钢铁冶金学(炼铁)课件第3章A
《钢冶金学》_第3章 炼钢原材料
钢冶金学重庆科技学院：王宏丹气体：氧气、氩气、氮气金属料——铁水铁水是转炉炼钢的主要原材料，一般占装入量的70%~100%；铁水的物理热和化学热是转炉炼钢的主要热源。
对铁水温度的要求：●铁水温度是铁水含物理热多少的标志，铁水物理热占转炉热量收入的50％左右。
●铁水温度过低，会导致炉内热量不足，影响熔池升温和元素氧化进程，同时不利于化渣和去除杂质，还容易导致喷溅。
●我国企业一般规定铁水入炉温度应大于1250℃，并且保持稳定。
高炉出铁温度在1350～1450℃。
金属料——铁水金属料——铁水对铁水化学成分的要求：●[Si]：发热元素，是铁水化学热的主要提供者。
通常铁水中的硅含量为0.50%-0.80%为宜。
现在的普遍观点：[Si]是有害的，应尽可能地降低铁水中的Si含量，原因如下：少渣冶炼，减少转炉冶炼过程的造渣量。
铁水预处理脱磷的需要！要脱磷，得先脱硅！金属料——铁水对铁水化学成分的要求：●[Mn]：锰是弱发热元素，铁水中Mn氧化后形成的MnO能有效促进石灰溶解，加快成渣，减少助熔剂的用量和炉衬侵蚀。
同时铁水含Mn高，终点钢中余锰高，从而可减少合金化时所需的锰铁合金，有利于提高钢水纯净度。
金属料——铁水对铁水化学成分的要求：●[P]：来源于矿石，100%还原进入铁水，是应该严格控制的元素，目前采取预处理、转炉脱磷等方式解决低P钢的冶炼问题。
高P 矿石的利用，是当今资源利用的主要研究方向，应予以密切关注！一般要求铁水 [P]≤0.20%。
●[S]：是高炉造渣操作应尽量降低的，脱硫率应高！高炉铁水炉外预处理脱硫是“解放高炉”的方向！我国炼钢技术规程要求入炉铁水的硫含量不超过0.05%。
金属料——铁水对铁水带渣量的要求：●高炉渣中含S 、SiO 2、Al 2O 3量较高；●过多的高炉渣进入转炉内会导致石灰消耗量增多，转炉渣量增大，容易造成喷溅，金属收得率降低，降低炉衬寿命；●兑入转炉的铁水要求带渣量不得超过0.5%；●铁水带渣量大时，在铁水兑入转炉之前应进行扒渣。
钢铁冶金学教程ppt课件
炼铁原料
01
铁矿石、焦炭、石灰石
辅助材料
02
锰矿、硅石、萤石等
原料质量要求
03
铁矿石品位、焦炭强度、石灰石活性等
高炉炼铁工艺
高炉本体结构
炉缸、炉腹、炉腰、炉身 、炉喉
高炉冶炼过程
装料、送风、燃烧、还原 、出铁、出渣
高炉操作制度
装料制度、送风制度、热 制度、造渣制度
炼铁设备结构及工作原理
炼铁设备组成
钢铁冶金学教程ppt课件
目录
• 钢铁冶金学概述 • 炼铁工艺及设备 • 炼钢工艺及设备 • 连铸工艺及设备 • 轧制工艺及设备 • 钢铁冶金产品质量控制
01
钢铁冶金学概述
冶金学定义与分类
冶金学定义
研究从矿石中提取金属及其合金 的科学。
冶金学分类
根据研究对象的不同，冶金学可 分为黑色冶金学和有色冶金学两 大类。
1 2
轧机主机
包括机架、轧辊、轴承座、压下装置等部分，是 轧机的核心部分。通过电机驱动轧辊旋转，对金 属坯料进行压力加工。
辅助设备
包括加热炉、除鳞机、矫直机、冷却装置等，为 轧制过程提供必要的辅助条件和支持。
3
控制系统
采用先进的自动化控制系统，对轧机主机和辅助 设备进行实时监控和调整，确保生产过程的稳定 和产品的质量。
钢铁冶金学发展历程
01
02
03
古代钢铁冶金
从公元前1000多年开始， 人们就已经开始使用铁器 ，并逐渐掌握了铁的冶炼 技术。
近代钢铁冶金
18世纪工业革命后，钢铁 工业得到了迅速发展，出 现了许多新的冶炼方法和 工艺。
现代钢铁冶金
20世纪以来，随着科学技 术的不断进步，钢铁冶金 技术也在不断发展和完善 。
钢铁冶金学(炼铁)课件第3章A
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3.1.3 碳酸盐分解
