材料工程第一章金屬材料的制備

第一節(jié)冶金工藝第二節(jié)鋼鐵冶煉第三節(jié)有色金屬冶煉第一章金屬材料的制備－冶金

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，接著對粗煉金屬產(chǎn)品進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。

第一節(jié)冶金工藝

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、電冶金等。

冶金是基于礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用和金屬材料生產(chǎn)加工過程的工程技術(shù)。一、火法冶金

定義：火法冶金是指利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的方法。（干法冶金）

工藝過程：礦石準備冶煉精煉選礦、干燥、焙燒、球化或燒結(jié)氧化還原提取金屬除去雜質(zhì)提純金屬第一節(jié)冶金工藝概述

火法冶金

礦石準備：選礦：去除礦石中大量無用的脈石或有害礦物，以獲得含有較多金屬元素的精礦。干燥：去除礦石中的水分，干燥溫度一般在400～600℃。焙燒：在一定的氣氛下，將礦石加熱到一定溫度（低于熔點），使之發(fā)生物理化學(xué)變化以適應(yīng)下一步冶金過程的要求。燒結(jié)和球團：選礦得到的細精礦不宜直接使用，需先加入溶劑再高溫?zé)Y(jié)成塊，或添加粘結(jié)劑壓制成型或滾成小球再燒結(jié)成球團。第一節(jié)冶金工藝概述

火法冶金

冶煉：將處理好的礦石，在高溫下通過氧化還原生成粗金屬和爐渣的過程。還原冶煉：使金屬氧化物在高溫熔煉爐還原性氣氛下被還原成熔體金屬的冶煉方法。加入的爐料：富礦、燒結(jié)礦、球團礦；造渣用的石灰石、石英石的溶劑；還加入焦炭、煤，既作為發(fā)熱劑，產(chǎn)生高溫，也作還原劑，使金屬化還原。第一節(jié)冶金工藝概述

火法冶金造锍冶煉：屬氧化冶煉。主要用于處理硫化銅礦或硫化鎳礦。生產(chǎn)上利用銅、鎳、鈷對硫的親和力大于鐵，而對氧的親和力遠小于鐵的性質(zhì)在熔煉過程中，使鐵的硫化物不斷氧化成氧化物隨后與脈石造渣而除去。氧化吹煉：在氧化性氣氛下進行冶煉，吹入氧氣使生鐵液中的硅、錳、碳、磷、硫等雜質(zhì)被氧化煉成合格的鋼水。第一節(jié)冶金工藝概述

火法冶金

精煉：對冶煉的金屬進行去除雜質(zhì)提高純度的過程。物理精煉法熔析精煉：利用某些雜質(zhì)金屬或其化合物在主金屬中的溶解度隨溫度的降低而顯著減少的性質(zhì)，改變溫度，使原來成分均勻的粗金屬分相，形成多相體系，而將雜質(zhì)分離到一種固體或液體中，與主金屬分開，達到提純金屬的目的。多用于提純?nèi)埸c較低的金屬（Sn、Pb、Zn、Sb等），以去除熔點較高并與主金屬形成二元共晶的雜質(zhì)。第一節(jié)冶金工藝概述

火法冶金物理精煉法精餾精煉：利用物質(zhì)沸點不同，交替進行多次蒸發(fā)和冷凝去除雜質(zhì)。適用于相互溶解或部分溶解的金屬熔體。區(qū)域精煉：又稱為區(qū)域熔煉或區(qū)域提純，指根據(jù)金屬液體混合物在冷凝結(jié)晶過程中偏析（即雜質(zhì)在固液相中分配比例不同，將雜質(zhì)富集到液相或固相中從而與主金屬分離）的原理，通過多次熔融和凝固，達到精煉的目的。第一節(jié)冶金工藝概述

火法冶金化學(xué)精煉法氧化精煉：利用氧化劑將粗金屬中的雜質(zhì)氧化造渣或氧化揮發(fā)除去的精煉方法。硫化精煉：用加入硫或硫化物的方法，除去粗金屬中雜質(zhì)的精煉方法。氯化精煉：通入氯氣或氯化物使雜質(zhì)形成氯化物而與主金屬和分離的精煉方法。堿法精煉：向粗金屬加入堿，使雜質(zhì)氧化并與堿結(jié)合成渣而被除去的精煉方法。第一節(jié)冶金工藝概述二、濕法冶金

定義：濕法冶金是在常溫或低于100℃以下，用溶劑處理礦石或精礦，使所要提取的金屬溶解于溶液中，而其他雜質(zhì)不溶解，然后再從溶液中將金屬分離和提取出來的過程。大部分溶劑為水溶液，也稱為水法冶金。

工藝過程：浸出（固液）分離（金屬或化合物）提取（溶液凈化）富集第一節(jié)冶金工藝概述

濕法冶金浸出：也稱為浸取，是對礦石進行選擇性溶解的過程。即借助于浸出劑從礦石、精礦等固體物料中提取所需金屬可溶性成分，從而與其他不溶物質(zhì)分離的過程。浸取劑不同：酸浸出、堿浸出、鹽浸出化學(xué)過程不同：氧化浸出、還原浸出。浸出過程壓力的不同：常壓浸出、加壓浸出。浸出方式：就地浸出、滲濾浸出、攪拌浸出、熱球磨浸出、流態(tài)化浸出第一節(jié)冶金工藝概述

濕法冶金固-液分離：是將浸出液與殘渣分離成液相和固相，同時將夾帶于殘渣中的冶金溶劑和金屬離子洗滌回收的過程。沉降分離法：借助于重力的作用使固相沉積將液相與固相分離的方法過濾分離法：在壓力的作用下，利用多孔介質(zhì)攔截浸出液相中的固體離子，使液相與固相分離的方法。第一節(jié)冶金工藝概述

濕法冶金第一節(jié)冶金工藝概述富集：對分離的溶液進行凈化。一般浸出溶液中除欲提取的金屬外，還有其他金屬和非金屬雜質(zhì)，必須將他們分離出來才能最終提取所需的金屬。方法：結(jié)晶、蒸餾、沉淀置換、溶液萃取、離子交換、膜分離等提?。和ㄟ^電解、化學(xué)、置換、還原等方法從凈化的溶液中獲得金屬或化合物方法三、電冶金

定義：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：

電熱冶金：直接用電加熱生產(chǎn)金屬的一種冶金方法。包括電弧熔煉、電阻熔煉、等離子熔煉、感應(yīng)熔煉、電子束熔煉等。第一節(jié)冶金工藝概述電化學(xué)冶金：利用電化學(xué)反應(yīng)，使金屬從含金屬鹽類的水溶液或熔體中析出的冶煉方法。包括溶液電解和熔鹽電解熔鹽電解：直接利用高導(dǎo)電率、低熔點的熔鹽作為電解質(zhì)在熔池中進行電解。適用于電極電位較負的金屬，如Al、Mg、Ti、Be、Li、Ta、Nb等溶液電解：以金屬浸出液作為電解液進行電解還原，使溶液中的金屬離子還原為金屬析出（電解提取、不溶陽極電解），使粗金屬陽極經(jīng)由溶液精煉沉積于陰極（電解精煉、可溶陽極電解）的冶金過程。適用于電極電位較正的金屬，如Cu、Ni、Co，Au、Ag等

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、Al2O3、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。

第二節(jié)鋼鐵冶煉生產(chǎn)基本過程：

（高爐的還原過程）（氧化過程）鐵礦石→煉鐵→煉鋼→鑄錠（連鑄）→軋制→鋼材

鑄造生鐵鑄造第二節(jié)鋼鐵冶煉1、煉鐵的原料：鐵礦石、熔劑和及燃料。一、生鐵冶煉（1）鐵礦石含鐵礦物和脈石組成。赤鐵礦(Fe2O3)：70%Fe紅色磁鐵礦(Fe3O4)：72.4%Fe黑色褐鐵礦(2Fe2O3·3H2O)：59.8%Fe黃褐色菱鐵礦（FeCO3）：42.8%Fe淡黃色脈石：SiO2、Al2O3、CaO、MgO等第二節(jié)鋼鐵冶煉一、生鐵冶煉褐鐵礦菱鐵礦赤鐵礦磁鐵礦對鐵礦石的要求：含鐵量愈高愈好；30~70%，貧礦：Fe%＜45%

