2022年钢材生产 .pdf
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1、钢材的原材料与生产工艺一、原材料钢的源头是铁矿砂, 即铁元素 (Fe) 在自然界中的存在形式,纯粹的铁在自然界中是不存在的,铁矿砂主要分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿三种,这些都是铁的氧化物,不同之处在于它们的氧化方式。铁矿砂中的含铁量越高越好,理论上铁矿砂中的最高含铁量在72% 左右,含铁量在 60% 以上称为富铁矿。 铁矿砂先在熔炉内复原成铁( 铣铁 ) , 再送入炼钢炉内脱碳精炼成钢,废钢也可在炼钢炉熔炼再生。一般钢铁依使用用途制成性质、形状各异的商品,既所谓的钢铁制品。通常钢铁制品是将铁矿石复原,熔解成铣铁 ( 炼铣 ) ,铣铁精炼成钢 ( 炼钢 ) ,钢再轧延、加工后制成各种钢铁制品,广义
2、的钢铁制品包含铸铁、铸钢、锻造钢品及钢材加工的制品。在讨论钢铁的原料之前,我们先要弄清楚, 究竟钢和铁有什么不同?是否有不同的成份呢?在日常生活上大家总是把钢和铁联在一起称为“钢铁”,可见钢和铁应该是一种物质才对;事实上,由科学的眼光来看,钢和铁是有少许不同的,它们的主要成份都是铁元素,只是所含的碳元素量不同。我们通常以碳的含量在2% 以上的叫“生铁”,低于这个数值的叫“钢”。因此,在冶炼钢铁的过程中,含铁的矿石先在鼓风炉(blast furnace)(高炉 ) 中被冶炼成熔融生铁,而后熔融生铁再放到炼钢炉(steel making furnace)中精炼成钢。生产钢铁所需要的原料分成四大类来
3、分别讨论:第一类讨论的是各种含有铁质的矿石原料;第二类是煤和焦炭;第三类则讨论在冶炼的过程中用来制造熔碴(slag)的熔剂 ( 或称助熔剂flux),如石灰石等;最后一类是各种辅助原料,如废钢料(scrap)、氧气等。二、铁矿石种类及分布名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 15 页 - - - - - - - - - 在理论上来说, 但凡含有铁元素或铁化合物的矿石都可以叫做铁矿石。但是, 在工业上或者商业上来说,铁矿石不但是要含有铁的成份,而且必须有利用的价值
4、才行。可是, 由于很难绝对性的判定一个矿石是否有利用价值,所以在工业上很难订立一个铁矿石的标准。举例来说,欧洲所产的铁矿品质很差,而且含铁量很低,只是因为他们找不到好的矿石,所以他们就把这种矿石称为铁矿石;而澳洲目前因为品质好含铁量高的矿石存量很多,所以像欧洲所用的那种矿石在澳洲已经认为毫无价值。那么,在欧洲所使用的铁矿石,在美国就不被钢铁业界认为是铁矿石了。再譬如说, 在过去被认为含铁量太低没有利用价值的矿石,由于现在工业技术的进步, 发展出许多廉价的方法来富化矿石中铁的成份,于是这些含铁量低的矿石也就成为有价值的铁矿石了。于是,我们归纳出一个结论,就是在工业上对于铁矿石判定的标准是随着地区
5、性的供求关系、工业技术水准的改变及交通运输的状况而改变的。以目前的标准来看,矿石中的平均含铁量大约在25% 以上,才被称为有利用价值的铁矿石。铁都是以化合物的状态存在于自然界中,尤其是以氧化铁的状态存在的量特别多。现在将几种比较重要的铁矿石提出来说明:( 前三种是主要种类) (1) 磁铁矿 (Magnetite)是一种氧化铁的矿石,主要成份为Fe3O4, 是 Fe2O3和 FeO的复合物,呈黑灰色, 比重大约 5.15 左右, 含 Fe 72.4%,O 27.6%,具有磁性。 在选矿 (Beneficiation)时可利用磁选法,处理非常方便;但是由于其结构细密,故被复原性较差。经过长期风化作
6、用后即变成赤铁矿。(2) 赤铁矿 (Hematite)也是一种氧化铁的矿石,主要成份为Fe2O3,呈暗红色,比重大约为5.26 ,含 Fe 70% ,O 30% ,是最主要的铁矿石。由其本身结构状况的不同又可分成很多类别,如赤色赤铁矿 (Red Hematite)、镜铁矿 (Specularhematite)、云母铁矿 (Micaceous hematite)、粘土质赤铁 (Red Ocher) 等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 15 页 - - - -
