第一章-金属材料的制备.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节 冶金工艺,第二节 钢铁冶炼,第三节 有色金属冶炼,第一章 金属材料的制备冶金,1,因此，要获得各种金属及其合金材料必须首先通过各种方法将金属元素从矿物中,提取,出来，接着对粗炼金属产品进行,精练提纯,和,合金化处理,，然后,浇注成锭,，,加工成形,，才能得到所需成分、组织和规格的金属材料。,第一节 冶金工艺,绝大多数金属元素（除,Au,、,Ag,、,Pt,外）都以,氧化物、碳化物等化合物的形式存在,地壳之中。,金属的冶金工艺可以分为,火法冶金、湿法冶金、电冶金,等。,冶金是基于矿产资源的开发利用和金属材料生产加工过程的工程技术。,2,一、火法冶金,定义,：,火法冶金是指利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法。（干法冶金）,工艺过程,：,矿石准备,冶炼,精炼,选矿、干燥、焙烧、球化或烧结,氧化还原提取金属,除去杂质提纯金属,第一节 冶金工艺概述,3,火法冶金,矿石准备,：,选矿,：去除矿石中大量无用的脉石或有害矿物，以获得含有较多金属元素的精矿。,干燥,：去除矿石中的水分，干燥温度一般在,400,600,。,焙烧,：在一定的气氛下，将矿石加热到一定温度（低于熔点），使之发生物理化学变化以适应下一步冶金过程的要求。,烧结和球团,：选矿得到的细精矿不宜直接使用，需先加入溶剂再高温烧结成块，或添加粘结剂压制成型或滚成小球再烧结成球团。,第一节 冶金工艺概述,4,火法冶金,冶炼,：将处理好的矿石，在高温下通过氧化还原生成粗金属和炉渣的过程。,还原冶炼,：,使金属氧化物在高温熔炼炉还原性气氛下被还原成熔体金属的冶炼方法。,加入的炉料：富矿、烧结矿、球团矿；造渣用的石灰石、石英石的溶剂；还加入焦炭、煤，既作为发热剂，产生高温，也作还原剂，使金属化还原。,第一节 冶金工艺概述,5,火法冶金,造锍冶炼,：属氧化冶炼。主要用于处理硫化铜矿或硫化镍矿。生产上利用铜、镍、钴对硫的亲和力大于铁，而对氧的亲和力远小于铁的性质在熔炼过程中，使铁的硫化物不断氧化成氧化物随后与脉石造渣而除去。,氧化吹炼,在氧化性气氛下进行冶炼，吹入氧气使生铁液中的硅、锰、碳、磷、硫等杂质被氧化炼成合格的钢水。,第一节 冶金工艺概述,6,火法冶金,精炼,：对冶炼的金属进行去除杂质提高纯度的过程。,物理精炼法,熔析精炼,：利用某些杂质金属或其化合物在主金属中的,溶解度随温度的降低而显著减少的性质,，改变温度，使原来成分均匀的粗金属分相，形成多相体系，而将杂质分离到一种固体或液体中，与主金属分开，达到提纯金属的目的。多用于提纯熔点较低的金属（,Sn,、,Pb,、,Zn,、,Sb,等），以去除熔点较高并与主金属形成二元共晶的杂质。,第一节 冶金工艺概述,7,火法冶金,物理精炼法,精馏精炼,：利用物质沸点不同，交替进行多次蒸发和冷凝去除杂质。适用于相互溶解或部分溶解的金属熔体。,区域精炼,：又称为区域熔炼或区域提纯，指根据金属液体混合物在冷凝结晶过程中偏析（即杂质在固液相中分配比例不同，将杂质富集到液相或固相中从而与主金属分离）的原理，通过多次熔融和凝固，达到精炼的目的。,第一节 冶金工艺概述,8,火法冶金,化学精炼法,氧化精炼,：利用氧化剂将粗金属中的杂质氧化造渣或氧化挥发除去的精炼方法。,硫化精炼,：用加入硫或硫化物的方法，除去粗金属中杂质的精炼方法。,氯化精炼,：通入氯气或氯化物使杂质形成氯化物而与主金属和分离的精炼方法。,碱法精炼：,向粗金属加入碱，使杂质氧化并与碱结合成渣而被除去的精炼方法。,第一节 冶金工艺概述,9,二、湿法冶金,定义,：,湿法冶金是在常温或低于,100,以下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其他杂质不溶解，然后再从溶液中将金属分离和提取出来的过程。大部分溶剂为水溶液，也称为水法冶金。,工艺过程,：,浸 出,（固 液）,分 离,（金属或,化合物）,提取,（溶 液,净 化）,富集,第一节 冶金工艺概述,10,湿法冶金,浸出：,也称为浸取，是对矿石进行选择性溶解的过程。即借助于浸出剂从矿石、精矿等固体物料中提取所需金属可溶性成分，从而与其他不溶物质分离的过程。,浸取剂不同,：酸浸出、碱浸出、盐浸出,化学过程不同：,氧化浸出、还原浸出。,浸出过程压力的不同,：常压浸出、加压浸出。