第三講材料的制備方法金屬材料制備冶金演示文稿

當(dāng)前1頁，總共119頁。優(yōu)選第三講材料的制備方法金屬材料制備冶金當(dāng)前2頁，總共119頁。定義：具有金屬特性的多種元素的混合物印刷鉛字是錫、鉛、銻合金；青銅為銅、錫合金；黃銅為銅、鋅合金；生鐵是鐵和碳的合金，調(diào)節(jié)碳的比例就可精煉成鋼。低共熔混合物（低共熔合金）：當(dāng)兩種金屬按一定組成比共熔時(shí)，其熔點(diǎn)總比任何一組分金屬熔點(diǎn)要低。當(dāng)組成為某一定值時(shí)，熔點(diǎn)最低，此熔點(diǎn)即為最低共熔溫度。如鉍的熔點(diǎn)為544K，鎘的熔點(diǎn)為594K，含40％鎘和60％鉍的混合物為低共熔混合物，其熔點(diǎn)為413K。合金當(dāng)前3頁，總共119頁。

因此，要獲得各種金屬及其合金材料．必須首先通過各種方法將金屬元素從礦物中提取出來，接著對(duì)粗煉金屬產(chǎn)品進(jìn)行精練提純和合金化處理，然后澆注成錠，加工成形，才能得到所需成分、組織和規(guī)格的金屬材料。一、冶金工藝概述

絕大多數(shù)金屬元素（除Au、Ag、Pt外）都以氧化物、碳化物等化合物的形式存在地殼之中。

金屬的冶金工藝可以分為火法冶金、濕法冶金、電冶金以及真空冶金等。當(dāng)前4頁，總共119頁?；鸱ㄒ苯穑豪酶邷貜牡V石中提取金屬或其化合物的方法。

工藝過程：礦石準(zhǔn)備礦石冶煉精煉提純選礦、焙燒球化或燒結(jié)金屬化合物的還原除去雜質(zhì)提純金屬一、冶金工藝概述當(dāng)前5頁，總共119頁。

工藝方法分類：火法冶金提取冶金真空冶金噴射冶金氯化冶金一、冶金工藝概述當(dāng)前6頁，總共119頁。濕法冶金：利用一些化學(xué)溶劑的化學(xué)作用，在水溶液或非水溶液中進(jìn)行包括氧化、還原、中和、水解和絡(luò)合等反應(yīng)，對(duì)原料、中間產(chǎn)物或二次再生資源中的金屬進(jìn)行提取和分離的冶金過程。

工藝過程：離子浸取固液分離金屬或化合物提取溶液富集一、冶金工藝概述當(dāng)前7頁，總共119頁。電冶金：利用電能從礦石或其它原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過程。

工藝分類：電熱熔煉：直接用電加熱生產(chǎn)金屬的一種冶金方法。電熱熔煉包括電弧熔煉、等離子熔煉和電磁熔煉等。水溶液電解：應(yīng)用水溶液電解精煉金屬的一種冶金方法。一、冶金工藝概述當(dāng)前8頁，總共119頁。熔鹽電解：直接利用高導(dǎo)電率、低熔點(diǎn)的熔鹽作為電解質(zhì)在熔池中進(jìn)行電解。一、冶金工藝概述當(dāng)前9頁，總共119頁。應(yīng)用廣泛的金屬材料—鋼鐵（1）鐵和鐵合金（2）鋼鐵是怎樣煉成的

鐵礦石和煉鐵，煉鋼二、鋼鐵冶煉當(dāng)前10頁，總共119頁。F-18大黃蜂戰(zhàn)斗機(jī)我軍陸戰(zhàn)王牌-99式主戰(zhàn)坦克二、鋼鐵冶煉軍事上離不開鋼鐵中國(guó)九五式突擊步槍海軍109驅(qū)逐艦當(dāng)前11頁，總共119頁。神六神五二、鋼鐵冶煉當(dāng)前12頁，總共119頁。我們的生活中也離不開鋼鐵廣州丫髻沙大橋雷諾汽車生活用品磁懸浮列車二、鋼鐵冶煉當(dāng)前13頁，總共119頁。

自從1980年阿爾溫·托夫勒（《第三次浪潮》的作者，美國(guó)未來學(xué)家）到處鼓吹鋼鐵是夕陽工業(yè)以來，使人們產(chǎn)生了一種錯(cuò)覺，似乎發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)必須壓縮鋼鐵工業(yè)，鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)沒有必要，也不可能繼續(xù)發(fā)展。而二十多年來的事實(shí)表明：鋼鐵生產(chǎn)需求接近飽和，世界產(chǎn)鋼量沒有顯著增長(zhǎng)，但是也沒有萎縮；鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)和冶金工程科學(xué)仍在不斷更新，新技術(shù)層出不窮；鋼鐵材料品種繼續(xù)增多，鋼的性能和品質(zhì)有大幅度提高。為什么非常古老的鋼鐵有這樣強(qiáng)的生命力呢？這首先決定于鋼鐵的基體特性。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前14頁，總共119頁。鋼鐵的分類鋼碳素鋼合金鋼結(jié)構(gòu)鋼工具鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼合金模具鋼黑色金屬白口鑄鐵灰口鑄鐵鋼生鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鑄造生鐵煉鋼鑄鐵合金鑄鐵鐵合金二、鋼鐵冶煉當(dāng)前15頁，總共119頁。

Fe在地殼中的含量為5％左右，在金屬中僅次于鋁，除隕石外，純鐵在地殼中還未見到，鐵容易與其它元素化合，特別是與氧化合，因此鐵礦石多以氧化物形式存在。鐵礦石中除鐵的氧化物外，還有其它元素的氧化物(SiO2、MnO2等)，這些統(tǒng)稱為脈石。

