第三章_高爐煉鐵工藝(工藝部分)

1、第三章第三章 高爐煉鐵工藝高爐煉鐵工藝 3.1 概述概述 3.2 高爐冶煉原理高爐冶煉原理 3.3 高爐本體及附屬系統(tǒng)高爐本體及附屬系統(tǒng) 3.4 高爐操作高爐操作煉鐵高爐煉鐵非高爐煉鐵渣鐵處理系統(tǒng)煤氣除塵系統(tǒng)噴吹系統(tǒng)礦石 焦炭煤空氣爐渣 鐵水爐塵凈煤氣風(fēng)機熱風(fēng)爐高爐及其附屬系統(tǒng)供料系統(tǒng)送風(fēng)系統(tǒng) 3.1 概述概述魚雷車魚雷車lumpore主輸送帶主輸送帶鼓風(fēng)機鼓風(fēng)機熱風(fēng)爐熱風(fēng)爐除塵器除塵器洗滌器洗滌器煙囪煙囪配料間配料間爐頂回收電爐頂回收電BFG儲槽儲槽冷空氣冷空氣熱風(fēng)熱風(fēng)混合氣混合氣調(diào)濕系統(tǒng)調(diào)濕系統(tǒng)廢氣廢氣鼓風(fēng)嘴鼓風(fēng)嘴出鐵口出鐵口無鐘罩式爐頂無鐘罩式爐頂高爐高爐sintercokeflux高爐

2、作業(yè)流程3.1.1 高爐冶煉過程及其特點高爐冶煉過程及其特點 高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵的還原過程，即焦炭做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石或含鐵原料的鐵，從氧化物或礦物狀態(tài)（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4TiO2等）還原為液態(tài)生鐵。 冶煉過程中，爐料（礦石、熔劑、焦炭）按照確定的比例通過裝料設(shè)備分批地從爐頂裝入爐內(nèi)。從下部風(fēng)口鼓入的高溫?zé)犸L(fēng)與焦炭發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫還原性煤氣上升，并使?fàn)t料加熱、還原、熔化、造渣，產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，最后生成液態(tài)渣、鐵聚集于爐缸，周期地從高爐排出。上升過程中，煤氣流溫度不斷降低，成分逐漸變化，最后形成高爐煤氣從爐頂排出。 高爐冶煉特點高爐冶煉

3、特點 (1)高爐冶煉是在爐料與煤氣流逆向運動過程中完成各種錯高爐冶煉是在爐料與煤氣流逆向運動過程中完成各種錯綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理變化的，爐內(nèi)主要是還原性氣氛。綜復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理變化的，爐內(nèi)主要是還原性氣氛。 (2)高爐是密閉的容器，除裝料、出鐵、出渣及煤氣外，操高爐是密閉的容器，除裝料、出鐵、出渣及煤氣外，操作人員無法直接觀察到反應(yīng)過程的狀況。只能憑借儀器儀表間作人員無法直接觀察到反應(yīng)過程的狀況。只能憑借儀器儀表間接觀察爐內(nèi)狀況。接觀察爐內(nèi)狀況。 (3)高爐是連續(xù)的、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過程，機械化和自動高爐是連續(xù)的、大規(guī)模的高溫生產(chǎn)過程，機械化和自動化水平較高?；捷^高。3.1.2 高爐

4、煉鐵的原料和產(chǎn)品高爐煉鐵的原料和產(chǎn)品 高爐冶煉的主要原料是鐵礦石、燃料、鼓風(fēng)。 高爐冶煉的主要產(chǎn)品是生鐵、高爐渣和高爐煤氣。高爐渣和高爐煤氣為副產(chǎn)品。 生鐵生鐵 生鐵可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵。煉鋼生鐵供轉(zhuǎn)爐、電爐煉鋼使用。鑄造生鐵則主要用于生產(chǎn)耐壓鑄件。 生鐵是Fe與C及其它一些元素的合金。通常，生鐵含F(xiàn)e 94%左右，C 4%左右。其余為Si、Mn、P、S等少量元素。 一般來說，生鐵和鋼的化學(xué)成分主要差別是含碳含碳量量。鋼中含碳量最高不超過2.11%。高爐生鐵含碳量在2.54.5%范圍，鑄鐵中不超過5.0%（此時Fe3C含量約占75%，當(dāng)鑄鐵中Fe3C達100%時，其含碳量為6.67%）。當(dāng)

5、鑄鐵中C5.0%時，鑄鐵甚脆，沒有實用價值。而含碳量在1.62.5%之間的鋼鐵材料，由于缺乏實用性，一般不進行工業(yè)生產(chǎn)。 煉鋼生鐵作為轉(zhuǎn)爐熱裝煉鋼的原料，約占生鐵產(chǎn)量的8090%。鑄造生鐵，又稱為翻砂鐵或灰口鐵，用于鑄件生產(chǎn)。其主要特點是含硅較高，在1.254.25%之間。硅在生鐵中能促進石墨化，即使化合碳游離成石墨碳，增強鑄件的韌性和耐沖擊性并易于切削加工。鑄造生鐵約占生鐵產(chǎn)量的10%左右。 高爐還可生產(chǎn)特殊生鐵，如錳鐵、硅鐵、鏡鐵（含1025%Mn）、硅鏡鐵（含913%Si，1824%Mn）等，主要用作煉鋼脫氧劑和合金化劑。 此外，生鐵中還可能含有部分微量元素。生鐵中微量元素含量常以T為指

6、標(biāo)： T= Pb +Sn +Sb +As +Ti +V +Cr +Zn 含微量元素很低的“高純生鐵”T0.1%。國內(nèi)外適宜生產(chǎn)高純生鐵的礦源稀少。我國本鋼生鐵素有“人參鐵”之稱。它除P、S極低外，微量元素亦很低。其T0.08%，屬國際高純生鐵范疇。 高爐渣高爐渣 由于冶煉礦石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我國大中型高爐的單位生鐵渣量在0.30.5t之間。高爐渣主要成分是Ca、Mg、Si、Al的氧化物，其工業(yè)用途廣泛。如在爐前急冷粒化成水渣，作成水泥和建筑材料；酸性渣還可在爐前用蒸汽吹成渣棉，作絕熱材料。 冶煉多元素共生的復(fù)合礦時，爐渣中常富集有多種元素（如稀土、鈦等）。這類爐渣可進一步利用。 高