,浸出方式：,就地浸出、渗滤浸出、搅拌浸出、热球磨浸出、流态化浸出,第一节 冶金工艺概述,11,湿法冶金,固,-,液分离：,是将浸出液与残渣分离成液相和固相，同时将夹带于残渣中的冶金溶剂和金属离子洗涤回收的过程。,沉降分离法,：借助于重力的作用使固相沉积将液相与固相分离的方法,过滤分离法：,在压力的作用下，利用多孔介质拦截浸出液相中的固体离子，使液相与固相分离的方法。,第一节 冶金工艺概述,12,湿法冶金,第一节 冶金工艺概述,富集：,对分离的溶液进行净化。一般浸出溶液中除欲提取的金属外，还有其他金属和非金属杂质，必须将他们分离出来才能最终提取所需的金属。,方法：结晶、蒸馏、沉淀置换、溶液萃取、离子交换、膜分离等,提取：,通过电解、化学、置换、还原等方法从净化的溶液中获得金属或化合物方法,13,三、电冶金,定义,：,利用电能从矿石或其它原料中提取、回收、精,炼金属的冶金过程。,工艺分类,：,电热冶金,：,直接用电加热生产金属的一种冶金方法。包括,电弧熔炼,、,电阻熔炼,、,等离子熔炼、感应熔炼、电子束熔炼,等。,第一节 冶金工艺概述,电化学冶金：,利用电化学反应，使金属从含金属盐类的水溶液或熔体中析出的冶炼方法。包括,溶液电解,和,熔盐电解,14,熔盐电解：,直接利用高导电率、低熔点的熔盐作为电解质在熔池中进行电解。适用于电极电位较负的金属，如,AlMg,、,Ti,、,Be,、,Li,、,Ta,、,Nb,等,溶液电解：,以金属浸出液作为电解液进行电解还原，使溶液中的金属离子还原为金属析出（,电解提取、不溶阳极电解,），使粗金属阳极经由溶液精炼沉积于阴极（,电解精炼、可溶阳极电解,）的冶金过程。适用于电极电位较正的金属，如,Cu,、,Ni,、,Co,，,Au,、,Ag,等,15,Fe,在地壳中的含量为,5,左右，在金属中仅次于铝,，除陨石外，纯铁在地壳中还未见到，铁容易与其它元素化合，特别是与氧化合，因此,铁矿石多以氧化物形式存在,。,铁矿石中除铁的氧化物外，还有其它元素的氧化物,(SiO,2,、,Al,2,O,3,、,MnO,2,等),，这些,统称为脉石,。,炼铁的目的,就是使铁从铁的氧化物中还原，并使还原出的铁与脉石分离。,第二节 钢铁冶炼,16,生产基本过程：,（高炉的还原过程）（氧化过程）,铁矿石 炼铁 炼钢 铸锭（连铸）轧制 钢材 铸造生铁 铸造,第二节 钢铁冶炼,17,1,、炼铁的原料,：,铁矿石、熔剂和及燃料。,一、生铁冶炼,（,1,）铁矿石,含铁矿物和脉石组成。,赤铁矿,(Fe,2,O,3,),：,70%Fe,红色,磁铁矿,(Fe,3,O,4,),：,72.4%Fe,黑色,褐铁矿,(2Fe,2,O,3,3H,2,O),：,59.8%Fe,黄褐色,菱铁矿（,FeCO,3,）：,42.8%Fe,淡黄色,脉石：SiO,2,、,Al,2,O,3,、,CaO,、,MgO,等,第二节 钢铁冶炼,一、生铁冶炼,18,褐铁矿,菱铁矿,赤铁矿,磁铁矿,19,对铁矿石的要求：,含铁量愈高愈好；,3070%,，贫矿：,Fe%,45%,富矿：,Fe%,45%,还原性好,；,粒度适中,；通常为,1025mm,脉石成分中碱性氧化物含量高,；,杂质含量少；,S%,0.15%,，,P%,0.4%,，,As%,0.1%,有一定强度,冶炼前铁矿石的处理：,主要通过选矿来提高矿石的品位,:,A:,贫铁矿,破碎 筛分 细磨,选矿,精矿粉 混匀,烧结、造块,（烧结矿或球团矿）筛分储藏 过筛 称量,入炉,。,B:,天然富矿,破碎 筛分 混匀储藏 过筛 称量,入炉,一、生铁冶炼,1,、炼铁的原料,20,（,2,）熔剂,作用：,降低脉石熔点，生成熔渣；,去硫,种类：,通常用碱性熔剂石灰石,要求：,碱性氧化物高（,CaO+MgO,）,50%,，酸性氧化物低,(SiO,2,+Al,2,O,3,）,3.5%,P,、,S,低，强度高，粒度均匀，粒度最好与矿石粒度一致,一、生铁冶炼,1,、炼铁的原料,21,（,3,）燃料,作用：,发热剂，提供热量；,还原剂；,料柱骨架；,渗碳剂,要求：,含碳量高；,有害杂质硫、磷及水分、灰分、挥发分的含量低；,在常温及高温下要有足够的机械强度；,气孔率要大，粒度要均匀,常用的燃料：,焦炭,喷吹用燃料：,1030%,，有的达,4050%,，包括气体燃料（天然气、焦炉煤气等）、液体燃料（重油、柴油、焦油）、固体燃料（无烟煤粉）,一、生铁冶炼,1,、炼铁的原料,22,2,、高炉设备及工艺过程,一、生铁冶炼,23,一、生铁冶炼,2,、高炉设备及工艺过程,24,炼 铁 高 炉 的 结 构,25,炼 铁 工 业 设 备 图,26,炼 铁 工 业 设 备 图,27,一、生铁冶炼,2,、高炉设备及工艺过程,28,（,1,）燃料的燃烧,C+O,2,CO,2,CO,2,+C,2CO,3,、炼铁的物理化学过程,（,2,）炉料的蒸发、挥发、及分解,水分的蒸发和结晶水的分解,105,以上，吸附水（游离水）可蒸发，对高炉无害。