北科復試-鋼鐵冶金學

教學小組成員吳勝利

（博士、教授、博導）課程，A課堂組長張建良

（博士、教授、博導）

B

課堂組長C課堂組長吳 鏗

（博士、教授、博導）高

斌

（博士、楊世山

（張宗旺

（賈彥忠

（、、、、碩導）、碩導）、碩導）、碩導）左海濱（博士、講師）國宏偉（博士、講師）張麗華（博士、講師）2009-4-152科技大學教授博導吳勝利本科生課堂講授學時分配第一章概論4學時8.9％第二章鐵礦粉造塊6學時13.3％第三章高爐冶煉過程的物理化學10學時22.2％第四章高爐冶煉過程的傳輸現(xiàn)象4學時8.9％第五章高爐冶煉的能量利用6學時13.3％第六章高爐煉鐵工藝10學時22.2％第七章高爐冶煉過程的數(shù)學模型概述2學時4.5％第八章總復非高爐煉鐵2學時學時4.5％2.2％總計

45學時

100％2009-4-153科技大學教授博導吳勝利教學參考

書.1

．高爐煉鐵原理澳－比斯瓦斯著齊寶銘、王筱留譯，冶金工業(yè).2

．鐵礦粉造塊理論及工藝周取定、孔令壇編，

冶金工業(yè).3

．高爐冶煉理論與操作宋建成編，

科技大學

科2009-4-154科技大學教授博導吳勝利本人：

62334737

，電郵：wushengli@m

辦公：冶金樓5112009-4-155科技大學教授博導吳勝利第一章

概

論.1.1鋼鐵工業(yè)概況國民經(jīng)濟中鋼鐵工業(yè)的地位鋼鐵工業(yè)的發(fā)展概況鋼鐵生產(chǎn)工藝流程.1.2高爐煉鐵過程概述工藝流程及高爐爐型高爐冶煉的特點及主要過程高爐原料高爐耐火材料高爐產(chǎn)品高爐主要技術(shù)經(jīng)濟指標2009-4-156科技大學教授博導吳勝利1.1.1國民經(jīng)濟中鋼鐵工業(yè)的地位工業(yè)化水平國民生活水準工業(yè)生產(chǎn)所占工業(yè)機械化自動化程度工業(yè)化水平的標志勞動生產(chǎn)率提高需要大量的機械設備需要大量

的基礎材料評價一個國家的工業(yè)發(fā)達程度交通工具市政設施民

生用

活住

用宅

品鋼鐵產(chǎn)品、價格低廉、有較高的強度和韌性、易于加工制造、所需原料資源豐富、冶煉工藝成熟、效率高2009-4-157科技大學教授博導吳勝利人均鋼材生產(chǎn)量·

反映了一個國家的經(jīng)濟發(fā)達程度·人均鋼材生產(chǎn)量名列世界第一，為800Kg/人·年·

我國的人均鋼材生產(chǎn)量約為380Kg/人·年2009-4-158科技大學教授博導吳勝利發(fā)展鋼鐵工業(yè)的基礎穩(wěn)定可靠的原料來源（礦石、煤、熔劑、耐火材料等）穩(wěn)定的動力資源（水、電等）龐大的

設施（鐵路、水運等）雄厚的

保證（投資大、建設周期長、回收效率慢）鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，標志著這些條件的完善反映國民經(jīng)濟的發(fā)達程度2009-4-159科技大學教授博導吳勝利1.1.2鋼鐵工業(yè)的發(fā)展概況·

二次后的四十多年中，鋼鐵工業(yè)獲得重大發(fā)展鋼產(chǎn)量：50年代初的2億噸→90年代的7.4億噸·

我國：古代占領(lǐng)先地位（公元前六世紀已廣泛使用鐵器）；近代

于歐洲國家；從1890年（漢陽鐵廠投產(chǎn)）→

約半個世紀內(nèi)累計的鋼?成立后，特別是產(chǎn)量不到200萬噸；

開放以來，鋼鐵生產(chǎn)有了重大發(fā)展：1960年1976年1980年15.8萬噸1840萬噸2045萬噸3703萬噸1986年1988年1995年1996年5190萬噸5900萬噸9300

萬噸突破1億噸名列世界第二名列世界第一2009-4-1510科技大學教授博導吳勝利近年世界及中國鋼鐵產(chǎn)量的推移02000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

