第三講材料的制備方法金屬材料制備冶金

第一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

根據金屬所具性質的不同，金屬的分類方法有多種。在冶金工業(yè)上，常把金屬分為黑色金屬和有色金屬。其中鐵、鉻、錳或它們的合金的表面常有呈灰黑色的氧化物，所以習慣上稱這類金屬為黑色金屬。金屬的分類第二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一定義：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，調節(jié)碳的比例就可精煉成鋼。低共熔混合物（低共熔合金）：當兩種金屬按一定組成比共熔時，其熔點總比任何一組分金屬熔點要低。當組成為某一定值時，熔點最低，此熔點即為最低共熔溫度。如鉍的熔點為544K，鎘的熔點為594K，含40％鎘和60％鉍的混合物為低共熔混合物，其熔點為413K。合金第三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

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。一、冶金工藝概述

絕大多數金屬元素（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。第四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一火法冶金：利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的方法。

工藝過程：礦石準備礦石冶煉精煉提純選礦、焙燒球化或燒結金屬化合物的還原除去雜質提純金屬一、冶金工藝概述第五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

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、冶金工藝概述第六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一濕法冶金：利用一些化學溶劑的化學作用，在水溶液或非水溶液中進行包括氧化、還原、中和、水解和絡合等反應，對原料、中間產物或二次再生資源中的金屬進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、冶金工藝概述第七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一電冶金：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：應用水溶液電解精煉金屬的一種冶金方法。一、冶金工藝概述第八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一熔鹽電解：直接利用高導電率、低熔點的熔鹽作為電解質在熔池中進行電解。一、冶金工藝概述第九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一應用廣泛的金屬材料—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、鋼鐵冶煉第十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一F-18大黃蜂戰(zhàn)斗機我軍陸戰(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九五式突擊步槍海軍109驅逐艦第十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一神六神五二、鋼鐵冶煉第十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一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、鋼鐵冶煉第十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

自從1980年阿爾溫·托夫勒（《第三次浪潮》的作者，美國未來學家）到處鼓吹鋼鐵是夕陽工業(yè)以來，使人們產生了一種錯覺，似乎發(fā)展信息產業(yè)必須壓縮鋼鐵工業(yè)，鋼鐵生產技術沒有必要，也不可能繼續(xù)發(fā)展。而二十多年來的事實表明：鋼鐵生產需求接近飽和，世界產鋼量沒有顯著增長，但是也沒有萎縮；鋼鐵生產技術和冶金工程科學仍在不斷更新，新技術層出不窮；鋼鐵材料品種繼續(xù)增多，鋼的性能和品質有大幅度提高。為什么非常古老的鋼鐵有這樣強的生命力呢？這首先決定于鋼鐵的基體特性。二、鋼鐵冶煉第十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一鋼鐵的分類鋼碳素鋼合金鋼結構鋼工具鋼合金結構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、鋼鐵冶煉第十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

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、鋼鐵冶煉第十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一鐵礦石脈石和硫磷雜質鐵化合物Fe3O4(磁鐵礦石)Fe2O3(赤鐵礦石)FeS2(黃鐵礦石)FeCO3(菱鐵礦石)二、鋼鐵冶煉第十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一磁鐵礦—Fe3O4二、鋼鐵冶煉主要礦物是磁鐵礦，呈黑色金屬光澤，磁性強（復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晶形態(tài)，但無磁性，被稱為假象赤鐵礦或半假象赤鐵礦。第十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一赤鐵礦--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，其儲量最多（占鐵礦石總儲量的48.3%），是煉鐵的最主要鐵礦石資源。二、鋼鐵冶煉第十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一褐鐵礦—2Fe2O3.3H2O常為含不同分子結晶水的赤鐵礦，褐鐵礦吸附著大量水分，加熱時失去結晶水和游離水，使礦石氣孔率增加，故還原性好，同時，由于去掉了水分，相應提高了礦石的品位。二、鋼鐵冶煉第二十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一菱鐵礦—FeCO3它是含鐵的碳酸鹽。在自然界中，有工業(yè)開采價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。由于高爐煉鐵需要氣流通暢，所以只能加入塊礦，精礦粉要通過燒結的辦法制成燒結礦或通過球團的辦法焙燒成球團礦。燒結礦和球團礦統稱人造富礦。二、鋼鐵冶煉第二十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一黃鐵礦—FeS2二、鋼鐵冶煉第二十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一鐵礦石晶體暗紅色鐵鋁榴石晶體產地奧地利立方體黃鐵礦晶體產地西班牙祖母綠、黃鐵礦、方解石共生產地哥倫比亞二、鋼鐵冶煉第二十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一鋼鐵是怎樣煉成的二、鋼鐵冶煉第二十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一鋼鐵的冶煉歷史13世紀末以前，古代人的冶煉方法十分簡單，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，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，其中混雜有相當多的氧化鐵渣，稱為海綿鐵。其含碳量極低，所以塑性較高，經鍛打成型，制成器具，在此時期，冶煉工場在出產鐵礦石和木材豐富的山區(qū)非常發(fā)達。第一個發(fā)展階段二、鋼鐵冶煉第二十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一13世紀末至19世紀中葉，隨著鐵的需要以及鼓風技術的發(fā)展，爐子越來越高，逐漸形成現代高爐的雛形-木炭爐。由于爐容增大，采用鼓風技術，使單位時間內燃燒的燃料量增加了，爐內溫度提高，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、木炭一起在爐內再進行冶煉，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。第二個發(fā)展階段二、鋼鐵冶煉第二十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一第三個發(fā)展階段19世紀中期至今，以生鐵為原料在高溫下精煉成鋼，一直是鋼鐵生產的主要方法。在此期間，高爐鼓風由熱風代替冷風，并建產了蓄熱式熱風爐，鼓風動力采用電力。建立了作為生鐵精煉爐的轉爐、平爐、電爐的煉鋼法。二、鋼鐵冶煉第二十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一生鐵（主要產品）：分為煉鋼生鐵和鑄造生鐵。爐渣（副產品）：含SiO2、CaO和Al2O3的鋁硅酸鹽，主要用于生產水泥。煤氣（副產品）：含26％左右的CO，用作燃料。煉鐵產品及副產品：

