結(jié)合工業(yè)工程談?wù)剬?duì)鋼鐵冶金成型的認(rèn)識(shí)1

1、結(jié)合工業(yè)工程談?wù)剬?duì)鋼鐵冶金成型的認(rèn)識(shí)鋼鐵冶金工藝流程：鐵礦石-煉鐵，提取鐵-制取鋼。一、鋼鐵冶金過程的熱力學(xué)原理：1，氧化物的八G-T圖（1）位置低的金屬氧化物較位置高的金屬氧化物穩(wěn)定，位置低的元素能還原位置高的 元素，鋼鐵冶金中主要氧化物的穩(wěn)定性由強(qiáng)到弱的順序是CaO, MgO, A12O3, SiO2, MnO， FeO，P2O5FeO、P2O5最不穩(wěn)定，幾乎可全部被還原；MnO大部分被還原，SiO2小部分被還原； A12O3、CaO幾乎不會(huì)被還原。（2）大多數(shù)氧化物的穩(wěn)定性隨溫度升高而降低。2，應(yīng)用：還原劑選擇：金屬類、碳質(zhì)類。（1）金屬類：用位置低的元素還原位置高的氧化物時(shí)，兩者位置相

2、距愈遠(yuǎn)愈好，因?yàn)?反應(yīng)的G負(fù)值愈大，反應(yīng)進(jìn)行得愈徹底。所以Mn、Si、Al能還原FeO,其中Al效果最好， Si次之，Mn最弱。（2）碳質(zhì)類：AG-T圖中，大部分氧化物的穩(wěn)定性隨溫度升高而降低，而2C+O2=2CO 反應(yīng)直線顯示：溫度升高，生成物CO的穩(wěn)定性增加，這相反的變化趨勢(shì)使其與其他氧化反 應(yīng)直線均會(huì)相交。交點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度為該氧化物還原碳的最低溫度Tmin。TTmin時(shí)，CO穩(wěn)定， 碳可以作為該氧化物的還原劑；相反時(shí)，CO則成為該元素的氧化劑。實(shí)際生產(chǎn)中高爐溫度僅能還原MnO、FeO，電爐溫度才能還原A12O3，SiO2。二、煉鐵：目前最常用的方法有高爐煉鐵，直接還原和熔融還原鐵三種方法。（

3、一）煉鐵原料：1，鐵礦石：一種或幾種含鐵礦物和脈石組成燃料：焦炭，并作為還原劑熔劑：有酸、堿之分，多選用堿性石灰石（二）煉鐵前處理：（攝像：燒結(jié)礦與焦碳）鐵礦石：破碎，篩分，選礦，燒結(jié)，造塊（1）破粹，各式破粹機(jī)（2）選礦：水選，磁選（3）燒結(jié)，造塊燒結(jié)：把煤粉，石灰粉，水混合在專門燒結(jié)機(jī)或燒結(jié)爐中。1000-1100r溫度下， 因部分脈石熔融與石灰結(jié)合成硅酸鹽，將精礦粘結(jié)在一起，燒結(jié)成堅(jiān)固、疏松多孔的燒結(jié)礦。造塊：呈球團(tuán)型，為加水潤濕的精礦或精礦與熔劑混合物在圓盤內(nèi)形成直徑10- 30mm的球，經(jīng)干燥、烘燒而成。焦炭燃料煉焦的煤粉或幾種煤粉混合物在煤焦?fàn)t內(nèi)，隔絕空氣加熱至10001100C，

4、干餾后留 下多孔塊狀產(chǎn)物?；疽螅汉苛慷啵刂芐、P、水、揮發(fā)物含量，有足夠發(fā)熱量，堅(jiān) 固，以及氣孔率大和粒度均勻。（三）高爐生產(chǎn)（動(dòng)畫）爐料：鐵礦石，焦炭，熔劑從頂部加入（攝像：上料），向下運(yùn)行， 頂部200C區(qū)：鐵礦+CO9部分鐵間接還原2CO+O29CO2與粉狀、煙狀的游離碳中部1100區(qū)：游離碳進(jìn)入礦石中，將殘存Fe2O3直接還原成Fe,剩余的Fe2O3溶 解于Fe中，使Fe熔點(diǎn)降低，由固態(tài)變成海綿鐵。石灰石高溫分解成CaO+酸性脈石，并進(jìn)入爐渣。增碳帶 T1000C 區(qū)：Fe2O39FeO風(fēng)口處T1500C區(qū)：Fe2O39鐵，熔融的鐵水與爐渣一起進(jìn)入爐缸，并分層次分布， 輕的渣浮

