（北京科技大学冶金学院 张建良）
目 录
一、钢铁冶金基础知识 1
（一）前言 1
（三）炼钢 10
（四）轧钢 15
二、钢铁工业环保及熔融还原技术 19
（一）钢铁工业节能与环保 19
（二）熔融还原技术 21
三、我国钢铁工业现状和面临的挑战 23
（一）我国钢铁工业发展概况 23
（二）我国钢铁钢铁工业面临的问题 25
（三）我国钢铁工业结构的调整 31
一、钢铁冶金基础知识
（一）前言
1、冶金的基本概念
冶金的基本概念:是从矿石或其它原料中提取金属的过程。（工业性的冶金生产，除了从原料中提取金属外，还包括对金属进一步的加工处理，使其获得使用时所需要的各种性质）在107种元素中有85种金属元素。
金属的特点：具有金属光泽，可塑性，导电性及导热性。
黑金属：铁锰铬和它们的合金
重金属：Cu,Pb,Sn
金属 轻金属：Al,Mg,Ca
电动液控闸阀 有金属 贵金属：Au,Ag,Pt
稀有金属：铯，钨，钛，锆，钒，铌
放射性金属：镭，钍
金属元素在自然界存在形式：氧化物、硫化物、碳酸盐。
钢铁冶金的主要原料：铁矿石、燃料。
铁的存在形式:Fe2O3、Fe3O4、褐铁矿(Fe2O3·nH2O)、菱铁矿(FeCO3)。
冶金方法的分类：
（1）火法冶金:利用高温从矿石或其它原料中提取金属的过程。
（2）湿法冶金:在溶液中进行的冶金过程(有冶金)。
工艺:浸出,分离,富集,提取等。
（3）电冶金:利用电能提取金属的过程。
钢铁冶金:火法,电冶金。
有冶金:火法,湿法。
2、钢铁冶炼工艺和生产流程
钢铁生产流程
传统流程：高炉+转炉
直接还原竖炉+电炉
新流程 直接还原回转窑+电炉
熔融还原+转炉
高炉+转炉（传统流程）
矿山(采矿、选矿)：生产满足炼铁要求的铁矿石。
造块(烧结、球团)：将粉矿制成人造富矿供高炉冶炼。
焦化：生产满足高炉要求的焦炭。
炼铁(高炉)：还原过程，将脉石等杂质去除，生产铁水。
炼钢(转炉或电炉)：氧化过程，将铁水中的杂质氧化去除，生产钢水。
炉外精炼：将钢水进一步去除气体、夹杂物，生产洁净度更高的钢水。
连续铸钢：将钢水连续浇注成钢坯（或直接送热连轧）。
图1 钢铁生产工艺流程图
高炉－m3；电炉和转炉－t；烧结机－m2
目前最大：高炉4350m3（未来5500 m3）；电炉150t,转炉300t;烧结机450 m2。
3、钢铁产品及副产品
钢铁冶炼产品
(1)生铁：铁和碳及少量Si、Mn、S、P等元素组成的合金,主要由高炉生产。
用途：炼钢生铁和铸造生铁(含Si高,产量占10%）。
(2)钢：含碳量低于2％,并含有其它元素的铁碳合金。
(3)铁合金：铁与一种或几种元素组成的中间合金。
用途：脱氧剂或合金添加剂。
钢铁冶炼副产品
（1）炉渣:
冶炼过程中不能进入到生铁和钢中的氧化物、硫化物等形成的熔融体。
（2）煤气
高炉煤气,转炉煤气,焦炉煤气。
4、钢与生铁的区别：
钢铁中主要五种主要元素（除铁外）
C：控制钢的强度和硬度的重要元素；
Si：增加强度和硬度;
Mn：提高钢的淬透性，提高韧性，降低硫的有害作用；
P：有害元素，引起钢的冷脆；
S：有害元素，引起钢的热脆。
钢与生铁的区别：
两者都是以铁为基本元素，又包括以下元素C，Si，Mn，P，S。
生铁：含C：2.0～4.5％, 钢：含C：0.2～2.0%。
（1）生铁：硬而脆,不能锻造。
按用途来分：
①炼钢生铁；
