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金属材料与机械制造过程概述 钢铁材料 钢铁是Fe(铁)与C(碳)的合金、另外还含有Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及少量的其他元素。其中除Fe(铁)外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。 钢铁材料 按含碳量不同，铁碳合金分为钢与生铁两大类 。 钢是含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金。碳钢是最常用的普通钢，冶炼方便、加工容易、价格低廉，而且在多数情况下能满足使用要求，所以应用十分普遍。 含碳量大于2.11%的铁碳合金称生铁。生铁硬而脆，但耐压耐磨。生铁分铸造生铁（断口暗灰色）和炼钢生铁（断口亮白色）两类。 钢铁材料制造过程 钢铁材料的生产过程 炼铁 现代工业生产铁的主要方法是高炉炼铁 高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁的原料，从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。 高炉结构图 C +O2=CO2 CO2+C=2CO 3CO+Fe2O3 =2Fe+3CO2 炼铁 冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。 铁矿石的成分和种类 铁矿石 脉石和硫磷杂质 铁化合物 Fe3O4(磁铁矿石) Fe2O3(赤铁矿石) 2Fe2O3·3H2O(褐铁矿石) FeCO3(菱铁矿石) 磁铁矿 赤铁矿 陨铁 一 炼铁： 铁矿石（化合态）→铁单质（游离态） （1）基本反应原理： 3CO+ Fe2O3=====2Fe+3CO2 高温 利用氧化还原反应，在高温下，用还原剂（主要是CO)从铁矿石中还原出铁。 （2）设备：高炉 （3）原料：铁矿石，焦炭，石灰石，空气 炼铁的主要反应过程 ①产生还原剂： C+O2=CO2 CO2+C=2CO （空气，焦炭） ②还原铁矿石： Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2 （铁矿石） ③造渣（除脉石）： CaCO3===CO2+CaO CaO+SiO2=CaSiO3 （熔剂：石灰石） 高温 高温 炼铁产品： 生铁：铸造生铁（断口暗灰色,含硅较高）和炼钢生铁（断口亮白色，含硅较低）。 炼铁和环保节能： 高炉煤气： CO、CH4、H2 可燃气体，具有很高的经济价值。 高炉炉渣：可做水泥、渣棉、渣砖等建筑材料。 二 炼钢： 生铁 →钢 (1)需要做到： ①降低含碳量 ②除去硫、磷等杂质 ③调节合金元素的含量 （2 )基本反应原理： 利用氧化反应，在高温下，用氧化剂（用纯氧气） 把生铁中过多的碳和其它杂质氧化除去。 (3)炼钢设备： 转炉，电炉，平炉 （4）炼钢的原料： 生铁，氧气，生石灰，硅铁和锰铁 转炉的结构图 炼钢的主要反应过程 ①产生氧化剂：2Fe+O2=2FeO （氧气） ②除硅，锰，碳等杂质：Si+2FeO=SiO2+2Fe Mn+FeO=MnO+Fe C+FeO=CO+Fe ③造渣： CaO+SiO2=CaSiO3 （生石灰)硫、磷杂质与生石灰作用形成炉渣被除去。 ④脱氧： Si+2FeO=SiO2+2Fe （脱氧剂：硅铁，锰铁） 调节合金元素 按冶炼时脱氧程度分 沸腾钢：脱氧不充分，代号“F” 镇静钢：脱氧充分，代号“Z” 半镇静钢：脱氧程度介于“F”与“Z”之间，代号“b” 特殊镇静钢：脱氧彻底，代号“TZ” 脱氧程度不同的三种钢锭的比较 名称 脱氧程度 质量 沸腾钢 不完全 组织不够致密，气泡多，化学偏析大，成分不均匀，质量较差，成本较低 镇静钢 充分 组织致密，成分均匀，机械性能好，质量较好，成本较高 半镇静钢 均介于上二者之间 以下为沸腾钢（A）与镇静钢（B）两钢锭的纵剖面 (B)镇静钢 (A)沸腾钢　 从图中可见，沸腾钢的