钢铁冶金导论（蓝天CAD）.ppt

,钢铁冶金导论,主讲郭宇峰,,1概论,,金属的分类,铁金属和非铁金属前者系指铁及其合金；后者则指除了铁及其合金以外的金属元素。黑色金属和有色金属有色金属则是指除铁、铬、锰3种金属以外的所有金属。,,冶金的起源与发展,远古时代,青铜器时代,铁器时代,20世纪初及中叶,,冶金学的概念,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，并用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的学科,概念,按内容可分为提取冶金学和物理冶金学两门学科提取冶金学研究如何从矿石中提取金属或金属化合物的生产过程，由于该过程伴随有化学反应，又称化学冶金。物理冶金学通过成型加工制备有一定性能的金属或合金材料，研究其组成，结构的内在联系以及各种条件下的变化规律，为有效地使用和发展特定性能地金属材料服务。包括金属学，粉末冶金，金属铸造，金属压力加工等。,,冶金学的分类,按提取金属方法分类,火法冶金在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔化作业，使其中地金属和杂质分开，获得较纯的金属的过程。过程可分为原料准备，焙烧、熔炼、精炼、蒸馏和离析等。所需能源，主要靠燃料燃烧，也有靠化学反应热的。进行的化学反应则有热分解、还原、氧化、硫化、卤化、蒸馏等。,火法冶金一般具有生产率高，流程短，设备简单及投资省等优点，但却不利于处理成分结构复杂矿或贫矿,,冶金学的分类,湿法冶金一般在常温或低于100℃下，用溶剂处理矿石或精矿，使所需提取的金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解。然后再从溶液中提取金属，包括浸出，分离，富集和提取等工序。由于绝大部分溶剂为水溶液。故也称水法冶金,湿法冶金一般具有能耗低，过程易控制，能处理各类矿石。但生产规模及生产率不如火法冶金,,冶金学的分类,电冶金利用电能提取和精炼金属的方法电热冶金利用电能转变成热能，在高温下提炼金属，本质与火法同。电化学冶金用电化学反应使金属从含金属盐类的水溶液或熔体中析出。前者称为溶液电解，如铜的电解精炼，可归入湿法冶金，后者称为熔盐电解，如电解铝，可列入火法冶金。,,冶金学的分类,炼铁从矿石或精矿中提取粗金属，主要是用焦炭作燃料及还原剂，在高炉内的还原条件下，矿石被还原得到粗金属-生铁，其中溶解来自还原剂中的碳4％一5％及矿石、脉石中的杂质，如硅、锰、硫、磷等元素。,,钢铁冶金过程,炼钢将生铁中过多的元素C、Si、Mn及杂质S、P通过氧化作用及熔渣参与的化学反应去除，达到无害于钢种性能的限度，同时还要除去由氧化作用引入钢液中的氧脱氧，并调整钢液的成分，最后把成分合格的钢液浇铸成钢锭或钢坯，便于轧制成材。二次精炼为了提高一般炼钢方法的生产率及钢液的质量进一步降低杂质和气体的含量，而将炼钢过程的某些精炼工序转移到炉外盛钢桶或特殊反应炉中继续完成或深度完成。,,钢铁冶金过程,冶金过程热力学利用化学热力学的原理研究冶金反应过程的可能性（方向）及反应达到平衡的条件，以及在该条件下反应物能达到的最大产出率，确定控制反应过程的参数（温度、压力、浓度及添加剂的选择）冶金过程动力学利用化学动力学的原理及物质、热能、动量传输的原理来研究冶金反应过程的速率和机理，确定反应过程速率的限制环节，从而得出控制反应的速率的途径冶金熔体是火法冶金反应中参加的具体物质，包括金属互溶的金属熔体、氧化物互溶的熔渣及硫化物互溶的熔锍。