冶金工程概论复习资料

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⑴火法冶金

它是指在高温下矿石经熔炼与精炼反应及熔化作业使其中的金属和杂质分开，获得较纯金属的过程。整个过程可分为原料准备、冶炼和精炼三个工序。过程所需能源，主要靠燃料燃烧供给，也有依靠过程中的化学反应热来提供的。

⑵湿法冶金

它是在常温或低于100℃下，用溶剂处理矿石或精矿，使所要提取的金属溶解于溶液中，而其它杂质不溶解，然后再从溶液中将金属提取和分离出来的过程。该方法包括浸出、分离、富集和提取等工序。

生铁是合碳量3％～4%的Fe-C合金．并含有少量硅、锰、硫、磷．其质地硬而脆，不能锻压，主要用于铸造。

1.1 铁矿石及其分类

1、磁铁矿石

2、赤铁矿石

3、褐铁矿

4、菱铁矿矿石

(1) 焦炭在高炉内作用。

焦炭在高炉冶炼中主要作为发热剂，还原剂和料柱骨架。

?焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使

高炉内的各种物理化学反应得以进行。高炉炼铁过程中的热量有70~80%来自焦炭的燃烧。

?焦炭燃烧产生的CO及焦炭中的固定碳是铁矿石的还原剂。

?在高温下铁矿石被还原和熔融，只有焦炭起到料柱的骨架作用支持料柱，保持炉内有

较好的透气性，特别是在高炉下部区料柱的透气性完全由焦炭来维持。

3.1.1 高炉冶炼过程及其特点

?高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁

原料的铁，从氧化物或矿物状态（如Fe

2O

3

、Fe

3

O

4

、Fe

2

SiO

4

、Fe

3

O

4

·TiO

2

等）还原为液

态生铁。

?冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出

3.1.2 高炉炼铁的原料和产品

?高炉冶炼的主要原料是铁矿石、燃料、鼓风。

?高炉冶炼的主要产品是生铁，副产品为高炉渣和高炉煤气。

⑺高炉一代寿命（炉龄）

从高炉点火开炉到停炉大修之间的历程，或高炉相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命。

画图

⑴高炉内型

——高炉其内部工作空间的形状，即通过高炉中心线的剖面轮廓。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。

高炉内型尺寸表示方法：

第四章非高炉炼铁

当前非高炉炼铁法可归纳为两大类：

直接还原法和熔融还原法

铁水预脱硅方法：高炉铁水沟投入法、顶喷法、铁水罐(或鱼雷罐)喷吹法。

铁水预脱磷方法：机械搅拌法、喷吹法和转炉双联法。

第六章炼钢基本原理

6.1 炼钢的基本任务

炼钢：将废钢、铁水等炼成具有所要求化学成分的钢，并使钢具有一定的物理化学性能和力学性能。

碳的氧化在炼钢过程中的作用：

⑴熔池中排出的CO使钢液产生沸腾现象．使熔池受到激烈的搅拌，起到均匀熔池成分和温度的作用；

⑵大量的CO气泡通过渣层是产生泡沫渣和气—渣—金三相乳化的重要原因；

⑶上浮的CO气泡有利于钢中气体和夹杂物的排出，从而提高钢的质量。

7.1.3 氧化剂

⑴氧气

⑵铁矿石

⑶氧化铁皮

7.2.1 转炉炉体及转炉倾动系统

转炉的构造及设备包括炉体、托圈、耳轴及倾动机构。

(1) 炉体

1) 转炉炉型：指新砌砖的转炉由耐火材料构成的内部形状尺寸，即为炉膛的几何形状。

2) 类型：主要有，筒球型、锥球型、截锥型。

转炉炉型

1) 转炉炉型：指新砌砖的转炉由耐火材料构成的内部形状尺寸，即为炉膛的几何形状。

2) 类型：国内外转炉炉型主要有筒球型、锥球型和截锥型三种。

我国推荐用转炉炉型是筒球型和截锥型，容量100 t 以下的转炉一般采用截锥型活炉底，容量在150 t 以上的转炉一般采用筒球型死炉底。此外，有些炉子也用锥球型和大炉膛转炉。转炉炉型目前有从细高向矮胖演变的趋势。