200880000600004000020000100000140000120000世界（萬噸）中國（萬噸）08年中國粗鋼產(chǎn)量占世界的37.8%2009-4-1511科技大學教授博導吳勝利2008年主要產(chǎn)鋼國的產(chǎn)量比較1187091506850551053504580371050200050001000015000200002500030000350004000045000（萬噸）（萬噸）（萬噸）（萬噸）韓國（萬噸）德國（萬噸）（萬噸）中國（萬噸）2009-4-1512科技大學教授博導吳勝利1.1.3鋼鐵生產(chǎn)工藝流程鋼鐵冶金的任務把鐵礦石冶煉成合格的鋼鐵礦石→去脈石、雜質(zhì)和氧→鐵鐵→精煉（脫C、Si、P等）→鋼還原熔化過程（煉鐵）氧化精煉過程（煉鋼）2009-4-1513科技大學教授博導吳勝利鋼鐵產(chǎn)品項目生鐵鋼含碳量高（2.5－4.5%）低（0.03－1.2%）雜質(zhì)（Si、Mn、P、S）多少硬度高低脆性大小韌性小大加工性能只能鑄造鑄造、鍛造均可焊接性差好2009-4-1514科技大學教授博導吳勝利三種鋼鐵工藝流程的概念圖礦石焦煤燒結(jié)礦球團礦焦炭高

爐液態(tài)生鐵轉(zhuǎn)爐煉鋼礦石非焦煤天然氣粉礦或球團礦還原氣直接還原爐固態(tài)海綿鐵電爐煉鋼礦石非焦煤預還原爐熔融還原爐液態(tài)生鐵轉(zhuǎn)爐煉鋼高爐煉鐵工藝煉直鐵接工還藝原煉熔鐵融工還藝原2009-4-1515科技大學教授博導吳勝利Bｌast

furnace(高爐)Largest:

100

mH,

Inside

35

mH,I.D.

16

m,

I.V.

5,800

m3Converter(転爐)Continuous

casting

machine(連続鋳造機)Steel

Production

by

antegrated

Process2009-4-15科技大學教授博導吳勝利SinterCokeHot

airBlast図4.24.製鉄用高爐的斷面17鉄鉱石高品位低品位(高結(jié)晶水)石

炭強粘結(jié)炭非微粘結(jié)炭AgglomeratedOre

(Pellet

&

Sinter)CokeAgglomeration溶銑（10,000

ton/d）Slag

（3,00

on/d）予熱空気（1200℃）Height:

35

mVolume:

5,000

m3Ironmaking

by

the

BF

Process1.2高爐煉鐵過程概述1.2.1工藝流程及高爐爐型爐喉

爐身高爐本體爐腰

爐腹爐缸風口渣口鐵口V

u上料系統(tǒng)儲礦槽、秤量裝置上料裝置（料車或皮帶）、裝料裝置（料鐘或料閥）煤重氣力系除統(tǒng)：塵器、洗滌塔、文氏管、脫水器、高壓閥組等渣鐵系統(tǒng)：出鐵場、泥、開口機、鐵罐、渣罐水渣設備送風系統(tǒng)風機、熱風爐、噴吹設備、富氧設備濕度調(diào)節(jié)設備等Hu2009-4-1518科技大學教授博導吳勝利1.2.2高爐冶煉的特點特點①在逆流（爐料下降及煤氣上升）過程中，完成復雜的物理化學反應；②在投入（裝料）及產(chǎn)出（鐵、渣、煤氣）之外，無法直接觀察爐內(nèi)反應過程；③維持高爐順行（保證煤氣流合理分布及爐料均勻下降）是冶煉過程的關(guān)鍵。2009-4-1519科技大學教授博導吳勝利高爐冶煉的主要過程還原過程實現(xiàn)礦石中金屬元素（主要是Fe）和氧元素的化學分離；造渣過程實現(xiàn)已還原的金屬與脈石的熔融態(tài)機械分離；傳熱及渣鐵反應過程實現(xiàn)成分及溫度均合格的液態(tài)鐵水。2009-4-1520科技大學教授博導吳勝利1.2.3高爐原料鐵礦石其它含鐵代用品天然塊礦人造富礦燒結(jié)礦球團礦堿性熔劑――石灰、石灰石、白云石酸性熔劑――硅石特殊熔劑――螢石·

高爐、轉(zhuǎn)爐爐塵·

殘鐵·

軋鋼鐵皮·

硫酸渣高爐原料熔劑2009-4-1521科技大學教授博導吳勝利鐵礦石概念定義：凡是在一定的技術(shù)條件下，可經(jīng)濟地提取出金屬鐵的巖石，稱為鐵礦石。地殼中Fe元素居第四位，占4.2％，由于以富集狀態(tài)存在，故有開采價值。不存在純金屬狀態(tài)的鐵，而是以氧化物、硫化物的形式存在。冶煉1噸生鐵，約需鐵礦石1.6－1.8噸。2009-4-1522科技大學教授博導吳勝利鐵礦石的分類赤鐵礦－Fe2O3理論含F(xiàn)e70％，紅條痕，較軟，易還原；磁鐵礦－Fe3O4理論含F(xiàn)e72.4％，黑條痕，較硬，難還原；褐鐵礦－xFe2O3.yH2O黃褐條痕，疏松多孔，易還原；菱鐵礦－FeCO3理論含F(xiàn)e48.2％，灰黃條痕，焙燒后易還原。2009-4-1523科技大學教授博導吳勝利假象及半假象赤鐵礦假象及半假象赤鐵礦·