煉鋼的目的：除去生鐵中多余的碳和大量雜質元素，使其化學成分達到鋼的要求。二、鋼鐵冶煉第二十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一1黑色金屬的生產1.1高爐冶煉生產過程

高爐附屬系統： 原料系統;

送風系統;

燃料噴吹系統;

除塵系統;

渣鐵處理系統;二、鋼鐵冶煉第二十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一原料系統：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。送風系統：送風系統為高爐連續(xù)穩(wěn)定地提供足夠的熱風，是高爐正常冶煉的前提，單位時間內風量的高低決定了生產率。燃料噴吹系統：為緩解焦煤資源短缺而采用的噴出燃料技術已普及，它包括煤粉制備、儲存、空壓機、高壓泵及一系列管道閥門輸送設備及噴槍等。二、鋼鐵冶煉第三十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一除塵系統：從爐頂逸出的含塵高達40-100g/m3的高爐煤氣，經過一系列除塵設備，包括粗除塵(如重力除塵)、半精細除塵(洗滌塔)、精細除塵(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：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的重要環(huán)節(jié)，它包括爐前出鐵場及設備，渣鐵輸送設備、鑄鐵機，鐵水爐外處理設備，水渣場等。大多數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。二、鋼鐵冶煉第三十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一鞍鋼2000立方米高爐外景圖二、鋼鐵冶煉第三十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一二、鋼鐵冶煉第三十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

鐵氧化物的生成與分解是逐級進行的，當溫度＞570℃時，稱為高溫轉變：當溫度＜570℃時，稱為低溫轉變：高爐內主要還原劑是CO、C（在噴吹燃料時煤氣中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。高爐內的主要還原反應二、鋼鐵冶煉第三十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一①產生還原劑：