,200,开始，褐铁矿（,2Fe,2,O,3,.3H,2,O,）分解，,400,500,分解速度最大。,约,400,高岭土（,Al,2,O,3,.2SiO,2,.2H,2,O,）开始分解，在,500,600,才迅速进行。,燃料挥发分的挥发,焦碳中含挥发分,0.7,1.3%,，在风口被加热到,1400,1600,，这些挥发分进入煤气。由于量少，对煤气成分和冶炼过程影响很小。,碳酸盐的分解,主要指,CaCO,3,、,MgCO,3,、,FeCO,3,、,MnCO,3,的分解反应，前两者为主，其反应式为：,CaCO,3,=CaO+CO,2,-42520Kcal,MgCO,3,=MgO+CO,226470Kcal,一、生铁冶炼,3,、炼铁的物理化学过程,29,CO,作还原剂（间接还原）,T,570,：,3 Fe,2,O,3,CO,2Fe,3,O,4,CO,2,2 Fe,3,O,4,2CO,6FeO,2 CO,2,6FeO,6CO,6Fe,6CO,2,T,570,：,3 Fe,2,O,3,CO,2Fe,3,O,4,CO,2,2 Fe,3,O,4,2CO,3Fe,4CO,2,基本为放热反应，主要在高炉上部,800,以下的低温区进行。,（,3,）铁的还原,当,T,570,时：,Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,Fe,当,T,570,时：,Fe,2,O,3,Fe,3,O,4,FeO,Fe,一、生铁冶炼,3,、炼铁的物理化学过程,30,固体碳作还原剂（直接还原,）,高炉内固体碳的还原作用化学反应：,FeO+CO=Fe+CO,2,+3250 KJ,CO,2,+C=2CO 39600KJ,综合以上反应结果相当于碳对氧化物的直接还原：,FeO+C=Fe+CO 36350KJ,吸热反应，反应主要在高炉下部,1000,以上进行,一、生铁冶炼,3,、炼铁的物理化学过程,31,氢作为还原剂（间接还原,）,当,T570,：,3Fe,2,O,3,+H,2,=2Fe,3,O,4,+H,2,O,Fe,3,O,4,+H,2,=3FeO+H,2,O,FeO+H,2,=Fe+H,2,O,当,T2.11 0.5 0.52.0 0.10.4 0.07,钢,2.11 0.4 0.30.8 0.05 0.05,生铁按用途分为三种：,炼钢生铁,：占生铁总量的,80%90%,w(si)=0.6%1.6%,w(s)0.07%,。,铸造生铁,，又称翻砂生铁，用于铸造生产。主要特点是含,si,较高，,w(si)=2.753.25%,，占产量的,10%20%,。,特殊生铁,：如铬铁、硅铁、锰铁,w(Mn)=1025%,等，为高炉冶炼的铁合金。用于炼钢的脱氧剂和合金元素的添加剂。,一、生铁冶炼,4,、炼铁的主要产品,39,（,2,）炉渣,按冶炼矿石的品位不同，冶炼,1t,生铁产生渣量,0.30.6t,之间。可用来制造水泥、造砖、矿渣棉等。,（,3,）高炉煤气,冶炼,1t,生铁可产生,2000,3000m,3,的高炉煤气，其中含有质量分数约,25%,的,CO,，,1%,4%,的,H,2,，少量甲烷等可燃烧气体，其发热值为,3000,4000KJ/m,3,。一座日产,2000t,生铁的高炉，每日产生的高炉煤气相当于,500t,标准煤或相当于,500t,原煤，,可作为工业上的燃料,。,使用前应除尘。,一般高炉煤气总量的,1/3,左右用于自身热风炉的加热，其余可供动力、炼焦、炼钢、烧结、轧钢等部门使用。,（,4,）炉尘,炉气上升时从炉内带出的细颗粒固体炉料。冶炼,1t,生铁产生炉尘,50100Kg,。可做烧结配料。,40,5,、高炉技术经济指标,(1),有效容积利用系数,（,高炉利用系数,）,n,n=P/Vu,P,生铁日产量（,t/d,）,Vu,高炉有效容积（,m,3,）,每立方米高炉有效容积一昼夜（,d,）生产生铁的质量（,t,）,单位为：,t/m,3,d,n,越大，生铁产量越高，高炉生产率也越高。,目前世界主要产铁国年平均高炉有效利用系数在,2.0,2.5t/m,3,d,之间，先进的达,2.8,3.2 t/m,3,d,。