冶金工程概论课程报告
冶金工程是研究从矿石等资源中提取金属及其化合物、并制成具有良好加工和使用性能材料的工程技术领域。冶金就是将金属溶液中的杂质通过熔融进行造渣、除渣给予消除，同时某些化学成分通过除渣、脱碳、去氧等得到相对的纯净合金成分的过程。冶金在我国具有悠久的发展历史，从石器时代到随后的青铜器时代，再到近代钢铁冶炼的大规模发展。人类发展的历史就融合了冶金的发展。
一．冶金工艺流程
1.选矿
选矿是冶炼前的准备工作，选矿的目的是提高矿石品位。从矿山开采下来矿石以后，首先需要将含铁等金属元素高的矿石甄选出来，为下一步的冶炼活动做准备。
2.烧结/球团
为了保证供给高炉的铁矿石中铁含量均匀，并且保证高炉的透气性，需要把选矿工艺产出的铁精矿制成10-25mm的块状原料。铁矿粉造块的目的是为了综合利用资源，扩大炼铁用的原料种类，并且能够改善矿石的冶金性能，适应高炉冶炼对铁矿石的质量要求。铁矿粉造块目前主要有两种方法：烧结法和球团法。两种方法所获得的块矿分别为烧结矿和球团矿。
3.炼焦
高炉生产前的准备除了准备铁矿石外，还需要准备好必需的燃料——焦炭。焦炭是高炉冶炼的主要燃料，焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。焦炭在高炉冶炼中可作为发热剂和还原剂。焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。同时，焦炭燃烧产生的CO及焦炭中的固定碳是铁矿石的还原剂。
4.炼铁
炼铁生产是冶金工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。目前最常用的方法有高炉炼铁，直接还原和熔融还原铁三种方法。其中高炉炼铁是以焦炭为能源基础的传统炼铁方法。它与转炉炼钢相配合，是目前生产钢铁的主要方法。
5.炼钢
钢与生铁都是以铁元素为主，并含有少量碳、硅、锰、磷、硫等元素的铁碳合金，二者差别就是碳元素的含量。而 炼钢的基本任务就是将铁水重的碳含量调整到一定范围。 炼钢方法包括转炉炼钢、电弧炉炼钢和平炉炼钢。其中转炉炼钢利用吹入空气或氧气对熔融的铁水进行氧化脱碳，炼出合格成分的钢锭。电弧炉炼钢依靠插入金属炉料间的石墨电极通电后，以产生的电弧为热源从而熔化炉料。平炉炼钢以煤气或重油为燃料，在燃烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔化并精炼成钢液。
6.连铸
连续铸钢是通过连铸机将钢液连续地铸成钢坯的工序。转炉生产出来的钢水经过精炼炉精炼以后，需要将钢水铸造成不同类型、不同规格的钢坯。连铸工艺中，钢液通过中间包注入结晶器内，迅速冷却成具有一定厚度的凝固壳而内部仍为液态的铸坯。铸坯下部与伸入结晶器底部的引锭杆衔接，浇注开始后，拉坯机通过引锭杆把结晶器内的铸坯以一定速度拉出。与模铸相比，连铸具有简化工序、节能；降低铸坯切头率、提高金属收得率等优点。
连铸工艺的一个主要问题是连铸坯的断裂。如果凝固的金属外壳过薄，有可能导致钢坯在拉出一定长度后下方的金属将上方正在凝结的金属拉断，导致钢水泄露，进而破坏其他机器而发生事故。通常情况下，断裂是由于过高的拉出速度，使凝固的外壳没有足够时间来产生所要求的厚度；也有可能是拉出的金属温度仍然过高，这意味着最终凝固时间大大低于矫直辊和地方链断裂整顿期间，由于应用的压力。阿突破，也可能发生，如造成撕裂。如果传入的金属过热，可以通过减慢拉出速度来防止断裂。另一个可能出现的问题是钢铁与溶解氧反应也可能产生碳化物。由于金属是液态，这种碳化反应是非常的快，同时产生大量高温气体，如果是在中间包或者结晶器中发生碳化反应，氧元素还会反应生成氧化硅或氧化铝，如果产生过多的氧化硅或氧化铝将有可能堵塞中间包与结晶器中间的连接管，进而导致破坏生产。
7.轧钢
从炼钢厂出来的钢坯还仅仅是半成品，必须到轧钢厂去进行轧制以后，才能成为合格的产品。热轧后的成品分为钢卷和锭式板两种，经过热轧后的钢材厚度一般在几个毫米,如果用户要求钢板更薄的话，还要经过冷轧。