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）煉鐵的主要反應過程二、鋼鐵冶煉第三十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一現象：____________________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、鋼鐵冶煉第三十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一煉鐵：鐵礦石（化合態(tài)）→鐵單質（游離態(tài)）（1）基本反應原理：3CO+Fe2O3=====2Fe+3CO2高溫利用氧化還原反應，在高溫下，用還原劑（主要是CO)從鐵礦石中還原出鐵。（3）設備：高爐（2）原料：鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣二、鋼鐵冶煉第三十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一C+O2=CO2CO2+C=2CO3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2二、鋼鐵冶煉第三十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一1.2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過程，產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，實際生產中仍需要用電爐精煉成鋼。電爐精煉的主要任務是熔化脫除雜質和調整鋼的成分，而不是氧化脫碳。直接還原法-電爐串聯生產鋼，形成了一個新的鋼鐵冶金生產工藝流程。二、鋼鐵冶煉第三十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一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)生產方法的只有少數幾種，而且是到20世紀60年代才有重大突破，這是因為：（1）冶金焦的價格大幅度上漲，而石油、天然氣大量開發(fā)使用，特別是高效率天然氣轉化法的應用，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格問題。（2）電爐煉鋼迅速發(fā)展，超高功率新技術的應用使電爐煉鋼得到高速發(fā)展，合格的廢鋼供應不足，大大擴展了直接還原鐵的需求。（3）廢鋼（多數是從社會收集的廢鋼）中往往含有某些對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，它們在鋼中的含量會越積越多。因而需要加入直接還原鐵來稀釋它們。二、鋼鐵冶煉第四十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（4）選礦技術的提高，擴大了直接還原煉鐵法的礦石資源。原來只能使用雜質少且品位高的天然富礦，現在高品位鐵精礦粉制造的球團礦，其脈石含量可以降低到不需要在還原生產中脫除，使直接還原技術簡化，而且產量提高。從本世紀70年代中期以來，世界鋼產量一直在7億噸左右，而海綿鐵的產量卻逐年增加工廠，60年代年產幾十萬噸到1997年已發(fā)展到年產3620萬噸。海綿鐵的穩(wěn)定增長和電爐煉鋼的增長有顯著關系。少量金屬化率較低的直接還原鐵還可用于高爐，以提高產量和降低焦比。直接還原鐵的生產主要在天然氣資源豐富的地區(qū)，拉丁美洲國家生產的海綿鐵占全世界產量的一半以上。二、鋼鐵冶煉第四十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一含鐵原料品位的高低是最重要的品質，由于直接還原鐵大多用于電爐煉鋼，它的殘留脈石會使電爐煉鋼電耗升高，生產率降低，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%。危害電爐鋼品質的有害元素，如銅、砷等則因為電爐鋼品種不同而有不同的要求。直接還原法煉鐵法對于還原性和軟化溫度也有嚴格要求。因為還原性是影響直接還原煉鐵法生產率的最重要因素，因此這種方法只使用還原性好的球團礦或塊礦。幾種主要的直接還原煉鐵法根據使用的燃料不同，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、鋼鐵冶煉第四十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（1）氣基法氣基法中的煤氣常用天然氣、焦爐煤氣、液化石油氣、重油等轉化制造。天然氣和液化石油氣主要使用蒸汽轉化，生成CO和H2；重油使用氧氣部分氧化法將碳氫化合物轉化為CO和H2。目前為止，無論從產量還是產能上看，氣基法占主導地位，約占90%左右。氣基法的典型代表是Midrex法。Midrex氣基法屬豎爐法，為美國米德萊克斯（Midrex）公司所發(fā)明，是目前最完善、生產能力最強、使用最普遍的直接還原煉鐵法。它由供料系統、還原豎爐、煙氣處理、天然氣重整爐組成。這種方法生產的海綿鐵占直接還原煉鐵法生產海綿鐵總量的60%以上。圖2-4是它的生產流程示意圖。二、鋼鐵冶煉第四十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一天然氣進入轉化爐內，在鎳基觸媒的催化下，通過天然氣裂化反應將其轉化成煤氣和氫氣。

CH4

＋H2O→CO＋3H2(天然氣裂化反應)球團礦或天然塊礦從爐頂通過布料器（或多個加料管）合理地布入爐中，在還原區(qū)與CO、H2進行還原反應。還原氣入爐時溫度為750-900℃，送入距豎爐頂部2/3處的還原帶。爐料在爐內停留約6小時，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℃時排出爐外，可保證海綿鐵在大氣中不再氧化，細碎的產品可壓制成塊存放，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，然后進入豎爐循環(huán)使用。反應方程式為；Fe2O3