煉鐵的目的就是使鐵從鐵的氧化物中還原，并使還原出的鐵與脈石分離。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前16頁，總共119頁。鐵礦石脈石和硫磷雜質(zhì)鐵化合物Fe3O4(磁鐵礦石)Fe2O3(赤鐵礦石)FeS2(黃鐵礦石)FeCO3(菱鐵礦石)二、鋼鐵冶煉當(dāng)前17頁，總共119頁。磁鐵礦—Fe3O4二、鋼鐵冶煉主要礦物是磁鐵礦，呈黑色金屬光澤，磁性強(qiáng)（復(fù)合礦可通過磁選富集鐵分），在自然界中純磁鐵礦礦石較少，常含有TiO2及V2O3組成復(fù)合礦石，即釩鈦磁鐵礦，由于受氧化作用，磁鐵礦易被氧化成赤鐵礦，有的仍保留著磁鐵礦石的結(jié)晶形態(tài)，但無磁性，被稱為假象赤鐵礦或半假象赤鐵礦。當(dāng)前18頁，總共119頁。赤鐵礦--Fe2O3顏色呈紅色或紅褐色，故又稱為紅礦。主要礦物為赤鐵礦，無磁性，但組織疏松，易破碎，還原性優(yōu)于磁鐵礦。赤鐵礦石廣泛分布于自然界中，常形成巨大的礦床，就世界范圍而言，其儲(chǔ)量最多（占鐵礦石總儲(chǔ)量的48.3%），是煉鐵的最主要鐵礦石資源。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前19頁，總共119頁。褐鐵礦—2Fe2O3.3H2O常為含不同分子結(jié)晶水的赤鐵礦，褐鐵礦吸附著大量水分，加熱時(shí)失去結(jié)晶水和游離水，使礦石氣孔率增加，故還原性好，同時(shí)，由于去掉了水分，相應(yīng)提高了礦石的品位。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前20頁，總共119頁。菱鐵礦—FeCO3它是含鐵的碳酸鹽。在自然界中，有工業(yè)開采價(jià)值的菱鐵礦比其它三種礦石要少，含鐵量不高，但受熱分解放出CO2后，不僅含鐵量顯著提高，而且也變得疏松多孔，易還原。當(dāng)鐵礦石含鐵量過低，就需要將它們粉碎(0.074－0.044mm)，然后富選成含鐵高的精礦粉，一般精礦粉的含鐵量在63%-68%之間。由于高爐煉鐵需要?dú)饬魍〞?，所以只能加入塊礦，精礦粉要通過燒結(jié)的辦法制成燒結(jié)礦或通過球團(tuán)的辦法焙燒成球團(tuán)礦。燒結(jié)礦和球團(tuán)礦統(tǒng)稱人造富礦。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前21頁，總共119頁。黃鐵礦—FeS2二、鋼鐵冶煉當(dāng)前22頁，總共119頁。鐵礦石晶體暗紅色鐵鋁榴石晶體產(chǎn)地奧地利立方體黃鐵礦晶體產(chǎn)地西班牙祖母綠、黃鐵礦、方解石共生產(chǎn)地哥倫比亞二、鋼鐵冶煉當(dāng)前23頁，總共119頁。鋼鐵是怎樣煉成的二、鋼鐵冶煉當(dāng)前24頁，總共119頁。鋼鐵的冶煉歷史13世紀(jì)末以前，古代人的冶煉方法十分簡(jiǎn)單，利用自然地形將鐵礦石與木炭一起放入稱為地窯爐的爐膛內(nèi)，加熱冶煉，因不能獲得熔化礦石的高溫，僅能制成半熔融狀態(tài)的鐵塊，其中混雜有相當(dāng)多的氧化鐵渣，稱為海綿鐵。其含碳量極低，所以塑性較高，經(jīng)鍛打成型，制成器具，在此時(shí)期，冶煉工場(chǎng)在出產(chǎn)鐵礦石和木材豐富的山區(qū)非常發(fā)達(dá)。第一個(gè)發(fā)展階段二、鋼鐵冶煉當(dāng)前25頁，總共119頁。13世紀(jì)末至19世紀(jì)中葉，隨著鐵的需要以及鼓風(fēng)技術(shù)的發(fā)展，爐子越來越高，逐漸形成現(xiàn)代高爐的雛形-木炭爐。由于爐容增大，采用鼓風(fēng)技術(shù)，使單位時(shí)間內(nèi)燃燒的燃料量增加了，爐內(nèi)溫度提高，能得到熔融狀態(tài)的生鐵，這種生鐵冷卻后很脆，不能鍛造成器具。后來將生鐵作原料和礦石、木炭一起在爐內(nèi)再進(jìn)行冶煉，得到性能比生鐵好的粗鋼（也叫熟鐵）。從此鋼鐵冶煉就開始了一直沿用至今的二步冶煉法：第一步，從礦石中冶煉出生鐵，第二步把生鐵精煉成鋼。第二個(gè)發(fā)展階段二、鋼鐵冶煉當(dāng)前26頁，總共119頁。第三個(gè)發(fā)展階段19世紀(jì)中期至今，以生鐵為原料在高溫下精煉成鋼，一直是鋼鐵生產(chǎn)的主要方法。在此期間，高爐鼓風(fēng)由熱風(fēng)代替冷風(fēng)，并建產(chǎn)了蓄熱式熱風(fēng)爐，鼓風(fēng)動(dòng)力采用電力。建立了作為生鐵精煉爐的轉(zhuǎn)爐、平爐、電爐的煉鋼法。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前27頁，總共119頁。生鐵（主要產(chǎn)品）：分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵。爐渣（副產(chǎn)品）：含SiO2、CaO和Al2O3的鋁硅酸鹽，主要用于生產(chǎn)水泥。煤氣（副產(chǎn)品）：含26％左右的CO，用作燃料。煉鐵產(chǎn)品及副產(chǎn)品：

煉鋼的目的：除去生鐵中多余的碳和大量雜質(zhì)元素，使其化學(xué)成分達(dá)到鋼的要求。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前28頁，總共119頁。1黑色金屬的生產(chǎn)1.1高爐冶煉生產(chǎn)過程

高爐附屬系統(tǒng)： 原料系統(tǒng);

送風(fēng)系統(tǒng);

燃料噴吹系統(tǒng);

除塵系統(tǒng);

渣鐵處理系統(tǒng);二、鋼鐵冶煉當(dāng)前29頁，總共119頁。原料系統(tǒng)：煉鐵原料主要包括鐵礦石、焦炭、石灰石（和白云石）、錳礦石和一些鐵礦石的替代品。送風(fēng)系統(tǒng)：送風(fēng)系統(tǒng)為高爐連續(xù)穩(wěn)定地提供足夠的熱風(fēng)，是高爐正常冶煉的前提，單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)量的高低決定了生產(chǎn)率。燃料噴吹系統(tǒng)：為緩解焦煤資源短缺而采用的噴出燃料技術(shù)已普及，它包括煤粉制備、儲(chǔ)存、空壓機(jī)、高壓泵及一系列管道閥門輸送設(shè)備及噴槍等。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前30頁，總共119頁。除塵系統(tǒng)：從爐頂逸出的含塵高達(dá)40-100g/m3的高爐煤氣，經(jīng)過一系列除塵設(shè)備，包括粗除塵(如重力除塵)、半精細(xì)除塵(洗滌塔)、精細(xì)除塵(文氏管、靜電除塵器)等，使其含塵量降到15mg/m3以資利用。渣鐵處理系統(tǒng)：處理好從渣鐵口排放的高溫液態(tài)渣鐵是保證高爐正常生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，它包括爐前出鐵場(chǎng)及設(shè)備，渣鐵輸送設(shè)備、鑄鐵機(jī)，鐵水爐外處理設(shè)備，水渣場(chǎng)等。大多數(shù)高爐采用沖成水渣的方式處理爐渣，作為是制造水泥的原料，或用壓縮空氣吹成渣棉(可作隔音保溫材料)，也可用渣罐車送往棄渣場(chǎng)。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前31頁，總共119頁。鞍鋼2000立方米高爐外景圖二、鋼鐵冶煉當(dāng)前32頁，總共119頁。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前33頁，總共119頁。

鐵氧化物的生成與分解是逐級(jí)進(jìn)行的，當(dāng)溫度＞570℃時(shí)，稱為高溫轉(zhuǎn)變：當(dāng)溫度＜570℃時(shí)，稱為低溫轉(zhuǎn)變：高爐內(nèi)主要還原劑是CO、C（在噴吹燃料時(shí)煤氣中H2含量明顯增加），還原基本分為間接還原與直接還原兩大類。高爐內(nèi)的主要還原反應(yīng)二、鋼鐵冶煉當(dāng)前34頁，總共119頁。①產(chǎn)生還原劑：

C+O2=CO2CO2+C=2CO

（空氣，焦炭）

②還原鐵礦石：

Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2

（鐵礦石）

③造渣（除脈石）：

CaCO3===CO2+CaOCaO+SiO2=CaSiO3

（熔劑：石灰石）煉鐵的主要反應(yīng)過程二、鋼鐵冶煉當(dāng)前35頁，總共119頁?，F(xiàn)象：____________________方程式：_________________

固體由紅變黑,石灰水變渾濁。Fe2O3＋3CO＝2Fe＋3CO2高溫CO還原氧化鐵二、鋼鐵冶煉當(dāng)前36頁，總共119頁。煉鐵：鐵礦石（化合態(tài)）→鐵單質(zhì)（游離態(tài)）（1）基本反應(yīng)原理：3CO+Fe2O3=====2Fe+3CO2高溫利用氧化還原反應(yīng)，在高溫下，用還原劑（主要是CO)從鐵礦石中還原出鐵。（3）設(shè)備：高爐（2）原料：鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣二、鋼鐵冶煉當(dāng)前37頁，總共119頁。C+O2=CO2CO2+C=2CO3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2二、鋼鐵冶煉當(dāng)前38頁，總共119頁。1.2非高爐煉鐵法1.直接還原煉鐵法

