高炉炼铁原理.docx

1、高炉炼铁原理高 炉 炼 铁 学绪论一、高炉：从上至下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸、死铁层。见图 发展趋势为：大型化、胖型二、高炉原料：1、铁矿石：烧结矿、球团矿、天然块矿 2、熔剂：石灰石、白云石 3、燃料：焦炭、煤粉 4、空气：N2、O2三、高炉产品：1、生铁：成分有Fe、C、Si、Mn、S、P、V、Ti等 分为炼钢生铁、铸造生铁（Si高S低）、铁合金， 铁与钢区别是C 2、炉渣：成分有、CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、TiO2、 MnO、V2O5等 3、煤气：成分有 CO、CO2、N2、H2、H2O四、高炉辅助设备：1、供料系统 2、送风系统 3、除尘系统 4、渣铁处理系

2、统 5、燃料喷吹系统五、高炉冶炼的概况：分为五带 1、块状带：间接还原、CaCO3=CaO+CO2、部分FeO+C=Fe+CO2、软熔带：CaO+SiO2+Al2O3=硅酸盐 渗碳反应：3Fe+2CO=Fe3C+CO23、滴落带：（FeO）+C=、（MnO）+C=、(SiO2)+C=、(P2O5)+C=4、风口燃烧带：2C+O2=2CO5、炉缸部分：脱硫反应：FeS+CaO=CaS+FeO FeO+C=Fe+CO - + - FeS+CaO+C =CaS+ Fe+CO六、高炉技术经济指标：1、有效容积：铁口中心线至大钟下降下沿或溜槽垂直下 沿 Vu 工作容积 2、有效容积利用系数：u=P/Vu

3、 t/m3d，可达3以上 3、焦比：K=Q/P，kg/t，最低250 kg/t左右 综合焦比： 燃料比：最低450 kg/t左右 4、冶炼强度：I=Q/ Vu t/m3d， u=I/K 综合冶炼强度： 5、生铁合格率： 一级品率 6、休风率：有计划休风和非计划休风， 应控制在2%以下。 7、高炉一代寿命：无中修，表示有日历时间（8至10 年）；单位容积产量（5000t/m3）第一章 高炉用原燃料第一节 高炉用燃料高炉燃料有焦炭和煤粉两种、焦炭 一、焦炭的作用 1、发热剂；2、还原剂；3、骨架作用；4、渗碳剂二、焦炭的质量要求 1、C高； 2、灰分低：灰分中70%左右是SiO2和Al2O3，含量

4、为11%至20%。 3、挥发分适当：1%左右，过高生焦，过低炼焦时间过长。 4、S、P低：高炉S负荷的70%以上。 5、常温强度高：M40要高；M10要低。 6、高温强度好：CRI要低；CSR要高。 7、稳定：包括成分和强度 三、炼焦 配煤：根据焦炭质量要求，气、肥、焦、瘦煤按一定比例配合 原煤：工业分析：包括：内在水分、灰分、挥发分、S 元素分析：包括：C、H、O、S、N、P 主要性能：1、粘结性：2、收缩性；3、结焦性；4、氧化变质。 焦炭主要性能与原煤性能的关系： 1、S：主要决定混合煤中的S，炼焦过程脱率为30%至40%，炼焦温度和炼焦时间也影响脱硫率。2、A：完全决定于混合煤中的A，

5、是1.3至1.4倍。3、M40和M10：决定于配比、石墨化程度（炼焦温度和炼焦时间）、气孔大小和气孔结构、灰分含量。4、CRI和CSR：决定于配比、石墨化程度（炼焦温度和炼焦时间）、气孔大小和气孔结构、灰分含量和灰分成分。灰分中的碱性成分（K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3）会提高焦炭的CRI，降低CSR；灰分中酸性成分（SiO2和Al2O3）会降低焦炭的CRI，提高CSR。 四、炼焦工艺过程煤料准备、贮存、炼焦、熄焦（干法和湿法）新工艺：1、配煤掺油炼焦；2、捣固炼焦；3、干燥煤炼焦；4、配型煤炼焦。、喷吹煤粉质量要求：1、A低 2、S、P、K、Na低3、发热值高4、可磨性好 5、

