第一 材料的熔炼-1-1 钢铁冶金

冶金工艺火法冶金湿法冶金电冶金……火法冶金利用高温从矿石中提取金属或其化合物的方法称为火法冶金；钢铁、铜、镍、铅、锌等；缺点：污染环境；优点：成本较低；基本过程：矿石准备--冶炼--精炼主要方法：提炼冶金、氯化冶金、喷射冶金、真空冶金等。

湿法冶金

湿法冶金是指利用溶剂的化学作用，在水溶液或非水溶液中进行包括氧化、还原、中和、水解和络合等反应，对原料、中间产物或二次再生资源中的金属进行提取和分离的冶金过程；主要过程：浸取、固-液分离、溶液的富集、从溶液中提取金属或化合物；世界上全部的氧化铝、氧化铀、约74％的锌、12％的铜及多数稀有金属都是用湿法冶金方法生产的；最大优点：环境的污染较小，能处理低品位的矿石。电冶金

利用电能从矿石或其他原料中提取、回收、精炼金属的冶金过程称为电冶金；电冶金主要包括电热熔炼、水溶液电解和熔盐电解三方面内容。生物冶金:生物浸出技术(“973”项目：微生物冶金的基础研究）细菌冶金…….两次工业革命都是以新材料的发明和广泛应用为先导的：第一次工业革命（18世纪）：钢铁工业的发展为蒸汽机的发明和应用奠定了物质基础；第二次工业革命（20世纪中叶以来）：单晶硅材料对电子技术的发明和应用起了核心作用。

钢铁生产基本过程

（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

新流程：直接氧化→电弧炉炼钢→连铸连轧

地壳中主要元素的平均质量百分比(克拉克值）元素OSiAlFeCaNaKMgTiH质量%46.0527.888.135.173.652.782.582.060.620.14铁矿石铁的氧化物：Fe2O3,Fe3O4,2Fe2O3•3H2O,FeCO3脉石：其他氧化物(SiO2、MnO2、Al2O3)等一、钢铁冶金的热力学炼铁主要是还原过程，炼钢主要是氧化过程；理论基础：氧化物生成自由能-温度的关系图（ΔGo-T图)氧势线ΔGo-T图提供的信息：氧化物位置低的比位置高的稳定，位置低的元素能还原位置高的元素，并且两者相距越远越好，相距越远反应进行得越彻底；稳定性：CaO>MgO>Al2O3>SiO2>MnO>FeO>P2O5

特殊线：2C+O2=2CO

交点对应温度：C还原氧化物的最低温度，高于此温度，CO稳定，作为还原剂；反之，作为氧化剂。还原剂的选择还必须适应大规模工业生产的需要和经济效益的要求。显然在高炉中不能用比铁昂贵的Al、Mg、Ca、Si、Mn来作为还原剂。它们作为还原剂是不经济的。C、CO和H2是高炉炼铁适宜的还原剂。它们由原料带来，兼有热能和化学能的双重职能，焦炭还作为料柱骨架，满足高炉冶炼过程的需要。只要温度足够高，CO几乎能还原所有的元素；

高炉生产中，FeO、P2O5最不稳定，全部被还原；MnO大部分被还原；SiO2小部分被还原；CaO，MgO，Al2O3几乎不被还原；二、高炉炼铁

从矿石中制取铁的过程称为炼铁；炼铁的炉子叫高炉；炼铁原料：铁矿石、熔剂、燃料产出：生铁、煤气、炉渣1、高炉炼铁系统高炉炼铁生产非常复杂，除了高炉本体以外，还包括有原燃料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、煤气处理系统。通常，辅助系统的建设投资是高炉本体的4-5倍。生产中，各个系统互相配合、互相制约，形成一个连续的、大规模的高温生产过程。高炉开炉之后，整个系统必须日以继夜地连续生产，除了计划检修和特殊事故暂时休风外，一般要到一代寿命终了时才停炉。高炉本体是冶炼生铁的主体设备。由耐火材料砌筑成竖式圆筒形，外有钢板炉壳加固密封，内嵌冷却设备保护；高炉内部工作空间的形状称为高炉内型。高炉内型从下往上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五个部分，该容积总和为它的有效容积，反映高炉所具备的生产能力。高炉内衬：高炉内耐火材料砌筑的实体，其作用是形成高炉工作空间。高炉炉衬：陶瓷质材料（包括粘土质和高铝质等）、炭质材料（炭砖、炭捣石墨等）高炉冷却设备炉衬冷却是将通有冷却介质的金属冷却器件插入砌体或置于砌体外缘表面，由冷却介质将进入炉衬的热量带走，从而使输入和输出炉衬的热流平衡，保持炉衬工作表面稳定。由于高炉各部位热负荷不同，加上结构上的要求，高炉冷却设备有冷却壁、冷却水箱、外部喷水冷却、水冷炉底等多种形式和方法。2、高炉原料（1）铁矿石：含铁矿物+脉石=机械混合物

天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种赤铁矿又称红矿，其主要含铁矿物为Fe2O3，其中铁占70%，氧占30%，常温下无磁性。但Fe2O3有两种晶形，一为α-Fe2O3

，一为γ-Fe2O3

，在一定温度下，当α-Fe2O3转变为γ-Fe2O3时，便具有了磁性。色泽为赤褐色到暗红色，由于其硫、磷含量低，还原性较磁铁矿好，是优良的炼铁原料。赤铁矿的熔融温度为：1580~1640℃。磁铁矿主要含铁矿物为Fe3O4，具有磁性。其化学组成可视为Fe2O3•FeO，其中FeO=30%，Fe2O3=69%；TFe=72.4%，O=27.6%；磁铁矿颜色为灰色或黑色，由于其结晶结构致密，所以还原性比其它铁矿差；磁铁矿的熔融温度为：1500~1580℃。在自然界中纯磁铁矿很少见，常常由于地表氧化作用使部分磁铁矿氧化转变为半假象赤铁矿和假象赤铁矿。所谓假象就是Fe3O4虽然氧化成Fe2O3，但它仍保留原来磁铁矿的外形。它们一般可用TFe/FeO的比值来区分：

