铸造合金07生铁熔炼

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1、/311铸造与变形合金基础铸造与变形合金基础Foundation of Casting and Wrought Alloys/3120 0 绪论绪论1 1 钢铁材料基础知识钢铁材料基础知识2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理3 3 铝合金基础知识铝合金基础知识4 4 铝合金熔炼及熔体处理铝合金熔炼及熔体处理5 5 其它合金及其熔炼其它合金及其熔炼6 6 变形合金母材基础知识变形合金母材基础知识课程内容课程内容/3132.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼2.2 2.2 钢的熔炼钢的熔炼2,3 2,3 钢的熔体处理钢的熔体处理2.4 2.4 铸铁的熔炼铸铁的熔炼2.5 2.5 铸铁熔体

2、处理铸铁熔体处理2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理/3142 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理陨铁陨铁（天降之火，含有镍，耐腐蚀，分析一下，陨铁坠落（天降之火，含有镍，耐腐蚀，分析一下，陨铁坠落过程中的变化？过程中的变化？在太空中，在大气中，温度很高在太空中，在大气中，温度很高）（1 1）固体海绵铁的获得）固体海绵铁的获得 最初的炼铁炉结构很简单（最初的炼铁炉结构很简单（原始的地窖炉），挖地成原始的地窖炉），挖地成坑，内填矿石和燃料，借助自然通风，或强制通风助燃升温，坑，内填矿石和燃料，借助自然通风，或强制通风助燃升温，大约在大约在500-600摄氏度以上就开始还原，

3、要到摄氏度以上就开始还原，要到1000摄氏摄氏度左右，才能得到含碳量很低的固体铁块。铁矿石被还原一度左右，才能得到含碳量很低的固体铁块。铁矿石被还原一定程度后密度增大，沉到炉底，但还是固体，海绵状的熟铁定程度后密度增大，沉到炉底，但还是固体，海绵状的熟铁块，需要在锻铁炉中烧红，经过不断锻打，才能挤出部分或块，需要在锻铁炉中烧红，经过不断锻打，才能挤出部分或大部分杂质，取得较纯的熟铁块，锻造成各种铁器。大部分杂质，取得较纯的熟铁块，锻造成各种铁器。这种早期的炼铁技术，被称为块炼法或低温固体还原这种早期的炼铁技术，被称为块炼法或低温固体还原法，其产品称为块炼铁或海绵铁。法，其产品称为块炼铁或海绵铁

4、。2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼一、炼铁发展简史一、炼铁发展简史/3152 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼（2 2）液态生铁的制得）液态生铁的制得 随着吹（鼓）风技术的进步（人力、畜力、水力等），随着吹（鼓）风技术的进步（人力、畜力、水力等），熔炼炉的温度升高，碳向铁中扩散加快，进而降低铁的熔熔炼炉的温度升高，碳向铁中扩散加快，进而降低铁的熔点，而得到碳含量较高的铁熔体，凝固下来得到点，而得到碳含量较高的铁熔体，凝固下来得到铸铁（生铸铁（生铁）。铁）。生铁继续加热，使碳烧掉，使生铁炒炼成熟铁。生铁继续加热，使碳烧掉，使生铁炒炼成熟铁。生铁

5、经柔化处理后得到可锻铸铁，分为黑心和白心两生铁经柔化处理后得到可锻铸铁，分为黑心和白心两类。之后出现灰口铁、球铁类。之后出现灰口铁、球铁千锤百炼千锤百炼 生铁在炭火炉上加热，使碳扩散到铁中，再经锻生铁在炭火炉上加热，使碳扩散到铁中，再经锻打均匀化，得到钢（碳含量及杂质含量的变化）打均匀化，得到钢（碳含量及杂质含量的变化）一、炼铁发展简史一、炼铁发展简史/316/3172 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3182 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼（3）炼铁技术的近代化）炼铁技术的近代化1735年英国

