金屬冶金技術課件

黑色金屬冶金技術

主要內(nèi)容一：鋼鐵基礎知識二：鋼鐵的冶煉三：鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策一鋼鐵基礎知識黑色金屬包括鐵、鉻、錳三種。但后兩種在實際生產(chǎn)中很少單獨使用，故黑色金屬就泛指鋼、鐵。本文主要講述有關鋼鐵冶煉的基本知識。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(chǎn)生了一種錯覺，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(chǎn)需求接近飽和，世界產(chǎn)鋼量沒有顯著增長，但是也沒有萎縮；鋼鐵生產(chǎn)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(zhì)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。鐵是元素周期表上第26位元素，原子量為55.85，在大氣壓下于1534℃熔化，2740℃氣化。固態(tài)鐵的密度是7870Kg/m3。高純度的鐵是很柔軟的，沒有多少使用價值。但當純鐵中含有一定量的碳后，就變成我們在各方面使用的鋼鐵了。鋼與生鐵都是以鐵為主，并含有少量碳，硅，錳，硫等元素的鐵碳合金，根據(jù)碳和其它元素含量的不同而區(qū)分為鋼和生鐵，特別是碳含量的差別，引起鐵碳合金在不同溫度下所處的狀態(tài)和結構的變化，因而使鋼和生鐵具有不同的性能和用途。鋼鐵中常見元素的含量見表1-1,分類見圖1-1。表1-1鋼和生鐵中主要元素的含量（%）元素碳（C)硅(Si)錳(Mn)磷（P）硫（S）生鐵>20.2-2.00.2-2.5<0.5<0.7鋼<20.01-0.30.3-0.8<0.05<0.05生鐵含碳量高，其性質(zhì)硬而脆，不能鍛造，它主要用于鑄造電動機外殼，變速箱殼體，機床體與支架以及其它機械零件。在世界各國鐵產(chǎn)量中，大部分是作為煉鋼原料，而只有10%左右用于鑄造各種部件和零件。圖1-1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第二章鋼鐵的冶煉2.1鋼鐵的冶煉歷史2.2鐵的生產(chǎn)工藝2.3鋼的生產(chǎn)工藝2.1鋼鐵的冶煉歷史鋼鐵冶煉技術大致可分為三個發(fā)展階段。(1)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(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，在此時期，冶煉工場在出產(chǎn)鐵礦石和木材豐富的山區(qū)非常發(fā)達。(2)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(xiàn)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(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。(3)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(chǎn)的主要方法。在此期間，高爐鼓風由熱風代替冷風，并建產(chǎn)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。2.2鐵的生產(chǎn)工藝鐵的化學性質(zhì)較為活潑,自然界中的鐵都是以鐵的化合物形式存在的。煉鐵用的多數(shù)是鐵的氧化物。含鐵比較多的、并且具有冶煉價值的礦物稱為鐵礦石。煉鐵就是從鐵礦石中提取鐵及有用元素形成生鐵的過程。煉鐵方法主要有高爐法、直接還原法、熔融還原法等，其原理是礦石在特定的氣氛中（還原物質(zhì)CO、H2、C；適宜溫度等）通過物化反應獲取還原后的生鐵。生鐵除了少部分用于鑄造外，絕大部分是作為煉鋼原料。下面分別介紹這三種冶煉方法的工藝。2.2.1高爐煉鐵法1概述高爐煉鐵是一種古老的冶煉方法，高生產(chǎn)率、低消耗、低成本是它的最大優(yōu)勢,加上不斷地吸收新技術，高爐煉鐵法仍然不斷地在發(fā)展。因而在可以預見的將來，高爐煉鐵仍然是煉鐵的主力軍。經(jīng)過了幾個世紀的發(fā)展，現(xiàn)代高爐技術已經(jīng)達到非常高的水平。現(xiàn)代巨型高爐的爐容積已有4000-5000m3,年產(chǎn)生鐵達250萬-300萬噸。高爐的壽命很多都達到了10-15年。2原料高爐煉鐵使用的原料是塊狀的鐵礦石、燃料、熔劑和鼓風形態(tài)的空氣。（1）含鐵原料鐵礦石種類較多，在自然界中已發(fā)現(xiàn)的有300多種含鐵礦物。目前世界上常用的鐵礦石，主要有磁鐵礦石，赤鐵礦石，褐鐵礦石和菱鐵礦石等。各種礦石的組成及性能見表2-1。

表2-1常用鐵礦石的分類、組成及性能

礦石名稱礦物及化學式密度(t/m3)顏色含F(xiàn)e量,%強度還原性磁鐵礦石Fe3O4

5.2黑色或灰色40-70堅硬致密難還原赤鐵礦石Fe2O3

4.9-5.3紅色至淺灰色55-60軟，易破碎易還原褐鐵礦石mFe2O3.nH2O(m=1-3,n=1-4).2.5-5.0黃褐暗褐或絨黑色37-55疏松易還原菱鐵礦石FeCO3