＋3H2→2Fe＋3H2OFe2O3＋3CO→2Fe＋3CO2二、鋼鐵冶煉第四十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（2）煤基法煤基法使用的煤以煙煤為宜，這種煤能夠與CO2反應生成CO（生產中稱這種性能叫煤的反應性），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窯法是煤基法中最重要、最有價值、應用較廣的工藝。此法還原鐵礦石可按不同的作業(yè)溫度生產海綿鐵、粒鐵及液態(tài)鐵水，但以低溫作業(yè)的回轉窯生產海綿鐵最有意義。回轉窯的優(yōu)點是能夠直接使用固體煤作為能源，能有效地除去某些雜質；缺點是生產率低，熱效率也低，所以應用范圍不廣泛，僅適用于天然氣等資源匱乏地區(qū)。此法的重要設備是回轉窯。二、鋼鐵冶煉第四十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一窯體稍有傾斜（4%的斜度），窯中裝有耐火襯，在窯頭、窯中、窯尾設有耐火材料擋圈以增加爐料停留時間。煤燃燒所需要的空氣通過風管沿軸向吹入窯中，風管安裝在沿窯長方向的不同部位。煤不但是還原劑，同時還提供所需要的熱量。沿窯長方向分兩個區(qū)：預熱區(qū)-煤燃燒將原料的混合物加熱至還原溫度；還原區(qū)-煤進一步燃燒為生產海綿鐵提供熱量。通過控制向窯內吹入的空氣量和噴煤量，可以有效控制窯內的反應。直接還原法煤基回轉窯中應用最廣泛，而且最具有代表性的一種方法就是SL/RN法。SL/RN是由美國、德國、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、鋼鐵冶煉第四十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一原料（鐵礦石、煤粒、熔劑）從窯尾加入圓形回轉窯中。窯緩慢旋轉使礦和煤在被加熱和還原的同時向出料端移動。窯頭外設有燒嘴燃燒燃料。形成的廢氣則由窯尾排出。爐料與爐氣呈逆向運動，在運動過程中，爐料在預熱段被加熱，使水分蒸發(fā)和石灰石分解，達到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的要求，產品排出窯后進入回轉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內反應溫度應控制在1100℃以下，經8-10h完成還原反應后出窯?；剞D窯所產生的廢氣從進料端吸走，高溫廢氣可余熱利用。若爐料在回轉窯中經過預熱和還原后，再進一步提高溫度（1250℃）進入粒鐵帶，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，這就是回轉窯粒鐵法。此法由于作業(yè)率低、產量小、耐火材料消耗高等重在缺點，近年來逐漸被淘汰。二、鋼鐵冶煉第四十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一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（燒結礦或球團礦）取代高爐生產液態(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)展目標是代替高爐煉鐵法，產品是與高爐鐵水性質相近的液態(tài)生質，仍是轉爐煉鋼的原料；而直接還原煉鐵法產品是海綿鐵，代替廢鋼供電爐煉鋼使用。熔融還原的特點是在煉鐵過程中，使爐渣和生鐵熔化而分離，從而可以脫除煤灰分和礦石的脈石。這樣它對原料、燃料的要求不像直接還原煉鐵法那樣嚴格。因此，熔融還原煉鐵法是具有相當的竟爭能力和廣闊的前景的煉鐵方法。2.熔融還原煉鐵法二、鋼鐵冶煉第四十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一工藝流程熔融還原發(fā)展過程中出現過兩種方法：一步法和二步法。一步法熔融還原是在一個反應器內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還原爐內進行鐵礦石預還原，然后進入終還原器內進一步還原和使渣鐵熔化分離，并產生還原性氣體供預還原使用。在眾多的試驗中，一步法都沒有獲得成功，從20世紀70年代始，國內外研究開發(fā)的大多數是二步法。Corex法是奧地利和德國于20世紀70年代末聯合開發(fā)的，是目前惟一已形成生產能力的熔融還原煉鐵法，而且其投資、生產成本、鐵水質量等幾個方面已經基本上可以與傳統的焦炭高爐煉鐵法相竟爭。Corex法由預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，再加上煤氣除塵和調溫系統組成。二、鋼鐵冶煉第四十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一1-熔融氣化爐；2-預還原豎爐；3-煤倉；4-熱旋風除塵器；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、鋼鐵冶煉第五十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一Corex法的預還原豎爐類似于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）將鐵礦石預還原，由于豎爐是高效率的還原反應器，在短時間內金屬化率就可達到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，煤塊亦從上部加入，而從其下部爐缸風口鼓入氧氣。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。逸出煤氣經除塵后，部分煤氣調溫到800-850℃，再輸入上部的預還原豎爐供礦石預還原使用，多余的部分煤氣則外供給其它用戶。二、鋼鐵冶煉第五十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一1.3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，所用的設備和操作方法不同。目前各國采用的煉鋼方法有轉爐煉鋼、電爐煉鋼和平爐煉鋼等，而主要發(fā)展趨勢為純氧頂吹轉爐煉鋼。至1976年，轉爐鋼已占世界鋼總產量的70％。二、鋼鐵冶煉第五十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一煉鋼的基本過程：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、鋼鐵冶煉第五十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

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

由于P、S元素的存在嚴重影響鋼的性能，所以必須脫除。造渣除P、S：

脫氧：消除鋼中的氧化雜質，提高鋼的質量。合金化：按照不同鋼種對合金元素成分的要求，進行合金化處理。二、鋼鐵冶煉第五十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一煉鋼技術的發(fā)展，已有200多年的歷史。基本原理就是在冶煉過程中，對生鐵進行脫碳。同時除去其中的其他有害雜質。現代煉鋼方法中最先誕生的是空氣轉爐煉鋼法或稱貝斯曼煉鋼法（1856年）。隨后，又出現了蓄熱式爐，由于這種煉鋼爐形狀低平又有一個平展的熔池，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，平爐煉鋼法，擴大了原料的來源，生鐵，廢鋼、鐵屑、熟鐵、鐵礦石均可。所以在20世紀60年代以前，得到迅速發(fā)展。進而發(fā)展成為風行世界的主要煉鋼方法。二、鋼鐵冶煉第五十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一五十年代以前，平爐鋼占世界鋼產量的85％。近年來，除澆鑄大型鑄件或供水壓機等成材的大鋼錠，平爐煉鋼仍在發(fā)揮其作用外，由于純氧頂吹轉爐煉鋼技術的發(fā)展，轉爐鋼的產量大幅度增長，世界各國平爐鋼產量才逐年下降。平爐煉鋼法的最大缺點是冶煉時間長（一般需要6~8h），燃料耗損大（熱能的利用只有20~25％），基建投資和生產費用高。一個年產1200萬噸鋼的鋼廠，只要建成六個250~300t的純氧頂吹轉爐就夠了，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的平爐已普遍采用氧氣煉鋼，生產率有較大的提高，但除塵系統復雜，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爐的趨勢。二、鋼鐵冶煉第五十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一堿性平爐煉鋼：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、鋼鐵冶煉第五十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一3.1.1.3轉爐煉鋼過程

