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1、冶金工程概論課程報(bào)告 冶金工程是研究從礦石等資源中提取金屬及其化合物、并制成具有良好加工和使用性能材料的工程技術(shù)領(lǐng)域。冶金就是將金屬溶液中的雜質(zhì)通過(guò)熔融進(jìn)行造渣、除渣給予消除，同時(shí)某些化學(xué)成分通過(guò)除渣、脫碳、去氧等得到相對(duì)的純凈合金成分的過(guò)程。冶金在我國(guó)具有悠久的發(fā)展歷史，從石器時(shí)代到隨后的青銅器時(shí)代，再到近代鋼鐵冶煉的大規(guī)模發(fā)展。人類發(fā)展的歷史就融合了冶金的發(fā)展。 一．冶金工藝流程 1.選礦 選礦是冶煉前的準(zhǔn)備工作，選礦的目的是提高礦石品位。從礦山開采下來(lái)礦石以后，首先需要將含鐵等金屬元素高的礦石甄選出來(lái)，為下一步的冶煉活動(dòng)做準(zhǔn)備。 2.燒結(jié)/球團(tuán) 為了保證供給高爐的

2、鐵礦石中鐵含量均勻，并且保證高爐的透氣性，需要把選礦工藝產(chǎn)出的鐵精礦制成10-25mm的塊狀原料。鐵礦粉造塊的目的是為了綜合利用資源，擴(kuò)大煉鐵用的原料種類，并且能夠改善礦石的冶金性能，適應(yīng)高爐冶煉對(duì)鐵礦石的質(zhì)量要求。鐵礦粉造塊目前主要有兩種方法：燒結(jié)法和球團(tuán)法。兩種方法所獲得的塊礦分別為燒結(jié)礦和球團(tuán)礦。 3.煉焦 高爐生產(chǎn)前的準(zhǔn)備除了準(zhǔn)備鐵礦石外，還需要準(zhǔn)備好必需的燃料——焦炭。焦炭是高爐冶煉的主要燃料，焦炭在風(fēng)口前燃燒放出大量熱量并產(chǎn)生煤氣，煤氣在上升過(guò)程中將熱量傳給爐料，使高爐內(nèi)的各種物理化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行。焦炭在高爐冶煉中可作為發(fā)熱劑和還原劑。焦炭在風(fēng)口前燃燒放出大量熱量并產(chǎn)生煤氣

3、，煤氣在上升過(guò)程中將熱量傳給爐料，使高爐內(nèi)的各種物理化學(xué)反應(yīng)得以進(jìn)行。同時(shí)，焦炭燃燒產(chǎn)生的CO及焦炭中的固定碳是鐵礦石的還原劑。 4.煉鐵 煉鐵生產(chǎn)是冶金工業(yè)最主要的環(huán)節(jié)。高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。目前最常用的方法有高爐煉鐵，直接還原和熔融還原鐵三種方法。其中高爐煉鐵是以焦炭為能源基礎(chǔ)的傳統(tǒng)煉鐵方法。它與轉(zhuǎn)爐煉鋼相配合，是目前生產(chǎn)鋼鐵的主要方法。 5.煉鋼? 鋼與生鐵都是以鐵元素為主，并含有少量碳、硅、錳、磷、硫等元素的鐵碳合金，二者差別就是碳元素的含量。而?煉鋼的基本任務(wù)就是將鐵水重的碳含量調(diào)整到一定范圍。?煉鋼方法包括轉(zhuǎn)爐煉鋼、電弧爐煉鋼和平爐煉鋼。其中轉(zhuǎn)

4、爐煉鋼利用吹入空氣或氧氣對(duì)熔融的鐵水進(jìn)行氧化脫碳，煉出合格成分的鋼錠。電弧爐煉鋼依靠插入金屬爐料間的石墨電極通電后，以產(chǎn)生的電弧為熱源從而熔化爐料。平爐煉鋼以煤氣或重油為燃料，在燃燒火焰直接加熱的狀態(tài)下，將生鐵和廢鋼等原料熔化并精煉成鋼液。 6.連鑄? 連續(xù)鑄鋼是通過(guò)連鑄機(jī)將鋼液連續(xù)地鑄成鋼坯的工序。轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)出來(lái)的鋼水經(jīng)過(guò)精煉爐精煉以后，需要將鋼水鑄造成不同類型、不同規(guī)格的鋼坯。連鑄工藝中，鋼液通過(guò)中間包注入結(jié)晶器內(nèi)，迅速冷卻成具有一定厚度的凝固殼而內(nèi)部仍為液態(tài)的鑄坯。鑄坯下部與伸入結(jié)晶器底部的引錠桿銜接，澆注開始后，拉坯機(jī)通過(guò)引錠桿把結(jié)晶器內(nèi)的鑄坯以一定速度拉出。與模鑄相比，連鑄具有

