北科复试-钢铁冶金学

教学小组成员吴胜利

（博士、教授、博导）课程，A课堂组长张建良

（博士、教授、博导）

B

课堂组长C课堂组长吴 铿

（博士、教授、博导）高

斌

（博士、杨世山

（张宗旺

（贾彦忠

（、、、、硕导）、硕导）、硕导）、硕导）左海滨（博士、讲师）国宏伟（博士、讲师）张丽华（博士、讲师）2009-4-152科技大学教授博导吴胜利本科生课堂讲授学时分配第一章概论4学时8.9％第二章铁矿粉造块6学时13.3％第三章高炉冶炼过程的物理化学10学时22.2％第四章高炉冶炼过程的传输现象4学时8.9％第五章高炉冶炼的能量利用6学时13.3％第六章高炉炼铁工艺10学时22.2％第七章高炉冶炼过程的数学模型概述2学时4.5％第八章总复非高炉炼铁2学时学时4.5％2.2％总计

45学时

100％2009-4-153科技大学教授博导吴胜利教学参考

书.1

．高炉炼铁原理澳－比斯瓦斯著齐宝铭、王筱留译，冶金工业.2

．铁矿粉造块理论及工艺周取定、孔令坛编，

冶金工业.3

．高炉冶炼理论与操作宋建成编，

科技大学

科2009-4-154科技大学教授博导吴胜利本人：

62334737

，电邮：wushengli@m

办公：冶金楼5112009-4-155科技大学教授博导吴胜利第一章

概

论.1.1钢铁工业概况国民经济中钢铁工业的地位钢铁工业的发展概况钢铁生产工艺流程.1.2高炉炼铁过程概述工艺流程及高炉炉型高炉冶炼的特点及主要过程高炉原料高炉耐火材料高炉产品高炉主要技术经济指标2009-4-156科技大学教授博导吴胜利1.1.1国民经济中钢铁工业的地位工业化水平国民生活水准工业生产所占工业机械化自动化程度工业化水平的标志劳动生产率提高需要大量的机械设备需要大量

的基础材料评价一个国家的工业发达程度交通工具市政设施民

生用

活住

用宅

品钢铁产品、价格低廉、有较高的强度和韧性、易于加工制造、所需原料资源丰富、冶炼工艺成熟、效率高2009-4-157科技大学教授博导吴胜利人均钢材生产量·

反映了一个国家的经济发达程度·人均钢材生产量名列世界第一，为800Kg/人·年·

我国的人均钢材生产量约为380Kg/人·年2009-4-158科技大学教授博导吴胜利发展钢铁工业的基础稳定可靠的原料来源（矿石、煤、熔剂、耐火材料等）稳定的动力资源（水、电等）庞大的

设施（铁路、水运等）雄厚的

保证（投资大、建设周期长、回收效率慢）钢铁工业的发展，标志着这些条件的完善反映国民经济的发达程度2009-4-159科技大学教授博导吴胜利1.1.2钢铁工业的发展概况·

二次后的四十多年中，钢铁工业获得重大发展钢产量：50年代初的2亿吨→90年代的7.4亿吨·

我国：古代占领先地位（公元前六世纪已广泛使用铁器）；近代

于欧洲国家；从1890年（汉阳铁厂投产）→

约半个世纪内累计的钢►成立后，特别是产量不到200万吨；

开放以来，钢铁生产有了重大发展：1960年1976年1980年15.8万吨1840万吨2045万吨3703万吨1986年1988年1995年1996年5190万吨5900万吨9300

万吨突破1亿吨名列世界第二名列世界第一2009-4-1510科技大学教授博导吴胜利近年世界及中国钢铁产量的推移02000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