6、人德尔比发明了年英国人德尔比发明了焦炭焦炭，由于焦炭强度高于木炭和，由于焦炭强度高于木炭和煤，炼铁炉容积迅速增大，生铁产量大幅度提高煤，炼铁炉容积迅速增大，生铁产量大幅度提高1776年，瓦特发明了蒸汽机，此后出现了蒸汽年，瓦特发明了蒸汽机，此后出现了蒸汽鼓风机鼓风机，代替，代替旧式风箱，送风量剧增，产量迅速增加旧式风箱，送风量剧增，产量迅速增加1829年，英国人尼尔逊用换热式风炉将鼓入高炉的年，英国人尼尔逊用换热式风炉将鼓入高炉的冷风预热冷风预热，燃料消耗量降低了燃料消耗量降低了36%1832年，用炼铁炉本身的煤气年，用炼铁炉本身的煤气预热冷风预热冷风一、炼铁发展简史一、炼铁发展简史/3192

7、 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼（4 4）高炉炼铁的迅速发展时期）高炉炼铁的迅速发展时期1919世纪中叶以来，高炉炼铁技术快速发展，生产日益强化，技世纪中叶以来，高炉炼铁技术快速发展，生产日益强化，技术指标不断提高，操作越来越自动化，主要表现在：术指标不断提高，操作越来越自动化，主要表现在：入炉原料质量不断提高，烧结矿与球团矿的应用和质量的改入炉原料质量不断提高，烧结矿与球团矿的应用和质量的改进，焦炭质量的改进，保证精料入炉进，焦炭质量的改进，保证精料入炉高炉容积日益增加（高炉容积日益增加（6000m6000m3 3），操作过程的机械化、自动）

8、，操作过程的机械化、自动化程度日益提高，广泛采用计算机控制化程度日益提高，广泛采用计算机控制热风炉构造和操作不断改进，风温水平不断提高热风炉构造和操作不断改进，风温水平不断提高强化高炉进程，精料、高温、富氧、喷水、高压操作得到普强化高炉进程，精料、高温、富氧、喷水、高压操作得到普遍应用和日益完善遍应用和日益完善广泛回收和利用高炉二次能源，加强生态环境治理，不断净广泛回收和利用高炉二次能源，加强生态环境治理，不断净化、绿化、美化化、绿化、美化/3110/31112 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼（5）现代高炉炼铁工艺流程）现代高炉炼铁工艺流程/3

9、1122 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼高炉炼铁的主要目的是生产生铁高炉炼铁的主要目的是生产生铁，包括炼钢生铁和铸造，包括炼钢生铁和铸造生铁。生铁。炼钢生铁含硅量不大于炼钢生铁含硅量不大于17，现代先进高炉一般，现代先进高炉一般0.30.7。碳以。碳以Fe3C状存在，故硬而脆，断口呈白色。状存在，故硬而脆，断口呈白色。铸造生铁硅含量为铸造生铁硅含量为1.253.6，碳多以石墨状态存在，碳多以石墨状态存在，断口呈灰色，软、易切削加工。断口呈灰色，软、易切削加工。/31132 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生

10、铁的冶炼二、高炉炼铁简介二、高炉炼铁简介高炉解剖是将生产的高炉突然停风，急速冷却高炉解剖是将生产的高炉突然停风，急速冷却(通常用通常用N2，也有水冷也有水冷)并尽可能保持炉内原状，然后将高炉剖开全面观并尽可能保持炉内原状，然后将高炉剖开全面观察、录像、取样检验和科学分析，根据取得的数据和研究结察、录像、取样检验和科学分析，根据取得的数据和研究结果，描绘出高炉内的实际状况。果，描绘出高炉内的实际状况。/31142 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼二、高炉炼铁简介二、高炉炼铁简介/31152 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1

11、 生铁的冶炼生铁的冶炼三、铁氧化物还原热力学三、铁氧化物还原热力学高炉炼铁是以高炉炼铁是以C C、COCO、H2H2为还原剂，将铁矿石中的为还原剂，将铁矿石中的铁铁等金属元素等金属元素还原出来。高炉条件下，铁几乎能全部被还原，而硅锰只能部还原出来。高炉条件下，铁几乎能全部被还原，而硅锰只能部分还原，取决于还原反应的平衡状态，即热力学条件；也受平分还原，取决于还原反应的平衡状态，即热力学条件；也受平衡状态难易程度的影响，即动力学条件的影响。衡状态难易程度的影响，即动力学条件的影响。/31162 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼4Cu+O2=2Cu2