5、簡(jiǎn)化工序、節(jié)能；降低鑄坯切頭率、提高金屬收得率等優(yōu)點(diǎn)。 連鑄工藝的一個(gè)主要問(wèn)題是連鑄坯的斷裂。如果凝固的金屬外殼過(guò)薄，有可能導(dǎo)致鋼坯在拉出一定長(zhǎng)度后下方的金屬將上方正在凝結(jié)的金屬拉斷，導(dǎo)致鋼水泄露，進(jìn)而破壞其他機(jī)器而發(fā)生事故。通常情況下，斷裂是由于過(guò)高的拉出速度，使凝固的外殼沒(méi)有足夠時(shí)間來(lái)產(chǎn)生所要求的厚度；也有可能是拉出的金屬溫度仍然過(guò)高，這意味著最終凝固時(shí)間大大低于矯直輥和地方鏈斷裂整頓期間，由于應(yīng)用的壓力。阿突破，也可能發(fā)生，如造成撕裂。如果傳入的金屬過(guò)熱，可以通過(guò)減慢拉出速度來(lái)防止斷裂。另一個(gè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題是鋼鐵與溶解氧反應(yīng)也可能產(chǎn)生碳化物。由于金屬是液態(tài)，這種碳化反應(yīng)是非常的快，同時(shí)

6、產(chǎn)生大量高溫氣體，如果是在中間包或者結(jié)晶器中發(fā)生碳化反應(yīng)，氧元素還會(huì)反應(yīng)生成氧化硅或氧化鋁，如果產(chǎn)生過(guò)多的氧化硅或氧化鋁將有可能堵塞中間包與結(jié)晶器中間的連接管，進(jìn)而導(dǎo)致破壞生產(chǎn)。 7.軋鋼 從煉鋼廠出來(lái)的鋼坯還僅僅是半成品，必須到軋鋼廠去進(jìn)行軋制以后，才能成為合格的產(chǎn)品。熱軋后的成品分為鋼卷和錠式板兩種，經(jīng)過(guò)熱軋后的鋼材厚度一般在幾個(gè)毫米,如果用戶要求鋼板更薄的話，還要經(jīng)過(guò)冷軋。 連軋的目的是將連鑄后的鋼坯軋制成客戶需要規(guī)格的鋼材。從煉鋼廠送過(guò)來(lái)的連鑄坯，首先是進(jìn)入加熱爐，然后經(jīng)過(guò)初軋機(jī)反復(fù)軋制之后，進(jìn)入精軋機(jī)。軋鋼屬于金屬壓力加工，說(shuō)簡(jiǎn)單點(diǎn)，軋鋼板就像壓面條，經(jīng)過(guò)搟面杖的多次擠壓與

7、推進(jìn)，面就越搟越薄。在熱軋生產(chǎn)線上，軋坯加熱變軟，被輥道送入軋機(jī)，最后軋成用戶要求的尺寸。熱軋工藝中，板坯由煉鋼連鑄車間的連鑄機(jī)出坯輥道直接送到熱軋車間板坯庫(kù)，并送至加熱爐的裝爐輥道裝爐加熱，保溫后由吊車吊運(yùn)至上料臺(tái)架，然后經(jīng)加熱爐裝爐輥道裝爐加熱。冷軋工藝是將熱軋來(lái)的原料板軋制成用戶所要求的尺寸與形狀，同時(shí)滿足性能與表面質(zhì)量要求。冷軋工藝一般包括酸洗、多機(jī)架連軋機(jī)、熱處理線，單機(jī)架和雙機(jī)架平整線，表面防腐處理的鍍鋅線、彩涂線，及精整線等，此外依據(jù)生產(chǎn)的產(chǎn)品不同還會(huì)有：鍍鋅線、冷軋硅鋼和彩涂線，冷軋是把熱軋的板卷再次加工成具有高附加值的產(chǎn)品。 二．原料工藝 1.燒結(jié)礦 燒結(jié)是指將鐵礦