200880000600004000020000100000140000120000世界（万吨）中国（万吨）08年中国粗钢产量占世界的37.8%2009-4-1511科技大学教授博导吴胜利2008年主要产钢国的产量比较1187091506850551053504580371050200050001000015000200002500030000350004000045000（万吨）（万吨）（万吨）（万吨）韓国（万吨）德国（万吨）（万吨）中国（万吨）2009-4-1512科技大学教授博导吴胜利1.1.3钢铁生产工艺流程钢铁冶金的任务把铁矿石冶炼成合格的钢铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁铁→精炼（脱C、Si、P等）→钢还原熔化过程（炼铁）氧化精炼过程（炼钢）2009-4-1513科技大学教授博导吴胜利钢铁产品项目生铁钢含碳量高（2.5－4.5%）低（0.03－1.2%）杂质（Si、Mn、P、S）多少硬度高低脆性大小韧性小大加工性能只能铸造铸造、锻造均可焊接性差好2009-4-1514科技大学教授博导吴胜利三种钢铁工艺流程的概念图矿石焦煤烧结矿球团矿焦炭高

炉液态生铁转炉炼钢矿石非焦煤天然气粉矿或球团矿还原气直接还原炉固态海绵铁电炉炼钢矿石非焦煤预还原炉熔融还原炉液态生铁转炉炼钢高炉炼铁工艺炼直铁接工还艺原炼熔铁融工还艺原2009-4-1515科技大学教授博导吴胜利Bｌast

furnace(高炉)Largest:

100

mH,

Inside

35

mH,I.D.

16

m,

I.V.

5,800

m3Converter(転炉)Continuous

casting

machine(連続鋳造機)Steel

Production

by

antegrated

Process2009-4-15科技大学教授博导吴胜利SinterCokeHot

airBlast図4.24.製鉄用高炉的断面17鉄鉱石高品位低品位(高結晶水)石

炭強粘結炭非微粘結炭AgglomeratedOre

(Pellet

&

Sinter)CokeAgglomeration溶銑（10,000

ton/d）Slag

（3,00

on/d）予熱空気（1200℃）Height:

35

mVolume:

5,000

m3Ironmaking

by

the

BF

Process1.2高炉炼铁过程概述1.2.1工艺流程及高炉炉型炉喉

炉身高炉本体炉腰

炉腹炉缸风口渣口铁口V

u上料系统储矿槽、秤量装置上料装置（料车或皮带）、装料装置（料钟或料阀）煤重气力系除统：尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器、高压阀组等渣铁系统：出铁场、泥、开口机、铁罐、渣罐水渣设备送风系统风机、热风炉、喷吹设备、富氧设备湿度调节设备等Hu2009-4-1518科技大学教授博导吴胜利1.2.2高炉冶炼的特点特点①在逆流（炉料下降及煤气上升）过程中，完成复杂的物理化学反应；②在投入（装料）及产出（铁、渣、煤气）之外，无法直接观察炉内反应过程；③维持高炉顺行（保证煤气流合理分布及炉料均匀下降）是冶炼过程的关键。2009-4-1519科技大学教授博导吴胜利高炉冶炼的主要过程还原过程实现矿石中金属元素（主要是Fe）和氧元素的化学分离；造渣过程实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离；传热及渣铁反应过程实现成分及温度均合格的液态铁水。2009-4-1520科技大学教授博导吴胜利1.2.3高炉原料铁矿石其它含铁代用品天然块矿人造富矿烧结矿球团矿碱性熔剂――石灰、石灰石、白云石酸性熔剂――硅石特殊熔剂――萤石·

高炉、转炉炉尘·

残铁·

轧钢铁皮·

硫酸渣高炉原料熔剂2009-4-1521科技大学教授博导吴胜利铁矿石概念定义：凡是在一定的技术条件下，可经济地提取出金属铁的岩石，称为铁矿石。地壳中Fe元素居第四位，占4.2％，由于以富集状态存在，故有开采价值。不存在纯金属状态的铁，而是以氧化物、硫化物的形式存在。冶炼1吨生铁，约需铁矿石1.6－1.8吨。2009-4-1522科技大学教授博导吴胜利铁矿石的分类赤铁矿－Fe2O3理论含Fe70％，红条痕，较软，易还原；磁铁矿－Fe3O4理论含Fe72.4％，黑条痕，较硬，难还原；褐铁矿－xFe2O3.yH2O黄褐条痕，疏松多孔，易还原；菱铁矿－FeCO3理论含Fe48.2％，灰黄条痕，焙烧后易还原。2009-4-1523科技大学教授博导吴胜利假象及半假象赤铁矿假象及半假象赤铁矿·

