结合工业工程谈谈对钢铁冶金成型的认识1

1、结合工业工程谈谈对钢铁冶金成型的认识钢铁冶金工艺流程：铁矿石-炼铁，提取铁-制取钢。一、钢铁冶金过程的热力学原理：1，氧化物的八G-T图（1）位置低的金属氧化物较位置高的金属氧化物稳定，位置低的元素能还原位置高的 元素，钢铁冶金中主要氧化物的稳定性由强到弱的顺序是CaO, MgO, A12O3, SiO2, MnO， FeO，P2O5FeO、P2O5最不稳定，几乎可全部被还原；MnO大部分被还原，SiO2小部分被还原； A12O3、CaO几乎不会被还原。（2）大多数氧化物的稳定性随温度升高而降低。2，应用：还原剂选择：金属类、碳质类。（1）金属类：用位置低的元素还原位置高的氧化物时，两者位置相

2、距愈远愈好，因为 反应的G负值愈大，反应进行得愈彻底。所以Mn、Si、Al能还原FeO,其中Al效果最好， Si次之，Mn最弱。（2）碳质类：AG-T图中，大部分氧化物的稳定性随温度升高而降低，而2C+O2=2CO 反应直线显示：温度升高，生成物CO的稳定性增加，这相反的变化趋势使其与其他氧化反 应直线均会相交。交点对应温度为该氧化物还原碳的最低温度Tmin。TTmin时，CO稳定， 碳可以作为该氧化物的还原剂；相反时，CO则成为该元素的氧化剂。实际生产中高炉温度仅能还原MnO、FeO，电炉温度才能还原A12O3，SiO2。二、炼铁：目前最常用的方法有高炉炼铁，直接还原和熔融还原铁三种方法。（

3、一）炼铁原料：1，铁矿石：一种或几种含铁矿物和脉石组成燃料：焦炭，并作为还原剂熔剂：有酸、碱之分，多选用碱性石灰石（二）炼铁前处理：（摄像：烧结矿与焦碳）铁矿石：破碎，筛分，选矿，烧结，造块（1）破粹，各式破粹机（2）选矿：水选，磁选（3）烧结，造块烧结：把煤粉，石灰粉，水混合在专门烧结机或烧结炉中。1000-1100r温度下， 因部分脉石熔融与石灰结合成硅酸盐，将精矿粘结在一起，烧结成坚固、疏松多孔的烧结矿。造块：呈球团型，为加水润湿的精矿或精矿与熔剂混合物在圆盘内形成直径10- 30mm的球，经干燥、烘烧而成。焦炭燃料炼焦的煤粉或几种煤粉混合物在煤焦炉内，隔绝空气加热至10001100C，

4、干馏后留 下多孔块状产物。基本要求：含炭量多，控制S、P、水、挥发物含量，有足够发热量，坚 固，以及气孔率大和粒度均匀。（三）高炉生产（动画）炉料：铁矿石，焦炭，熔剂从顶部加入（摄像：上料），向下运行， 顶部200C区：铁矿+CO9部分铁间接还原2CO+O29CO2与粉状、烟状的游离碳中部1100区：游离碳进入矿石中，将残存Fe2O3直接还原成Fe,剩余的Fe2O3溶 解于Fe中，使Fe熔点降低，由固态变成海绵铁。石灰石高温分解成CaO+酸性脉石，并进入炉渣。增碳带 T1000C 区：Fe2O39FeO风口处T1500C区：Fe2O39铁，熔融的铁水与炉渣一起进入炉缸，并分层次分布， 轻的渣浮

5、在铁水表层，分别从两口排出。炉渣：其它工业原料、制水泥、造砖、铺路。铁水：浇铸生铁锭W （C） =2%，并含Fe、Si、Mn、P、S。品种有：a.铸造生铁（灰铸铁）：含Si较多，C以游离石墨形式存在，灰色断面。（摄像：出炉与铸 锭）炼钢生铁（白口生铁）：碳以Fe3C形式存在，银色断口。高锰、高硅特种生铁：炼钢用作脱氧剂或炼制合金钢附加材料。（四）高炉冶金的理化过程：燃料的燃烧，铁的还原，铁的增碳，其它元素还原，去硫、造渣。1燃料的燃烧：焦碳自炉顶下落至风口时与空气相遇，燃烧，进行放热反应。C+O29CO2+16001750CCO2上升，遇赤热焦碳，被还原成COCO2+C2CO-ACO热气继续上