②铸造生铁（占约10%）,如电机外壳；
（2）钢：有较好的综合机械性能如机械强度高，韧性好，可加工成钢材和制品。
5、钢铁工业在国民经济中的地位
（1）钢铁与交通
交通是现代社会的命脉，而交通与钢铁密切相关：
－铁路交通的发展离不开钢铁：例：铁轨、机车等；
－钢铁是汽车的主要原料；
－航空设备：发动机需要热强钢及高温合金。飞机起落架、主梁等关键受力部件为超高强度钢。
（2）钢铁与能源
－石油开采需要大量的钢材，例：钻台、井架、海洋石油平台、输油管等；
－发电设备用钢，例：锅炉用耐热钢、汽轮机和发动机用钢等；
－机械化采煤用钢；
－燃料电池材料中65%是钢材。
（3）钢铁与建筑
－建筑用钢通常是钢产量中的首位；
－钢结构有可以加长跨距，增加使用面积；
－钢结构用利于抵御地震等；
－钢结构件容易回收，有利于环境；
－钢结构建筑更耐久并容易维护。
（4）钢铁与通讯
－钢铁为主要的功能材料，例：电磁铁、永久磁铁、电磁屏蔽合金等；
－有线传输的线路；
－卫星和运载火箭的金属材料，例：马氏体时效钢、高温合金、超低温容器用钢、记忆合金等。
（5）钢铁与国防
－常规兵器，例：、炮、坦克等；
－海军舰艇；
－航空材料；飞机起落架、主梁、大应力接头等。
（二）高炉炼铁
1、高炉炼铁任务：
把铁矿石冶炼成合格的铁水。
2、高炉炼铁用原料
高炉炼铁原料：铁矿石、燃料和熔剂。
－铁矿石：天然富矿，人造富矿(1.6～2.0t/tHM)。
－燃料：焦炭，喷吹燃料(如煤粉)(0.4～0.6t/tHM)。
－熔剂：石灰石，白云石(0.2～0.4t/tHM)。
焦炭的作用：发热剂，还原剂和料柱骨架。
铁矿石分类及特征：
1）赤铁矿：Fe2O3，理论含铁量70%、含氧30%，暗红，还原性好，含P、S、As少。又称为红矿。
2）磁铁矿：Fe3O4，理论含铁量72.4%、含氧27.6%，灰或黑灰结构致密，坚硬有磁性，还原性差，含P、S较高，如我国海南岛、内蒙古白云鄂博矿。
3）褐铁矿：mFe2O3·nH2O，理论含铁量55～66%，暗褐或黑，结构疏松，还原性好。我国这种矿石不多。
4）菱铁矿：FeCO3，含铁48.2%，灰或黄褐，焙烧后含铁量提高，变得多孔，还原性好。
铁矿石的定义:能从中提取铁或铁的化合物的矿物。
1）富铁矿：可直接冶炼的，如:含铁50%的天然(富)铁矿。
2）贫铁矿：品位太低，需经选矿加工富集的铁矿石。
3）铁精矿：经选矿加工处理后获得的高品位铁矿石，通常为粉矿，粒度200目（0.074mm）左右。
4）脉石：矿中没有利用价值的矿物，通常在矿石处理过程被废弃。
高炉炼铁对铁矿石要求:铝合金切削液配方
品位高：即铁矿石含铁量高;
脉石成分少，且以碱性为主：CaO、MgO多较好;
有害杂质少，有益元素适中：特别S、P少;
还原性好：易还原;
高温冶金性能好;
强度高、粒度均匀、化学成分稳定；
图2 烧结矿生产工艺流程图
烧结矿生产：将矿粉(富矿粉或精矿粉)、燃料(焦粉或无烟煤)、熔剂(石灰粉、石灰石粉、白云石粉等)按一定比例混合，然后放在烧结机上点火进行烧结，利用其中燃料燃烧所产生
的热量，使局部生成液相，将矿粉粘结在一起，形成坚实而多孔的烧结矿。
球团矿生产：将精矿粉、熔剂和少量粘结剂，在造球机中滚成直径8～15mm的生球，然后干燥、焙烧固结成型，成为具有良好冶金性能的入炉含铁原料。
3、高炉炼铁设备
高炉本体及附属系统：
1）高炉本体
2）供料系统