6、燃烧性好6、安全性高第二节 铁矿石 一、基本定义： 1、矿物：自然界存在的自然元素和化合物。 2、矿石：可以提取有用物质并获取利润的矿物。 3、脉石：不可以提取有用物质或不能获取利润的矿物。 矿石与脉石是相对的概念，今天的脉石有可能是明天的矿石。 二、铁矿石种类 1、赤铁矿：Fe2O3，红色，TFe/FeO3.5 2、磁铁矿：Fe3O4，黑色，TFe/FeO3.5，有磁性。 3、褐铁矿：Fe2O3nH2O，含有结晶水。 4、菱铁矿：FeCO3，碳酸盐。 三、铁矿石质量评价 1、TFe要高，相对概念，工业开采品位，扣除CaO品位。 2、脉石成分：CaO和MgO高好，原因是这两种成分一般都比较低；

7、SiO2、Al2O3、TiO2低比较好。有可选性问题。 3、有害杂质和有益元素：有害杂质包括两大类：一是对钢材有害；另一是对高炉冶炼过程有害。对钢材有害包括： 1）S：会导致钢材热脆，原因是FeS的熔点低，钢材轧制过程中容易断裂和形成沙眼。一级矿：S0.06%；二级矿S0.2%矿石中的S以FeS2、FeS和FeCuS2存在。 2）P：会导致钢材冷脆。烧结和高炉炼铁都不能脱P，炉料中的P全部进入生铁，脱P是炼钢的任务。但铁水P含量不能高，炼铁控制P的方法是高P炉料不用。 3）Cu：一般钢材要求Cu0.3%，降低钢材的焊接性能，一般要求铁矿石中Cu含量要小于0.2%。但高Cu钢抗腐蚀性强，船用钢C

8、u含量高。对高炉冶炼过程有害包括： 1）K和Na：碱金属，在高炉中循环，破坏焦炭和铁矿石的强度，加速侵蚀耐火材料。 2）Pb和Zn：Pb比重大、熔点低，沉积在高炉炉底的砖缝中，使耐火砖浮起而破坏炉底。 Zn熔点和沸点都低，Zn以蒸气进入高炉煤中上升，低温下冷凝结瘤。 3）F：最活泼的非金属元素，CaF2会降低炉渣的粘度，同时也会给铁水维护带来困难。上升则会加速金属材料的侵蚀。 4）As：降低钢材的焊接性能，要求As10，因为Fe易还原。 3、S、P要低：因为铁合金在后期加入钢水中，不能再脱S和脱P。要求P0.2%。 4、较高的强度和适宜的粒度：第三节 铁矿石准备处理 一、破碎与筛分 破碎参数主

9、要有：破碎比、台时产量。 破碎机主要有：鄂式破碎机、圆锥破碎机、球磨机 筛分参数主要有：网目：1英寸（25.4mm）长度上的方孔数。 有条筛、振动筛二、混匀：目的是使原料的物理和化学性能均匀，达到长期稳定。 方法：平铺直取 影响混匀效果的因素有：铺料层数、堆料几何尺寸、堆料方式。三、焙烧 1、还原磁化焙烧：Fe2O3+CO(H2)=Fe3O4+CO2(H2O), Fe3O4有磁性，磁选 还原磁化焙烧的指标：磁化率：TFe/FeO，当TFe/FeO=2.33最好 磁化焙烧的设备有：竖炉和回转窑 2、氧化焙烧：2FeCO3+1/2O2= Fe2O3+2CO2 Fe2O3nH2O= Fe2O3+ n