5、在鐵水表層，分別從兩口排出。爐渣：其它工業(yè)原料、制水泥、造磚、鋪路。鐵水：澆鑄生鐵錠W （C） =2%，并含F(xiàn)e、Si、Mn、P、S。品種有：a.鑄造生鐵（灰鑄鐵）：含Si較多，C以游離石墨形式存在，灰色斷面。（攝像：出爐與鑄 錠）煉鋼生鐵（白口生鐵）：碳以Fe3C形式存在，銀色斷口。高錳、高硅特種生鐵：煉鋼用作脫氧劑或煉制合金鋼附加材料。（四）高爐冶金的理化過程：燃料的燃燒，鐵的還原，鐵的增碳，其它元素還原，去硫、造渣。1燃料的燃燒：焦碳自爐頂下落至風(fēng)口時(shí)與空氣相遇，燃燒，進(jìn)行放熱反應(yīng)。C+O29CO2+16001750CCO2上升，遇赤熱焦碳，被還原成COCO2+C2CO-ACO熱氣繼續(xù)上

6、升，遇熱礦石，發(fā)生還原反應(yīng)，將Fe還原出來2鐵的還原：直接或間接還原兩種1）直接還原：950C以上，固體碳呈煙狀進(jìn)入礦石孔隙內(nèi)完成反應(yīng)。FeO+CFe+CO2CO9CO2+C2）間接還原：開始于爐口（250C350C ）終止于950C。順序地利用CO,將高價(jià)的鐵 氧化物還原成低價(jià)的鐵氧化物。3Fe2O3+CO92Fe3O4+CO22Fe3O4+2CO96FeO+2CO26FeO+6CO96Fe+6CO23鐵的增碳：從礦石還原出的鐵初期含碳量低，呈固態(tài)海綿狀，當(dāng)其下落過程與焦炭接 觸，不斷吸收碳，并被碳飽和。C含量增加，也降低了鐵的熔點(diǎn)，呈熔融態(tài)。生鐵的最終碳含量決定下列元素的含量1）Mn、Cr

7、、V、Ti等元素與碳形成碳化物溶于生鐵中可提高生鐵的含碳量，如錳鐵W（Mn） =80%的 W （C） 7%2）Si、P、S等能與鐵生成化合物，減少溶解碳的鐵，降低生鐵含碳量，Si鐵中Wc1100C: MnO+CMn+CO僅有40%80%錳被還原并溶于鐵，其余或被燒損或進(jìn)入爐渣與SiO29MnSiO3若提高溫 度，或提高渣的堿度可將渣中錳還原出來。2）硅的還原：存于脈石中的SiO2,在T1100C條件下被固體C還原出來。SiO2+2C9Si+2CO3）磷還原：礦石中Ca3（PO4）2在1200C條件下，被固態(tài)碳或SiO2還原。Ca3（PO4）2+5C93CaO+2P+5CO或 2Ca3（PO4）

8、2+3SiO293CaSiO4+2P2O5P2O5+C94P+10CO還原中，P與Fe結(jié)合成Fe2P或Fe3P溶于鐵中5去硫：以FeS存在于鐵中，會(huì)降低生鐵質(zhì)量，可在爐料中加適量石灰石去除：FeS+CaOCaS+FeO6造渣：爐渣具有重要作用：1）熔化其余各種氧化物，控制生鐵合格成分。2）浮在熔融液表面，能保護(hù)金屬，防止其過分氧化、熱量散失或不致過熱。因添加劑不 同，有酸性、堿性、中性渣。造渣是礦石中廢料，燃料中灰分與熔劑熔合過程的產(chǎn)物。與熔融金屬液不互熔，又比其 輕，能浮在熔體表面，便于排出。主要成分；SiO2、A12O3、CaO,及少量 MnO、FeO、CaS 等。（五）直接還原與熔融還原

9、1）高爐煉鐵的缺點(diǎn)：投資大、流程長，能耗高，污染大。2）改進(jìn)：不用焦碳，不用高爐，用煙煤或天然氣作還原劑，采用直接還原或熔融還原生 產(chǎn)鐵，以供電爐煉鋼二次精煉，連鑄連軋。3）直接還原：用煤或天然氣等還原劑直接將固態(tài)鐵礦石還原成固態(tài)海綿鐵。可用煤基回 轉(zhuǎn)窯、氣基豎爐等設(shè)備直接還原。（如圖！、圖2、圖3）煤基回轉(zhuǎn)窯中：Fe2O3+3CO92Fe+3CO2氣基豎爐中：CH4+H2OCO+3H2+天然氣裂化反應(yīng)Fe2O3+3H292Fe+3H2OFe2O3+3CO92Fe+3CO24）熔融還原：用鐵礦石和普通煙煤作原料，在汽化爐的流化床中，將直接還原得到海綿鐵 進(jìn)一步加熱熔化，在熔融汽化爐的爐底形成鐵

