钢铁冶金学二
钢铁冶金学教学大纲
2023-2023 学年《钢铁冶金学Ⅰ》教学内容和教学安排一、课程教学内容与学时安排课堂教学〔45 学时〕1.概论〔4 学时〕1.1钢铁工业的进展概况1.2钢铁生产流程和炼铁工艺特点1.3高炉炼铁过程概述〔原、燃料，产品，技术经济指标，工艺流程，炉内主要过程〕2.铁矿粉造块〔6 学时〕2.1铁矿粉造块的目的和意义2.2烧结过程的理论及工艺〔主要反响，固结机理，传输现象，工艺及技术〕2.3球团过程的理论及工艺〔生球成型、枯燥、焙烧，工艺过程，特种造块方法〕2.4人造富矿的质量检验及高炉炉料构造3.高炉冶炼过程的物理化学〔10 学时〕3.1蒸发、分解与气化反响3.2复原过程〔铁的氧化物特性，复原热力学、动力学，间接、直接复原，耦合反响等〕3.3炉渣〔造渣的目的，造渣过程，炉渣的理化性能，炉渣脱硫，炉渣排碱〕3.4高炉炉缸反响〔固体碳气化的一般规律，风口区碳的燃烧，燃烧带及鼓风动能等〕4.高炉冶炼过程的传输现象〔4 学时〕4.1高炉中的动量传输〔一般规律，有效重量，流态化，充液散料层的流体力学现象等〕4.2高炉内的热量传输〔炉内热量分布规律，水当量，上、下部热交换，传热方式等〕5.高炉冶炼能量利用〔6 学时〕5.1高炉能量利用指标5.2高炉能量利用计算分析〔生产高炉的计算，设计高炉的计算，理论焦比计算〕5.3高炉能量利用图解分析〔rd-C 图解，Rist 操作线图解〕6.高炉炼铁工艺及技术〔10 学时〕6.1高炉炼铁生产原则及根本操作制度6.2高压操作技术6.3高风温操作技术6.4喷吹煤粉技术6.5富氧和综合鼓风技术7.高炉过程的计算机应用概述〔2 学时〕7.1高炉过程的计算机应用特点7.2高炉过程的数学模型及专家系统8.非高炉炼铁概述〔2 学时〕8.1直接复原炼铁法原理及工艺8.2熔融复原炼铁法原理及工艺9.复习总结〔1 学时〕二、教材与参考书教材1. 王筱留等编，《钢铁冶金学〔炼铁局部〕》，冶金工业出版社，2023 年，第2 版参考书1.周取定等编，《铁矿粉造块理论与工艺》，冶金工业出版社，1989 年，第2 版2.A.K.比斯瓦斯著，齐宝铭等译，《高炉炼铁原理》，冶金工业出版社，1989 年，第1 版3.秦民生编，《非高炉炼铁》，冶金工业出版社，1988 年，第1 版4.周传典编，《高炉炼铁生产技术手册》，冶金工业出版社，2023 年，第1 版三、思考题和大作业思考题：第一章5-7 题；其次章6-8 题；第三章10-12 题；第四章6-8 题；第六章8-10 题；第七章2-4 题；第八章2-4 题。
钢铁冶金学炼钢学 ppt课件
磷在钢中是以[Fe3P]或[Fe2P]形式存在，但 通常是以[P]来表达。炼钢过程的脱磷反应是在金
属液与熔渣界面进行的。
不同用途的钢对磷的含量有严格要求：
非合金钢中普通质量级钢[P]≤0.045%；
优质级钢
[P]≤0.035%；
特殊质量级钢
[P]≤0.025%；
有的甚至要求
[P]≤0.010%。
有些钢种:炮弹钢，耐腐蚀钢需加P元素。
炼 钢 方 法（4）
1878年英国人托马斯发明了碱性炉衬的 底吹转炉炼钢法，即托马斯法。他是在 吹炼过程中加石灰造碱性渣，从而解决 了高磷铁水的脱磷问题。当时，对西欧 的一些国家特别适用，因为西欧的矿石 普遍磷含量高。但托马斯法的缺点是炉 子寿命底，钢水中氮的含量高。
炼 钢 方 法（5）
1899年出现了完全依靠废钢为原料的电 弧炉炼钢法(EAF)，解决了充分利用废钢 炼钢的问题，此炼钢法自问世以来，一 直在不断发展，是当前主要的炼钢法之 一，由电炉冶炼的钢目前占世界总的钢 的产量的30-40%。