10、H2O 氧化焙烧可以提高含铁品位10%左右，去除30%至40%的S，并能改善铁矿石的冶金性能。 3、氯化焙烧：有色金属Cu、Pb、Zn等氯化物沸点低，易挥发。 但Fe不会被氯化，Fe的氧化能力强。 氯化焙烧存在的问题主要是防腐和收尘。 四、选矿： 作用：提高品位、回收有用元素、去除有害杂质。 主要指标：精矿产率、金属回收率、选矿比 主要方法：磁选（利用磁性），重选（利用比重），浮选（利用表面性能）第四节 高炉用熔剂和其它原料 一、目的：一是降低熔点；二是脱硫。 二、分类：理论上有碱性、中性和酸性熔剂之分。 但实际上只有碱性熔剂：主要是石灰石和白云石。 三、质量要求：1、CaO和MgO含量要高。

11、 2、S和P含量要低。 3、高强度和适宜的粒度 4、较高的活性 四、其它原料：主要有：铁屑、碎铁、铁水罐和残铁。第五节 铁矿粉烧结 一、烧结的作用：1、利用贫矿和粉矿。 2、改善铁矿石的冶金性能。 3、利用钢铁厂的废弃物。 二、烧结原料的质量要求： 1、含铁原料： 1）种类：精矿粉、富矿粉、高炉炉尘（10至30kg/t）、转炉炉尘（20kg/t左右）、轧钢皮（20kg/t左右）、硫酸渣等。 2）质量要求：TFe高；S和P低；SiO2=5%-7%，太低也不好；Al2O32%；粒度要小于10mm；化学成分要稳定。 2、熔剂： 1）种类：石灰石；消石灰；生石灰；白云石；菱镁石。 2）质量要求：CaO

12、和MgO高；S和P低；粒度要小于3mm，要有利于分解和矿化；高活性度；成分稳定。 添加生石灰和消石灰的目的是改善原料造球。但要注意生石灰的污染；消石灰的水分要小于6%。 3、燃料：烧结工艺用燃料分为点火气体燃料和配加固体燃料 点火气体燃料：有高炉煤气、焦炉煤气、天然气，一般采用高炉煤气与焦炉煤气混合，个别采用重油。 气体燃料要求有足够的发热值，点火温度达到1100至1250；还要安全。 配加固体燃料有焦粉和煤粉。 质量：A和V低；S和P低；粒度要小于3mm。 三、抽风烧结过程： 温度分布见教材中的图2-1(P33)。分为5层 1、烧结矿层：小于1100，空气预热；烧结矿冷却；液相结晶固结。厚度

13、逐渐增加，烧结完成时则全部都是。 2、燃烧层：700至1350或1500，厚度为15-80mm。燃料燃烧；软熔；氧化；还原；分解等。 3、干燥预热层：露点至700，升温速度快。水分蒸发；燃料加热；固相反应；结晶水分解。 4、过湿层：露点以下至露点。水汽重新凝结于混合料中，产生过湿，透气性差。 5、混合料层和铺底料： 四、水分的蒸发、分解和凝结 1、蒸发和凝结的条件是：蒸发：实际PH2OPH2O （饱和蒸汽压） 2、蒸发： 100时：PH2O=0.1013MPa(1atm)实际上：烧结料层中PH2O0.9atm，因此水汽化的沸腾温度低于100。 烧结过程中汽化在120至125完成的原因有： 1）

14、烧结过程传热速度快，烧结混合料快速加热。 2）分子水与固体颗粒之间的结合力大，不易去除。 3、凝结： 水分的再分布，温度是露点：PH2O=PH2O 烧结过程中露点一般为50-60，消除水分凝结的措施是将混合料温提高到露点以上。 4、结晶水分解：分解吸热，增加燃料消耗。 褐铁矿：250至300分解。高岭土（Al2O3SiO22H2O）：400开始分解，500至600大量分解，完成去除结晶水要到1000左右。五、碳酸盐分解及矿化作用 1、分解：CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2 CaCO3：700开始分解，880沸腾分解；大量吸热影响碳酸盐分解的因素有：1）烧结温度：高有利于分

