武汉科技大学冶金概论

冶金概论AnintroductiontoMetallurgy武汉科技大学冶金工程系22019/8/17/01:34:322课程教学目的通过钢铁冶炼过程的基本原理、主要设备、生产工艺等的学习，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。第一章绪论42019/8/17/01:34:324主要内容1.1冶金基本概念1.2钢铁工业1.3钢铁冶炼1.4钢铁产品及副产品1.5钢铁工业能耗及能源1.6耐火材料1.7环境保护52019/8/17/01:34:3251.1冶金基本概念1.1.1冶金学1.1.2火法冶金(Pyrometallurgy)主要过程简介62019/8/17/01:34:3261.1.1冶金学冶金学是一门研究如何经济地从矿石或其它原料中提取金属或金属化合物，并用一定加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。由于矿石性能不同，提取金属的原理、工艺过程和设备不同，从而形成专门的冶金学科—冶金学(Metallurgy)。冶金学研究所涉及的内容：金属的制取，金属的加工，金属性能的改进→对金属成分、组织结构、性能和相关理论的研究。72019/8/17/01:34:337冶金学的分类冶金学按研究的领域分：提取冶金学（化学冶金学）和物理冶金学(physicalmetallurgy)（材料的加工成型，通过控制其组成、结构使已提取的金属具有某种性能）。提取冶金（extractivemetallurgy）：从矿石中提取金属及金属化合物的过程，因其中进行很多化学反应，又称化学冶金（chemicalmetallurgy）。82019/8/17/01:34:328按所冶炼金属类型分：(Nonferrousmetallurgy)(Ferrousmetallurgy)按冶金工艺过程不同分：)钢铁冶金（黑色冶金有色冶金电冶金湿法冶金火法冶金提取冶金的分类92019/8/17/01:34:3291.1.2火法冶金主要过程简介干燥：去水，温度为400~600℃。焙烧：以改变原料组成为目的的、在低于矿石熔点温度下、在特定气氛中进行的冶金过程。煅烧：在空气中以去CO2和水为目的的冶金过程。烧结与球团：以获得特定矿物组成、结构及性能的造块。熔炼：还原氧化物，提取粗金属。精炼：氧化杂质，获得纯金属。铸造：液态金属凝固成固态。102019/8/17/01:34:32101.2钢铁工业1.2.1钢铁材料1.2.2钢(Steel)与生铁(Pigiron)的区别1.2.3钢铁冶炼技术发展简史1.2.4我国钢铁工业的发展112019/8/17/01:34:32111.2.1钢铁材料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预计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例122019/8/17/01:34:3312132019/8/17/01:34:33131.2.2钢与生铁的区别142019/8/17/01:34:32141.2.3钢铁冶炼技术发展简史远古至13世纪末：半熔融状态的铁块—海绵铁(spongeiron)；13世纪末至19世纪中叶：熔融状态的生铁→粗钢，形成两步法炼钢；19世纪中期至今：1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢法；1864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；20世纪初发明了电弧炉炼钢(EAF)；20世纪中叶氧气顶吹转炉（LD法）。152019/8/17/01:34:32151.2.3我国钢铁工业的发展1996年，突破1亿吨；1999年，产量世界第一；2003年，突破2亿吨，世界唯一年产钢超过2亿吨的国家；2004年，产量2.8亿吨；2005年，产量3.5亿吨；2006年，产量4.2亿吨。162019/8/17/01:34:3216全球部分钢厂产量排名排名公司国家2006年(百万吨)2005年(百万吨)同比增长2006200511米塔尔荷兰63.6649.8927.622安赛乐卢森堡54.3246.6516.433新日铁日本33.7032.9012.444JFE日本32.0229.578.355浦项韩国31.2031.42-0.766宝钢中国22.5322.73-0.9926唐钢中国19.0616.0818.51618鞍钢中国15.0011.9026.11722沙钢中国14.6312.0221.71816武钢中国13.7613.055.52424济钢中国11.2410.437.82527马钢中国10.919.6513.12625莱钢中国10.7910.344.42723首钢中国10.5510.441.02831华菱中国9.918.4517.2182019/8/17/01:34:321819901992199419961998200020022004200620085010015020025030035040045050036.4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8.489.6311.212.2512.7212.6113.4113.6314.7715.6615.4017.8520.122.925.833.7965.3571.0080.9389.5492.6195.36101.24108.91114.56123.35127.64151.63181.55202.31272.80418.78489.00349.360481216202428323630.9中国年粗钢产量增长情况192019/8/17/01:34:32191.3钢铁冶炼赤铁矿磁铁矿线材板材202019/8/17/01:34:3220烧结/球团—高炉—转炉—连铸机—轧机直接还原或熔融还原—电炉—连铸机—轧机非高炉炼铁钢铁生产的两个典型流程高炉炼铁长流程短流程钢铁冶炼的任务是把铁矿石冶炼成合格的钢。