富礦：Fe%＞45%還原性好；粒度適中；通常為10~25mm脈石成分中堿性氧化物含量高；雜質(zhì)含量少；S%＜0.15%，P%＜0.4%，As%＜0.1%有一定強度冶煉前鐵礦石的處理：主要通過選礦來提高礦石的品位:A:貧鐵礦→破碎→篩分→細磨→選礦→精礦粉→混勻→燒結(jié)、造塊（燒結(jié)礦或球團礦）→篩分→儲藏→過篩→稱量→入爐。B:天然富礦→破碎→篩分→混勻→儲藏→過篩→稱量→入爐一、生鐵冶煉1、煉鐵的原料（2）熔劑作用：降低脈石熔點，生成熔渣；去硫種類：

通常用堿性熔劑石灰石要求：堿性氧化物高（CaO+MgO）＞50%，酸性氧化物低(SiO2+Al2O3）≤3.5%P、S低，強度高，粒度均勻，粒度最好與礦石粒度一致一、生鐵冶煉1、煉鐵的原料（3）燃料作用：發(fā)熱劑，提供熱量；還原劑；料柱骨架；滲碳劑要求：含碳量高；有害雜質(zhì)硫、磷及水分、灰分、揮發(fā)分的含量低；在常溫及高溫下要有足夠的機械強度；氣孔率要大，粒度要均勻常用的燃料：焦炭噴吹用燃料：10~30%，有的達40~50%，包括氣體燃料（天然氣、焦爐煤氣等）、液體燃料（重油、柴油、焦油）、固體燃料（無煙煤粉）一、生鐵冶煉1、煉鐵的原料2、高爐設(shè)備及工藝過程一、生鐵冶煉一、生鐵冶煉2、高爐設(shè)備及工藝過程煉鐵高爐的結(jié)構(gòu)

煉鐵工業(yè)設(shè)備圖煉鐵工業(yè)設(shè)備圖一、生鐵冶煉2、高爐設(shè)備及工藝過程（1）燃料的燃燒

C+O2CO2

CO2+C2CO

3、煉鐵的物理化學(xué)過程

（2）爐料的蒸發(fā)、揮發(fā)、及分解①水分的蒸發(fā)和結(jié)晶水的分解

105℃以上，吸附水（游離水）可蒸發(fā)，對高爐無害。

200℃開始，褐鐵礦（2Fe2O3.3H2O）分解，400～500℃分解速度最大。約400℃高嶺土（Al2O3.2SiO2.2H2O）開始分解，在500～600℃才迅速進行。②燃料揮發(fā)分的揮發(fā)焦碳中含揮發(fā)分0.7～1.3%，在風(fēng)口被加熱到1400～1600℃，這些揮發(fā)分進入煤氣。由于量少，對煤氣成分和冶煉過程影響很小。③碳酸鹽的分解主要指CaCO3、MgCO3、FeCO3、MnCO3的分解反應(yīng)，前兩者為主，其反應(yīng)式為：

CaCO3=CaO+CO2-42520KcalMgCO3=MgO+CO2-26470Kcal一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程①CO作還原劑（間接還原）

T＞570℃

：3Fe2O3＋CO2Fe3O4＋CO2

2Fe3O4＋2CO6FeO＋2CO2

6FeO＋6CO6Fe＋6CO2T＜

570℃

：3Fe2O3＋CO2Fe3O4＋CO2

2Fe3O4＋2CO3Fe＋4CO2

基本為放熱反應(yīng)，主要在高爐上部800℃以下的低溫區(qū)進行。（3）鐵的還原當(dāng)T＜570℃時：Fe2O3

Fe3O4

Fe

當(dāng)T＞570℃時：Fe2O3

Fe3O4

FeOFe

一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程②固體碳作還原劑（直接還原）高爐內(nèi)固體碳的還原作用化學(xué)反應(yīng)：

FeO+CO=Fe+CO2+3250KJCO2+C=2CO—39600KJ

綜合以上反應(yīng)結(jié)果相當(dāng)于碳對氧化物的直接還原：

FeO+C=Fe+CO—36350KJ

吸熱反應(yīng)，反應(yīng)主要在高爐下部1000℃以上進行一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程③氫作為還原劑（間接還原

）

當(dāng)T>570℃：

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+H2=3FeO+H2OFeO+H2=Fe+H2O

當(dāng)T<570℃：

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O3Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程鐵礦石中錳以MnO2,Mn2O3和Mn3O4的形式存在，還原過程為：

MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO→Mn。MnO在還原前與SiO2結(jié)合生成硅酸鹽，大量進入爐渣中，所以，生鐵中的錳最終從爐缸內(nèi)爐渣還原出來，MnO反應(yīng)式為：MnSiO3+C=Mn+SiO2+CO-Q高溫和提高爐渣堿度有利于錳的還原，約有1/3的MnO能被還原，被還原的錳大約有40%~60%進入生鐵。（4）錳的還原一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程爐渣堿度：渣中堿性氧化物與酸性氧化物濃度之比。常用（CaO）和(SiO2)摩爾分數(shù)之比表示。

鐵礦石中硅的氧化物以SiO2的形式存在，二氧化硅還原過程是以固體碳為還原劑進行的直接還原。反應(yīng)式為：

SiO2+2C=Si+2CO-Q

該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，爐溫愈高，硅被還原的數(shù)量愈多。（5）硅的還原一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程

礦石中的磷主要以(CaO)3P2O5[Ca3(PO4)2]的形式存在，磷酸鈣在1200~1500℃與固體碳為還原劑發(fā)生直接還原反應(yīng)，反應(yīng)為：

(CaO)3P2O5+5C=3CaO+2P+5CO

而SiO2存在，又能與磷酸鈣中的CaO相結(jié)合，使P2O5游離出來，從而加速磷酸鈣的還原，反應(yīng)為：2(3CaO·P2O5)+3SiO2=3(2CaO·SiO2)+2P2O52P2O5+10C=4P+10CO

被還原出來的磷除小部分揮發(fā)外都溶入鐵中，還原出來的磷與鐵結(jié)合生成Fe2P或Fe3P并溶于生鐵中，因此控制生鐵含磷量的唯一方法是控制爐料的含磷量。（6）磷的還原一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程

造渣是礦石中廢料，燃料中灰分與熔劑熔合的過程，熔合后的產(chǎn)物就是渣。爐渣與熔融金屬液不互熔，又比其輕，能浮在熔體表面，便于排出。

mSiO2+pAl2O3+nCaO=nCaO·pAl2O3·mSiO2

主要成分；SiO2、Al2O3、CaO,及少量MnO、FeO、CaS等。

爐渣具有重要作用：

1）熔化各種氧化物，控制生鐵成分。

2）浮在鐵液表面，能保護金屬，防止其過分氧化、熱量散失或不致過熱。

（7）造渣一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程

礦石和焦碳等燃料中的硫主要以硫化亞鐵的形式存在，與石灰石中的CaO(MgO)以及固體碳作用，發(fā)生的爐渣脫硫主要是在鐵水滴入爐缸穿過渣層時進行的，反應(yīng)為：

[FeS]+(CaO)+C=[Fe]+(CaS)+CO-Q爐料帶入的硫有三個去處，即分別進入生鐵、爐渣和隨煤氣逸出高爐。即：S[鐵]=S[料]-S[渣]-S[煤氣]降低硫在生鐵中含硫量，有以下途徑：

A、加強原料的準備處理，降低原料帶入的硫量；

B、增強硫的揮發(fā)量使更多的硫進入煤氣，而隨煤氣逸出；

C、提高硫的分配系數(shù)（LS=（S）/[S]），提高爐渣脫硫能力。提高脫硫能力的方法：

A.提高渣的堿度

B.提高爐缸溫度（8）脫硫一、生鐵冶煉

（8）鐵的增碳

爐料在高爐中下降的過程中，當(dāng)進入1000~1100℃時，從礦石中還原出的鐵與一氧化碳、焦炭相互作用，會溶入大量的碳，使鐵的熔點降低，鐵在爐身下部和爐腹處開始熔化，熔滴順焦炭塊流向爐缸，在此過程中，碳還會大量進入鐵的熔滴，并達到飽和程度，其含碳量可達4%或更高。一、生鐵冶煉3、煉鐵的物理化學(xué)過程4、煉鐵的主要產(chǎn)品⑴生鐵