由于地表的氧化作用，自然界中纯磁铁矿少见。·

磁铁矿变成：半假象赤铁矿或假象赤铁矿（Fe/FeO在3.5～7）（Fe/FeO＞7）。·

所谓“假象”――化学成分：Fe3O4→Fe2O3结晶构造：仍为磁铁矿特征2009-4-1524科技大学教授博导吴胜利铁矿石的评①含Fe品位高→价将含Fe量达到理论值的70%以上的矿石称为富矿。②脉石少和分布合适→矿石中除Fe以外的其它化合物统称为脉石。SiO2要少，Al2O3要少，CaO要多，MgO要合适。Fe矿物与脉石矿物的结合程度要弱，以易于进行矿物的单体分离。③有害元素少S、P、As、Cu→对钢铁产品性能有害K、Na、Zn、Pb、F→对炉衬和高炉顺行有害④有益元素合适Mn、Cr、Ni、V、Ti、Nb、稀土元素等,其含量多时可作为复合矿石考虑综合利用。上述元素多时，高炉冶炼会出现一定的问题，要考虑冶炼的特殊性。⑤还原性好→矿石中与Fe结合的氧被还原剂（CO、H2）夺取的难易程度称为还原性。褐铁矿＞赤铁矿＞磁铁矿人造富矿＞天然铁矿疏松结构、微气孔多的矿石还原性好⑥冶金性能优良冷态、热态强度好软化熔融温度高、区间窄⑦粒度分布合适→＜5mm的粉末要少，8～30mm为宜太大→对还原不利；

口太小→对顺行不利2009-4-1525科技大学教授博导吴胜利熔剂及其它代用品熔剂碱性熔剂――石灰、石灰石、白云石酸性熔剂――硅石特殊熔剂――萤石其它含铁代用品要求含铁量高要求杂质少要求有一定的块度2009-4-1526科技大学教授博导吴胜利1.2.4高炉

高炉固体焦炉煤气气体煤粉焦炭高炉煤气用于高炉本体用于热风炉2009-4-1527科技大学教授博导吴胜利焦炭以不同品种的煤，按比例配合，在隔绝空气状下高温（1000℃）干馏而成的固体

；焦炭的三大作用热源→在风口前燃烧，提供冶炼所需热量；还原剂→本身及其氧化产物CO均为铁氧化物的还原剂；骨架和通道→矿石高温熔化后，焦炭是唯一以固态存在的物料。了有支撑数十米料柱的骨架作用了有保障煤气自下而上畅流的通道作用作用③是任何固体

所无法替代的。·

冶炼1吨生铁约需250～650Kg焦炭2009-4-1528科技大学教授博导吴胜利对焦炭的质量要求①强度高；②固定C高；③灰分低；④S含量低；⑤挥发份合适；⑥反应性弱（C＋CO2→2CO）；⑦粒度合适（为矿石平均粒度的3～5倍为宜，d小/d大≈0.7）任何

都无法取代焦炭的作用！

3

高炉必需用焦炭

!!!

焦炭是用资源贫乏的主焦煤炼制而成的，炼焦设备投资庞大炼焦过程污染严重。高炉应少用焦炭

!!!酶

高炉喷煤工艺因需而生！2009-4-1529科技大学教授博导吴胜利高炉用煤粉高炉喷煤可用资源丰富的非结焦煤高炉喷吹煤粉，可置换一部分昂贵的焦炭，从而降低生铁成本。

我国是世界上最早开发出高炉喷煤技术的国家之一，1964年在首钢成功实施了无烟煤的喷吹技术我国已有85％以上的高炉采用了高炉喷煤技术（无烟煤、烟煤均有）高炉喷吹用煤粉的质量要求①

固定C高，灰分低；②

含S低；③

粒度细（＜200网目占80％以上）；④⑤煤粉可磨性好，

性弱；燃烧性好，反应性强。世界先进高炉喷煤量已达250Kg/t，宝钢最高超过260Kg/t，目前实际生产中为200-230Kg/t。2009-4-1530科技大学教授博导吴胜利1.2.5耐火材料热风炉内高炉本体用不定形耐火材料耐火材料炉身上部－粘土砖炉身中部－高铝砖炉身下部－碳化硅砖炉腰、炉腹－碳化硅砖炉缸上部－碳化硅砖炉缸下部－外侧和底部用碳砖，内衬高铝砖陶瓷杯·

