钢铁冶金导论总结

高炉冶炼的主要目的并说明高炉炼铁主要工艺流程：

目的：用铁矿石经济而高效的得到温度和成分合乎要求的液态生铁；

实现矿石中金属元素和氧元素的化学分离；

实现已被还原的金属与脉石的机械分离。

铁矿石评价：

⑴品位：含铁量，理论上品位↑1%，焦比↓2%，产量↑ 3%

⑵脉石成分：SiO2、Al2O3↓越好（须重视Al2O3 ），MgO ↑越好

⑶有害杂质：S 、P 、Cu 、Pb 、Zn 、As 、K 、Na

⑷有益元素：Mn 、V 、Ni 、Cr

⑸强度和粒度：强度↓易粉化影响高炉透气性，不同粒度应分级入炉;

⑹还原性：被CO 、H2还原的难易、影响焦比;

⑺化学成分稳定性：TFe 波动≤±0.5%，SiO2 ≤±0.03%混匀的重要性（条件：平铺直取——原料场应足够大）;

⑻矿石代用品：高炉炉尘、转炉炉尘、轧钢皮、硫酸渣等。

烧结过程的主要反应及其特点：

燃烧反应：C+O2，烧结废气中以CO2为主，存在少量CO ，还有一些自由氧和氮。 2C+O2=2CO； C+O2=CO2

分解反应：结晶水的分解：褐铁矿（mFe2O3·nH2O ） 高岭土（Al2O3· 2SiO2·2H2O) 熔剂分解： CaCO3=CaO+CO2(750℃以上) MgCO3=MgO+CO2(720℃)

还原与再氧化反应：Fe 、Mn 气化反应：脱硫85％～95％

烧结矿与球团矿主要区别：

1、富矿短缺，必须不断扩大贫矿资源的利用，而选矿技术的进步可经济的选出高品位细磨铁精矿，这种过细精矿不利于烧结，透气性不好，影响烧结矿产量和质量的提高。而用球团方法处理却很适宜，因为过细精矿易于成球，粒度愈细，成球性愈好，球团强度愈高。

2、成品矿的形状不同：烧结矿是形状不规则的多孔质块矿，而球团矿是形状规则的10~25mm的球。

3、球团法原料从磁铁矿扩展到赤铁矿、褐铁矿以及各种含铁粉尘，化工硫酸渣等；产品方面，可制造常规氧化球团以外的还原球团、金属化球团；球团法适应于有色金属的回收，有利于开展综合利用。

高炉直接还原和间接还原机理：

直接还原：以固体碳为还原剂，反应不需为平衡气相成分消耗过多的碳，是一个不可逆的强吸热反应；

间接还原：以气体为还原剂，是一个可逆反应，还原剂不能完全被利用，平衡气相中有一定比例的CO ，反应能放出少量热。

粉矿造块的目的：

1、将粉状料制成具有高温强度的块状料以适应高炉冶炼、直接还原等在流体力学方面的要求；

2、通过造块改善铁矿石的冶金性能，使高炉指标得到改善；

3、通过造块去除某些有害杂质，回收有益元素达到综合利用资源和扩大铁矿石原料资源。

高炉操作制度：

高炉操作制度包括装料制度、送风制度、造渣制度、热制度。其中选择合适的送风制度和装料制度更为重要。

选择合理的操作制度必须依据：

（1）原燃料的理化性能； （2）各种冶炼技术特征； （3）炉顶装料设备结构形式；

（4）高炉内型特征； （5）大气温度和湿度； （6）生铁冶炼品种。

造渣制度的内容及确定

造渣制度的内容包括造渣过程和终渣性能的控制。造渣制度应根据冶炼条件、生铁品种确定。炉渣性能是选择造渣制度的依据。

（1）对使用的原料的冶金性能作全面了解，特别是软化开始温度，熔化开始温度，软熔区间温度差等。

（2）选择合理的炉料结构，使软熔带宽度位置合理。

铁合金用途

脱氧剂、用作合金剂、改善铸造工艺和铸件性能、用作还原剂、作为有色金属的添加剂、中低碳用于生产电焊条；

为何硅铁中硅含量不选择45%~65%之间

Fe-Si 二元合金体系中，当硅含量在53.6%左右的熔体冷却至1220℃时，会形成高温变体FeSi2.3 — ξα相（文献中称之为列比特相），当凝固相继续冷却时， ξα会发生包晶反应或共析反应。该过程伴随合金体积增大，从而导致合金粉化。