1.4轉爐煉鋼過程

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），可使爐內達到足夠高的溫度。因此轉爐煉鋼不需要另外使用燃料。轉爐煉鋼是在轉爐里進行。轉爐的外形就像個梨，內壁有耐火磚，爐側有許多小孔（風口），壓縮空氣從這些小孔里吹爐內，又叫做側吹轉爐。開始時，轉爐處于水平，向內注入1300攝氏度的液態(tài)生鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空氣并轉動轉爐使它直立起來。這時液態(tài)生鐵表面劇烈的反應，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流作用，使反應遍及整個爐內。二、鋼鐵冶煉第五十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

幾分鐘后，當鋼液中只剩下少量的硅與錳時，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巨大的火焰。最后，磷也發(fā)生氧化并進一步生成磷酸亞鐵。磷酸亞鐵再跟生石灰反應生成穩(wěn)定的磷酸鈣和硫化鈣，一起成為爐渣。當磷與硫逐漸減少，火焰退落，爐口出現四氧化三鐵的褐色蒸汽時，表明鋼已煉成。這時應立即停止鼓風，并把轉爐轉到水平位置，把鋼水傾至鋼水包里，再加脫氧劑進行脫氧。整個過程只需15分鐘左右。如果空氣是從爐低吹入，那就是低吹轉爐。隨著制氧技術的發(fā)展，現在已普遍使用氧氣頂吹轉爐（也有側吹轉爐）。這種轉爐如吹的是高壓工業(yè)純氧，反應更為劇烈，能進一步提高生產效率和鋼的質量。二、鋼鐵冶煉第五十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一目前純氧頂吹轉爐隨著氧槍的多孔噴頭的研制成功，大大提高了單位時間內的供氧量，并由于操作技術上的革新（例如，用電子計算技術來調節(jié)、控制冶煉過程），不論轉爐容量的大小，吹煉時間基本上相差不多，即使300t轉爐，凈吹氧時時也可縮短到12min左右。在一定限度內，爐容量越大，經濟效果越好，因此頂吹轉爐迅速走向大型化?，F在世界上最大的轉爐為350t，并且正在研究建造400～450t轉爐。二、鋼鐵冶煉第六十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一轉爐的結構圖氧氣頂吹轉爐煉鋼法二、鋼鐵冶煉第六十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一電爐煉鋼法主要利用電弧熱，在電弧作用區(qū)，溫度高達4000℃。冶煉過程一般分為熔化期、氧化期和還原期，在爐內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，比之高爐轉爐法基建投資少，同時由于直接還原的發(fā)展，為電爐提供金屬化球團代替大部分廢鋼，因此就大大地推動了電爐煉鋼。世界上現有較大型的電爐約1400座，目前電爐正在向大型、超高功率以及電子計算機自動控制等方面發(fā)展，最大電爐容量為400t。國外150t以上的電爐幾乎都用于冶煉普通鋼，許多國家電爐鋼產量的60～80％均為低碳鋼。我國由于電力和廢鋼不足，目前主要用于冶煉優(yōu)質鋼和合金鋼。1.5電爐煉鋼二、鋼鐵冶煉第六十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一電弧爐煉鋼：

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。當碳、磷含量合格時，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、鋼鐵冶煉第六十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（1）電爐煉鋼的分類及功用電爐煉鋼是用電作為熱源進行鋼鐵冶煉的方法，它有兩種形式：一是電弧爐，一是感應爐。感應爐只發(fā)生熔化而不發(fā)生冶煉作用，因此可按照需要的成分預先配好人爐原料。感應加熱時產生的渦流，對熔體有攪動作用，使鋼的成分均勻一致。電爐可以冶煉各種性能的合金鋼。利用電極電弧產生的高溫熔煉礦石和金屬的電爐。氣體放電形成電弧時能量很集中，弧區(qū)溫度在3000℃以上。對于熔煉金屬，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，爐溫容易控制，設備占地面積小，適于優(yōu)質合金鋼的熔煉。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、鋼鐵冶煉第六十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一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輸入電能，以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱源進行煉鋼。電弧爐以電能為熱源，可調整爐內氣氛，對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、鋼鐵冶煉第六十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（2）電爐煉鋼的工藝流程造渣：調整鋼、鐵生產中熔渣成分、堿度和粘度及其反應能力的操作。目的是通過渣——金屬反應煉出具有所要求成分和溫度的金屬。例如氧氣頂吹轉爐造渣和吹氧操作是為了生成有足夠流動性和堿度的熔渣，以便把硫、磷降到計劃鋼種的上限以下，并使吹氧時噴濺和溢渣的量減至最小。