3.8灰色帶黃褐色30-40易破碎焙燒后易還原(1)磁鐵礦石主要礦物是磁鐵礦，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。(2)赤鐵礦石。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。(3)褐鐵礦石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。(4)菱鐵礦石。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(tǒng)稱人造富礦。所謂燒結，就是將精礦粉、富礦粉（小于8mm）與配入的熔劑粉（小于3mm的石灰石粉和白云石粉）和燃料粉（焦粉或無煙煤粉）組成混合料，同時加入一定量的水，將混合料制成小球。然后將基本上都是小球的混合料鋪在有箅子的燒結臺車上，厚度在400-700mm。將混合料中的燃料顆粒點著燃燒，產(chǎn)生1250-1500℃的高溫，與此同時，在箅子下面抽空氣，使混合料的燃料從上往下燃燒，直到料層底部。在高溫下，混合料中的一些熔化溫度低的礦物轉變成液體，這些液體將周圍的礦粉溶入,形成新的礦物質(zhì)，當溫度降低時，液體冷凝析出晶體，并將周圍顆粒較大而沒有溶入液體的礦粒粘結在一起，形成大塊的多孔蜂窩狀的燒結礦。燒結礦生產(chǎn)的流程見圖2-2。圖2-2燒結生產(chǎn)流程所謂球團生產(chǎn)就是將極細的精礦粉與添加劑混合后，在旋轉著的造球機（圓盤式和圓筒式兩種）上加水制成8-15mm的圓球。這種圓球經(jīng)過干燥、焙燒成為強度很高的球團礦。（2）燃料燃料是高爐冶煉不可缺少的基本原料之一，幾乎所有高爐都使用焦炭作燃料。在高爐煉鐵中，焦炭起三種作用：(1)提供冶煉所需的熱量；(2)還原礦石所需的還原劑；(3)在高溫區(qū)，焦炭是惟一的固體物，是支撐料柱的骨架和使氣流暢通的透氣通路。強度好的塊狀焦炭是高爐煉不可缺少的燃料。但因煉焦煤資源的匱乏，而且煉焦生產(chǎn)還給環(huán)境造成嚴重的污染。因些，向高爐噴吹補充燃料，特別是噴吹煤粉來替代部分焦炭，就是20世紀高爐煉鐵技術進步最成功的一項。所謂噴吹煤粉，就是將不能煉焦的煤磨成細粉，與鼓風一起通過風口噴入爐缸的燃燒帶，如同焦炭一樣，煤粉在燃燒帶內(nèi)與鼓風中的氧反應形成煤氣并放出熱量，所以噴吹煤粉可以代替焦炭的還原劑和熱源兩個作用，但是不能代替焦炭的料柱骨架作用。目前世界各國的噴煤數(shù)量占單位生鐵總燃料消耗的30-50%。（3）熔劑礦石中的脈石與焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它們的熔點均較高（SiO21713℃,Al2O32050℃），在高爐冶煉條件下很難熔化，為使其形成低熔點物質(zhì)，需加入一定數(shù)量助熔劑（簡稱熔劑），以形成許多低熔點的化合物和共熔體，即所謂的爐渣，并能達到完全熔化，且具有良好的流動性，使渣鐵容易分離。熔劑按其性質(zhì)可分為堿性和酸性兩種。高爐最常用的是堿性熔性，即石灰石和白云石等。當脈石中堿性氧化物含量較高時，則用酸性熔劑，常用的有硅石等。為充分利用鋼鐵工業(yè)廢棄物，有些高爐用高堿度的轉爐鋼渣代替堿性熔劑。（4）鼓風鼓風是經(jīng)風機壓縮后具有很高壓強的空氣，在現(xiàn)代大高爐上鼓風壓強可達0.4兆帕以上。為了強化高爐冶煉和向高爐噴吹補充燃料，常將制氧機生產(chǎn)的氧氣加入鼓風中，使鼓風的含氧量達到22%-30%。風機出來的鼓風都要經(jīng)熱風加熱到1000℃以上，然后送入高爐。3主要設備高爐是用焦炭、鐵礦石和熔劑煉鐵的一種豎式的反應爐（如圖2-3）。高爐是一個豎立的圓筒形爐子，其內(nèi)部工作空間的形狀稱為高爐內(nèi)型，即通過高爐中心線的剖面輪廓?，F(xiàn)代高爐內(nèi)型一般由圓柱體和截頭圓錐體組成，由下而上分為爐缸、爐腹、爐腰、爐身和爐喉五段。由于高爐煉鐵是在高溫下進行的，所以它的工作空間是用耐火材料圍砌而成，外面再用鋼板作爐殼。圖2-3高爐的結構1-爐底耐火材料；2-爐殼；3-生產(chǎn)后爐內(nèi)磚襯侵蝕線；4-爐喉鋼磚；5-煤氣導出管；6-爐體夸襯；7-帶凸臺鑲磚冷卻壁；8-鑲磚冷卻壁；9-爐底碳磚；10-爐底水冷管；11-光面冷卻壁；12-耐熱基墩；13-基座在高爐爐頂設有裝料裝置，通過它將冶煉用的爐料（由焦炭和礦石按一定比例組成）按批裝入爐內(nèi)。在高爐下部爐缸的上沿，沿圓周均勻地布置了若干個風口（100m3小高爐有8-10個，4000m3以上的大高爐則有36-42個）。加熱到1000℃以上的熱風，經(jīng)銅質(zhì)水冷風口送入爐內(nèi)，供焦炭燃燒形成高溫煤氣。在爐缸的底部設有鐵口，可周期性或連續(xù)性地排放出液態(tài)生鐵和爐渣。在風口和鐵口之間還設有渣口以排放部分爐渣，減輕鐵口負擔。現(xiàn)代高爐采用優(yōu)質(zhì)耐火材料，例如爐底、爐缸部位用微碳孔碳磚，爐身下部和爐腰部位用鋁碳磚或碳化硅磚，其它部位用優(yōu)質(zhì)高鋁磚和高致密度的粘土磚等作爐襯。爐殼用含錳的高強度低合金鋼制作，安裝有性能好的含鉻耐熱鑄鐵、球墨鑄鐵或銅質(zhì)立式冷卻器，或銅質(zhì)的臥式冷卻器。4工藝流程：高爐冶煉過程是一個連續(xù)的生產(chǎn)過程，全過程是在爐料自上而下，煤氣自下而上的相互接觸過程中完成的。如圖2-4所示。爐料從受料斗進入爐腔。在高爐底部的爐缸和爐腹中裝滿焦炭。爐腰和爐身中則是鐵礦石、焦炭和石灰石，層層相間，一直裝到爐喉。從風口鼓入的熱風溫度高達1000-1300℃，爐料中焦炭在風口前燃燒，迅速產(chǎn)生大量的熱，使風口附近爐腔中心溫度高達1800℃以上。由于底部焦炭很厚，燃燒不完全，因此，爐氣中存在大量CO氣體，在爐內(nèi)造成了良好的還原性氣氛，產(chǎn)生的CO氣體在爐體中上升。同時，由于下部的焦炭燃燒產(chǎn)生空隙，上面的焦炭、礦石和熔劑在爐體內(nèi)緩慢下降，速度大約為0.5-1mm/s。熾熱的CO氣體在爐內(nèi)上升過程中加熱緩慢下降的爐料，并把鐵礦石中鐵氧化物還原為金屬鐵，鐵礦石在570-1200℃之間受到CO氣體和紅熱焦炭的還原，形成了海綿鐵。海綿鐵在1000-1100℃的高溫下溶入大量的碳，因而鐵的熔點下降，形成了生鐵。生鐵的熔點約為1200℃，以液體狀態(tài)滴入爐缸。礦石中未被還原的物質(zhì)形成熔渣，實現(xiàn)渣鐵分離。最后調(diào)整鐵液的成分和溫度達到終點，定期從爐內(nèi)排入爐渣和生鐵。上升的高爐煤氣流，由于將能量傳給爐料而溫度不斷下降，最終形成高爐煤氣從爐頂導出管排出。圖2-3高爐治煉過程示意圖1-料斗；2-大鐘；3-焦炭；4-燃料帶；5-爐渣；6-鐵水；7-渣罐；8-鐵罐；9-鐵口；10-風口；11-礦石；12-上升煤氣在高爐中主要進行下面幾個步驟：（1）鐵的間接還原和直接還原反應這是高爐煉鐵的主要反應。鐵礦石在下降過程中，從400℃開始就被CO和H2按Fe2O3→Fe3O4→FeO→Fe逐步從高價鐵還原到低價鐵，直到金屬鐵，當?shù)V石進入高溫區(qū)（850℃-1000℃）后，又被固體碳還原。鐵的間接還原是指鐵氧化物與CO、H2反應生成鐵的過程。以FeO與CO為例，反應式是：FeO┼CO─Fe┼CO2鐵的直接還原是指利用固體碳和鐵氧化物反應生成鐵的過程。以FeO還原為例，反應式是：FeO┼C─Fe┼CO直接還原反應是不可逆的，雖然它還原單位鐵所消耗的還原劑量少，但它是吸熱反應，需要燃燒更多的焦炭來補償反應的吸熱量。間接還原的特點之一是反應可逆。為使反應向我們所要求的方向-形成低價氧化鐵和金屬鐵的方向進行，就要用過量的還原劑CO和H2。（2）造渣過程造渣過程是物料尚處在固體狀態(tài)下就開始的。脈石與從高價氧化物還原出來的FeO和MnO等形成低熔化點的礦物，在一定的溫下軟化和熔融成初渣。它在滴落過程中不斷與煤氣和焦炭接觸，連續(xù)發(fā)生化學反應，逐漸失去FeO和MnO，同時吸收焦炭灰分及上升煤氣中所攜帶的物質(zhì)。也是吸收熔劑中的CaO、MgO。隨著成分的變化，爐渣的熔點逐步升高，但它進入了高溫區(qū)，有足夠的熱量對它加熱，保證它透過爐內(nèi)的焦炭區(qū)，而匯集在爐缸中，在鐵液的上面形成渣層。鐵液穿過渣層時，在渣鐵界面上發(fā)生渣鐵間的反應，調(diào)整生鐵成分和爐渣成分，最后形成終渣。（3）生鐵的形成剛從鐵礦石還原出來的金屬鐵呈固體多孔狀，幾乎不含碳，稱為海綿鐵。它的熔化溫度很高，在1500℃以上。隨著爐料從還原地帶向下方運動，煤氣中CO分解形成的碳黑具有很高的活性，它附著或覺積在海綿鐵表面的孔隙里，使其滲C，形成鐵的碳化物。隨著碳的滲入，海綿鐵的熔化熔化溫度降低；在到達高爐內(nèi)的軟化熔融帶時，海綿鐵由固體轉變?yōu)殍F滴。在液態(tài)鐵滴穿過焦炭區(qū)時，滲入的碳量繼續(xù)增加，最終達到飽和狀態(tài)。煉鋼生鐵的含碳量可達5%以上。生鐵形成過程中，還伴隨著有害元素硫，磷等的去除。2.2.2直接還原煉鐵法1概述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),實際生產(chǎn)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(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，形成了一個新的鋼鐵冶金生產(chǎn)工藝流程。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(shù)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。（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(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，使直接還原技術簡化，而且產(chǎn)量提高。從本世紀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(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)，拉丁美洲國家生產(chǎn)的海綿鐵占全世界產(chǎn)量的一半以上。2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(chǎn)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。3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。（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(chǎn)量還是產(chǎn)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(chǎn)能力最強、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。圖2-4Midrex法生產(chǎn)流程

