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文
摘
要
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冶金学是研究如何经济的从矿石或其他金属原料中提取金属和金属化合物的科学。而从矿石或其他金属原料中提取金属的方法很多，主要包括火法冶金、湿法冶金和电冶金三种。[1]
钢铁冶金主要使用火法，而有色金属冶金则火法和湿法兼有。钢铁火法冶金的主要工序包括：选矿、烧结/球团、（高炉）熔炼、（转炉）精炼等。经过精炼工序以后，产出的就是钢水。在经过后续工艺要求进行：铸锭（板坯、方坯）、轧钢（线材、管材、板材等）等工序，最终成为成品钢材。
铁碳合金
先说一下铁碳合金的概念：所谓铁碳合金，就是以铁元素和碳元素为基本组成的二元合金。
纯铁有三种同素异构状态：
温度在912℃以下，属于体心立方晶体结构，称为α-Fe；温度在912～1394℃之间，属于面心立方晶体结构，称为γ-Fe；温度在1394℃以上，呈现呈体心立方结构，称为δ-Fe。在液态情况下，碳含量低于7%范围，碳和铁可完全互溶；在固态情况下，碳在铁中的溶解是有限的，并且溶解度取决于铁（溶剂）的晶体结构。
与铁的三种同素异构物相对应，碳在铁中形成的固溶体有三种：α固溶体（铁素体）、γ固溶体（奥氏体）和δ固溶体（8铁素体）。这些固溶体中，铁原子的空间分布与α-Fe、γ-Fe和δ-Fe一致，碳原子的尺寸远比铁原子为小，在固溶体中它处于点阵的间隙位置，造成点阵畸变。碳在γ-Fe中的溶解度最大，但不超过2.11%；碳在α-Fe中的溶解度不超过0.0218%；而在δ6-Fe中不超过0.09%。当铁碳合金的碳含量超过在铁中的溶解度时，多余的碳可以以铁的碳化物形式或以单质状态（石墨）存在于合金中，可形成一系列碳化物，其中Fe3C（渗碳体，6.69%C）是亚稳相，它是具有复杂结构的间隙化合物。石墨是铁碳合金的稳定平衡相，具有简单六方结构。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相，但该过程在室温下是极其缓慢的。[2]
铁碳合金图 来自网上侵删注：上表根据的是铁碳相图。 根据国家标准，碳含量在0.04%以下的为工业纯铁，钢和铸铁的分界点为2.0%。最常见的像白口铁和灰口铁、铸铁、生铁和钢、普钢和合金钢等等均属于工业铁碳合金材料，我们通常称为钢铁材料。钢铁材料品种繁多、适用广泛原因，首先在于其组成成分跨度大，从近于无碳的工业纯铁到含碳4%左右的铸铁，在此范围内铁碳合金的相结构和微观组织都会发生很大的变化；另外，还在于可采用各种热加工工艺，尤其金属热处理技术，可以大幅度地改变某一成分铁碳合金的组织和性能。
钢铁材料的基本组织
实际上，钢铁冶炼过程并不复杂，有的专家将其形容为做饭“熬粥”。我国拥有悠久的冶炼史，早在春秋时期就有了白口铸铁柔化处理技术。下面重点介绍的是，生铁的冶炼，也就是铁水是如何炼制出来的。
如今，以富氧喷煤高炉炼铁为代表的现代钢铁冶炼技术早已日趋成熟。
高炉生铁冶炼流程
一、选矿
铁矿石是炼铁的主要原料，常见的铁矿石主要有：赤铁矿（主要成分是Fe2O3）、磁铁矿（主要成分Fe3O4）、菱铁矿（主要成分为FeCO3）、黄铁矿（主要成分是FeS2）等。但是，黄铁矿含铁量低，含有对环境有害的元素硫，并且在冶炼过程中会产生有毒气体SO2，污染环境，因此黄铁矿不宜炼铁。适宜炼铁的有磁铁矿和赤铁矿。铁矿石中，除了铁的化合物外，还有硅、锰、磷、硫等的化合物。选矿的目的，是为了获得铁精矿。
二、石灰石和白云石
铁矿石中往往含有硅、锰、硫、磷、钠等有害元素，会使冶炼发生困难，或影响铁水的质量。有害的元素就需要去除，去除的方法，是采用特定的溶剂，在冶炼终了，形成渣料。
熔剂的作用是降低矿石、脉石和焦炭灰分在造渣时的熔点，以形成易流动的炉渣，并去除硫分，以改善生铁质量。常用的熔剂是碱性的，如石灰石和白云石，石灰石的用量是最大的。一般含 CaO高、SiO2低的石灰石冶炼价值较高。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。
三、炼焦