出渣：電弧爐煉鋼時根據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，氧化末期須扒氧化渣；用雙渣法造還原渣時，原來的氧化渣必須徹底放出，以防回磷等。二、鋼鐵冶煉第六十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一煉鋼：生鐵→鋼(1)需要做到：①降：降低含碳量②除：除去硫、磷等雜質

③調：調節(jié)合金元素的含量（2)基本反應原理：利用氧化還原反應，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氧化除去。（4）煉鋼設備：轉爐，電爐，平爐（3）煉鋼的原料：生鐵，氧氣，生石灰，硅鐵和錳鐵二、鋼鐵冶煉第六十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一生鐵和鋼的比較鐵的合金

生鐵

鋼

含碳的質量分數

雜質

機械加工

機械性能

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、鋼鐵冶煉第六十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一煉鐵和煉鋼的比較

煉鐵

煉鋼

目的

原理

原料

設備

把鐵從鐵礦石中還原出來降低含碳量;除硫磷等雜質;調節(jié)合金元素的含量氧化-還原反應還原劑還原出鐵氧化-還原反應氧化劑氧化雜質除去鐵礦石、石灰石、焦碳、空氣生鐵（廢鋼）、純氧、氧化鈣煉鐵高爐轉爐、平爐、電爐二、鋼鐵冶煉第六十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（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（4）精煉手段1.6電爐煉鋼及爐外精煉二、鋼鐵冶煉第七十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一將煉鋼爐（轉爐、電爐等）中初煉過的鋼液移到另一個容器中進行精煉的煉鋼過程，也叫二次冶金。煉鋼過程因此分為初煉和精煉兩步進行。初煉：爐料在氧化性氣氛的爐內進行熔化、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行脫氣、脫氧、脫硫，去除夾雜物和進行成分微調等。將煉鋼分兩步進行的好處是：可提高鋼的質量，縮短冶煉時間，簡化工藝過程并降低生產成本。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第七十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（1）單元操作內容少，功效單一，處理時間短，適用于生產節(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，處理時間長，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、鋼鐵冶煉第七十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

（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）微調合金成分，把合金成分控制在很窄的范圍內，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）調整鋼水溫度到澆注所要求的范圍內，最大限度地減小包內鋼水的溫度梯度。爐外精煉要完成的任務二、鋼鐵冶煉第七十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一渣洗、真空、攪拌、噴吹和加熱(調溫)、過濾等爐外精煉的手段二、鋼鐵冶煉第七十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（1）渣洗

獲得潔凈鋼并能適當進行脫氧、脫硫的最簡便的精煉手段。

將事先配好(在專門煉渣爐中熔煉)的合成渣倒入鋼包內，借出鋼時鋼流的沖擊作用，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。在電弧爐冶煉中，還有在出鋼前控制調整還原渣的成分、流動性和溫度，出鋼時鋼渣混出，借此使鋼液與還原渣充分混合，以進—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、鋼鐵冶煉第七十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（2）真空將鋼水置于真空室內，由于真空作用使反應向生成氣相方向移動，達到脫氣、脫氧、脫碳等目的。真空是爐外精煉中廣泛應用的一種手段。（3）攪拌通過攪拌擴大反應界面，加速反應物質的傳遞過程，提高反應速度。攪拌方法：吹氣攪拌和電磁攪拌。（4）加熱調節(jié)鋼水溫度的一項重要手段，使煉鋼與連鑄更好地銜接。加熱方法：電弧加熱法和化學加熱法。二、鋼鐵冶煉第七十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（5）噴吹用氣體作載體將反應劑加入金屬液內的一種手段。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。（6）過濾利用陶瓷過濾器將中間包內鋼液中的氧化物夾雜等過濾掉。真空應用最廣而且效果明顯。吹氬時的氬氣泡也可看作小的真空因為其中CO、H2、N2的分壓均很小。二、鋼鐵冶煉第七十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一鋼液的真空處理（1）真空冶金的一般規(guī)律——壓力對化學平衡的影響（2）金屬的真空脫氧（3）鋼液的真空脫氣二、鋼鐵冶煉第七十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（1）真空冶金的一般規(guī)律—壓力對化學平衡的影響根據麥克斯韋關系式，吉布斯自由能隨壓力的變化，決定于該物質在該溫度下的摩爾體積。氣體物質的摩爾體積大，壓力的變化明顯地影響氣態(tài)物質的吉布斯自由能。n摩爾氣體在溫度不變而氣體壓力變動的情況下，吉布斯自由能的變化關系可用下式表達。式中n為氣體摩爾數；R為氣體常數；T為絕對溫度；P1和P2分別為反應的始態(tài)與終態(tài)時的氣體壓力。二、鋼鐵冶煉第七十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一1）當反應生成物為氣體時，降低系統的壓力，反應仍具有自發(fā)進行的趨勢，也就是提高真空度可使已達到平衡的反應向產生氣體的方向繼續(xù)進行。2）在常壓下適用的物理化學基本規(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理論分析增加了一個變量。在常壓下往往將相律公式簡化為F=C-P+1，但當壓力變化時，相律公式仍應恢復為F=C-P+2二、鋼鐵冶煉第八十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（2）金屬的真空脫氧真空條件下碳的脫氧能力在常壓下進行冶煉時，碳的脫氧能力較低，必須使用強脫氧劑進行終脫氧。碳的脫氧產物是CO氣體，在降低壓力后，平衡向產生CO氣體方向移動，使碳的脫氧能力提高。①真空條件下，碳的脫氧能力可以達到和硅、鋁相近的水平，當鋼液中[C]、[O]含量不高時，可用濃度代替活度。因為K和m在一定溫度下是常數，所以真空可以使碳的脫氧能力提高。②在實際情況下，碳的脫氧能力并不能達到熱力學計算的那樣強的水平，提高真空度不能使碳的脫氧能力無限提高。③在生產實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計算的值。二、鋼鐵冶煉第八十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一電渣冶金國外電渣冶金發(fā)展概況一九四○年雖然霍普金斯已取得了發(fā)明專利，但是由于當時技術上的封閉和不成熟，以及理論上存在著電渣冶金是埋弧過程的錯誤的主導思想，致使電渣冶金的發(fā)展長期處于停滯狀態(tài)。

