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《冶金生产工艺及装备》

杨海波 教授 博导
PW: ustbyhb

School办of M公ec地han点ica：l En北gine科eri大ng,会Un议iver中sity心of -S第cien5c会e &议Te室chnology, Beijing
联络电话： 6233-3549

S M E . U S T B

课程介绍
n课程名称

《冶金生产工艺及设备》

w冶金生产工艺及装备（Technology and equipment for iron & steel production ）
n课程编号：4040014 课时/学分：32 / 2
n关键内容
钢铁生产过程工艺技术、机械设备、检测方法等。包含炼铁、炼钢（含连铸）和轧钢三个部分
：高炉和非高炉炼铁，转炉和电炉炼钢，炉外精炼，连续铸钢，厚板、冷热薄板、无缝钢管、型材
、棒线材轧制等。
n课程目标
了解从矿石原料到钢铁产品生产步骤，熟悉钢铁生产基础工艺、关键设备、检测方法，提升运 用专业理论和方法分析和处理实际问题能力，培养工程意识。

n课程对象
机械工程（冶金机械方向）或其它专业高年级本科生、硕士
n先修课程
机械设计，机械原理，机械制造，工程材料等
n相关课程
《冶金设备设计和制造》，《轧钢过程控制》，《炼铁机械》，《炼钢机械》，《轧钢机械》，
《轧制理论和工艺》，……

n学什么（内容）
w 钢铁生产过程中
l工艺技术
l机械设备
l检测方法等
w三个部分
l炼铁：高炉和非高炉炼铁
l炼钢：转炉和电炉炼钢，炉外精炼，连续铸钢
l轧钢：中厚板、冷热轧薄板、无缝钢管、型材、棒线材轧制等

n为何学（目标）
w了解钢铁，掌握方法
l了解钢铁生产步骤，掌握钢铁生产基础工艺、关键设备、检测方法
w利用知识，分析问题
l利用已学专业理论和方法，研究和分析经典工业生产过程
w结合理论，联络实际，
l体会理论和实际结合含义，增强工程意识。

n需要哪些知识
w数学，物理，化学
w静力学，动力学，流体力学，热力学，材料学，冶金学
w设计，制造，检测，控制
n学过哪些课程
w高等数学，线性代数，大学物理，程序设计，概率论和数理统计，理论力学， 材料力学，微机原理和应用，机械制图
w热工学，电工技术，电子技术，机械原理，工程流体力学，工程材料及成形工艺， 机械设计，自动控制理论
w交换性和测量技术，测试技术，机械制造工艺基础，液压和气压传动， 机械制造装备设计
w机电传动控制，机械创新设计，机械振动
n将要学哪些课程
w工程数值计算，现代设计方法，CAD/CAM，微机电系统，质量管理和控制

n相关课程 冶金设备设计和制造，轧钢过程控制，炼铁机械，炼钢机械，轧钢机械， 轧制理论和工艺，……

n讲课方法：讲授 + 提问 + 讨论

n学习方法：听课 + 笔记 + 看书 + 习题

n考评方法：课堂 + 作业 + 考试

n公共邮箱： PW: ustbyhb

n课程安排

w上课时间：9月05号～11月03号（ 学历 第 1 周 ~ 第 8 周)

n每七天一、 机械楼820 III （13:30~14:15，14:20~15:05）
n每七天四、 机械楼820 IV （15:20~16:05，16:10~16:55）

w考试时间： 11月 日
w选课班级： 机械E13.

