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冶 金 概 论 An introduction to Metallurgy 武汉科技大学冶金工程系 2 */* 2 课程教学目的 p 通过钢铁冶炼过程的基本原理、主要设备、 生产工艺及操作制度的学习，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 4 */* 4 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 5 */* 5 1.1 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 6 */* 6 1.1.1 冶金学 p 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) p 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。

7 */* 7 冶金学的分类 p 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(physical metallurgy)（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） p 提取冶金（extractive metallurgy）： 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（ chemical metallurgy） 8 */* 8 p 按所冶炼金属类型分： p (Nonferrous metallurgy) p (Ferrous metallurgy) p p 按冶金工艺过程不同分： 提取冶金的分类 9 */* 9 1.1.2 火法冶金主要过程简介 p 干燥：去水，温度为400~600℃ p 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 p 煅烧：在空气中以去CO2和水为目的的冶金过 程 p 烧结与球团：以获得特定矿物组成、结构及性 能的造块。

p 熔炼：还原氧化物，提取粗金属 p 精炼：氧化杂质，获得纯金属 p 铸造：液态金属凝固成固态 10 */* 10 1.2 钢铁工业 1.2.1 钢铁材料 1.2.2 钢(Steel)与生铁(Pig iron)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 11 */* 11 1.2.1 钢铁材料 p 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 p 预计未来几年钢铁产品在各行业中占的比例 12 */* 12 13 */* 13 1.2.2 钢与生铁的区别 14 */* 14 1.2.3 钢铁冶炼技术发展简史 p 远古至13世纪末：半熔融状态的铁块—海绵 铁(sponge iron)； p 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； p 19世纪中期至今 ： Ø 1856年英国人发明了空气底吹酸性转炉炼钢 法； Ø 1864年法国人发明了平炉炼钢法(OH)； Ø 1874年发明了空气底吹碱性转炉炼钢法； Ø 20世纪初发明了电弧炉炼钢(EAF)； Ø 20世纪中叶氧气顶吹转炉（LD法） 15 */* 15 1.2.3 我国钢铁工业的发展 p1996年，突破1亿吨； p1999年，产量世界第一； p2003年，突破2亿吨，世界唯一年产钢 超过2亿吨的国家； p2004年，产量2.8亿吨； p2005年，产量3.5亿吨； p2006年，产量4.2亿吨。

16 */* 16 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 20062005 11 米塔尔荷兰63.66 49.89 27.6 22安赛乐 卢森堡54.3246.6516.4 33 新日铁日本33.7032.90 12.4 44 JFE 日本 32.02 29.57 8.3 55 浦项韩国31.2031.42-0.7 66 宝钢中国22.53 22.73 -0.9 926唐钢中国19.0616.0818.5 1618 鞍钢中国15.0011.90 26.1 1722沙钢 中国14.63 12.0221.7 1816武钢中国13.76 13.05 5.5 24 24 济钢中国11.24 10.437.8 2527马钢中国10.919.6513.1 2625莱钢中国10.7910.344.4 2723首钢中国10.5510.441.0 2831华菱中国9.91 8.45 17.2 18 */* 18 中国年粗钢产量增长情况 19 */* 19 1.3 钢铁冶炼 赤 铁 矿 磁 铁 矿 线 材 板 材 20 */* 20 p 烧结/球团 — 高炉—转炉—连铸机—轧机 p 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。

21 */* 21 现代钢铁冶炼的两种基本流程 22 */* 22 钢材加工工艺流程 23 */* 23 钢铁生产的典型工艺（长流程） 24 */* 24 钢铁工业的特点 p 生产规模大，物流吞吐大，每吨钢涉及的物 流将是5-6吨 p 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； p 制造流程工序多、结构复杂 p 制造流程中伴随大量物质/能量排放，形成 复杂的环境界面 25 */* 25 1.4 钢铁产品及副产品 p 产品 Ø 生铁 Ø 钢 Ø 铁合金(Ferroalloy) p 副产品 Ø 炉渣(Slag) Ø 煤气(Gas) 26 */* 26 生铁 p 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 27 */* 27 铁合金 p 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 28 */* 28 炉渣 p 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。

p 其主要成分是CaO、MgO、SiO2、 Al2O3等 p 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 29 */* 29 p 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 p 30 */* 30 煤气 p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 p煤气主要成分：CO、H2、CO2、N2、 CH4 31 */* 31 1.5 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 32 */* 32 p 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％ p 钢铁生产所用能源主要有煤炭、燃料油(重油 )、天然气、电力等 p 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％ p 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 33 */* 33 1.5.2 钢铁工业能耗 p 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 34 */* 34 2004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66.38142.21466.2026.57209.89 1999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 66.38 42.00 142.21 466.20 26.57 209.89 92.91761 先进值 52.06 19.2288.13395.41 -3.77 146.31 53.68565 落后值 108.6 0 83.30 229.15 591.81 75.23 325.44 286.891103 差值56.5464.08141.02196.4079.00179.23 233.21538 35 */* 35 1.5.3 节能途径 p 改进生产工艺及操作，更新和改造耗能高的 设备 p 降低能源损失（“废料”、煤气、热能、压力 能），减少生产工序 p 回收利用散失热量 p 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。

36 */* 36 1.6 冶金用耐火材料 p 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 p 耐火材料产品绝大部分（60~80%）用于 冶金行业 p 耐火材料在冶金中的应用有： Ø 高温炉管 Ø 坩埚、容器 Ø 热电偶绝缘管 Ø 热电偶保护管 Ø 炉膛耐火材料 Ø 炉膛保温材料 37 */* 37 1.6.1耐火材料定义 p耐火材料是耐火度不低于1580℃的无机 非金属材料 p 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） p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 p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 38 */* 38 1.6.2 耐火材料分类 p按化学成分：氧化物、非氧化物、复 合系 p按形态：定形、不定形 p按耐火度分：普通1580~1770 ℃; 高级1770~2000 ℃; 特级2000 ℃以上 p按制作工艺分：泥浆浇注；可塑成型 … 39 */* 39 40 */* 40 1.7 环境保护 p 钢铁厂产生的各种污染物有： Ø 大气污染物质 Ø 污水 Ø 固体废弃物 41 */* 41 大气污染物质 p SOX：是通过原料、燃料中硫磺成分的燃烧而 产生的。

烧结工厂等为其主要发生源 p NOX：通过燃烧后发生烧结工厂等为其主要 发生源 p 煤尘：通过燃烧后发生烧结炉、各加热炉为 其发生源 p 粉尘：从燃料原料的输送、处理过程，及储藏 场中产生炼铁、炼钢工程为其主要发生源 42 */* 42 p 钢铁工业用水主要是冷却水，其次是煤气洗涤 水，以及冲洗设备、地面及除尘用水等 p 污水中含有下列污染物： Ø 固体悬浮物（SS Solid suspension）：从排气集尘、高温物 质的直接冷却等过程中产生 Ø 油：由各种机械等所使用的油所发生的漏泄及冷轧 工程使用轧制机的机油等原因而产生 Ø 化学需氧量（COD Chemical oxygen demand）：从煤炭干馏时 的氨水，及冷轧、电镀废水中产生 Ø 酸、碱：从冷轧工程的酸洗工程、电镀工程等的脱 脂工程中产生 污水 43 */* 43 固体废弃物 p炉渣：从高炉、铁水预处理、转炉、电 炉、二次精炼设备等的冶炼工程中产生 p污泥：在各种水处理过程中产生 p灰尘：从各种干式集尘机中产生 钢铁 生产 中产 生的 污染 物 ( 1 。