高炉生产前的准备除了铁矿石外，还需要准备燃料，也就是焦炭，而且必须是冶炼用焦炭，不能是普通的焦炭。焦炭是高炉炼铁的主要燃料，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送给炉料，高炉内的各种物理化学反应才能得以进行。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。
四、烧结
我们知道，铁矿石成分差别很大，即使是同一批铁矿石，铁含量分散性也很大；有的是粉状的、有的是块状的，大小不均匀，颗粒度不统一。特别是，许多贫矿，铁含量更低。
铁矿石的强度好、粉末少和粒度均匀，可以改善料柱的透气性。因此，矿石入炉前必须经过破碎和筛分处理，使粒度保持在8～25毫米之间。铁矿石烧结的目的是为了保证供给到高炉的铁矿石中铁含量均匀，并保证高炉内的透气性。目的是把选矿工艺产出的铁精矿制成10-25mm的块状原料-球团矿。
五、高炉炼铁
高炉是一个竖直的圆筒型冶炼容器，外面用钢板制成炉壳，里面砌耐火砖作为炉衬，并安装有冷却壁，高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹 、炉缸5部分。高炉的大小按有效容积或内容积来表示，高炉的生产是在高温、密闭、具有一定压力的条件下连续进行的。高炉炼铁的主要产品是铁水（生铁） ，副产品主要有是高炉炉渣和高炉煤气。
高炉冶炼工艺
高炉炼铁是钢铁冶炼过程中最重要的环节，高炉冶炼是把铁矿石的铁元素还原成生铁的连续生产过程。铁矿石（烧结球团）、焦炭（冶金焦）和溶剂（石灰石）等固体原料按规定配料比和生产工艺要求（即装料制度）由炉顶装料装置分批、间断装入炉内，在炉内构成料柱，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。
动力厂的鼓风机把冶炼所需的空气连续不断的送到炼铁厂，经热风炉加热到900～1300℃左右后，通过热风围管和布置在炉缸周围的风口吹入炉内，使焦炭在风口处燃烧，产生大量含CO的高温煤气，炽热的煤气在上升过程中把热量传给炉料，炉料在炉内逐步下降，温度逐步升高，冶炼逐步进行。
矿石料在下降过程中逐步被还原，熔化成铁和渣聚集在炉内，定期从铁扣、渣口放出，高炉生产是连续进行的。冶炼好的液态生铁（铁水）和液态熔渣积储在炉缸内，炉渣浮在铁水上面。冶炼完成后，铁水与炉渣分别从位于炉缸下部的出渣口和出铁口排出进入渣罐和铁水罐，出渣口高于出铁口。
高炉生产常用的技术经济指标除铁矿石品位、热风温度外，主要的还有高炉利用系数、入炉焦比、休风率、生铁合格率、生铁成本等。
高炉运行自动控制系统
大型现代高炉需要测量的热工参数主要包括：
1.装料系统：1）装入料种类及称量；2）料面高度；3）料层下降速度；4）下料次数；5）布料器旋转的位置。
2.煤气系统：1）炉喉煤气压力；2）大小料钟之间的空间煤气压力；3）煤气上升管内煤气温度；4）炉胸上部（边缘和直径方向）煤气温度；5）边缘煤气成份；6）除尘器内煤气成份。
3.鼓风系统：1）冷风压力；2）冷风湿度；3）冷风流量；4）冷风温度；5）热风压力6）热风温度。
4.炉体系统：1）炉腹砖衬温度；2）炉基温度；3）冷却水流量、压力、温度。
5.热风炉系统：1）穹顶温度；2）废气温度；3）各热风炉煤气流量；4）煤气压力等。
典型高炉控制系统由高炉上料及炉顶装料炉顶压力系统、高炉热风炉系统、高炉本体控制系统、高炉水冲渣系统、高炉矿槽控制系统、出铁场及除尘系统、喷煤分配器系统、高炉煤气清洗系统、制粉系统、煤粉喷吹系统、高炉水处理系统组成。
就目前来说，要实现高炉生产综合自动化控制还有不少困难需要克服，比如目前还没有可靠的测量和控制炉内气流分布及炉内热工过程、炉料表面形状、炉体状况、各风口鼓风量的分配、煤气中各种成份含量等的设备；要想确定能全面反映高炉工作情况的参数，高炉正常生产的规律，以及消除破坏高炉顺行的因素并使之恢复正常生产的措施等等都是相当困难。
高炉冶炼数学模型的准确和完善是自动控制系统的核心，高精度的测量仪表是高炉自动控制的关键，稳定的原料质量、准确灵活的执行机构，如原料系统的给料机、称量设备则是自动化控制的必要条件。由于高炉冶炼过程的复杂性，数学模型难以完全准确，所以高炉操作自动控制目前还未实现全闭环控制，多数国家是先实现某一局部的闭环控制，然后逐步扩大控制范围。
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