冶金概论.ppt

1,冶 金 概 论,主讲：冶金工程系,吴国玺 陈 韧 孙丽娜 朱万军,2,课程的主要目的,介绍钢铁冶炼及加工过程的基本原理、工艺特点及基本工艺流程，使非冶金专业学生对钢铁联合企业的生产过程有一个全面而概括的了解，并初步掌握冶金的基本知识。,3,课程的主要内容,第一部分:绪论第二部分:铁冶金第三部分:铁合金冶炼第四部分:钢冶金第五部分:炉外精炼与连铸第六部分:钢铁材料压力加工,4,第一部分:绪论,1.1 冶金的基本概念1.2 冶金的相关学科1.3 冶金工业发展史1.4 现代冶金过程1.5 钢铁产品及副产品1.6 钢铁资源与能耗1.7 冶金中的耐火材料1.8 钢铁工业发展现状1.9 环保、循环经济与钢铁可持续发展,5,1.1 冶金的基本概念,1)冶金的概念：冶金是研究如何经济地从矿石或其他原料中提取金属或金属化合物，并采用各种加工方法制成具有一定性能的金属材料的科学。,6,2）冶金分类 提取冶金：物理冶金：,研究提取金属，存在化学反应,研究金属材料成型过程,7,1.2 冶金学的支撑学科,冶金学,(理 论 基 础),(提供技术材料及研究课题),8,1.3 冶金工业发展历史,人类社会发展史：原始社会奴隶社会封建社会资本主义社会,人类使用材料的历史：石器青铜器铁器工业化(钢铁)信息社会(多种新材料),9,中国冶金的辉煌历史,10,1.4 现代冶金过程冶炼过程,11,现代冶金过程轧钢过程,12,1.5 钢铁产品及副产品,1)钢铁冶炼产品,（1）生铁：,铁与C、Si、Mn、P、S组成的合金，主要由高炉生产,炼钢生铁Si1.25%,铸造生铁1.25%Si4.25%,13,（2）钢：,含C2%，并含有其它元素的Fe-C合金,按冶炼方法分：,脱氧程度：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢,按化学成分分：,碳素钢：低、中、高碳,合金钢：低、中、高合金,按质量分：,按用途分：,普通碳素钢,优质碳素钢,高级优质钢,结构钢,工具钢,特殊性能钢,冶炼设备：转炉钢、电炉钢,14,（3）铁合金：,铁与一种或几种元素组成的中间合金，用于炼钢脱氧及合金化,15,(1)炉渣 炉料冶炼过程中不能进到金属中的S-化物,O-化物等形成的熔融体,主要成分:CaO,MgO,SiO2,Al2O3,MnO,FeO,P2O5,CaS 等。,炉渣分类：,2)钢铁副产品,炉渣的用途：（高炉渣）水泥、隔热材料、填料；（转炉渣）烧结、炼铁、水泥、筑路、富集提取稀有金属,16,(2)煤气：焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气,CO(57%)+H2(5060%)+CO2(25%)+N2(510%)+CH4(2030%)发热量1500019000kJ/Nm3,CO(2630%)+H2(13%)+CO2(1014%)+N2(5658%)+CH4(0.20.60%)发热量33004200kJ/Nm3,CO(5070%)+H2(0.52.0%)+CO2(1415%)+N2(1020%)发热量750011000kJ/Nm3,17,1.6 钢铁资源与能耗,1）我国主要自然资源现状,我国的四类基本资源中，耕地、淡水人均占有量只分别相当于世界平均水平的1/3和1/4，森林和草地只分别相当于世界平均水平的1/7和1/3；能源资源中，煤炭、石油和天然气的人均探明储量分别只有世界平均水平的1/2、1/10和1/20。矿产资源人均占有量只有世界平均水平的 58%，排世界第53位;,18,在13种主要金属原料的地区分布前五位排名上，我国除锡（占14.8%）和钼（占6.0%）外，其余都榜上无名。,19,2）我国主要自然资源使用现状,我国是资源和能源利用率较低的国家之一。我国最终产品量仅占原料投入量的20%30%，60%以上的原料变成了废弃物，资源回收率比世界平均水平低20%。