顶部及格子砖上部用硅砖；·

其它部位用高铝砖或粘土砖·

铁口

泥及炉前沟泥一般：焦粉＋粘土＋蒽油特殊：刚玉＋碳化硅＋绢云母＋焦粉＋焦油·

喷补泥浆Al2O3＋SiO2＋粘结剂（磷酸盐、皂土、水玻璃等）2009-4-1531科技大学教授博导吴胜利高炉用各种耐火材料性能的比较项目粘土砖高铝砖碳砖碳化硅砖石墨－碳化硅砖抗氧化性优优劣良一般抗磨性一般优一般优一般抗CaO侵蚀性一般良优良优抗FeO侵蚀性一般一般一般良良抗铁水侵蚀性一般良劣优优抗碱金属性劣良一般优一般抗热应力劣一般良优优冷却效果劣一般良良优2009-4-1532科技大学教授博导吴胜利宝钢原1号高炉各部位耐火砖的材质部位耐火砖材质料线区普通高铝砖炉躺上中部粘土砖炉身下部刚玉型高铝砖+粘土砖炉腰钢玉型高铝砖+粘土砖炉腹刚玉型高铝砖+粘土砖炉缸碳砖＋陶瓷杯(普通高铝砖)炉底上部为粘土砖，周边和下部为碳砖，最底一层为石墨质碳化硅砖2009-4-1533科技大学教授博导吴胜利1.2.6高炉产品高炉产品主产品铁水Si

0.3～1.25%C

2.5～5.0%Mn

0.1～0.8%P

0.08～0.4%S

0.02～0.07%铁水温度1400～1500℃少量铁合金高碳锰铁高碳硅铁稀土硅铁高碳硅锰合金等副产品炉渣·

250～400Kg/t·

CaO

35～44％SiO2

32～42％Al2O3

6～14％MgO

4～13％·

渣温1400～1600℃·

热含量1680～1900KJ/Kg副产品煤气·

1600～3500M3/t·

CO

21～26%H2

1.0～2.0％CH4

0.2～0.8％CO2

14～21％N2

55～57％·

Q低3200～3800KJ/M32009-4-1534科技大学教授博导吴胜利1.2.7高炉主要技术经济指标1、有效容积利用系数ημ定义：每M3高炉有效容积每昼夜生产的合格铁量（T/

M3

·

d）。我国ημ＝1.8～4.0

T/

M3.d（大高炉低、小高炉高）2、焦比定义：冶炼每吨生铁所消耗的焦炭的千克数（Kg/T）。我国焦比为250～550Kg/T3、煤比定义：冶炼每吨生铁所消耗的煤粉的千克数（Kg/T）。我国煤比为80～230Kg/T4、比（焦比＋煤比）定义：冶炼每吨生铁所消耗的固体

的总和（Kg/T）。我国

比为480～580（Kg/T）5、综合焦比（焦比＋煤比×煤焦置换比）6、煤焦置换比定义：喷吹1Kg煤粉所能替代的焦炭的Kg数。一般为0.8左右2009-4-1535科技大学教授博导吴胜利1.2.7高炉主要技术经济指标7、焦炭冶炼强度定义：每M3高炉有效容积每昼夜燃烧的焦炭吨数（t/M3

·d）。一般为0.8～1.0t/M3

·d8、综合冶炼强度定义：每M3高炉有效容积每昼夜燃烧的综合焦炭的吨数（t/M3

·

d）。一般为0.9～1.15t/M3

·d利用系数、焦比及冶炼强度三者关系纯焦冶炼时：利用系数＝焦炭冶炼强度/焦比喷吹

时：利用系数＝综合冶炼强度/综合焦比9、燃烧强度定义：每M3炉缸截面积每昼夜燃烧的焦炭的吨数（t/M3

·d）。10、工序能耗·

Ci＝（

消耗＋动力消耗－回收二次