n冶金，冶金生产，工艺，装备

w冶金（Metallurgy）
l从矿石中提取金属或金属化合物，并将其制成有一定性能金属材料过程和方法
p火法冶金，湿法冶金，电冶金（电热冶金、电化冶金）

w冶金生产（Metallurgical production）
p包含金属冶炼、金属轧制、轧材处理等

w工艺（ Craft，Technology）
l对原材料、半成品进行加工和处理，使之成为制成品方法和过程（技术、手段等）

w装备（Equipment）
l实现生产活动设备、工具、器材等， 这里指是实现钢铁生产所采取机械设备、电气设备、检测设备、仪器仪表等

钢铁是关键金属材料，本课程仅限于钢铁冶金生产

[1]《冶金生产工艺及设备》，李应强，冶金工业出版社，1998
n参考书
w炼铁部分
[2]《钢铁冶金学-炼铁部分》，王筱留，冶金工业出版社， [3]《炼铁工艺》，卢宇飞，冶金工业出版社， [4]《炼铁机械》（修订版），严允进，冶金工业出版社，1990 [5]《炼铁生产自动化技术 》，刘玠，马竹梧，冶金工业出版社， [6]《钢铁工业自动化-炼铁卷》，马竹梧，邱建平，李江，冶金工业出版社，
w炼钢部分
[7] 《钢铁冶金学-炼钢部分》，陈家祥，冶金工业出版社，1990 [8]《炼钢工艺学》，高泽平，冶金工业出版社，.8 [9]《连续铸钢》，贺道中，冶金工业出版社， [10]《连续铸钢原理和工艺》，蔡开科，冶金工业出版社，1995 [11]《炼钢设备》，潘毓淳，冶金工业出版社，1992.6 [12]《炼钢机械》（修订版），罗振才，冶金工业出版社，1989年 [13]《钢铁工业自动化-炼钢卷》，马竹梧，邹立功，孙彦广，冶金工业出版社，
w轧钢部分
[14]《中国材料工程大典》（第20卷 材料塑性成型工程），胡正寰，化学工业出版社， [15]《板带材生产原理和工艺》，王廷溥，冶金工业出版社，1995
[16]《金属塑性加工学-轧制理论和工艺》, 王廷溥、齐克敏主编，冶金工业出版社，1998- [17]《轧钢机械》（修订版），邹家祥，冶金工业出版社，1989 [18]《轧钢设备及自动控制》，曹建国，化学工业出版社，
[19]《型材生产理论和工艺》，王有铭，
[20]《零件轧制成型技术》 ，胡正寰，华林，化学工业出版社，.4 [21]《钢铁工业自动化-轧钢卷》，薛兴昌，马竹梧，沈标正，冶金工业出版社，

n学术论文
w中国
l大学学报：《工程科学学报（北科大学报）》，《中南大学学报》，《东北大学学报》
l专业期刊：《钢铁》，《轧钢》，《冶金设备》，《冶金自动化》， 《特殊钢》 ，
《钢铁研究》，《金属学报》， 《塑性工程学报》
l综合期刊：《机械工程学报》，

w国外
l《 Iron and Steel Engineer》，《 The Iron and Steel Institute》 ，
《ISIJ International》，《铁と钢》

w会议期刊

n网上资源
w中国金属学会
w中国钢铁协会网
w新浪博客“我钢铁”，
w中国轧辊网，

课程目录
1 钢铁生产概述（2课时）
1.1 钢铁材料及应用
1.2 钢铁生产工艺步骤
1.3 钢铁工业发展
2 炼铁生产（8课时）
2.1 炼铁概述（1课时）
2.2 高炉炼铁工艺（2课时）
2.2.1 高炉炼铁化学反应
2.2.2 高炉炼铁过程
2.2.3 高炉结构
2.2.4 高炉指标
2.3 高炉炼铁设备（3课时）
2.3.1 供料上料设备
2.3.2 炉顶装料设备
2.3.3 渣铁处理（炉前）设备
2.3.4 送风系统
2.3.5 煤气除尘及回收系统
2.4 高炉炼铁检测（1课时）
2.4.1 炉料状态检测
2.4.2 渣铁状态检测
2.4.3 设备状态检测和诊疗
2.5 炼铁技术发展（0.5课时）
2.6 非高炉炼铁（0.5课时）
2.6.1 直接还原法
2.6.2 熔融还原法


