金属材料知识.doc

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1、2．4钢铁的冶炼钢铁材料是由铁、碳以及硅、锰、磷、硫等元素所组成的金属材料。钢铁的冶炼过程，对其中杂质的来源以及钢铁材料的性能有重要影响。所以，我们应对钢铁的冶炼进行概要的了解。2．4．1炼铁铁在地壳中储量很大，约占其总质量的4.7%。铁元素的化学性质很活泼，自然界中的铁都以它的化合物形式存在，其中多数是氧化物。含铁量较多且具有冶炼价值的矿物称为铁矿石。炼铁就是从铁矿石中提取铁及其他有用元素形成铁产品的过程。（1）炼铁的原料及其作用炼铁的原料主要有铁矿石、燃料和熔剂等。a.铁矿石铁矿石是提供铁元素的主要物质。铁矿石中除含铁的氧化物外，还含有脉石（、）和杂质（S.P等）。常见的铁矿石

2、有两种：磁铁矿和赤铁矿。磁铁矿它的主要化学成分是，有磁性，多为黑色。纯磁铁矿含铁72.4%。由于有脉石及杂质的存在，通常磁铁矿实际含铁量约为40～70%。这种矿石质地坚硬而细密，较难还原。赤铁矿它的主要成分是，呈赤红色，一般没有磁性。纯赤铁矿含铁70%。通常矿石实际含铁量约为40～65%。这种矿石质地较松，较易还原。b.燃料炼铁的主要燃料是焦碳。焦碳在熔炼过程中起着双重作用：①燃烧产生热量，提供熔炼过程所需的高温；②碳以及产生的一氧化碳，是冶炼必须的还原剂。c.熔剂矿石中的脉石及燃料中的灰分熔点都很高，为了使还原出的铁与它们分离，必须加入熔剂。常用的熔剂主要是石灰石（CaCO3）。

3、溶剂与脉石及灰分相互作用，生成熔点低，比重轻、流动性好的熔渣，易于从铁水中分离出来。（2）高炉冶炼过程炼铁的过程实质上就是还原过程，即将铁矿石中铁的氧化物还原成铁。现代炼铁通常采用高炉进行熔炼。a.高炉炼铁的基本过程图1-12为高炉炼铁示意图。首先，往高炉内加入引火材料和足够的底焦，并进行点火；预燃充分后，将矿石、燃料和溶剂按一定比例交替装入炉内，直到炉喉；由风口送入热风，助燃使炉温迅速升高，产生大量的高温原原性炉气；在上升的炉气作用下，缓慢下降的炉料预热、升温、还原、造渣，经一系列反应后，生成铁水和液态熔渣；当积蓄在炉缸中的铁水达到一定量时，先后从出渣口排渣从出铁口出铁。b.高炉

4、炼铁的基本反应炼铁的基本反应主要有三方面：炉气的生成焦炭在高炉内燃烧放出大量的热，并生成二氧化碳气体。炽热的焦炭与二氧化碳反应生成以一氧化碳为主的还原性炉气。其反应式如下：铁的还原矿石中铁的氧化物被炉气加热并逐步还原。其反应式为：铁在还原出来的同时，在高温下吸收一部分碳和少量的锰、硅以及杂质硫、磷构成铁水成分。溶剂的造渣反应溶剂在高温下分解，并与矿石中的脉石和焦炭的灰分反应，形成熔渣。其反应式为：液态溶渣浮于铁水上面，在出铁前从位于上部的出渣口排出。6（3）高炉的产品高炉的主要产品是生铁。生铁主要用作炼钢的原料。另外，高炉生铁经过孕育处理等方法，使生铁中的碳以石墨形态析出，可得到灰

5、口铸铁等各种铸造用铁。高炉的副产品是煤气和炉渣。高炉煤气是良好的燃料；炉渣可制造建筑材料等，用途广泛。2．4．2炼钢（1）炼钢的基本原理生铁是炼钢的主要原料，它与钢相比含碳量高（大于2.11%），同时硅、锰、硫、磷的含量也高。炼钢就是将生铁中的碳以及硅、锰、硫、磷的量减少到钢的要求范围内。采用在1500～1700℃的高温下，吹入空气、氧气或加入其它物质（如铁矿石）等氧化剂的方法，使碳以及硅、锰、硫、磷氧化，生成气体或炉渣得以排除。所以，炼钢过程实质上是碳和杂质氧化的过程。a.碳、硅、锰的氧化进入铁液中的氧首先与铁反应生成氧化亚铁（），然后再与其他元素反应。其反应式如下：其中硅、锰在

6、氧化时放出大量的热，可作为炼钢的热源补充。生成的、经过造渣（熔剂）被去除。b.去磷、去硫磷、硫在钢中是有害的，它们分别使钢材产生冷、热脆性，炼钢时必须尽可能的去除。生铁中的磷先与作用生成，再与加入的熔剂作用，形成磷配钙进入炉渣，其反应式如下：c.钢的脱氧炼钢过程中加入的氧，使碳、硅、锰等成分氧化的同时，也使钢液中的铁过多的氧化，必须进行脱氧，才能获得合格的钢。脱氧时加入硅铁（合金），锰铁（合金和铝等脱氧剂，脱氧剂与的反应式如下：脱气形成的、、在熔剂作用下，形成熔渣得以去除。当钢液的成分与温度均达到规定要求时，便可出钢。（2）炼钢方法现代炼钢方法主要有转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢等三

7、种。根据炉衬耐火材料的性质，各种炼钢炉又可分为酸性能炉（炉衬的主要成分为二氧化硅）和碱性炉（炉衬的主要成分为氧化镁、氧化钙）两种。目前，世界各国多采用碱性炉衬。a.转炉炼钢法转炉炼钢法是利用纯氧或空气吹入的方法，使碳、硅、锰、磷、硫等元素去除，并靠硅、锰等元素氧化时放出的热量，升高铁水温度，从而得成分、温度合格的钢水。图1-13a为氧气顶吹转炉示意图。转炉炼钢法不消耗外部燃料，冶炼时间短（几十分钟一炉），生产率高，钢的品种多、质量好、成本低、投资少，所以被广泛采用。b