10、水與爐渣的熔池。三、煉鋼（攝像一）、任務(wù)將生鐵中過量的碳、硅、錳等元素氧化去除，使其含量降到規(guī)格范圍，并將有害元素硫、 磷造渣去除，使其含量降到規(guī)格范圍以下。主要進(jìn)行脫碳、脫硅、脫錳、脫硫、脫磷及脫氧反應(yīng)。二）、煉鋼過程的物理化學(xué)原理（一）脫碳：煉鋼的最主要反應(yīng)，是通入純度99.5%以上的氧氣，通過兩種氧化方式（直接或間接）進(jìn)行1、直接氧化：在溫度高于1100r條件下2C+O292CO2、間接氧化：在溫度低于1100r條件下2Fe+Of2FeOC+FeOfFe+CO碳氧化時(shí)需要吸收大量的熱。要保證上述反應(yīng)順利進(jìn)行需在較高溫度下進(jìn)行。脫碳（碳氧化）時(shí)產(chǎn)生的CO氣體有助于鋼攪動(dòng)“沸騰”，均勻成分，

11、并能有效清除鋼液 中氣體和非金屬夾渣。（二）脫硅、錳：也有兩種氧化方式，直接與間接，但主要以間接氧化方式進(jìn)行。因?yàn)榉艧岱磻?yīng)，低溫時(shí) 就可進(jìn)行。實(shí)際上自爐料熔化后，反應(yīng)就已經(jīng)開始進(jìn)行。鋼液中硅、錳含量開始減少。反應(yīng) 生成物還與FeO或相互反應(yīng)生成爐渣。直接：Si+O2fSiO22Mn+O2f2MnO間接：Si+2FeOfSiO2+2FeMn+FeOfFe+MnO爐渣：SiO2+2FeOf2FeOSiO2SiO2+2MnOf2MnOSiO2（三）脫磷：高爐煉鐵時(shí)，還原的P幾乎全還原進(jìn)入鐵中。鐵水或鋼中磷是以Fe2P形態(tài)存 在。煉鋼利用爐渣中FeO及CaO與其化合生成磷酸鈣渣去除，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，

12、低溫下 皆可進(jìn)行。Fe2P+5FeO+4CaOf（CaO）4P2O5+9Fe渣中含有足夠量CaO,即高堿性、強(qiáng)氧化性爐渣是脫磷的保證。（四）脫硫：利用渣中足夠的CaO,把其中FeS去除。其反應(yīng)式為FeS+CaOfFeO+CaS生成的CaS渣不熔于鋼液，且比其輕，浮在鋼液表面。值得注意的是：該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，當(dāng)渣中FeO過量時(shí)，反應(yīng)可逆向進(jìn)行，使硫重回到 鋼液中，為此需在渣中加入碳，利用碳與FeO反應(yīng)，減少FeO。FeS+CaO+CfFe+CaS+CO（五）脫氧：利用脫氧劑除去鋼液中殘留的氧化亞鐵中氧，并還原出鐵來。生成物可聚集 上浮到鋼液表面，常用的脫氧劑有錳鐵、硅鐵、鋁等：Me+FeOfMe

13、O+Fe反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)鋼中兩者含量滿足：MeFeO=K （平衡常數(shù)）表明：一定溫度時(shí)鋼中兩 者殘留量成反比：脫氧元素量增多，F(xiàn)eO殘留量減少。具體方法有兩種：沉淀脫氧，擴(kuò)散脫氧。1、沉淀脫氧：脫氧劑直接加入鋼液中，并與FeO反應(yīng)脫氧。速度雖快，脫氧產(chǎn)物MnO、 SiO2、A12O3可留在鋼液中。2擴(kuò)散脫氧：利用加在爐渣中的脫氧劑與FeO反應(yīng)，減少內(nèi)中FeO含量，破壞了 FeO在 爐渣及鋼液中的濃度平衡，使鋼中FeO向渣中擴(kuò)散，間接脫氧，該法速度雖慢，但除氧徹 底。最佳方法是：兩者結(jié)合，用錳鐵沉淀脫氧，再用碳粉和硅鐵擴(kuò)散脫氧，最后用鋁沉淀脫 氧?；痉磻?yīng)a 碳脫氧：FeO+Cf Fe+CO主要在