,20,3）我国能源使用情况,据资料统计,我国的能源开采回收率只有32%,能源加工、转换和储存的效率为70.3%,终端能源利用率平均为42%,这表示所生产能源中得到利用的只占29%。,21,4）我国单位产值能耗,据资料统计，我国每百万美元的单位产值能耗为1172吨油当量，远高于日本（162）、德国（229）、英国（292）和美国（384）等发达国家的数值，也远高于世界平均水平（397）。,22,每万元GDP的能耗从1980年的7.98吨标煤降低到2002年的2.63吨标煤,减少了近2/3;每吨标煤所创造的GDP从1980年的2335元提高到2000年的6880元。,吨标煤创造产值（元）,每万元GDP能耗（吨标煤）,23,5）我国能源消耗增长率,近三十年，我国GDP年平均增长率为9.5%，而相应的能源消耗增长率仅为4.2%,不到GDP年平均增长率的一半（44%）。,24,6）钢铁工业能源消耗比例,钢铁工业是能源和资源密集型产业,例如能源消耗约占世界总能耗的10%。我国钢铁工业在上世纪七十年代时占全国总能耗的13%14%，从八十年代起有所降低，但也在10%以上。,25,7）钢铁工业在降低能耗方面的成绩,近20年来钢铁工业在降低资源消耗和环境负荷方面已作出很大努力并取得显著的成绩，大幅降低了吨钢综合能耗和大中型企业吨钢可比能耗。,26,例如吨钢综合能耗从1980年的2040公斤标煤降低到1999年的1083公斤标煤，大中型企业吨钢可比能耗从1980年的1285公斤标煤降低到1999年的833.0公斤标煤。,吨钢可比能耗（公斤标煤）,吨钢综合能耗（公斤标煤）,27,1.7 耐火材料,1）什么是耐火材料2）钢铁冶金过程为什么要使用耐火材料,耐火材料是耐火度不低于1580的材料，一般是指主要由无机非金属材料构成的材料和制品。耐火度是指材料在高温作用下达到特定软化程度的温度，它标志材料抵抗高温作用的性能。,钢铁冶金过程大多是高温反应，冶炼新技术的发展依赖优质高效耐火材料的开发；此外，耐火材料在节能方面起到重要作用。（电极的喷涂料）,28,3）耐火材料的种类,分类：,29,抵抗高温热负荷作用，不软化，不熔融；（高耐火度）体积不收缩、仅有均匀膨胀（体积稳定性）；抵抗高温热负荷和重负荷共同作用，不丧失强度，不发生蠕变和坍塌（抗蠕变性）；抵抗温度急剧变化或受热不均影响，不开裂，不剥落（耐热震性）；抵抗化学侵蚀，不变质，不蚀损（抗渣性）；抵抗火焰和炉料、炉尘的冲刷、撞击和磨损（常温、高温的耐磨性）抵抗高温真空作业和气氛变动的影响，不挥发，不损坏（化学稳定性）,4）耐火材料的基本要求,30,5）耐火材料的生产工艺过程,包装,不定型耐材,焦油结合,热处理,成型,混合,不烧成砖,31,1.8 钢铁工业发展现状,1）目前钢铁材料的无法替代性；2）世界主要产钢国家过去百年(1901-2000)的发展情况；3）中国目前是世界第一产钢大国；4）中国钢铁工业技术装备已跻身世界先进水平,32,1）钢铁仍然是不可替代的功能性、结构性基础性材料,生产能力、效率、资源的优势 性能价格比优势 不可完全替代,33,世界主要产钢国家过去100年(19012000)的发展情况,34,中国目前是世界第一产钢大国,4.1878亿吨,1.2579亿吨,2.201亿吨,35,高炉：大型化、长寿化、大喷煤、利用系数转炉：生产效率、炉龄、负能炼钢连铸：高效化、紧凑化轧钢：全自动连轧自控：检测、智能化,中国钢铁工业技术装备已跻身世界先进水平,36,1.9 环保、循环经济与钢铁工业的可持续发展,进入新世纪后人类社会发展发展呈现知识型经济和循环型经济两大趋势。知识型经济要求加强经济过程中智力资源对物质资源的替代，实现经济活动的知识化转向；循环型经济要求以环境友好的方式利用自然资源和环境容量，实现经济活动的生态化转向。