直接還原法是指在鐵礦石熔化溫度下把鐵礦石還原成海綿鐵的煉鐵生產(chǎn)過程，產(chǎn)品叫直接還原鐵或海綿鐵。由于低溫還原，得到的直接還原鐵未能充分滲碳，因而含碳較低(<2%)，屬于鋼的成分。礦石中的脈石成分既不能熔化造渣脫除，也不能被還原，因而直接還原鐵中幾乎保留了鐵礦石中的全部脈石雜質(zhì)，實(shí)際生產(chǎn)中仍需要用電爐精煉成鋼。電爐精煉的主要任務(wù)是熔化脫除雜質(zhì)和調(diào)整鋼的成分，而不是氧化脫碳。直接還原法-電爐串聯(lián)生產(chǎn)鋼，形成了一個(gè)新的鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝流程。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前39頁，總共119頁。直接還原煉鐵法已有百余年的歷史，先后提出各種不同的工藝方法400余種，但是真正成為工業(yè)生產(chǎn)方法的只有少數(shù)幾種，而且是到20世紀(jì)60年代才有重大突破，這是因?yàn)椋海?）冶金焦的價(jià)格大幅度上漲，而石油、天然氣大量開發(fā)使用，特別是高效率天然氣轉(zhuǎn)化法的應(yīng)用，提供了直接還原煉鐵法需要的還原煤氣，解決能源的來源和價(jià)格問題。（2）電爐煉鋼迅速發(fā)展，超高功率新技術(shù)的應(yīng)用使電爐煉鋼得到高速發(fā)展，合格的廢鋼供應(yīng)不足，大大擴(kuò)展了直接還原鐵的需求。（3）廢鋼（多數(shù)是從社會(huì)收集的廢鋼）中往往含有某些對(duì)鋼性能不利的有色金屬，如銅、錫、砷、鉛等，無論用氧化熔煉或還原熔煉都無法去除它們。而隨著廢鋼的循環(huán)利用，它們?cè)阡撝械暮繒?huì)越積越多。因而需要加入直接還原鐵來稀釋它們。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前40頁，總共119頁。（4）選礦技術(shù)的提高，擴(kuò)大了直接還原煉鐵法的礦石資源。原來只能使用雜質(zhì)少且品位高的天然富礦，現(xiàn)在高品位鐵精礦粉制造的球團(tuán)礦，其脈石含量可以降低到不需要在還原生產(chǎn)中脫除，使直接還原技術(shù)簡(jiǎn)化，而且產(chǎn)量提高。從本世紀(jì)70年代中期以來，世界鋼產(chǎn)量一直在7億噸左右，而海綿鐵的產(chǎn)量卻逐年增加工廠，60年代年產(chǎn)幾十萬噸到1997年已發(fā)展到年產(chǎn)3620萬噸。海綿鐵的穩(wěn)定增長(zhǎng)和電爐煉鋼的增長(zhǎng)有顯著關(guān)系。少量金屬化率較低的直接還原鐵還可用于高爐，以提高產(chǎn)量和降低焦比。直接還原鐵的生產(chǎn)主要在天然氣資源豐富的地區(qū)，拉丁美洲國(guó)家生產(chǎn)的海綿鐵占全世界產(chǎn)量的一半以上。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前41頁，總共119頁。含鐵原料品位的高低是最重要的品質(zhì)，由于直接還原鐵大多用于電爐煉鋼，它的殘留脈石會(huì)使電爐煉鋼電耗升高，生產(chǎn)率降低，爐襯壽命縮短，危害較大。所以直接還原煉鐵法使用的礦石要求SiO2、Al2O3等的含量＜3%

-5%。危害電爐鋼品質(zhì)的有害元素，如銅、砷等則因?yàn)殡姞t鋼品種不同而有不同的要求。直接還原法煉鐵法對(duì)于還原性和軟化溫度也有嚴(yán)格要求。因?yàn)檫€原性是影響直接還原煉鐵法生產(chǎn)率的最重要因素，因此這種方法只使用還原性好的球團(tuán)礦或塊礦。幾種主要的直接還原煉鐵法根據(jù)使用的燃料不同，直接還原煉鐵法分為兩大類：用煤氣作氣體還原劑和載熱體的氣基法；以固體煤作為還原劑和熱源的煤基法。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前42頁，總共119頁。（1）氣基法氣基法中的煤氣常用天然氣、焦?fàn)t煤氣、液化石油氣、重油等轉(zhuǎn)化制造。天然氣和液化石油氣主要使用蒸汽轉(zhuǎn)化，生成CO和H2；重油使用氧氣部分氧化法將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為CO和H2。目前為止，無論從產(chǎn)量還是產(chǎn)能上看，氣基法占主導(dǎo)地位，約占90%左右。氣基法的典型代表是Midrex法。Midrex氣基法屬豎爐法，為美國(guó)米德萊克斯（Midrex）公司所發(fā)明，是目前最完善、生產(chǎn)能力最強(qiáng)、使用最普遍的直接還原煉鐵法。它由供料系統(tǒng)、還原豎爐、煙氣處理、天然氣重整爐組成。這種方法生產(chǎn)的海綿鐵占直接還原煉鐵法生產(chǎn)海綿鐵總量的60%以上。圖2-4是它的生產(chǎn)流程示意圖。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前43頁，總共119頁。天然氣進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐內(nèi)，在鎳基觸媒的催化下，通過天然氣裂化反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化成煤氣和氫氣。

CH4

＋H2O→CO＋3H2(天然氣裂化反應(yīng))球團(tuán)礦或天然塊礦從爐頂通過布料器（或多個(gè)加料管）合理地布入爐中，在還原區(qū)與CO、H2進(jìn)行還原反應(yīng)。還原氣入爐時(shí)溫度為750-900℃，送入距豎爐頂部2/3處的還原帶。爐料在爐內(nèi)停留約6小時(shí)，含鐵礦石被CO和H2還原，被還原的海綿鐵的金屬鐵含量在92%以上。然后海綿鐵進(jìn)入下部沒有磚襯的冷卻帶，用專門的冷卻氣或爐頂氣冷卻，冷卻到30℃時(shí)排出爐外，可保證海綿鐵在大氣中不再氧化，細(xì)碎的產(chǎn)品可壓制成塊存放，供電爐熔煉使用。直接還原后的廢氣中仍含有大量的CO和H2（約占70%），通過洗滌器從新返回到重整爐，然后進(jìn)入豎爐循環(huán)使用。反應(yīng)方程式為；Fe2O3