钢中氧含量高，还会产生皮下气泡，疏松等缺陷， 并加剧硫的热脆作用。在钢的凝固过程中，氧将 会以氧化物的形式大量析出，会降低钢的塑性， 冲击韧性等加工性能。 一般测定的是钢中的全氧，即氧化物中的氧和溶 解的氧之和，在使用浓差法定氧时才是测定钢液 中溶解的氧，在铸坯或钢材中取样时是全氧样。
脱氧的任务
从低碳钢高温下的拉伸实验发现提高[Mn]/[S] 比可以提高钢的热延展性。一般[Mn]/[S]≥7时不 产生热脆。
图1-2 [Mn]/[S]比对低碳钢热延展性的影响
硫还会明显降低钢的焊接性能，引起高温龟裂， 并在焊缝中产生气孔和疏松，从而降低焊缝的强 度。硫含量超过0.06%时，会显著恶化钢的耐蚀 性。硫还是连铸坯中偏析最为严重的元素。
钢铁冶金概论第二章 高炉炼铁-主要物理化学反应与操作工艺
（1）CaCO3在高炉中的分解吸热
CaCO3 ( s) CaO( s ) CO2 ( g ) 42500kcal
每100kg CaCO3分解吸收的热量是6kg焦炭燃烧产生 的热量。 （2）CaCO3在进入高温区分解产生的CO2，其中 50%参与焦炭溶损反应，该反应900℃开始，1000℃ 剧烈进行，大量吸热，降低焦炭热强度
高岭土（Al2O3· 2O）中的结晶水： 2H
400℃开始→500~600 ℃剧烈分解
大颗粒矿传热慢，尽管矿粒表面温度已达到剧烈 分解温度，但内部温度还很低，当内部温度达到 剧烈分解温度时，表面温度已很高，分解出来的 水会与焦炭反应。
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500~900 ℃
T> 900 ℃
C + 2H2O = CO2 + H2
这些碳酸盐分解 发生在低温区， 对高炉冶炼影响 不大
T沸1 720 ~ 780C T沸2 900C
3）白云石
MgCO3 CaCO3 ( s) MgO( s) CaCO3 ( s) CO2 ( g ) MgO( s) CaO( s) 2CO2 ( g )
4）碳酸铁
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T<1000°C
上缘T:1150~1200℃ 矿石开始软化收缩
下缘T: 1400°C,渣铁 开始熔融滴落 包括活性焦炭区 和呆滞区
鼓风T为1100~1300℃， 在风口前端形成回旋 区向炉缸中心延伸， 产生大量热量和CO， 产生空间使炉料下降
T为1400~1500°C
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(FeO) + C焦炭 = [Fe] + CO -36350kcal/kmol
钢铁冶金学（炼铁部分）
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。
钢铁冶金学(炼钢部分)
耐火材料融损及 卷入
炼钢任务：
9)凝固成型
12
炼钢的基本任务：
1、脱碳； 2、脱磷； 3、脱硫； 4、脱氧； 5、脱氮、氢等； 6、去除非金属夹杂物； 7、合金化； 8、升温； 9、凝固成型 。
13
主要炼钢工艺： 铁水预处理； 转炉或电弧炉炼钢； 炉外精炼（二次精炼）； 连铸。
14
3
伴随脱碳反应， 钢的熔点提高。
炼钢任务： 4)升温
1200℃ 1700℃
4
伴随脱碳反应，钢液[O]含量增加。
C(石墨)+1/2O2=CO C(石墨)=[C] 1/2O2=[O]
[C]+[O]=CO
G＝－116204－83.617040－2.88T[2]
G＝－20482－38.94T
[1]Reed Thomas, Free Energy of Formation of Binary Compounds, MIT Press, 1971 [2]J.F. Elliott, Thermochemistry for Steelmaking, Vol.2, Addison-Wesley 1963