7、爐煤氣高爐煤氣 冶煉每噸生鐵可產(chǎn)生16003000m3的高爐煤氣，其中含有約20%25%的CO，13%的H2，還有少量甲烷（CH4）等可燃?xì)怏w。從高爐排出的煤氣中含有大量的爐料粉塵，經(jīng)過除塵處理可使含塵量降到1020mg/m3。除塵處理后的高爐煤氣發(fā)熱值約為33503770kJ/m3，是良好的氣體燃料。但高爐冶煉產(chǎn)生的煤氣量、成分及發(fā)熱值與高爐操作參數(shù)及產(chǎn)品種類有關(guān)。如高爐冶煉鐵合金時煤氣中幾乎沒有CO2。 高爐煤氣是鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的重要二次能源，主要用作熱風(fēng)爐燃料，還可供動力、煉焦、燒結(jié)、煉鋼、軋鋼等部門使用。3.1.3 高爐生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)高爐生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 高爐生產(chǎn)的技術(shù)水平和經(jīng)

8、濟效果可用如下技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)來衡量： 有效容積利用系數(shù)() 是指每立方米高爐有效容積、每晝夜生產(chǎn)的合格生鐵量。式中：P生鐵日產(chǎn)量；V高爐有效容積，m3 焦比（K） 是生產(chǎn)1噸生鐵所消耗的干焦炭重量。顯然，焦比愈低愈好。 式中：Q每日消耗焦炭量，kg/d。 在噴吹燃料時，高爐的的能耗情況用燃料比（燃料比（K燃燃）表示，即每噸生鐵耗用各種入爐燃料之總和。 K燃（焦炭+煤粉+重油+）kg/t 噴吹燃料按對置換比折算為相應(yīng)的干焦（K）與實際耗用的焦炭量（焦比K）之和稱為綜合焦比綜合焦比（K綜）綜）。 K綜（K + K）kg/t 冶煉強度（I） 每m3高爐有效容積每天消耗焦炭的重量。 利用系數(shù)、焦比和冶煉

9、強度三者之間的關(guān)系為： 生鐵合格率生鐵合格率 合格生鐵量占高爐總產(chǎn)量的百分?jǐn)?shù)。此外，優(yōu)質(zhì)生鐵占生鐵總量的百分?jǐn)?shù)稱為優(yōu)質(zhì)率。合格率和優(yōu)質(zhì)率都是生鐵質(zhì)量指標(biāo)。對生鐵質(zhì)量的考查主要看其化學(xué)成分（如S和Si）是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)。 休風(fēng)率休風(fēng)率 高爐休風(fēng)時間占規(guī)定作業(yè)時間的百分?jǐn)?shù)。 生鐵成本生鐵成本 生產(chǎn)1噸生鐵所需的費用。 高爐一代壽命（爐齡）高爐一代壽命（爐齡） 從高爐點火開爐到停爐大修之間的歷程，或高爐相鄰兩次大修之間的冶煉時間叫做高爐一代壽命。3.2高爐冶煉原理3.2.1 高爐內(nèi)各區(qū)域進行的主要反應(yīng)高爐內(nèi)各區(qū)域進行的主要反應(yīng) 為了弄清高爐內(nèi)各部分的反應(yīng)及變化規(guī)律，人們曾多為了弄清高爐內(nèi)各部分的反應(yīng)

10、及變化規(guī)律，人們曾多次對正在運行中的高爐突然停爐，并用水或氮氣進行次對正在運行中的高爐突然停爐，并用水或氮氣進行急冷，使?fàn)t內(nèi)物料保持生產(chǎn)時的原狀，然后對其解剖急冷，使?fàn)t內(nèi)物料保持生產(chǎn)時的原狀，然后對其解剖分析，以揭示高爐內(nèi)部的奧秘。大量解剖研究表明，分析，以揭示高爐內(nèi)部的奧秘。大量解剖研究表明，爐料常降過程分布是呈爐料常降過程分布是呈層狀層狀的，直至下部熔化區(qū)域，的，直至下部熔化區(qū)域，但爐料中焦炭在燃燒前始終處于固體狀態(tài)而不軟化熔但爐料中焦炭在燃燒前始終處于固體狀態(tài)而不軟化熔化。由下圖可知，高爐冶煉過程大致可分為塊狀、軟化。由下圖可知，高爐冶煉過程大致可分為塊狀、軟熔、滴落、焦炭回旋和爐缸五帶

11、。熔、滴落、焦炭回旋和爐缸五帶。高爐冶煉過程中爐內(nèi)爐料下降過程狀態(tài)的變化高爐冶煉過程中爐內(nèi)爐料下降過程狀態(tài)的變化高爐內(nèi)各區(qū)域主要反應(yīng)及特征高爐內(nèi)各區(qū)域主要反應(yīng)及特征3.2.2燃燒反應(yīng)燃燒反應(yīng) 高爐內(nèi)然料燃燒的意義高爐內(nèi)然料燃燒的意義高爐冶煉的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素。除少數(shù)消耗高爐冶煉的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素。除少數(shù)消耗于直接還原和溶入生鐵外，絕大部分下降至風(fēng)口與熱風(fēng)中的于直接還原和溶入生鐵外，絕大部分下降至風(fēng)口與熱風(fēng)中的氧進行燃燒反應(yīng)。從風(fēng)口噴吹的燃料也在風(fēng)口前燃燒。燃氧進行燃燒反應(yīng)。從風(fēng)口噴吹的燃料也在風(fēng)口前燃燒。燃料燃燒放出大量的熱，并產(chǎn)生高溫還原性氣體料燃燒放出大量的熱，