＋3H2→2Fe＋3H2OFe2O3＋3CO→2Fe＋3CO2二、鋼鐵冶煉當(dāng)前44頁，總共119頁。（2）煤基法煤基法使用的煤以煙煤為宜，這種煤能夠與CO2反應(yīng)生成CO（生產(chǎn)中稱這種性能叫煤的反應(yīng)性），煤中灰分的熔化溫度一般要求在1150℃以上，即高于直接還原法操作溫度50-100℃，以避免析出的灰分與爐料和爐墻發(fā)生粘連，造成生產(chǎn)操作故障。煤基法使用的煤還要求灰分含量低（<25%）和含硫量低(<0.8%)?；剞D(zhuǎn)窯法是煤基法中最重要、最有價(jià)值、應(yīng)用較廣的工藝。此法還原鐵礦石可按不同的作業(yè)溫度生產(chǎn)海綿鐵、粒鐵及液態(tài)鐵水，但以低溫作業(yè)的回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)海綿鐵最有意義。回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接使用固體煤作為能源，能有效地除去某些雜質(zhì)；缺點(diǎn)是生產(chǎn)率低，熱效率也低，所以應(yīng)用范圍不廣泛，僅適用于天然氣等資源匱乏地區(qū)。此法的重要設(shè)備是回轉(zhuǎn)窯。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前45頁，總共119頁。窯體稍有傾斜（4%的斜度），窯中裝有耐火襯，在窯頭、窯中、窯尾設(shè)有耐火材料擋圈以增加爐料停留時(shí)間。煤燃燒所需要的空氣通過風(fēng)管沿軸向吹入窯中，風(fēng)管安裝在沿窯長(zhǎng)方向的不同部位。煤不但是還原劑，同時(shí)還提供所需要的熱量。沿窯長(zhǎng)方向分兩個(gè)區(qū)：預(yù)熱區(qū)-煤燃燒將原料的混合物加熱至還原溫度；還原區(qū)-煤進(jìn)一步燃燒為生產(chǎn)海綿鐵提供熱量。通過控制向窯內(nèi)吹入的空氣量和噴煤量，可以有效控制窯內(nèi)的反應(yīng)。直接還原法煤基回轉(zhuǎn)窯中應(yīng)用最廣泛，而且最具有代表性的一種方法就是SL/RN法。SL/RN是由美國(guó)、德國(guó)、加拿大的4家創(chuàng)立此法的各公司名字的字首縮與而成的。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前46頁，總共119頁。原料（鐵礦石、煤粒、熔劑）從窯尾加入圓形回轉(zhuǎn)窯中。窯緩慢旋轉(zhuǎn)使礦和煤在被加熱和還原的同時(shí)向出料端移動(dòng)。窯頭外設(shè)有燒嘴燃燒燃料。形成的廢氣則由窯尾排出。爐料與爐氣呈逆向運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中，爐料在預(yù)熱段被加熱，使水分蒸發(fā)和石灰石分解，達(dá)到800℃后，煤中的固體碳開始還原鐵礦石中的氧化鐵，直到獲得海綿鐵或鐵料，而碳則轉(zhuǎn)變成CO氣體，CO在氧化區(qū)被燃燒成CO2，放出熱量以滿足還原反應(yīng)的要求，產(chǎn)品排出窯后進(jìn)入回轉(zhuǎn)冷卻筒冷卻得到海綿鐵或粒鐵，也可熱送電爐直接煉鋼?；剞D(zhuǎn)內(nèi)反應(yīng)溫度應(yīng)控制在1100℃以下，經(jīng)8-10h完成還原反應(yīng)后出窯?；剞D(zhuǎn)窯所產(chǎn)生的廢氣從進(jìn)料端吸走，高溫廢氣可余熱利用。若爐料在回轉(zhuǎn)窯中經(jīng)過預(yù)熱和還原后，再進(jìn)一步提高溫度（1250℃）進(jìn)入粒鐵帶，金屬鐵與爐渣開始軟化，在半熔化狀態(tài)下金屬鐵由小顆粒堆集成卵狀粒鐵，爐料出爐后經(jīng)水淬冷卻后很容易用磁選或重選把粒鐵與脈石分開，這就是回轉(zhuǎn)窯粒鐵法。此法由于作業(yè)率低、產(chǎn)量小、耐火材料消耗高等重在缺點(diǎn)，近年來逐漸被淘汰。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前47頁，總共119頁。熔融還原法是指不以焦炭為燃料，以煤炭為主要能源，使用天然富礦、人造富礦（燒結(jié)礦或球團(tuán)礦）取代高爐生產(chǎn)液態(tài)生鐵的方法。熔融還原煉鐵法與直接還原煉鐵法不同，熔融還原的發(fā)展目標(biāo)是代替高爐煉鐵法，產(chǎn)品是與高爐鐵水性質(zhì)相近的液態(tài)生質(zhì)，仍是轉(zhuǎn)爐煉鋼的原料；而直接還原煉鐵法產(chǎn)品是海綿鐵，代替廢鋼供電爐煉鋼使用。熔融還原的特點(diǎn)是在煉鐵過程中，使?fàn)t渣和生鐵熔化而分離，從而可以脫除煤灰分和礦石的脈石。這樣它對(duì)原料、燃料的要求不像直接還原煉鐵法那樣嚴(yán)格。因此，熔融還原煉鐵法是具有相當(dāng)?shù)木範(fàn)幠芰蛷V闊的前景的煉鐵方法。2.熔融還原煉鐵法二、鋼鐵冶煉當(dāng)前48頁，總共119頁。工藝流程熔融還原發(fā)展過程中出現(xiàn)過兩種方法：一步法和二步法。一步法熔融還原是在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)完成鐵礦石還原和渣鐵分離全部過程的方法。二步法熔融還原在預(yù)還原爐內(nèi)進(jìn)行鐵礦石預(yù)還原，然后進(jìn)入終還原器內(nèi)進(jìn)一步還原和使渣鐵熔化分離，并產(chǎn)生還原性氣體供預(yù)還原使用。在眾多的試驗(yàn)中，一步法都沒有獲得成功，從20世紀(jì)70年代始，國(guó)內(nèi)外研究開發(fā)的大多數(shù)是二步法。Corex法是奧地利和德國(guó)于20世紀(jì)70年代末聯(lián)合開發(fā)的，是目前惟一已形成生產(chǎn)能力的熔融還原煉鐵法，而且其投資、生產(chǎn)成本、鐵水質(zhì)量等幾個(gè)方面已經(jīng)基本上可以與傳統(tǒng)的焦炭高爐煉鐵法相竟?fàn)?。Corex法由預(yù)還原豎爐子和熔融制氣爐（也稱為終還原爐或熔融氣化爐）串聯(lián)，再加上煤氣除塵和調(diào)溫系統(tǒng)組成。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前49頁，總共119頁。1-熔融氣化爐；2-預(yù)還原豎爐；3-煤倉(cāng)；4-熱旋風(fēng)除塵器；5-煤氣冷卻器；6-爐頂煤氣冷卻器；7-鐵礦石；8-煤及石灰；9-外供煤氣；10-氧；11-鐵水及爐渣；12-原料氣；13-冷卻氣；14-還原氣；15-爐頂煤氣。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前50頁，總共119頁。Corex法的預(yù)還原豎爐類似于Midrex直接還原煉鐵法的豎爐，采用天然富塊礦或球團(tuán)礦作為含鐵料，從熔融制氣爐來的還原煤氣（CO+H2之和大于95%，以CO為主）將鐵礦石預(yù)還原，由于豎爐是高效率的還原反應(yīng)器，在短時(shí)間內(nèi)金屬化率就可達(dá)到90%以上。然后由下部的的螺旋給料器將金屬化的爐料連續(xù)均勻地輸入熔融制氣爐。熔融制氣爐類似于高爐的爐腹和爐缸部位，在上部連續(xù)均勻地輸入金屬氧化物的同時(shí)，煤塊亦從上部加入，而從其下部爐缸風(fēng)口鼓入氧氣。氧氣將其燃燒成CO并放出熱量。落下的爐料中殘余的氧化鐵在這里得到最終還原。還原的金屬鐵滲碳，爐料熔化而使渣鐵分離。形成的煤氣上升，從熔融制氣爐上部逸出。逸出煤氣經(jīng)除塵后，部分煤氣調(diào)溫到800-850℃，再輸入上部的預(yù)還原豎爐供礦石預(yù)還原使用，多余的部分煤氣則外供給其它用戶。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前51頁，總共119頁。1.3平爐煉鋼過程煉鋼的方法有很多種，其基本原理是相同的，所不同的是在冶煉過程中需要的氧和熱能來源不同，所用的設(shè)備和操作方法不同。目前各國(guó)采用的煉鋼方法有轉(zhuǎn)爐煉鋼、電爐煉鋼和平爐煉鋼等，而主要發(fā)展趨勢(shì)為純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼。至1976年，轉(zhuǎn)爐鋼已占世界鋼總產(chǎn)量的70％。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前52頁，總共119頁。煉鋼的基本過程：鐵元素的氧化：

2〔Fe〕＋｛O2｝＝2（FeO）〔Si〕〔Mn〕〔P〕〔C〕＋(FeO）（SiO2）（MnO）（P2O5）（CO）＋〔Fe〕鐵元素的再還原：二、鋼鐵冶煉當(dāng)前53頁，總共119頁。

2P+5FeO+4CaO=5Fe+4CaO·P2O5FeS+CaO=FeO+CaS

由于P、S元素的存在嚴(yán)重影響鋼的性能，所以必須脫除。造渣除P、S：脫氧：消除鋼中的氧化雜質(zhì)，提高鋼的質(zhì)量。合金化：按照不同鋼種對(duì)合金元素成分的要求，進(jìn)行合金化處理。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前54頁，總共119頁。煉鋼技術(shù)的發(fā)展，已有200多年的歷史?；驹砭褪窃谝睙掃^程中，對(duì)生鐵進(jìn)行脫碳。同時(shí)除去其中的其他有害雜質(zhì)。現(xiàn)代煉鋼方法中最先誕生的是空氣轉(zhuǎn)爐煉鋼法或稱貝斯曼煉鋼法（1856年）。隨后，又出現(xiàn)了蓄熱式爐，由于這種煉鋼爐形狀低平又有一個(gè)平展的熔池，所以被稱為