由于地表的氧化作用，自然界中純磁鐵礦少見。·

磁鐵礦變成：半假象赤鐵礦或假象赤鐵礦（Fe/FeO在3.5～7）（Fe/FeO＞7）?！?/p>

所謂“假象”――化學成分：Fe3O4→Fe2O3結(jié)晶構(gòu)造：仍為磁鐵礦特征2009-4-1524科技大學教授博導吳勝利鐵礦石的評①含F(xiàn)e品位高→價將含F(xiàn)e量達到理論值的70%以上的礦石稱為富礦。②脈石少和分布合適→礦石中除Fe以外的其它化合物統(tǒng)稱為脈石。SiO2要少，Al2O3要少，CaO要多，MgO要合適。Fe礦物與脈石礦物的結(jié)合程度要弱，以易于進行礦物的單體分離。③有害元素少S、P、As、Cu→對鋼鐵產(chǎn)品性能有害K、Na、Zn、Pb、F→對爐襯和高爐順行有害④有益元素合適Mn、Cr、Ni、V、Ti、Nb、稀土元素等,其含量多時可作為復合礦石考慮綜合利用。上述元素多時，高爐冶煉會出現(xiàn)一定的問題，要考慮冶煉的特殊性。⑤還原性好→礦石中與Fe結(jié)合的氧被還原劑（CO、H2）奪取的難易程度稱為還原性。褐鐵礦＞赤鐵礦＞磁鐵礦人造富礦＞天然鐵礦疏松結(jié)構(gòu)、微氣孔多的礦石還原性好⑥冶金性能優(yōu)良冷態(tài)、熱態(tài)強度好軟化熔融溫度高、區(qū)間窄⑦粒度分布合適→＜5mm的粉末要少，8～30mm為宜太大→對還原不利；

口太小→對順行不利2009-4-1525科技大學教授博導吳勝利熔劑及其它代用品熔劑堿性熔劑――石灰、石灰石、白云石酸性熔劑――硅石特殊熔劑――螢石其它含鐵代用品要求含鐵量高要求雜質(zhì)少要求有一定的塊度2009-4-1526科技大學教授博導吳勝利1.2.4高爐

高爐固體焦爐煤氣氣體煤粉焦炭高爐煤氣用于高爐本體用于熱風爐2009-4-1527科技大學教授博導吳勝利焦炭以不同品種的煤，按比例配合，在隔絕空氣狀下高溫（1000℃）干餾而成的固體

；焦炭的三大作用熱源→在風口前燃燒，提供冶煉所需熱量；還原劑→本身及其氧化產(chǎn)物CO均為鐵氧化物的還原劑；骨架和通道→礦石高溫熔化后，焦炭是唯一以固態(tài)存在的物料。了有支撐數(shù)十米料柱的骨架作用了有保障煤氣自下而上暢流的通道作用作用③是任何固體

所無法替代的。·

冶煉1噸生鐵約需250～650Kg焦炭2009-4-1528科技大學教授博導吳勝利對焦炭的質(zhì)量要求①強度高；②固定C高；③灰分低；④S含量低；⑤揮發(fā)份合適；⑥反應性弱（C＋CO2→2CO）；⑦粒度合適（為礦石平均粒度的3～5倍為宜，d小/d大≈0.7）任何

都無法取代焦炭的作用！

3

高爐必需用焦炭

!!!

焦炭是用資源貧乏的主焦煤煉制而成的，煉焦設備投資龐大煉焦過程污染嚴重。高爐應少用焦炭

!!!酶

高爐噴煤工藝因需而生！2009-4-1529科技大學教授博導吳勝利高爐用煤粉高爐噴煤可用資源豐富的非結(jié)焦煤高爐噴吹煤粉，可置換一部分昂貴的焦炭，從而降低生鐵成本。

我國是世界上最早開發(fā)出高爐噴煤技術(shù)的國家之一，1964年在首鋼成功實施了無煙煤的噴吹技術(shù)我國已有85％以上的高爐采用了高爐噴煤技術(shù)（無煙煤、煙煤均有）高爐噴吹用煤粉的質(zhì)量要求①