3 炼钢及连铸生产（9课时）
3.1 炼钢概述（1课时）
3.2 转炉炼钢工艺（1课时）
3.2.1 转炉炼钢过程
3.2.2 转炉炼钢关键指标
3.3 转炉炼钢设备（2课时）
3.3.1 供料系统
3.3.2 转炉系统
3.3.3 供氧系统
3.3.4 其它设备
3.4 电炉炼钢（1课时）
3.5 炉外精炼（0.5课时）
3.6 炼钢检测（0.5课时）
3.6.1 钢水温度测量
3.6.2 钢水定氧测量
3.6.3 钢水定碳测量
3.6.4 炉衬检测
3.7 连续铸钢（2课时）
3.7.1 连续铸钢技术发展
3.7.2 连续铸钢工艺
3.7.3 连续铸钢设备

《冶金生产工艺及设备》
4 轧钢生产（11课时）
4.1 轧钢原理（2课时）
4.1.1 轧钢过程及任务
4.1.2 轧钢原料及产品
4.1.3 轧制理论
4.2 板带轧制（6课时）
4.2.1 中厚板生产工艺
4.2.2 薄板热轧工艺
4.2.3 薄板冷轧工艺
4.2.4 板带生产设备
4.3 钢管轧制（1课时）
4.3.1 钢管生产概述
4.3.2 无缝钢管热轧工艺
4.4 棒线材轧制（0.5课时）
4.5 型材轧制（0.5课时）
4.6 轧钢生产检测（0.5课时）
4.7 零件轧制（0.5课时）

1 钢铁生产概述

成？
《冶金生产工艺及设备》

1.1 钢铁材料及应用

1.2 钢铁生产工艺步骤

1.3 钢铁工业发展

钢铁是怎样炼

这要从什么是钢铁讲起……

1.1 钢铁材料及应用
n金属（Metal） 分为黑色金属和有色金属
w黑色金属（Ferrous metal）

《冶金生产工艺及设备》

p 对铁(Fe)、铬(Cr)和锰(Mn)及它们合金统称，是冶炼钢铁关键原料
p 纯铁及锰为银白色，铬为银灰色
p 钢铁表面常覆盖黑色四氧化三铁
p 锰及铬关键应用于冶炼黑色合金钢
p 产量约占世界金属总产量95%

钢铁属于黑色金属，全部含有铁元素
本课程关键内容针对“黑色金属”

1.1 钢铁材料及应用
《冶金生产工艺及设备》

w有色金属（Non-ferrous metal）

l除铁、铬和锰及合金以外其它金属
p轻金属：比重小于4.5（如铝、镁、锂、钠、钾等）
p重金属：比重大于4.5（如铜、锌、镍、汞、锡、铅等）
p贵金属：如金、银、铂、锇、铱
p放射性金属：镭、铀、钍、钋、锝等
p稀有金属：如铌、钽、锆、镥、金、镭、铪、铀等

l有色金属生产工艺及设备和钢铁生产工艺及设备是有所不一样，本课 程钢铁生产工艺及设备。

n金属材料之最

w地壳中含量最高： 铝
w人体中含量最高： 钙

w导电性、导热性最好：银
w光照下最易产生电流：铯
w延展性最好：金

w高速飞机结构用最多：钛

w硬度最高：铬
w熔点最高：钨
w熔点最低：汞
w密度最大：锇
w密度最小：锂

《冶金生产工艺及设备》
n铁特点
w元素周期表中：第4周期，原子序数26
w蕴藏丰富,地壳中含量4.75%，排在氧、硅、铝以后第4位
w以铁矿石形式，存在相对集中，采掘、提炼方便
w冶炼比较轻易，轻易实现大量、高效、低成本生产
w很好物理性能，如坚硬性、延展性、铁磁性、导热导电性
w性能可调性，经过热处理、加合金改变性能