15、解。 2）石灰石粒度：小有利于分解，要求小于3mm。 3）杂质（Al2O3、SiO2、Fe2O3）：少有利于分解。 4）活性：高有利于分解。新破碎。 2、矿化作用：固化反应，形成CaOSiO2、CaOFe2O3等 如果没有发生矿化作用，则会形成白点（CaO） CaO+ H2O= Ca(HO)2 体积膨胀，产生粉化。 影响矿化作用的因素有：1）烧结温度：高有利于矿化。 2）石灰石粒度：小有利于分解，要求小于3mm。 3）矿粉粒度：小有利于分解。 4）活性：高有利于分解。新破碎。 六、固体碳的燃烧 1、特征：1）C少，稀而均匀。重量比3-5%；体积比10%左右。 2）传热条件好。抽风 3）具有一定

16、量的空气过剩系数：=实际耗氧/理论耗氧 2、燃烧过程：完全燃烧与不完全燃烧同时存在 xC+yO2=nCO+mCO2 t978 CO稳定 t1500 CO/ CO2 =2，零级反应 烧结过程温度实际处在1200-1500，CO/ CO2 =1-2之间，中间过渡状态，烧结废气中CO和CO2 共存。 烧结废气成分为：CO、CO2 、N2、H2、O2 菱铁矿和石灰厂多，则CO2升高；配碳量多，则CO升高，O2降低。 3、空气过剩系数：，一般为1.4-1.5, 定义=实际耗氧/理论耗氧 计算：=N2/（N2-3.762O2） 根据空气过剩系数可以计算烧结漏风率：=（2-1）/2100% 4、烧结料层的气

17、氛条件：根据废气成分确定废气气氛条件 烧结过程中：自由氧为2-6%，是氧化性或弱氧化性气氛。但在固体燃料表面附近，则是还原性气氛。 可以说：烧结过程宏观上氧化性气氛；微观上有还原性气氛。 固体燃料粒度过大时，还原气氛强，要求固体燃料粒度小于3mm70%。 5、固体碳燃烧速度：处于扩散速度范围内固体燃料粒度增加，气流速度提高，气流中含氧增加，则料层温度升高。 七、烧结料层中的热交换 1、自动蓄热作用：定义是热烧结矿将热量传给气体，气体温度上升，然后气体将热量带给下层燃烧带，这种现象称为自动蓄热作用。 自动蓄热作用对燃料带的温度影响很大，可以提供燃烧带全部热量的40%以上。料层越厚，自动蓄热作用越

18、强。 2、垂直烧结速度：定义是燃烧带（高温区）向下移动的速度。与料层内的风量（料层透气性）成正比；是决定烧结矿产量的重要因素。 垂直烧结速度过快；废气传给物料的热量不足，烧结温度降低，烧结矿强度下降，烧结矿成品率下降，烧结矿产量下降。 垂直烧结速度过慢；烧结矿产量下降，颗粒内部热量多，但表面温度低，液相生成量不足。 3、高温区的温度水平：决定于高温区的热平衡和气流与物料间的传热条件。 Q1+Q2+Q3-Q4-Q5 T= - m cQ1：空气显热，kJ。Q2：烧结过程中燃料燃烧放热以及所发生的各种反应的热效应总和，kJQ3：从烧结上层下来的废气中吸收的热量，kJ。Q4：废气带走的热量，kJ。Q5

19、：高温区热损失，kJm ：高温区物料重量，kg。C ：烧结料比热，kJ/kg. 。有关的分析：配碳量增加，石灰石量减少，Q2增加，T升高。烧结过程越往下，Q3增加越多，T升高，抽风烧结的特点。 热风烧结，Q1增加，T升高。最好在烧结过程的前期供热风，因为此时的Q3=0 4、高温区的厚度：高温区是料层透气性最差的一层。 燃烧速度与传热速度的配合对高温区的温度和厚度有重要的影响。 燃烧速度传热速度：废气传入颗粒内部的热量减少，废气温度升高，带走的热量增加，高温区加厚。 燃烧速度传热速度：料层温度最高，高温区厚度最小。 燃料粒度大，则燃烧速度下降，高温区水平下降，高温区厚度增加。 混合料中配碳量增加

