冶金概论

冶金概论教学目的掌握金属冶炼的基本知识、原理与工艺实践，了解我国冶金工业现状及发展动态第一章绪论教学要求：了解金属及其分类，建立冶金工程相关概念，了解我国冶金工业现状与发展方向第一章绪论冶金是一门研究如何经济地从矿石或精矿或其它原料中提取金属或化合物，并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学冶金学研究金属的制取、加工和改进金属性能的各种技术及金属成分、组织结构、性能和相关基础理论分为提取冶金和物理冶金两门学科第一章绪论提取冶金从矿石或精矿中提取金属（包括金属化合物）的生产过程（又称化学冶金、过程冶金学）物理冶金通过成型加工制备具有一定性能的金属或合金材料，包括金属学、粉末冶金、金属铸造、金属压力加工等第一章绪论工程将自然科学的理论应用到集体工农业生产部门中形成的各学科的总称（《高级汉语大词典》）水利工程、化学工程、冶金工程第一章绪论金属及其分类自然界已发现109种元素，金属元素共93种，按提取冶金分类可分为：黑色金属：Fe,Cr,Mn有色金属：其余的金属元素重金属、轻金属、稀有金属、贵金属10种常用有色金属第一章绪论第一章绪论ⅠAⅡAⅢBⅣBⅤBⅥBⅦBⅧBⅠBⅡBⅢAⅣAⅤAⅥAⅦAⅧA11H2He23Li4Be5B6C7N8O9F10Ne311Na12Mg13Al14Si15P6S17Cl18Ar419K20Ca21Sc22Ti23V24Cr25Mn26Fe27Co28Ni29Cu30Zn31Ga32Ge33As34Se35Br36Kr537Rb38Sr39Y40Zr41Nb42Mo43Tc44Ru45Rh46Pd47Ag48Cd49In50Sn51Sb52Te53I54Xe655Cs56Ba57La72Hf73Ta74W75Re76Os77Ir78Pt79Au80Hg81Tl82Pb83Bi84Po85At86Rn787Fr88Ra89Ac104Ku10510658-71镧系90-103锕系■稀有轻金属■稀有高熔点金属■稀土金属■稀有分散性金属■稀有放射性金属第一章绪论金属在地壳中的赋存状态金属：Au、Cu化合物：轻金属、稀有金属：氧化矿重金属：硫化矿、氧化矿过渡族元素：既有氧化物又有硫化物第一章绪论冶金方法火法冶金：高温无水相参与的过程湿法冶金：低温有水相参与的过程电冶金：利用电能提取和精炼金属的方法冶金工艺流程和冶金过程冶金工艺流程：提取金属的过程和方法冶炼工艺流程图：各过程间的联系及其所获得产品间的流动线路图第一章绪论冶金（单元）过程：即一个冶炼阶段焙烧煅烧烧结熔炼火法精炼浸出净化电解第一章绪论冶金工业现状及发展方向现状发展方向强化过程节能低污染或无污染产品多样化、精细化（高附加值）第一章绪论冶金工业在国民经济中的地位和作用属原材料产业国民经济的基础产业现代社会的三大支柱之一铁水水渣原料仓给料设备受料斗上密料灌下密布料器炉本体热风炉喷吹灌磨煤机粒化器铸铁机铁水灌第二章炼铁1、矿石与选矿教学要求了解矿石与选矿的基本概念，选矿工艺各方法的原理与应用1、矿石与选矿矿石矿床：具有一定规模的矿石天然集合体矿石：提取金属或生产其他产品的矿物集合体有用矿石：能够为人类利用的矿石脉石：不含有用矿物或含量过少，不宜以工业规模进行加工的矿石品位：矿石中有用成分的含量矿物：具有一定化学成分及物理属性的天然元素和化合物P11-12表2-3冶金工业常见金属矿物1、矿石与选矿选矿选矿以廉价的处理费用，既不改变原矿的组成，又能使其高品位化原矿：直接开采出来的矿石精矿：经选矿使有用矿物进一步富集后的产品尾矿：经选矿获得的主要为脉石或有害杂质的产品选矿工艺：重选法：浮选法：正浮选/反浮选浮选药剂浮选作业粗选：粗精矿、粗尾矿精选：精矿、中矿扫选：中矿、尾矿磁选法：原理破碎与筛分：使有用矿物单体解离，使之适合矿石选别处理对粒度的要求1、矿石与选矿2、炼铁教学要求：了解高炉炼铁原料与设备，掌握高炉炼铁原理与工艺过程铁的性质及铁冶炼发展史性质：银白色密度7.866g/cm3熔点1535℃良好的导