,一、生铁冶炼,41,(2),铁焦比,K,K=Q/P,Q,每日消耗焦炭量（,t/d,）,铁焦比就是生产,1t,生铁所消耗的焦炭重量,（,Kg,）。,在工厂习惯常用,kg/t,表示，显然铁焦比越低越好。,在喷吹燃料条件下，不能只用铁焦比来表达，须用,燃料比,（,K,燃），即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。,K,燃,=,（焦炭,+,煤粉,+,重油,+,）,kg/t,。,国外铁焦比日本最低，近年一般在,400kg/t,左右，燃料比一般在,450kg/t,左右。我国重型企业年平均铁焦比为,500kg/t,，居世界中等水平。,一、生铁冶炼,4,、高炉技术经济指标,42,(3),冶炼强度,I,I=Q/Vu,1,立方米高炉有效容积每天消耗焦炭的重量,（,t,）。,目前国内外一般约为,1.0 t/m,3,d,左右。,利用系数、铁焦比和冶炼强度三者之间的关系：,n=I/K,可见，利用系数,n,与冶炼强度成正比，与铁焦比成反比，要提高,n,，强化高炉生产，应从降低,K,和升高,I,两方面考虑，在目前能源紧缺的情况下，首先应考虑降低,K,。,(,4),生铁合格率,根据国家标准，,在,一定期间（日、月、旬等）内，合格生铁,占生铁,总产量的,百分数为,生铁合格率,。,优质率，即优质生铁占生铁总产量的百分数。,对生铁质量的考查主要看其化学成分（如,S,和,Si,）是否符合国家标准，,一般合格率应在,99%,以上。,一、生铁冶炼,5,、高炉技术经济指标,43,(5),生铁成本,生产,1 t,生铁所需的费用,，它是衡量高炉生产经济效益的重要指标，成本越低，经济效益越高，说明高炉的生产效果越好。,(6),高炉一代寿命（炉龄,）,从高炉点火到停火大修之间的时间，或高炉相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命,，寿命越长，则一代炉龄产量越高，各项消耗相对减少，经济效益越好。,一般大高炉一代寿命,10,年左右，有的达到,18,年。,一、生铁冶炼,5,、高炉技术经济指标,44,6,、非高炉炼铁法,高炉炼铁的,缺点,：投资大、流程长，能耗高，污染大。改进：不用焦碳，不用高炉，用烟煤或天然气作还原剂，采用直接还原或熔融还原生产铁，以供电炉炼钢，经二次精炼，连铸连轧，形成最佳短流程。,直接还原,：用煤或天然气等还原剂直接将固态铁矿石还 原成固态海绵铁。可用煤基回转窑、气基竖炉等设备直接还原。,煤基回转窑,中：,Fe,2,O,3,+3CO2Fe+3CO,2,气基竖炉,中：,CH,4,+H,2,OCO+3H,2,（天然气裂化反应）,Fe,2,O,3,+3H,2,2Fe+3H,2,O Fe,2,O,3,+3CO2Fe+3CO,2,一、生铁冶炼,45,6,、非高炉炼铁法,一、生铁冶炼,46,6,、非高炉炼铁法,一、生铁冶炼,47,6,、非高炉炼铁法,(2),熔融还原：用铁矿石和普通烟煤作原料，在汽化炉的流化床中，将直接还原得到的海绵铁进一步加热熔化，在熔融汽化炉的炉底形成铁水与炉渣的熔池。,一、生铁冶炼,48,二、钢的冶炼,炼钢的目的,：,除去生铁中多余的碳和大量杂质元素，使其化学成分达到钢的要求。,存在两种不同的钢铁生产工艺流程：,矿石生铁钢，即以高炉转炉为主的流程；,矿石海绵铁钢，即以直接还原为主的流程。,传统的第一种，工艺成熟，可大规模生产，是现代钢铁生产的主要形式。直接还原流程，规模小，目前，正在发展，是钢铁生产的重要补充。,第二节 钢铁冶炼,二、钢的冶炼,49,1,、炼钢用原料,两类,：,金属料,和,非金属料,。金属料主要指铁液（生铁）、废钢和铁合金；非金属料主要指造渣材料、氧化剂、冷却剂、还原剂和增碳剂等,。,（,1,）铁液,转炉炼钢的基本原料（占转炉金属装入量的,70,100%,）,。,对铁水总的技术要求,:“,硅、锰合适，磷、硫低，成分稳定，温度高”。,Si,：,0.5,0.8%,为宜,。易与氧结合，生成,SiO,2,，同时放出大量的热，容易成渣。铁水含,Si,量高，则转炉可多加废钢，多加矿石，提高钢水收得率。但铁水含,Si,量过高，会导致石灰耗量增大而增大渣量，易产生喷溅，而且对炉衬寿命不利。,Mn,：,0.2,0.4%,为宜。,对化渣、脱,S,以及提高炉龄有益。为节约锰资源，现生产上对,Mn,不作特殊要求，只希望铁水含,Mn,量相对稳定，以便吹炼终点的含,Mn,量相对稳定，便于合金化。