20、，高温区水平升高，高温区厚度增加。 八、烧结料层中的气体流动气体流动阻力 P=f(、w、d、H),、w、d、H：分别为孔隙度、气体流速、物料直径、料层高度。有许多计算公式，但这些公式中都包含一些常数。 垂直烧结速度取决于烧结料层在烧结过程中的透气性，不是烧结料层的原始透气性。 烧结矿层：透气性比较好。 燃烧层有液相：P最大，此层越薄越好。预热干燥层：透气性主要取决于干燥后混合料中小球的强度。过湿层：透气性比较差。烧结点火后，烧结矿层未形成，P升高，而后逐渐降低。气流分布均匀，则垂直烧结速度均匀，烧结成品率升高。九、烧结过程中的氧化和还原反应 烧结过程宏观上是氧化气氛，但也存在还原气氛，尤其在配

21、碳量比较高和燃料粒度比较大时比较明显。 1、Fe2O3：在烧结过程中会发生热分解和还原。 3Fe2O3=2Fe3O4+1/2O2 热分解 3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 还原，CO的平衡浓度很低。 若固相反应形成CaOFe2O3系列，则难还原，FeO含量低。 2、Fe3O4：在烧结过程中分解难，但在1300-1350会发生下面的反应 2Fe3O4+3SiO2=3(2FeOSiO2)+O2 在烧结过程中可以还原， Fe3O4+CO=FeO+CO2 900,平衡CO/CO2=3.47 同时也可以发生下面的反应： 3Fe3O4+3SiO2+2CO=3(2FeOSiO2)+2CO2，CaO存

22、在，则不利于2FeOSiO2的形成。 在烧结过程中也可以氧化成Fe2O3：条件是料层透气性好，配碳量比较低，氧化反应是放热反应。 3、FeO：在烧结过程中还原比较困难，只有在配碳量特别高时才有可能。 在烧结过程中可以被氧化成Fe3O4，条件是料层透气性好，配碳量比较低，供氧充足。 4、锰氧化物：MnO2和Mn2O3易进行热分解； Mn3O4不易进行热分解，但可还原成MnO； MnO不易还原。 5、降低FeO的条件：目的是降低烧结矿中的2FeOSiO2的含量。 降低配碳量；热风烧结；提高料层厚度；降低燃料粒度；改善料层透气性；降低SiO2含量；提高CaO含量。十、固相反应：开始温度=（0.8-0

23、.9）T熔点 这时质点具有可移动性，并发生化学反应。影响固相反应的因素有：矿粉粒度；混匀程度；燃料用量；烧结气氛。十一、烧结过程中液相的生成：这些液相就是粘结相，对烧结矿质量和产量有非常重要的影响。 1、铁氧（Fe-O）体系：铁氧化物固溶体。 高品位烧结矿的主要粘结相，脉石成分比较小。 2、FeO-SiO2体系：酸性烧结矿的主要粘结相。烧结矿碱度与高炉炉渣碱度的区别和联系。 2FeOSiO2 熔点：1205 FeOSiO2- FeO 熔点：1177 FeOSiO2- SiO2 熔点：1178特点：强度比较高；但还原性比较差。生成条件：比较低的碱度，有SiO2，比较高的温度；还原性气氛。工艺是燃

24、料用量高。 3、CaO-SiO2体系：熔剂性烧结矿的主要粘结相。 CaOSiO2 熔点：1544 CaOSiO2- SiO2 熔点：1436 2CaOSiO2 熔点：2130 固相反应生成，生成能力强。 3CaOSiO2 熔点：1460 特点：强度比较低；原因是2CaOSiO2有相变问题；不存在还原性问题 830-850 -2CaOSiO2 -2CaOSiO2 体积膨胀12% 675 -2CaOSiO2 -2CaOSiO2 体积膨胀10% 应控制或减少2CaOSiO2的生成量和晶体转变。 生成条件：比较高的碱度，有CaO；高温（生成的液相量是不多的）。 4、CaO-Fe2O3体系：熔剂性烧结矿