8、粉、無(wú)煙煤和石灰、高爐爐塵、軋鋼皮、鋼渣按一定配比混勻。燒結(jié)機(jī)適用于大型黑色冶金燒結(jié)廠的燒結(jié)作業(yè)，它是抽風(fēng)燒結(jié)過(guò)程中的主體設(shè)備，可將不同成份，不同粒度的精礦粉，富礦粉燒結(jié)成塊，并部分消除礦石中所含的硫，磷等有害雜質(zhì)。經(jīng)燒結(jié)而成的有足夠強(qiáng)度和粒度的燒結(jié)礦可作為煉鐵的熟料。利用燒結(jié)熟料煉鐵對(duì)于提高高爐利用系數(shù)、降低焦比、提高高爐透氣性保證高爐運(yùn)行均有一定意義。目前生產(chǎn)上廣泛采用帶式抽風(fēng)燒結(jié)機(jī)生產(chǎn)燒結(jié)礦。 燒結(jié)中，原料在配料室參加配料，在一次混合機(jī)混合、加水濕潤(rùn)，在二次混合機(jī)中造球，具有一定粒級(jí)的混合料通過(guò)布料器布到臺(tái)車上，布有料的臺(tái)車通過(guò)點(diǎn)火爐下方，通過(guò)高溫煤氣火點(diǎn)燃混合料中的燃料，主排風(fēng)機(jī)通過(guò)

9、風(fēng)箱從臺(tái)車下部進(jìn)行抽風(fēng)燒結(jié)，臺(tái)車從機(jī)頭運(yùn)動(dòng)到機(jī)尾，混合料正好完成燒結(jié)過(guò)程，經(jīng)過(guò)冷卻后通過(guò)篩分供給高爐。 2.球團(tuán)礦 球團(tuán)是人造塊狀原料的一種方法，是—個(gè)將粉狀物料變成物理性能相化學(xué)組成能夠滿足下—步加工要求的過(guò)程。球團(tuán)過(guò)程中，物料不僅由于滾動(dòng)成球相粒于密集而發(fā)生物理性質(zhì)，如密度、扎隙率、形狀、大小相機(jī)械強(qiáng)度等變化、更重要的是發(fā)生了化學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)，如化學(xué)組成、還原性、膨脹性、高溫還原軟化性、低溫還原軟化性、熔融性等變比，使物料的冶金性能得到改善。 球團(tuán)的基本任務(wù)除利用精礦和粉礦制成球狀冶煉原料外，還可生產(chǎn)用于直接還原的金屬化球團(tuán)礦以及將其應(yīng)用于綜合利用回收有用金屬。 國(guó)內(nèi)外焙燒球團(tuán)

10、礦的方法有3種：豎爐焙燒；帶式焙燒；鏈箅機(jī)－回轉(zhuǎn)窯焙燒。豎爐是最早采用的球團(tuán)礦焙燒設(shè)備。現(xiàn)代豎爐在頂部設(shè)有烘干床，焙燒室中央設(shè)有導(dǎo)風(fēng)墻。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的高溫氣體從兩側(cè)噴入焙燒室向頂部運(yùn)動(dòng)，生球從上部均勻地鋪在烘干床上被上升熱氣體干燥、預(yù)熱，然后沿烘干床斜坡滑入焙燒室內(nèi)焙燒固結(jié)，在出焙燒室后與從底部鼓進(jìn)的冷風(fēng)氣相遇，得到冷卻。最后用排礦機(jī)排出豎爐。豎爐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)材質(zhì)無(wú)特殊要求；缺點(diǎn)是單爐產(chǎn)量低，只適用于磁精粉球團(tuán)焙燒，由于豎爐內(nèi)氣體流難于控制，焙燒不均勻造成球團(tuán)礦質(zhì)量也不均勻。帶式焙燒機(jī)是目前使用最廣的焙燒方法。帶式焙燒采用鋪底料和鋪邊料以提高焙燒質(zhì)量，同時(shí)用鼓風(fēng)和抽風(fēng)干燥相結(jié)合以改善干燥過(guò)程