生鐵是高爐冶煉的主要產(chǎn)品，一般生鐵中W(Fe)為94%左右，W（C）為4%左右，其于Si、Mn、P、S等少量元素。生鐵和鋼在成分上的差別如下表；成分：CSiMnPS

生鐵>2.11>0.50.5~2.0<0.1~0.4<0.07

鋼<2.11<0.40.3~0.8<0.05<0.05生鐵按用途分為三種：①煉鋼生鐵：占生鐵總量的80%~90%,w(si)=0.6%~1.6%,w(s)<0.07%。

②

鑄造生鐵，又稱翻砂生鐵，用于鑄造生產(chǎn)。主要特點是含si較高，w(si)=2.75~3.25%，占產(chǎn)量的10%~20%。③特殊生鐵：如鉻鐵、硅鐵、錳鐵[w(Mn)=10~25%]等，為高爐冶煉的鐵合金。用于煉鋼的脫氧劑和合金元素的添加劑。一、生鐵冶煉4、煉鐵的主要產(chǎn)品（2）爐渣

按冶煉礦石的品位不同，冶煉1t生鐵產(chǎn)生渣量0.3~0.6t之間。可用來制造水泥、造磚、礦渣棉等。（3）高爐煤氣

冶煉1t生鐵可產(chǎn)生2000～3000m3的高爐煤氣，其中含有質(zhì)量分數(shù)約25%的CO，1%～4%的H2，少量甲烷等可燃燒氣體，其發(fā)熱值為3000～4000KJ/m3?？勺鳛楣I(yè)上的燃料。使用前應(yīng)除塵。一般高爐煤氣總量的1/3左右用于自身熱風(fēng)爐的加熱，其余可供動力、煉焦、煉鋼、燒結(jié)、軋鋼等部門使用。（4）爐塵

爐氣上升時從爐內(nèi)帶出的細顆粒固體爐料。冶煉1t生鐵產(chǎn)生爐塵50~100Kg?？勺鰺Y(jié)配料。5、高爐技術(shù)經(jīng)濟指標(1)有效容積利用系數(shù)（高爐利用系數(shù)）n

n=P/VuP—生鐵日產(chǎn)量（t/d）

Vu—高爐有效容積（m3）

每立方米高爐有效容積一晝夜（d）生產(chǎn)合格生鐵的質(zhì)量（t）單位為：t/m3·dn越大，生鐵產(chǎn)量越高，高爐生產(chǎn)率也越高。目前世界主要產(chǎn)鐵國年平均高爐有效利用系數(shù)在2.0～2.5t/m3

·d之間，先進的達2.8～3.2t/m3

·d。

一、生鐵冶煉(2)鐵焦比K

K=Q/PQ—每日消耗焦炭量（t/d）鐵焦比就是生產(chǎn)1t生鐵所消耗的焦炭重量（Kg）。在工廠習(xí)慣常用kg/t表示，顯然鐵焦比越低越好。在噴吹燃料條件下，不能只用鐵焦比來表達，須用燃料比（K燃），即每噸生鐵耗用各種入爐燃料之總和。K燃=（焦炭+煤粉+重油+……）kg/t。國外鐵焦比日本最低，近年一般在400kg/t左右，燃料比一般在450kg/t左右。我國重型企業(yè)年平均鐵焦比為500kg/t，居世界中等水平。

一、生鐵冶煉4、高爐技術(shù)經(jīng)濟指標(3)冶煉強度I

I=Q/Vu1立方米高爐有效容積每天消耗焦炭的重量（t）。目前國內(nèi)外一般約為1.0t/m3·d左右。利用系數(shù)、鐵焦比和冶煉強度三者之間的關(guān)系：

n=I/K

可見，利用系數(shù)n與冶煉強度成正比，與鐵焦比成反比，要提高n

，強化高爐生產(chǎn)，應(yīng)從降低K和升高I兩方面考慮，在目前能源緊缺的情況下，首先應(yīng)考慮降低K。

(4)生鐵合格率根據(jù)國家標準，在一定期間（日、月、旬等）內(nèi)，合格生鐵占生鐵總產(chǎn)量的百分數(shù)為生鐵合格率。

優(yōu)質(zhì)率，即優(yōu)質(zhì)生鐵占生鐵總產(chǎn)量的百分數(shù)。對生鐵質(zhì)量的考查主要看其化學(xué)成分（如S和Si）是否符合國家標準，一般合格率應(yīng)在99%以上。一、生鐵冶煉5、高爐技術(shù)經(jīng)濟指標(5)生鐵成本

生產(chǎn)1t生鐵所需的費用，它是衡量高爐生產(chǎn)經(jīng)濟效益的重要指標，成本越低，經(jīng)濟效益越高，說明高爐的生產(chǎn)效果越好。(6)高爐一代壽命（爐齡）從高爐點火到停火大修之間的時間，或高爐相鄰兩次大修之間的冶煉時間叫做高爐一代壽命，壽命越長，則一代爐齡產(chǎn)量越高，各項消耗相對減少，經(jīng)濟效益越好。

一般大高爐一代壽命10年左右，有的達到18年。

一、生鐵冶煉5、高爐技術(shù)經(jīng)濟指標6、非高爐煉鐵法高爐煉鐵的缺點：投資大、流程長，能耗高，污染大。改進：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，經(jīng)二次精煉，連鑄連軋，形成最佳短流程。

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。

煤基回轉(zhuǎn)窯中：Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2

氣基豎爐中：CH4+H2O→CO+3H2

（天然氣裂化反應(yīng)）

Fe2O3+3H2→2Fe+3H2O

Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2

一、生鐵冶煉6、非高爐煉鐵法一、生鐵冶煉6、非高爐煉鐵法一、生鐵冶煉6、非高爐煉鐵法(2)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，將直接還原得到的海綿鐵進一步加熱熔化，在熔融汽化爐的爐底形成鐵水與爐渣的熔池。一、生鐵冶煉二、鋼的冶煉

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)成分達到鋼的要求。

存在兩種不同的鋼鐵生產(chǎn)工藝流程：①礦石→生鐵→鋼，即以高爐→轉(zhuǎn)爐為主的流程；②礦石→海綿鐵→鋼，即以直接還原為主的流程。傳統(tǒng)的第一種，工藝成熟，可大規(guī)模生產(chǎn)，是現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的主要形式。直接還原流程，規(guī)模小，目前，正在發(fā)展，是鋼鐵生產(chǎn)的重要補充。第二節(jié)鋼鐵冶煉二、鋼的冶煉1、煉鋼用原料

兩類：金屬料和非金屬料。金屬料主要指鐵液（生鐵）、廢鋼和鐵合金；非金屬料主要指造渣材料、氧化劑、冷卻劑、還原劑和增碳劑等。（1）鐵液

轉(zhuǎn)爐煉鋼的基本原料（占轉(zhuǎn)爐金屬裝入量的70～100%）。對鐵水總的技術(shù)要求:“硅、錳合適，磷、硫低，成分穩(wěn)定，溫度高”。

Si：0.5～0.8%為宜。易與氧結(jié)合，生成SiO2，同時放出大量的熱，容易成渣。鐵水含Si量高，則轉(zhuǎn)爐可多加廢鋼，多加礦石，提高鋼水收得率。但鐵水含Si量過高，會導(dǎo)致石灰耗量增大而增大渣量，易產(chǎn)生噴濺，而且對爐襯壽命不利。

Mn：0.2～0.4%為宜。對化渣、脫S以及提高爐齡有益。為節(jié)約錳資源，現(xiàn)生產(chǎn)上對Mn不作特殊要求，只希望鐵水含Mn量相對穩(wěn)定，以便吹煉終點的含Mn量相對穩(wěn)定，便于合金化。