炉料中碳酸盐来源： 生熔剂(石灰石、 白云石)、天然块矿 碳酸盐分解反应： FeCO3 ====== FeO + CO2 MnCO3 ====== MnO + CO2 MgCO3 ====== MgO + CO2 CaCO3 ====== CaO + CO2 碳酸盐分解条件 开始分解： Pco2 (分解压) ≥ Pco2 (炉内CO2分压) ⇐⇒ 化学沸腾： Pco2 (分解压) ≥ P总 (炉内总压) ⇐⇒ T沸 T开
当气相中CO2分压为101 kPa时 FeCO3 ： T开 = 380－400℃ MnCO3 ：T开 = 525℃ MgCO3 ：T开 = 640－668℃ CaCO3 ：T开 = 900－920 ℃ 在高炉上部低温区分解 仅消耗高炉上部多余热量 对高炉冶炼过程影响也不大 因分解温度高、耗热大， 对高炉过程影响大
(1) 在高炉冶炼过程中还原反应能否进行 ⎯⎯ (2) 反应进行的程度，即还原的数量 (3) 反应所消耗的能量 ⎯⎯ ⎯⎯ ΔG K ΔH
1. 还原的顺序性 < 570℃ > 570℃ 570℃ Fe2O3 → Fe3O4 → Fe Fe2O3 → Fe3O4 → FexO → Fe FexO → Fe3O4 + α−Fe
T or V or渣量
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钢铁冶金概论全套课件
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1.6 钢铁资源与能耗
1）我国主要自然资源现状 • 我国的四类基本资源中，耕地、淡水人均 占有量只分别相当于世界平均水平的 1/3 和 1/4 ，森林和草地只分别相当于世界平 均水平的1/7和1/3； • 能源资源中，煤炭、石油和天然气的人均 探明储量分别只有世界平均水平的 1/2 、 1/10和1/20。 • 矿产资源人均占有量只有世界平均水平的 58%，排世界第53位;
12
1.5 钢铁产品及副产品
1)钢铁冶炼产品
（1）生铁：
炼钢生铁[Si]≤1.25%
铁与C、Si、Mn、P、S组成的合金，主要由高炉生产
铸造生铁 1.25%≤[Si]≤4.25%
13
冶炼设备：转炉钢、电炉钢 脱氧程度：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢 碳素钢：低、中、高碳 合金钢：低、中、高合金
按冶炼方法分：
18
在13种主要金属原料的地区分布前五位排名上，我 国除锡（占 14.8% ）和钼（占 6.0% ）外，其余都榜上 无名。
19
2）我国主要自然资源使用现状
我国是资源和能源利用率较低的 国家之一。我国最终产品量仅占原料 投入量的20%——30%，60%以上的原料 变成了废弃物，资源回收率比世界平 均水平低20%。
1980
2002
1980
2000
23
5）我国能源消耗增长率
近三十年，我国GDP年平均增 长率为9.5%，而相应的能源消耗 增长率仅为4.2%,不到GDP年平均 增长率的一半（44%）。
24
6）钢铁工业能源消耗比例
钢铁工业是能源和资源密集 型产业 , 例如能源消耗约占世界 总能耗的10%。我国钢铁工业在上 世纪七十年代时占全国总能耗的 13%—14% ，从八十年代起有所降 低，但也在10%以上。
钢铁冶金学(炼铁部分)
钢铁冶金学(炼铁部分)第一章概论1、试述3种钢铁生产工艺的特点。
答：钢铁冶金的任务：把铁矿石炼成合格的钢。
工艺流程：①还原熔化过程（炼铁）：铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁；②氧化精炼过程（炼钢）：铁→精炼（脱C、Si、P等）→钢。
高炉炼铁工艺流程：对原料要求高，面临能源和环保等挑战，但产量高，目前来说仍占有优势，在钢铁联合企业中发挥这重大作用。