11、，提高球團(tuán)礦的質(zhì)量。帶式焙燒適用于各種不同原料，如赤鐵礦浮選精粉、磁鐵礦磁選精粉或混合粉等球團(tuán)礦的焙燒。 三．煉鐵工藝 1.工藝設(shè)備 高爐是橫斷面為圓形的煉鐵豎爐。用鋼板作爐殼，殼內(nèi)砌耐火磚內(nèi)襯。高爐本體自上而下分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹、爐缸5部分。由于高爐煉鐵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好，工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)量大，勞動(dòng)生產(chǎn)效率高，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，這種方法生產(chǎn)的鐵占世界鐵總產(chǎn)量的絕大部分。 熱風(fēng)爐是為高爐加熱鼓風(fēng)的設(shè)備，是現(xiàn)代高爐不可缺少的重要組成部分。提高風(fēng)溫可以通過(guò)提高煤氣熱值、優(yōu)化熱風(fēng)爐及送風(fēng)管道結(jié)構(gòu)、預(yù)熱煤氣和助燃空氣、改善熱風(fēng)爐操作等技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用優(yōu)化的熱風(fēng)爐

12、結(jié)構(gòu)、提高熱風(fēng)爐熱效率、延長(zhǎng)熱風(fēng)爐壽命是提高風(fēng)溫的有效途徑。 鐵水罐車用于運(yùn)送鐵水，實(shí)現(xiàn)鐵水在脫硫跨與加料跨之間的轉(zhuǎn)移或放置在混鐵爐下，用于高爐或混鐵爐等出鐵。 2.基本流程 鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規(guī)定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐，并使?fàn)t喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內(nèi)形成交替分層結(jié)構(gòu)。高爐冶煉目的是將礦石中的鐵元素提取出來(lái)，生產(chǎn)出來(lái)的主要產(chǎn)品為鐵水，同時(shí)副產(chǎn)品包括水渣、礦渣棉和高爐煤氣等。反應(yīng)式為：Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2(高溫) (還原反應(yīng)）；Fe3O4+4CO==3Fe+4CO2(高溫)（還原反應(yīng)）；C+O2==CO2(高溫)；C+CO2==2C

13、O(高溫)。生產(chǎn)時(shí)，從爐頂不斷地裝入鐵礦石、焦炭、熔劑，從高爐下部的風(fēng)口吹進(jìn)1200攝氏度的熱風(fēng)，噴入油、煤或天然氣等燃料。裝入高爐中的鐵礦石，主要是鐵和氧的化合物。在高溫下焦炭（也噴吹煤粉、重油、天然氣等輔助燃料）中的碳同鼓入空氣中的氧燃燒生成的一氧化碳和氫氣，在爐內(nèi)上升過(guò)程中除去鐵礦石中的氧，從而還原得到鐵。鐵礦石通過(guò)還原反應(yīng)煉出生鐵，鐵水從出鐵口放出。鐵礦石中的脈石、焦炭及噴吹物中的灰分與加入爐內(nèi)的石灰石等熔劑結(jié)合生成爐渣，從出鐵口和出渣口分別排出。爐渣形成的反應(yīng)式為:CaCO3=CaO+CO2 (條件：高溫）；CaO+SiO2=CaSiO3 (條件：高溫）。其中煤氣從爐頂導(dǎo)出，經(jīng)除塵后

14、，作為工業(yè)用煤氣?，F(xiàn)代化高爐還可以利用爐頂?shù)母邏?，用?dǎo)出的部分煤氣發(fā)電。 3.工藝特點(diǎn) 高爐冶煉是在爐料與氧氣氣流逆向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中完成各種錯(cuò)綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理變化的，爐內(nèi)主要是還原性反應(yīng)；高爐是密閉的容器，除裝料、出鐵、出渣及煤氣外，操作人員無(wú)法直接觀察到反應(yīng)過(guò)程的狀況，只能憑借儀器儀表間接觀察爐內(nèi)狀況；高爐是連續(xù)的、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過(guò)程，機(jī)械化和自動(dòng)化水平較高。?? 四．煉鋼工藝 1.工藝設(shè)備 轉(zhuǎn)爐爐體用鋼板制成，呈圓筒形，內(nèi)襯耐火材料，吹煉時(shí)靠化學(xué)反應(yīng)熱加熱，不需外加熱源，是最重要的煉鋼設(shè)備，也可用于銅、鎳冶煉。轉(zhuǎn)爐按爐襯的耐火材料性質(zhì)分為堿性（用鎂砂或白云石為內(nèi)襯）和