P：煉鐵過程中礦石中P部分還原入生鐵，其含量無法控制（只能通過配料調(diào)節(jié)），煉鋼希望含P量低些。

S：有害雜質(zhì)。通常要求鐵水含S量≤0.07%以減輕煉鋼脫S的負擔(dān)。

T：希望盡可能減少波動，避免過低，一般要求（1200~1300℃）

第二節(jié)鋼鐵冶煉1、煉鋼用原料（2）廢鋼

電爐煉鋼的基本原料。廢鋼用量約占鋼鐵料質(zhì)量的70%~90%，氧氣轉(zhuǎn)爐用鐵水煉鋼時，由于熱量富裕，可多加入多達30%的廢鋼作為調(diào)整吹煉溫度的冷卻劑，采用廢鋼冷卻可減低鋼鐵料、造渣材料和氧氣的消耗，而且比用鐵礦石冷卻效果好噴濺少。廢鋼來源復(fù)雜，因此廢鋼的管理和加工非常重要。（3）鐵合金作為合金元素和脫氧劑。脫氧劑有：錳鐵、硅鐵、鋁鐵第二節(jié)鋼鐵冶煉1、煉鋼用原料（4）造渣材料

石灰：堿性煉鋼方法基本的造渣材料，由石灰石煅燒而成，來源廣泛，價廉，有相當(dāng)?shù)拿摿颍摿啄芰?，不危害爐襯。對石灰要求：CaO含量高，SiO和S的含量盡量低。塊度要求在5~40mm范圍，塊度太大熔化困難，塊度太小則容易從空氣中吸收水分，帶入爐內(nèi)，使鋼被其中的氫腐蝕，應(yīng)保持石灰干燥、新鮮，在料倉儲存時間不得超過3天。第二節(jié)鋼鐵冶煉1、煉鋼用原料（4）造渣材料氟石（螢石）：普通應(yīng)用的熔劑，主要的成分是CaF2，熔點低，（約930℃），還能使CaO和阻礙石灰溶解的硅酸鈣熔點降低，而且作用迅速，因而能加速石灰的溶解，迅速改善爐渣的流動性。要求：CaF2≥85%,SiO2≤5%,S≤0.2%,塊度5~40mm，且干燥，潔凈。

通常為石灰石用量的0~15%。第二節(jié)鋼鐵冶煉1、煉鋼用原料（4）造渣材料白云石：碳酸鹽礦物，屬鎂質(zhì)造渣劑的一種，CaMg(CO3)2。理論成分:CaO30.4%、MgO21.9%、CO247.7%。常含有硅、鋁、鐵、鈦等雜質(zhì)。熔點比石灰低，加入白云石代替部分石灰。增加渣中MgO含量，降少爐襯中MgO向爐渣中轉(zhuǎn)移，減輕爐渣對爐襯侵蝕，延長爐襯壽命，而且還能促進前期造渣。第二節(jié)鋼鐵冶煉1、煉鋼用原料（5）氧化劑

氧氣：一般要求氧氣的純度≥98%，冶煉含氮低的鋼種時，氧氣的純度≥99.5%。煉鋼用的氧氣一般由廠內(nèi)的制氧車間供應(yīng)，用管道輸送。鐵礦石、氧化鐵皮：目的為改善脫磷條件，要求鐵含量高，SiO2、P和水分盡量少，使用前應(yīng)加熱。有時也利用軋鋼和鍛造車間的氧化鐵皮代替部分鐵礦石，但氧化皮潮濕，油污較多，使用前應(yīng)烘烤。第二節(jié)鋼鐵冶煉1、煉鋼用原料（6）冷卻劑

除廢鋼外，轉(zhuǎn)爐煉鋼常用的冷卻劑有：富鐵礦、球團礦、燒結(jié)礦、氧化鐵皮、石灰石等。

用富鐵礦等煉鐵原料或氧化鐵皮作為冷卻劑，主要利用它們氧化金屬中的雜質(zhì)時要吸收大量的熱。（7）增碳劑

電弧爐煉鋼使用的增碳劑有石墨、碳粉等。它們粒度應(yīng)小于0.5mm，使用前應(yīng)烘烤。第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：（1）元素的氧化順序氧化順序與各元素與氧的親合力有關(guān)

A、T<1400℃元素的氧化順序：Si、Mn、C、P、FeB、1400℃<T<1530℃元素的氧化順序：Si、C、Mn、P、FeＣ、T>1530℃氧化順序：C、Si、Mn、P、Fe氧化的順序還受元素在鋼液中濃度的影響；當(dāng)供氧量不足時，它們被氧化的可能性與氧親和力的影響很大；如果供氧很足，與氧化劑接觸的元素都有機會被氧化，因此，那種元素含量多，則被氧化的機會就多。第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼中，供氧很充分，所以元素含量對元素氧化順序的影響就十分明顯。從吹煉過程中的金屬成分可知，吹煉一開始Fe,Si,Mn即大量氧化，而碳的氧化少量發(fā)生，碳的大量氧化是在Si,Mn基本氧化完了，熔池的溫度上升之后。從分解壓力來看，P、C不能同時氧化，但在氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐操作中P往往與C同時氧化，并且，吹煉前期P就被大量氧化去除。這是因為前期溫度不太高，碳的氧化受到抑制，這時，渣中(FeO)高，并有一定的堿度，且爐渣的流動性好，這有利于P的去除。第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：（2）脫碳反應(yīng)貫穿于煉鋼全過程中的一個重要反應(yīng)。

[C]+[O]=CO↑+Q12[C]+O2=2CO↑+Q2[C]+(FeO)=[Fe]+CO↑-Q3作用：降低碳含量，使之符合鋼的成分要求；生成的CO氣體排出時能夠攪動熔池，促進化渣和傳熱，均勻溫度和成分；加速金屬和爐渣之間的物化反應(yīng)，并能帶走鋼中的有害氣體和非金屬夾雜物，如氮、氫。條件：提高溫度。能促進碳與(FeO)的反應(yīng)，主要發(fā)生在熔煉的中期，此時，熔池溫度顯著升高；加入大量的鐵礦石、含氧化鐵較多的氧化鐵皮或吹入氧氣等；改善爐渣的流動性。第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：（3）硅的氧化和還原在煉鋼過程中，初期原料中的硅將迅速氧化，放出大量的熱，其反應(yīng)為：［Si］+2[O]=(SiO2)+Q［Si］+O２氣＝(SiO2)+Q[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2[Fe]+Q堿性煉鋼法，加入石灰造渣，其反應(yīng)為：

2(CaO)+(SiO2)=(Ca2SiO4)

此時，隨渣（CaO）和（FeO）含量的增加，硅被迅速氧化至微量。酸性煉鋼法及高溫條件下，硅可從爐渣或爐襯中被還原而進入金屬液體中。酸性煉鋼的爐渣主要是（FeO）―（MnO）―（SiO2）,如果提供的氧化劑不充分，則(FeO)的含量低，而（ＳiＯ2）的含量高，則發(fā)生硅的還原反應(yīng)：

(SiO2)+2[C]=[Si]+2CO氣(SiO2)+2[Mn]=[Si]+2（MnO）鋼液中的含硅量；取決于兩個相反過程的速度差：①金屬液中硅被氧化速度；②硅從爐渣或爐襯被還原進入金屬液體中速度。第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：（4）錳的氧化和還原

和硅一樣，與氧有強的親和力，很易被氧化。[Mn］＋［O］=(MnO)+Q[Mn]+1/2Ｏ2氣＝（MnO）+Q[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]+Q

在酸性渣煉鋼時，金屬液的氧化較為完全，不會被還原，這是因為（MnO）屬于堿性氧化物，大部分（MnO）將與渣中的酸性氧化物(SiO2)反應(yīng)生成硅酸鹽（2MnSiO3）,使（MnO）的活度降低，在堿性爐渣中大部分（MnO）大都的自然狀態(tài)存在，所以，錳易被還原。溫度愈高，錳還原愈明顯，煉鋼末期鋼液中的殘錳較高，所以，煉鋼末期，往往用錳的還原情況來判斷熔池的溫度高低。

第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：(5)脫磷反應(yīng)磷是有害元素，普通鋼<0.045%,優(yōu)質(zhì)鋼<0.040%,高級優(yōu)質(zhì)鋼<0.035%,

反應(yīng)：2[P]+5(FeO)=P2O5+5[Fe]+QP2O5+4(CaO)=(4CaO·P2O5)

或P2O5+3(CaO)=(3CaO·P2O5)