直接还原和熔融还原炼铁工艺流程：适应性大，但生产规模小、产量低，而且很多技术问题还有待解决和完善。
2、简述高炉冶炼过程的特点及三大主要过程。
答：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，只能凭借仪器仪表简介观察；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。
三大过程：①还原过程：实现矿石中金属元素（主要是铁）和氧元素的化学分离；②造渣过程：实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离；③传热及渣铁反应过程：实现成分与温度均合格的液态铁水。
3、画出高炉本体图，并在其图上标明四大系统。
答：煤气系统、上料系统、渣铁系统、送风系统。
4、归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求。
答：①高的含铁品位。
矿石品位基本上决定了矿石的价格，即冶炼的经济性。
②矿石中脉石的成分和分布合适。
脉石中SiO2和Al2O3要少，CaO多，MgO 含量合适。
③有害元素的含量要少。
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有益元素要适当。
Mn、Cr、Ni、V、Ti等和稀土元素对提高钢产品性能有利。
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矿石的还原性要好。
矿石在炉内被煤气还原的难易程度称为还原性。
褐铁矿大于赤铁矿大于磁铁矿，人造富矿大于天然铁矿，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。
《钢铁冶金》课件
钢铁冶金技术发展
钢铁冶金技术的历史
钢铁冶金技术始于古代，经历了手工冶炼、高炉冶炼、平炉冶炼等阶段，逐渐发展成为现代 化的自动化制造过程。
钢铁冶金技术的现状和趋势
现代钢铁冶金技术包括冶炼工艺优化、节能减排、自动化控制等方面，未来的发展趋势是提 高生产效率和环境友好性。
钢铁冶金的应用
钢铁冶金的应用领域
炼铁
1
炼铁流程
炼铁的基本流程包括原料准备、炉料制备、高炉冶炼和铁水处理等环节。
2
炼铁原理
炼铁过程中，通过高温和还原剂的作用将铁矿石中的氧化铁还原为金属铁，并脱除杂质。
钢铁制备
炼钢流程
炼钢的主要流程包括炉料准备、炼钢炉冶炼、钢水 调质和连铸成形。
炼钢原理
炼钢过程中，通过控制温度、氧化还原反应和冷却 速度等因素，调整钢中的碳含量和杂质含量。
《钢铁冶金》PPBiblioteka 课件钢铁冶金是指通过冶炼和制备过程将铁矿石转化为钢铁的科学与技术领域。 本课件将深入介绍钢铁冶金的流程、原理、技术发展和应用。
钢铁冶金介绍
1 钢铁冶金概念
钢铁冶金是将铁矿石经过特定的冶炼和制备过程转化为钢铁材料的过程。
2 钢铁冶金的重要性
钢铁是现代社会的基础材料，广泛应用于建筑、交通、机械等各个领域，对经济发展至 关重要。
钢铁广泛应用于建筑、桥梁、汽车、机械等各个领 域，为现代社会的发展提供了强大的支撑。
钢铁冶金的未来发展方向
未来的钢铁冶金将注重绿色制造、高强度材料、节 能降耗等方面的技术创新。
结论
1 钢铁冶金对经济的重要性
钢铁冶金是现代工业化社会的基石，对国家经济发展有着不可替代的重要作用。
2 钢铁冶金的未来前景
随着科技的不断进步和需求的不断增长，钢铁冶金将继续发展，应用领域将进一步扩大。
冶金第三章