212019/8/17/01:34:3321现代钢铁冶炼的两种基本流程222019/8/17/01:34:3222钢材加工工艺流程232019/8/17/01:34:3223钢铁生产的典型工艺（长流程）242019/8/17/01:34:3224钢铁工业的特点生产规模大，物流吞吐大，每吨钢涉及的物流将是5-6吨。资源密集、能耗密集。在钢铁联合企业内，每吨钢降消耗0.7-0.8吨左右的标准煤、1.5-1.65吨左右铁矿石、3-8吨左右新水；制造流程工序多、结构复杂制造流程中伴随大量物质/能量排放，形成复杂的环境界面252019/8/17/01:34:32251.4钢铁产品及副产品产品生铁钢铁合金(Ferroalloy)副产品炉渣(Slag)煤气(Gas)262019/8/17/01:34:3226生铁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，按其用途可分为炼钢生铁和铸造生铁。272019/8/17/01:34:3227铁合金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，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(详见第七章)。如：硅铁、锰铁。282019/8/17/01:34:3228炉渣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。其主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3等。根据冶炼方法的不同，钢铁生产产生的炉渣分为高炉渣和炼钢渣，按炉渣中含有不同的化学成分又可分为碱性渣和酸性渣。292019/8/17/01:34:3429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)()(22SiOwCaOwR)()()(23SiOwMgOwCaOwR302019/8/17/01:34:3230煤气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，转炉炼钢可获得转炉煤气，炼焦时可得焦炉煤气等。煤气主要成分：CO、H2、CO2、N2、CH4312019/8/17/01:34:32311.5钢铁工业能源及能耗1.5.1钢铁生产用能源1.5.2钢铁工业能耗1.5.3节能途径322019/8/17/01:34:3232钢铁工业是能源消耗的大户，约占全国总能源消耗量的10～11％。钢铁生产所用能源主要有煤炭、燃料油(重油)、天然气、电力等。煤占钢铁生产中燃料消耗的70%，钢铁工业用煤量已超过煤炭总产量的15％。煤在钢铁企业主要用来炼焦和自备电厂发电、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。1.5.1钢铁生产用能源332019/8/17/01:34:32331.5.2钢铁工业能耗我国钢铁工业的能源消耗中，钢铁冶炼是耗能最高的工序，占钢铁工业能耗的60～70％。其主要耗于炼铁系统，焦化、烧结、球团、炼铁等工序。342019/8/17/01:34:32342004年重点钢铁企业工序能耗比较(千克标准煤/t)指标烧结焦化炼铁转炉电炉平均值66.38142.21466.2026.57209.891999年国际先进水平58.89128.1437.93-8.88198.6差值7.4914.1128.2735.4511.29指标烧结球团焦化炼铁转炉电炉轧钢吨钢综合能耗平均值66.3842.00142.21466.2026.57209.8992.91761先进值52.0619.2288.13395.41-3.77146.3153.68565落后值108.6083.30229.15591.8175.23325.44286.891103差值56.5464.08141.02196.4079.00179.23233.21538352019/8/17/01:34:32351.5.3节能途径改进生产工艺及操作，更新和改造耗能高的设备。降低能源损失（“废料”、煤气、热能、压力能），减少生产工序。回收利用散失热量。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，充分发挥现有设备能力，以节能为目标合理组织生产。362019/8/17/01:34:32361.6冶金用耐火材料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紧密相关。耐火材料产品绝大部分（60~80%）用于冶金行业。耐火材料在冶金中的应用有：高温炉管坩埚、容器热电偶绝缘管热电偶保护管炉膛耐火材料炉膛保温材料372019/8/17/01:34:32371.6.1耐火材料定义耐火材料是耐火度不低于1580℃的无机非金属材料。ISO定义：耐火材料是耐火度至少为1500℃的非金属材料或制品（但不排除含有一定比例的金属）。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。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，高温下有一定强度，无明显挥发现象以及不与炉内工作气氛发生反应等。382019/8/17/01:34:32381.6.2耐火材料分类按化学成分：氧化物、非氧化物、复合系按形态：定形、不定形按耐火度分：普通1580~1770℃;高级1770~2000℃;特级2000℃以上按制作工艺分：泥浆浇注；可塑成型…392019/8/17/01:34:3339SnPbZnAlCuNiFe高岭土耐火土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C402019/8/17/01:34:32401.7环境保护钢铁厂产生的各种污染物有：大气污染物质污水固体废弃物412019/8/17/01:34:3241大气污染物质SOX：是通过原料、燃料中硫磺成分的燃烧