12、并產(chǎn)生高溫還原性氣體(CO,H2)，保，保證了爐料的加熱、分解、還原、熔化、造渣等爐缸內(nèi)渣鐵反證了爐料的加熱、分解、還原、熔化、造渣等爐缸內(nèi)渣鐵反應(yīng)的進行。應(yīng)的進行。 高爐冶煉的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降過程中參加高爐冶煉的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降過程中參加直接還原和滲人生鐵外，約直接還原和滲人生鐵外，約70%進行燃燒反應(yīng)。此外還有從進行燃燒反應(yīng)。此外還有從風(fēng)口噴入的燃料風(fēng)口噴入的燃料(重油、天然氣、煤粉重油、天然氣、煤粉)中的碳等均在風(fēng)口前中的碳等均在風(fēng)口前發(fā)生燃燒反應(yīng)。發(fā)生燃燒反應(yīng)。 完全燃燒：完全燃燒： 不完全然燒：不完全然燒： 高爐內(nèi)燃燒反應(yīng)在焦炭過剩條件下進行，即使在氧

13、充足處產(chǎn)高爐內(nèi)燃燒反應(yīng)在焦炭過剩條件下進行，即使在氧充足處產(chǎn)生的生的CO2也會與固體碳進行氣化反應(yīng)，如下式：也會與固體碳進行氣化反應(yīng)，如下式： 熱風(fēng)帶入的氮在整個過程中不參與反應(yīng)、帶入的水分在高溫?zé)犸L(fēng)帶入的氮在整個過程中不參與反應(yīng)、帶入的水分在高溫下與碳發(fā)生反應(yīng)：下與碳發(fā)生反應(yīng)： 理論燃燒溫度理論燃燒溫度 理論燃燒溫度理論燃燒溫度，即風(fēng)口前焦炭燃燒所能達到的最高平均溫，即風(fēng)口前焦炭燃燒所能達到的最高平均溫度，也即爐缸煤氣尚未與爐料參與熱交換前的原始溫度。度，也即爐缸煤氣尚未與爐料參與熱交換前的原始溫度。 理論燃燒溫度是高爐操作中重要的參考指標(biāo)。通常為提高理理論燃燒溫度是高爐操作中重要的參考指標(biāo)

14、。通常為提高理論燃燒溫度可采取的主要措施，包括：論燃燒溫度可采取的主要措施，包括： (1)提高鼓風(fēng)溫度；提高鼓風(fēng)溫度； (2)提高鼓風(fēng)中氧氣含量；提高鼓風(fēng)中氧氣含量； (3)降低鼓風(fēng)濕度；降低鼓風(fēng)濕度； (4)減少噴吹量；減少噴吹量； (5)減少爐缸煤氣體積。減少爐缸煤氣體積。隨著高爐冶煉強度的提高和風(fēng)速隨著高爐冶煉強度的提高和風(fēng)速增大增大(I00200 m/s) 焦炭在風(fēng)口焦炭在風(fēng)口前隨氣流一起運動，形成一個非前隨氣流一起運動，形成一個非靜止的、疏散的、近似球形的自靜止的、疏散的、近似球形的自由空間，稱為由空間，稱為風(fēng)口回旋區(qū)風(fēng)口回旋區(qū)。回旋區(qū)和燃燒帶回旋區(qū)和燃燒帶風(fēng)口回旋區(qū)示意圖風(fēng)口回旋區(qū)

15、示意圖在回旋區(qū)外圍有一層厚在回旋區(qū)外圍有一層厚100300 mm的中間層，此層焦炭既受高速煤氣流的中間層，此層焦炭既受高速煤氣流的沖擊作用，又受阻于外圍包裹的緊的沖擊作用，又受阻于外圍包裹的緊密焦炭，比較疏松，但又不能和煤氣密焦炭，比較疏松，但又不能和煤氣流一起運動。回旋區(qū)和中間層組成焦流一起運動?；匦齾^(qū)和中間層組成焦炭在爐缸內(nèi)進行碳燃燒反應(yīng)的區(qū)域稱炭在爐缸內(nèi)進行碳燃燒反應(yīng)的區(qū)域稱為為燃燒帶燃燒帶。爐缸截面上燃燒帶的分布爐缸截面上燃燒帶的分布 影響燃燒帶大小的因素影響燃燒帶大小的因素主要有：主要有： 鼓風(fēng)動能鼓風(fēng)動能 指鼓風(fēng)克服風(fēng)口前料層阻力向爐缸中心擴大和穿透的能指鼓風(fēng)克服風(fēng)口前料層阻力向爐

16、缸中心擴大和穿透的能力。應(yīng)控制合理。力。應(yīng)控制合理。 燃燒反應(yīng)速度燃燒反應(yīng)速度 燃燒反應(yīng)速度提高，燃燒帶縮小。一般情況下，風(fēng)溫提燃燒反應(yīng)速度提高，燃燒帶縮小。一般情況下，風(fēng)溫提高。燃燒反應(yīng)速度加快，燃燒反應(yīng)時間減少，燃燒帶長度減高。燃燒反應(yīng)速度加快，燃燒反應(yīng)時間減少，燃燒帶長度減??；鼓風(fēng)中氧增加，燃燒反應(yīng)速度加快，燃燒反應(yīng)時間減少，??；鼓風(fēng)中氧增加，燃燒反應(yīng)速度加快，燃燒反應(yīng)時間減少，燃燒帶長度減小。燃燒帶長度減小。 爐缸料柱壓力爐缸料柱壓力 爐缸內(nèi)料柱疏松，燃燒帶延長；反之，燃燒帶縮小。爐缸內(nèi)料柱疏松，燃燒帶延長；反之，燃燒帶縮小。 焦炭性質(zhì)焦炭粒度、氣孔度、反應(yīng)性等對燃燒帶大小也焦炭性質(zhì)焦

17、炭粒度、氣孔度、反應(yīng)性等對燃燒帶大小也有一定的影響。有一定的影響。3.2.3 爐料的蒸發(fā)、揮發(fā)和分解爐料的蒸發(fā)、揮發(fā)和分解入爐的爐料首先受到上升煤氣流的加熱作用，進行水分的蒸入爐的爐料首先受到上升煤氣流的加熱作用，進行水分的蒸發(fā)、結(jié)晶水的分解、揮發(fā)物的揮發(fā)和碳酸鹽的分解。發(fā)、結(jié)晶水的分解、揮發(fā)物的揮發(fā)和碳酸鹽的分解。l 水分的蒸發(fā)和結(jié)晶水的分解水分的蒸發(fā)和結(jié)晶水的分解爐料中水分存在形式爐料中水分存在形式以吸附水和結(jié)晶水兩種形式。以吸附水和結(jié)晶水兩種形式。吸附水吸附水加熱到加熱到105時迅速干燥和蒸發(fā)。吸附水的蒸發(fā)吸熱使時迅速干燥和蒸發(fā)。吸附水的蒸發(fā)吸熱使煤氣體積縮小，煤氣流速降低，減少了爐塵的