它研究熔体的相平衡、结构及其物理和化学性质，而熔体的组分是反应的直接参加者，熔体的结构及性质则直接控制着反应的进行,,钢铁冶金过程的理论基础,,远古到13世纪末利用自然地形将铁矿石与木炭一起放入用砖砌筑的地炉内，加热冶炼，将矿石还原，生成海绵铁,13世纪末到19世纪中叶把铁矿石装入高炉中冶炼成液态生铁。再将生铁冶炼成粗钢，形成了沿用至今的工业冶炼法,,19世纪中期至20世纪以生铁，海绵铁或废钢为原料，在平炉、转炉、电炉中冶炼成钢或合金钢的时代,,,钢铁冶金的发展简史,现代炼铁法,,高炉法,非高炉法,传统的以焦炭为能源，与转炉炼钢相配合，组成高炉－转炉－轧机流程，被称为长流程，是目前的主要流程。优点生产规模大，效率高，成本低。缺点能耗高，污染大。,泛指高炉以外，不以焦炭为能源，通常分为直接还原和熔融还原，一般与电炉配合，组成直接还原或熔融还原－电炉－轧机流程，被称为短流程，是目前的辅助流程。优点能耗低，污染小。缺点生产规模小，效率低，成本高。,现代炼铁方法,,铁矿石,熔剂,还原剂,燃料或电热,高炉,直接还原炉,,,铁水,,铸铁机,混铁炉,转炉,废钢,炼钢生铁块,平炉,,电炉,海绵铁,商品铸铁,,,钢水,铸锭或连铸,轧、锻,钢材,,,,,,,,,,,,,,,,,,废钢,,,,,,,,,炼铁过程,炼钢过程,压加过程,现代钢铁生产流程,矿石－生铁－钢即高炉－转炉，平炉淘汰矿石－海绵铁－钢直接还原－电炉流程,炼铁,,高炉铁水,需要焦炭,炼焦焦煤在隔绝空气的条件下，热解、碳化、胶结成具有一定强度和粒度的焦炭。,炼焦工艺,洗煤配煤焦炉熄焦,炼焦原料焦煤,炼焦设备炼焦炉、推焦机,炼焦产品焦炭、沥青、煤焦油及其分馏产品,现代炼铁方法,,炼铁,对含铁原料有要求粒度550mm，化学成分要稳定，机械强度要高，冶金性能要好,天然块矿粒度550mm，化学成分要稳定,0－10mm粉矿烧结,细磨精选矿球团,铁水C、Si、S、P等元素含量高,现代炼铁方法,,炼铁,直接还原海绵铁,,不需要焦炭,海绵铁C、Si、S、P等元素含量低,可采用粉矿,现代炼铁方法,,炼铁,融熔还原铁水,,不需要焦炭,可采用粉矿,海绵铁C、Si、S、P等元素含量高,现代炼铁方法,,炼钢,,转炉铁水为原料，用纯氧氧化过还原进入铁水中的C、SiMn、P等元素的放热反应作为热源，多余的热量用矿石或废钢冷却。转炉是目前的主要炼钢手段，其冶炼周期短20-60分钟一炉钢，可大型化500吨,1一炉壳；2一挡渣板；3一托圈，4一轴承及轴承座；5一支撑系统；6一耳轴；7一制动装置；8一减速机，9一电机及制动器,现代炼铁方法,,炼钢,,电炉废钢为原料，电能作为热源。海绵铁可以取代废钢，某些方面优如废钢。冶炼周期稍长2-4小时，电能较贵。也可大型化，特别是可以冶炼各种特殊钢，在低电价地区是一种有前途的产品方向灵活的方法,1一倾炉用液压缸；2一倾炉摇架；3一炉门；4一熔池；5一炉盖；6一电极；7一电极夹持器连接电极升降装置；8一炉体，9一电弧；10一出钢槽,现代炼铁方法,,炼钢,,炉外精炼在传统的炼钢初炼炉转炉和电弧炉生产基础上，对钢液进行大规模再加工的过程。在炼钢炉外，对钢液进一步净化，调整成分和温度，承担炼钢炉的部分冶炼职能和部分炼钢炉不能承担的职能,现代炼铁方法,,炼钢,,浇铸把在炼钢炉中熔炼和炉外精炼所得到的合格钢水，经过盛钢桶及中间钢包等浇注设备，注入到一定形状和尺寸的钢锭模或结晶器中，使之凝固成为钢锭或钢坯,模铸将盛在盛钢桶内的钢水注入具有一定形状和尺寸的钢锭模中铸成钢锭的方法,1一中心注管2一底板3一钢锭模,现代炼铁方法,,炼钢,连铸将盛在盛钢桶内的钢水注入具有一定形状和尺寸的钢锭模中铸成钢锭的方法,1一钢包；2一中间包；3一结晶器；4一二次冷却和铸坯导向装置；5一拉坯矫直装置；6一切割装置；