6、升，遇热矿石，发生还原反应，将Fe还原出来2铁的还原：直接或间接还原两种1）直接还原：950C以上，固体碳呈烟状进入矿石孔隙内完成反应。FeO+CFe+CO2CO9CO2+C2）间接还原：开始于炉口（250C350C ）终止于950C。顺序地利用CO,将高价的铁 氧化物还原成低价的铁氧化物。3Fe2O3+CO92Fe3O4+CO22Fe3O4+2CO96FeO+2CO26FeO+6CO96Fe+6CO23铁的增碳：从矿石还原出的铁初期含碳量低，呈固态海绵状，当其下落过程与焦炭接 触，不断吸收碳，并被碳饱和。C含量增加，也降低了铁的熔点，呈熔融态。生铁的最终碳含量决定下列元素的含量1）Mn、Cr

7、、V、Ti等元素与碳形成碳化物溶于生铁中可提高生铁的含碳量，如锰铁W（Mn） =80%的 W （C） 7%2）Si、P、S等能与铁生成化合物，减少溶解碳的铁，降低生铁含碳量，Si铁中Wc1100C: MnO+CMn+CO仅有40%80%锰被还原并溶于铁，其余或被烧损或进入炉渣与SiO29MnSiO3若提高温 度，或提高渣的碱度可将渣中锰还原出来。2）硅的还原：存于脉石中的SiO2,在T1100C条件下被固体C还原出来。SiO2+2C9Si+2CO3）磷还原：矿石中Ca3（PO4）2在1200C条件下，被固态碳或SiO2还原。Ca3（PO4）2+5C93CaO+2P+5CO或 2Ca3（PO4）

8、2+3SiO293CaSiO4+2P2O5P2O5+C94P+10CO还原中，P与Fe结合成Fe2P或Fe3P溶于铁中5去硫：以FeS存在于铁中，会降低生铁质量，可在炉料中加适量石灰石去除：FeS+CaOCaS+FeO6造渣：炉渣具有重要作用：1）熔化其余各种氧化物，控制生铁合格成分。2）浮在熔融液表面，能保护金属，防止其过分氧化、热量散失或不致过热。因添加剂不 同，有酸性、碱性、中性渣。造渣是矿石中废料，燃料中灰分与熔剂熔合过程的产物。与熔融金属液不互熔，又比其 轻，能浮在熔体表面，便于排出。主要成分；SiO2、A12O3、CaO,及少量 MnO、FeO、CaS 等。（五）直接还原与熔融还原

9、1）高炉炼铁的缺点：投资大、流程长，能耗高，污染大。2）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，以供电炉炼钢二次精炼，连铸连轧。3）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。（如图！、图2、图3）煤基回转窑中：Fe2O3+3CO92Fe+3CO2气基竖炉中：CH4+H2OCO+3H2+天然气裂化反应Fe2O3+3H292Fe+3H2OFe2O3+3CO92Fe+3CO24）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，将直接还原得到海绵铁 进一步加热熔化，在熔融汽化炉的炉底形成铁

10、水与炉渣的熔池。三、炼钢（摄像一）、任务将生铁中过量的碳、硅、锰等元素氧化去除，使其含量降到规格范围，并将有害元素硫、 磷造渣去除，使其含量降到规格范围以下。主要进行脱碳、脱硅、脱锰、脱硫、脱磷及脱氧反应。二）、炼钢过程的物理化学原理（一）脱碳：炼钢的最主要反应，是通入纯度99.5%以上的氧气，通过两种氧化方式（直接或间接）进行1、直接氧化：在温度高于1100r条件下2C+O292CO2、间接氧化：在温度低于1100r条件下2Fe+Of2FeOC+FeOfFe+CO碳氧化时需要吸收大量的热。要保证上述反应顺利进行需在较高温度下进行。脱碳（碳氧化）时产生的CO气体有助于钢搅动“沸腾”，均匀成分，

11、并能有效清除钢液 中气体和非金属夹渣。（二）脱硅、锰：也有两种氧化方式，直接与间接，但主要以间接氧化方式进行。因为放热反应，低温时 就可进行。实际上自炉料熔化后，反应就已经开始进行。钢液中硅、锰含量开始减少。反应 生成物还与FeO或相互反应生成炉渣。直接：Si+O2fSiO22Mn+O2f2MnO间接：Si+2FeOfSiO2+2FeMn+FeOfFe+MnO炉渣：SiO2+2FeOf2FeOSiO2SiO2+2MnOf2MnOSiO2（三）脱磷：高炉炼铁时，还原的P几乎全还原进入铁中。铁水或钢中磷是以Fe2P形态存 在。炼钢利用炉渣中FeO及CaO与其化合生成磷酸钙渣去除，该反应为放热反应，