18、吹出量，同時對煤氣體積縮小，煤氣流速降低，減少了爐塵的吹出量，同時對爐頂裝料設(shè)備和爐頂設(shè)備維護帶來好處。爐頂裝料設(shè)備和爐頂設(shè)備維護帶來好處。結(jié)晶水結(jié)晶水也稱化合水，一般存在于褐鐵礦也稱化合水，一般存在于褐鐵礦(nH2OFe2O3)和高嶺和高嶺土土(Al2O32 SiO22 H2O)中隨著溫度升高到中隨著溫度升高到400600,結(jié)晶水結(jié)晶水在爐內(nèi)大量分解。在爐內(nèi)大量分解。l 揮發(fā)物的揮發(fā)揮發(fā)物的揮發(fā) 揮發(fā)物的揮發(fā)包括燃料中揮發(fā)物的揮發(fā)和高爐內(nèi)其他物質(zhì)的揮發(fā)物的揮發(fā)包括燃料中揮發(fā)物的揮發(fā)和高爐內(nèi)其他物質(zhì)的揮發(fā)，對于煤氣成分和冶煉過程影響不大，但在高爐噴吹條揮發(fā)，對于煤氣成分和冶煉過程影響不大，但在

19、高爐噴吹條件下，引起爐缸煤氣成分的明顯變化，對還原也有影響。所件下，引起爐缸煤氣成分的明顯變化，對還原也有影響。所以應(yīng)盡可能把燃料中的揮發(fā)物控制在下限水平。以應(yīng)盡可能把燃料中的揮發(fā)物控制在下限水平。 除燃料中的揮發(fā)物外，還有一些化合物和元素進行揮發(fā)或循除燃料中的揮發(fā)物外，還有一些化合物和元素進行揮發(fā)或循環(huán)富集，包括：環(huán)富集，包括： (1)還原產(chǎn)物還原產(chǎn)物:S,P,As,K,Na,Zn,Pb,Mn等；等； (2)還原中間產(chǎn)物：還原中間產(chǎn)物：SiO, PbO, K2O,Na2O等；等； (3)高爐內(nèi)新生化合物：高爐內(nèi)新生化合物：SiS,CS等。等。 另外爐料帶入的另外爐料帶入的CaF2等元素和化合

20、物的揮發(fā)也會對高爐爐等元素和化合物的揮發(fā)也會對高爐爐況和爐襯產(chǎn)生影響。況和爐襯產(chǎn)生影響。l碳酸鹽的分解碳酸鹽的分解高爐內(nèi)碳酸鹽主要以高爐內(nèi)碳酸鹽主要以CaCO3 , MgCO3 、FeCO3, MnCO3等形等形式存在，并以熔劑中的式存在，并以熔劑中的CaCO3為主。為主。石灰石分解后，大致有石灰石分解后，大致有50%以上以上CO2參加反應(yīng)，此反應(yīng)的發(fā)生參加反應(yīng)，此反應(yīng)的發(fā)生對于高爐冶煉將產(chǎn)生一定的危害；反應(yīng)耗熱，反應(yīng)耗碳使焦比對于高爐冶煉將產(chǎn)生一定的危害；反應(yīng)耗熱，反應(yīng)耗碳使焦比升高，反應(yīng)產(chǎn)物升高，反應(yīng)產(chǎn)物CO2沖淡了還原氣氛。為減少其危害通?？刹蓻_淡了還原氣氛。為減少其危害通?？刹捎萌蹌┬?/p>

21、燒結(jié)礦或球團礦，不加或少加石灰石，縮小礦石粒度用熔劑性燒結(jié)礦或球團礦，不加或少加石灰石，縮小礦石粒度等措施來降低焦比。等措施來降低焦比。3.2.4 還原反應(yīng)還原反應(yīng) 還原反應(yīng)是高爐內(nèi)的主要反應(yīng)，還原反應(yīng)所需要的熱量約占還原反應(yīng)是高爐內(nèi)的主要反應(yīng)，還原反應(yīng)所需要的熱量約占爐內(nèi)總熱量需求的爐內(nèi)總熱量需求的50%左右。左右。l 還原的基本原理還原的基本原理 還原反應(yīng)的基本通式還原反應(yīng)的基本通式: MeO+X = Me+XO式中式中MeO被還原金屬氧化物被還原金屬氧化物; X還原劑還原劑; Me還原產(chǎn)物還原產(chǎn)物; XO氧化產(chǎn)物。氧化產(chǎn)物。 高爐煉鐵常用的還原劑主要是高爐煉鐵常用的還原劑主要是CO、H2

22、和和C。 鐵氧化物的還原鐵氧化物的還原 高爐內(nèi)的鐵氧化物主要有高爐內(nèi)的鐵氧化物主要有Fe2O3, Fe3O4,FeCO3, Fe2SiO4, FeS2等，但最后都是經(jīng)等，但最后都是經(jīng)FeO形態(tài)被還原成金屬鐵。形態(tài)被還原成金屬鐵。 鐵氧化物還原的基本反應(yīng)在低溫區(qū)和中溫區(qū), 570 t1000，用CO還原:間接還原 用H2還原:間接還原 間接還原反應(yīng)間接還原反應(yīng) 除了Fe2O3Fe3O4之外，其余都為可逆反應(yīng)，并在一定溫 度下達到平衡 由于是可逆反應(yīng)，還原劑不可能被全部利用，因此需要一定的濃度 Fe2O3分解壓力較大，可以全部被CO全部還原為Fe3O4，由于反應(yīng)很容易進行對冶煉過程無影響，一般不加