15、酸性（用硅質(zhì)材料為內(nèi)襯）轉(zhuǎn)爐；按氣體吹入爐內(nèi)的部位分為底吹、頂吹和側(cè)吹轉(zhuǎn)爐；按吹煉采用的氣體，分為空氣轉(zhuǎn)爐和氧氣轉(zhuǎn)爐。轉(zhuǎn)爐煉鋼主要是以液態(tài)生鐵為原料的煉鋼方法。其主要特點(diǎn)是：靠轉(zhuǎn)爐內(nèi)液態(tài)生鐵的物理熱和生鐵內(nèi)各組分（如碳、錳、硅、磷等）與送入爐內(nèi)的氧進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，使金屬達(dá)到出鋼要求的成分和溫度。 2.基本流程 轉(zhuǎn)爐煉鋼的原材料分為金屬料、非金屬料和氣體。金屬料包括鐵水、廢鋼、鐵合金，非金屬料包括造渣料、熔劑、冷卻劑，氣體包括氧氣、氮?dú)?、氬氣、二氧化碳等。非金屬料是在轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中為了去除磷、硫等雜質(zhì)，控制好過(guò)程溫度而加入的材料。主要有造渣料（石灰、白云石等），熔劑（螢石、氧化

16、鐵皮等），冷卻劑（鐵礦石、石灰石、廢鋼等），增碳劑和燃料（焦炭、石墨籽、煤塊、重油等）。 轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝中，首先按照配料要求把廢鋼等裝入爐內(nèi)，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料，如生石灰等。然后把氧氣噴槍從爐頂插入爐內(nèi)，吹入純度大于99%的高壓氧氣流，使它直接跟高溫的鐵水發(fā)生氧化反應(yīng)，除去雜質(zhì)。用純氧代替空氣可以克服由于空氣里的氮?dú)獾挠绊懚逛撡|(zhì)變脆，以及氮?dú)馀懦鰰r(shí)帶走熱量的缺點(diǎn)。在除去大部分硫、磷后，當(dāng)鋼水的成分和溫度都達(dá)到要求時(shí)，即停止吹煉，提升噴槍，準(zhǔn)備出鋼。出鋼時(shí)使?fàn)t體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時(shí)加入脫氧劑進(jìn)行脫氧和調(diào)節(jié)成分。鋼水合格后，可以澆成鋼的鑄件或鋼錠，鋼錠可以再軋制成

17、各種鋼材。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐在煉鋼過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量棕色煙氣，它的主要成分是氧化鐵塵粒和高濃度的一氧化碳?xì)怏w等。因此，必須加以凈化回收，綜合利用，以防止污染環(huán)境。從回收設(shè)備得到的氧化鐵塵?？梢杂脕?lái)煉鋼；一氧化碳可以作化工原料或燃料；煙氣帶出的熱量可以副產(chǎn)水蒸氣。此外，煉鋼時(shí)，生成的爐渣也可以用來(lái)做鋼渣水泥，含磷量較高的爐渣，可加工成磷肥，等等。氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法具有冶煉速度快、煉出的鋼種較多、質(zhì)量較好，以及建廠速度快、投資少等許多優(yōu)點(diǎn)。但在冶煉過(guò)程中都是氧化性氣氛，去硫效率差，昂貴的合金元素也易被氧化而損耗，因而所煉鋼種和質(zhì)量就受到一定的限制。 3.工藝特點(diǎn) 轉(zhuǎn)爐按耐火材料分為酸性和堿性，按氣體吹入爐內(nèi)的部位有頂吹、底吹和側(cè)吹；按氣體種類為分空氣轉(zhuǎn)爐和氧氣轉(zhuǎn)爐。堿性氧氣頂吹和頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐由于其生產(chǎn)速度快、產(chǎn)量大，單爐產(chǎn)量高、成本低、投資少，為目前使用最普遍的煉鋼設(shè)備。轉(zhuǎn)爐主要用于生產(chǎn)碳鋼、合金鋼及銅和鎳的冶煉。