主要内容：第一章 冶金过程热力学基础，热力学基础，反应热力学分析 第二章 冶金过程动力学基础，动力学基础，反应动力学分析 第三章 铁的还原，铁氧化物还原的热力学，动力学分析第四章 碳的氧化反应，风口前碳的燃烧，生铁渗碳，炼钢脱碳 第五章 硅，锰，铬，钒等元素的氧化和还原 第六章 磷的去除，脱磷的热力学及动力学分析 第七章 硫的脱除，脱硫的热力学及动力学分析 第八章 脱氧，脱氧的热力学动力学分析第九章 钢中的非金属夹杂物，来源，对钢性能的影响，去除 参考书目：⑴钢铁冶金物理化学，北科大，陈襄武，冶金出版社(硕士教材) ⑵冶金热力学，北科大，李文超，冶金出版社⑶★钢铁冶金原理，重庆大学，黄希祜，冶金出版社(第三版)(本科教材)第一章 冶金过程热力学基础主要内容： §1.1 化学反应的热效应及自由能变化 §1.2 溶液的热力学性质(活度及活度系数) §1.3 冶金炉渣理论和性质 §1.4 氧化还原反应热力学⑴冶金过程热力学研究的主要任务： 利用化学热力学原理，分析计算冶金反应过程的热力学函数变化，判断反应的可能性、方向性及最大限度。
⑵冶金过程动力学研究的主要任务：利用化学动力学原理，分析计算冶金反应进行的途径、机理及速度。
§1.1 化学反应的热效应及自由能变化§1.1.1 热力学函数(体系的状态函数) 一，焓H ：pV U H +=(U ：内能)焓H 又称为热焓，它是体系的状态函数。
一个体系在等压下发生状态变化时，其焓变即为该过程的热效应。
备注：U ：体系内质点所具有的总能量。
1221H H dT C H q T T p p -==∆=⎰二，熵S ：熵也是体系的状态函数，体系中质点排列的状态数越多，越混乱，S 值越大，自发过程总是向着熵增大的方向进行。
备注：S ：体系中排列混乱的度量。
对于可逆过程，Tq dS 可δ=Tq S S S 可=-=∆12T q dS 可δ≥不可逆 可逆 (状态变化时)绝热过程：0≥dS 不可逆可逆(自发)三，吉布斯自由能G ：TS H G -=，TS H G -∆=∆ 对于等温等压过程，0≤∆G 自发平衡态§1.1.2 热力学函数之间的关系根据U 、H 、S 、G 等热力学状态函数的定义及其性质可得出共同的关系式：另：0,≥V U dS 。
第三章钢铁冶金原理铁的还原
铁的还原
地壳中铁的储量比较丰富，仅次于O、Si、Al而居于第4位。 自然界中铁不能以纯金属状态存在，绝大多数形成氧化物、硫化物及硫 酸盐。常用的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、褐铁矿(nFe2O3.m H2O)、菱铁矿(FeCO3)4种。在炼铁过程中，这些矿物被还原成铁。 §3.1.1 还原反应的热力学 1、铁氧化物的特性 • Fe2O3、Fe3O4、FexO(x：0.87-0.95，含氧量25.60-23.26%) • 理论含铁量：铁矿石中含铁氧化物的含铁量。 • Fe2O3：70% Fe3O4：72.4% • 还原难易程度：易→难， Fe2O3→Fe3O4→FexO（温度、还原剂用量）
§3.1.2 铁氧化物还原的动力学
将正在还原中的矿球急冷剖开，断面分层结构，表明还原反应时逐级进 行 的 。 为 典 型 的 气 - 固 相 未 反 应 核 模 型 。 因 FexO→Fe 最 慢 ， 一 般 只 讨 论 FexO→Fe一个未反应核模型。据此模型，矿石的性质、煤气成分、还原温度 对还过程有影响。 1、矿石的性质： 矿物组成、结构、气孔率等因素对还原均有影响 人造富矿>天然矿；赤铁矿>磁铁矿 2、还原温度： T↑，k↑，D↑，Ek：62.8-117.2
3Fe2 O3 ( S ) + CO = 2 Fe3O4 (S ) + CO2 , ∆G 0 = −52131 − 41.0TJ ⋅ mol −1
(1)
1 3 Fe3O4 ( S ) + CO = Fe( S ) + CO2 , ∆G 0 = −9382 + 8.58TJ ⋅ mol −1 4 4
CO+CO2的总mol数相等。 各反应达平衡时的CO%含量（体积）成为气相平衡组成。 CO%
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第三章