23、以討論 各種鐵氧化物的還原與分解順序：各種鐵氧化物的還原與分解順序： 3Fe2O3 2Fe3O4 6FeO 6Fe 一半以上的氧是從一半以上的氧是從FeO Fe ，所以，所以FeO的還原意義重大。的還原意義重大。 溫度小于溫度小于570時還原順序為：時還原順序為：Fe2O3Fe3O4 Fe 溫度大于溫度大于570時還原順序為：時還原順序為： Fe2O3Fe3O4 FeO Fe 還原鐵氧化物在溫度不超過還原鐵氧化物在溫度不超過9001000的高爐中上部，鐵的高爐中上部，鐵氧化物中的氧被煤氣中的氧化物中的氧被煤氣中的CO和和H2奪取而生成奪取而生成CO2和和H2的反的反應(yīng)稱為應(yīng)稱為間接還原反應(yīng)間接

24、還原反應(yīng)。 用用CO作還原劑，存在如下反應(yīng)：作還原劑，存在如下反應(yīng)： 當(dāng)當(dāng)T570時，還原反應(yīng)分兩步時，還原反應(yīng)分兩步當(dāng)當(dāng)T570時，還原反應(yīng)分三步時，還原反應(yīng)分三步 CO間接還原反應(yīng)的限度：從熱力學(xué)可知，G主要是解決反應(yīng)的可能性問題，而平衡常數(shù)K主要是解決反應(yīng)的限度問題。對以上反應(yīng)，平衡常數(shù)的計算方法如下：%22COCOppKCOCOPPPKCOCOCOCOKCOCO1100%1%100%100%CO100CO%100%22則：所以：故：又： CO間接還原反應(yīng)的特點 由圖可看出，曲線a、c、d向上斜，曲線b向下斜，前者為放熱反應(yīng)，后者為吸熱反應(yīng)，三個放熱反應(yīng)一個吸熱反應(yīng)。 b 、 d 、 c

25、三條曲線交于570，形成叉形圖，在此溫度下， Fe 、 FeO 和Fe3O4三固相平衡共存。曲線把圖像分為四個區(qū)域，分別表示Fe 、 FeO 、 Fe3O4和 Fe2O3穩(wěn)定存在的范圍。從而可以判斷各個區(qū)域穩(wěn)定存在的凝聚相。 FeO的還原具有特殊的意義，F(xiàn)eO+COFeCO2反應(yīng)的平衡曲線位置最高，說明它平衡要求的CO最多，所以FeO最難還原。例如900時，用CO60的煤氣（COCO2100）不可能將FeO還原成Fe，但完全可以將Fe3O4還原成FeO。根據(jù)煤氣在爐內(nèi)分布特點可知，F(xiàn)eO的還原主要產(chǎn)生在高爐的中下部，而Fe3O4還原成FeO，以及Fe2O3還原成Fe3O4主要在高爐的上部。根據(jù)

26、高爐內(nèi)煤氣與爐料運動的特點，高溫的CO在風(fēng)口前端上升過程中首先把FeO還原為Fe，而剩余的CO也完全可以把Fe3O4還原成FeO。因此高爐的化學(xué)能利用率很高。 用用H2作還原劑，反應(yīng)如下：作還原劑，反應(yīng)如下：當(dāng)當(dāng)T570時，還原反應(yīng)分兩步：時，還原反應(yīng)分兩步：當(dāng)當(dāng)T570時，還原反應(yīng)分三步：時，還原反應(yīng)分三步： H2間接還原反應(yīng)的特點 由圖可看出，曲線1、2、3向下斜，曲線4(線未畫)出向上斜，前者為吸熱反應(yīng)，后者為放熱反應(yīng)，三個吸熱反應(yīng)一個放熱反應(yīng)。 1 、 2、 3三條曲線交于570，形成叉形圖，在此溫度下， Fe 、 FeO 和Fe3O4三固相平衡共存。曲線把圖像分為四個區(qū)域，分別表示F

27、e 、 FeO 、 Fe3O4和 Fe2O3穩(wěn)定存在的范圍。從而可以判斷各個區(qū)域穩(wěn)定存在的凝聚相。H2與CO還原的氣相平衡組成圖當(dāng)溫度低于810：PH2O/PH2PCO2/PCO 與CO還原一樣，均屬間接還原。反應(yīng)前后氣相體積沒有變化，即反應(yīng)不受壓力影響。 除Fe2O3,的還原外，F(xiàn)e3O4、FeO的還原均為可逆反應(yīng)。在一定溫度下有固定的平衡氣相成分，為了鐵的氧化物還原徹底，都需要過量的還原劑。 CO還原是三個放熱反應(yīng)一個吸熱反應(yīng)； H2的還原是三個吸熱反應(yīng)一個放熱反應(yīng)。 從熱力學(xué)因素看810 以上時H2的還原能力高于CO還原能力， 810 以下時，則相反。 據(jù)統(tǒng)計。在入爐總H2量中，約有30

28、%50%的H2參加還原反應(yīng)并變?yōu)镠2O，而大部分H2則隨煤氣逸出護外。 如何提高H2的利用率，是改善還原強化冶煉的一個重要課題。實踐表明，H2在高爐下部高溫區(qū)域還原反應(yīng)激烈，為在爐內(nèi)參加還原H2量的85100，而直接代替C還原的H2約占爐內(nèi)參加還原H2量的80%以上，另一少部分則代替了CO的還原。 H2與CO的還原相比有以下特點: 從反應(yīng)的動力學(xué)看， H2與其反應(yīng)產(chǎn)物H2O的分子半徑均比CO與其反應(yīng)產(chǎn)物CO2的分子半徑小，因而擴散能力強。以此說明不論在低溫或高溫下，H2還原反應(yīng)速度都比CO還原反應(yīng)速度快。 在高爐冶煉條件下，H2還原鐵氧化物時，還可促進CO和C還原反應(yīng)的加速進行。因為H2還原時