12、O2Fe+O2=2FeO（1 1）氧势图）氧势图A A）直线位置越低，）直线位置越低，则氧化物越稳定，则氧化物越稳定，此元素与氧的亲和此元素与氧的亲和力比较大，或该氧力比较大，或该氧化物越难还原。化物越难还原。B B）同一温度下，几）同一温度下，几种元素同时与种元素同时与O2O2相相遇，则氧化顺序为：遇，则氧化顺序为：位置越低的元素最位置越低的元素最先氧化，也可以说先氧化，也可以说位置越低的元素与位置越低的元素与氧的亲和力越大。氧的亲和力越大。/31172 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼在高炉冶炼条件下的在高炉冶炼条件下的60060017001

13、700的温度范围内，的温度范围内，C+O2-C+O2-COCO直线可以把图分成三个区域，即该直线上的区域、与直线可以把图分成三个区域，即该直线上的区域、与该曲线相交区域以及该直线之下的区域。该曲线相交区域以及该直线之下的区域。在在C+O2-COC+O2-CO直线以上的区。直线以上的区。，如如CuCu、PbPb、FeFe等元素的氧化物可以全部被还原成金属，等元素的氧化物可以全部被还原成金属，而形成铁水或进入铁水。而形成铁水或进入铁水。与与C+O2-COC+O2-CO直线逐渐接近与相交的部分。即直线逐渐接近与相交的部分。即约等于或逐渐大于约等于或逐渐大于 ，例如，例如CrCr、MnMn、SiSi、

14、TiTi等元素等元素的氧化物，它们只能部分地被还原进入铁水，而大部分的氧化物，它们只能部分地被还原进入铁水，而大部分不被还原仍留在炉渣中。不被还原仍留在炉渣中。在在C+O2-COC+O2-CO直线以下的区域。由于直线以下的区域。由于，例如，例如A12O3A12O3、MgOMgO、CaOCaO等氧化物，在高炉温度内不能被等氧化物，在高炉温度内不能被还原，因而全部进入炉渣。还原，因而全部进入炉渣。COG氧化物G氧化物GCOGCOG氧化物G/3118用 的大小来判断用CO作还原剂还原氧化物，在2CO+O2-CO2线上的氧化物将会被还原，线下的不能被CO还原。在高炉冶炼条件下6001700，另外在风口

15、附近温度可高达2000，那么有如下情况。在高炉内部，随着CO的上升，将还原铁矿石中的P2O5、MoO、SnO2、NiO、As2O3、Cu2O；不能还原FeO、Cr2O3、MnO等。高炉下部(温度比较高)，Cr、Mn、Nb、V、B、Si等氧化物的 远在2CO+O2CO2之下，而在一定温度后，在2C+O22CO线之上，即不能被CO还原，可以被C还原(注：T0，反应不能进行这个结论是错误的。实际上，应以如下反应来判断：G=+2RTln 如图3-5所示，在离炉顶较远的区域，炉温逐渐升高。假设 ，由等温方程式得出G=+2RTln =-338874+15.88T此式说明T2448K的很大范围内，G1500

16、 SiO2 SiO Si 1500 SiO2 Si 据计算用CO还原SiO2，1500时，反应SiO2 +2CO=Si+2CO2的平衡气相中，CO2含量仅为0.02%；用 H2作还原剂，反应平衡时水蒸气含量仅为0.12。所以，实际上SiO2只能在高温区以C进行直接还原。SiO2+2C=Si+2CO-628400kJ 可计算还原1kg硅是还原1kg铁消耗的能量的高8倍多，比还原1kg锰高4倍多。所以硅的还原是很困难的。2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3123(3)(3)磷的还原磷的还原 高炉原料中的磷酸钙(CaO)3P2O5，是磷的主要来源。