,P,：炼铁过程中矿石中,P,部分还原入生铁，其含量无法控制（只能通过配料调节），炼钢,希望含,P,量低些,。,S,：有害杂质。通常,要求铁水含,S,量,0.07%,以减轻炼钢脱,S,的负担,。,T,：希望尽可能减少波动，避免过低，,一般要求（,12001300,）,第二节 钢铁冶炼,50,1,、炼钢用原料,（,2,）废钢,电炉炼钢的基本原料。废钢用量约占钢铁料质量的,70%90%,，,氧气转炉用铁水炼钢时，由于热量富裕，可多加入多达,30%,的废钢作为调整吹炼温度的,冷却剂,，,采用废钢冷却可减低钢铁料、造渣材料和氧气的消耗，而且比用铁矿石冷却效果好喷溅少,。废钢来源复杂，因此废钢的管理和加工非常重要。废钢入炉前应仔细检查，严禁混入封门器皿，爆炸物和有害物质，注意防止混入铅，锌，锡，铜等有色金属，此外，应尽量减少带入的泥沙，耐火材料和炉渣等,（,3,）铁合金,炼钢生产中广泛使用的铁合金和,脱氧剂,有：,锰铁、硅铁、铝铁,。,其他脱氧剂有：硅钙合金，硅锰铝合金，以及铝、锰、镍、钴等金属。,第二节 钢铁冶炼,51,1,、炼钢用原料,（,4,）造渣材料,石灰：,碱性炼钢方法,基本的造渣材料,，由石灰石煅烧而成，来源广泛，价廉，有相当的脱硫，脱磷能力，不危害炉衬，,对石灰要求：,CaO,含量高，,SiO,和,S,的含量尽量低,。石灰容易受潮粉化，变为硝石灰（,Ca(OH),2,）,应尽量用新烧的石灰，采用密封的容器储藏和运输，,块度要求在,540mm,范围,，块度太大熔化困难，块度太小则容易从空气中吸收水分，带入炉内，使钢被其中的氢腐蚀，所以应保持石灰干燥、新鲜，在料仓储存时间不得超过,3,天。,氟石（萤石）：,普通应用的熔剂，主要的成分是,CaF,2,，熔点低，（约,930,），还能使,CaO,和阻碍石灰溶解的硅酸钙熔点降低，而且作用迅速，因而能,加速石灰的溶解，迅速改善炉渣的流动性,。,成分要求：,CaF,2,85%,SiO,2,5%,S,0.2%,块度,540mm,，且干燥，洁净。萤石的优点是作用快，不降低炉渣碱度，但用量过多会引起喷溅，并减低炉衬寿命，通常为石灰石用量的,015%,。,白云石：,碳酸盐矿物，,属镁质造渣剂的一种，,CaMg(CO,3,),2,。,理论成分:,CaO 30.4%,、,MgO 21.9%,、,CO,2,47.7%,。常含有硅、铝、铁、钛等杂质。熔点比石灰低，加入白云石代替部分石灰，,增加渣中,MgO,含量，降少炉衬中,MgO,向炉渣中转移，减轻炉渣对炉衬侵蚀，延长炉衬寿命，而且还能促进前期造渣。,第二节 钢铁冶炼,52,1,、炼钢用原料,（,5,）氧化剂,氧气,：,一般要求氧气的纯度,98%,，冶炼含氮低的钢种时，氧气的纯度,99.5%,。,炼钢用的氧气一般由厂内的制氧车间供应，用管道输送。,铁矿石、氧化铁皮,：为改善脱磷条件，还需使用一定量的铁矿石，作为氧化剂使用的铁矿石，要求铁含量高，,SiO,2,、,P,和水分尽量少，使用前应加热。有时也利用轧钢和锻造车间的氧化铁皮代替部分铁矿石，但氧化皮潮湿，油污较多，使用前应烘烤。,（,6,）冷却剂,除,废钢,外，转炉炼钢,常用的冷却剂,有：,富铁矿、球团矿、烧结矿、氧化铁皮、石灰石,等。,用富铁矿等炼铁原料或氧化铁皮作为冷却剂，主要利用它们氧化金属中的杂质时要吸收大量的热。,（,7,）增碳剂,电弧炉炼钢使用的增碳剂有,石墨、碳粉,等。它们粒度应小于,0.5mm,，使用前应烘烤。,第二节 钢铁冶炼,53,2,、炼钢的基本过程,：,（,1,）元素的氧化顺序（冶金还原原理）,氧化顺序与各元素与氧的亲合力有关,，与氧亲和力强的元素可以夺得更多得氧，首先大量氧化；反之，被氧化得慢。元素与氧亲和力得强弱，常用该元素的氧化物分解压力表示（Po,2,），,Po,2,越低，说明氧化物越稳定，即生成该氧化物的元素越容易氧化。,A,、,T1400,元素的氧化顺序：,Si,、,Mn,、,C,、,P,、,Fe,B,、,1400T1530,氧化顺序：,C,、,Si,、,Mn,、,P,、,Fe,氧化的顺序还受元素在钢液中浓度的影响,；当供氧量不足时，它们被氧化的可能性与氧亲和力的影响很大；如果供氧很足，与氧化剂接触的元素都有机会被氧化，因此，那种元素含量多，则被氧化的机会就多。,在氧气顶吹转炉炼钢中，供氧很充分，所以元素含量对元素氧化顺序的影响就十分明显。因此，从吹炼过程中的金属成分可知，,吹炼一开始,Fe,Si,Mn,即大量氧化，而碳的氧化少量发生，碳的大量氧化是在,Si,Mn,基本氧化完了，熔池的温度上升之后,。