TFe/FeO=2.33 为纯磁铁矿石

TFe/FeO<3.5 为磁铁矿石

TFe/FeO=3.5~7.0 为半假象赤铁矿石

TFe/FeO>7.0 为假象赤铁矿石式中，TFe－矿石中的总含铁量（%），又称全铁；FeO－矿石中的FeO含量（%）。褐铁矿通常指含水氧化铁的总称。如3Fe2O3·4H2O称为水针铁矿；2Fe2O3·3H2O称褐铁矿。这类矿石一般含铁较低，但经过焙烧去除结晶水后，含铁量显著上升。颜色为浅褐色、深褐色或黑色，硫、磷、砷等有害杂质一般多。菱铁矿又称碳酸铁矿石，因其晶体为菱面体而得名。颜色为灰色、浅黄色、褐色。其化学组成为FeCO3，亦可写成FeO·CO2，其中FeO=62.1%，CO2=37.9%。常混入Mg、Mn等的矿物。一般含铁较低，但若受热分解放出CO2后品位显著升高，而且组织变得更为疏松，很易还原。所以使用这种矿石一般要先经焙烧处理。

铁矿石开采：

露天开采：采用采掘设备在敞露的条件下，以山坡露天或凹陷露天的方式，一个阶段一个阶段地向下剥离岩石和采出有用矿物的一种采矿方法。

地下开采：矿床埋藏地表以下很深，无法露天开采时采用。铁矿石质量评价铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必须严格要求。通常从以下几方面评价：矿石品位：品位即铁矿石的含铁量，它决定着矿石的开采价值和入炉前的处理工艺。入炉品位愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从而提高经济效益。品位提高，意味着酸性脉石大幅度减少，冶炼时可少加石灰石造渣，因而渣量大大减少，既节省热量，又促进炉况顺行。例如鞍山地区的酸性贫铁矿，含铁30%，SiO250%，富选后精矿品位达到60%，SiO2降低到14%；含铁量提高一倍，SiO2降低近3/4。生产1t生铁的渣量和熔剂用量减少到原来的1/8。脉石成分：碱性脉石，如CaO、MgO；酸性脉石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其中SiO2高，需加入石灰石造成碱度CaO/SiO2为1.0左右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含CaO高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值。如某铁矿成分（%）

Fe45.30，CaO10.05，MgO3.34，SiO211.20

自然碱度（CaO/SiO2）=0.9，（CaO+MgO）/SiO2=1.2，接近炉渣碱度的正常范围，属自熔性矿石。有害杂质和有益元素的含量有害杂质通常指S、P、Pb、Zn、As等，它们的含量愈低愈好。Cu有时为害，有时为益，视具体情况而定。入炉铁矿石有害杂质的界限含量（%）硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。“热脆”就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成FeS，而FeS与Fe形成的共晶体熔点为988℃，低于钢材热加工的开始温度1150~1200℃。热加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂。因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁中S≤0.07%，优质生铁S≤0.03%，就是要严格控制钢中硫含量。磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。磷能溶于α-Fe中（可达1.2%），固溶并富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶粒间的强度大大增高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称为冷脆。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆的危险性增加。铁矿石中常共生有Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo；包头白云鄂博铁矿还含有Nb、Ta及稀土元素Ce、La等。这些元素有改善钢铁性能的作用，故称有益元素。当它们在矿石中的含量（%）达到一定数值时，如Mn≥5、Cr≥0.06、Ni≥0.2，Co≥0.03，V≥0.1~0.15，Mo≥0.3，Cu≥0.3，则称为复合矿石，经济价值很大，应考虑综合利用。矿石的粒度和强度粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹出炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影响料柱透气性。因此，大块应破碎，粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。一般要求粒度在5~40mm范围。铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，增加炉尘损失，使高炉料柱透气性变坏。铁矿石的还原性铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或H2还原的难易程度，是评价铁矿石质量的重要指标。还原性愈好，愈有利于降低焦比，提高产量。改善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶炼的重要措施之一。影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔率等。矿石化学成分的稳定性铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱度和性质以及生铁质量的波动，造成炉况不顺，使焦比升高，产量下降。同时，炉况的频繁波动使高炉自动控制难以实现，因此，国内外都严格控制炉料成分的波动范围。稳定矿石成分的有效方法是对矿石进行混匀处理。根据上述质量要求，一般的铁矿石很难完全满足要求，须在入炉前进行必要的准备处理。对天然富矿（如含Fe50%以上），须经破碎、筛分，获得合适而均匀的粒度。对于褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁矿还应进行焙烧处理，以去除其结晶水和CO2，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。对贫铁矿的处理要复杂得多。一般都必须经过破碎、筛分、细磨、精选，得到含铁60%以上的精矿粉，经混匀后进行造块，变成人造富矿，再进行适当破碎，筛分后入炉。（2）熔剂熔剂的作用：降低脉石熔点、去硫高炉冶炼条件下，脉石及灰分不能熔化，必须加入熔剂，使其与矿石脉石和灰分作用生成低熔点化合物，形成流动性好的炉渣，实现渣铁分离并自炉内顺畅排出。此外，一定碱度的炉渣，如CaO/SiO2=1.0~1.2，可去除生铁中有害杂质硫，提高生铁质量。熔剂的种类由于矿石脉石和焦炭灰分多系酸性氧化物，所以高炉主要用碱性熔剂，如石灰石（CaCO3）、白云石（CaCO3·MgCO3）等。石灰石资源丰富，使用最广。白云石同时含有CaO和MgO，既可代替部分石灰石，又使渣中含有一定数量的MgO，改善渣的流动性和稳定性，从而促进脱硫。在使用高Al2O3矿石，炉渣Al2O3高时其效果特别显著。（3）燃料