“平爐”。這種煉鋼法也稱為

“平爐煉鋼法”。也就是今天的平爐，并用于煉鋼生產(chǎn)，平爐煉鋼法，擴(kuò)大了原料的來源，生鐵，廢鋼、鐵屑、熟鐵、鐵礦石均可。所以在20世紀(jì)60年代以前，得到迅速發(fā)展。進(jìn)而發(fā)展成為風(fēng)行世界的主要煉鋼方法。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前55頁，總共119頁。五十年代以前，平爐鋼占世界鋼產(chǎn)量的85％。近年來，除澆鑄大型鑄件或供水壓機(jī)等成材的大鋼錠，平爐煉鋼仍在發(fā)揮其作用外，由于純氧頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)爐鋼的產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng)，世界各國(guó)平爐鋼產(chǎn)量才逐年下降。平爐煉鋼法的最大缺點(diǎn)是冶煉時(shí)間長(zhǎng)（一般需要6~8h），燃料耗損大（熱能的利用只有20~25％），基建投資和生產(chǎn)費(fèi)用高。一個(gè)年產(chǎn)1200萬噸鋼的鋼廠，只要建成六個(gè)250~300t的純氧頂吹轉(zhuǎn)爐就夠了，如果修建平爐卻需要500t的大型平爐30~40座。雖然目前世界上仍在生產(chǎn)的平爐已普遍采用氧氣煉鋼，生產(chǎn)率有較大的提高，但除塵系統(tǒng)復(fù)雜，投資高昂，因此平爐煉鋼不再發(fā)展，甚至有拆除改建為頂吹或底吹轉(zhuǎn)爐的趨勢(shì)。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前56頁，總共119頁。堿性平爐煉鋼：以液態(tài)生鐵或廢鋼為原料；利用爐氣和礦石供氧；以氣體或液體燃料供熱。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前57頁，總共119頁。3.1.1.3轉(zhuǎn)爐煉鋼過程

1.4轉(zhuǎn)爐煉鋼過程

這種煉鋼法使用的氧化劑是氧氣。把空氣鼓入熔融的生鐵里，使雜質(zhì)硅、錳等氧化。在氧化的過程中放出大量的熱量（含1%的硅可使生鐵的溫度升高200攝氏度），可使?fàn)t內(nèi)達(dá)到足夠高的溫度。因此轉(zhuǎn)爐煉鋼不需要另外使用燃料。轉(zhuǎn)爐煉鋼是在轉(zhuǎn)爐里進(jìn)行。轉(zhuǎn)爐的外形就像個(gè)梨，內(nèi)壁有耐火磚，爐側(cè)有許多小孔（風(fēng)口），壓縮空氣從這些小孔里吹爐內(nèi)，又叫做側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。開始時(shí)，轉(zhuǎn)爐處于水平，向內(nèi)注入1300攝氏度的液態(tài)生鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空氣并轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)爐使它直立起來。這時(shí)液態(tài)生鐵表面劇烈的反應(yīng)，使鐵、硅、錳氧化

(FeO,SiO2

,

MnO)

生成爐渣，利用熔化的鋼鐵和爐渣的對(duì)流作用，使反應(yīng)遍及整個(gè)爐內(nèi)。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前58頁，總共119頁。

幾分鐘后，當(dāng)鋼液中只剩下少量的硅與錳時(shí)，碳開始氧化，生成一氧化碳（放熱）使鋼液劇烈沸騰。爐口由于溢出的一氧化炭的燃燒而出現(xiàn)巨大的火焰。最后，磷也發(fā)生氧化并進(jìn)一步生成磷酸亞鐵。磷酸亞鐵再跟生石灰反應(yīng)生成穩(wěn)定的磷酸鈣和硫化鈣，一起成為爐渣。當(dāng)磷與硫逐漸減少，火焰退落，爐口出現(xiàn)四氧化三鐵的褐色蒸汽時(shí)，表明鋼已煉成。這時(shí)應(yīng)立即停止鼓風(fēng)，并把轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)到水平位置，把鋼水傾至鋼水包里，再加脫氧劑進(jìn)行脫氧。整個(gè)過程只需15分鐘左右。如果空氣是從爐低吹入，那就是低吹轉(zhuǎn)爐。隨著制氧技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已普遍使用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐（也有側(cè)吹轉(zhuǎn)爐）。這種轉(zhuǎn)爐如吹的是高壓工業(yè)純氧，反應(yīng)更為劇烈，能進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和鋼的質(zhì)量。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前59頁，總共119頁。目前純氧頂吹轉(zhuǎn)爐隨著氧槍的多孔噴頭的研制成功，大大提高了單位時(shí)間內(nèi)的供氧量，并由于操作技術(shù)上的革新（例如，用電子計(jì)算技術(shù)來調(diào)節(jié)、控制冶煉過程），不論轉(zhuǎn)爐容量的大小，吹煉時(shí)間基本上相差不多，即使300t轉(zhuǎn)爐，凈吹氧時(shí)時(shí)也可縮短到12min左右。在一定限度內(nèi)，爐容量越大，經(jīng)濟(jì)效果越好，因此頂吹轉(zhuǎn)爐迅速走向大型化?，F(xiàn)在世界上最大的轉(zhuǎn)爐為350t，并且正在研究建造400～450t轉(zhuǎn)爐。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前60頁，總共119頁。轉(zhuǎn)爐的結(jié)構(gòu)圖氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法二、鋼鐵冶煉當(dāng)前61頁，總共119頁。電爐煉鋼法主要利用電弧熱，在電弧作用區(qū)，溫度高達(dá)4000℃。冶煉過程一般分為熔化期、氧化期和還原期，在爐內(nèi)不僅能造成氧化氣氛，還能造成還原氣氛，因此脫磷、脫硫的效率很高。以廢鋼為原料的電爐煉鋼，比之高爐轉(zhuǎn)爐法基建投資少，同時(shí)由于直接還原的發(fā)展，為電爐提供金屬化球團(tuán)代替大部分廢鋼，因此就大大地推動(dòng)了電爐煉鋼。世界上現(xiàn)有較大型的電爐約1400座，目前電爐正在向大型、超高功率以及電子計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制等方面發(fā)展，最大電爐容量為400t。國(guó)外150t以上的電爐幾乎都用于冶煉普通鋼，許多國(guó)家電爐鋼產(chǎn)量的60～80％均為低碳鋼。我國(guó)由于電力和廢鋼不足，目前主要用于冶煉優(yōu)質(zhì)鋼和合金鋼。1.5電爐煉鋼二、鋼鐵冶煉當(dāng)前62頁，總共119頁。電弧爐煉鋼：

利用石墨電極和金屬爐料之間形成的電弧高溫加熱和熔化金屬，金屬熔化后加入鐵礦石、熔劑等，并吹氧，以加速鋼中的碳、硅、錳、磷等元素的氧化。當(dāng)碳、磷含量合格時(shí)，扒去氧化性爐渣．再加入石灰、螢石、電石、硅鐵等造渣劑和還原劑，形成高堿度還原渣，脫去鋼中的氧和硫。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前63頁，總共119頁。（1）電爐煉鋼的分類及功用電爐煉鋼是用電作為熱源進(jìn)行鋼鐵冶煉的方法，它有兩種形式：一是電弧爐，一是感應(yīng)爐。感應(yīng)爐只發(fā)生熔化而不發(fā)生冶煉作用，因此可按照需要的成分預(yù)先配好人爐原料。感應(yīng)加熱時(shí)產(chǎn)生的渦流，對(duì)熔體有攪動(dòng)作用，使鋼的成分均勻一致。電爐可以冶煉各種性能的合金鋼。利用電極電弧產(chǎn)生的高溫熔煉礦石和金屬的電爐。氣體放電形成電弧時(shí)能量很集中，弧區(qū)溫度在3000℃以上。對(duì)于熔煉金屬，電弧爐比其他煉鋼爐工藝靈活性大，能有效地除去硫、磷等雜質(zhì)，爐溫容易控制，設(shè)備占地面積小，適于優(yōu)質(zhì)合金鋼的熔煉。電弧爐按電弧形式可分為三相電弧爐、自耗電弧爐、單相電弧爐和電阻電弧爐等類型。