天然氣進入轉化爐內(nèi)，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(nèi)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(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，然后進入豎爐循環(huán)使用。反應方程式為；Fe2O3

＋3H2→2Fe＋3H2OFe2O3＋3CO→2Fe＋3CO2（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(chǎn)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(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(chǎn)海綿鐵、粒鐵及液態(tài)鐵水，但以低溫作業(yè)的回轉窯生產(chǎn)海綿鐵最有意義?；剞D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(zhì)；缺點是生產(chǎn)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，它的示意圖如圖2-5所示。圖2-5回轉窯示意圖窯體稍有傾斜（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(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。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。圖2-6為SL/RN法工藝流程。圖2-6SL/RN法工藝流程原料（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(chǎn)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(nèi)反應溫度應控制在1100℃以下，經(jīng)8-10h完成還原反應后出窯?；剞D窯所產(chǎn)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(jīng)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(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，近年來逐漸被淘汰。但此法適應性大，是惟一能直接冶煉SO2含量高的貧鐵礦的方法。2.2.3熔融還原法1概述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(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?shù)木範幠芰蛷V闊的前景的煉鐵方法。2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反應器內(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還原爐內(nèi)進行鐵礦石預還原，然后進入終還原器內(nèi)進一步還原和使渣鐵熔化分離，并產(chǎn)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(nèi)外研究開發(fā)的大多數(shù)是二步法。Corex

法是奧地利和德國于20世紀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)量等幾個方面已經(jīng)基本上可以與傳統(tǒng)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(lián)，再加上煤氣除塵和調(diào)溫系統(tǒng)組成，它的工藝流程如圖2-7所示。圖2-7Corex法示意圖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。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(nèi)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。2.3鋼的生產(chǎn)工藝

2.3.1概述2.3.2轉爐煉鋼法2.3.3平爐煉鋼法2.3.4電爐煉鋼法2.3.1概述鋼和鐵都是以鐵元素為基本成分的鐵碳合金。生鐵和鋼所以在性能上有較大的差異，主要原因是由于含碳量的不同使鐵碳合金的組織結構不同而造成的。生鐵除了含有較高的碳外，還含有一定量的的其它雜質(zhì)。所謂煉鋼，就是通過冶煉降低生鐵中的碳和去除有害雜質(zhì)，再根據(jù)對鋼性能的要求加入適量的合金元素，使其成為具有高強度、高韌性或其它特殊性能的鋼。因此，煉鋼的基本任務可歸納為：1脫碳并將其含量調(diào)整到一定范圍。碳含量不但是引起生鐵和鋼性能差異的決定性因素，同樣也是控制鋼性能的最主要元素。鋼中含碳量增加，則硬度、強度、脆性都將提高，而延展性能將下降。2去除雜質(zhì)，主要包括：（1）脫磷、脫硫：對絕大多數(shù)鋼種來說，P、S均為有害雜質(zhì)。P可引起鋼的冷脆，而S則引起鋼的熱脆。（2）脫氧：由于在氧化精煉過程中，會鋼液中溶入一定量的氧，它將大大影響鋼的質(zhì)量。一般是向鋼液中加入比鐵有更大親氧力的元素來降低鋼中的含氧量（如Al、Si、Mn等合金）（3）去除氣體和非金屬夾雜物：鋼中氣體主要是指溶解在鋼中的氫和氟。非金屬夾雜物包括氧化物、硫化物、磷化物、氮化物以及它們所形成的復雜化合物。在一般煉鋼方法中，主要靠碳-氧反應時產(chǎn)生CO氣泡的逸出，所引起的熔池沸騰來降低鋼中氣體和非金屬夾雜物。3調(diào)整鋼液成分和溫度。為保證鋼的各種物理、化學性能還應加入適量的合金元素使其含量達到規(guī)定。煉鋼的基本過程是氧化。向鐵液中吹入純氧或加入鐵礦石使鐵被氧化。生成的FeO溶解在鐵液中，與鐵液中其它元素發(fā)生反應。鐵液中的FeO越多，各種元素被氧化得越劇烈。碳被氧化成CO氣體，直接從鐵液中逸出；硅和錳被氧化生成SiO2和MnO2進入熔渣。鐵液中的含碳量降低到一定程度時，氧化即告完成，鐵液煉成了鋼液。此時，鋼液中剩余相當多的FeO，因此要在煉鋼爐中和盛鋼桶中加入適量的錳鐵、硅鐵和鋁等脫氧劑進行脫氧，來還原鋼液中的FeO，以改善鋼的力學性能。煉鋼方法主要有轉爐法、平爐法、電爐法等。2.3.2轉爐煉鋼1概述貝塞麥于１８５６年發(fā)明了梨形可動式轉爐，將熔化的生鐵放入轉爐內(nèi)，吹進高壓空氣，使生鐵中所含的硅、錳、碳、磷燃燒掉，只花１０分鐘就把１０～１５噸鐵水煉成鋼。若是用攪拌法需幾天時間才能完成。但是，貝塞麥發(fā)明的轉爐是酸性轉爐，在酸性轉爐環(huán)境中，磷很難被氧化除掉。１８７９年，托馬斯提出了堿性轉爐煉鋼法，即采用白云石高溫燒成的熟料，混合焦油做成堿性的耐火磚爐襯，冶煉過程中吹入空氣并加入生石灰。這樣便使整個反應在堿性高溫條件下進行，被氧化的磷與石灰結合起來，殘留于渣內(nèi)而不返回鋼內(nèi)，脫磷問題因此得以解決。20世紀中葉，由于制氧機的制造成功，成本低廉的氧氣在工業(yè)中大量使用，氧氣煉鋼的技術迅速發(fā)展起來。氧氣煉鋼法分為氧氣斜吹轉爐煉鋼法、臥式轉爐雙管吹氧法、純氧頂吹的轉爐煉鋼法等。氧氣頂吹轉爐是目前的主要辦法，國外稱LD轉爐，美國稱BOF爐。氧氣頂吹轉爐煉鋼法反應速度快，生產(chǎn)率高，不需要燃料,熱效率高，成為冶金史上發(fā)展最迅速的新技術，并逐漸取代平爐成為煉鋼方法的主流。與通用的平爐比較，投資少于平爐４０％～５０％；效率高于平爐３～５倍，所需勞力少，占用場地小，煉鋼時間短，鋼的成本低，質(zhì)量高。純氧頂吹煉鋼法出現(xiàn)后，世界鋼產(chǎn)量急劇增長，各種高質(zhì)量的特種鋼也煉制出來。下面主要介紹頂吹轉爐工藝技術。2設備（1）轉爐主體設備轉爐主體設備是實現(xiàn)煉鋼工藝的主要設備，它由爐體、爐體支撐裝置和爐體傾動機構等組成，見圖2-8。

