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钢的生产原料生产工艺

2022-02-14    作者:未知    来源:

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。铁矿砂先在熔炉内还原成铁(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还原,熔解成铣铁(炼铣),铣铁精炼成钢(炼钢),钢再,延、加工后制成各种钢铁制品,广义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)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
  在理论上来说,凡是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)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)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)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,故被还原性较差。经过长期风化作用后即变成赤铁矿。
  (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。
  (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)两种嵬结构矿石的统称,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。这种矿岫喟牒有相当多数量的钙盐和镁盐。由于碳酸根在高温约800~900℃时会吸收大量的热而放出二氧化碳,所以我们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的含量达到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。
  铁在地球表面,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i质学家的估计,地壳中大约有4~5%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i、印度、法国、英国、瑞典、西班牙、苏俄、中国、委内瑞拉等。
  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 东北的确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20~40%,平均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,矿石慊乖性较差。
  3)脉石矿物绝大部分是由石英石组成的,SiO2在40~50%。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。
恪(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。
  阈峡笄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炉的原料供应基地。
  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。矿石的还原性较差,矿石经烧结、球团造块后入高炉冶炼。
 4(4)华东地区铁矿 华东地区铁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应基地。
  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。矿石的还原性较好。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0.7-0.9),部分矿石含V,Ti及Cu等有色金属。
  (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房笞试矗分别为攀钢、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、Si、Mn、S、P(碳、硅、锰、硫、磷)。其次是在炼钢过程中不可避免地会混入气体,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5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还<梁屯蜒跫粒所以镇静钢含有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、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,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。使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%,优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。
  6、铬(Cr):在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不8郑耐热钢的重要合金元素。
  7、镍(Ni):镍能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源,故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。
  8、钼(Mo):钼能使钢的晶粒细化,提4阃感院腿惹啃阅埽在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变)。结构钢中加入钼,能提高机械性能。 还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。
  9、钛(Ti):钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力;降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛,可避免晶间腐蚀。
  10、钒(V):钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
  11、钨(W):钨熔点高,比重大,是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性和热强性,作切削工具及锻模具用。
  12、铌(Nb):铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止晶间腐蚀现象。
  13、钴(Co):钴是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和磁性材料。
  14、铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢屯往含有铜。铜能提高强度和韧性,特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。
  15、铝(Al):铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,如作深冲薄板的08Al钢吐粱咕哂锌寡趸性和抗腐蚀性能,铝与铬、硅合用,可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
  16、硼(B):钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度。
  17、氮(N):氮吞岣吒值那慷龋低温韧性和焊接性,增加时效敏感性。
  18、稀土(Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属,但他们的氧化物很像“土”,所以习惯上称稀土。钢中加入稀土,可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和椭剩从而改善了钢的各种性能,如韧性、焊接性,冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土,可提高耐磨性。

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