12、低温下 皆可进行。Fe2P+5FeO+4CaOf（CaO）4P2O5+9Fe渣中含有足够量CaO,即高碱性、强氧化性炉渣是脱磷的保证。（四）脱硫：利用渣中足够的CaO,把其中FeS去除。其反应式为FeS+CaOfFeO+CaS生成的CaS渣不熔于钢液，且比其轻，浮在钢液表面。值得注意的是：该反应为可逆反应，当渣中FeO过量时，反应可逆向进行，使硫重回到 钢液中，为此需在渣中加入碳，利用碳与FeO反应，减少FeO。FeS+CaO+CfFe+CaS+CO（五）脱氧：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+FeOfMe

13、O+Fe反应达到平衡时钢中两者含量满足：MeFeO=K （平衡常数）表明：一定温度时钢中两 者残留量成反比：脱氧元素量增多，FeO残留量减少。具体方法有两种：沉淀脱氧，扩散脱氧。1、沉淀脱氧：脱氧剂直接加入钢液中，并与FeO反应脱氧。速度虽快，脱氧产物MnO、 SiO2、A12O3可留在钢液中。2扩散脱氧：利用加在炉渣中的脱氧剂与FeO反应，减少内中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，该法速度虽慢，但除氧彻 底。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。基本反应a 碳脱氧：FeO+Cf Fe+CO主要在

14、渣中进行，不产生非金属氧化物，利于优质钢产生，缺点是：1600r时与0.3%c 相平衡的氧含量0.007%，在冷却过程，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。b锰脱氧：虽为弱脱氧剂，加入钢液中（适用于所有钢液）：Mn+2FeO9MnO+Fe生成物MnO不溶于钢液，还与SiO2、FeO结合生成难熔炉渣，上浮去除，冷却凝固过程中， Mn还能与S形成高熔点MnS，降低钢中S。c硅脱氧：作为强脱氧剂，产物为固体SiO2，并放热，低温利于脱氧。Si+FeO=SiO2+2Fe碱性炉中脱氧产物SiO2可与碱性氧化物化合，生成复合氧化物，减少自由SiO2含量。

15、若先用锰进行预脱氧，生成的MnO2也能与SiO2结合，减少自由SiO2含量，使反应不断进 行，增强了 Si的脱氧能力。d铝脱氧：作为强氧化剂，反应为：2Al+FeO9Al2O3+3Fe生成的A12O3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。三）、方法有转炉炼钢、电炉炼钢和平炉炼钢（摄像：转炉电炉平炉及各炉种产量比例（一）转炉炼钢：最早投入的方法。利用吹入空气或氧气对熔融的铁水进行氧化脱碳，炼出 合格成分的钢锭。按炉衬材料性质有酸性、碱性之分，按吹入氧气的方式有底吹、顶吹、侧 吹之分（如图）1原料：高炉经钢包送来的铁水，10%的冷铁锭，调整用冷废

16、钢，造渣用石灰石、萤石， 脱氧和合金化用的铁合金及纯度99.5%氧气。2操作：倾斜炉体，顺序加入石灰石、熔剂、废钢、铁水，插入水冷喷嘴，喷射高纯氧 产生反应：2Fe+O29FeO，FeO进入熔体扩散，完成脱碳、氧化吹炼。脱碳9CO9熔体沸腾， 氧化加速。火焰由黄褐色今暗红色今长而明亮火焰今明显减少今液面平静今脱碳氧化结束。（二）电炉炼钢：有电弧炉、感应电炉炼钢之分（如图）（1）电弧炉炼钢：依靠插入金属炉料间的电极通电后，产生的电弧熔化炉料。随着炉料 不断熔化，池面上升，电极上升，到最高点时，炉料已完全熔化。此时，先后进入熔化、氧 化期、还原期。熔化期：金属液体与炉气接触：2Fe+O292FeO炉渣中：FeO+O2fFe2O3 或 Fe3O4渣界面上：Fe2O3或Fe3O4被Fe重新还原成FeO，一部分按分配定律进入钢液的FeO与 硅、锰、磷氧化并与CaO生成炉渣，放热，使炉温上升到1590氧化期 T1590C反应：a C+O+CO上升的气泡会不断吸收钢液中的H2、N2，使钢液中的含气量下降。b脱P:应控制渣中FeO、CaO浓度，形成烧结的4CaOP2O3渣，并及时排渣。还原期：脱氧、脱、，调整温度与成分。加入锰铁预脱氧后，加入生石灰、萤石、碳粉Fe