圖2-8轉爐爐體結構

1-爐殼；2-擋渣板；3-托圈；4-軸承及軸承座；5-支撐系統(tǒng)；6-耳軸；7-制動裝置；8-減速機；9-電機及制動器爐殼：由錐形爐帽、圓筒形爐身及球形爐底三部分組成。各部分用鋼板成型后再焊接成整體。鋼板厚度主要取決于爐子容量，爐殼和損壞主要是產(chǎn)生裂紋和變形。因此，要求爐殼材質(zhì)有良好的焊接性能和抗蠕變性能。為防止爐帽變形，近年來廣泛采用水冷爐口。托圈：其主要作用是支撐爐體，傳遞傾動力矩。大、中型轉爐托圈，一般用鋼板焊接成箱式結構，可通水冷卻。托圈與耳軸連成整體，轉爐則坐落在托圈上。耳軸：轉爐工藝要求爐體應能正反旋轉3600，在不同操作期間，爐子要處于不同的傾動角度。為此，轉爐有兩根旋轉耳軸，一側耳軸與傾動機構相連而帶動爐子旋轉。傾動機構：其作用是傾動爐體，以滿足兌鐵水、加廢鋼、取樣、出鋼和倒渣等操作的要求。（2）供氧系統(tǒng)設備煉鋼時用氧量極大，要求供氧及時、氧壓穩(wěn)定、安全可靠。供氧系統(tǒng)由輸氧管道、閥門和向轉爐吹氧的吹氧管裝置等設備組成。結構如圖2-9所示。圖2-9吹氧管基本結構簡圖

1-吊環(huán)；2-中心管；

3-中層管；4-上托座；

5-外層管；6-下托座；

7-噴頭吹氧管是槍身、槍尾與噴頭組成。槍尾與進水管、出水管和進氧管相連，槍尾的另一端與槍身的三層套管連接，槍尾還有與升降小車固定的裝卡結構，在它的端部有更換氧槍時吊掛用的吊環(huán)。槍身是三根同心管。內(nèi)層管通氧氣，上端用壓緊密封裝置牢固地裝在槍尾，下端焊接在噴頭上。外層管牢固地固定在槍尾和槍頭之間。當外層管承受爐內(nèi)外顯著的溫差變化而產(chǎn)生膨脹和收縮時，內(nèi)層管上的壓緊密封裝置允許內(nèi)層管在其中自由豎直伸縮移動。中間管是分離流過氧槍的進、出水之間的隔板，冷卻水由內(nèi)層管和中間管之間的環(huán)狀通路進入，下降至噴頭后轉180°經(jīng)中間管與外層管形成的環(huán)狀通路上升至槍尾流出。3工藝流程氧氣轉爐煉鋼，就是利用氧氣將鐵水中的碳、硅、錳、磷等元素快速氧化到吹煉終點。在吹氧的全部時間內(nèi)，熔池中始終進行著強烈的元素氧化反應，只是在吹氧結束后的為時很短的脫氧和合金化時間內(nèi)，熔池中的反應才主要是還原反應。氧化反應放出的熱量，將主爐鐵水（1200℃-1300℃）加熱到1560℃-1660℃。如圖2-10所示。圖2-10頂吹轉爐法頂吹轉爐煉鋼法的基本流程為：（1）上爐出鋼倒渣后，迅速檢查爐體，必要時進行補爐，然后堵好出鋼口，及時加料。每爐裝入鐵水和廢鋼的數(shù)量稱為裝入量，氧氣頂吹轉爐不用外來熱源，是依靠鐵水物理熱和鐵水中雜質(zhì)元素氧化反應生成熱來提供熱量的。因此，其鐵水和廢鋼的合理配比需根據(jù)爐子的熱平衡來確事實上，絕大多數(shù)情況下，鐵水的配比在75-90%之間。（2）裝入廢鋼和兌入鐵水后，搖正爐體，下降氧槍并同時加入第一批渣料（石灰、螢石、氧化鐵皮、礦石），其量約為總渣量的2/3-1/2。當氧槍降至規(guī)定槍位時，即調(diào)到規(guī)定氧壓開始吹煉鋼。當氧流與熔池面接觸時，產(chǎn)生C、Si、Mn、P的氧化，稱為點火。點火后幾分鐘，初渣形成并覆蓋于熔池面。隨著氧化的進行，熔池溫度升高，火焰亮度增加，爐渣起泡，并有小鐵粒從爐口噴濺出來，此時應適當降低氧槍高度。（3）吹煉中期，脫碳反應劇烈，渣中氧化鐵降低，使爐渣熔點增高和粘度加大，并可能出現(xiàn)稠渣現(xiàn)象。此時應適當提高槍位，并可分批加入鐵礦石和第二批渣料，以提高渣中氧化鐵含量，并調(diào)整爐渣。（4）吹煉末期，脫碳速度減弱，火焰變短、透明。最后根據(jù)火焰狀況、供氧數(shù)理和吹煉時間等因素，按所煉鋼種的成分和溫度要求，確定吹煉終點。判定終點后，提升氧槍并停止供氧，倒爐進行測溫和取樣。根據(jù)分析結果，決定出鋼或補吹時間。（5）當鋼水成分和溫度均已合格，即可出鋼。在出鋼過程中，向盛鋼桶內(nèi)加入鐵合金，進行脫氧和合金化。出鋼完畢，將爐渣倒入渣罐。通常將相鄰兩爐之間的間隔時間（從裝入鋼料至倒渣完畢）稱為冶煉周期，一般為20-40分鐘。2.3.2平爐煉鋼法1概述1856年威廉·西門子得到一項將蓄熱原理用于所有需大量熱能的爐子的專利。最初，此法主要是用于玻璃熔化爐，可節(jié)省50％的燃料。將此法用于煉鋼，是在爐的兩端建有放置“磚格”的蓄熱室，磚格先由煉鋼爐排出的熱氣加熱，然后把要進爐的空氣預熱。但用固態(tài)燃料試驗時很不順利，存在著一些問題，諸如爐灰堵塞了蓄熱室的磚格等。1864年法國人馬丁改造了爐體，又采用了威廉·西門子用蓄熱提高爐溫的辦法，用生鐵和廢鐵煉出了優(yōu)質(zhì)鋼。1868年威廉·西門子用生鐵和鐵礦石煉鋼成功。這種煉鋼法被稱做“西門子─馬丁煉鋼法”。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”。平爐煉鋼時，經(jīng)過下層蓄熱室預熱的空氣和煤氣被送入上層熔池，在鐵水表面吹拂、燃燒，能夠比較完全地將鐵水中的碳和其他雜質(zhì)氧化，得到優(yōu)質(zhì)的鋼。雖然平爐冶煉的時間比較長（一般為24小時），但熔池很大，一爐便可煉百噸鋼水，產(chǎn)量較高。而且不限于生鐵，廢鋼、鐵屑、熟鐵、鐵礦石均可，煉出的鋼質(zhì)量穩(wěn)定、均勻，在１９３０年至１９６０年的３０年間，世界每年鋼的總產(chǎn)量近８０％是平爐鋼。５０年代初期氧氣頂吹轉爐投入生產(chǎn)，從６０年代起平爐逐漸失去其主力地位。許多國家的平爐已經(jīng)或正在陸續(xù)被氧氣轉爐和電爐所代替。2設備平爐爐體由上、下兩部分組成。上部包括熔煉室、爐頭，下部結構包括沉渣室、蓄熱室、換向閥及排煙系統(tǒng)等。上下兩部分由上升道連接。以爐門中心線為界，平爐兩邊是完全對稱的，如圖2-11所示：