14

n钢和铁区分
w钢和铁区分关键是含碳量不一样，造成性能不一样、用途差异很大

材料
熔点 (℃)
理论含碳量
(%)
实际应用 含碳量(%)
力学性能 加工性能
用途
生铁
1150～1250
2.11～6.69
2～4.3
塑性差，硬而脆，耐磨性好 铸造性好，难焊接，压力加工难
铸件，如灰口铁， 炼钢原料
钢
1450～1500
0.02～2.11
0.02～1.7
塑性好，韧性好，强度高 铸造性适中，易焊接，压力加工易
很广泛
熟铁
> 1500
< 0.02
-
塑性很好，强度低，硬度低，
用途极少
w含碳量越高、强度和硬度越高，但塑性、韧性会越低降低，脆性越高

w钢和铁中还含有其它元素，会影响性能
l硅Si 锰 Mn 磷P 硫S

w铁合金（Alloy）
l两种或多个化学组分（金属、非金属）组成固溶体或化合物形式材料或物质
l钢和生铁全部是铁合金（铁碳合金）
l还能够加入其它元素，以改变钢铁性能

n铸铁分类

按碳存在形式划分

w白口铸铁，碳关键以渗碳体形式存在，硬、脆，极少直接用

w麻口铸铁，碳一部分以渗碳体形式存在另一部分以石墨形式存在，硬、脆，极少直接用

w灰口铸铁，碳关键以石墨形式存在，因石墨形状不一样，性能和用途也不一样：
l灰铸铁，铸造性、减震性、减摩性、切削性比钢好，但力学性能较差
l可锻铸铁，力学性能稍好于灰铸铁
l球墨铸铁，其中石墨为球状，力学性能和调质钢相当
l蠕墨铸铁，石墨为蠕虫状，力学性能稍低于球墨铸铁

n钢分类
w按化学成份
l碳素钢：仅含为脱氧而加入硅（通常≤0.40%）和锰（通常≤0.80%）等合金元素
p低碳钢：C ≤0.25%
p中碳钢：0.25%≤ C ≤0.60%
p高碳钢：C > 0.60%

l合金钢：含铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆等合金、稀土元素， 非金属元素如硼、氮等
p一般低合金钢：合金总含量小于3%
p低合金钢：合金总含量3%～5%
p中合金钢：合金总含量 5%～10%
p高合金钢：合金总含量大于10%
p合金钢举例：锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢，……

w 按脱氧程度
l沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）
l镇静钢（脱氧充足）
l半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）

w按用途
l结构钢
p碳素结构钢
用于制造工程结构件和机械零件，价格低，工艺性能良好，产量大，用途广
►一般：硫、磷等杂质含量略高，S ≤0.055%， P ≤0.045%
►优质：硫、磷等杂质含量较低， S ≤0.040%，P ≤0.040%

p合金结构钢
在优质碳素结构钢基础上，加入合金元素，以提升钢强度、韧性和淬透性
►渗碳钢
►调质钢
►氮化钢

l工具钢
含碳量较高，含有较高硬度
p碳素工具钢：0.65%≤ C ≤1.30%，为提综合性能，有加入0.35%～0.60%锰
p合金工具钢：含碳可高达2.30%，含铬可达13%、钨9%，还可含钼、钒等，用于模具
p高速工具钢：含1%左右碳，含钨可高达19%，还可含铬、钒、钼等，赤热硬性好

w按用途（续）
l特殊性能钢
含有特殊化学性能或力学性能
p轴承钢：含碳1%左右，含铬不超出1.65%，有高而均匀硬度和耐磨性
p不锈钢：耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀，但不一定耐腐蚀
p耐腐蚀钢：耐酸、碱和盐等强介质腐蚀。通常全部含有很好不锈性

l弹簧钢
含硅、锰、铬合金元素，有高弹性极限、疲惫强度、冲击韧性、塑性，用于制造弹簧

l高温合金
在应力及高温作用时，有长时间抗蠕变能力、高持久强度、高抗蚀性， 用于制造燃汽轮机、喷气式发动机等高温下工作零部件
p铁基合金
p镍基合金
p钴基合金
p铬基合金
p钼基合金
p其它合金

n钢铁材料特点
w用途广泛

w易于回收和再利用
l废钢铁重新冶炼在钢铁产量比重不停增大
p中国10%，日本30%，美国60%

w不可替换
l铝合金：蕴藏量最丰富金属元素，但矿源分散，冶炼困难，成本高，
即使延展性很好，但强度比钢铁差

l塑料：以石油为原料，发展受到了很大制约 没有哪一个材料能够完全替换钢铁

n钢铁材料应用

n日常生活中铸铁

n管线用钢
w西气东输二线管道线路
l7月4日开工建设，全长4000公里，12月30日全线供气

l品种：X50（1950年）， X80（1980年）， X120（）
pX80：最小屈服强度=80000psi (=552Mpa)
►Psi: Pounds per square inch
►pa : N/m2