29、的產(chǎn)物H2O會同CO和CO2作用放出氧。而H2又重新被還原出來。繼續(xù)參加還原反應(yīng)。如此，H2在CO和C的還原過程中，把從鐵氧化物中奪取的氧又傳給了CO或C起著中間媒介傳遞作用。 用碳作還原劑高爐內(nèi)用碳作還原劑還原鐵氧化物生成氣用碳作還原劑高爐內(nèi)用碳作還原劑還原鐵氧化物生成氣相產(chǎn)物相產(chǎn)物CO的反應(yīng)稱為直接還原反應(yīng)。其反應(yīng)式為的反應(yīng)稱為直接還原反應(yīng)。其反應(yīng)式為: FeO+ C= Fe+CO 礦石在軟化和熔化之前與焦炭的接觸面積很小，反應(yīng)的速度則很慢。所以直接還原反應(yīng)受到限制。在高溫區(qū)進行的直接還原實際上是通過下述兩個步驟進行：CO2+C=CO 這個反應(yīng)成為碳的氣化反應(yīng)，是一個強的吸熱反應(yīng)。 碳的氣

30、化反應(yīng)不僅與溫度、壓力有關(guān)，還與焦炭的反應(yīng)性有關(guān)。據(jù)測定，一般冶金焦炭在800 時開始?xì)饣磻?yīng)，到1100時激烈進行。此時氣相中CO幾乎達100而CO2幾乎為零。這樣可認(rèn)為高爐內(nèi)低于800的低溫區(qū)不存在碳的氣化反應(yīng)也就不存在直接還原，故稱間接還原區(qū)域。大于1100 時氣相中不存在有CO2，也可認(rèn)為不存在間接還原，所以把這區(qū)域叫直接還原區(qū)。而在8001100 的中溫區(qū)為二者還原反應(yīng)都存在的區(qū)域。l 非鐵元素的還原非鐵元素的還原 高爐內(nèi)除鐵元素外還有錳、硅、磷等元素的還原。根據(jù)各氧高爐內(nèi)除鐵元素外還有錳、硅、磷等元素的還原。根據(jù)各氧化物分解壓大小，可知銅、砷、鈷、鎳在高爐內(nèi)幾乎全部被還化物分解壓大

31、小，可知銅、砷、鈷、鎳在高爐內(nèi)幾乎全部被還原；錳、礬、硅、鈦等較難還原，只有部分進入生鐵。原；錳、礬、硅、鈦等較難還原，只有部分進入生鐵。 (1) 錳的還原錳的還原錳一般由錳礦帶入，有的由礦石帶入，錳氧化物還原與鐵類似，錳一般由錳礦帶入，有的由礦石帶入，錳氧化物還原與鐵類似，由高價向低價逐級還原。由高價向低價逐級還原。6MnO23Mn2O3 2Mn3O4 6MnO 6Mn氣體還原劑氣體還原劑CO和和H2把把MnO2還原為低價還原為低價Mn比較容易，但只能比較容易，但只能由直接還原方式還原為由直接還原方式還原為Mn，其開始還原溫度在，其開始還原溫度在10002000之間，其反應(yīng)如下：之間，其反應(yīng)

32、如下：冶煉普通生鐵時冶煉普通生鐵時Mn有有40%60%進入生鐵，進入生鐵，5%10%揮發(fā)進入揮發(fā)進入煤氣，其余進入爐渣。煤氣，其余進入爐渣。(2) 硅的還原硅的還原 高爐中硅主要來源于礦石中脈石和焦炭灰分中的高爐中硅主要來源于礦石中脈石和焦炭灰分中的SiO2 或或硅酸鹽硅酸鹽,為穩(wěn)定化合物，比為穩(wěn)定化合物，比Fe，Mn難還原。難還原。Si只能在下部只能在下部高溫區(qū)高溫區(qū)(1300)以直接還原方式進行，且是逐級進行的。以直接還原方式進行，且是逐級進行的。 當(dāng)當(dāng)T1500時，時， 當(dāng)當(dāng)T 1500時，時， Si的的還原是強吸熱反應(yīng)，一般還原出1kgSi需熱量約相當(dāng)于從Fe0中還原出1kgFe所需熱

33、量的8倍。所以生鐵中含Si量愈高，爐溫也升高，生產(chǎn)中常以生鐵含Si的高低來反應(yīng)爐溫變化。 還原出來的硅能與鐵在高溫下形成穩(wěn)定的硅化物還原出來的硅能與鐵在高溫下形成穩(wěn)定的硅化物FeSi溶溶解于鐵中，降低了還原時的熱消耗和還原溫度，從而有利解于鐵中，降低了還原時的熱消耗和還原溫度，從而有利于硅的還原。在冶煉普通煉鋼生鐵是只有于硅的還原。在冶煉普通煉鋼生鐵是只有510%被還原被還原進入生鐵。我國的進入生鐵。我國的Si含量約在含量約在0.40.8%。 (3) 磷的還原磷的還原 爐料中的磷主要以磷酸鈣爐料中的磷主要以磷酸鈣 (CaO)3P2O5 (又稱磷石灰又稱磷石灰)形態(tài)形態(tài)存在，有時也以磷酸鐵存在，

34、有時也以磷酸鐵(FeO)3 P2O5 (又稱藍鐵礦又稱藍鐵礦)形態(tài)存形態(tài)存在。藍鐵礦鐵礦脫水后較容易還原，磷酸鈣是一種很穩(wěn)定在。藍鐵礦鐵礦脫水后較容易還原，磷酸鈣是一種很穩(wěn)定的化合物，在高爐內(nèi)能與渣中的化合物，在高爐內(nèi)能與渣中SiO2作用，使作用，使P2O5游離出游離出來。由于來。由于P2O5易揮發(fā)，與焦炭有良好的接觸條件，有利易揮發(fā)，與焦炭有良好的接觸條件，有利于被于被C還原，還原出來的還原，還原出來的P溶入鐵中生成溶入鐵中生成Fe3P。高爐冶煉過程中磷為難還原元素且反應(yīng)吸熱量大，高爐冶煉過程中磷為難還原元素且反應(yīng)吸熱量大，P在高在高爐內(nèi)幾乎可以爐內(nèi)幾乎可以100%被還原進入生鐵因此降低生鐵