二、鋼鐵冶煉當(dāng)前64頁，總共119頁。電弧煉鋼爐的爐體由爐蓋、爐門、出鋼槽和爐身組成，爐底和爐壁用堿性耐火材料或酸性耐火材料砌筑。電弧煉鋼爐按每噸爐容量所配變壓器容量的多少分為普通功率電弧爐、高功率電弧爐和超高功率電弧爐。電弧爐煉鋼是通過石墨電極向電弧煉鋼爐內(nèi)輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進(jìn)行煉鋼。電弧爐以電能為熱源，可調(diào)整爐內(nèi)氣氛，對(duì)熔煉含有易氧化元素較多的鋼種極為有利

。

電弧爐煉鋼發(fā)明后不久，就用于冶煉合金鋼，并得到較大的發(fā)展。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前65頁，總共119頁。（2）電爐煉鋼的工藝流程造渣：調(diào)整鋼、鐵生產(chǎn)中熔渣成分、堿度和粘度及其反應(yīng)能力的操作。目的是通過渣——金屬反應(yīng)煉出具有所要求成分和溫度的金屬。例如氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐造渣和吹氧操作是為了生成有足夠流動(dòng)性和堿度的熔渣，以便把硫、磷降到計(jì)劃鋼種的上限以下，并使吹氧時(shí)噴濺和溢渣的量減至最小。

出渣：電弧爐煉鋼時(shí)根據(jù)不同冶煉條件和目的在冶煉過程中所采取的放渣或扒渣操作。如用單渣法冶煉時(shí)，氧化末期須扒氧化渣；用雙渣法造還原渣時(shí)，原來的氧化渣必須徹底放出，以防回磷等。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前66頁，總共119頁。煉鋼：生鐵→鋼(1)需要做到：①降：降低含碳量②除：除去硫、磷等雜質(zhì)

③調(diào)：調(diào)節(jié)合金元素的含量（2)基本反應(yīng)原理：利用氧化還原反應(yīng)，在高溫下，用氧化劑（用純氧氣）把生鐵中過多的碳和其它雜質(zhì)氧化除去。（4）煉鋼設(shè)備：轉(zhuǎn)爐，電爐，平爐（3）煉鋼的原料：生鐵，氧氣，生石灰，硅鐵和錳鐵二、鋼鐵冶煉當(dāng)前67頁，總共119頁。生鐵和鋼的比較鐵的合金

生鐵

鋼

含碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

雜質(zhì)

機(jī)械加工

機(jī)械性能

2%~4.3%0.03%~2%硅錳(較多)硫磷(較多)硅錳(適量)硫磷(較少)可鑄不可鍛可鑄,可鍛,可壓延硬而脆硬而韌,有彈性二、鋼鐵冶煉當(dāng)前68頁，總共119頁。煉鐵和煉鋼的比較

煉鐵

煉鋼

目的

原理

原料

設(shè)備

把鐵從鐵礦石中還原出來降低含碳量;除硫磷等雜質(zhì);調(diào)節(jié)合金元素的含量氧化-還原反應(yīng)還原劑還原出鐵氧化-還原反應(yīng)氧化劑氧化雜質(zhì)除去鐵礦石、石灰石、焦碳、空氣生鐵（廢鋼）、純氧、氧化鈣煉鐵高爐轉(zhuǎn)爐、平爐、電爐二、鋼鐵冶煉當(dāng)前69頁，總共119頁。（1）爐外精煉的含義（2）爐外精煉的方法（3）爐外精煉要完成的任務(wù)（4）精煉手段1.6電爐煉鋼及爐外精煉二、鋼鐵冶煉當(dāng)前70頁，總共119頁。將煉鋼爐（轉(zhuǎn)爐、電爐等）中初煉過的鋼液移到另一個(gè)容器中進(jìn)行精煉的煉鋼過程，也叫二次冶金。煉鋼過程因此分為初煉和精煉兩步進(jìn)行。初煉：爐料在氧化性氣氛的爐內(nèi)進(jìn)行熔化、脫磷、脫碳和主合金化。精煉：將初煉的鋼液在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中進(jìn)行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進(jìn)行成分微調(diào)等。將煉鋼分兩步進(jìn)行的好處是：可提高鋼的質(zhì)量，縮短冶煉時(shí)間，簡(jiǎn)化工藝過程并降低生產(chǎn)成本。爐外精煉的種類很多，大致可分為常壓下爐外精煉和真空下爐外精煉兩類。按處理方式的不同，又可分為鋼包處理型爐外精煉及鋼包精煉型爐外精煉等。二、鋼鐵冶煉爐外精煉的含義當(dāng)前71頁，總共119頁。（1）單元操作內(nèi)容少，功效單一，處理時(shí)間短，適用于生產(chǎn)節(jié)奏快的情況。真空處理：真空室處理（VD）、真空澆注、循環(huán)脫氣（RH）、提升脫氣（DH）等；噴粉處理：SL、TN、KIP、RH-IJ等；吹氬：吹氬攪拌、罩下吹氬（CAS）、CAS-OB、IR-UT等。（2）有較多的單元操作，功效較全面，處理時(shí)間長(zhǎng)，成本較高。不銹鋼脫碳：AOD、VOD、RH-OB等；加熱精煉；VAD、ASEA-SKF、LF等。爐外精煉的方法二、鋼鐵冶煉當(dāng)前72頁，總共119頁。

（1）降低鋼中氧、硫、氫、氮和非金屬夾雜物含量，改變夾雜物形態(tài)，以提高鋼的純凈度，改善鋼的機(jī)械性能。（2）深脫碳，滿足低碳或超低碳鋼的要求。在特定條件下，把碳脫到極低的水平。（3）微調(diào)合金成分，把合金成分控制在很窄的范圍內(nèi)，并使其分布均勻，盡量降低合金的消耗，以提高合金收得率。（4）調(diào)整鋼水溫度到澆注所要求的范圍內(nèi)，最大限度地減小包內(nèi)鋼水的溫度梯度。爐外精煉要完成的任務(wù)二、鋼鐵冶煉當(dāng)前73頁，總共119頁。渣洗、真空、攪拌、噴吹和加熱(調(diào)溫)、過濾等爐外精煉的手段二、鋼鐵冶煉當(dāng)前74頁，總共119頁。（1）渣洗