另外，从分解压力来看，,P,、,C,不能同时氧化，但在氧气顶吹转炉操作中,P,往往与,C,同时氧化，并且，吹炼前期,P,就被大量氧化去除。,这是因为前期温度不太高，碳的氧化受到抑制，这时，渣中,(FeO),高，并有一定的碱度，且炉渣的流动性好，这有利于,P,的去除。,第二节 钢铁冶炼,54,2,、炼钢的基本过程,：,（,2,）脱碳反应,贯穿于炼钢全过程中的一个重要反应。,作用：,降低碳含量，使之符合钢的成分要求；,生成的,CO,气体排出时能够搅动熔池，促进化渣和传热，均匀温度和成分；,加速金属和炉渣之间的物化反应，并能带走钢中的有害气体和非金属夹杂物，如氮、氢。,C+O=CO,+Q,1,2C+O,2,=2CO,+Q,2,C+(FeO)=Fe+CO,-Q,3,条件：,提高温度。能促进碳与,(FeO),的反应，主要发生在熔炼的中期，此时，熔池温度显著升高；,加入大量的铁矿石、含氧化铁较多的氧化铁皮或吹入氧气等；,改善炉渣的流动性。,第二节 钢铁冶炼,55,2,、炼钢的基本过程,：,（,3,）硅的氧化和还原,在,炼钢过程中，初期原料中的硅将迅速氧化，放出大量的热,，其反应为：,Si,+2O=(SiO,2,),Si,+O,气,(SiO,2,),Si+2(FeO)=(SiO,2,)+2Fe,碱性炼钢法,，加入石灰造渣，其反应为：,2(CaO)+(SiO,2,)=(Ca,2,SiO,4,),此时，随渣（,CaO,）和（,FeO,）含量的增加，硅被迅速氧化至微量。,酸性炼钢法及高温条件下,，硅可从炉渣或炉衬中被还原而进入金属液体中。酸性炼钢的炉渣主要是（,FeO,）,（,MnO,）,（,SiO,2,）,如果提供的氧化剂不充分，则,(FeO),的含量低，其中（,i,2,）的含量约为,50%,处于饱和程度。则发生硅的还原反应：,(SiO,2,)+2C=Si+2CO,气,(SiO,2,)+2Mn=Si+2,（,MnO,）,降低炉渣的流动性，减少炉渣中的氧化铁的含量，提高熔池的温度，对硅的还原有利。,钢液中的含硅量取决于两个相反过程的速度差：,金属液中硅被氧化速度；,硅从炉渣或炉衬被还原进入金属液体中速度。,第二节 钢铁冶炼,56,2,、炼钢的基本过程,：,（,4,）锰的氧化和还原,和硅一样，与氧有强的亲和力，很易被氧化。,Mn,O,=(MnO)+Q,Mn+1/2,2,气（,MnO,）,+Q,Mn+(FeO)=(MnO)+Fe+Q,在酸性渣炼钢时，金属液的氧化较为完全，不会被还原,，这是因为（,MnO,）属于碱性氧化物，大部分（,MnO,）将与渣中的酸性氧化物,(SiO,2,),反应生成硅酸盐（,2MnSiO,3,）,使（,MnO,）的活度降低，,在碱性炉渣中大部分（,MnO,）大都的自然状态存在，所以，锰易被还原。,温度愈高，锰还原愈明显，,炼钢末期钢液中的残锰较高，,所以，,炼钢末期，往往用锰的还原情况来判断熔池的温度高低。,第二节 钢铁冶炼,57,2,、炼钢的基本过程,：,(5),脱磷反应,磷是有害元素，普通钢,0.045%,优质钢,0.040%,高级优质钢,0.035%,反应：,2P+5(FeO)=P,2,O,5,+5Fe+Q,P,2,O,5,+4(CaO)=(4CaOP,2,O,5,),或,P,2,O,5,+3(CaO)=(3CaOP,2,O,5,),总式：,2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaOP,2,O,5,)+5Fe,或,2P+5(FeO)+3(CaO)=(3CaOP,2,O,5,)+5Fe,实际上炼钢工艺中，影响这些热力学条件的有关工艺如下：,第二节 钢铁冶炼,a),温度,：由此反应为放热反应，减低反应温度将使,Kp,增大，所以较低的温度有利于脱硫反应的进行，但过低的反应温度，如温度低于,1400,，则使石灰不易融化，碱性渣不易形成，反而对脱硫不利。,b),炉渣碱度,：因,(CaO),是使,P,2,O,5,的活度降低的主要因素，增加渣中,(CaO),或石灰用量，会使钢中,P,降低，但过高的,(CaO),将使炉渣变粘，反而不利于脱磷。,58,2,、炼钢的基本过程,：,c,）（,FeO),的影响,：在一定的限度内，（,FeO,）含量的增加会使,P,减少。,其次，（,FeO),可直接与,P,2,O,5,结合，生成化合物,FeOP,2,O,5,：,3(FeO)+(P,2,O,5,)=(3FeOP,2,O,5,),但若,(FeO),太高，将使,(CaO),浓度降低而影响脱磷效果，因而,(FeO),与炉渣碱度对脱磷的综合影响是：,在,R,2.5,时增强,R,对脱磷的影响最大；,R,在,2.54,之间时，增加,(FeO),对脱磷有利。