總式：2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

或2[P]+5(FeO)+3(CaO)=(3CaO·P2O5)+5[Fe]實際上煉鋼工藝中，影響這些熱力學(xué)條件的有關(guān)工藝如下：第二節(jié)鋼鐵冶煉

a)溫度：由此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，減低反應(yīng)溫度將使Kp增大，所以較低的溫度有利于脫硫反應(yīng)的進行，但過低的反應(yīng)溫度，如溫度低于1400℃，則使石灰不易融化，堿性渣不易形成，反而對脫硫不利。

b)爐渣堿度：因(CaO)是使P2O5的活度降低的主要因素，增加渣中(CaO)或石灰用量，會使鋼中[P]降低，但過高的(CaO)將使爐渣變粘，反而不利于脫磷。2、煉鋼的基本過程：

c）（FeO)的影響：在一定的限度內(nèi)，（FeO）含量的增加會使P減少。其次，（FeO)可直接與P2O5

結(jié)合，生成化合物FeO·P2O5：

3(FeO)+(P2O5)=(3FeO·P2O5)

但若(FeO)太高，將使(CaO)濃度降低而影響脫磷效果，因而(FeO)與爐渣堿度對脫磷的綜合影響是：

在R＜2.5時增強R對脫磷的影響最大；R在2.5~4之間時，增加(FeO)對脫磷有利。

d）金屬成分的影響：含碳、硅、錳量較高時，脫磷過程將受到抑制，原因是它們與氧化鐵作用，消耗渣中的氧，另外，含硅量高，其產(chǎn)物二氧化硅將影響爐渣堿度而不利于脫磷。

e)渣量：增加渣量即稀釋了渣中的(P2O5)，而(4CaO·P2O5)量也相應(yīng)的降低了，所以增加渣量可降低[P]。

從熱力學(xué)觀點上，使脫磷反應(yīng)順利所采用的工藝方法是：較低的爐溫；較高的爐渣堿度（3~4）；形成較高氧化鐵濃度（15%~30%）的氧化性爐渣和造成氧化性爐內(nèi)氣氛，增大渣量或多次換渣操作。第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：回磷現(xiàn)象

煉鋼過程中某一時期（特列是爐內(nèi)預(yù)脫氧到出鋼期間，甚至在盛鋼桶中），當(dāng)脫磷的基本條件得不到滿足時，被脫除的磷重新返回到鋼液中的現(xiàn)象。

原因是：

a)在煉鋼后期，當(dāng)金屬液溫度太高時，加入硅鐵、錳鐵進行脫氧時，爐渣中(FeO)與脫氧劑作用，不僅降低了爐渣的氧化鐵的活度，而且爐渣中的SiO2增加，爐渣堿度降低，為回磷提供了有利條件。

b）爐渣中(3CaO·P2O5)和(P2O5)與脫氧劑[Mn]、[Si]、[Al]作用，使磷還原，返回鋼液。

c)爐渣中(3CaO·P2O5)與含有SiO2的酸性爐襯作用，使渣中的游離(P2O5)量增加，產(chǎn)生回磷。2(3CaO·P2O5)+3（SiO2）=3（2CaO·

SiO2）+2(P2O5)

防止回磷的方法：在煉鋼后期控制鋼液溫度不過高；減少鋼液在鋼包中的停留時間；提高鋼包中的渣層堿度；用堿性爐襯鋼包。第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：(6)脫硫反應(yīng)

一般鋼：S＜0.04%，優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.03%，高級優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.02%，某些特殊的鋼要求的低硫鋼含硫量在0.015%以下。①爐渣脫硫利用渣中足夠的CaO，把鋼液中FeS去除。

[FeS]+(CaO)→(FeO)+(CaS)-Q

生成的CaS渣不熔于鋼液，且比其輕，溶于爐渣中。

脫硫的條件:高的爐溫；高的爐渣堿度;還原渣生產(chǎn)中：可通過加石灰或石灰石；扒掉含硫高的初期渣，造無硫的新渣；加入CaF、MnO等降低爐渣粘度的造渣材料，以提高爐渣的流動性；攪拌鋼液，以增大鋼液與爐渣的接觸面積。②氣化脫硫[S]+2[O]→SO2氣[S]+O2→SO2氣[S]+2(FeO)→SO2氣+2[Fe]一般，氣化脫硫效果低于爐渣脫硫，但轉(zhuǎn)爐煉鋼中，氣化脫硫高于爐渣脫硫第二節(jié)鋼鐵冶煉2、煉鋼的基本過程：(7)脫氧反應(yīng)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+FeO→MeO+Fe

具體方法有兩種：

①沉淀脫氧：脫氧劑直接加入鋼液中，并與FeO反應(yīng)脫氧。速度快，效率高；但脫氧產(chǎn)物MnO、SiO2、Al2O3可留在鋼液中。

②

擴散脫氧：利用加在爐渣中的脫氧劑與FeO反應(yīng)，減少渣中FeO含量，破壞了FeO在爐渣及鋼液中的濃度平衡，使鋼中FeO向渣中擴散，間接脫氧，該法速度慢，時間長，設(shè)備生產(chǎn)率低；但脫氧產(chǎn)物在熔渣中，不會污染鋼液，鋼液較為純凈。最佳方法是：兩者結(jié)合，用錳鐵沉淀脫氧，再用碳粉和硅鐵擴散脫氧，最后用鋁沉淀脫氧。第二節(jié)鋼鐵冶煉

按脫氧程度，鋼分為：鎮(zhèn)靜鋼（脫氧充分），沸騰鋼（脫氧程度低），半鎮(zhèn)靜鋼（介于兩者之間）基本反應(yīng)a

碳脫氧：

FeO+C→Fe+CO

主要在渣中進行，不產(chǎn)生非金屬氧化物，利于優(yōu)質(zhì)鋼產(chǎn)生，缺點是：1600℃時與0.3％[c]相平衡的氧含量0.007％，在鋼錠冷卻過程，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，對于碳規(guī)定范圍很窄或含碳量很低的鋼種就有困難。b錳脫氧：弱脫氧劑：

Mn+2FeO→MnO+Fe

生成物MnO不溶于鋼液，還與SiO2、Al2O3結(jié)合生成低熔點液態(tài)爐渣，有利于上浮去除。Mn還能降低鋼中S的有害作用。c硅脫氧：強脫氧劑，

Si+FeO=SiO2+2Fe

堿性法中硅的脫氧能力高于酸性法，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。若先用錳進行預(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)不斷進行，增強了Si的脫氧能力。

d鋁脫氧：強氧化劑。

2Al+FeO→Al2O3+3Fe

生成的Al2O3熔點高、顆粒細，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。第二節(jié)鋼鐵冶煉3、煉鋼的常見工藝：1.轉(zhuǎn)爐煉鋼法（LD法）

(1)設(shè)備和冶煉工藝

氧氣吹煉轉(zhuǎn)爐由爐體及傾動設(shè)備，吹氧設(shè)備，廢氣處理設(shè)備及供料設(shè)備四部分組成。爐體以其中心成為對稱梨型，外殼為鋼板焊接而成，內(nèi)襯由鎂磚，焦油白云石磚或焦油鎂磚砌成，目前國內(nèi)廣泛使用的5-10t容量的中小型爐，最大的容量為300t.