热、导电和导磁性丰度：5%，仅次于氧、硅、铝赋存状态：铁冶炼发展史：2、炼铁铁水水渣原料仓给料设备受料斗上密料灌下密布料器炉本体热风炉喷吹灌磨煤机粒化器铸铁机铁水灌2、炼铁炼铁原料与造块炼铁原料铁矿石：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿等我国铁矿资源特点：贫矿多、复合矿多质量要求矿石品位要高酸性脉石要低（SiO2、Al2O3）有害杂质(S、P)要少其他含铁原料：高炉烟尘转炉烟尘轧钢皮2、炼铁熔剂：CaO、MgO或硅石熔剂的作用质量要求焦碳：燃料和还原剂焦碳作用质量要求2、炼铁2、炼铁铁矿粉造块（人造富矿或熟料）烧结法——将矿粉、熔剂、燃料按一定比例混合，在1300一1500℃条件下，矿粉局部熔化造渣，烧结成具有一定强度、一定粒度、化学成分稳定的高炉料。团矿法——是不适宜烧结的细磨精矿粉和其它含铁粉料造块的方法。将细磨精矿粉、熔剂、燃料（1～2%，有时不加)等原料经配料混合，在造球机上滚成10～15mm的生球,生球在高温焙烧机上进行高温焙烧，焙烧好的球团经冷却、破碎、筛分得到成品球团矿。2、炼铁烧结设备：带式烧结机2、炼铁带式烧结机点火炉台车行进方向→烧结矿分类：酸性烧结矿碱度1自熔性烧结矿碱度1.0-1.5熔剂性烧结矿碱度2.0-2.4碱度：（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）2、炼铁烧结矿与球团矿的比较：(1)细精矿粉(-325目占80％)适宜造球，球团矿有利于贫矿资源利用（可对矿石细磨精选）。(2)烧结矿对原料的适应性强，粗粒不适于造球的矿粉，钢厂氧化铁粉、炉尘、其它含铁物料仍需烧结处理。(3)球团冶金性能好（强度高、微气孔多、粒度均匀铁分高、还原性好），特别是小高炉，对降低焦比，提高产量十分显著。但在大高炉上高温还原膨胀粉化，使炉料透气性变坏，影响顺行。且球团碱度低，高炉若用100％球团冶炼，势必增大石灰石加入量。故此，高炉常使用烧结与球团混合炉料，特别是熔剂性烧结矿和酸性球团配合使用时能收到较为理想的冶炼效果。2、炼铁铁冶炼过程原理高炉冶炼过程原料产物物料走向高炉炉内分区及其特征2、炼铁2、炼铁碳的燃烧反应化学反应（1）C焦+O2=CO2+400928kJ不可逆反应（2）2C焦+O2=2CO+235130kJ不可逆反应（3）C焦+CO2=2CO-165797kJ可逆反应平衡气相成分与温度的关系反应（3）的特点及在高炉冶炼过程中的作用2、炼铁图2-2风口径向煤气成分的变化2、炼铁铁氧化物的还原氧化物的稳定性金属氧化物稳定性判据氧化物标准生成自由能氧化物的分解压2、炼铁图2-8氧化物标准生成自由能随温度的变化图3-8纯氧化物分解压与温度关系2、炼铁结论:(1)各种氧化物分解压随温度升高而增大，只有CO除外；(2)图中位置越低的氧化物，分解压愈小，氧化物愈稳定；(3)位置低的元素可还原位置高的氧化物；(4)在一定温度条件下，几乎所有的氧化物都可被C还原。2、炼铁铁氧化物的离解T570℃Fe2O3→Fe3O4→FeO→FeT570℃Fe2O3→Fe3O4→Fe铁氧化物的还原T570℃Fe2O3→Fe3O4→FeO→FeT570℃Fe2O3→Fe3O4→Fe间接还原：用CO还原直接还原：用C还原2、炼铁高炉内非铁氧化物的行为(1)P2O5（全部进入生铁）(2)MnO（2/3进入生铁）(3)SiO2（少量进入生铁）(4)CaO、MgO、Al2O32、炼铁高炉内各部位主要反应还原渗碳造渣脱硫渗碳过程渗碳反应2Fe+2CO=Fe3C+CO23[Fe]+C=[Fe3C]主要反应渗碳作用2、炼铁造渣过程炉渣作用(1)具有适当的熔化温度，以保证炉缸温度适当(2)具有良好的流动性，以利渣铁分离(3)具有足够的脱硫能力，以降低生铁含硫量(4)具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用(5)性能稳定，有利于保护炉衬炉渣组成炉渣是各种氧化物的熔合体CaO-SiO2-Al2O3-(MgO)系2、炼铁炉渣性质酸碱性氧化物分类P34炉渣碱度：炉渣中碱性氧化物含量/酸性氧化物含量CaO/SiO21碱性渣CaO/SiO21酸性渣CaO/SiO20.9-1.2我国炼铁高炉渣熔化温度与熔化性温度炉渣完全转变为均一液体时之温度熔化温度及其影响因素2、炼铁熔化性温度炉渣从不能流动转变为自由流动时的温度，即粘度曲线与45º切线的切点温度(图中A点对应温度)2、炼铁粘度流体流动时相互作用产生的内摩擦力的体现单位Pa·s影响因素温度组成2、炼铁常见液体的粘度液体温度/K粘度/Pa•s液体温度/K粘度/Pa•s水2980.00089汞2730.0017蓖麻油2980.8流动好的渣0.5甘油2980.5稠渣1.5-2.0生铁液16980.0015很粘的渣3.0钢液18680.0025脱硫过程高炉内生铁脱硫主要通过炉渣去除炉渣脱硫反应[FeS]十(CaO)十C＝(CaS)十[Fe]十CO—141055kJ提高炉渣脱硫能力措施(1)提高炉渣碱度(2)提高温度(3)还原性炉渣2、炼铁图3-20KR法1-脱硫剂；2-搅拌槽；3-至除尘器图3-20顶部喷吹法1-喷枪；2-脱硫剂；3-料仓；4-称量料仓；5-N2炉外脱硫高炉生产的主要技术经济指标高炉有效容积利用系数平均水平1.5-2.0t/m3·d先进水平3.0t/m3·d焦比生产1t生铁所消耗的焦炭量一般水平400-600kg/tFe先进水平400kg/tFe3、高炉生产的主要技术经济指标冶炼强度每昼夜高炉燃烧的焦炭量与高炉容积的比值生铁合格率生铁分为炼钢铁和铸造铁炉龄高炉从点火开始到停炉大修为止的时间一般10年高者可达15－20年3、高炉生产的主要技术经济指标4高炉设备高炉炼铁过程高炉炼铁的优缺点热效率高、生产率高、原料适应性强、炉子寿命长（15-20年）；但铁水成分及温度难以准确控制高炉设备高炉本体高炉附属系统4高炉设备高炉本体高炉炼铁技术的发展(1)高炉大型化(2)精料(3)高压操作(4)高风温(5)富氧鼓风(6)喷吹燃料(7)脱湿鼓风(8)炉顶煤气余压发电(9)高炉操作自动化第二章炼铁第三章炼钢教学要求：了解炼钢原料与设备，掌握炼钢原理与各种炼钢工艺特点概述钢铁分类及其性能工业纯铁：C0.02%生铁:C2.11%(2%)钢:0.02%C2.11%(2%)钢的分类表第三章炼钢第三章炼钢C、Si、Mn、P、S在铸铁和钢中的含量铸铁钢C2.5%-4.5%0.03%-1.2%Si0.5%-2.0%0.01%-0.3%Mn0.5%-2.0%0.3%-0.8%P0.02%-0.5%0.01%-0.05%S0.01%-0.1%0.01%-0.05%炼钢过程原理炼钢的基本任务通过冶炼降低生铁中的碳和去除有害杂质，加入适量的合金元素，获得具有高的强度、韧性或其它特殊性能的钢“四脱”：脱C、P、S、O“二去”：除气体、非金属杂质一升温：一合金化：第三章炼钢炼钢炉1823-1923K热源氧化剂钢水钢渣铁水生铁废钢造渣剂炼钢过程示意图氧化精炼第三章炼钢炼钢厂钢坯铁水包转炉轧钢厂混铁炉钢包回转台中包结晶器扇形段切割机精炼炉第三章炼钢炼钢原料金属料铁水(或生铁块)是氧气顶吹转炉炼钢的基本原料，占金属料的70～100％废钢是电弧炉炼钢的基本原料，占钢铁料的70～90％，对氧气转炉来说，则既是金属料，又是冷却剂第三章炼钢铁合金作为脱氧和合金化元素，如Fe-Mn、Fe-Si、Fe-Cr；以及复合脱氧剂，如硅锰合金、硅钙合金硅锰铝合金；还有铝、锰、镍、钴等金属辅助材料造渣材料石灰(CaO)萤石(CaF2)白云石第三章炼钢氧化剂氧气、铁矿石、氧化铁皮冷却剂废钢、富铁矿、团矿、烧结矿、氧化铁皮还原剂和增碳剂电炉炼钢使用的还原剂和增碳剂有石墨电极木炭、焦炭、电石、硅铁、硅钙、铝等。氧气转炉冶炼高碳钢时，一般用含灰分很少的石油焦作增碳剂第三章炼钢炼钢炉渣炉渣来源(1)废钢带入的泥沙和铁锈等(2)加入的各种造渣材料(3)炼钢过程中化学反应的产物炉渣组成炼钢炉渣的基本体系是CaO-SiO2-FeO系第三章炼钢高炉炼铁炉渣35