,37,1)工业化进程对环境和生态造成的负面影响2)环保投资与效果3)中国钢铁工业实施循环经济的战略构想4)未来钢铁工业的原料结构与能源结构5)利用贫矿资源的全新工艺路线,38,在过去的一个世纪，全球众多国家因经济高速增长带来的严重污染和生态破坏，导致了一系列震惊世界的环境公害事件。这在很大程度上是由于当今世界上的能源体系所造成的。当前大量消耗的化石类能源均为碳氢化合物，使用后释放出大量的温室气体CO2以及SO2、NOX等有害气体，还有粉尘等影响环境质量的物质。世界人口的急剧增长、工业膨胀发展、森林过度砍伐、常规能源无节制使用等因素都对环境生态系统构成严重威胁。,1)工业化进程中对环境和生态造成的负面影响,39,每天向空气排放的CO2有1750万吨；每天的地球表土损失为6480万吨；每天沙漠化的土地有100多平方公里；仅占地球水源6%的淡水每天都在遭受污染；每天有140个物种遭灭绝；,1)工业化进程中对环境和生态造成的负面影响,40,长期以来，钢铁工业一直作为能耗和污染大户受到批评，据报道，钢铁工业的固体粉尘、二氧化硫和烟尘排放分别列行业第二、第三和第四位，其中粉尘排放约占工业总排放量的五分之一。,工业化进程中对环境和生态造成的负面影响,41,七五十五计划期间我国环保费用占GDP的0.69%1.3%,环保产业“十五”投资达到7000亿元人民币，虽然与发达国家相比在总量和比例上都是较低的(例如美国1990年环保费用为1200亿美元，占GDP 2.8%),但已成为政府和企业的承重负担，而且治理效果也不尽人意，说明走“末端治理”的道路,虽然化费了很大的代价，却未能收到理想的效果。,2)环保投资与效果,42,金属材料的发现开创了人类物质文明的新纪元，几千年来大规模的应用又加速了人类社会发展的历史进程，金属材料和其它材料一起构成了人类社会的四大支柱之一。但是随着地球表壳资源的日益贫化，金属矿产资源已迅速枯竭。据专家估计，地球上金属矿产的开采只能维持100至300年，其中，铁只能开采100160年，而钛、铜、银的开采将不足50年。,3)中国钢铁工业实施循环经济的战略构想,43,我国的矿产资源相对不足，已探明铁矿总储量仅530亿吨左右，按目前的生产规模只可稳定供应约20年。除了资源问题以外，环境生态保护也日益向钢铁材料的生产提出更高要求。,中国已探明铁矿储量,44,尽管蓬勃发展的各种新型材料将会在很多领域逐渐取代传统材料，但由于其高性价比和高循环使用率，钢铁材料不仅是迄今人类文明发展的“钢筋铁骨”，在未来人类社会的材料使用中还必将长期占据重要的地位。当然，其原料和能源结构以及生产形式也必然会发生根本的变化。,钢铁材料在历史和未来的地位,45,大量消耗天然资源，大量排放炉渣、废热和废气的传统的钢铁材料生产方式必将逐步被取代。原材料和能源充分循环利用、高效率、低排放甚至零排放的新型生产方式应得到发展和推广。这种生产方式的细节尚不十分清晰，但从循环经济的要求和技术积累的层面分析，应该包含以废钢循环为主的原料结构和以氢能源为主体的能源结构，包含对排气、废水和废渣的回收和综合利用,以此从根本上保证可持续发展的需要。,4)未来钢铁工业的原料与能源结构高效低排放的新型生产方式,46,未来钢铁工业实施循环构想,47,构想的物质基础：具有最高的循环使用率的钢铁材料,目前世界上年产8亿吨左右的粗钢中，有近40%来自废钢的回炉熔炼。废钢的循环，有利于人类社会的可持续发展，而且最终将成为地球上钢铁材料唯一的原料来源。,48,与其它人工材料如玻璃、纸张、塑料等相比，钢铁材料具有最高的循环使用率。,具有最高的循环使用率的钢铁材料,49,循环存在的两大难题,50,有害杂质在循环中的富集是废钢完全循环利用的一大障碍。估计目前每年无法再利用的废钢约占废钢总量的7%，到2015年，其累计量将达到2亿吨。将来随着废钢循环次数的累加和社会需求对钢铁产品的质量要求的进一步提高，对钢铁产品中残存元素含量的限制也将会越来越严格，而在现代技术条件下无法回收利用的废钢数量还会急剧增长。因此，以普通废钢为原料生产高纯净钢将是未来必须解决的难题。