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熔池在氧流作用下形成的强烈运动和高度弥散的气 体－熔渣－金属乳化相，是吹氧炼钢的特点。
1－氧枪 2－乳化相 3－CO气泡 4－金属熔池 5－火点 6－金属液滴 7－作用区释放出的 CO气泡 8－溅出的金属液滴 9－烟尘
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2、铁的氧化和还原
向熔池吹氧时
第一步，气体氧分子分解并吸附在铁的表面：
5
0.6
炼钢任务：
¬ wt% [O]£
1650¡ æ 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
冶金工程的二级学科和三级学科
冶金工程作为一门重要的工科学科，涉及到广泛的知识领域和专业技术。
在冶金工程领域中，二级学科和三级学科是非常重要的细分学科，对于学科体系的建立和发展有着重要的作用。
本文将围绕冶金工程的二级学科和三级学科展开讨论，探讨其研究内容、学科特点和发展趋势。
一、冶金工程的二级学科1.1 金属材料学金属材料学是冶金工程的一个重要二级学科，主要研究金属材料的组织结构、性能及其加工制备过程。
其研究内容涉及金属材料的晶体结构、力学性能、热处理工艺等方面，是冶金工程中的基础学科之一。
1.2 冶金物理化学冶金物理化学是冶金工程中的另一个重要二级学科，主要研究金属材料的物理化学性质及其在冶金过程中的应用。
其研究内容涉及金属的相变规律、溶质扩散动力学、金属表面化学反应等方面，对于提高金属材料的性能和开发新型金属材料具有重要意义。
1.3 冶金工艺学冶金工艺学是冶金工程中的另一个重要二级学科，主要研究金属材料的提取、精炼、合金化及成形加工等工艺过程。
其研究内容涉及矿石选矿、冶炼炉的设计与运行、金属材料的成形加工工艺等方面，是冶金工程中的应用学科之一。
二、冶金工程的三级学科2.1 有色金属冶金有色金属冶金是冶金工程中的重要三级学科，主要研究有色金属（如铜、铝、镁、锌等）的提取、精炼及其合金化工艺。
其研究内容涉及有色金属矿石的选矿提炼、湿法冶炼、电解精炼等方面，对于推动有色金属工业的发展具有重要意义。
2.2 钢铁冶金钢铁冶金是冶金工程中的另一个重要三级学科，主要研究铁、钢的提炼、精炼及其热处理工艺。
其研究内容涉及高炉冶炼、转炉精炼、钢铁热加工工艺等方面，是冶金工程中的重要应用学科。
2.3 冶金材料工程冶金材料工程是冶金工程中的另一个重要三级学科，主要研究金属材料的性能设计、成形加工及其在工程领域中的应用。
其研究内容涉及金属材料的强化改性、组织控制、材料表面工程等方面，对于提高金属材料的性能和拓展其应用领域具有重要意义。
三、冶金工程学科发展趋势3.1 多学科交叉融合随着科学技术的发展，冶金工程学科与材料科学、化工工程、机械工程等多个学科之间的交叉融合日益增多。
(完整版)钢铁冶金学试题(B)及答案
钢铁冶金学试卷（B ）院(系) 班级 学号 姓名（注：答题需在答题纸上进行，请不要在试卷上答题，否则将被扣分。
）一、名词解释题（每题3分，共18分）1. 高炉冶炼强度2. HPS3. 高炉渣熔化性温度4. 高炉的悬料5. 高炉的硫负荷6. FINEX 炼铁工艺二、判断题 ( 每题 1.5分 ，共 30 分 ) （对：√，错：×。
）1. “假象”赤铁矿的结晶结构未变，而化学成分已变为Fe 2O 3。
2. 一般要求焦炭的反应性高，而煤粉的反应性则要低。