17、磷酸钙是较稳定的化合物，在高温下只能用C直接还原。研究表明12001500时，可发生如下反应：(CaO)3P2O5+5C3CaO+2P+5CO-1629200kJ 但在高炉冶炼条件下，存在磷酸钙还原的有利因素，如SiO2、Fe皆能促进其还原。2(CaO)3P2O5+3SiO2=3(CaO)2SiO2+2P2O5 2P2O5+10C=4P+10CO 总反应2(CaO)3P2O5+3SiO2+10C=3(CaO)2SiO4+4P+10CO上述反应还原出的P与Fe结合，形成Fe2P、Fe3P而溶于铁中，从而降低了P的活度，并且放出热量，改善了P的还原条件。冶炼普通生铁时，炉料中的P几乎全部还原进入生

18、铁，所以对生铁中P的控制，只能控制炉料的含P量。2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3124(4)钒的还原钒的还原钒的还原类似锰，但比锰难还原。用H2在1000还原钒的氧化物，能把V2O5还原到V2O3，但不能还原成金属钒，甚至在1900，也难以进一步还原。但若有Fe2O3存在，只要在1530摄氏度下保持1.5h，能得到V和铁的合金。Fe2O3愈高，钒愈易还原。此外，钒的低价氧化物略带碱性，所以炉渣碱度越高，钒还原越完全。高炉内钒只能用碳直接还原：V2O5+5C=2V+5CO (393)2/3 V2O3+2C=4/3 V+2CO (394)钒还

19、原温度大于1500，故钒是从液态渣中还原为主。2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3125五、生铁的形成五、生铁的形成矿石从加入高炉后即开始还原，在炉身部位就已有部分铁氧化物在固态下还原成海绵铁，在高炉内下降升温过程中发生渗碳过程。但固态下的渗碳作用，只能在碳接触的表面上进行，反应较为缓慢。只有当海绵铁熔化成液体后，黏附在焦炭表面，改善了反应条件，渗碳作用才能很好进行。温度继续升高到大于1400区域，铁经焦炭固相渗碳，才降低熔点变成熔体的金属铁滴，穿过焦炭层落入炉缸。炉腹处发现金属铁含碳已达4%左右。这说明炉腹部分的渗碳作用是强烈的。生铁在渗碳

20、过程中，还溶入Si、Mn、P等元素，它们进一步降低生铁的熔点。在风口区的氧化气氛中，这些元素可能被氧化，但进到炉缸内可再次被还原，获得最终成分的生铁。2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3126生铁最终含碳量在高炉内是无法控制的。一般生铁含碳为生铁最终含碳量在高炉内是无法控制的。一般生铁含碳为4左右。左右。生铁渗碳后熔点降低逐渐熔融成液态，下降过程中不断溶入生铁渗碳后熔点降低逐渐熔融成液态，下降过程中不断溶入其他元素。从取样分析得知，在炉腰的生铁中已有硅但含量其他元素。从取样分析得知，在炉腰的生铁中已有硅但含量不高，硅主要是在炉腹和炉缸内，从液

21、态炉渣或不高，硅主要是在炉腹和炉缸内，从液态炉渣或SiO的蒸气中的蒸气中还原进入生铁；在炉腰处就有部分锰进入生铁但数量也少，还原进入生铁；在炉腰处就有部分锰进入生铁但数量也少，锰剧烈还原是在炉腹、炉缸内进行；磷主要是在炉腹部位还锰剧烈还原是在炉腹、炉缸内进行；磷主要是在炉腹部位还原进入生铁；硫在炉腰处就大量进入生铁中，但当铁水穿过原进入生铁；硫在炉腰处就大量进入生铁中，但当铁水穿过渣层时进行脱硫反应，使生铁含硫降低；用普通矿冶炼时，渣层时进行脱硫反应，使生铁含硫降低；用普通矿冶炼时，生生铁最终组成为铁最终组成为Fe、C、Si、Mn、P、S。2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1