焦炭是高炉冶炼的主要燃料，具有如下作用：

(1)燃料。燃烧后发热，产生冶炼所需热量。

(2)还原剂。焦炭中的固定碳和它燃烧后生成的CO都是铁矿石还原所需的还原剂。

(3)料柱骨架。高炉内是充满着炉料和熔融渣、铁的一个料柱，焦炭约占料柱体积的1/3~1/2，对料柱透气性具有决定性的影响。特别是在高炉下部，矿石、熔剂已经熔化、造渣，变成液态渣和铁，只有焦炭仍保持固态，为渣、铁滴落和煤气上升以及炉缸内的渣、铁正常流通和排出，提供了必要条件，使冶炼过程得以顺利进行。焦炭的这一作用目前尚不能为其他燃料所代替。喷吹用燃料向高炉内喷吹的辅助燃料可代替部分焦炭，大幅度降低焦比。目前喷吹的燃料已占高炉全部燃料用量的10~30%，有的达40%。喷吹用燃料来源广泛，可分为固（如无烟煤粉）、液（重油、柴油等）、气体（如天然气、焦炉煤气）三种。3、高炉生产

进入高炉的有铁矿石、熔剂、焦炭等原料，热空气经环风管吹入高炉；焦炭既作为燃料又是还原剂；石灰石与脉石反应生成炉渣，并与矿石中的硫反应，将其（CaS)带入渣内。高炉内的状况装料：料斗-小料钟-大料钟在高炉底部炉缸和炉腹内全是焦炭，在炉身中装的是层层相间的铁矿石、焦炭和石灰石，直到炉喉。每隔3-4h从炉中放一次铁水，1-1.5h放一次炉渣。高炉一旦点火后，可持续工作10年以上才停炉大修。

高炉内主要区域将正在运行中的高炉突然停炉并进行解剖分析，结构表明，根据物料存在形态的不同，可将高炉划分为五个区域：块状带、软熔带、滴落带、风口前回旋区、渣体聚集区。块状带：炉料中水分蒸发及受热分解，铁矿石还原，炉料与煤气热交换；焦炭与矿石层状交替分布，呈固体状态；以气固相反应为主。软熔带：炉料在该区域软化，在下部边界开始熔融滴落；主要进行直接还原反应，初渣形成。滴落带：滴落的液态渣铁与煤气及固体碳之间进行多种复杂的化学反应。回旋区：喷入的燃料与热风发生燃烧反应，产生高热煤气，是炉内温度最高的区域。渣铁聚集区：在渣铁层间的交界面及铁滴穿过渣层时发生渣铁反应。4、高炉炼铁的理化过程

1）燃烧过程:C＋O2——CO2↑CO2在上升过程中：CO2＋C——CO↑2）溶剂分解:CaCO3——CaO＋CO2↑3）铁的还原:FeO＋CO——CO2＋Fe(间接还原)

FeO＋C——Fe＋CO（直接还原）

4）增碳：铁水在与焦碳的接触中会增碳－扩散过程，使铁水被C所饱和。

5）其他元素的还原:

Mn，Si部分被还原，被还原后进入铁水中

Al不被还原，只能和熔剂形成渣

6）去S:FeS＋CaO——CaS＋FeO

7）P还原：

Ca3(PO4)2＋5C－3CaO＋2P＋5CO8）造渣：SiO2、Al2O3、CaO等铁水中：C饱和，溶有部分Mn，Si，S以及全部的P。渣中CaO/SiO2的比值称为炉渣碱度，或二元碱度。把（CaO+MgO）/SiO2的比值称为炉渣总碱度，或三元碱度。把（CaO+MgO）/（SiO2+Al2O3）的比值称为炉渣全碱度或四元碱度。在一定冶炼条件下，Al2O3和MgO含量变化不大，也不常分析。因此，实际生产中常用碱度CaO/SiO2，而且习惯上常把CaO/SiO2>1的炉渣称为碱性渣；CaO/SiO2<1的炉渣称为酸性渣。炉渣碱度的选择主要根据高炉冶炼铁中的需要和对炉渣性能的要求而定。根据条件变化和冶炼要求，碱度可通过改变熔剂加入量随时调整。我国各钢铁厂高炉渣碱度一般在0.95~1.2之间。总碱度在1.10~1.40之间。MgO一般在7~8%。近年来一些工厂高炉渣MgO含量有明显提高，如首钢、武钢、梅山均达10%左右。5、高炉产品（1）生铁-----不是纯铁！！含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素组成的合金。w(C)在2%左右，实际上可达3.5%-4.5%铸造生铁：即灰口生铁，碳以游离石墨形式存在，断面呈灰色；炼钢生铁：即白口生铁，碳以Fe3C形式存在，断面呈银白色；特种生铁：高锰、高硅生铁，作脱氧剂等；（2）高炉煤气：含CO、CO2、CH4、H2等（3）炉渣6、高炉冶炼的技术经济指标高炉利用系数

t•m-3•d-1

n=P/V=每炉每昼夜产铁量/有效容积冶炼强度

t•m-3•d-1

I=Q/V=一昼夜装入的焦炭量/有效容积焦比

K=Q/P=一昼夜装入的焦炭量/每炉每昼夜产铁量高炉炼铁的缺点：投资大、流程长、能耗高、焦煤储量少价格高、环境压力大发展：烟煤或天然气作还原剂直接还原（directreduction)熔融还原（smeltingreduction）三、直接还原和熔融还原铁煤基回转窑直接还原将铁矿石在固态直接还原成海绵铁，称直接还原炼铁。气基竖炉直接还原Midrex直接还原工艺是Midrex公司开发成功的。属于气基直接还原法，以天然气经催化裂解后得到的气体(主要成分Ｈ2、ＣＯ)为还原剂，在800～900℃还原铁矿得到海绵铁。Ｍidrex法具有工艺成熟、操作简单、生产率高、热耗低、产品质量高等优点，因此在直接还原工艺中占统治地位。四、炼钢