圖2-11平爐構造

a-正視圖b-側視圖

1-煤氣噴出口；2-熔煉室外；3-空氣噴出口；4-爐頂；5-煤氣蓄熱室；6-裝料口；7-爐底；8-空氣蓄熱室；9-出鋼槽；10-沉渣室；11-蓄熱室；12-空氣調(diào)節(jié)閥；13-空氣換向閥；14-煤氣換向閥熔煉室是加熱和熔煉的空間，為平爐的主要部分。由爐底、前后墻及爐頂?shù)饶突鸩牧掀鲶w所組成，并用鋼結構加固。蓄熱室內(nèi)排列著一定高度和適當格孔尺寸的磚格子，其上部與沉渣室相通，下部則通向煙道。高溫廢氣通過蓄熱室，將其大部分熱量傳給格子磚；換向后，格子磚又將熱量傳給通入的冷空氣或煤氣，使其升溫。這樣不斷循環(huán)地工作。廢氣進入蓄熱室溫度通常為1500-1550℃，離開蓄熱室時約500℃-700℃；而空氣及煤氣經(jīng)蓄熱室加熱后的溫度為1000-1300℃。圖2-12為增爐蓄熱原理示意圖。圖2-12增爐蓄熱原理示意圖3工藝廢鋼礦石法是應用最廣泛的平爐煉鋼操作方法。金屬料中生鐵約占50-80%，由于生鐵帶入大量雜質(zhì)，為加速供氧，在裝料時裝入約占金屬料重12-20%的鐵礦石作氧化劑，故稱為廢鋼礦石法。廢鋼礦石法的熔煉過程分為：補爐、裝料、熔化、精煉、脫氧和出鋼。（1）補爐期通常從上爐出完鋼至下爐加入原料的一段時間，稱為補爐期。常用的補爐材料有鎂粉、熟白云石、氧化鐵皮等。（2）裝料期從裝入冷料到兌完鐵水，這段時間稱為裝料期。爐料包括散狀料（礦石、石灰、石灰石等）和金屬料（輕、重廢鋼及鐵水或生鐵塊等）。爐料應按一定次序依次從幾個爐門裝入爐內(nèi)。若裝生鐵塊，則加在最上層；若裝鐵水，剛需待冷料裝完并加熱到表面開始熔化時，再將鐵水兌入。3熔化期從兌完鐵水到爐料全部熔化完畢，這段時間稱為熔化期，約占總熔煉時間的30-50%。為縮短熔化期，應向平爐供給最大熱量，并采用吹氧強化措施。熔化期的重要操作是及時放出初期渣和提前造渣，以達到去除磷，硫并獲得合適熔畢碳的目的，同時為精煉操作創(chuàng)造良好條件。當爐料全部熔清后，取樣分析，以確定精煉期操作。當溫度和爐渣均達到規(guī)定要求時，熔化期結束進入精煉期。4精煉期自熔畢到脫氧（爐內(nèi)脫氧）或出鋼（爐外脫氧），這段時稱為精煉期。2.3.3電爐煉鋼法1概述電爐煉鋼，主要是指電弧爐煉鋼，是目前國內(nèi)外生產(chǎn)特殊鋼的主要方法。20世紀初赫勞特等發(fā)明了電弧爐煉鋼，作為熔煉特殊鋼和高合金鋼的方法，并獲得穩(wěn)步的發(fā)展。目前，世界上95%以上的電爐鋼是電弧爐生產(chǎn)的，還有少量電爐鋼是由感應爐、電渣爐等生產(chǎn)的。電弧爐根據(jù)爐襯性質(zhì)不同，分為酸性爐和堿性爐，酸性電弧爐因對爐料要求很嚴格，一般只有少數(shù)機械廠采用。所以，所謂電弧爐煉鋼，通常是指堿性電弧爐煉鋼。電弧爐煉鋼是以電能作為熱源，靠電極與爐料間放電產(chǎn)生電弧，用電弧的熱量來熔化爐料并進行必要的精煉，冶煉出所需鋼和合金的煉鋼方法。電弧可以通過電流、電壓加以控制，因此電弧爐較其它煉鋼方法具有獨特的優(yōu)點：廢氣帶走的熱量相對較少，熱效率比較高，其熱效率可達65%以上；溫度高，電弧區(qū)劃溫度高達3000℃以上，可快速熔化種種爐料，并使鋼水加熱到大于1600℃；同時溫度容易調(diào)整和控制，可滿足冶煉不同鋼種的要求；爐內(nèi)氣氛可以控制，既可造成氧化性氣氛，又可造成還原性所氛，因此，不僅能去除鋼中的磷，而且還具有很強的脫氧、脫硫能力，故鋼中非金屬夾雜物含量相對較低，合金元素收得率也相對較高，鋼的成分容易控制，適于冶煉各種合金鋼及優(yōu)質(zhì)鋼；可用100%的廢鋼進行熔煉，而且與其它煉鋼法相比，設備比較簡單。但是，電弧爐也存在一些不足之處，如由于電弧爐的離解作用，使空氣和水蒸氣離解出大量氫和氧，在還原期易被鋼水吸收，因些，電爐鋼若不經(jīng)特殊處理，其氫、氧含量一般比轉爐鋼高；由于電弧爐是點熱源，爐內(nèi)溫度分布不均勻，熔池平靜時，各部位的鋼水溫度相差較大，尤其大爐子更為突出。2設備電弧爐的構造主要是由煉鋼工藝和工藝裝備水平來決定的，同時又與電爐的容量大小、裝料方式、傳動方式等有關。電弧爐的基本結構如圖所示?，F(xiàn)代電弧爐的典型工藝裝備如圖2-13所示。爐體是電爐的最主要裝置，用來熔化爐料和進行各種冶金反應。電弧爐的爐體由金屬構件和耐火材料砌成的爐襯兩部分組成，分為爐殼、爐蓋、傾動機構、電極裝置、爐頂裝料系統(tǒng)、電爐電氣設備等。圖2-13電弧爐示意圖