35、中含磷被還原進入生鐵因此降低生鐵中含磷量的唯一途徑是控制爐料中的含磷量。量的唯一途徑是控制爐料中的含磷量。 (4) 鉛、鋅、砷的還原我國的一些鐵礦石中含有鉛、鋅、砷鉛、鋅、砷的還原我國的一些鐵礦石中含有鉛、鋅、砷等元素，這些元素在高爐冶煉條件下易還原。還原出來的等元素，這些元素在高爐冶煉條件下易還原。還原出來的這些元素會對生鐵質(zhì)量和高爐本身產(chǎn)生一定的影響。這些元素會對生鐵質(zhì)量和高爐本身產(chǎn)生一定的影響。對于鐵氧化物反應(yīng)，動力學(xué)是說明反應(yīng)是通過什么步驟進行對于鐵氧化物反應(yīng)，動力學(xué)是說明反應(yīng)是通過什么步驟進行(反應(yīng)機理反應(yīng)機理)，以及反應(yīng)速度和反應(yīng)達到平衡所需時間的科學(xué)。，以及反應(yīng)速度和反應(yīng)達到平衡

36、所需時間的科學(xué)。目前為止能比較全面解釋鐵氧化物整個還原過程的理論是未反目前為止能比較全面解釋鐵氧化物整個還原過程的理論是未反應(yīng)核模型理論。這種理論認(rèn)為鐵氧化物從高價到低價逐級還應(yīng)核模型理論。這種理論認(rèn)為鐵氧化物從高價到低價逐級還原，隨著反應(yīng)的進行，未反應(yīng)核心逐漸縮小，直到完全消失，原，隨著反應(yīng)的進行，未反應(yīng)核心逐漸縮小，直到完全消失，整個反應(yīng)過程按以下順序進行整個反應(yīng)過程按以下順序進行:(1) 還原氣體外擴散還原氣體外擴散;(2) 還原氣體內(nèi)擴散還原氣體內(nèi)擴散;(3) 還原氣體被界面吸附還原氣體被界面吸附;(4) 界面化學(xué)反應(yīng)界面化學(xué)反應(yīng);(5) 氧化氣體的脫附氧化氣體的脫附;(6) 氧化氣體

37、內(nèi)擴散氧化氣體內(nèi)擴散;(7) 氧化氣體外擴散。氧化氣體外擴散。 3.2.5 還原反應(yīng)動力學(xué)還原反應(yīng)動力學(xué)礦球反應(yīng)過程模型礦球反應(yīng)過程模型 3.2.6 生鐵的形成和滲碳過程生鐵的形成和滲碳過程在高爐上部己有部分鐵礦石逐漸還原成金屬鐵。隨著溫度的不在高爐上部己有部分鐵礦石逐漸還原成金屬鐵。隨著溫度的不斷升高逐漸有更多的鐵被還原出來，剛還原出來的鐵呈多孔海斷升高逐漸有更多的鐵被還原出來，剛還原出來的鐵呈多孔海綿狀，稱為綿狀，稱為海綿鐵海綿鐵，早期出現(xiàn)的海綿鐵成分較純，幾乎不含，早期出現(xiàn)的海綿鐵成分較純，幾乎不含碳。碳。而高爐內(nèi)生鐵形成的主要特點是經(jīng)過滲碳過程。爐內(nèi)滲碳大致而高爐內(nèi)生鐵形成的主要特點是

38、經(jīng)過滲碳過程。爐內(nèi)滲碳大致可分三個階段：可分三個階段：第一階段：第一階段：海綿鐵的滲碳。海綿鐵的滲碳。當(dāng)溫度當(dāng)溫度到到727，一般在高爐爐身中上部時，固體海綿鐵，一般在高爐爐身中上部時，固體海綿鐵開始發(fā)生如下的滲碳過程：開始發(fā)生如下的滲碳過程：(滲碳量占全部滲碳量的滲碳量占全部滲碳量的1.5%左左右。右。)第二階段第二階段：液態(tài)鐵的滲碳。：液態(tài)鐵的滲碳。經(jīng)初步滲碳的金屬鐵在經(jīng)初步滲碳的金屬鐵在1400左右時與熾熱的焦炭繼續(xù)進行固左右時與熾熱的焦炭繼續(xù)進行固相滲碳，開始熔化為鐵水，穿過焦炭滴入爐缸。熔化后的鐵水相滲碳，開始熔化為鐵水，穿過焦炭滴入爐缸。熔化后的鐵水與焦炭直接接觸的滲碳反應(yīng)：與焦炭

39、直接接觸的滲碳反應(yīng)：(到達爐腹處，生鐵的最終含碳到達爐腹處，生鐵的最終含碳已達已達4%左右左右)。第三階段第三階段：爐缸內(nèi)的滲碳過程。：爐缸內(nèi)的滲碳過程。爐缸部分只進行少量的滲碳，一般只有爐缸部分只進行少量的滲碳，一般只有0.1%0.5%。經(jīng)過以上階段鐵水在向爐缸滴落的過程中，除了滲碳反應(yīng)外，經(jīng)過以上階段鐵水在向爐缸滴落的過程中，除了滲碳反應(yīng)外，還有硅、錳、磷進入生鐵，脫除硫等有害雜質(zhì)。形成最終成分還有硅、錳、磷進入生鐵，脫除硫等有害雜質(zhì)。形成最終成分的生鐵。的生鐵。 爐渣對高爐的爐況和生鐵的質(zhì)量有著決定性的影響。要想煉爐渣對高爐的爐況和生鐵的質(zhì)量有著決定性的影響。要想煉好鐵，必須造好渣好鐵，

40、必須造好渣 爐渣的形成爐渣的形成爐渣的形成要經(jīng)歷由初成渣爐渣的形成要經(jīng)歷由初成渣中間渣中間渣終渣過程，簡述如下：終渣過程，簡述如下： 初成渣的生成初成渣的生成包括固相反應(yīng)、軟化、熔融、滴落幾個階段。軟熔帶中形成液包括固相反應(yīng)、軟化、熔融、滴落幾個階段。軟熔帶中形成液態(tài)初渣。初渣中態(tài)初渣。初渣中(FeO) , ( MnO)含量較高。含量較高。 中間渣的變化中間渣的變化處于滴落過程中成分、溫度不斷變化的爐渣。處于滴落過程中成分、溫度不斷變化的爐渣。處于軟熔帶以下、風(fēng)口平面以上部位。中間渣中處于軟熔帶以下、風(fēng)口平面以上部位。中間渣中(FeO) , ( MnO)含量逐漸減小，含量逐漸減小，( CaO)