7一出坯装置,现代炼铁方法,,,钢铁生产流程氧化-还原过程的比较,A一铁矿石；B一高炉出炉铁水；C一装入炼钢炉的铁水；D一海绵铁；E一出炉钢水；F一成品钢；,,,A→B一高炉过程；C→E一氧气转炉炼钢过程；A→D一直接还原铁；D→E一电炉炼钢；A→G→B一二步法熔融还原；A→G一预还原；G→B一终还原；A→H→B一一步法熔融还原,,世界钢铁冶金流程预测,,,,传统钢铁联合企业,主要生产环节原料处理，炼铁，炼钢，轧钢，能源供应，交通运输等,将铁矿石在高炉内冶炼成生铁，用铁水炼成钢，再将钢水铸成钢锭或连铸坯，经轧制等塑性变形方法加工成各种用途的钢材,,钢铁工业的发展方向,炼铁,提高冶金焦质量,合理选择炼焦煤基地和配煤方案,煤料捣固、型煤压块、煤调湿和选择粉碎,焦炉大型化、增加焦炉炭化室宽度和降低结焦速度,采用干法熄焦，低水分熄焦和焦炭整粒,高炉法,加强含铁原料预处理环节，大力发展精料技术,提高熟料比提高铁品位，降低SiO2含量合理的炉料结构高碱度烧结矿＋酸性球团矿,改善高炉工艺,采用高风温，高压操作。高富氧鼓风，脱湿鼓风，喷吹燃料和炉外铁水预处理等技术，以提高产量，降低焦比,,钢铁工业的发展方向,设备上的改进,高炉容积不断扩大，出现了5000m3高炉采用皮带运输上料采用无料钟炉顶炉前机械化，如机械化换风口，设置活动主沟等在炉前设置除尘、排烟设备采用外燃式热风炉电子计算机的应用,,钢铁工业的发展方向,非高炉法,直接还原法,大型化生产技术、煤的气化技术等,工业化生产技术,降低能耗和生产成本,熔融还原法,,钢铁工业的发展方向,炼钢,氧气转炉成为主要炼钢方法。电炉钢将获得稳步发展，特别是以海绵铁为主要原料的电炉冶炼、近终形连注、连轧的炼钢短流程的发展引人注目。炼钢用原料的精选和预处理得到广泛重视大力推广各种炉外精炼法。连续铸锭获得迅速发展。转炉操作采用静态及动态计算机控制电炉用氧和采用高功率、超高功率，使电弧炉炼钢进入了一个新的发展阶段；近来许多国家对将氧气顶吹转炉、电孤炉和炉外精炼设备结合起来的冶炼工艺十分重视，认为是炼钢生产在扩大品种、提高钢材质量方面的最重要途径；,,钢铁工业的发展方向,,钢铁工业发展的关键,采用新流程、新技术、新装备代替传统的全流程生产方式。（短流程）节约资源、能源，降低制造成本、投资成本及劳动成本。满足国民经济各部门对钢材使用性能及质量上不断提高的要求，例如汽车用深冲钢板要求钢中[C]十[P]十LS]十[O]十[N]十[H]总和不大于0.01。保护环境，根治污染，保持生态平衡,,钢铁工业的前沿技术,开发用烟煤或天然气作还原剂，不用高炉，将铁矿石还原成海绵铁的直接还原和熔融还原炼铁法。超高功率电炉问世，直流电弧炉迅速发展。多种炉外精炼法投入生产连铸技术的发展和扩大应用等离子作为热源具有温度高5000一30000℃、能量高度集中、工作气体离子化状态、离子流速度快100一500m／s等特点，用于冶金有潜在优势，近年成功用于连铸中间包加热。真空冶金、微波冶金技术电渣冶金在特种冶金中无论产量及品种均居首位近终成形是金属毛坯制备的新技术，其特点是人工智能控制即以神经网络的人工智能为基础进行控制。,,2炼焦,,传统焦炭生产工艺,洗煤配煤干馏熄焦,生产工艺,原料,气煤Vdaf＞28-37，GR.I＞50-65和Vdaf＞37，GR.I＞35，变质程度低的炼焦煤，加热时能产生大量胶质体，抗碎强度、耐磨强度差，但产气率和化学产品收率高,肥煤Vdaf＞10-37，GR.I＞85，强粘结性煤，加热时能产生大量胶质体，耐磨强度好,焦煤Vdaf＞20-28，GR.I＞50-65和Vdaf＞10-28，GR.I＞65，中等及低挥发份的中等及强粘结性煤，加热时能产生热稳定很