1-傾爐用液壓缸；

2-傾爐搖架；

3-爐門；

4-熔池；

5-爐蓋；

6-電極；

7-電極夾持器（連接電極升降裝置）；

8-爐體；

9-電??；

10-出鋼槽3主要工藝流程堿性電弧爐的工藝操作可分為兩種：氧化法和不氧化法。不氧化法也稱為返回冶煉法。兩者都是用較好的合金廢鋼作原料，廢鋼成分與冶煉鋼種的成分基本相近似。氧化法是以一般廢鋼為原料，冶煉過程中用礦石或氧氣來氧化爐料中的雜質(zhì)，同時通過氧化沸騰過程去除鋼水中大部分氣體，此法不能回收廢鋼中的大部分合金元素，但它是電爐冶煉的基本方法，在我國應用最為廣泛。這里介紹一下堿性電弧爐氧化法的熔煉工藝：氧化法可分為補爐、裝料、熔化期、氧化期、還原期、出鋼六個階段。（1）補爐電爐冶煉時，爐襯在高溫下不斷受到化學浸蝕和機械沖刷，每煉一爐鋼后，爐襯都遭到損壞。為了保證正常冶煉和延長爐襯壽命，每次出鋼后必須進行補爐。補爐是用補爐機完成。（2）裝料裝料對熔化時間、合金元素燒損和爐襯壽命有很大影響。對裝料的要求是快和密實。實踐中布料為：下部致密、上部疏松、中間高、四周低、爐門口無大料，熔化時最省電。裝料次序為：首先將約為料重1%-2%的石灰均勻地鋪在爐底，接著在石灰上加入小料和輕薄料，上面加入大廢鋼（布置在電弧高溫區(qū)），中快料一般布在大塊料四周，在爐壁處和大塊料上方放小料。這樣，熔化初期電極就能很快地“穿井”，以減少弧光對爐蓋的輻射?！按┚焙笠蛴须y熔的爐料存在，又可使電級緩慢下降，電弧在爐料中埋弧時間長，較好地利用電能，也可避免電弧燒損爐底。大塊難熔爐料裝在下部，使下部爐料比上部密實，有助于消除“搭橋”現(xiàn)象。目前多數(shù)電爐采取頂裝料。（3）熔化期電爐煉鋼的熔化期是指從通電開始到爐料熔清這段時間，約占全爐冶煉時間的一半左右，占電能消耗的60%-70%。由于熔化期“塌鐵”常易打壞電極，因此熔化期的電極消耗占電極消耗的一半以上?？梢娂铀贍t料的熔化速度和縮短熔化時間對提高產(chǎn)量、降低電耗具有重要意義。熔化期可分為四個階段：起弧、穿井、電極回升和熔化。圖2-14為爐料熔化過程示意圖。