任务：炼钢的基本任务就是将生铁的碳、硅、锰氧化，炼到规格范围内，将有害元素硫、磷含量降到规格范围内。钢和生铁的最主要区别在于含碳量不同，钢的含碳量在2.11%以下，大于此为生铁。实际上，工业用钢的碳含量一般均低于1.3%，而生铁的含碳量可达3.5-4.5%。此外，生铁中的Si、Mn、P、S等杂质元素含量也比钢中的含量高。1、钢的分类按化学成分分类按是否加入合金元素将钢分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指钢中除含有一定量为了脱氧而加入硅（一般≤0.40%）和锰（一般≤0.80%）等合金元素外，不含其他合金元素的钢。根据碳含量的高低又可分成低碳钢（[C]≤0.25%），中碳钢(0.25%≤[C]≤0.60%)和高碳钢([C]>0.60%)。

合金钢是指钢中除含有硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素如铬、镍、钼、钛、钒、铜、钨、铝、钴、铌、锆和稀土元素等，有的还含有某些非金属元素如硼、氮等的钢。根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。一般合金元素总含量小于3%的为普通低合金钢，总含量为3%～5%的为低合金钢，大于10%的叫高合金钢，总含量介于5%～10%之间为中合金钢。按钢中所含有的主要合金元素不同可分为锰钢、硅钢、硼钢、铬镍钨钢、铬锰硅钢等。

按冶炼方法和质量水平分类按炼钢炉设备不同可分为转炉钢、电炉钢、平炉钢。其中电炉钢包括电弧炉钢、感应炉钢、电渣钢、电子束熔炼及有关的真空熔炼钢等。按脱氧程度不同可分为沸腾钢（不经脱氧或微弱脱氧）、镇静钢（脱氧充分）和半镇静钢（脱氧不完全，介于镇静钢和沸腾钢之间）。按质量水平不同可分为普通钢、优质钢和高级优质钢。

按用途分类分三类：结构钢，工具钢，特殊性能钢

结构钢是目前生产最多、使用最广的钢种，它包括碳素结构钢和合金结构钢，主要用于制造机器和结构的零件及建筑工程用的金属结构等。碳素结构钢是指用来制造工程结构件和机械零件用的钢，其硫、磷等杂质含量比优质钢高些，一般[S]≤0.055%，[P]≤0.045%，优质碳素钢[S]和[P]均≤0.040%。碳素结构钢的价格最低，工艺性能良好，产量最大，用途最广。

合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或数种合金元素，用来提高钢的强度、韧性和淬透性。合金结构钢根据化学成分（主要指含碳量）热处理工艺和用途的不同，又可分为渗碳钢、调质钢和氮化钢。合金结构钢

渗碳钢指用低碳结构钢制成零部件，经表面化学处理，淬火并低温回火后，使零件表面硬度高而心部韧性好，既耐磨又能承受高的交变负荷或冲击负荷。

调质钢的含碳量大于0.25%，所制成的零件经淬火和高温回火调质处理后，可得到适当的高强度与良好的韧性。

氮化钢一般是指以中碳合金结构钢制成零件，先经过调质或表面火焰淬火、高频淬火处理，获得所需要的力学性能，最后再进行氮化处理，以进一步改善钢的表面耐磨性能。工具钢

包括碳素工具钢和合金工具钢及高速钢。碳素工具钢的硬度主要以含碳量的高低来调整（0.65%≤[C]≤1.30%），为了提高钢的综合性能，有的钢中加入0.35%～0.60%的锰。合金工具钢不仅含有很高碳，有的高达2.30%，而且含有较高的铬，铬的含量可达到13%、钨（达9%）、钼、钒等合金元素，这类钢主要用于各式模具。高速工具钢除含有较高的碳（1%左右）外，还含有很高的钨（有的高达19%）和铬、钒、钼等合金元素，具有较好的热硬性。特殊性能钢指的是具有特殊化学性能或力学性能的钢，如轴承钢、不锈钢、弹簧钢、高温合金钢等。2、炼钢原理炼钢实际是以生铁为主要原料，通过一系列的冶金过程，使其碳含量大幅度降低至某一成分范围，并使各种杂质元素的含量降低到一定限度以下。由于C、Si、Mn、P与O的亲和力比Fe大，故采用氧化的方法把它们除去。因此，将生铁冶炼成钢的过程主要是一个氧化过程，任何一种炼钢方法，其实质就是将生铁中多余的各种杂质通过有选择的氧化、造渣和形成气体等途径来降低它们的含量。炼钢温度：1500-1700℃，此温度下炉料处于熔化状态供氧化反应的氧的来源：工业纯氧、空气、氧化铁皮等；炼钢炉中进入铁液的氧首先与铁发生反应（Fe在铁液中浓度最高，根据质量作用定律，化学反应速度与反应物浓度成正比）2Fe+O2=2FeO高温FeO又能与生铁中的C、Si、Mn、P等元素发生反应，将其氧化，而铁则被还原出来（在有些情况下也会发生直接的氧化反应），反应产物进入炉气或转入炉渣而排出。炼钢过程的物理化学原理脱CSi、Mn的氧化脱P脱S脱O脱碳：脱碳反应时炼钢的最主要反应，碳的氧化有两种方式。直接氧化：2C+O2=2CO间接氧化：2Fe+O2=2FeO