第二節(jié)鋼鐵冶煉3、煉鋼的常見工藝：1.轉(zhuǎn)爐煉鋼法（LD法）

(1)設(shè)備和冶煉工藝噴槍：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼是靠插入爐內(nèi)的噴槍向熔池噴吹高純度的高壓氧氣進行的。氧氣通常由制氧站專用的管道直接供給。混鐵爐或混鐵車：由于與轉(zhuǎn)爐配合生產(chǎn)的高爐間斷出鐵水，且鐵水溫度與成分均不同，為了貯存、保溫和混勻鐵水。除塵設(shè)備：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐吹煉時將排除大量高溫且攜帶了大量褐色塵埃的廢氣，直接排放則將造成環(huán)境污染，目前轉(zhuǎn)爐煉鋼廠均應(yīng)配置，包括文氏洗滌器、濕式電除塵設(shè)備、干式電除塵設(shè)備及袋式過濾器等。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼原料：鐵水、廢鋼、鐵合金及造渣材料等；第二節(jié)鋼鐵冶煉3、煉鋼的常見工藝：第二節(jié)鋼鐵冶煉(2)頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼的基本過程

①裝料：在清除完上爐的爐渣后，按爐料配比從傾斜爐口先加入廢鋼，再倒入1250-1400℃的液體生鐵，然后將爐體轉(zhuǎn)到垂直位置，從頂部插入噴槍，用它來吹入壓力為0.9-1.4MPa的氧氣。在開始吹氧時，需向爐內(nèi)加入石灰、鐵礦石等造渣劑。②吹煉：初期：Si、Mn迅速氧化，同時能脫除較大比例的磷和少量的硫，大量的鐵和部分的碳被氧化，氧化雜質(zhì)能放出大量的熱，加熱熔池。

中期：進行碳的氧化，在脫碳的同時，能脫出部分磷和硫。

后期：脫碳速度減慢，噴濺減小，進一步調(diào)整好爐渣的氧化性和粘度，脫磷和硫，準備控制終點溫度。③造渣：在吹氧過程中要不斷追加石灰等造渣材料，以便為脫硫、脫磷創(chuàng)造條件，當(dāng)吹煉磷含量高達0.3%的生鐵石，脫除磷，必須采用雙渣法，即放渣和重新造渣。④脫氧和出鋼：

主要采用沉淀脫氧，對某些鋼還可配合盛鋼桶的擴散脫氧或真空脫氧。

出鋼溫度為1460-1560℃，出鋼溫度過低會造成固爐、盛鋼桶底部凝鋼及鋼錠各種缺陷，過高則會造成漏鋼、粘膜及鋼錠的各種高溫缺陷，并影響爐體和氧槍壽命。第二節(jié)鋼鐵冶煉(3)頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼的質(zhì)量鋼的質(zhì)量主要取決于鋼中有害雜質(zhì)、氣體和非金屬夾雜物的含量，生產(chǎn)實踐表明頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐鋼具有很高的質(zhì)量，這是因為：①鋼中氣體含量少②有害雜質(zhì)元素磷、硫的含量較低；脫磷率為90~95%，脫硫率70~80%。③殘余元素和非金屬夾雜物含量低④機械性能好：冷加工性、抗時效性、鍛造和焊接性能都較好

特別適宜于吹煉低碳和超低碳鋼種冶煉鋼種范圍可從極低碳鋼到高碳鋼，直至合金鋼；最適合生產(chǎn)冷加工性能和抗時效性能是關(guān)鍵問題的薄板鋼種，以及對鍛造和焊接性能有較高要求的焊接鋼管和無縫鋼管的鋼種。第二節(jié)鋼鐵冶煉2、電弧爐煉鋼法⑴概述以三相交流電為電源，利用電極與爐料間產(chǎn)生高溫電弧使電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砣蹮掍摰囊环N方法。主要特點：a)爐溫和熱效率高b)爐內(nèi)既可造成氧化性氣氛，又可造成還原性氣氛C)設(shè)備簡單，占地少，投資省，建廠快，污染易控制不足之處：電能消耗大，生產(chǎn)成本高；氫和氮的含量較高。高合金工具鋼、不銹鋼、耐熱鋼等大多數(shù)優(yōu)質(zhì)鋼在電弧爐內(nèi)熔煉。第二節(jié)鋼鐵冶煉主要設(shè)備：a)爐用變壓器：工業(yè)網(wǎng)中高電壓小電流→低電壓大電流，能換擋b)電弧爐爐體：爐殼（包括圓桶形爐身、爐底和上部加固部分，通常采用12-30mm厚普通鋼板焊成，易變形部分，用槽鋼加固，大型爐體用水強制冷卻，表面溫度不大于100℃）、主要設(shè)備：石墨電極爐門：爐門是為了補爐、煉鋼過程中加料、扒渣、吹氧操作和觀察熔池情況等所設(shè)，這對減少煉鋼熔池?zé)釗p失，減少冷濕空氣進入爐內(nèi)，以及還原期保持良好的還原氣氛又重要意義：c)傾動機構(gòu)：出鋼時向出鋼槽一側(cè)傾倒40-45°，扒渣時向爐門一側(cè)傾倒10-15°采用液壓機構(gòu)d)爐頂裝料裝置：吊車從上部裝料e)電極升降機構(gòu)：由電極夾持器、橫臂、主柱組成⑵、堿性電弧爐氧化法熔煉工藝過程

①補爐期：高溫、快速、薄補，鎂砂燒結(jié)溫度達1600℃，白云石為1540℃，要求：補爐后爐膛溫度不低于1200℃，不能太厚，一般10-25mm，保證補爐料依靠爐內(nèi)的余熱進行良好的燒結(jié)。

②裝料期：要求：快速，密實地裝料，合理布料，盡可能一次裝完。石灰（為減少爐料對爐底沖擊和促進造渣）→1/2小塊料→大塊料及其他難熔料（布置在高溫電極區(qū)）→中塊料（布置在大塊料四周或上面，以填充大塊料的空隙）→剩余的小塊料一般：質(zhì)量<10Kg的爐料稱為小塊料，10-25Kg為中塊料，>25Kg為大塊料，使用時搭配比例如下：電爐容量/t大塊料中塊料小塊料

<=1035%-45%40%-45%15%-25%>10～40%～45%～15%

③熔化期任務(wù)：首先保證爐料快速熔化，其次是盡快造好熔化渣，以除去鋼液中約為30%～40%的磷，減輕氧化期的任務(wù)。熔化期時間約占總?cè)蹮挄r間的50%，電耗約占總耗量的60%～70%，因此，為了縮短熔化時間、提高產(chǎn)量、降低電耗和成本，必須采取適當(dāng)措施，加速爐料熔化，其主要措施有提高變壓器的輸入功率、吹氧助熔和爐外預(yù)熱廢鋼等。

④氧化期

任務(wù)：氧化鋼液中的碳，使其含量降低；繼續(xù)氧化鋼液中的磷，使其低于成品規(guī)格；去除鋼液中的氣體和夾雜；提高鋼液溫度。在氧化期碳的氧化是實現(xiàn)精練的重要手段，其氧化方法有礦石氧化、吹氧氧化和礦氧綜合氧化。為了脫磷，氧化期必須造高氧化、高堿度和良好流動性的熔渣，為此必須向熔池中加鐵礦石和石灰，以保證爐渣中有高的氧化鐵和氧化鈣的含量。由于脫磷反應(yīng)是放熱反應(yīng)，故低溫有利于脫磷。

氧化期溫度的控制應(yīng)兼顧脫磷和脫碳的需要，并保證優(yōu)先脫磷。因此，氧化前期應(yīng)適當(dāng)控制升溫速度，待脫磷達到要求后再放手升溫。在氧化末期要把鋼液溫度升高到高于出鋼溫度10-20℃，以便為還原期創(chuàng)造條件。第二節(jié)鋼鐵冶煉⑤還原期

任務(wù)：脫氧；脫硫；根據(jù)鋼種要求調(diào)整鋼液成分和進行合金化；調(diào)整鋼液溫度。

a）脫氧是還原期的首要任務(wù)，電弧爐煉鋼采用了沉淀脫氧、擴散脫氧和綜合脫氧方法，一般使用較多是綜合脫氧法。初期：沉淀脫氧（預(yù)脫氧）硅鐵、硅錳鋁、硅鈣和鋁中期：擴散脫氧碳粉、硅鐵粉、鋁粉、硅鈣粉和電石塊（造還原渣）（O%＜1%）末期：沉淀脫氧Al（O%＜0.006%）b）脫硫：在電弧爐煉鋼過程中的還原期進行，這時已具備充分的脫硫條件，即高熔渣堿度（3.5左右），低的（FeO）含量（小于1%）和高的爐內(nèi)溫度，而且渣量大、流動性好，因此渣鋼之間硫的分配系數(shù)可達30-50。適當(dāng)增大渣量對脫硫有明顯的效果，但渣量不宜過大，否則會延長還原時間，增大電耗。一般鋼種硫可降到0.045%以下，優(yōu)質(zhì)鋼可降至0.02%-0.03%.c）調(diào)整鋼液成分和進行合金化：為了提高元素的收得率和穩(wěn)定鋼液成分，在加入鐵合金的時間、方法和次序應(yīng)根據(jù)鐵合金的物化性質(zhì)來確定。