高的胶质体，抗碎强度、耐磨强度好，但推焦困难,瘦煤Vdaf＞10-20，GR.I＞20-65，低挥发份的中等及强粘结性煤，加热时能产生胶质体，抗碎强度较好，耐磨强度稍差,,传统焦炭生产工艺,洗煤,目的降低原煤中的灰份和硫，类似于选矿,方法重选、油团聚法等,配煤,控制配合煤的灰分、硫和胶质层厚度，胶质层厚度16－20mm，精煤粒度配合要适当，含水量应尽可能低,,传统焦炭生产工艺,干馏,设备焦炉,控制合理的加热制度,干燥、预热50－200℃热分解200－300℃软化300－500℃半焦500－900℃成焦900－1000℃,,传统焦炭生产工艺,熄焦,湿法熄焦在熄焦塔内用水直接喷洒在赤热的焦炭上达到熄焦降温之目的。工艺因设备简单、投资及运行费用低廉,干法熄焦利用冷的惰性气体在熄炉中与炽热红焦进行热交换来冷却红焦。能回收红焦显热、减少环境污染、提高焦炭质量，但投资高、能耗高,,传统焦炭生产工艺,存在的问题及改进措施,资源紧缺提高弱黏结性煤比率，煤预热提高其黏结性，采用细颗粒煤粉的型煤技术提高其堆密度。,生产效率较低高温预热、炭化室壁的高热传导率、薄壁化以及均匀加热,热效率较差对入炉煤进行高温预热，提高了干馏开始温度；通过中低温干馏，降低了焦炭出炉温度，并减少了焦炉加热用的热量。另外，通过对产生的煤气以及燃烧排放气体的显热回收等，实现节能,煤气泄漏污染环境采用插塞式输送方式进行入炉煤的输送，调整焦炉的操作压力和实现出炉时的密闭集尘，降低粉尘量，另外，通过改善加热煤气燃烧装置，实现低ＮＯｘ排放。,,炼焦新技术的开发,煤料预处理技术,煤料预热技术,预热温度150-250℃原理增加堆密度，快速加热效果改善焦炭质量1-2，提高生产能力35-40，降低炼焦能耗,,炼焦新技术的开发,煤料预处理技术,煤料干燥与调湿技术,水分控制6左右原理增大堆密度效果提高焦炉生产率10-15，改善焦炭质量0.5-1，降低炼焦能耗，增加高挥发分弱粘结煤的配用量，炼焦炉预热得以回收,,炼焦新技术的开发,煤料预处理技术,型煤压块技术,原理增加堆密度，紧密煤粒间距型煤压块作用1、型煤内部煤粒接触紧密，在炼焦过程中有利于粘结组分；2、型煤与粉煤混合炼焦时，型煤致密、导热性好，比周围粉煤升温快，较早软化，处于软化熔融时间长，有助于型煤中添加的粘结剂及熔融组分与型煤中的未软化部分和周围粉煤起溶剂作用；,,炼焦新技术的开发,3、配型煤的炼焦过程中，在软化熔融阶段，型煤膨胀率较大，产生的大量气体压缩周围粉煤，使粉煤粒接触更加紧密，并使型煤与粉煤相互熔融，生成结构紧密结实的焦炭和非粘结组分的充分结合；4、配型煤的煤料在炼焦过程中收缩小，减少了焦炭裂纹；5、成型煤中配有一定量的粘结剂，改善了煤的粘结性，且由于粘结剂的溶剂性能、供氢效应，也改善了焦炭的光学组织效果保持焦炭机械强度不变，可增加10％-15％的弱粘结性煤的用量,,炼焦新技术的开发,煤料捣固技术,煤料预处理技术,原理增加堆密度，紧密煤粒间距效果1、扩大炼焦煤来源；2、提高焦炭质量2.5-3；,,炼焦新技术的开发,焦炉加工新工艺,日本SC0PE21工艺,特点是将配入50的非粘结性煤，在入炉前快速预热到350–400C，使煤接近热分解温度，以改善煤的粘结性，预热煤中的细粉热压成型，而后与粗粒煤混合用管道化装炉。焦炉用高导热的70一75mm的炉墙砖，在焦炉中加热至700一800C的焦饼，入干熄焦预存段进行再加热使饼最终温度达1000℃左右。,,炼焦新技术的开发,德国的大容积焦炉,1生产成本较低，而投资费用也较低;2）用质量较差的煤能生产出优质焦炭;3能明显地改善环境保护和工业卫生。,,炼焦新技术的开发,美国的无回收焦炉,,炼焦新技术的开发,熄焦新技术,低水分熄焦,,