reduction）三、直接还原和熔融还原铁三、直接还原和熔融还原铁煤基回转窑直接还原煤基回转窑直接还原将铁矿石在固态
38、直接还原成海绵铁，称直接将铁矿石在固态直接还原成海绵铁，称直接还原炼铁还原炼铁。气基竖炉直接还原气基竖炉直接还原Midrex直直接还原工艺是接还原工艺是Midrex公司开发成功的。属于气基直接还原法，以天公司开发成功的。属于气基直接还原法，以天然气经催化裂解后得到的气体然气经催化裂解后得到的气体(主要成分主要成分2、)为还原剂，在为还原剂，在800900还原铁矿得到海绵铁。还原铁矿得到海绵铁。idrex法具有工艺成熟、操作简单、生产率高、热耗法具有工艺成熟、操作简单、生产率高、热耗低、产品质量高等优点，因此在直接还原工艺中占统治地位。低、产品质量高等优点，因此在直接还原工艺中占统治地位。四、炼
39、钢四、炼钢 任务：炼钢的基本任务就是将生铁的碳、硅、锰任务：炼钢的基本任务就是将生铁的碳、硅、锰氧化氧化，炼到规格范围内，将有害元素硫、磷含量，炼到规格范围内，将有害元素硫、磷含量降到规格范围内。降到规格范围内。钢和生铁的最主要区别在于钢和生铁的最主要区别在于含碳量不同含碳量不同，钢的含，钢的含碳量在碳量在2.11%以下，大于此为生铁。以下，大于此为生铁。实际上，工业用钢的碳含量一般实际上，工业用钢的碳含量一般均低于均低于1.3%，而，而生铁的含碳量可达生铁的含碳量可达3.5-4.5%。此外，生铁中的。此外，生铁中的Si、Mn、P、S等杂质元素含量也比钢中的含量高。等杂质元素含量也比钢中的含量
40、高。1 1、钢的分类、钢的分类 按化学成分分类按化学成分分类 按是否加入合金元素将钢分为按是否加入合金元素将钢分为碳素钢碳素钢和和合金钢合金钢两两大大类。类。碳碳素钢素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入入硅（一般硅（一般0.40%）和锰（一般）和锰（一般0.80%）等合金）等合金元素元素外，不含其他合金元素的钢。根据碳含量外，不含其他合金元素的钢。根据碳含量的的高低高低又可分成又可分成低碳钢低碳钢（C0.25%），），中碳中碳钢钢(0.25%C0.60%)和和高碳钢高碳钢(C0.60%)。合合金钢金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素是指钢中除含有硅和
41、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、钼、钛、钒、铜、钨、外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。素如硼、氮等的钢。根根据钢中合金元素含量的多少，又可分为据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢低合金钢，中中合金钢和高合金钢合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量。一般合金元素总含量小于小于3%的为的为普普通低合金钢通低合金钢，总含量为，总含量为3%5%的为的为低合金钢低合金钢，大于大于10%的叫的叫高合金钢高合金钢，总含量介于，总含量介于5%10%
42、之间为之间为中合金钢中合金钢。按按钢中所含有的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、锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢硼钢、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、平炉转炉钢、电炉钢、平炉钢钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣。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。钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。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（不经脱氧或微弱（不经脱氧或微弱脱氧）、脱氧）、镇静钢镇静钢（脱氧充分）和（
43、脱氧充分）和半镇静钢半镇静钢（脱氧（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。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、优质钢和高级优普通钢、优质钢和高级优质钢。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
44、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%，P0.045%，优质碳素钢，优质碳素钢S和和P均均0.040%。碳素结构钢的价格最低，工。碳素结构钢的价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。艺性能良好，产量最大，用途最广。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的硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%C1.30%），为了提高钢的综合性能，有），为了提高钢的综合性能，有的钢中加入的钢中加入0.35%0.60%的锰。的锰。
45、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%，而且，而且含有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%、钨（达、钨（达9%）、）、钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。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%左右）左右）外，还含有外，还含有很高的钨很高的钨（有的高达（有的高达19%）和铬、钒、钼等合金元）和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的热硬性素，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的钢，指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如如轴承钢、不锈钢、弹
46、簧钢、高温合金钢轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。等。2 2、炼钢原理、炼钢原理 炼钢炼钢实际是以生铁为主要原料，通过一系列的冶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成分范围，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一定限度以下。并使各种杂质元素的含量降低到一定限度以下。由于由于C、Si、Mn、P与与O的亲和力比的亲和力比Fe大，故采用大，故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化过氧化过程程，任何一种炼钢方法，其，任何一种炼钢方法，其实质实
47、质就是将生铁中多就是将生铁中多余的各种杂质通过有选择的氧化、造渣和形成气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。体等途径来降低它们的含量。炼钢温度炼钢温度：1500-1700，此温度下炉料处于熔化状态，此温度下炉料处于熔化状态 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、氧化铁皮等；、空气、氧化铁皮等；炼钢炉中进入铁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）浓度成正比）2Fe+O2=2FeO 高温
48、高温FeO又能与生铁中的又能与生铁中的C、Si、Mn、P等元素发生反等元素发生反应，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），反应产物进入炉气或转入炉渣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。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，碳的氧化：脱碳反应时炼钢的最主要反应，碳的氧化有两种方式。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+
49、CO CO的产生有利于钢液成分的均匀化，清除钢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。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，炼钢过程与炉形态存在，炼钢过程与炉渣的渣的FeO和和CaO相化合成为磷酸钙；相化合成为
50、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；高碱度和高碱度和强氧化性也是脱强氧化性也是脱P的重要条件的重要条件，酸性炉去，酸性炉去P困难。困难。脱脱S：S是以是以FeS行行式存在，当渣中有足够的式存在，当渣中有足够的CaO时：时：FeS+CaO=FeO+CaS 该反应可逆，为避免此反应向左进行，使该反应可逆，为避免此反应向左进行，使S重新回重新回到钢液中，为克服此问题，可向渣中加入到钢液中，为克服此问题，可向渣中加入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