現代電渣冶金技術是由前蘇聯發(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，過多的渣液會使電弧熄滅，并使操作變得平穩(wěn)，于是發(fā)明了電渣焊。并在電渣焊的基礎上開發(fā)出電渣冶金技術。一九五八年，烏克蘭德聶泊爾特鋼廠建成了世界第一臺0.5t工業(yè)電渣爐，使電渣冶金進入了工業(yè)化生產進程。

二、鋼鐵冶煉第八十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一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用于不同的領域，但其基本和核心的技術是電渣重熔（ElectroslagRemelting，簡稱ESR）。電渣重熔的基本原理：在銅制水冷結晶器中加入固態(tài)或液態(tài)爐渣，將自耗電極的端部插入其中。當自耗電極、爐渣和底水箱通過短網與變壓器形成供電回路時，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較大，占據了變壓器二次電壓的大部分壓降，從而在渣池中產生了大量的焦耳熱，使其處于高溫熔融狀態(tài)。由于渣池的溫度遠大于金屬的熔點，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，穿過渣池進入金屬熔池，由于水冷結晶器的強制冷卻，液態(tài)金屬逐漸凝固成鋼錠。第八十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一二、鋼鐵冶煉第八十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一電渣重熔有一些特點：金屬的熔化、澆注和凝固均在一個較純凈的環(huán)境中實現；具有良好的冶金反應的熱力學和動力學條件；自下而上的順序凝固條件保證了重熔金屬錠結晶組織均勻致密；在水冷結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，電渣錠會十分光潔。另外，渣皮的存在能減少徑向傳熱，有利于形成軸向結晶條件。第八十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一STRUCTUREANDSHAPEOFMETALPOOLTYPICALFORVAR,STANDARDESRANDESR

TC(simulation)

VAR,ASRESRESR

TC,LM第八十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一二、鋼鐵冶煉ESR-1952AcademicianB.I.Medovar1916-2000第八十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一進入六十年代，出于航空航天及軍備競賽的需要，蘇聯對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的第二黨綱，極大地推動了電渣冶金的發(fā)展。而美國和西歐的一些國家，在真空電弧重熔與電渣金熔經歷了七年激烈競爭后確認，電渣重熔不僅設備簡單，易于操作，成本較低，在質量方面，除去氣不及真空電弧重熔外，結晶組織、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，國外電渣冶金已不滿足于一般電渣錠的生產，在工業(yè)技術成熟的基礎上向著更深更廣的領域發(fā)展，形成了一個跨專業(yè)、跨行業(yè)的新學科。已開發(fā)出的工藝技術有：電渣熔鑄、電渣澆注、電渣轉注、電渣熱封頂、電渣離心澆注、電渣復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)電機轉子，直至重量超過百噸的水泥回轉窯爐圈等，均可不經鍛造在異形水冷結晶器中直接熔鑄成型。現在電渣熔鑄的主要產品有大型發(fā)電機轉子、水輪機葉片、船舶柴油機大型曲軸、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，形狀之復雜不勝枚舉。二、鋼鐵冶煉第八十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一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.密多瓦爾博士領導，主要的科研方向是：-應用液態(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)質和安全（可靠）的金屬結構材料的電渣過程及生產工藝的基礎研究和應用研究。上述科研方向一些實際的設計和應用成果：該研究室的科學研究成果前蘇聯時期在冶金和機械制造工業(yè)中得到了廣泛的應用。近些年其中最著名的一個成果就是帶有高速鋼表面層的軋機復合軋輥的制造，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械廠”已經得以實現。研究室開發(fā)出基于電渣重熔方法制造復合坯料的新工藝，這種新的流程能夠將化學成分相差很大的不同材料復合在一起，并保證各層之間高質量的熔融，和最小稀釋度。新工藝實現了工具鋼-碳鋼、含鎳高溫合金-碳鋼、銅-鋼復合雙金屬鋼錠的生產。二、鋼鐵冶煉第八十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一二、鋼鐵冶煉第九十頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一SchemeofelectroslagmeltingofTisponge