3. 高炉风口喷吹的煤粉，有少量是与煤气中的CO 2反应而气化的。
4. 高炉炉身上部炉墙的耐火材料一般选择使用碳砖。
5. 烧结料层的自动蓄热现象，主要是由于燃料在料层中的偏析所致。
6. 提高烧结矿碱度有助于增加烧结矿中铁酸钙矿物的含量。
7. 实现厚料层烧结工艺的重要技术措施是烧结偏析布料。
8. 对酸性氧化球团矿的焙烧效果而言,赤铁矿优于磁铁矿。
9. 原燃料中的Al 2O 3在高炉内可被少量还原而进入生铁。
10. 高炉内渣铁反应的最终结果由耦合反应的平衡常数所决定。
11.高炉炉渣的表面张力过小时，易造成渣中带铁，渣铁分离困难。
12.导致高炉上部悬料的主要原因之一是“液泛现象”。
13.高炉风口前碳的燃烧反应的最终产物是CO2。
14.高炉实施高压操作后，鼓风动能有增大的趋势。
15.高炉脱湿鼓风，有提高风口理论燃烧温度的作用。
16.高炉内进入间接还原区的煤气体积小于炉缸产生的煤气体积。
17.具有倒V型软熔带的高炉，其中心煤气流比边缘煤气流发达。
18.为了抑制边缘煤气流，可采取“高料线”或“倒装”的装料制度。
19.高炉富氧鼓风，有助于提高喷吹煤粉的置换比。
20.目前最成熟的直接还原炼铁工艺是煤基直接还原炼铁法。
三、简答题（每题8分，共24分）1. 简述酸性氧化球团矿生产工艺，说明该类球团矿的焙烧固结机理。
2. 简述风口喷吹煤粉对高炉冶炼过程的影响，并说明其原因。
《钢铁冶金》第二章铁矿烧结
四、燃料燃烧和传热
❖ 烧结料中固体碳的燃烧为形成粘结所必须的液相和进行 各种反应提供了必要的条件(温度、气氛)。烧结过程所需 要的热量的80~90%为燃料燃烧供给。然而燃料在烧结混 合料中所占比例很小，按重量计仅3~5%，按体积计约 10%。在碳量少，分布稀疏的条件下，要使燃料迅速而 充分地燃烧，必须供给过量的空气，空气过剩系数达 1.4~1.5或更高。
❖ 随着烧结过程的进行，燃烧层向下移动，烧结矿层增厚， 自动蓄热作用愈显著，愈到下层燃烧温度愈高。这就出现 上层温度不足(一般为1150℃左右)，液相不多，强度较低， 返矿较多；而下部温度过高，液相多，过熔，强度虽高而 还原性差，即上下烧结矿质量不均的现象。为改善这种状 况，提出了具有不同配碳量的双层或多层烧结的方法。即 上层含碳量应高于平均含碳量，而下层应低于平均含碳量， 以保证上下层温度均匀，质量一致。而且节省燃料。苏联 采用分层烧结某矿粉，下部含碳量低1.2%，节省燃料10%， 联邦德国某厂使用双层烧结，节省燃料15%，日本用此法 节省燃料10%。
❖ 随着烧结料层的增厚，自动蓄热量增，有利于降低燃料 消耗，但随着料层厚度增加，蓄热量的增加逐渐减少，所 以燃耗降低幅度也减小。当烧结矿层形成一个稳定的蓄热 层后，则蓄热量将不再增加，燃耗也不再降低。因此，从 热量利用角度看，厚料层烧结是有利的，但不是愈厚愈好， 在一定的条件下，存在着一个界限料层高度。同时料层高 度的进一步增加还受到透气性的限制。
❖ 在某一层中可能同时进行几种反应，而一种反应又可能在几层中进行。 下面对各过程分别进行研究和讨论。
二、烧结料中水分的蒸发、分解和凝结
❖ 任何粉料在空气中总含有一定水分，烧结料也不例外。除 了各种原料本身带来和吸收大气水分外，在混合时为使矿 粉成球，提高料层透气性，常外加一定量的水，使混合料 中含水达7~8%。这种水叫游离水或吸附水。100℃即可 大量蒸发除去。如用褐铁矿烧结，则还含有较多结晶水 (化合水)。需要在200~300℃才开始分解放出，若含有粘 土 质 高 岭 土 矿 物 (Al2O3·2SiO2·H2O) 则 需 要 在 400~600℃ 才能分解，甚至900~1000℃才能去尽。
钢铁冶金学(炼钢部分).