7、 - - - - - (3) 褐铁矿 (Limonite)这是含有氢氧化铁的矿石。它是针铁矿(Goethite)HFeO2和鳞铁矿(Lepidocrocite)FeO(OH)两种不同结构矿石的统称,也有人把它主要成份的化学式写成m Fe2O3nH2O ,呈现土黄或棕色,含有Fe 约 62% ,O 27% ,H2O 11% ,比重约为3.6 4.0 ,多半是附存在其它铁矿石之中。(4) 菱铁矿 (Siderite)是含有碳酸铁的矿石,主要成份为FeCO3 ,呈现青灰色,比重在3.8左右。这种矿石多半含有相当多数量的钙盐和镁盐。由于碳酸根在高温约800900时会吸收大量的热而放出二氧化碳,所以我们
8、多半先把这一类矿石加以焙烧之后再加入鼓风炉。(5) 铁的硅酸盐矿 (Silicate Iron) 此类矿石是一种复合盐,没有一定的化学式,成份的变化很大,一般呈现深绿色,比重为3.8 左右,含铁成份很低,是一种较差的铁矿石。(6) 硫化铁矿 (Sulphide iron) 这种矿石含有FeS2,含 Fe只有 46.6%而 S的含量到达53.4%。呈现灰黄色,比重大约为4.95 5.10 。由于这种矿石常常含有许多其它较贵重的金属如铜(Copper) 、镍(Nickel)、锌(Zinc) 、金(Gold) 、银(Silver)等,所以常被用做他种金属冶炼工业的原料;又由于它含有大量的硫,所以常被
9、用来提制硫磺,铁反而变成了副产品,所以事实上已不能称为铁矿石。铁在地球外表, 分布非常广泛, 而且存量也极为丰富,几乎所有的岩石和动植物的残骸之中都含有少许铁的成份;根据地质学家的估计,地壳中大约有45% 是铁的元素。虽然这许多含铁的物质中只有极少部份是具有价值的铁矿石,但是它的存量已经是极为丰富。对于地球上铁矿石贮存量的估计,目前没有一个可以确信的数字。目前已经被发现的主要产铁矿国有美国、加拿大、巴西、澳洲、南非、印度、法国、英国、瑞典、西班牙、苏俄、中国、委内瑞拉等。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整
10、理 - - - - - - - 第 3 页,共 15 页 - - - - - - - - - 中国铁矿资源有两个特点:一是贫矿多,贫矿出储量占总储量的80% ;二是多元素共生的复合矿石较多。此外矿体复杂,有些贫铁矿床上部为赤铁矿,下部为磁铁矿。(1) 东北地区铁矿东北确实铁矿主要是鞍山矿区,它是目前我国储量开采量最大的矿区,大型矿体主要分布在辽宁省的鞍山( 包括大弧山、 樱桃园、东西鞍山、弓长岭等 ) 、本溪 ( 男芬、歪头山、通远堡等),部分矿床分布在吉林省通化附近。鞍山矿区是鞍钢、本钢的主要原料基地。鞍山矿区矿石的主要特点:1)除极少富矿外,约占储量的98% 为贫矿,含铁量2040% ,平
11、均 30% 左右。必须经过选矿处理,精选后含铁量可达60% 以上。2)矿石矿物以磁铁矿和赤铁矿为主,部分为假象赤铁矿和半假象赤铁矿。其结构致密坚硬,脉石分布均匀而致密,选矿比较困难,矿石的复原性较差。3)脉石矿物绝大部分是由石英石组成的,SiO2 在 4050% 。 但本溪通远堡铁矿为自溶性矿石,其碱度 (Ca+Mg/SiO2) 在 1 以上。且含锰1.29 7.5%可代替锰矿使用。4)矿石含 S、P杂质很少,本溪男芬铁矿含P很低,是冶炼优质生铁的好原料。(2) 华北地区铁矿主要分布在河北省宣化、迁安和邯郸、 邢台地区的武安、 矿山村等的地区以及内蒙和山西各地。是首钢、包钢、太钢和邯郸、宣化及
12、阳泉等钢铁厂的原料基地。迁滦矿区矿石为鞍山式贫磁铁矿,含酸性脉石,S、P杂质少,矿石的可选性好。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 15 页 - - - - - - - - - 邯邢矿区主要是赤铁矿和磁铁矿,矿石含铁量在40%-55% 之间,脉石中含有一定的碱性氧化物,部分矿石S高。(3) 中南地区铁矿中南地区铁矿以湖北大冶铁矿为主,其他如湖南的湘潭,河南省的安阳、舞阳, 江西和广东省的海南岛等地都有相当规模的储量,这些矿区分别成为武钢、湘钢及本地区各大中型高