C+FeO=Fe+COCO的产生有利于钢液成分的均匀化，清除钢液中的气体和非金属夹渣。Si、Mn的氧化：放热反应，低温即可进行；直接氧化反应：Si+O2=SiO22Mn+O2=2MnO间接氧化为主：Si+2FeO=SiO2+2Fe

Mn+FeO=MnO+Fe炉渣形成：SiO2+2FeO=2FeO•SiO2

SiO2+2MnO=2MnO•

SiO2脱P：P在钢中是以Fe2P形态存在，炼钢过程与炉渣的FeO和CaO相化合成为磷酸钙；

Fe2P+5FeO+4CaO=(CaO)4•P2O5+9Fe该反应是放热反应，故低温脱磷有利；高碱度和强氧化性也是脱P的重要条件，酸性炉去P困难。脱S：S是以FeS形式存在，当渣中有足够的CaO时：FeS+CaO=FeO+CaS该反应可逆，为避免此反应向左进行，使S重新回到钢液中，为克服此问题，可向渣中加入C：FeS+CaO+C=Fe+CaS+CO脱O：采用脱氧剂除去钢液中残留的FeO中的O，还原出Fe，脱氧剂则被氧化，脱氧产物聚集浮到钢液表面。常用脱氧剂：锰铁、硅铁、铝Me+FeO=MeO+Fe脱氧方法：沉淀脱氧和扩散脱氧沉淀脱氧：将脱氧剂直接加到钢液中，使脱氧剂直接与钢液的氧化亚铁反应进行脱氧。优点：速度快缺点：脱氧产物MnO、SiO2、Al2O3易残留在钢液中。扩散脱氧：将脱氧剂加入到炉渣中，使脱氧剂与炉渣的FeO反应。按照分配定律，在一定温度下，FeO在炉渣和钢液中的浓度之比是常数。当炉渣的FeO减少后，钢液的FeO向渣中扩散，达到间接脱氧的效果。缺点是速度慢，但钢液干净。实际：锰铁沉淀预脱氧，再用碳粉和硅铁扩散脱氧，最后用铝进行沉淀脱氧。既保证质量，又缩短时间。3、炼钢法转炉炼钢、电炉炼钢、平炉炼钢平炉炼钢在20世纪50年代以前曾占主导地位，但自1952年顶吹氧气转炉问世以来，平炉炼钢便处于逐渐被取代的地位，这是由于其生产率、钢锭成本、基建投资等无法与转炉相比。目前世界先进国家除东欧和俄罗斯以外的西方工业发达国家已全部关闭了平炉，我国也即将在近期全部停止平炉炼钢。转炉炼钢法

按炉衬耐火材料性质—碱性转炉和酸性转炉按供入氧化性气体种类—空气和氧气转炉按供气部位—顶吹、底吹、侧吹及复合吹转炉按热量来源—自供热和外加热燃料转炉

转炉为梨形容器，因装料和出钢时需倾转炉体而得名。

自贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢法起，开始了转炉大量生产钢水的历史。上世纪50年代用氧气代替空气炼钢是炼钢史上的一次重大变革，70年代出现的氧气底吹转炉和顶吹复合转炉，是氧气转炉在发展和完善通路上取得的丰硕成果。贝塞麦转炉

贝塞麦肖像

从装料到出钢，倒渣，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧出钢和倒渣几个阶段。一炉钢的吹氧时间通常为12-18min，冶炼周期为30min左右。

顶吹氧气转炉炼钢工艺主要包含:(1)装料

(2)供氧

(3)造渣

(4)温度及终点控制

(5)脱氧顶吹氧气转炉炼钢工艺电弧炉炼钢：依靠电极吧电流引入熔炼室，在电极和金属炉料之间产生电弧使炉料熔化。过程：熔化期、氧化期、还原期五、连续铸造

连续浇注最早由亨利·贝塞麦提出，并于1846年开始试验，但是直到1937年才实现了铜合金的连铸，1937年实现铝合金的连铸，1950年开发出钢液的连铸机。连铸技术在钢铁生产中的应用是钢铁冶金工业的一次技术革命，它不仅大大提高了生产率，减少了材料消耗，并且提高了材料的质量。此后还出现了连铸连轧O.C.C技术。连铸就是通过连铸机直接把钢液凝固成钢坯，从而可以逐步代替传统的锭模浇注和钢坯开坯工序，实现钢铁生产的连续化和自动化。连铸机类型：立式、立弯式、弧型、椭圆形、水平式、旋转式原理：钢水连续浇入水冷结晶器中，并沿着结晶器周边形成凝固层，用拉坯机从结晶器下部连续拉出，进入二次冷却装置，使坯壳内的钢液全部凝固，经矫直机矫直后，切割成一定长度的钢坯。连铸工艺流程O.O.C连铸—日本大野笃美发明

改变传统连铸中冷却结晶器的方法，反而加热结晶器。靠金属液的表面张力将缝隙中的金属液锁住，从而改变了温度场，成为单向凝固，有利获得单晶。O.C.C连铸-铸型加热传统连铸-铸型不加热钢锭的液芯轧制传统连铸技术钢锭在凝固过程不发生塑性变形，而液芯轧制过程钢锭凝固尚未结束，芯部仍处于液态，可节约能源，细化晶粒，抑制偏析。（1）21世纪的钢铁工业仍是基础产业，决非“夕阳工业”，我国钢铁工业与国外有较大差距；（2）理解高炉炼铁的基本原理、原料、设备及过程；（2）理解炼钢的基本原理、设备及工艺。小结第一章材料的熔炼1.1钢铁是怎样炼成的--钢铁冶金1.2铝冶金与熔炼1.3铜冶金1.2铝冶金与熔炼一、铝的性质和用途1、物理性质：密度小（轻金属）、导热、导电、延展性好2、化学性质：活泼、抗腐蚀3、用途：纯铝、铝合金由于早期炼铝十分困难，所以铝的价格十分昂贵，一度超越金银之上，直至19世纪上半叶，铝还是欧洲许多高级珠宝店的高档货。从美国化学家霍尔发明电解制铝法后，制铝工艺不断改进，现在人们已经熟练掌握了从铝土矿中冶炼铝的技术了，使得制铝成本大大下降，铝的价格也一降千丈，走入千家万户。1854年，１公斤铝需1200卢布，而到了十九世纪末就降到1卢布。