钢铁冶金学（炼钢部分）第一部分炼钢的基本任务1、钢和生铁的区别？答：C < 2.11%的Fe-C合金为钢；C > 1.2%的钢很少实用；还含Si、Mn等合金元素及杂质。
生铁硬而脆，冷热加工性能差，必须经再次冶炼才能得到良好的金属特性；钢的韧性、塑性均优于生铁，硬度小于生铁。
2、炼钢的基本任务？答：钢铁冶金的任务是由生产过程碳、氧位变化决定的。
炼钢的基本任务分为脱碳，脱磷，脱硫，脱氧，脱氮、氢等，去除非金属夹杂物，合金化，升温（1200°C→1700°C），凝固成型，废钢、炉渣返回利用，回收煤气、蒸汽等。
3、钢中合金元素的作用？答：C：控制钢材强度、硬度的重要元素，每1％[C]可增加抗拉强度约980MPa；Si：增大强度、硬度的元素，每1％[Si]可增加抗拉强度约98MPa；Mn：增加淬透性，提高韧性，降低S的危害等；Al：细化钢材组织，控制冷轧钢板退火织构；Nb：细化钢材组织，增加强度、韧性等；V：细化钢材组织，增加强度、韧性等；Cr：增加强度、硬度、耐腐蚀性能。
4、钢中非金属夹杂物来源？答：5、主要炼钢工艺流程？答：炒钢→坩埚熔炼等→平炉炼钢→电弧炉炼钢→氧气顶吹转炉炼钢→氧气底吹转炉和顶底复吹炼钢。
主要生产工艺为转炉炼钢工艺和电炉炼钢工艺。
与电炉相比，氧气顶吹转炉炼钢生产率高，对铁水成分适应性强，废钢使用量高，可生产低S、低P、低N的杂质钢，可生产几乎所有主要钢品种。
顶底复吹工艺过氧化程度低，熔池搅拌好，金属-渣反应快，控制灵活，成渣快。
现代炼钢流程：炼铁，炼钢（铁水预处理、炼钢、炉外精炼），连铸，轧钢，主要产品。
第二部分炼钢的基本反应1、铁的氧化和熔池的基本传氧方式？答：火点区：氧流穿入熔池某一深度并构成火焰状作用区(火点区)。
吹氧炼钢的特点：熔池在氧流作用下形成的强烈运动和高度弥散的气体－熔渣－金属乳化相，是吹氧炼钢的特点。
乳化可以极大地增加渣－铁间接触面积，因而可以加快渣－铁间反应。
钢铁冶金学(炼钢学)
02 炼钢原料及预处理
炼钢原料种类及性质
A
铁矿石
主要含铁矿物，分为磁铁矿、赤铁矿等，是炼 钢的主要原料之一。
废钢
来自报废的汽车、建筑、机器等，是炼钢 的重要原料之一，具有可回收性和环保性。
B
C
熔剂
如石灰石、白云石等，用于造渣和脱硫，保 证钢的质量。
合金元素
如铬、镍、钨等，用于提高钢的力学性能和 耐腐蚀性。
特点
钢铁冶金学是一门综合性很强的 技术科学，它涉及地质、采矿、 选矿、冶炼、金属加工和金属材 料性能等多方面的知识。
炼钢学发展历史及现状
发展历史
炼钢学的发展经历了漫长的岁月，从 古代的铁匠铺到现代的钢铁联合企业 ，炼钢技术不断得到改进和完善。
现状
目前，炼钢学已经成为一门高度自动 化的技术科学，采用了许多先进的工 艺和设备，如高炉炼铁、转炉炼钢、 电炉炼钢等。
钢铁冶金学(炼钢学)
目录
• 绪论 • 炼钢原料及预处理 • 炼钢工艺过程及设备 • 炉外精炼技术与应用 • 连铸技术与发展趋势 • 节能环保与资源综合利用 • 课程总结与展望
01
绪论
钢铁冶金学定义与特点
定义
钢铁冶金学是研究从矿石中提取 金属，并用各种加工方法制成具 有一定性能的金属材料的学科。
01
02
03
04
高炉
用于将铁矿石还原成生铁的主 要设备，具有高温、高压、高
还原性的特点。
转炉
用于将生铁和废钢转化为钢水 的重要设备，通过吹氧和加入 造渣剂去除杂质和调整成分。
电炉
利用电能加热原料进行熔炼的 设备，具有灵活性高、环保性
好的优点。
连铸机
将钢水连续浇铸成坯或板的设 备，提高了生产效率和产品质