⑴一炉钢的冶炼过程

①上炉出完钢后，加改质剂调整炉渣粘度，溅渣护炉后倒完残余炉渣，然后堵出钢口。

②加入底石灰，减缓废钢对炉衬的冲击。

③装入废钢和铁水后，摇正炉体，下降氧枪至规定枪位，开始吹炼。加入石灰保证炉渣碱度，加入轻烧白云石保证(％MgO)。

④当氧流与熔池面接触时，碳、硅、锰开始氧化，称为“点火”，点火后约几分钟，初渣形成并覆盖于熔池面。随着硅、锰、磷、碳的氧化，熔池温度升高，火焰亮度增加，炉渣起泡，并有小铁粒从炉口喷溅出来、此时应适当降低枪位。

⑤吹炼中期：脱碳反应激烈，渣中(％FeO)降低，致使炉渣熔点增高和粘度加大．并可能出现稠渣(“返干“)现象。此时应适当提高枪位，并可加入氧化铁皮(或矿石)、可考虑加入萤石。但要防止“喷溅”。

⑥吹炼末期：[％C]降低，脱碳反应减弱，火焰变短而透明。确定吹炼终点，并提枪停止供氧(称为“拉碳”)、倒炉测温取样，若碳、温合适，则出钢，否则补吹后出钢。

⑦出钢前挡渣帽，出钢程中加入脱氧剂和铁合金进行脱氧合金化，在出钢末期加挡渣塞。

8.2 现代炼钢电弧炉的构造

电弧炉的炉体由金属构件和耐火材料砌成的炉衬两部分组成。炉体的金属构件又包括炉壳、炉门、偏心出钢炉底、炉顶圈和电极密封圈等组成。

8.5 碱性电弧炉氧化法冶炼工艺

配料装料

⑶熔化期

目的是将固体炉料熔化成液体．以便在氧化期和还原期改变钢液成分，去除有害杂质(硫、磷、碳、氧、氮和氢)和非金属杂物。在熔化期还应减少钢液的吸气。去除部分硫、磷。去除炉料中的硅、锰、铝等元素。

熔化期指从通电开始到炉料全部熔清为止。熔化期占总冶炼时间的50％～70%左右．耗电量占全炉总电耗的60～80％左右。

任务：在保证炉体寿命的前提下，将抉状的固体炉料快速熔化，并加热升温至氧化温度；

造好熔化期炉渣。以便稳定电弧，早期去磷．减少钢液吸气与挥发。

炉内炉科的熔化过程大致分为启弧、穿并、电极抬升、熔化未了四个阶段。

⑷氧化期

任务主要是：去P、氧化调整钢液含碳量和升温、去除钢中气体(N、H)和去除钢液中氧化物夹杂。⑸还原期

还原期为碱性电弧炉所特有。采用炉外精炼后，还原期的任务转到了精炼炉中。

还原期的任务是：脱氧、脱硫、调整钢液的化学成分和调整钢液的温度到出钢温度。

8.6 电弧炉炼钢的新技术及发展趋势

⑴废钢预热技术

电炉钢产生的高温废气温度约1200～1400℃，烟气的热量可占到电弧炉热量总收入的20％左右，利用高温废气对废钢进行预热从而达到降低电耗的目的。

目前废钢预热方法主要有：连续电弧炉、双壳电炉、竖式电炉。

⑶偏心底出钢电弧炉

特点:将出钢口移到炉壳外边，便于维护与检修。

在原出钢侧安装一个突出炉壳的出钢箱以取代原来的出钢槽。实现无渣出钢及留钢留渣操作。

优点:

（1）可实现无渣出钢和留钢留渣操作。

（2）增加电弧炉水冷炉壁的水冷面积。

（3）炉体后倾角减小到12~15°，可缩短短网长度，提高输入炉内的有功功率(10~33%)和功率因数(0.707~0.8)。

（4）电极消耗降低6%，生产率提高10~15%。

（5）减轻出钢过程中钢流的二次氧化及吸气。

问题：（1）出钢口附近钢水混合搅拌困难。

（2）炉底的维护比出钢槽困难。

炉外精炼概念：凡是在熔炼炉(如转炉、电炉)以外进行的，旨在进一步扩大品种提高钢的质量、降低钢的成本所采用的冶金过程统称为炉外精炼。也称为二次精炼

9.3.2 钢包吹氩精炼法

钢包内喷吹惰性气体(Ar气)搅拌工艺(底吹或顶吹法)，又称“钢包吹氩”技术。其主要冶金功能是均匀钢水成分、温度、促进夹杂物上浮。通常钢包吹氩的气体搅拌强度为0.003～0.01m3/(t·min)