二、炼铝原料铝土矿是一种以氧化铝水合物为主要成分的复杂铝硅酸盐矿石，铝土矿的主要化学成分有：Al2O3、SiO2、Fe2O3、TiO2，少量的CaO、MgO、硫化物、微量的镓、钒、磷、铬等元素的化合物。铝土矿按其含有的氧化铝水合物的类型可分为：三水铝石型铝土矿；一水软铝石型铝土矿；一水硬铝石型铝土矿和混合型铝土矿；三水铝石化学活性最大、一水软铝石次之、一水硬铝石较弱、刚玉则是非常稳定的氧化铝---决定其不同的溶出条件！！铝土矿中的二氧化硅是碱法处理铝土矿制取氧化铝过程中最有害的杂质，铝土矿的铝硅比是衡量铝土矿质量的主要指标之一。铝硅比是指铝土矿中的氧化铝和二氧化硅的质量比：即

A/S=矿石中氧化铝质量/矿石中二氧化硅质量写为：A/S=Al2O3/SiO2我国铝土矿资源丰富，储量大；高铝、高硅、低铁；铝硅比较低，中低品位铝土矿居多；多数铝土矿是一水硬铝石型铝土矿。A/S一般在4-7之间结果：我国氧化铝的质量、能耗及成本与国外有较大差距。铝冶金特点铝性质活泼，易于与氧、卤族元素结合成稳定化合物；电负性大；铝冶金过程：铝土矿-氧化铝-纯铝三、氧化铝生产碱法：拜耳法、烧结法、联合法拜耳法：奥地利化学家KarlJosel

Bayer（1847-1904）在1889-1892年发明；拜耳法生产氧化铝的基本原理（l）用NaOH溶液溶出铝土矿，所得到的铝酸钠溶液在添加晶种、不断搅拌的条件下，溶液中的氧化铝呈氢氧化铝析出，即种分过程。（2）分解得到的母液，经蒸发浓缩后在高温下可用来溶出新的铝土矿，即溶出过程。交替使用这两过程，就能够每处理一批矿石得到一批氢氧化铝，构成所谓的拜耳法循环。用反应方程式表示如下：Al2O3（3或1

）H2O＋2NaOH==2NaAl(OH)4溶出分解氧化铝厂车间：原料堆及配料车间、球磨机车间、高压溶出（浸出）车间、沉降分离车间、分解车间、分级车间、蒸发车间、煅烧车间等；关键工序：浸出、晶种分解、分解母液蒸发与苛化、氢氧化铝煅烧铝土矿选矿设备流程（1）铝土矿选矿与原矿浆制备初步提高A/S比，除去部分杂质，达到一定粒度（2）铝土矿的溶出循环母液成分：NaOH、NaAlO2、Na2CO3等；氧化铝：Al2O3•nH2O+2NaOH→2NaAlO2+nH2O二氧化硅：SiO2+2NaOH→Na2SiO3+H2O2Na2SiO3+2NaAlO2+4H2O→Na2O•Al2O3•2SiO2•2H2O↓+4NaOHSiO2以Na2O•Al2O3•2SiO2•2H2O↓的形式进入赤泥，从而造成苛性钠和氧化铝的损失，且这种损失与矿石中SiO2的含量成正比。故拜耳法仅适合于处理含SiO2较少、A/S大于7的铝土矿。氧化铁：浸出过程Fe2O3不与NaOH反应，以固相形式进入残渣，使残渣成粉红色，所以氧化铝溶出残渣称赤泥。广西平果铝厂的赤泥堆场二氧化钛：与配入的石灰作用生成不溶解的钛酸钙；碳酸盐：矿石中碳酸盐主要是CaCO3和MgCO3，它们与NaOH反应，使NaOH变成Na2CO3，使碱液中苛性碱浓度降低，对氧化铝的溶出不利。综上：铝土矿高压溶出的结果是Al2O3进入溶液，SiO2、Fe2O3、TiO2等进入赤泥，借助机械的方法分离赤泥和溶液，从而达到Al2O3与杂质分离的目的。注意：不同类型的铝土矿，其溶出条件有很大差异。从而导致氧化铝生产的能耗和成本与铝土矿的类型有很大关系。三水铝石型铝土矿在105℃的条件下就可以较好地溶出，一水软铝石型铝土矿在200℃的溶出温度下就可以有较快的溶出速度，而一水硬铝石型铝土矿必须在高于240℃的温度下进行溶出，其典型的工业溶出温度为260℃。溶出时间不低于60分钟。拜尔法赤泥沉降分离洗涤的简单工艺流程（2）铝酸钠溶液的晶种分解直接影响产品产量和质量的关键工序种分机理：加入Al(OH)3晶种后NaAlO2+2H2O→Al(OH)3↓+NaOH分解率η=析出的Al2O3量/溶液中理论上的Al2O3的质量×100%工业上一般为50%-53%影响铝酸钠溶液稳定性的控制条件:溶液浓度、苛性比值、溶液温度、结晶核心的存在和搅拌；种分过程：控制铝酸钠溶液中Al2O3的浓度145g/l左右，苛性比αk（溶液中Na2O与Al2O3小于1.7,温度，接近温度30℃，加入晶种Al(OH)3并机械搅拌，铝酸钠溶液自发水解析出Al(OH)3，同时获得苛性比较高的种分母液，该种分母液浓缩后作为循环母液，返回溶出过程，溶出下一批铝土矿，析出的Al(OH)3经洗涤后送去煅烧。晶种分解的主要设备：冷却设备：鼓风冷却塔、板式热交换器及闪速蒸发换热系统等；分解槽：空气搅拌分解槽、机械搅拌分解槽。（3）氢氧化铝的煅烧氢氧化铝煅烧的目的是在一定温度下把氢氧化铝的附着水和结合水脱除，并发生分解反应，形成氧化铝，再进行晶型转变，得到具有一定物理和化学性能的氧化铝产品。氧化铝的焙烧设备：回转窑、循环焙烧炉主要反应：Al2O3•3H2O→Al2O3•H2O+2H2OAl2O3•H2O→γ-Al2O3+H2Oγ-Al2O3→α-Al2O3225℃500-550℃900℃以上注意：适合电解铝生产的是砂状氧化铝！！（4）母液的蒸发与苛化母液蒸发：保证循环母液浓度，平衡水量浸出过程发生反苛化反应：2NaOH+CaCO3→Na2CO3+Ca(OH)2苛化反应：Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3碱石灰烧结法生产氧化铝