n集装箱板

n铁路用钢

n汽车用钢

n输变电用钢
w输电铁塔
l角钢，卷板

w变压器
l电磁钢板（硅钢、矽钢片）
《冶金生产工艺及设备》

27

n建筑用钢

28

1.2 钢铁生产工艺步骤

《冶金生产工艺及设备》

｝
铁矿石 → 烧结 → 球团矿
焦煤 → 焦化 → 焦炭 高炉（非高炉）炼铁 → 铁水 → 转炉/电炉炼钢 → 钢水 → 连铸 → 铸坯 → 轧钢 →钢材
熔剂（石灰石）

n钢铁生产工艺步骤

n钢铁生产

w炼铁（Iron making）
w将含铁氧化物（铁矿石）及含铁原料经过高温冶炼提炼生铁过程

w炼钢（Steel making）
l将生铁或废钢经过高温冶炼生产钢水过程，通常还包含将钢水 浇铸成钢坯过程

w轧钢（Steel rolling）
l钢锭、钢坯等原料在旋转轧辊间发生塑性变形，以改变形状和 性能

31

l日本异军突起，1973年欧美日等关键产钢国钢产量均达成历史顶峰

w1973年石油危机引发“大萧条”
l美国1973年钢产量1.37亿吨， 1982年降到0.66亿吨，英法德日钢铁企业陷入困境
l70~90年代，国外(尤其是美国)钢铁企业倒闭、破产重组，钢铁产业被视为“夕阳产业”

w
l粗钢产量：全球15.478亿吨，中国大陆，7.17亿吨，占全球46.3%，排名第1
l排名前10国家：中国、日、美、印、俄、韩、德、土耳其、巴西、乌克兰
w
l粗钢产量：中国大陆7.82亿吨，超出全球50%
l钢材产量：中国大陆10亿吨

w
l粗钢产量：中国大陆估计突破 8亿吨

n钢铁技术发展

n中国古代钢铁方法
w生铁、熟铁冶炼（天工开物）

n中国现代钢铁工业发展
w中国已是钢铁大国
l1996年中国粗钢产量首次突破1亿吨，到才达成1.29亿吨
l开始，年均增加近5000万吨，增速达成16%，
l达成7.17亿吨，世界第一

w中国还不是钢铁强国（资料）
l超出10亿吨产能严重过剩，需求正逐步缩减
l产业集中度十分分散，在国际上没有话语权
p排名前10名企业（中国6家，日本2家，韩国1家）
安赛乐米塔尔（卢森堡 ），新日铁住金（日本）， 河北钢铁，宝钢，浦项（韩国），武钢，沙钢， 首钢，JFE（日本），鞍钢
l缺乏创新力，产品竞争力较低，没有“拳头”产品
p成本较高、质量较差、品种较少
l大量企业原材料受制于人
p中国铁矿藏资源分布广，但贫矿区多，富矿区少

w中国钢铁工业发展方向
l去产能化 ，企业吞并重组，开发关键技术， 发展高附加值产品

第1章 思索题

《冶金生产工艺及设备》

1. 钢铁经典生产步骤是怎样，其生产过程中发生了哪些物理和化学改变？

2. 钢、铁化学成份、物理性能、实际用途等有哪些不一样？

3. 表示钢铁材料性能指标参数有哪些，其含义及影响原因有哪些？

4. 结合钢铁产品（制品）及其用途，说明钢铁材料类型有哪些（分类）？

5. 和其它材料（金属、非金属）相比，钢铁材料有哪些优缺点？

6. 钢铁生产包含哪方面科学技术？

7. 结合数据和实例，叙述中国钢铁工业发展情况？

8. 扩展：铝、铜是怎样从矿物中提炼出来，即它们生产工艺是怎样？