22、 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3127六、生铁水的炉外脱硫六、生铁水的炉外脱硫由于铁水中的C、Si、Mn含量比钢水中的高，而且与之平衡的高炉渣中的(FeO)含量也比钢渣中的低，结果铁水脱硫的分配系数Ls为钢水脱硫的十倍。只是铁水脱硫没有钢水脱硫那么优越的动力学条件。要是给铁水脱硫加上较好的动力学条件就只能是炉外脱硫炉外脱硫，或叫普通铁水预处理。2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3128(1)炉外脱硫的意义 保证高炉冶炼获得质量合格的生铁。由于入炉原料含硫的增加，难免生铁含硫超过规定标准；或者为了进一步节省燃料消耗和提高生产效率，而采用低碱度

23、渣操作得到高硫生铁，都需对铁水进行炉外脱硫处理。向炼钢提供优质低硫生铁。为了改善钢材的加工性能及断裂韧性，需要炼出硫含量0.010.005的超低硫钢，一般生铁含硫难以满足要求；即使向氧气转炉提供含硫小于0.030.01%的低硫生铁，也给高炉冶炼增加难度。在高炉内创造脱硫条件总是有限的，而用炉外脱硫方法以改善脱硫的扩散条件，降低生铁含硫量是合理的。在炉外进行铁水预处理脱硫，比在炼钢过程脱硫，无论从力学条件或工艺原理方面来看都要合理得多，经济上也是合算的。2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3129(2)脱硫剂 目前可供选用的脱硫剂很多，如石灰、苏

24、打等。无论何种脱硫剂，都应促使生成比FeS更稳定的硫化物，而且只溶于渣而不溶于铁液。石灰或石灰石。石灰或石灰石。这是最经济的脱硫剂，使用比较广泛。用石灰脱硫的反应为：FeS+(CaO)+C(CaS)+Fe+CO 当用石灰石作脱硫剂时，其作用与石灰相同。但因石灰石分解放出CO，对液相有搅拌作用，可增加脱硫效果。不过石灰石分解是吸热反应，因此比使用石灰时有更大的降温作用。在石灰或石灰石粒度01mm、搅拌良好的情况下，脱硫效率可达4050。2 2 钢铁的熔炼及熔体处理钢铁的熔炼及熔体处理2.1 2.1 生铁的冶炼生铁的冶炼/3130苏打灰。苏打灰。它是一种强碱性脱硫剂，我国一些大中型高炉，都曾使用过

25、苏打灰在铁水沟内脱硫。Na2CO3+FeS(Na2S)+(FeO)+CO2 苏打灰脱硫效率高，国内生产实践表明，在苏打灰用量为铁水质量的1时，脱硫效率可达7080或更高。但苏打灰脱硫成本高，而且劳动条件差，环境污染严重。电石电石(碳化钙碳化钙)。电石也是高效率的脱硫剂，其脱硫反应为：S+CaC2(CaS)+2C (CaC2)脱硫效率与用量有关。随电石用量增加，脱硫效率随之提高；当电石用量达到1314kgt铁时，脱硫率高达90。/3131镁焦。镁焦。镁焦脱硫效率最高。反应如下：Mg+SMgS 反应迅速且放热，脱硫过程铁水温度下降少，MgS稳定。但镁的熔点(651)和沸点(1107)都很低，1350时镁的蒸气压力达0.642MPa，在铁水中极易发生爆炸。工业上把焦炭浸透熔化的镁，制成含镁4550，块重0.9-2.2kg的镁焦，用专门容器压人铁水中进行脱硫。焦炭为减缓镁挥发的钝化剂，在脱硫过程中并不减少。图418铁水包镁脱硫装置 1石墨杆；2一伸缩接头；3一插销；4一石墨钟罩；5一气孔；6一四股钢链；7一钢压件；8一钢轴；9一法兰；10一石墨杆；11一石墨插销；12一伸缩接头；13一镁焦；14一销钉；15一石墨钟罩；16一镁焦罐/3132改善动力学条件改善动力学条件/3133