基本原理：将铝土矿与一定量的纯碱、石灰（或石灰石）配成炉料在高温下进行烧结，使氧化硅与石灰化合成不溶于水的原硅酸钙2CaO·SiO2,氧化铝与纯碱化合成可溶于水的固体铝酸钠Na2O·Al2O3、而氧化铁与纯碱化合成可以水解的铁酸钠Na2O·Fe2O3，将烧结产物（熟料）用稀碱溶液溶出时Na2O·Al2O3便进入溶液，Na2O·Fe2O3水解放出碱，氧化铁以水合物与原硅酸钙一道进入赤泥。再用二氧化碳分解铝酸钠溶液便可以析出氢氧化铝。经过焙烧后产出氧化铝。分离氢氧化铝后的母液成为碳分母液（主要成分为Na2CO3），经蒸发后返回配料。烧结法生产氧化铝工序生料浆的制备熟料烧结熟料溶出铝酸钠溶液脱硅碳酸化分解（碳分）氢氧化铝分离、洗涤氢氧化铝焙烧碳分母液蒸发金属铝的生产铝电解用原材料：氧化铝冰晶石

氟化铝铝电解用其它氟化盐铝电解用炭素材料氧化铝是铝电解生产中的主原料。它是一种白色粉状物，熔点为2050℃，沸点为3000℃，真密度为3.6g/cm3。它不溶于水，能溶于冰晶石熔体中。铝电解对于氧化铝的要求，一是它的化学纯度，再就是其物理性能。氧化铝冰晶石（六氟铝酸钠）的分子式为Na3AlF6，它是溶剂的主要成分，与氧化铝形成低熔共晶，使氧化铝在1000℃以下进行电解。

铝电解生产中所用的冰晶石分天然和人造两种。天然冰晶石（3NaF·AlF3）属于单斜晶系，是一种无色或雪白色晶体，比重2.95，硬度2.5，熔点1010℃。天然冰晶石的储量很少，远远不能满足铝工业的需要，所以现代铝工业采用人造冰晶石。冰晶石氟化铝在铝电解生产中，它是冰晶石-氧化铝熔体的一种添加剂。氟化铝是一种白色粉末，粒度比氧化铝稍大，不粘手，在常压下加热不熔化，但在高温下升华。它的作用是可以弥补电解质中氟化铝的损失，又可以调整电解质的分子比，主要用于降低熔体的分子比，降低电解温度。以保证生产技术条件的稳定。铝电解用炭素材料铝工业上均采用炭素材料作电极-炭阳极和炭阴极。在电解过程中，炭阴极原则上是不消耗的，炭阳极由于直接参与电化学反应而消耗。阳极的作用主要有两种：导电和参加电解时的化学反应和电化学反应。

生产阳极的主要原料:石油焦、煤沥青、改性沥青等；在电解过程中，阳极是消耗的，其理论消耗是334kg/t·Al，而实际消耗一般为380~450kg/t·Al，这与阳极质量、电解技术条件有关。降低阳极消耗可以提高铝厂的电流效率、降低电耗和增加铝产量，从而提高经济效益。铝电解原理阴极：Al3+（络合）+3e→Al阳极：2O2-（络合）+C-4e→CO2总反应：2Al2O3+3C→4Al+3CO2电解过程是氧化铝和碳阳极不断消耗，从阴极析出金属铝，阳极上产生CO2气体。铝电解槽系列是铝生产的单元。每一个系列都有它额定的直流电源和电解槽数目。系列中电解槽串联连接。直流电从整流器之正极经铝母线送到电解槽的阳极，经电解质和铝液层流过阴极，然后进入下一台电解槽的阳极，依次类推。从最后一台电解槽阴极出来的电流，返回整流器的负极。电解厂房内电解槽的配置方式有纵向排列和横向排列两种，每一种排列方式又可分为单行排列和双行排列。铝锭铸造

由电解槽生产出来的铝液，称为原铝液。原铝液经过处理，铸成各种不同品位和形状的铝锭，然后经过检验和打捆，再过秤入库，作为下一步加工的半成品原料。铸锭工艺现在铝铸造工艺一般采用浇铸工艺，就是把铝液直接浇到模子里，待其冷却后取出。铸造过程是一个由液态铝冷却、结晶成为固体铝锭的物理过程。铸锭成型的方法，目前我国广泛采用的是：块铁模铸锭法、连续及半连续铸锭法和连续铸轧法。1.3铜冶金有色金属重金属轻金属贵金属稀有金属