不易氧化的元素銅、鎳、鈷、鉬和鎢等可在氧化期或還原期加入；較易氧化的元素錳一般在還原初期加入；極易氧化的元素鋁、鈦、硼和稀土等一般在還原末期加入。對密度大、熔點高的鐵合金加入時應(yīng)加強攪拌，塊度應(yīng)小些。易氧化元素加入大量時要先烘烤加熱，以便迅速熔化。d）調(diào)整鋼液溫度：通常出鋼溫度應(yīng)比鋼的熔點高70~120℃

⑥出鋼

當(dāng)鋼液成分和溫度合格，并用鋁進行最終脫氧后即可出鋼電弧爐有兩種出鋼方法：

a）先出鋼后出渣。不會出現(xiàn)夾渣現(xiàn)象，但鋼液降溫大、二次氧化嚴重。

b）鋼渣混出。先決條件是熔渣流動性好、堿度高和氧化鐵低，故鋼渣混出不僅使鋼液二次氧化較少，而且大大增加了鋼與渣的接觸面積，可強化脫氧和脫硫反應(yīng)，從而縮短爐內(nèi)還原時間。因此，鋼渣混出是較為廣泛采用的一種出鋼方法。第二節(jié)鋼鐵冶煉3、電弧爐鋼的質(zhì)量電弧爐煉鋼與轉(zhuǎn)爐和平爐鋼相比，其質(zhì)量總體均優(yōu)于后兩種，主要表現(xiàn)在：

a)電弧爐鋼能最大限度地去除磷和硫

b)電弧爐煉鋼夾雜物很少

c)電弧爐冶煉成分易控制第二節(jié)鋼鐵冶煉4、鋼錠的澆鑄和鋼錠（1）澆注法

鋼錠澆鑄分為：鋼錠模鑄錠法（模鑄法）和連續(xù)鑄鋼法(連鑄法）。模鑄法又分為：上注法和下注法上注法：①優(yōu)點：耐火材料的消耗和鋼液損失少，且鋼液不會被耐火材料所污染，因而帶入鋼中夾雜物含量少；澆注準備工作簡單。②缺點：在澆注時由于鋼流沖擊引起鋼水的飛濺在錠模的表面，并受到強烈的氧化，從而易導(dǎo)致鋼錠表面產(chǎn)生結(jié)疤等缺陷。上注法適宜生產(chǎn)大鋼錠，且對鋼錠內(nèi)部質(zhì)量要求較嚴格的場合，如軸承鋼和炮鋼等。

第二節(jié)鋼鐵冶煉

下注法：①優(yōu)點：可同時澆注多根鋼錠，澆注時間短，故生產(chǎn)率高；而且由于鋼液自下而上平穩(wěn)的上升，因此鋼錠表面的質(zhì)量較好。②

缺點：鋼液易被中注管和湯道中的耐火材料所污染，并吸收氣體，這樣不僅會增加鋼中的夾雜和氣體的含量，從而影響鋼的質(zhì)量；而且還會使耐火材料的消耗和鋼液的損失增多，成本高；易形成翻皮等缺陷。適宜應(yīng)用在生產(chǎn)鋼錠小、每爐澆注鋼錠多、對表面質(zhì)量要求較嚴格的場合，如不銹鋼、硅鋼、薄板鋼。沸騰鋼一般采用下鑄法。第二節(jié)鋼鐵冶煉4、鋼錠的澆鑄（2）澆注工藝①澆注溫度

合適的澆注溫度是指鋼液溫度必須高于液相線一定值，即必須有一定的過熱度，應(yīng)根據(jù)鋼種、錠型和澆注方法來確定。

原則：澆注裂紋傾向大、鋼水粘性大、流動性差的鋼種，鋼水過熱度應(yīng)高些；大鋼錠比小鋼錠過熱度可低些；下注比上注時過熱度要高些。②澆注速度與澆注溫度、澆注方法和鋼種有關(guān)。原則：高溫慢注，低溫快注，以調(diào)整鋼液帶入的熱量，保證鋼錠表面質(zhì)量。此外，上注比下注的澆注速度要快。裂紋傾向大的鋼種慢注，流動性差和易氧化元素含量的高的鋼種宜快注。第二節(jié)鋼鐵冶煉4、鋼錠的澆鑄（3）鋼錠的結(jié)構(gòu)

①鎮(zhèn)靜鋼鋼錠鋼液在澆注前經(jīng)過充分脫氧的鋼，鋼的含氧量一般在0.002%-0.003%。當(dāng)鋼液注入錠模后不發(fā)生碳氧反應(yīng)和析出一氧化碳氣體，鋼液可較平靜地凝固成錠，故稱為鎮(zhèn)靜鋼。

鎮(zhèn)靜鋼特點：成分比較均勻，組織比較致密，具有較高的力學(xué)性能；但鎮(zhèn)靜鋼錠的成材率低，成本較高。

a.鋼錠的結(jié)構(gòu)組成

表層細小等軸晶帶中間柱狀晶帶中心粗大等軸晶帶

鋼錠的頭部有縮孔和縮松下部有沉積錐形帶第二節(jié)鋼鐵冶煉4、鋼錠的澆鑄b.鋼錠的缺陷

內(nèi)部缺陷：偏析、縮孔、疏松、夾雜和裂紋等；

表面缺陷：裂紋、結(jié)疤、翻皮和氣孔等。偏析

鋼錠內(nèi)部出現(xiàn)化學(xué)成分的不均勻性稱為偏析。第二節(jié)鋼鐵冶煉縮孔和疏松

縮孔和疏松分別是由于鋼錠凝固時因集中的和分散的體積收縮得不到鋼液補充而形成的空腔和小空隙。縮孔位于鋼錠頭部，縱面呈漏斗狀，疏松往往在其下部沿鋼錠縱向中心線分布?？s孔中聚集著較多的偏析元素和非金屬夾雜，且其表面氧化嚴重，故在鍛軋過程中不能焊合，加工時必須完全切除，否則在熱加工時會引起嚴重的內(nèi)部破裂。

1—V型正偏析2—∧型正偏析3—負偏析4、鋼錠的澆鑄疏松的形成原因：鋼液中的晶核在以樹枝狀方式長大的過程中，由于結(jié)晶后期樹枝晶相遇，使鋼液通向樹枝間的通道受阻，導(dǎo)致樹枝間富集雜質(zhì)的低熔點鋼液在最后凝固過程中得不到補充，因收縮而形成許多細小得孔隙。第二節(jié)鋼鐵冶煉縮孔和疏松

4、鋼錠的澆鑄非金屬夾雜物非金屬夾雜物主要來源于澆注過程中因浸蝕和沖刷而帶入鋼中的耐火材料、再生夾雜以及未被排除的脫氧產(chǎn)物。

第二節(jié)鋼鐵冶煉裂紋裂紋分為內(nèi)裂紋和外裂紋。內(nèi)裂紋：在鋼錠內(nèi)部的裂紋。內(nèi)裂紋的原因主要是鋼的純潔度、強度和塑性較低有關(guān)。此外，還與鋼所受的各種應(yīng)力有關(guān)。外裂紋：在鋼錠表面的裂紋?？v裂紋：縱裂紋主要產(chǎn)生在鋼液凝固殼薄、強度低、塑性較差而承受不住鋼水靜壓力的部位。橫裂紋：橫裂紋大多由于凝固殼產(chǎn)生局部懸掛，限制鋼錠的正常收縮，當(dāng)凝固層局部存在質(zhì)量缺陷或外力超過凝固強度時，表面層拉裂而形成。

4、鋼錠的澆鑄結(jié)疤，翻皮和皮下氣泡

結(jié)疤是鋼錠表面的一種金屬殼皮，大多出現(xiàn)在鋼錠下部，易在上注開澆或注流不正時產(chǎn)生。當(dāng)鋼液飛濺在模壁上即被氧化，冷卻后不能再與鋼液融合，而嵌在鋼錠表面成為結(jié)疤。翻皮是鋼錠模內(nèi)鋼液表面上氧化膜卷入鋼錠內(nèi)而造成的大塊疤皮。

皮下氣泡是存在于鋼錠皮下的氣泡，分布在鋼錠表面以下10~15mm內(nèi)，當(dāng)鋼錠加熱表層氧化脫落時，皮下氣泡即暴露并被氧化，鍛軋時不能焊合，便在鋼材表面形成發(fā)紋或裂紋。