连轧的目的是将连铸后的钢坯轧制成客户需要规格的钢材。从炼钢厂送过来的连铸坯，首先是进入加热炉，然后经过初轧机反复轧制之后，进入精轧机。轧钢属于金属压力加工，说简单点，轧钢板就像压面条，经过擀面杖的多次挤压与推进，面就越擀越薄。在热轧生产线上，轧坯加热变软，被辊道送入轧机，最后轧成用户要求的尺寸。热轧工艺中，板坯由炼钢连铸车间的连铸机出坯辊道直接送到热轧车间板坯库，并送至加热炉的装炉辊道装炉加热，保温后由吊车吊运至上料台架，然后经加热炉装炉辊道装炉加热。冷轧工艺是将热轧来的原料板轧制成用户所要求的尺寸与形状，同时满足性能与表面质量要求。冷轧工艺一般包括酸洗、多机架连轧机、热处理线，单机架和双机架平整线，表面防腐处理的镀锌线、彩涂线，及精整线等，此外依据生产的产品不同还会有：镀锌线、冷轧硅钢和彩涂线，冷轧是把热轧的板卷再次加工成具有高附加值的产品。
二．原料工艺
1.烧结矿
烧结是指将铁矿粉、无烟煤和石灰、高炉炉尘、轧钢皮、钢渣按一定配比混匀。烧结机适用于大型黑色冶金烧结厂的烧结作业，它是抽风烧结过程中的主体设备，可将不同成份，不同粒度的精矿粉，富矿粉烧结成块，并部分消除矿石中所含的硫，磷等有害杂质。经烧结而成的有足够强度和粒度的烧结矿可作为炼铁的熟料。利用烧结熟料炼铁对于提高高炉利用系数、降低焦比、提高高炉透气性保证高炉运行均有一定意义。目前生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。
烧结中，原料在配料室参加配料，在一次混合机混合、加水湿润，在二次混合机中造球，具有一定粒级的混合料通过布料器布到台车上，布有料的台车通过点火炉下方，通过高温煤气火点燃混合料中的燃料，主排风机通过风箱从台车下部进行抽风烧结，台车从机头运动到机尾，混合料正好完成烧结过程，经过冷却后通过筛分供给高炉。
2.球团矿
球团是人造块状原料的一种方法，是—个将粉状物料变成物理性能相化学组成能够满足下—步加工要求的过程。球团过程中，物料不仅由于滚动成球相粒于密集而发生物理性质，如密度、扎隙率、形状、大小相机械强度等变化、更重要的是发生了化学和物理化学性质，如化学组成、还原性、膨胀性、高温还原软化性、低温还原软化性、熔融性等变比，使物料的冶金性能得到改善。 球团的基本任务除利用精矿和粉矿制成球状冶炼原料外，还可生产用于直接还原的金属化球团矿以及将其应用于综合利用回收有用金属。
国内外焙烧球团矿的方法有3种：竖炉焙烧；带式焙烧；链箅机－回转窑焙烧。竖炉是最早采用的球团矿焙烧设备。现代竖炉在顶部设有烘干床，焙烧室中央设有导风墙。燃烧室内产生的高温气体从两侧喷入焙烧室向顶部运动，生球从上部均匀地铺在烘干床上被上升热气体干燥、预热，然后沿烘干床斜坡滑入焙烧室内焙烧固结，在出焙烧室后与从底部鼓进的冷风气相遇，得到冷却。最后用排矿机排出竖炉。竖炉的结构简单，对材质无特殊要求；缺点是单炉产量低，只适用于磁精粉球团焙烧，由于竖炉内气体流难于控制，焙烧不均匀造成球团矿质量也不均匀。带式焙烧机是目前使用最广的焙烧方法。带式焙烧采用铺底料和铺边料以提高焙烧质量，同时用鼓风和抽风干燥相结合以改善干燥过程，提高球团矿的质量。带式焙烧适用于各种不同原料，如赤铁矿浮选精粉、磁铁矿磁选精粉或混合粉等球团矿的焙烧。
三．炼铁工艺
1.工艺设备
高炉是横断面为圆形的炼铁竖炉。用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。由于高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大，劳动生产效率高，能耗低等优点，这种方法生产的铁占世界铁总产量的绝大部分。
热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。提高风温可以通过提高煤气热值、优化热风炉及送风管道结构、预热煤气和助燃空气、改善热风炉操作等技术措施来实现。理论研究和生产实践表明，采用优化的热风炉结构、提高热风炉热效率、延长热风炉寿命是提高风温的有效途径。 铁水罐车用于运送铁水，实现铁水在脱硫跨与加料跨之间的转移或放置在混铁炉下，用于高炉或混铁炉等出铁。
2.基本流程
铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。高炉冶炼目的是将矿石中的铁元素提取出来，生产出来的主要产品为铁水，同时副产品包括水渣、矿渣棉和高炉煤气等。反应式为：Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2(高温) (还原反应）；Fe3O4+4CO==3Fe+4CO2(高温)（还原反应）；C+O2==CO2(高温)；C+CO2==2CO(高温)。生产时，从炉顶不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进1200摄氏度的热风，喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下焦炭（也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。炉渣形成的反应式为:CaCO3=CaO+CO2 (条件：高温）；CaO+SiO2=CaSiO3 (条件：高温）。其中煤气从炉顶导出，经除尘后，作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。
3.工艺特点
高炉冶炼是在炉料与氧气气流逆向运动过程中完成各种错综复杂的化学反应和物理变化的，炉内主要是还原性反应；高炉是密闭的容器，除装料、出铁、出渣及煤气外，操作人员无法直接观察到反应过程的状况，只能凭借仪器仪表间接观察炉内状况；高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。
四．炼钢工艺
1.工艺设备
转炉炉体用钢板制成，呈圆筒形，内衬耐火材料，吹炼时靠化学反应热加热，不需外加热源，是最重要的炼钢设备，也可用于铜、镍冶炼。转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）转炉；按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹转炉；按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。转炉炼钢主要是以液态生铁为原料的炼钢方法。其主要特点是：靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。
2.基本流程
转炉炼钢的原材料分为金属料、非金属料和气体。金属料包括铁水、废钢、铁合金，非金属料包括造渣料、熔剂、冷却剂，气体包括氧气、氮气、氩气、二氧化碳等。非金属料是在转炉炼钢过程中为了去除磷、硫等杂质，控制好过程温度而加入的材料。主要有造渣料（石灰、白云石等），熔剂（萤石、氧化铁皮等），冷却剂（铁矿石、石灰石、废钢等），增碳剂和燃料（焦炭、石墨籽、煤块、重油等）。
转炉炼钢工艺中，首先按照配料要求把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料，如生石灰等。然后把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入纯度大于99%的高压氧气流，使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。因此，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量可以副产水蒸气。此外，炼钢时，生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥，等等。氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等许多优点。但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到一定的限制。
3.工艺特点
转炉按耐火材料分为酸性和碱性，按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。