41、, ( MgO)含量逐漸增大，爐渣黏度增含量逐漸增大，爐渣黏度增大。大。 3.2.7 高爐爐渣的形成及作用高爐爐渣的形成及作用 爐渣的成分爐渣的成分 冶煉冶煉1t生鐵大致產(chǎn)生生鐵大致產(chǎn)生4001000kg爐渣，國外先進水平爐渣，國外先進水平巳達巳達300kg左右。爐渣的主要來源是鐵礦石中的脈石以左右。爐渣的主要來源是鐵礦石中的脈石以及燃料燃燒后剩余的灰分。用焦炭冶煉，高爐爐渣成分及燃料燃燒后剩余的灰分。用焦炭冶煉，高爐爐渣成分大致范圍如下大致范圍如下: 終渣由中間渣轉(zhuǎn)化而得，通過風(fēng)口平面聚集在爐缸，是成終渣由中間渣轉(zhuǎn)化而得，通過風(fēng)口平面聚集在爐缸，是成分、性質(zhì)較穩(wěn)定的爐渣。終渣中分、性質(zhì)較穩(wěn)定

42、的爐渣。終渣中(Al2O3),(SiO2)增大，增大，(FeO) , ( MnO), ( CaO), ( MgO)含量減小，含量減小，( CaS)含量增大，含量增大，堿度減小。堿度減小。 其中，爐渣的性質(zhì)主要取決于其中，爐渣的性質(zhì)主要取決于CaO和和SiO2。生產(chǎn)中常用的生產(chǎn)中常用的堿度一般為二元堿度：堿度一般為二元堿度： 一般根據(jù)高爐原料和冶煉產(chǎn)品有所不同，冶煉中二元堿度一般根據(jù)高爐原料和冶煉產(chǎn)品有所不同，冶煉中二元堿度一般在一般在1.01.3之間。之間。 高爐渣的作用和要求高爐渣的作用和要求 高爐冶煉過程，除在化學(xué)反應(yīng)上實現(xiàn)高爐冶煉過程，除在化學(xué)反應(yīng)上實現(xiàn)Fe-O分離外，還要實現(xiàn)分離外，還

43、要實現(xiàn)金屬與氧化物等的機械或物理分離，而這要靠性能良好的液態(tài)金屬與氧化物等的機械或物理分離，而這要靠性能良好的液態(tài)爐渣，并利用渣鐵密度的不同達到渣鐵分離的目的。為此。要爐渣，并利用渣鐵密度的不同達到渣鐵分離的目的。為此。要求高爐渣應(yīng)具有以下作用求高爐渣應(yīng)具有以下作用: 爐渣與生鐵互不溶解，且密度不同，因而，使渣鐵得以分爐渣與生鐵互不溶解，且密度不同，因而，使渣鐵得以分離，得到純凈的生鐵。離，得到純凈的生鐵。 具有充分的脫硫能力，保證生鐵合格。具有充分的脫硫能力，保證生鐵合格。 調(diào)整生鐵成分，保證生鐵質(zhì)量。爐渣成分有利于有益元素調(diào)整生鐵成分，保證生鐵質(zhì)量。爐渣成分有利于有益元素的還原，抑制有害元

44、素的還原，即爐渣應(yīng)具有選擇還原性。的還原，抑制有害元素的還原，即爐渣應(yīng)具有選擇還原性。 有利于爐況順行，獲得良好的冶煉技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)；同時應(yīng)有利于爐況順行，獲得良好的冶煉技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)；同時應(yīng)有利于保護爐襯，延長爐襯壽命。有利于保護爐襯，延長爐襯壽命。 3.2.8 爐渣去硫爐渣去硫高爐中的硫主要來源于爐料中的焦炭、礦石、熔劑和噴吹燃料高爐中的硫主要來源于爐料中的焦炭、礦石、熔劑和噴吹燃料等。其中焦炭帶入的硫量占等。其中焦炭帶入的硫量占60%80%。冶煉每噸生鐵由爐料。冶煉每噸生鐵由爐料帶入的總硫量稱為硫負(fù)荷。一般硫負(fù)荷為帶入的總硫量稱為硫負(fù)荷。一般硫負(fù)荷為45kg/t。高爐內(nèi)的去硫主要是含有高爐內(nèi)

45、的去硫主要是含有FeS的鐵水在滴過渣層時以及在渣鐵的鐵水在滴過渣層時以及在渣鐵相界面處進行：相界面處進行：總的脫硫反應(yīng)為總的脫硫反應(yīng)為 產(chǎn)物產(chǎn)物CO氣體起攪拌作用，可加速去硫反應(yīng)。氣體起攪拌作用，可加速去硫反應(yīng)。 硫在一般結(jié)構(gòu)鋼中是有害元素。鋼液凝固時S在技晶間偏析，F(xiàn)e晶界上富集，形成熔點1100 的FeS，F(xiàn)eS與Fe的共晶點只有988 ，熱軋時在晶界上產(chǎn)生熱裂現(xiàn)象，造成內(nèi)部裂紋，即硫的熱脆性。因此鋼鐵產(chǎn)品硫含量應(yīng)盡可能降低。我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：煉鋼生鐵含WS 007。優(yōu)質(zhì)煉鋼生鐵含WS 003 。 脫硫的熱力學(xué)條件： (1) 鋼渣間脫硫反應(yīng)是吸熱反應(yīng)溫度升高有利于脫硫高溫主要增加了脫硫速度； (2) 低(FeO)有利于脫硫： (3) 高堿度度有利于脫硫； (4) 大渣量有利于脫硫。高爐強化冶煉的目的是提高產(chǎn)量，即提高高爐冶煉強度高爐強化冶煉的目的是提高產(chǎn)量，即提高高爐冶煉強度(I),提提高高爐有效容積利用系數(shù)高高爐有效容積利用系數(shù)(0)和降低焦比和降低焦比(K)。主要措施包。主要措施包括：括：(1) 精料具體概括為精料具體概括為:“高、熟、凈、勻、小、穩(wěn)、少、好高、熟、凈、勻、小、穩(wěn)、少