圖2-14爐料熔化過程示意圖

a–起弧階段；b-穿井階段；

c-電極上升階段；d-熔化末了階段

起弧:即裝入冷料后開始通電。開始通電時，電極下降觸及到爐料，使變壓器二次側發(fā)生短路。在強大的短路電流作用下，電極與爐料間的空氣被電離，形成電弧，同時發(fā)出強烈的光和熱。“穿井”:即隨著電極下面爐料的熔化，電極不斷下移，逐漸在爐料中間三個電極下面形成三個洞，即“穿”了三個井。這個階段是電弧埋在爐料中，可用長電弧大電流促使爐料快速熔化。電極回升（熔化中間期）:隨著熔池和渣層的形成，電流趨于平衡，此時的任務是熔化電極周圍的爐料。電極要隨著不斷上升的熔池面相應回升。這個階段應用長電弧操作。爐料熔清:主要是熔化低溫區(qū)的爐料。這個階段用中級電壓、減少輸入功率，可吹氧助熔。在爐料熔化過程中，伴隨著一系列物理化學變化，如元素的蒸發(fā)、氧化等，引起金屬成分的變化。元素的蒸發(fā)因電弧的點熱源，溫度可高達6000-7000℃，超過了爐料中大部分元素的沸點，使電弧區(qū)內(nèi)的元素產(chǎn)生蒸發(fā)例如鐵元素在此期間蒸發(fā)損失約為2%-3%。熔化時，因爐料中所含的很多元素與氧的親和力較大，易被氧化而損失掉，例如Si,Al,Ti等幾乎全部被氧化。熔化期提前造渣對穩(wěn)定電弧，加速升溫，減少合金元素蒸發(fā)，減少金屬吸氣，尤其是對脫磷有重要意義。（4）氧化期氧化期的任務是進一步脫磷、去除鋼中的氣體及非金屬夾雜物和加熱、均勻鋼溫到出鋼要求。脫磷是氧化期主要任務，爐渣的氧化性、堿度、渣量及渣的流動性是脫磷效果的重要條件。脫磷的反應如下2[P]＋5(FeO)＋4(CaO)→(4CaO·P2O5)＋5[Fe]加入強堿性氧化物CaO的目的是使P2O5與其生成穩(wěn)定的磷酸鈣，從而提高渣氧化脫磷能力。脫碳反應是煉鋼過程極其重要的化學反應。通過碳的氧化造成熔池的激烈沸騰以去除鋼中的氣體和非金屬夾雜物，同時還有利于熔池的加熱，并使鋼液的化學成分和溫度均勻。[FeO]＋[C]→[Fe]＋CO（5）還原期還原期也叫精煉期，通常是指氧化末期扒渣完畢到出鋼這段時間。主要任務是脫氧、脫硫、調(diào)整鋼液的化學成分和鋼溫。煉鋼氧化期向鋼液中吹入大量的氧來完成脫磷、脫碳、去夾雜、脫氣等任務，氧化期結束后，殘留在鋼中的氧對鋼質(zhì)量極為有害。電爐煉鋼脫氧方法有：沉淀脫氧、擴散脫氧和綜合脫氧。1沉淀脫氧又叫直接脫氧，是直接向鋼水中加入脫氧劑（如Fe-Si、Fe-Mn、Al等）與氧化合，生成不溶于鋼的穩(wěn)定氧化物，由于生成物密度比鋼液小而上浮進入爐渣，以達到脫氧的目的。這種方法脫氧速度快，操作簡單，但脫氧反應在鋼水中進行，脫氧產(chǎn)物殘留在鋼中將危害鋼的質(zhì)量。2擴散脫氧又叫間接脫氧，是通過對爐渣進行脫氧，破壞氧在渣鋼間分配的平衡，使鋼中的氧不斷向渣中擴散，達到脫氧的目的。此法是電爐煉鋼特有而基本的脫氧方法。這種方法避免了沉淀脫氧法鋼中殘留大量脫氧產(chǎn)物的缺點，但其脫氧速度慢。3綜合脫氧是在還原過程中交替使用沉淀和擴散脫氧的一種聯(lián)合脫氧方法。此法充分發(fā)揮了沉淀脫氧反應速度快和擴散脫氧不污染鋼水的優(yōu)點。目前國內(nèi)大部分鋼種都采用綜合脫氧。脫硫：還原期脫硫和脫氧過程是同時進行的。還原期爐溫較高，而且由于擴散脫氧的結果，爐渣中的FeO含量已降到0.5%以下，爐渣的堿度也比較高，電爐有充分的脫硫條件。為了提高脫硫能力，在渣中加入強堿性氧化物，通常用石灰。(FeS)＋(CaO)→(CaS)＋（FeO）（6）出鋼當鋼液具備以下條件時即可出鋼：化學成分全部達到標準；鋼液脫氧良好；爐渣為流動性良好的白渣，同時白渣要保持適當?shù)臅r間；溫度要滿足規(guī)定。

三鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟的重要基礎產(chǎn)業(yè)。中國已成為世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)、進口和消費國。但是，近年來，中國鋼鐵工業(yè)出現(xiàn)了盲目投資、低水平擴張的現(xiàn)象，造成生產(chǎn)能力過剩，鐵礦資源不足，布局不合理，結構性矛盾突出等問題。為此，國家正在采取必要的，主要是經(jīng)濟和法律的辦法加以調(diào)整，引導產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、升級和推進企業(yè)聯(lián)合重組。提高鋼鐵工業(yè)的整體競爭力。2005年7月8日，國家發(fā)改委發(fā)布了《鋼鐵產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策》，同年12月2日，國家發(fā)改委又發(fā)布了《產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整指導目錄(2005年本)》，對于鋼鐵行業(yè)做了詳細規(guī)定。主要內(nèi)容如下：一、加強規(guī)劃引導

及時調(diào)整戰(zhàn)略布局，引導產(chǎn)業(yè)結構的調(diào)整和提升。一方面，主要運用經(jīng)濟和法律的手段扶優(yōu)汰劣。如鼓勵增加板管等高附加值短缺鋼材的供給能力，限制發(fā)展能力已經(jīng)過剩、質(zhì)量低劣、污染嚴重的長線等品種，降低資源消耗，實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)。另一方面，加強市場信息引導。如加強對國內(nèi)鋼鐵工業(yè)發(fā)展形勢的研究和分析，建立和完善市場信息發(fā)布制度，及時發(fā)布鋼鐵產(chǎn)品、鐵礦石、焦煤等重要原燃料市場供需狀況、生產(chǎn)能力及價格變化等方面的信息，引導地方和企業(yè)的投資方向。

二、嚴格市場準入

為保證技術的先進性和滿足環(huán)境保護的要求，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，必須嚴格市場準入條件。鋼鐵投資建設項目的最低條件暫定為：

(一)燒結機使用面積達到180平米以上、焦爐炭化室高度達到4.3米及以上，高爐容積達到1000立米及以上、轉爐容積達到100噸及以上、電爐達到60噸及以上。

(二)高爐必須同步配套建設煤粉噴吹裝置、爐前粉塵捕集裝置，大型高爐要配置建設余壓發(fā)電裝置；焦爐必須同步配套建設干熄焦、裝煤、推焦除塵裝置；轉爐必須同步配套建設轉爐煤氣回收裝置；電爐必須配套煙塵回收裝置。

(三)新建鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，噸鋼綜合能耗低于0.7噸標煤，噸鋼耗新水低于6噸，符合清潔生產(chǎn)要求，污染物排放指標達到環(huán)保標準要求。

(四)礦石、焦炭、供水、交通運輸?shù)韧獠織l件要具備并落實。

三、強化環(huán)境執(zhí)法

加強對現(xiàn)有鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)執(zhí)行環(huán)保標準情況的監(jiān)督檢查。環(huán)?？偩忠ㄆ诎l(fā)布環(huán)保不達標鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)名單。對達不到排放標準或超過排污總量指標的鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)實行限期治理，在限期治理期間，按照達標排放和環(huán)境保護行政主管下達的污染物排放總量控制的要求限產(chǎn)限排，限期治理不合格的要給予停產(chǎn)處理。對未按法定程序向環(huán)境保護行政主管部門報批環(huán)境影響報告書擅自開工建設的項目，在建的一律停建，投產(chǎn)的一律停產(chǎn)，并依照有關法律法規(guī)進行處理。

四、加強土地管理

新建、擴建(改建)鋼鐵企業(yè)用地必須符合土地利用總體規(guī)劃，納入土地利用年度計劃，用地規(guī)模必須符合國家頒布的《工程項目建設用地指標》的規(guī)定；涉及占用農(nóng)用地和征用農(nóng)民集體土地的，必須嚴格按照法定程序和權限，履行農(nóng)用地轉用和土地征用審批手續(xù)。五、改進信貸管理

對于符合產(chǎn)業(yè)政策和各項市場準入條件的鋼鐵企業(yè)和建設項目，要繼續(xù)給予積極支持；對于盲目投資、低水平擴張、不符合產(chǎn)業(yè)政策和市場準入條件，以及未按規(guī)定程序審批項目，一律不得貸款，己發(fā)生貸款的要采取適當方式予以糾正。

為抑制盲目投資和增加投資者對其投資行為承擔必要的風險，國務院己決定從2004年4月25日起，對鋼鐵行業(yè)固定資產(chǎn)投資項目資本金比例，由25％及以上提高到40％以及以上。