,d,）金属成分的影响,：含碳、硅、锰量较高时，脱磷过程将受到抑制，原因是它们与氧化铁作用，消耗渣中的氧，另外，含硅量高，其产物二氧化硅将影响炉渣碱度而不利于脱磷。,e),渣量,：增加渣量即稀释了渣中的,(P,2,O,5,)而,(4CaOP,2,O,5,),量也相应的降低了，所以增加渣量可降低,P,。,从热力学观点上，使脱磷反应顺利所采用的工艺方法是：,较低的炉温；,较高的炉渣碱度（,34,）；,形成较高氧化铁浓度,（,15%30%,）,的氧化性炉渣和造成氧化性炉内气氛，,增大渣量或多次换渣操作。,第二节 钢铁冶炼,59,2,、炼钢的基本过程,：,回磷现象,炼钢过程中某一时期（特列是炉内预脱氧到出钢期间，甚至在盛钢桶中），当脱磷的基本条件得不到满足时，被脱除的磷重新返回到钢液中的现象,。,其,原因是,：,a),在炼钢后期,，当金属液温度太高时，加入硅铁、锰铁进行脱氧时，炉渣中,(FeO),与脱氧剂作用，不仅降低了炉渣的氧化铁的活度，而且炉渣中的,SiO,2,增加，炉渣碱度降低，为回磷提供了有利条件。,b,）炉渣中,(3CaOP,2,O,5,),和,(P,2,O,5,),与脱氧剂,Mn,、,Si,、,Al,作用，使磷还原，返回钢液。,c),炉渣中,(3CaOP,2,O,5,),与含有,SiO,2,的酸性炉衬作用，使渣中的游离,(P,2,O,5,),量增加，产生回磷。,2(3CaOP,2,O,5,)+3,（,SiO,2,）,=3,（,2CaO,SiO,2,）,+2(P,2,O,5,),防止回磷的方法,：,在炼钢后期控制钢液温度不过高；减少钢液在钢包中的停留时间；提高钢包中的渣层碱度；用碱性炉衬钢包。,第二节 钢铁冶炼,60,2,、炼钢的基本过程,：,(6),脱硫反应,一般钢：,S,0.04%,，优质钢：,S,0.03%,，高级优质钢：,S,0.02%,，某些特殊的钢要求的低硫钢含硫量在,0.015%,以下。,炉渣脱硫,利用渣中足够的,CaO,，把钢液中,FeS,去除。,FeS+(CaO)(FeO)+(CaS)-Q,生成的,CaS,渣不熔于钢液，且比其轻，溶于炉渣中。,(FeS)+(CaO)(FeO)+(CaS)-Q,脱硫的条件,:,高的炉温；高的炉渣碱度,;,还原渣,生产中：,可通过加石灰或石灰石；扒掉含硫高的初期渣，造无硫的新渣；加入,CaF,、,MnO,等降低炉渣粘度的造渣材料，以提高炉渣的流动性；搅拌钢液，以增大钢液与炉渣的接触面积。,气化脱硫,S+2O SO,2,气,S+O,2,SO2,气,S+2(FeO)SO2,气,+2Fe,一般，气化脱硫效果低于炉渣脱硫，但转炉炼钢中，气化脱硫高于炉渣脱硫,第二节 钢铁冶炼,61,2,、炼钢的基本过程,：,(7),脱氧反应,利用脱氧剂除去钢液中残留的氧化亚铁中氧，并还原出铁来。生成物可聚集上浮到钢液表面，常用的脱氧剂有锰铁、硅铁、铝等：,Me+FeOMeO+Fe,具体方法有两种：,沉淀脱氧,：脱氧剂直接加入钢液中，并与,FeO,反应脱氧。,速度快，效率高；但脱氧产物,MnO,、,SiO,2,、,Al,2,O,3,可留在钢液中。,扩散脱氧,：利用加在炉渣中的脱氧剂与,FeO,反应，减少渣中,FeO,含量，破坏了,FeO,在炉渣及钢液中的浓度平衡，使钢中,FeO,向渣中扩散，间接脱氧，,该法速度慢，时间长，设备生产率低；但脱氧产物在熔渣中，不会污染钢液，钢液较为纯净。,最佳方法是：两者结合，用锰铁沉淀脱氧，再用碳粉和硅铁扩散脱氧，最后用铝沉淀脱氧。,第二节 钢铁冶炼,按脱氧程度，钢分为：,镇静钢,（脱氧充分），,沸腾钢,（脱氧程度低），,半镇静钢,（介于两者之间）,62,基本反应,a,碳脱氧：,FeO+CFe+CO,主要在渣中进行，不产生非金属氧化物，利于优质钢产生，缺点是：,1600,时与,0.3,c,相平衡的氧含量,0.007,，在钢锭冷却过程，可再次发生碳氧反应。产生钢锭中气孔、疏松等缺陷。在碳脱氧的缓慢过程中，容易引起增碳，,对于碳规定范围很窄或含碳量很低的钢种就有困难,。,b,锰脱氧：弱脱氧剂,：,Mn+2FeOMnO+Fe,生成物,MnO,不溶于钢液，还与,SiO,2,、,Al,2,O,3,结合生成低熔点液态炉渣，有利于上浮去除。,Mn,还能降低钢中,S,的有害作用。,c,硅脱氧：强脱氧剂,，产物为,SiO,2,，并放热，低温利于脱氧。