固定C高，灰分低；②

含S低；③

粒度細（＜200網(wǎng)目占80％以上）；④⑤煤粉可磨性好，

性弱；燃燒性好，反應性強。世界先進高爐噴煤量已達250Kg/t，寶鋼最高超過260Kg/t，目前實際生產(chǎn)中為200-230Kg/t。2009-4-1530科技大學教授博導吳勝利1.2.5耐火材料熱風爐內(nèi)高爐本體用不定形耐火材料耐火材料爐身上部－粘土磚爐身中部－高鋁磚爐身下部－碳化硅磚爐腰、爐腹－碳化硅磚爐缸上部－碳化硅磚爐缸下部－外側(cè)和底部用碳磚，內(nèi)襯高鋁磚陶瓷杯·

頂部及格子磚上部用硅磚；·

其它部位用高鋁磚或粘土磚·

鐵口

泥及爐前溝泥一般：焦粉＋粘土＋蒽油特殊：剛玉＋碳化硅＋絹云母＋焦粉＋焦油·

噴補泥漿Al2O3＋SiO2＋粘結(jié)劑（磷酸鹽、皂土、水玻璃等）2009-4-1531科技大學教授博導吳勝利高爐用各種耐火材料性能的比較項目粘土磚高鋁磚碳磚碳化硅磚石墨－碳化硅磚抗氧化性優(yōu)優(yōu)劣良一般抗磨性一般優(yōu)一般優(yōu)一般抗CaO侵蝕性一般良優(yōu)良優(yōu)抗FeO侵蝕性一般一般一般良良抗鐵水侵蝕性一般良劣優(yōu)優(yōu)抗堿金屬性劣良一般優(yōu)一般抗熱應力劣一般良優(yōu)優(yōu)冷卻效果劣一般良良優(yōu)2009-4-1532科技大學教授博導吳勝利寶鋼原1號高爐各部位耐火磚的材質(zhì)部位耐火磚材質(zhì)料線區(qū)普通高鋁磚爐躺上中部粘土磚爐身下部剛玉型高鋁磚+粘土磚爐腰鋼玉型高鋁磚+粘土磚爐腹剛玉型高鋁磚+粘土磚爐缸碳磚＋陶瓷杯(普通高鋁磚)爐底上部為粘土磚，周邊和下部為碳磚，最底一層為石墨質(zhì)碳化硅磚2009-4-1533科技大學教授博導吳勝利1.2.6高爐產(chǎn)品高爐產(chǎn)品主產(chǎn)品鐵水Si

0.3～1.25%C

2.5～5.0%Mn

0.1～0.8%P

0.08～0.4%S

0.02～0.07%鐵水溫度1400～1500℃少量鐵合金高碳錳鐵高碳硅鐵稀土硅鐵高碳硅錳合金等副產(chǎn)品爐渣·

250～400Kg/t·

CaO

35～44％SiO2

32～42％Al2O3

6～14％MgO

4～13％·

渣溫1400～1600℃·

熱含量1680～1900KJ/Kg副產(chǎn)品煤氣·

1600～3500M3/t·

CO

21～26%H2

1.0～2.0％CH4

0.2～0.8％CO2

14～21％N2

55～57％·

Q低3200～3800KJ/M32009-4-1534科技大學教授博導吳勝利1.2.7高爐主要技術(shù)經(jīng)濟指標1、有效容積利用系數(shù)ημ定義：每M3高爐有效容積每晝夜生產(chǎn)的合格鐵量（T/

M3

·

d）。我國ημ＝1.8～4.0

T/

M3.d（大高爐低、小高爐高）2、焦比定義：冶煉每噸生鐵所消耗的焦炭的千克數(shù)（Kg/T）。我國焦比為250～550Kg/T3、煤比定義：冶煉每噸生鐵所消耗的煤粉的千克數(shù)（Kg/T）。我國煤比為80～230Kg/T4、比（焦比＋煤比）定義：冶煉每噸生鐵所消耗的固體

的總和（Kg/T）。我國

比為480～580（Kg/T）5、綜合焦比（焦比＋煤比×煤焦置換比）6、煤焦置換比定義：噴吹1Kg煤粉所能替代的焦炭的Kg數(shù)。一般為0.8左右2009-4-1535科技大學教授博導吳勝利1.2.7高爐主要技術(shù)經(jīng)濟指標7、焦炭冶煉強度定義：每M3高爐有效容積每晝夜燃燒的焦炭噸數(shù)（t/M3

·d）。一般為0.8～1.0t/M3

·d8、綜合冶煉強度定義：每M3高爐有效容積每晝夜燃燒的綜合焦炭的噸數(shù)（t/M3

·

d）。一般為0.9～1.15t/M3

·d利用系數(shù)、焦比及冶煉強度三者關(guān)系純焦冶煉時：利用系數(shù)＝焦炭冶煉強度/焦比噴吹

時：利用系數(shù)＝綜合冶煉強度/綜合焦比9、燃燒強度定義：每M3爐缸截面積每晝夜燃燒的焦炭的噸數(shù)（t/M3

·d）。10、工序能耗·

Ci＝（

消耗＋動力消耗－回收二次