3.1.1 物理水蒸发
高炉冶炼过程的物理化学
3.1 蒸发、分解与气化
炉 料 物 理 水 来 源
p 原燃料的吸附水 焦炭含水2~5%、天然块矿和熔剂含水~2%； p 雨季造成的炉料带入的物理水 p 高炉顶温高时炉顶打水带入的物理水
80
H2,CO (%)
60 80
CO
80
60Biblioteka 40Fe3O4 FeO
40
20 570℃ 810℃
20
500
700
900
1100
1300
温度 (℃)
图 3－3
FeO-O-C 和 Fe-O-H 体系中平衡气相组成
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H2,CO (%)
当气相中CO2分压为101 kPa时 FeCO3 ： T开 = 380－400℃ MnCO3 ：T开 = 525℃ MgCO3 ：T开 = 640－668℃ CaCO3 ：T开 = 900－920 ℃ 在高炉上部低温区分解 仅消耗高炉上部多余热量 对高炉冶炼过程影响也不大 因分解温度高、耗热大， 对高炉过程影响大
H2： 3 Fe2O3 + H2===== 2 Fe3O4 + H2O + Q Fe3O4 + H2===== 3 FeO + H2O − Q FeO + H2===== Fe + H2O −Q −Q
(1’) (2’) (3’) (4’)
1/4 Fe3O4 + H2===== 3/4 Fe + H2O
与脉石氧化物结合的结晶水 高岭土：Al2O3 2SiO2 2H2O 莫来石：(Fe Al)2O3 3SiO2 2H2O 500℃开始分解，吸热较多
炉料结晶水蒸发对高炉冶炼过程的影响 由于某种原因，当结晶水(20~50%)析出过晚，在>800℃的高 温区析出时，则会发生水煤气反应： H2O + C ====== H2 + CO − 7285 kJ/kgH2O (5860 kJ/m3H2O) 危害： 强烈吸热，消耗大量高温区宝贵热量 消耗固体碳素C，破坏焦炭强度 CO在上升过程中利用率不高 产生的还原性煤气H2、 （高炉中下部冷却器漏水时，也会发生类似问题。〕
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碳酸钙分解对高炉冶炼的影响
大约有50%左右的CaCO3 在1000℃以上的高温区发生分解 CaCO3 高温分解产生的 CO2 在炉内与 C 会发生 碳素熔损反 应: CO2 + C ====== 2 CO − 165.7 kJ/mol 危害： 分解反应本身要消耗高炉内的热量 分解反应放出的CO2冲淡了还原气体的浓度 与碳反应强烈吸热，消耗大量高温区宝贵热量 消耗固体碳素C，减少还原和热量作用的碳素 破坏焦炭强度(使得焦炭料柱骨架作用减弱)
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2. 各种铁氧化物还原的热力学 用CO、H2还原的还原反应 (间接还原)： CO： 3 Fe2O3 + CO ===== 2 Fe3O4 + CO2 (1) Fe3O4 + CO ===== 3 FeO + CO2 FeO + CO ===== Fe + CO2 −Q +Q (2) (3) +Q
3.33×12 ⁄ 56 = 0.7136 kgC， = 0.84 kg焦炭， 来制造还原剂CO。
即，还原每kg铁，需消耗
在高炉中 100％的用气体还原 剂还原铁氧化物（间接还原） ， 不是最经济的！
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炉料物理水的去向
炉顶(煤气)温度在200℃左右； 在>100℃蒸发， 以水蒸汽进入炉顶煤气。
炉料物理水蒸发对高炉冶炼过程的影响
物理水升温、蒸发吸热，可使炉顶温度降低； 消耗高炉上部多余热量，对冶炼过程影响不大 !