獲得潔凈鋼并能適當(dāng)進(jìn)行脫氧、脫硫的最簡(jiǎn)便的精煉手段。

將事先配好(在專門煉渣爐中熔煉)的合成渣倒入鋼包內(nèi)，借出鋼時(shí)鋼流的沖擊作用，使鋼液與合成渣充分混合，從而完成脫氧、脫硫和去除夾雜等精煉任務(wù)。在電弧爐冶煉中，還有在出鋼前控制調(diào)整還原渣的成分、流動(dòng)性和溫度，出鋼時(shí)鋼渣混出，借此使鋼液與還原渣充分混合，以進(jìn)—步利用還原渣的精煉作用脫氧脫硫，稱同爐渣洗，這種工藝也是利用了渣洗原理。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前75頁，總共119頁。（2）真空將鋼水置于真空室內(nèi)，由于真空作用使反應(yīng)向生成氣相方向移動(dòng)，達(dá)到脫氣、脫氧、脫碳等目的。真空是爐外精煉中廣泛應(yīng)用的一種手段。（3）攪拌通過攪拌擴(kuò)大反應(yīng)界面，加速反應(yīng)物質(zhì)的傳遞過程，提高反應(yīng)速度。攪拌方法：吹氣攪拌和電磁攪拌。（4）加熱調(diào)節(jié)鋼水溫度的一項(xiàng)重要手段，使煉鋼與連鑄更好地銜接。加熱方法：電弧加熱法和化學(xué)加熱法。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前76頁，總共119頁。（5）噴吹用氣體作載體將反應(yīng)劑加入金屬液內(nèi)的一種手段。噴吹的冶金功能取決于精煉劑的種類，它能完成脫碳、脫硫、脫氧、合金化和控制夾雜物形態(tài)等精煉任務(wù)。（6）過濾利用陶瓷過濾器將中間包內(nèi)鋼液中的氧化物夾雜等過濾掉。真空應(yīng)用最廣而且效果明顯。吹氬時(shí)的氬氣泡也可看作小的真空因?yàn)槠渲蠧O、H2、N2的分壓均很小。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前77頁，總共119頁。鋼液的真空處理（1）真空冶金的一般規(guī)律——壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響（2）金屬的真空脫氧（3）鋼液的真空脫氣二、鋼鐵冶煉當(dāng)前78頁，總共119頁。（1）真空冶金的一般規(guī)律—壓力對(duì)化學(xué)平衡的影響根據(jù)麥克斯韋關(guān)系式，吉布斯自由能隨壓力的變化，決定于該物質(zhì)在該溫度下的摩爾體積。氣體物質(zhì)的摩爾體積大，壓力的變化明顯地影響氣態(tài)物質(zhì)的吉布斯自由能。n摩爾氣體在溫度不變而氣體壓力變動(dòng)的情況下，吉布斯自由能的變化關(guān)系可用下式表達(dá)。式中n為氣體摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；P1和P2分別為反應(yīng)的始態(tài)與終態(tài)時(shí)的氣體壓力。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前79頁，總共119頁。1）當(dāng)反應(yīng)生成物為氣體時(shí)，降低系統(tǒng)的壓力，反應(yīng)仍具有自發(fā)進(jìn)行的趨勢(shì)，也就是提高真空度可使已達(dá)到平衡的反應(yīng)向產(chǎn)生氣體的方向繼續(xù)進(jìn)行。2）在常壓下適用的物理化學(xué)基本規(guī)律在高真空條件下（如1Pa）仍然是適用的。3）壓力的變化使冶金物理化學(xué)理論分析增加了一個(gè)變量。在常壓下往往將相律公式簡(jiǎn)化為F=C-P+1，但當(dāng)壓力變化時(shí)，相律公式仍應(yīng)恢復(fù)為F=C-P+2二、鋼鐵冶煉當(dāng)前80頁，總共119頁。（2）金屬的真空脫氧真空條件下碳的脫氧能力在常壓下進(jìn)行冶煉時(shí)，碳的脫氧能力較低，必須使用強(qiáng)脫氧劑進(jìn)行終脫氧。碳的脫氧產(chǎn)物是CO氣體，在降低壓力后，平衡向產(chǎn)生CO氣體方向移動(dòng)，使碳的脫氧能力提高。①真空條件下，碳的脫氧能力可以達(dá)到和硅、鋁相近的水平，當(dāng)鋼液中[C]、[O]含量不高時(shí)，可用濃度代替活度。因?yàn)镵和m在一定溫度下是常數(shù)，所以真空可以使碳的脫氧能力提高。②在實(shí)際情況下，碳的脫氧能力并不能達(dá)到熱力學(xué)計(jì)算的那樣強(qiáng)的水平，提高真空度不能使碳的脫氧能力無限提高。③在生產(chǎn)實(shí)踐中不管采用哪一種真空熔煉或處理裝置，鋼液在真空下由碳脫氧后，其殘存的氧含量總是大于按熱力學(xué)計(jì)算的值。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前81頁，總共119頁。電渣冶金國(guó)外電渣冶金發(fā)展概況一九四○年雖然霍普金斯已取得了發(fā)明專利，但是由于當(dāng)時(shí)技術(shù)上的封閉和不成熟，以及理論上存在著電渣冶金是埋弧過程的錯(cuò)誤的主導(dǎo)思想，致使電渣冶金的發(fā)展長(zhǎng)期處于停滯狀態(tài)。

現(xiàn)代電渣冶金技術(shù)是由前蘇聯(lián)發(fā)展起來的。烏克蘭巴頓電焊研究院在埋弧焊接過程中偶然發(fā)現(xiàn)，過多的渣液會(huì)使電弧熄滅，并使操作變得平穩(wěn)，于是發(fā)明了電渣焊。并在電渣焊的基礎(chǔ)上開發(fā)出電渣冶金技術(shù)。一九五八年，烏克蘭德聶泊爾特鋼廠建成了世界第一臺(tái)0.5t工業(yè)電渣爐，使電渣冶金進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程。

二、鋼鐵冶煉當(dāng)前82頁，總共119頁。電渣冶金是金屬及其合金的一種特殊冶煉方法。雖然電渣冶金可劃分出多種金屬方法和應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，但其基本和核心的技術(shù)是電渣重熔（ElectroslagRemelting，簡(jiǎn)稱ESR）。電渣重熔的基本原理：在銅制水冷結(jié)晶器中加入固態(tài)或液態(tài)爐渣，將自耗電極的端部插入其中。當(dāng)自耗電極、爐渣和底水箱通過短網(wǎng)與變壓器形成供電回路時(shí)，便有電流從變壓器輸出通過液態(tài)熔渣。由于在上述供電回路中熔渣的電阻相對(duì)較大，占據(jù)了變壓器二次電壓的大部分壓降，從而在渣池中產(chǎn)生了大量的焦耳熱，使其處于高溫熔融狀態(tài)。由于渣池的溫度遠(yuǎn)大于金屬的熔點(diǎn)，從而使自耗電極的端部逐漸加熱熔化，熔化的金屬匯聚成液滴，在重力的作用下金屬熔滴從電極端頭脫落，穿過渣池進(jìn)入金屬熔池，由于水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻，液態(tài)金屬逐漸凝固成鋼錠。當(dāng)前83頁，總共119頁。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前84頁，總共119頁。電渣重熔有一些特點(diǎn)：金屬的熔化、澆注和凝固均在一個(gè)較純凈的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)；具有良好的冶金反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件；自下而上的順序凝固條件保證了重熔金屬錠結(jié)晶組織均勻致密；在水冷結(jié)晶器與鋼錠之間形成的薄而均勻的渣殼保證了重熔鋼錠的表面光潔，金屬在這層渣皮的包裹中凝固，電渣錠會(huì)十分光潔。另外，渣皮的存在能減少?gòu)较騻鳠?，有利于形成軸向結(jié)晶條件。當(dāng)前85頁，總共119頁。STRUCTUREANDSHAPEOFMETALPOOLTYPICALFORVAR,STANDARDESRANDESR

TC(simulation)

VAR,ASRESRESR

TC,LM當(dāng)前86頁，總共119頁。二、鋼鐵冶煉ESR-1952AcademicianB.I.Medovar1916-2000當(dāng)前87頁，總共119頁。進(jìn)入六十年代，出于航空航天及軍備競(jìng)賽的需要，蘇聯(lián)對(duì)電渣冶金開展了大量的研究工作，并曾一度把發(fā)展電渣冶金作為蘇聯(lián)的第二黨綱，極大地推動(dòng)了電渣冶金的發(fā)展。而美國(guó)和西歐的一些國(guó)家，在真空電弧重熔與電渣金熔經(jīng)歷了七年激烈競(jìng)爭(zhēng)后確認(rèn)，電渣重熔不僅設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作，成本較低，在質(zhì)量方面，除去氣不及真空電弧重熔外，結(jié)晶組織、鋼錠表面、脫硫及去除夾雜物的能力均優(yōu)于真空電弧重熔。多年來，國(guó)外電渣冶金已不滿足于一般電渣錠的生產(chǎn)，在工業(yè)技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上向著更深更廣的領(lǐng)域發(fā)展，形成了一個(gè)跨專業(yè)、跨行業(yè)的新學(xué)科。已開發(fā)出的工藝技術(shù)有：電渣熔鑄、電渣澆注、電渣轉(zhuǎn)注、電渣熱封頂、電渣離心澆注、電渣復(fù)合熔鑄及快速電渣重熔等。尤其值得重視的是電渣熔鑄異形件的發(fā)展，小到幾十克重的不銹鋼假牙齒，大到幾十噸重的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，直至重量超過百噸的水泥回轉(zhuǎn)窯爐圈等，均可不經(jīng)鍛造在異形水冷結(jié)晶器中直接熔鑄成型?，F(xiàn)在電渣熔鑄的主要產(chǎn)品有大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)葉片、船舶柴油機(jī)大型曲軸、各種高壓容器、大型環(huán)件、各類軋輥、模具、透平渦輪盤、厚壁中空管、石油裂化管、齒輪毛坯、三通管、核電站壓水堆主回路管道等。種類規(guī)格之多，形狀之復(fù)雜不勝枚舉。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前88頁，總共119頁。烏克蘭巴頓電焊研究所電渣工藝中的物理冶金研究室，由列夫.密多瓦爾博士領(lǐng)導(dǎo)，主要的科研方向是：-應(yīng)用液態(tài)添加金屬和電渣重熔鈦和鈦合金的電渣工藝的研究；-用于新型優(yōu)質(zhì)和安全（可靠）的金屬結(jié)構(gòu)材料的電渣過程及生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。上述科研方向一些實(shí)際的設(shè)計(jì)和應(yīng)用成果：該研究室的科學(xué)研究成果前蘇聯(lián)時(shí)期在冶金和機(jī)械制造工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。近些年其中最著名的一個(gè)成果就是帶有高速鋼表面層的軋機(jī)復(fù)合軋輥的制造，其壽命比普通的生鐵軋輥高五倍多。其基本的工藝路線是電渣熔焊-液態(tài)金屬添加。該工藝在烏克蘭“新克拉瑪托夫斯克機(jī)械廠”已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)。研究室開發(fā)出基于電渣重熔方法制造復(fù)合坯料的新工藝，這種新的流程能夠?qū)⒒瘜W(xué)成分相差很大的不同材料復(fù)合在一起，并保證各層之間高質(zhì)量的熔融，和最小稀釋度。新工藝實(shí)現(xiàn)了工具鋼-碳鋼、含鎳高溫合金-碳鋼、銅-鋼復(fù)合雙金屬鋼錠的生產(chǎn)。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前89頁，總共119頁。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前90頁，總共119頁。SchemeofelectroslagmeltingofTisponge