第九十一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一MacrostructureofESSLMHSSRollbillet

二、鋼鐵冶煉第九十二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一D740mmMacrostructureofESSLMHSSRollbillet

二、鋼鐵冶煉第九十三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一(x100)CoreCladlayerTransitionzoneatHSSroll二、鋼鐵冶煉第九十四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一二、鋼鐵冶煉第九十五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一冶煉金屬的方法很多，其實質是用還原的方法，由于金屬的化學活動性不同，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。現簡單介紹如下冶煉金屬的方法二、鋼鐵冶煉第九十六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一1．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、鋼鐵冶煉第九十七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一2．熱還原法多數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、鋼鐵冶煉第九十八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一3．電解法在金屬活動性順序中，鉀、鈉、鈣、鋁等幾種金屬的還原性很強，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行精煉，但電解法要消耗大量電能，成本較高。二、鋼鐵冶煉第九十九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一1.1鋁突出的化學性質（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1.金屬鋁的冶煉第一百頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（2）放入汞鹽形成鋁汞鹽]，在潮濕的空氣中即長出胡須狀的“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、有色金屬的生產第一百零一頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（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、有色金屬的生產第一百零二頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一（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、有色金屬的生產第一百零三頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一1.2金屬鋁的冶煉Hell-Heroult法

1886年美國霍爾、法國厄魯爾（兩人均出生在1863年，死于1914年，發(fā)明時22歲）分別申請了冰晶石-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、冰晶石及其氟化鹽的生產以及電解煉鋁幾大部分。分兩步進行：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3.1.2 有色金屬的生產_3.1.2.1鋁的冶煉三、有色金屬的生產第一百零四頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一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、有色金屬的生產第一百零五頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一金屬鋁的生產車間金屬鋁電解池2．電解Al2O3得Al電解質：Al2O3,2%-8%冰晶石Na2AlF610%CaF2作助熔劑，降低電解質的溶融溫度(Al2O3bp2273K,電解質bp1173-1273K)陰極（鐵質槽殼）:4Al3++12e=4Al（沉淀于槽底，定時放出）陽極（石墨）:6O2--12e=3O2三、有色金屬的生產第一百零六頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一金屬鋁的生產車間第一百零七頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一鋁的生產流程示意圖純冰晶石鋁錠螢石鋁礦石生產氧化鋁純氧化鋁電解制鋁碳素材料陽極糊或其它產品電極生產選礦再熔或精煉電能生產冰晶石或氟化物三、有色金屬的生產第一百零八頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一Al3＋＋3e→AlAlO33--6e→Al2O3礦石（Al2O3）NaAlO2Al2O3?Na2OAl（OH）3Al2O3Al礦石（Al2O3）NaAlO2Al（OH）3NaOHNaOHNa2CO3煅燒950~1000℃165℃0.35Pa1100℃CO2900℃三、有色金屬的生產第一百零九頁，共一百二十一頁，編輯于2023年，星期一

金屬鎂及其合金具有密度小、比強度和比剛度高、導電導熱性能較好、阻尼減震和電磁屏蔽性能良好、易于加工成型、廢料容易回收等優(yōu)點，廣泛應用于航天航空、交通運輸、電子技術、光學器材、精密機械、日用商品等領域。由此鎂及鎂合金獲得“21世紀的綠色工程材料”的美譽。鎂合金制造的汽車零部件，可減輕汽車自重、提高燃料利用率、減少環(huán)境污染；采用鎂合金制造飛機、導彈、飛船、衛(wèi)星、輕武器等重要武器裝備零部件，意味著武器射程、命中率和飛行器機動性能的提高，航天器發(fā)射成本的降低；鎂合金用于制造手機、筆記本電腦和數碼相機等數字產品的外殼,具有強度高、美觀及電磁屏蔽等優(yōu)點。2.金