3）送风系统
4）煤气净化
5）除尘系统
6）燃料喷吹系统
7）渣铁处理系统等
4、高炉炼铁原理及工艺
图3高炉炼铁原理图
高炉冶炼主要过程
－还原过程：
实现矿石中金属元素(主要是Fe)和氧元素的化学分离；
－造渣过程：
实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离；
－传热及渣铁反应过程：
获得成分及温度均合格的液态铁水;
5、高炉炼铁产品及副产品
铁水
高炉煤气-CO,CO2,N2
炉渣-CaO,Al2O3 ,SiO2,MgO等。
6高炉生产主要技术经济指标
－质量指标：生铁合格率；
－产量指标：高炉有效容积利用系数， 休风率；
－能源指标：焦比,煤比,燃料比；
－强化指标：冶炼强度；
－经济指标：生铁成本；
烧镁砖
－炉龄：高炉一代寿命。
（三）炼钢
1、炼钢基本任务
炼钢包括冶炼和浇注两个过程。
炼钢:以生铁和废钢为原料,在炼钢炉内精炼成成份和温度合格的钢液并浇注成钢锭或铸坯。
炼铁与炼钢比较
炼铁：把铁矿石冶炼成合格的铁水。
炼钢：以生铁（铁水）和废钢为原料,在炼钢炉内精炼成成份和温度合格的钢液并浇注成钢锭或铸坯。
炼铁本质:还原过程
炼钢本质:氧化过程
炼钢基本任务：
四脱织布机维修 (C、P、S、O)、二去(气、夹)、升温、合金
脱C：(区分钢铁)，C：硬度、强度、脆性；
脱S、P：有害元素，S热脆，P冷脆；
脱O：钢中氧含量过多变脆；
去气、夹杂：气(H、N)；
升温、合金化；
完成任务措施：
供氧、造渣、升温、加脱氧剂、加合金料。
2、炼钢用原料
主原料(钢铁料)：
生铁：铁水、冷生铁；
废钢：本厂、外购；
辅原料：
造渣剂：石灰、石灰石、萤石、白云石、合成渣料；
冷却剂(氧化剂)：铁矿石、氧化铁皮、球团、烧结矿；
脱氧剂(合金料)：FeSi、MnFe、Al合金等。
3、炼钢工艺与设备
炼钢主要设备
－转炉：BOF或LD
－电炉：EAF
－平炉(已淘汰)
图4 转炉设备
氧气顶吹转炉的操作过程:
（1）装料
清除炉渣,炉衬如有损坏,补炉。然后把转炉转到装料位置,将预先称量好的铁水和废钢装入炉内。为防止水分爆炸,先装废钢。
有些厂家：炉役后期,避免废钢冲击和剧烈冷却,废钢量大时,避免强烈冷却,先兑铁水后加废钢。
（2）吹炼
下降氧加入第一批渣料(石灰,白云石,氧化铁皮及矿石)占总渣量的2/3～1/2，氧降到预定位置(液面上方1～3米)即以规定的氧压(0.8～1.2MPa)开始吹炼氧气股流与熔池面接触,Fe,C,Mn,Si氧化—点火,放热升温。
吹炼过程分为三期:
①吹炼初期(Si,Mn氧化期)
P:被氧化进入炉渣。
②中期(C氧化期)随硅锰减少T↑，此时炉口喷出火焰变大,亮度提高,炉渣起泡,进入中期。
③后期
C：脱碳速度降低,炉口排出的火焰逐渐收缩,透明度增加。
（3）出钢
当成分温度合格时,摇炉出钢,有时进行预脱氧,主要在钢包内进行。
出钢就是将炉内的钢水倒入转炉下面的钢包内。
出钢后,将炉渣从炉口倒入渣罐（挡渣球）。
电弧炉炼钢
－优点:
（1）利用电极与炉料之间放电产生的电弧发出热量,热效率高达65%；
（2）温度高,而且容易控制,电弧区可达3000℃；
（3）炉内气氛可以控制：
（4）可用100%,废钢,设备简单。
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