钢包吹氩精炼最常见的有CAS和CAS—OB两种。

⑴ CAS

特点：

1) 是除底部吹氩外．在钢包液面上加一沉入罩，罩内充有从钢液中排出的或专门导人的氩气。

2) 通过罩上方的加料口，可添加合成渣料和微调钢液成分用的合金。

优点：

1) 均匀钢水成分和温度，且控制快速、准确，操作方便；

2)提高合金收得率，且稳定；

3)净化钢液，去除夹杂物，连铸坯质量提高；

4)基建、设备投资少．操作费用低。

⑵ CAS—OB

概念：在CAS上增设顶吹氧枪和加铝丸设备，通过溶人钢水内的铝氧化发热，实现钢水升温，称为CAS—OB工艺。

9.3.3 真空循环脱气法—RH

基本工作原理：

真空脱气设备由真空室和抽气装置组成，真空室下端有两根分别用作上吸钢水和排放钢水的上升管和下降管，脱气处理时，将这两根管子插入钢水中，通过真空室抽成真空，使钢水从两根管内上升到压差高度约 1. 5m，同时从上升管下部三分之一处吹入作为驱动气体的氩气，使上升管内的钢水中充满气泡，氩气经高温钢水加热，加之钢中气体向Ar气泡内扩散，使其体积迅速膨胀，膨胀的气泡使上升管内的钢水密度变小，气泡带动钢水上升，当钢水进入真空室时，流速高达5m/s左右，氩气泡在真空下突然膨胀，使钢水呈雨滴状喷起，从面大大增加了脱气表面积，加速了钢液脱气过程，脱气后的钢水进入下降管，因其比重相对较大，以1~2m/s的速度返回钢包中，如此周而复始多次循环.钢水顺次进入真空室，在真空下完成脱气过程。

随着技术的进步，随后又开发出了RH-OB、 RH-KTB、 RH-PB、 RH-PTB和RH-MFB等。

第十章连铸

10.2 连铸设备

主体设备包括：钢包回转台、中间包、中间包台车、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直机、引锭装置、铸坯切割设备等。

弧形连铸机示意图

1—钢包；2—中间罐；3 —结晶器；4—二次冷却装置；5—振动装置； 6—铸坯；

7—运输辊道；8—切割设备；9—拉坯矫直机

⑵中间包

是钢包和结晶器之间用来接收钢水的过渡装置。

作用：

①稳定钢流，减少钢流对结晶器中坯壳的冲刷；

②使钢液在中间包内有合适的流场和适当长的停留时间，以保证钢水温度均匀及非金属夹杂物分离上浮；

③对多流连铸机由中间包对钢水进行分流；

④在多炉连浇时，中间包中贮存的钢水在换包时起到衔接的作用。

中间包一般为矩形。由包体、包盖、塞棒和水口组成。中间包容量一般为钢包容量的20％～40％。

钢水流量的控制方式有塞棒式、定径水口式和滑动水口式三种。

中间包结构示意图

铸坯的液心长度和铸机的圆弧半径

铸坯的液心长度是指从结晶器的钢液面开始，到铸坯全部凝固所经过的长度。

10.4 连铸生产

弧形连铸的工艺过程:

●把引锭头送入结晶器，将结晶器壁与引锭头之间的缝隙填紧。

●然后，调好中间罐水口的位置，并与结晶器对位，

●将钢水罐内的钢水注入中间罐。

●当中间罐内的钢液高度达到4mm左右时，打开中间罐水口将钢液注入结晶器。

●钢水受到结晶器壁的强烈冷却，冷凝形成坯壳。

●坯壳达到一定厚度后启动拉矫机，夹持引锭杆将铸坯从结晶器中缓缓拉出。

●与此同时，开动结晶器振动装置。

●铸坯经过二冷区经喷水进一步冷却，使液心全部凝固。

●铸坯进入拉矫机后，脱去引锭装置，矫直铸坯，

●再由切割机将铸坯切成定尺长度，

●然后由运输辊道运出。

浇注过程连续进行，直至浇完一桶或数桶钢水。

弧形连铸机工艺示意图