锰系铁合金

1）主要品种：高、中、低碳Fe-Mn 、Mn-Si 合金及金属Mn ；

2）碳素锰铁冶炼的主要原材料

电炉熔剂法生产碳素Fe-Mn 的原料为锰矿（MnO2）、还原剂（焦炭）、熔剂（石灰）

3）主要反应：MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO MnO+C →Mn+CO FeO+C →Fe+CO 生产方法 冶金原理

高碳锰铁吹氧脱碳 第一步 生产锰硅铁合金脱C

硅热法 第二步 锰矿对锰硅合金脱Si

非高炉炼铁特点：不使用焦炭；反应温度与还原程度关系与高炉法明显不同；投资少，周期短；灵活性强，适应性强；处于完善研究与发展中。

直接还原法：在铁矿石熔化温度下把铁矿石还原成海绵铁的冶炼生产过程，产品是直接还原铁或海绵铁。低温还原，未能充分渗碳。

熔融还原法：矿石在高温熔融状态下，用还原剂（碳）把铁氧化物还原成金属铁的非高炉冶炼法，其产品为液态生铁。一切不用高炉冶炼生产液态生铁的方法，它是不用焦炭在一个容器中完成高炉冶炼的过程，基本上不改变目前传统钢铁生产的基本原理。

铁水三脱工艺特点

优点：

可实现转炉少渣冶炼（渣量＜ 30 kg／t ）。

铁水脱硫有利于冶炼高碳钢、高锰钢、低磷钢、特殊钢（如轴承钢、不锈钢）等。 可提高脱碳速度，有利于转炉高速冶炼。

转炉吹炼终点时钢水锰含量高，可用锰矿直接完成钢水合金化。

缺点：

铁水中发热元素减少，转炉的废钢加入量减少。

转炉少渣炼钢工艺——铁水预处理将S 、P （脱P 需先脱Si ）脱到转炉冶炼钢种的终点要求含量，转炉就无需为脱S 、P 进行造渣，而只承担脱C 和升温任务的工艺。

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

熔渣的作用

的夹杂物及反应产物。

熔渣的不利作用

熔渣的来源

Si 、Mn 、P 、Fe 等元素的氧化产物。

脱碳反应的产物－CO 在炼钢过程中的作用：

CO 气体产生沸腾现象，使熔池受到激烈地搅动，起到均匀熔池成分和温度的

作用；

CO 气体通过渣层是产生泡沫渣和气一渣一金属三相乳化的重要原因；

CO 气体有利于清除钢中气体和夹杂物；

CO 气体的不均匀性和由它造成的熔池上涨往往是产生喷溅的主要原

因。

钢液脱氧的必要性：

在氧气炼钢过程均采用向金属熔池供氧以氧化去除铁液中碳、硅、磷等杂质；

为获得高的反应效率，必须供入充足的氧；

在冶炼临近结束时，钢液实际上处于“过度氧化”状态。

氧对钢性能的影响

氧是在钢的凝固过程偏析倾向最严重的元素之一，氧的偏析系数（1－[O]固体钢/[O]钢液）为0.98。

1、在钢凝固和随后的冷却过程，由于溶解度急剧降低，钢中原溶解的绝大部分氧以铁氧化物、氧硫化物等微细夹杂物形式在奥氏体或铁素体晶界处富集存在；

2、氧化物、氧硫化物等微细夹杂物会造成晶界脆化，在钢的加工和使用过程容易成为晶界开裂的起点，导致钢材发生脆性破坏；

3、钢中氧含量增加会降低钢材的延性、冲击韧性和抗疲劳破坏性能，提高钢材的韧－脆转换温度，降低钢材的耐腐蚀性能等。

（1）直接（沉淀）脱氧法； （2）扩散脱氧法； （3）真空脱氧法。

降低钢中气体的措施：

1、减少入炉原料带入的气体；2、控制好钢水温度减少吸气量；3、加快排气速度

4、真空处理

降低钢中夹杂的措施：

减少脱氧产物对钢液的污染

减少外来杂质的污染

转炉反应速度快，生产效率高的根本原因

指渣-气或渣-钢在乳化过程中，金属、熔渣和氧气的接触面积急剧增大，这给参与反应的组元的传输和异相反应的进行提供了极其有利的条件。这也是吹氧炼钢的特点。研究表明，金属液滴比金属熔池脱碳、脱磷、脱锰更有效。