13、炉的原料供给基地。大冶矿区是我国开采最早的矿区之一,主要包括铁山、金山店、成潮、灵乡等矿山,储量比较丰富。矿石主要是铁铜共生矿,铁矿物主要为磁铁矿,其次是赤铁矿,其他还有黄铜矿和黄铁矿等。矿石含铁量40-50%,最高的达54-60%。脉石矿物有方解石、石英等,脉石中含SiO28% 左右,有一定的溶剂性(CaO/SiO2 为 0.3 左右) ,矿石含P低, ( 一般 0.027%) ,含 S高且波动很大 (0.01-1.2%),并含有 Cu(0.2-1.0%) 和 Co(0.013%-0.025%) 等含有色金属。矿石的复原性较差,矿石经烧结、球团造块后入高炉冶炼。(4) 华东地区铁矿华东地区铁
14、矿产区主要是自安徽省芜湖至江苏南京一带的凹山,南山、姑山、桃冲、梅山、凤凰山等矿山。 此外还有山东的金岭镇等地也有相当丰富的铁矿资源储藏,是马鞍山钢铁公司及其他一些钢铁企业原料供给基地。芜宁矿区铁矿石主要是赤铁矿,其次是磁铁矿, 也有部分硫化矿如黄铜矿和黄铁矿。铁矿石品位较高,一部分富矿( 含 Fe50%-60%) 可直接入炉冶炼,一部分贫矿要经选矿精选、烧结造块后供高炉使用。矿石的复原性较好。脉石矿物为石英、方解石、磷灰石和金红石等,矿石中含 S、P杂质较高 ( 含 P一般为 0.5%,最高可达1.6%,梅山铁矿含S平均可达2%-3%) ,矿石有一定的溶剂性(如凹山及梅山的富矿中平均碱度可达
15、0.7-0.9),部分矿石含V,Ti 及 Cu等有色金属。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 15 页 - - - - - - - - - (5) 其他地区铁矿除上述各地区铁矿外,我国西南地区、西北地区各省,如四川、云南、贵州、甘肃、新疆、宁夏等地都有丰富的不同类型的铁矿资源,分别为攀钢、重钢和昆钢等大中型钢铁厂高炉生产的原料基地。三、钢材的生产工艺碳素钢的定义及钢中五元素含碳 2% 以下的铁碳合金称为钢。碳素钢中的五元素是指化学成份中的主要组成物,即 C、S
16、i、Mn 、S 、P(碳、硅、锰、硫、磷) 。其次是在炼钢过程中不可防止地会混入气体,含O、H、N(氧、氢、氮 ) 。此外,用铝 - 硅脱氧镇静工艺中,必然在钢水中含有 Al ,当 Als( 酸溶铝) 0.020%时,还有细化晶粒的作用。化学元素对钢性能的影响1、碳 (C) :钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。2、硅 (Si) :在炼钢过程中加硅作为复原剂和脱氧剂,所以镇静钢
17、含有0.15-0.30% 的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%, 硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2% 的硅,强度可提高15-20%。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅1-4%的低名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 15 页 - - - - - - - - - 碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。硅量增加,会降低钢的焊接性能。3、
18、锰 (Mn) :在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含锰0.30-0.50% 。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”,较一般钢量的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度和硬度, 提高钢的淬性, 改善钢的热加工性能,如 16Mn钢比 A3屈服点高 40% 。 含锰 11-14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。锰量增高,减弱钢的抗腐蚀能力,降低焊接性能。4、磷 (P) :在一般情况下,磷是钢中有害元素,增加钢的冷脆性,使焊接性能变坏,降低塑性,使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%,优质钢要求更低些。5、硫 (S) :硫在通常情况下也是有害元素。使钢
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