,Si+FeO=SiO,2,+2Fe,碱性法中硅的脱氧能力高于酸性法，脱氧产物,SiO,2,可与碱性氧化物化合，生成复合氧化物，减少自由,SiO,2,含量。若先用锰进行预脱氧，生成的,MnO,2,也能与,SiO,2,结合，减少自由,SiO,2,含量，使反应不断进行，增强了,Si,的脱氧能力。,d,铝脱氧：强氧化剂,。,2Al+FeOAl,2,O,3,+3Fe,生成的,Al,2,O,3,熔点高、颗粒细，弥散在钢液难以上浮去除。故用此法前需充分脱氧，在很低的含氧量中选用此法。,第二节 钢铁冶炼,63,3,、炼钢的常见工艺,：,1.,转炉炼钢法（,LD,法）,(1),设备和冶炼工艺,氧气吹炼转炉由,炉体及倾动设备,，,吹氧设备,，,废气处理设备,及,供料设备,四部分组成。,炉体以其中心成为对称梨型,，外壳为钢板焊接而成，内衬由镁砖，焦油白云石砖或焦油镁砖砌成，目前国内广泛使用的,5-10t,容量的中小型炉，最大的容量为,300t.,第二节 钢铁冶炼,64,3,、炼钢的常见工艺,：,1.,转炉炼钢法（,LD,法）,(1),设备和冶炼工艺,喷枪：,氧气顶吹转炉炼钢是靠插入炉内的喷枪向熔池喷吹高纯度的高压氧气进行的。氧气通常由制氧站专用的管道直接供给。,混铁炉,或,混铁车：,由于与转炉配合生产的高炉间断出铁水，且铁水温度与成分均不同，为了贮存、保温和混匀铁水。,除尘设备：,氧气顶吹转炉吹炼时将排除大量高温且携带了大量褐色尘埃的废气，直接排放则将造成环境污染，目前转炉炼钢厂均应配置，包括文氏洗涤器、湿式电除尘设备、干式电除尘设备及袋式过滤器等。,氧气顶吹转炉炼钢,原料：,铁水、废钢、铁合金及造渣材料,等；,第二节 钢铁冶炼,65,3,、炼钢的常见工艺,：,第二节 钢铁冶炼,66,(2),顶吹氧气转炉炼钢的基本过程,装料,：在清除完上炉的炉渣后，按炉料配比从倾斜炉口,先加入废钢,（不大于,30%,），,再倒入,1250-1400,的液体生铁,，然后将炉体转到垂直位置，从顶部插入喷枪，用它来吹入压力为,0.9-1.4MPa,的氧气。在开始吹氧时，需向炉内加入石灰、铁矿石等造渣剂。,吹炼,：,初期,：,Si,、,Mn,迅速氧化，同时能脱除较大比例的磷和少量的硫，大量的铁和部分的碳被氧化，氧化杂质能放出大量的热，加热熔池。,中期,：进行碳的氧化，在脱碳的同时，能脱出部分磷和硫。,后期,：脱碳速度减慢，喷溅减小，进一步调整好炉渣的氧化性和粘度，脱磷和硫，准备控制终点温度。,造渣,：在吹氧过程中要不断追加石灰等造渣材料，以便为脱硫、脱磷创造条件，当吹炼磷含量高达,0.3%,的生铁石，脱除磷，必须采用双渣法，即放渣和重新造渣。,脱氧和出钢,：,主要采用沉淀脱氧,，对某些钢还可配合盛钢桶的扩散脱氧或真空脱氧。,出钢温度为,1460-1560,，出钢温度过低会造成固炉、盛钢桶底部凝钢及钢锭各种缺陷，过高则会造成跑钢，漏钢，粘膜及钢锭的各种高温缺陷，并影响炉体和氧枪寿命。,第二节 钢铁冶炼,67,(3),顶吹氧气转炉炼钢的质量,钢的质量主要取决于钢中有害杂质、气体和非金属夹杂物的含量，生产实践表明顶吹氧气转炉钢具有很高的质量，这是因为：,钢中气体含量少,有害杂质元素磷、硫的含量较低；,脱磷率为,9095%,，脱硫率,7080%,。,残余元素和非金属夹杂物含量低,机械性能好：,冷加工性、抗时效性、锻造和焊接性能都较好,特别适宜于吹炼低碳和超低碳钢种,冶炼钢种范围可从极低碳钢到高碳钢，直至合金钢；最适合生产冷加工性能和抗时效性能是关键问题的,薄板钢种,，以及对锻造和焊接性能有较高要求的,焊接钢管,和,无缝钢管,的钢种。,第二节 钢铁冶炼,68,2,、电弧炉炼钢法,概述,以三相交流电为电源，利用电极与炉料间产生高温电弧使电能转变为热能来熔炼钢的一种方法。,主要特点：,a),炉温和热效率高,b),炉内既可造成氧化性气氛，又可造成还原性气氛,C),设备简单，占地少，投资省，建厂快，污染易控制,不足之处：电能消耗大，生产成本高；氢和氮的含量较高。,高合金工具钢、不锈钢、耐热钢等大多数优质钢在电弧炉内熔炼。,第二节 钢铁冶炼,69,主要设备：,a),炉用变压器：,工业网中高电压小电流低电压大电流，能换挡,b),电弧炉炉体：,炉壳,（包括圆桶形炉身、炉底和上部加固部分，通常采用,12-30mm,厚普通钢板焊成，易变形部分，用槽钢加固，大型炉体用水强制冷却，表面温度不大于,100,）、,70,主要设备：,石墨电极,炉门：,炉门是为了补炉、炼钢过程中加