14、渣中進(jìn)行，不產(chǎn)生非金屬氧化物，利于優(yōu)質(zhì)鋼產(chǎn)生，缺點(diǎn)是：1600r時(shí)與0.3%c 相平衡的氧含量0.007%，在冷卻過程，可再次發(fā)生碳氧反應(yīng)。產(chǎn)生鋼錠中氣孔、疏松等缺 陷。在碳脫氧的緩慢過程中，容易引起增碳。b錳脫氧：雖為弱脫氧劑，加入鋼液中（適用于所有鋼液）：Mn+2FeO9MnO+Fe生成物MnO不溶于鋼液，還與SiO2、FeO結(jié)合生成難熔爐渣，上浮去除，冷卻凝固過程中， Mn還能與S形成高熔點(diǎn)MnS，降低鋼中S。c硅脫氧：作為強(qiáng)脫氧劑，產(chǎn)物為固體SiO2，并放熱，低溫利于脫氧。Si+FeO=SiO2+2Fe堿性爐中脫氧產(chǎn)物SiO2可與堿性氧化物化合，生成復(fù)合氧化物，減少自由SiO2含量。

15、若先用錳進(jìn)行預(yù)脫氧，生成的MnO2也能與SiO2結(jié)合，減少自由SiO2含量，使反應(yīng)不斷進(jìn) 行，增強(qiáng)了 Si的脫氧能力。d鋁脫氧：作為強(qiáng)氧化劑，反應(yīng)為：2Al+FeO9Al2O3+3Fe生成的A12O3熔點(diǎn)高、顆粒細(xì)，彌散在鋼液難以上浮去除。故用此法前需充分脫氧，在很低 的含氧量中選用此法。三）、方法有轉(zhuǎn)爐煉鋼、電爐煉鋼和平爐煉鋼（攝像：轉(zhuǎn)爐電爐平爐及各爐種產(chǎn)量比例（一）轉(zhuǎn)爐煉鋼：最早投入的方法。利用吹入空氣或氧氣對(duì)熔融的鐵水進(jìn)行氧化脫碳，煉出 合格成分的鋼錠。按爐襯材料性質(zhì)有酸性、堿性之分，按吹入氧氣的方式有底吹、頂吹、側(cè) 吹之分（如圖）1原料：高爐經(jīng)鋼包送來的鐵水，10%的冷鐵錠，調(diào)整用冷廢

16、鋼，造渣用石灰石、螢石， 脫氧和合金化用的鐵合金及純度99.5%氧氣。2操作：傾斜爐體，順序加入石灰石、熔劑、廢鋼、鐵水，插入水冷噴嘴，噴射高純氧 產(chǎn)生反應(yīng)：2Fe+O29FeO，F(xiàn)eO進(jìn)入熔體擴(kuò)散，完成脫碳、氧化吹煉。脫碳9CO9熔體沸騰， 氧化加速。火焰由黃褐色今暗紅色今長而明亮火焰今明顯減少今液面平靜今脫碳氧化結(jié)束。（二）電爐煉鋼：有電弧爐、感應(yīng)電爐煉鋼之分（如圖）（1）電弧爐煉鋼：依靠插入金屬爐料間的電極通電后，產(chǎn)生的電弧熔化爐料。隨著爐料 不斷熔化，池面上升，電極上升，到最高點(diǎn)時(shí)，爐料已完全熔化。此時(shí)，先后進(jìn)入熔化、氧 化期、還原期。熔化期：金屬液體與爐氣接觸：2Fe+O292FeO爐渣中：FeO+O2fFe2O3 或 Fe3O4渣界面上：Fe2O3或Fe3O4被Fe重新還原成FeO，一部分按分配定律進(jìn)入鋼液的FeO與 硅、錳、磷氧化并與CaO生成爐渣，放熱，使?fàn)t溫上升到1590氧化期 T1590C反應(yīng)：a C+O+CO上升的氣泡會(huì)不斷吸收鋼液中的H2、N2，使鋼液中的含氣量下降。b脫P(yáng):應(yīng)控制渣中FeO、CaO濃度，形成燒結(jié)的4CaOP2O3渣，并及時(shí)排渣。還原期：脫氧、脫、，調(diào)整溫度與成分。加入錳鐵預(yù)脫氧后，加入生石灰、螢石、碳粉Fe