,有害杂质在废钢循环中富集的难题,51,为了解决以普通废钢为原料生产高纯净钢的难题。近年来已有不少针对钢液中脱除铜、锡、砷、锑、铋等残存元素的技术研究。几年前上海大学提出渣化还原、逆向提取的技术思路并正在对这一问题作了初步的研究和探讨。,用普通废钢生产高纯净钢的难题,52,渣化还原法工艺流程的示意图,53,在某些钢铁产量已达平衡、废钢资源充裕的发达国家，以普通废钢为原料生产高纯净钢的需求已初见端倪。在中国，由于历来的高铁钢比和废钢资源不足，目前似乎还未感觉到这种迫切性。但是，近年来钢铁产量异乎寻常的快速扩张和进口废钢量的增长，再考虑到我国钢材消费强度必然要降低的趋势，钢铁生产和消费平衡的到来很可能会比预期的要早。,以普通废钢为原料生产高纯净钢的需求,54,在传统的以矿石为原料的炼钢流程中，碳是主要的还原剂，同时，煤炭在不少国家和地区也超过石油、天然气和电力成为钢铁生产过程中主要的能源。本世纪后期世界各国将面临石油资源枯竭的问题，煤炭资源虽然能维持更长的时间，但是由于温室气体排放问题已经受到全球的关注，因此限制化石燃料在一次能源中的使用比例是势在必行的。,化石燃料在一次能源中的使用比例将受到限制,55,氢作为理想的未来能源日益引起重视，与天然气、煤和石油不同,氢燃烧时高效、清洁，仅产生水蒸气而不会产生污染物或温室气体。可以展望以氢取代碳作为还原剂的绿色冶金方向。,氢取代碳作为还原剂的绿色冶金方向,56,为使人类能应用氢这一高效、清洁的能源，科学家们正在做不懈的努力，以便利用太阳能、水能、风能、核能等能源制氢，氢的经济、安全和有效利用问题也引起强烈的关注，“氢经济”的概念呼之欲出。在未来，当解决了利用再生能源大量生产和储存廉价氢源的问题时，则其广泛应用将成为可能。,氢的经济、安全和有效利用,57,按照循环经济中企业内部循环、生产之间循环、社会整体循环、物质能量循环四大循环和资源的节约（Reduce）、回收(Recycle)和再利用(Reuse)的三大原则，在未来钢铁生产流程中各种能量和物质的循环利用和回收以及与上下游产业的交融是钢铁工业实施循环经济战略的重要课题题。,能量和物质的循环利用和回收,58,由于经济性原因，传统的钢铁生产流程适合于使用富矿作为原料。作为未来以废钢为主的原料结构的补充，还需要采用全新的工艺利用地球上的贫矿资源来补偿金属循环中的损耗。,5).利用贫矿资源的全新工艺路线,59,地球上的贫矿资源占有不小的比例，例如我国的铁矿资源中贫矿占97.8%，此外还存在着多组元共生和嵌布粒度细等缺点，目前我国堆积铁尾矿已超过5亿立方米，许多有价金属残留于尾矿和弃渣中。,地球上的贫矿资源,60,铁矿嵌布粒度在1-10m范围内，如果将铁矿破碎到该粒径范围，则通过合适的选分技术可实现铁矿和脉石的完全分离，获得纯净的铁矿。从目前的破碎技术来看，用电-磁-机械力协同作用磨矿可实现铁矿的单体分离。,铁矿的单体分离技术,61,为此有人提出低温氢还原铁矿微粉多物理场下成型工艺流程的设想。采用高能破碎，铁矿经过电-磁-机械力的协同作用破碎到1-10m，实现铁矿单体分离，通过选分后获得纯净的铁矿微粉，加入到低温还原反应器还原。,低温氢还原铁矿微粉多物理场下成型工艺流程的设想,62,该金属微粉经过脱氢处理后，在多种物理场的作用下高速成型。生产常规的管、线板材；也可直接制成大型的金属结构件（如螺旋桨等）。采用低温还原，固态成型，完全避免了凝固过程中产生的成分和结构的偏析。,多种物理场下的成型,63,低温氢还原铁矿微粉多物理场下成型流程示意图,64,这种反应和成型工艺方法完全不同于以高温多相反应为特征的近代钢铁冶金工艺路线,使产品接近于最终用途，是最佳性能的制备方法。也会从根本上改变现行的以大规模、高能耗、高污染为特点的生产模式。有利于环境保护，有利于资源的充分利用，也有利于使产品接近于最终用途和最佳性能，符合绿色工业和可持续发展所提出的要求。,