重金属一般指比重大于5.0的金属，包括铜、铅、锌、镍、锡等十多种金属。一、铜的性质和用途物理性质：高导电性、导热性及良好的延展性化学性质：铜绿用途：电器、机械制造、国防…..二、炼铜原料、方法及流程

原料：自然铜、硫化矿和氧化矿三种类型。自然铜在自然界中很少，主要是硫化矿和氧化矿。硫化矿分布最广，是当今炼铜的主要原料。目前工业开采的铜矿石最低品位为0.4%~0.5%。开采出来的低品位矿石，经过选矿富集，使铜的品位提高到10%~30％。炼铜方法铜的生产方法概括起来有火法和湿法两大类。火法炼铜是当今生产铜的主要方法，世界上80％左右的铜是用火法炼铜方法生产的。干燥密闭鼓风炉干燥电炉干燥反射炉硫化铜精矿干燥闪速炉干燥熔池熔炼炉连续炼铜炉冰铜转炉或连续吹炼炉粗铜火法精炼炉阳极铜电解精炼电铜(99.95%~99.99%Cu)(99.5%Cu)(98.5%Cu)(30-55%Cu)(20-30%Cu)火法炼铜一般工艺三、火法炼铜基本理论造锍熔炼-吹炼-火法精炼-电解精炼1、冰铜的概念及其组成—锍

冰铜是在熔炼过程中产生的重金属硫化物为主的共熔体，是熔炼过程的主要产物之一，是以Cu2S-FeS熔体（锍）为主并溶解少量其它金属硫化物（如Ni3S2、Co3S2、PbS、ZnS等）、贵金属（Au、Ag）、铂族金属、Se、Te、As、Sb、Bi等元素及微量脉石成分的多元系混合物。

Cu2S-FeS二元系相图，在熔炼温度下(1200℃)两种硫化物均为液相，而且完全互溶形成均质溶液。

FeS与金属硫化物形成共熔体的重叠液相线图，FeS-MeS共熔的特性就是重金属矿物原料造锍熔炼的依据。

Cu2S-FeS-FeO状态图。图中NB线可视为铜铁硫化物形成的冰铜溶解FeO的溶解曲线。

当冰铜中Cu2S质量分数增加时，冰铜中溶解的FeO量随之减少，当冰铜成分接近于纯Cu2S时，溶解的FeO量很少。这表明，冰铜溶解氧主要是FeS对FeO的溶解，而Cu2S对FeO几乎不溶解。因此，低品位冰铜溶解氧的能力高于高品位冰铜。冰铜的主要性质：

1）比重：4.4～4.7，远高于炉渣比重（3～3.7）；

2粘度：η＝2.4×10-3Pa·s，比炉渣粘度低很多（0.5~2Pa·s）

3）表面张力：与铁橄榄石（2FeO·SiO2）熔体间的界面张力约为20～60N/m，其值很小，由此可判断冰铜容易悬浮在熔渣中。

4）冰铜的主要成分Cu2S和FeS都是Au和Ag的强有力的溶解剂。总之，造锍熔炼中，只要氧化气氛控制得当，保证有足够的FeS存在，可使铜以Cu2S进入冰铜。2、基本原理造锍熔炼的目的是使炉料中的铜尽可能全部进入冰铜，部分铁以FeS形式也进入冰铜，使大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣；其次使冰铜与炉渣分离。原则：必须有足够的硫来形成冰铜；炉渣中含SiO2接近饱和，使冰铜和渣分离。炉渣与冰铜的相平衡

冰铜熔炼过程中炉渣是以FeO-SiO2系、FeO-SiO2-CaO系及FeO-SiO2-Al2O3系等为主体的。右图为FeO-SiO2-CaO系三元系相图。图中铁全部认为是FeO，而Al2O3、CaO及MgO等均折合成CaO。

一般SiO2含量为35~42%时,既可保证炉渣与冰铜的良好分离。这是因为当无SiO2时，FeS与FeO完全互溶，但当SiO2存在时，反应2FeO＋SiO2＝2FeO·SiO2很容易进行，可很好地使FeS与炉渣分离。渣中CaO和Al2O3均降低FeS等硫化物在渣中的溶解度，所以渣中一定量的CaO和Al2O3可改善渣与冰铜的分离。但不能过多，否则会增加粘度，冰铜容易夹杂在渣中，引起铜的损失。3、熔炼过程主要化学反应

冰铜熔炼所用原料主要是铜精矿和含铜的返料，除了有Cu、Fe、S等元素外，还含有SiO2、CaO、MgO等。（1）高价硫化物、氧化物及碳酸盐的分解在1200℃以上，所有高价化合物均会发生离解反应。FeS2

＝FeS

＋0.5S2FenSn+1=nFeS+0.5S22CuFeS2=Cu2S+2FeS+0.5S22CuS=Cu2S+0.5S22Cu3FeS3=3Cu2S+2FeS+0.5S23NiS=Ni3S2+0.5S2氧化铜和碳酸盐的离解反应：2CuO=Cu2O+0.5O2CaCO3=CaO+CO2MgCO3=MgO+CO2

所有分解反应均为吸热反应。离解生成的S2被炉中的氧化气氛氧化为SO2。（2）硫化物氧化FeS+1.5O2=FeO+SO2FeS2+2.5O2=FeO+2SO23FeS+5O2=Fe3O4+3SO2Cu2S+1.5O2=Cu2O+SO2（3）铁的氧化物及脉石造渣反应2FeO+SiO2=2FeO·SiO23Fe3O4+FeS+5SiO2=5(2F