第二節(jié)鋼鐵冶煉4、鋼錠的澆鑄②沸騰鋼鋼錠

沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，一般只用弱的脫氧劑錳鐵脫氧。由于脫氧后鋼液中仍保留一定含量的氧，故在結(jié)晶過程中繼續(xù)發(fā)生碳氧反應(yīng)，有大量CO氣體逸出，引起錠模內(nèi)鋼水沸騰，故稱為沸騰鋼。主要用于生產(chǎn)含碳量在0.06%~0.27%的低碳鋼，并軋制成板、管和線材，用于工程構(gòu)件和沖壓件。

優(yōu)點：鋼錠頭部無集中縮孔，切頭率低，成材率比鎮(zhèn)靜鋼高；脫模，整模簡單，成本低；鋼中碳、硅含量低，故其延展性、焊接性能和冷沖壓性能較好。

缺點：鋼錠組織不致密，成分偏析較大，鋼材性能不夠均勻。第二節(jié)鋼鐵冶煉②沸騰鋼鋼錠

由表及里依次由表面堅殼帶、蜂窩氣泡帶、中間堅固帶、二次氣泡帶和錠心帶組成。

表面堅殼帶：由任意取向的細小等軸晶粒所組成

蜂窩氣泡帶：柱狀晶內(nèi)，蜂窩狀的長氣泡。

中間堅固帶：沒有氣泡的、由柱狀晶組成。

二次氣泡帶：在柱狀晶之間形成的小空隙。

錠心帶：由粗大等軸晶組成。第二節(jié)鋼鐵冶煉4、鋼錠的澆注③半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠半鎮(zhèn)靜鋼是脫氧程度介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，半鎮(zhèn)靜鋼鋼錠的結(jié)構(gòu)介于鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼之間，按脫氧程度分為偏鎮(zhèn)靜型、中間型和偏沸騰型三種。

優(yōu)點：偏析程度比沸騰鋼輕，接近鎮(zhèn)靜鋼，故鋼錠各部分性能較沸騰鋼均勻，從而可減少軋制廢品，提高成材率；力學(xué)性能優(yōu)于沸騰鋼而接近鎮(zhèn)靜鋼，可代替部分鎮(zhèn)靜鋼，簡化了生產(chǎn)工藝，降低了成本；

缺點：夾雜物含量高于鎮(zhèn)靜鋼，氧、氮含量較高。不宜作重要用途的鋼種，多用于生產(chǎn)普通碳素鋼和普通低合金鋼。第二節(jié)鋼鐵冶煉（4）連續(xù)鑄鋼連續(xù)鑄鋼是通過連鑄機直接把鋼液凝固成鋼坯，從而可以逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的錠模澆注和鋼錠開坯工序，為發(fā)展鋼鐵生產(chǎn)的連續(xù)化和自動化創(chuàng)造有利的條件。

①連鑄設(shè)備及工藝

連鑄機的類型有立式、立彎式、弧型、橢圓型和水平式等多種。1—立式連鑄機；2—立彎式連鑄機；3—直結(jié)晶器多點彎曲連鑄機

4—直結(jié)晶器弧形連鑄機；5—弧形連鑄機；

6—多半徑弧形（橢圓形）連鑄機；7—水平式連鑄機第二節(jié)鋼鐵冶煉（4）連續(xù)鑄鋼

控制連鑄工藝的主要參數(shù)是注溫、注速和冷卻強度。

注溫：通常指中間罐內(nèi)鋼液的溫度，其確定原則與模鑄相同，但連鑄要求較嚴，且鋼包內(nèi)鋼液溫度要求比模鑄高20～50℃。

注速：即拉坯速度，拉坯速度主要由鑄坯斷面形狀、尺寸、鋼種和設(shè)備狀態(tài)等因素確定。拉坯計算公式如下：

V=KL/A

式中V—拉坯速度（m/min）L—鑄坯橫斷面周長（mm）

A—鑄坯橫斷面面積（mm2）K—系數(shù)（m·mm/min）

K由鋼種、結(jié)晶器長度與結(jié)構(gòu)、冷卻制度等決定，方坯：45～75，矩形坯：45～60，圓形坯：35～45。一般小斷面鑄坯取K值上限，大斷面鑄坯取下限。

冷卻強度：主要決定于結(jié)晶器和二次冷卻裝置的用水量。為了保證鑄坯冷卻均勻，避免產(chǎn)生裂紋，水的分配原則上應(yīng)上多下少，外弧多于內(nèi)弧。第二節(jié)鋼鐵冶煉②鑄坯的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量

連鑄與模鑄相比，其鋼坯凝固的特點：

a）冷卻強度大，鋼坯凝固速度快，結(jié)構(gòu)致密；

b）沿連續(xù)鑄機任一位置鋼液的凝固條件都不隨時間變化，故鑄坯長度方向上結(jié)構(gòu)比較均勻。

c）鑄坯中未凝固鋼液強制循環(huán)區(qū)小，自然對流差，加之凝固速度快，故鑄坯成分均勻，偏析小，夾雜物排除差。

第二節(jié)鋼鐵冶煉②鑄坯的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量

連續(xù)鑄鋼內(nèi)在質(zhì)量比模鑄鋼錠好。主要表現(xiàn)為：

a）鋼水被耐火材料污染少，故鋼坯中硅酸鹽夾雜低，其夾雜物總量明顯減少；

b）鑄坯內(nèi)部的偏析傾向小。與傳統(tǒng)模鑄相比連鑄還具有以下優(yōu)點：

a）不需要整模、脫模設(shè)備，省去了初軋工序，使工藝流程大大縮短，節(jié)省了投資，提高了生產(chǎn)率。

b）鋼坯切頭率低，使成材率大幅度提高；

c）降低了澆注系統(tǒng)原材料及能耗。

d）節(jié)省人力，減輕勞動強度，有利于鋼鐵生產(chǎn)的連續(xù)化和自動化。

第二節(jié)鋼鐵冶煉連續(xù)鑄鋼能澆注從碳素鋼、合金鋼到特殊鋼的幾乎所有鋼種。4、鋼的冶金質(zhì)量及控制

鋼材的生產(chǎn)要經(jīng)過冶煉、澆注和鍛軋等工藝過程，這些工藝過程所控制的質(zhì)量一般稱為冶金質(zhì)量。鋼的冶金質(zhì)量的好壞，不僅影響機件在加工過程中工藝性能的優(yōu)劣，而且對機件的使用性能和服役壽命壽命的高低有著很大的影響。第二節(jié)鋼鐵冶煉（1）鋼的化學(xué)成分的影響及其控制鋼中的元素分為常存元素、殘存元素和合金元素，為保證鋼材的質(zhì)量，在各種標準規(guī)范中對鋼的化學(xué)成分都有一定的規(guī)格限制，且成分的波動范圍應(yīng)盡量小，確保少量或微量合金元素有效地加入，只有鋼的成分得到了保證，才能保證其有穩(wěn)定的性能。

①硅和錳

a）脫氧作用。硅和錳是煉鋼過程中隨脫氧劑進入鋼中的。

b）錳能減輕硫的有害作用。錳能與鋼液中的硫優(yōu)先形成硫化錳。

c）產(chǎn)生強化作用。硅和錳可固溶于奧氏體和鐵素體中，產(chǎn)生固熔強化，但硅在強化的同時降低鋼的塑韌性，因此一般把硅量限制在保證脫氧的水平；錳與硅有所不同，它還細化鐵素體晶粒，增加珠光體相對含量和彌散度，因此不僅可進一步提高鋼的強度，而且還可改善鋼的塑性和韌性。硅和錳是有益的元素。第二節(jié)鋼鐵冶煉

②硫

硫主要由煉鋼原料、燃料中帶入鋼中，它是在冶煉時不能除盡的有害雜質(zhì)，其影響主要有：

a）惡化鋼的熱加工性能——熱脆為防止S的危害，Mn/S：3~8

b）使鋼的鑄造性能和焊接性能變壞

c）降低鋼的使用性能但能改善鋼的切削加工性能；在硅鋼中，利用硫化錳夾雜，獲得良好電磁性能取向的硅鋼片。

③磷磷也是鋼過程中不能除盡的元素，它在大多數(shù)鋼中是有害的，主要表現(xiàn)在：

a）磷使鋼的偏析嚴重