25、的主要粘结相。 2CaOFe2O3 熔点：1449 CaOFe2O3 熔点：1216 CaO2Fe2O3 熔点：1226特点：强度比较高；还原性比较好，最好的粘结相。生成条件：1）高碱度，CaO多。 2）低温，因为高温（1300以上）条件下Fe2O3会分解。 3）氧化性气氛，固体燃料配量比较低。 4）SiO2含量比较低，因为SiO2与FeO和CaO的结合力都比较大。此外，针状铁酸钙比片状和柱状铁酸钙的强度高，还原性好。发展针状铁酸钙是烧结发展的一个趋势，低温烧结就是这个目的。 5、CaO-FeO- SiO2体系：熔剂性烧结矿的主要粘结相。典型矿物：黄长石：2CaOFeOSiO2 钙铁辉石：Ca

26、OFeO2SiO2特点：强度比较高；还原性比较差。生成条件：高碱度；高温；还原性气氛。 6、CaO-SiO2-TiO2体系：钒钛磁铁烧结矿的主要粘结相。特点：硬而脆，粉末比较多；还原性比较好。生成条件：钒钛磁铁矿。十二、烧结过程中有害杂质的去除脱S可以达到90%以上；脱F一般为10-15%，最高为40%左右。 1、S的去除：S的存在状态：1）有机S：含量一般比较低，仅在个别年轻煤中含量较高。 2）硫化物：如FeS2、FeS。 3）硫酸盐：如FeSO4、CaSO4、BaSO4等，硫酸盐在新鲜煤中含量极少，在氧化后的煤中含量比较高。 烧结过程脱硫是氧化脱硫，分解只是一小部分。硫化物脱硫的主要反应有

27、： 650 以下 ： 4FeS2+11O2 = 2Fe2O3+8SO2 3FeS2+8O2 = Fe3O4+6SO2 650 以上： 2FeS2 = 2FeS+S2 S+O2= SO2 4FeS+7O2 = 2Fe2O3+4SO2 3FeS+5O2 = Fe3O4+3SO2 1350以下，铁氧化物以生成Fe2O3为主；1350以上，铁氧化物以生成Fe3O4为主。上述反应都是放热反应。 硫化物中的硫去除比较容易，硫酸盐中的硫去除比较困难。但在Fe2O3和SiO2等存在的条件下，CaSO4、BaSO4分解变得容易。 CaSO4+ Fe2O3= CaOFe2O3+ SO2 +1/2O2 吸热 BaS

28、O4+ SiO2 = CaOSiO2+ SO2 +1/2O2 吸热影响烧结过程脱硫的因素： 1）矿粉粒度：粒度细有利于脱硫，原因是有利于氧化，各类矿粉的粒度要求小于10mm。 2）矿石品位：品位高有利于脱硫，品位高则熔点高。 3）烧结矿碱度：碱度低有利于烧结脱硫，烧结脱硫的实现是S进入废气，碱度高有利于形成CaS，没有实现脱硫。 4）燃料用量：恰当则有利于脱硫。燃料多易形成还原性气氛，硫负荷高，不利于烧结脱硫；燃料少烧结温度低，同样不利于脱硫。烧结脱硫发热，1kgFeS2可代替0.3kg含C为80%的焦粉。 5）返矿用量：恰当则有利于脱硫。改善料层透气性，有利于烧结脱硫；液相量增加，不利于脱硫。 2、脱F：2CaF2+SiO2=2CaO+SiF4 CaO不利于去F；SiO2有利于去F；H2有利于去F。F 对人体有害、腐蚀设备。 3、去As:氧化去As，烧透是前提。As有毒。2FeAsS+5O2=Fe2O3+As2O3+2SO24、Pb和Zn的去除燃料增加到10%至11%，脱锌率可以达到20%。加入CaCl2，可以脱除90%左右的铅和65%左右的锌。P在烧结过程中不能去除。第六节 烧结生产工艺 一、烧结配料采用重量法配料，根据配料计算二、混匀与制粒一混的主要作用是混匀；二混的主要作用是造球制粒，要加入一定量的水分。影响混匀和制粒的因素： 1、原料性质：粘性大，比重相差小，粒