第一章 炼铁和炼钢

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1、第一章炼铁和炼钢钢铁是现代工农业生产中使用最广的金属材料。对机械制造工作者来说，了解钢铁材料的生产过程具有非常重要的意义。1.1金属材料的分类金属是指具有良好的导电性和导热性、有一定的强度和塑性、并具有光泽的物质，如铁、铝和铜等。金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料、并具有金属特性的工程材料。它包括纯金属和合金。金属材料，尤其是钢铁材料在国民经济及其它方面都有重要作用，这是由于它具有比其它材料优越的性能，如物理性能、化学性能和工艺性能。它能够适应生产和科学技术发展的需要。金属（或金属材料）通常分为黑色金属和有色金属两大类：1.黑色金

2、属以铁或其它为主而形成的物质，称为黑色金属，如钢和生铁。2.有色金属除黑色金属以外的其它金属，称为有色金属，如铜、铝和镁等。在机械制造工业中，常用的金属材料如下表所列。碳素结构钢碳素钢碳素工具钢铸造碳钢合金结构钢合金工具钢黑色金属合金钢特殊性能钢铸造合金钢灰铸铁可锻铸铁铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁金属纯铜黄铜铜及其合金白铜青铜纯铝铝及其合金变形铝合金有色金属铸造铝合金锡基轴承合金轴承合金铅基轴承合金铝基轴承合金钛及其合金1.2钢铁的冶炼钢和铁都是主要由铁和碳两种元素组成的合金,其区别只在于含碳量的多少,理论上将含碳量在2.11%以下的合金称为钢，

3、以上的称为铁。生铁由铁矿石经高炉冶炼而得,它是炼钢和铸造的原材料。现代的炼钢方法是以生铁为主要原料,装入高温的炼炉中,通过氧化作用降低生铁中的含碳量而炼成钢水,铸成钢锭后,再经轧制成钢材供应。少数钢锭经锻造成锻件后供应。图1—1为钢铁材料生产过程示意图。一、炼铁铁的化学性质活泼，自然界中的铁，都是以含铁化合物形式存在，如，Fe2O3、Fe3O4、Feco3等。炼铁用的多数是铁的氧化物。含铁比较多并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有用元素形成生铁的过程。现代钢铁工业生产生铁的主要方法是高炉炼铁。1.高炉炼铁的炉料

4、高炉炼铁的炉料主要是铁矿石、燃料和熔剂。（1）铁矿石铁矿石的作用是提供生铁的主要成分——铁元素。常用的铁矿石有磁铁矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）、褐铁矿（2Fe2O3.3H2O）和菱铁矿（Feco3）等。铁矿石中除含图1-1钢铁材料生产过程示意图铁的氧化物外，还有脉石（SIO2、AL2O3、CaO、MgO）等。（2）燃料，炼铁的主要燃料是焦炭。焦炭在炼铁过程中起着双重作用：一方面，焦炭燃烧为炼铁过程的物理、化学反应提供热量。另一方面，焦炭中的碳及其燃烧产物——CO是铁及其它元素还原剂。（3）熔剂矿石中的脉石及燃料中的灰分（主要含S

5、iO2、Al2O30）熔点高，加入熔剂使它组成熔点低、流动性好的熔渣，并浮在铁水表面，与铁水分离。常用的熔剂是石灰石。2.高炉熔铁过程炼铁所用的主要设备是高炉，如图1—2所示。为了是铁矿石在炉内充分还原，现代高炉的炉体高达30~40m以上。炉料从受料斗进入炉腔，高炉底部的炉缸和炉腹中装满焦炭。炉腰和炉身中则是铁矿石、焦炭和石灰石，层层相间，一直装到炉喉。焦炭在1000~1200℃高温热风的助燃下，迅速产生大量的热，使风口附近炉腔中心的温度高达1800℃以上。由于底部焦炭很厚，燃烧不完全。因此，炉气中存在大量CO气体，在炉内造成了良好的还原

6、性气氛。铁矿石在570~1200℃之间受到CO气体和红热焦炭的还原，形成了海绵状铁。这种海绵铁在1000~1100℃的高温下会从CO和焦炭中溶进大量的碳（含碳量可达4%），因而铁的熔点下降，于是就炼成了铁。生铁的熔点约为1200℃。因此，经过溶碳作用之后，生铁以液体状态滴入炉缸。生铁中还含有Si0.5~3.5%、Mn0.5~1.5%、P0.07~1.0%和S0.03~0.008%。图1-2高炉示意图硅来源于炉料中带入的SiO2，因此SiO2非常稳定，极大部分都留在炉渣中，只有少量的SiO2在1450℃以上的高温被还原进入生铁。铁矿石中都会

7、有少量的MnO2，MnO2在700~1100℃之间被还原成金属锰进入生铁。铁矿石和石灰石中都有少量磷酸盐[CaO3∙P2O5和（FeO3)∙P2O5],它们将在1200~1500℃的高温下，几乎全部被还原进入生铁。炉料中还含有少量的硫和硫化物，尤其焦炭中含硫最多，这也是生铁中硫的主要来源。3.高炉的产品生铁是高炉冶炼的主要产品。根据用户的要求，生铁可分为两类：（1）铸造生铁这类生铁的断口呈暗灰色，含硅量较高，用于机械制造厂生产成形铸件。（2）炼钢生铁这类生铁断口呈亮白色，含硅量较低（1.5%），用来在炼钢炉中炼钢。高炉冶炼的副产品是煤气和

8、炉渣。高炉排出的炉气含有大量CO、CH4和H2等可燃性气体，具有很高的经济价值。高炉炉渣主要成分是CaO，SiO2，可用来制造水泥、渣棉和渣砖等建筑材料。二、炼钢现代炼钢方法是以生铁为主要原料