當(dāng)前91頁，總共119頁。MacrostructureofESSLMHSSRollbillet

二、鋼鐵冶煉當(dāng)前92頁，總共119頁。D740mmMacrostructureofESSLMHSSRollbillet

二、鋼鐵冶煉當(dāng)前93頁，總共119頁。(x100)CoreCladlayerTransitionzoneatHSSroll二、鋼鐵冶煉當(dāng)前94頁，總共119頁。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前95頁，總共119頁。冶煉金屬的方法很多，其實(shí)質(zhì)是用還原的方法，由于金屬的化學(xué)活動(dòng)性不同，金屬離子得到電子還原成金屬原子的能力也不同，因此就必須采取不同的冶煉方法。工業(yè)上冶煉金屬一般用熱分解法、熱還原法或電解法?，F(xiàn)簡(jiǎn)單介紹如下冶煉金屬的方法二、鋼鐵冶煉當(dāng)前96頁，總共119頁。1．熱分解法有些不活潑金屬僅用熱分解法就能制得。在金屬活動(dòng)性順序中，位于氫后面的金屬的氧化物受熱就能分解，例如：2HgO=2Hg＋O2↑2Ag2O=4Ag＋O2↑二、鋼鐵冶煉當(dāng)前97頁，總共119頁。2．熱還原法多數(shù)金屬的冶煉過程屬于熱還原法。常用的還原劑有焦炭、一氧化碳、氫氣和活潑金屬等，例如：MgO＋C=Mg＋CO↑Fe2O3＋3CO=2Fe＋3CO2WO3＋3H2=W＋3H2OCr2O3＋2Al==2Cr＋Al2O3二、鋼鐵冶煉當(dāng)前98頁，總共119頁。3．電解法在金屬活動(dòng)性順序中，鉀、鈉、鈣、鋁等幾種金屬的還原性很強(qiáng)，這些金屬都很容易失去電子，因此不能用一般的方法和還原劑使其從化合物中還原出來，而只能用通電分解其熔融鹽或氧化物的方法來冶煉。2Al2O3=4Al＋3O2↑2NaCl=2Na＋Cl2↑對(duì)于某些不活潑金屬，如銅、銀等，也常用電解其鹽溶液的方法進(jìn)行精煉，但電解法要消耗大量電能，成本較高。二、鋼鐵冶煉當(dāng)前99頁，總共119頁。1.1鋁突出的化學(xué)性質(zhì)（親氧性）（1）接觸空氣或氧氣形成一層致密的氧化膜，覆蓋阻止內(nèi)層鋁被氧化；鋁不溶于水和酸、在空氣中或水中穩(wěn)定。三、有色金屬的生產(chǎn)1.金屬鋁的冶煉當(dāng)前100頁，總共119頁。（2）放入汞鹽形成鋁汞鹽]，在潮濕的空氣中即長(zhǎng)出胡須狀的“白毛”立即放出大量的熱，投入水中，放出H2。

3HgCl2+2Al=2AlCl3+Hg，Al+Hg=Al(Hg)Hg占據(jù)Al表面，使Al疏松

4Al(Hg)+3O2+2XH2O→2Al2O3?XH2O(白毛)+(Hg)2Al(Hg)+6H2O→2Al(OH)3↓+3H2↑+(Hg)三、有色金屬的生產(chǎn)當(dāng)前101頁，總共119頁。（3）鋁熱法的基本原理：

2Al+3/2O2=Al2O3ΔfH?=-1669.7kJ/molΔfH?1000k=-3339kJ/mol

氧化物CaOMgONiOCr2O3SiO2Fe2O3ΔfH?/kJ?mol-1-635.5-601.8-245-1129-859.4-822.22Al+Fe2O3=Al2O3+2FeΔrH<<0(-847.5kJ/mol)

溫度可達(dá)3273K，使鐵熔化，焊熱鐵軌，冶金上冶煉Ni、Cr、Mn、V等難熔金屬。三、有色金屬的生產(chǎn)當(dāng)前102頁，總共119頁。（4）兩性①高純鋁(>99.95%)不與一般酸作用，只溶于王水；②普通鋁能被冷濃硫酸或濃、稀硝酸所鈍化；③2Al+6H2SO4=3Al2(SO4)3+SO2↑+6H2O；④Al2O3、Al(OH)3具兩性。三、有色金屬的生產(chǎn)當(dāng)前103頁，總共119頁。1.2金屬鋁的冶煉Hell-Heroult法

1886年美國(guó)霍爾、法國(guó)厄魯爾（兩人均出生在1863年，死于1914年，發(fā)明時(shí)22歲）分別申請(qǐng)了冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法的專利，該法的工藝流程主要包括：氧化鋁的制備、電極生產(chǎn)、冰晶石及其氟化鹽的生產(chǎn)以及電解煉鋁幾大部分。分兩步進(jìn)行：1．從鋁釩土中提取Al2O3Al2O3+2NaOH+3H2O=2Na[Al(OH)4]2Na[Al(OH)4]+2CO2=Al(OH)3↓+Na2CO3+H2OAl(OH)3=Al2O3+3H2O3.1.2 有色金屬的生產(chǎn)3.1.2 有色金屬的生產(chǎn)_鋁的冶煉三、有色金屬的生產(chǎn)當(dāng)前104頁，總共119頁。CaO鋁土礦浸漬加熱NaOH蒸發(fā)加熱沉淀冷卻澄清晶種水洗泥紅泥Al(OH)3洗滌水煅燒Al2O3三、有色金屬的生產(chǎn)當(dāng)前105頁，總共119頁。金屬鋁的生產(chǎn)車間金屬鋁電解池2．電解Al2O3得Al電解質(zhì)：Al2O3,2%-8%冰晶石Na2AlF610%CaF2作助熔劑，降低電解質(zhì)的溶融溫度(Al2O3bp2273K,電解質(zhì)bp1173-1273K)陰極（鐵質(zhì)槽殼）:4Al3++12e=4Al（沉淀于槽底，定時(shí)放出）陽極（石墨）:6O2--12e=3O2三、有色金屬的生產(chǎn)當(dāng)前106頁，總共119頁。金屬鋁的生產(chǎn)車間當(dāng)前107頁，總共119頁。鋁的生產(chǎn)流程示意圖純冰晶石鋁錠螢石鋁礦石生產(chǎn)氧化鋁純氧化鋁電解制鋁碳素材料陽極糊或其它產(chǎn)品電極生產(chǎn)選礦再熔或精煉電能生產(chǎn)冰晶石或氟化物三、有色金屬的生產(chǎn)當(dāng)前108頁，總共119頁。Al3＋＋3e→AlAlO33--6e→Al2O3礦石（Al2O3）NaAlO2Al2O3?Na2OAl（OH）3Al2O3Al礦石（Al2O3）N