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气体还原剂过剩系数的计算
由“叉子”曲线，以CO为例，在1000℃下还原FeO CO平衡 ≈ 70% CO利用率： η CO =
%CO2 ≈ 30% %CO + %CO2
故 为使还原反应持续进行，同时抑制逆反应， 要求气体还原剂过量 FeO + n CO ====== Fe + CO2 + (n −1) CO 式中 n 称为过剩系数。 由 ⇒
Kp = %CO2 1 = %CO n−1 1 Kp
n = 1+
⇒
n=
1
η CO
故 1000℃下，
n = 1 ⁄ 0.3 ≈ 3.33
3.1.5 气化
少量低沸点物质在高炉中可发生气化(蒸发或升华)
K2O、Na2O、ZnO、PbO、As2O3、Sb2O3 以及 SiO、CS、C2S等
危 害
“循环富集” ⎯→ 下部气化、上部冷凝 渗入砖衬缝隙，破坏炉衬 阻塞炉料孔隙， 降低炉料强度， 增加煤气流阻力 ⇒ 高炉难行、悬料、炉墙结厚及结瘤等 解决方案： 限制入炉量 增大随炉顶煤气逸出的量－T or V 增加随炉渣排出的量－R or渣量 要付出代价 ⎯→ 消极措施，
对
策
高炉应尽量使用全熟料(高碱度烧结矿或自熔 性烧结矿配加酸性氧化球团矿)入炉 ， 以少加 或不加石灰石; 以生石灰（CaO）代替石灰石; 适当减少石灰石的粒度。
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分析CO和H2还原铁氧化物的区别
对CO还原，除Fe3O4 FeO曲线向下斜（为吸热反应）之外， 其余均为向上斜（为放热反应） ； 对H2还原，全部曲线向下斜，均为吸热反应。 在低于810℃时， CO的还原能力 > H2的还原能力 在高于810℃时， H2的还原能力 > CO的还原能力 由水煤气置换反应得以解释： ΔG° = −30460 + 28.137T J/mol lg Kp = 1591⁄ T − 1.470 当>810℃时，ΔG°>0，反应向左进行 ⇒ H2夺氧能力强于CO 当<810℃时，ΔG°<0，反应向右进行 ⇒ CO夺氧能力强于H2 CO + H2O ==== CO2 + H2 对CO还原，FeO Fe线位置最高，故 FeO → Fe 最难还原 对H2还原，Fe3O4 Fe线位置最高，故 Fe3O4 → Fe 最难还原 H2分子量小，粘度低，易扩散，故其还原的动力学条件较好。
(1) 在高炉冶炼过程中还原反应能否进行 ⎯⎯ (2) 反应进行的程度，即还原的数量 (3) 反应所消耗的能量 ⎯⎯ ⎯⎯ ΔG K ΔH
1. 还原的顺序性 < 570℃ > 570℃ 570℃ Fe2O3 → Fe3O4 → Fe Fe2O3 → Fe3O4 → FexO → Fe FexO → Fe3O4 + α−Fe
⇒
%CO =
100 1 + Kp 100 1 + K' p
%H 2 =
又
Kp = f(t)
K’ p = f’ (t)
即平衡常数为温度的函数
将Kp和K’ p与温度的关系式(书中表3−2)代入， 求得各反应不同温度下的平衡浓度%CO和%H2， 作图得到“叉子曲线”(书中图3−6)。
H2 80
Fe3O4 Fe FeO Fe
平衡常数
Kp = %CO2 ⁄ %CO K’ p = %H2O ⁄ %H2
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∵ ∴
%CO2 + %CO = 100
Kp = 100 − %CO %CO
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3.1.3 碳酸盐分解
炉料中碳酸盐来源： 生熔剂(石灰石、 白云石)、天然块矿 碳酸盐分解反应： FeCO3 ====== FeO + CO2 MnCO3 ====== MnO + CO2 MgCO3 ====== MgO + CO2 CaCO3 ====== CaO + CO2 碳酸盐分解条件 开始分解： Pco2 (分解压) ≥ Pco2 (炉内CO2分压) ⇐⇒ 化学沸腾： Pco2 (分解压) ≥ P总 (炉内总压) ⇐⇒ T沸 T开
T or V or渣量
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