六、推進技術進步

繼續(xù)推行高爐精料方針，提高高爐噴煤比；推廣應用鐵水三脫預處理工藝，提高鋼水質(zhì)量和轉爐作業(yè)效率；采用干熄焦、搗固焦、高爐余壓發(fā)電、高效連鑄、蓄熱式加熱爐等節(jié)能技術。跟蹤開發(fā)國際冶金前沿技術提高技術創(chuàng)新能力，采用世界先進技術提高我國鋼鐵工業(yè)裝備水平。鋼鐵工業(yè)要在低消耗、污染少、高產(chǎn)出的新型工業(yè)化道路中有所突破。

七、調(diào)整工業(yè)結構

在工業(yè)布局結構方面，將支持沿海、沿江，資源、能源、水運條件好的區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有大型鋼鐵企業(yè)的發(fā)展，促進生產(chǎn)能力向這些地區(qū)轉移。對涉及行業(yè)布局調(diào)整的大企業(yè)搬遷，東北等老工業(yè)基地鋼鐵企業(yè)的改革、改組、改造等問題，國家也將給予重點支持。

在產(chǎn)品結構調(diào)整方面，重點支持板材類產(chǎn)品的發(fā)展。去年我國進口的3717萬噸鋼材中，板材類產(chǎn)品接近90％，主要是冷軋薄板、鍍鋅板、不銹鋼板、冷軋硅鋼片、熱軋薄板等高附加值產(chǎn)品。國家將支持條件較好的大型企業(yè)發(fā)展這些國內(nèi)短缺的產(chǎn)品，以提高國內(nèi)市場的自給率。

八、推進資產(chǎn)重組

近10年來，在國際鋼鐵業(yè)不很景氣的情況下，世界主要產(chǎn)鋼國做了一件重要的事情，就是把資產(chǎn)重組和結構調(diào)整結合起來，其主要特點：一是以資產(chǎn)為紐帶組建大型跨國公司，實現(xiàn)專業(yè)化分工和資源的合理配置；二是鋼鐵發(fā)達國家重點發(fā)展高質(zhì)量、高附加值產(chǎn)品，以獲得更高的經(jīng)濟效益；三是跨國公司在輸出產(chǎn)品和技術的同時更加注意資本的輸出，爭相在鋼材凈進口國家和地區(qū)合資和獨資建廠，以擴大市場份額。在中國已經(jīng)形成的國內(nèi)市場國際化的環(huán)境下，我們的鋼鐵企業(yè)應借鑒這些好的做法，抓住機遇，加強合作，實現(xiàn)鋼鐵工業(yè)的戰(zhàn)略性結構調(diào)整。九、促進特鋼產(chǎn)業(yè)發(fā)展

以結構調(diào)整為主線，加大產(chǎn)品、工藝、產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整的步伐，逐步形成特鋼的專業(yè)化、規(guī)?；a(chǎn)，培育具有核心競爭力的大集團。加大科技進步的力度，抓住振興機械制造業(yè)的有利時機，促進特鋼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。國家將支持融熔還原技術的開發(fā)，實施走出去的戰(zhàn)略，開發(fā)利用海外的鉻礦、鎳礦等礦產(chǎn)資源，建立穩(wěn)定的原料基地。

十、加強國際合作

在世界貿(mào)易組織的總框架下，積極融入經(jīng)濟全球化的進程中，本著互惠互利的原則，堅持兩個市場、兩種資源的方針，廣泛開展國際間的合作交流。支持鋼鐵企業(yè)與國外鐵礦供應商建立長期供礦關系，支持有條件的鋼鐵企業(yè)在海外投資辦礦，積極穩(wěn)妥地發(fā)展海外鐵礦資源基地，逐步建立和提高資源的安全保障能力。也歡迎國際友人投資參與中國鋼鐵業(yè)的技術改造、合作辦廠、共同開發(fā)新品種新技術等多種形式的合作。有色金屬冶金技術

基礎知識講座

主要內(nèi)容

一、基本概念二、冶金方法的分類及冶金工藝過程三、幾種常用的冶金爐四、濕法煉鋅的原則流程五、發(fā)展趨勢一、基本概念1.有色金屬:在元素周期表中的80種金屬元素中:除Fe、Mn、Cr和Sb、Pm、Fr及十種超鈾元素外的64種元素都列為有色金屬。2.冶金:礦石(精礦或其他原料)金屬加工處理應用。（1）化學冶金:（2）物理冶金：基本概念3.有色冶金的任務：把要提取的金屬從成分復雜的礦物集合體中分離出來，得到粗金屬產(chǎn)品（粗煉），再將粗金屬進行提純得到合格的精煉金屬產(chǎn)品（精煉）。4.冶金過程：應用各種化學方法或物理化學方法使原料中的主要金屬與其他金屬或非金屬元素化合物分開，以獲得純度較高的金屬。（1）煉前處理（2）粗煉（3）精煉基本概念5.冶金原理：是用物理化學的基本原理來分析研究冶金過程的物化反應。內(nèi)容：（1）化學熱力學方法、研究冶金過程的方向和平衡，以確定冶金反應進行的可能性及其限度。（2）化學動力學方法、研究冶金過程的速度和機理，以分析影響冶金反應進行的因素和探索提高反應速度的途徑。（3）物質(zhì)結構學、研究參與反應物質(zhì)的結構和性質(zhì)，以了解冶金反應的內(nèi)在原因?；靖拍?.冶金方法：是使礦石或精礦中的金屬與脈石分開，并破壞金屬化合物的鍵以游離金屬且使之純化到工業(yè)品位。7.回收率:是指原料開始到產(chǎn)出最終金屬產(chǎn)品止，產(chǎn)出合格金屬量占消耗物料金屬量的百分比。8.浸出率:浸出液中被提金屬總量與被浸出礦物中所提金屬總量的百分比。二、冶金方法的分類及冶金工藝過程(一)冶金方法的分類

1.火法冶金:礦石(精礦)物理化學變化金屬。如干燥、焙解、熔煉、蒸餾、真空冶金、電熱冶金等。2.濕法冶金:礦石(精礦)溶解溶液金屬。

高溫低溫（<100℃）酸、堿電解、電積包括浸出、凈化、置換沉積（電積）三大過程。近年發(fā)展的生物冶金、原地熔浸等都屬于濕法冶金。3.電冶金:電能金屬。分為：

a.電熱冶金:電能熱能。（如工業(yè)硅的生產(chǎn)）

b.電化冶金:含金屬鹽類的水溶液(熔體)中-→電化學反應→析出→金屬。（如Cu、Zn的電解電積Li、Al等的精煉）（二）冶金工藝過程1.干燥:—除水份。2.焙解:—分解水化物或氫氧化物及碳酸鹽，除去其中的水份、二氧化碳及有機物等。如鎢酸、氫氧化鋁等（>200℃）。3.焙燒:礦石(精礦)→加熱(<熔點)→化學變化。包括有：①氧化焙燒、如MeS+1?O