炼钢工艺中留渣的意义和作用？

可加速下炉吹炼初期渣的形成，提高前期去S 、P 的效率，同时可减少石灰消耗。适用于吹炼中、高磷铁水。

炼钢过程中加入废钢的作用？

作为调整吹炼温度的冷却剂。采用废钢冷却，可降低钢铁料、造渣材料和氧气的消耗，而且比用铁矿石冷却的效果稳定、喷溅少。废钢价格较生铁低，多用废钢可降低成本。

氧射流对熔池的机械作用

⑴高速氧射流冲击金属熔池, 可将钢、渣击碎, 形成大量金属滴和液渣滴, 同时气体本身被击碎, 形成许多小气泡。从而形成两相或三相乳化态混合液, 使钢-渣-气接触面积急剧增加。 ⑵高速氧射流与金属熔池间的摩擦作用, 氧流的动能传输给金属液, 引起金属熔池循环运动, 起到机械搅拌作用, 且在熔池中心形成一凹坑状的氧流作用区。

⑶流股冲击金属液面时, 有一小部分向四周反射并夹带炉渣，对炉衬有一定的冲刷作用。

熔池搅拌的动能组成：

① 射流的动能直接传输给熔池；

② 碳氧反应生成的CO 气泡提供的浮力；

③ 温度差和浓度差引起的少量对流运动。

转炉炉内反应特征

⑴ 氧反应效率高，脱碳速度极快，精炼时间短；

⑵渣—金属的搅拌激烈, 从吹炼初期开始, 脱[C]和脱[P]同时进行。

⑶ 精炼反应热效率高，废钢使用量高；

⑷ 因强有力的沸腾，钢中[H]、[N]等气体被去除，含量低；

⑸炉内最高温度位于炉中心点火点，所以对耐火材料损伤小。

造渣的目的：去除磷、硫，避免喷溅，保护炉衬，减少金属损失，保护钢液不过度氧化，不吸收有害气体，保温，减少有益元素烧损，吸收上浮夹杂物及反应产物，保证C —O 顺利进行。

1、泡沫渣的形成：

在吹炼过程中, 由于氧射流与熔池的相互作用, 形成了气—熔渣—金属液密切混合的三相乳化液。分散在炉渣中的小气泡的总体积往往超过熔渣本身体积的数倍甚至数十倍。熔渣成为液膜, 将气泡包住, 引起熔渣发泡膨胀, 形成泡沫渣。

2、泡沫渣的作用：

由于炉内的乳化现象, 大大发展了气—熔渣—金属液的界面, 加快了炉内化学反应速度, 从而达到良好的吹炼效果。若控制不当, 严重的泡沫渣也会引发事故。

脱氧及合金化区别和联系

区别：合金元素的价格通常较高, 希望尽量少氧化；脱氧元素则比较便宜, 先加入让其充分脱氧, 以免后加入的合金元素氧化。

联系：二者都是向钢液加入铁合金，加入钢液的脱氧剂必然会有部分溶于钢液而起合金化的作用，如使用Fe-Si 、Fe-Mn 脱氧的同时调整钢液的硅锰含量；加入钢液的合金元素，因其与氧的亲和力大于铁也势必有一部分被氧化而起脱氧作用。转炉的脱氧与合金化的操作常常是同时进行的。

连铸与模铸相比优点有哪些？

连铸使钢液由钢坯的生产工艺和设备简化，无需粗轧，节约燃料、动力和人力

钢坯切头率比钢锭少，金属收得率提高7-12%

省去脱模、整膜、铸锭等工序，简化车间布置、节约耐火材料、改善劳动条件，利于连续化、 自动化生产

铸坯内部组织均匀、致密、偏析少，性能稳定，表面缺陷少

可降低能耗

连铸设备复杂，对管理和操作技术水平较高，对耐火材料质量的要求也比较高

1、一冷作用：一冷就是结晶器通水冷却。其作用是确保铸坯在结晶器内形成一定的初生坯壳。

2、一冷确定原则：一冷通水是根据经验确定，以在一定工艺条件下钢水在结晶器内能够形成足够的坯壳厚度和确保结晶器安全运行为前提。

1、二冷作用:二次冷却是指出结晶器的铸坯在连铸机二冷段进行的冷却过程。其目的是对带有液芯的铸坯实施喷水冷却, 使其完全凝固, 以达到在拉坯过程中均匀冷却。

2、二冷强度确定原则:二冷通常结合铸坯传热与铸坯冶金质量两个方面来考虑。铸坯刚离开结晶器, 要采用大量水冷却以迅速增加坯壳厚度, 随着铸坯在二冷区移动, 坯壳厚度增加, 喷水量逐渐降低。因此, 二冷区可分若干冷却段, 每个冷却段单独进行水量控制。同时考虑钢种对裂纹敏感性而有针对性的调整二冷喷水量。