冶金概論CH高爐煉鐵

1、第二章 高爐煉鐵(Blast Furnace Ironmaking)主要內(nèi)容2.1 高爐冶煉用原料(raw materials)2.2 高爐煉鐵原理2.3 高爐結(jié)構(gòu)及附屬設備2.4 高爐操作2.1 高爐冶煉用原料2.1.1 主要原料2.1.2 燒結(jié)(sintering)2.1.3 球團(pelletizing)2.1.1.1 幾個基本概念1 礦物(Minerals)：地殼中具有均一內(nèi)部結(jié)構(gòu)、化學組成及一定物理、化學性質(zhì)的天然化合物或自然元素稱為礦物。其中能夠為人類利用的稱為有用礦物。 2 礦石(Ore)：在現(xiàn)代的技術(shù)經(jīng)濟條件下，能以工業(yè)規(guī)模從中提取金屬、金屬化合物或其它產(chǎn)品的礦物稱為礦石。3

2、礦石的品位(Ore grade)：礦石中有用成分的質(zhì)量百分含量，稱為該礦石的品位。4 脈石(Gauge)：礦石中沒有用的成分稱為脈石，一般在冶煉過程中需要去除。5、富礦(high-grade ore)：含鐵品位50%的鐵礦石 赤鐵礦：理論含鐵量70% 磁鐵礦：理論含鐵量72.4% 菱鐵礦：理論含鐵量48 . 3% 褐鐵礦：理論含鐵量55 . 266.1% 6、貧礦(lean ore)：實際含鐵量低于理論含鐵量70%的鐵礦石稱貧礦（必須經(jīng)過選礦后使用）7、塊礦(lump ore)和粉礦(fine ore)扣除CO2和結(jié)晶水富礦破碎、篩分塊礦(510mm),上限粉礦（5mm）供燒結(jié)廠生產(chǎn)燒結(jié)礦大中

3、型高爐45mm中小型高爐6080%浮選磁鐵礦 細磨 -200目6080%磁選褐鐵礦 先磁化焙燒 后細磨 磁選菱鐵礦 細磨 -200目6080%浮選2.1.1.2 主要原料高爐冶煉用的原料主要有鐵礦石（天然富礦和人造富礦）、燃料(fuel)（焦炭和噴吹燃料）、熔劑(flux)（石灰石與白云石等）。冶煉1t生鐵大約需要1.62.0t礦石，0.40.6t焦炭(coke)，0.20.4t熔劑。高爐冶煉是連續(xù)生產(chǎn)過程，必須盡可能為其提供數(shù)量充足、品味高、強度好、粒度均勻粉末少、有害雜質(zhì)少及性能穩(wěn)定的原料。鐵礦石磁鐵礦（Fe3O4）-magnettie赤鐵礦（Fe2O3）-hematite褐鐵礦（mFe2

4、O3nH2O）-limonite 菱鐵礦（FeCO3）-siderite 鐵礦石處理工藝流程礦石(ore)破碎(crush)篩分(screen)富礦(high-grade ore)混勻(mix)高爐；礦石破碎篩分貧礦 (lean ore)磨礦 (grinding)篩分選礦 造塊人造富礦高爐燃料焦炭的作用：發(fā)熱劑、還原劑及料柱骨架。 粒度：大型高爐 4060mm； 中型高爐 2540mm； 小型高爐 1525mm；噴吹燃料： 固體（無煙煤與煙煤粉） 液體（重油、煤焦油） 氣體（天然氣或焦爐煤氣）熔劑熔劑主要使用石灰石(calcite) 和白云石(dolomite)；熔劑的要求：有效成分含量高（C

5、aO+MgO）；有害雜質(zhì)S、P低；粒度均勻，強度好，粉末少。熔劑的作用：助熔，改善流動性，使渣鐵容易分離；脫硫（焦炭和礦石中S）。2.1.2 燒結(jié)(sintering)將各種粉狀鐵，配入適宜的燃料和熔劑，均勻混合，然后放在燒結(jié)機點火燒結(jié)。在燃料燃燒產(chǎn)生高溫和一系列物理化學變化作用下，部分混合料顆粒表面發(fā)生軟化熔融，產(chǎn)生一定數(shù)量的液相，并潤濕其它未融化的礦石顆粒。冷卻后，液相將礦粉顆粒粘結(jié)成塊。這一過程叫是燒結(jié)，所的到的塊礦叫燒結(jié)礦。燒結(jié)工藝流程武鋼三燒396m2鼓風環(huán)式冷卻機燒結(jié)過程示意圖燒結(jié)料層有明顯的分層，依次出現(xiàn)燒結(jié)礦層、燃燒層、預熱和干燥 層、過濕層，然后又 相繼消失，最后剩下 燒結(jié)礦

6、層。400m2帶式抽風燒結(jié)機燒結(jié)過程的主要反應燃燒反應：C+O2，燒結(jié)廢氣中以CO2為主，存在少量CO，還有一些自由氧和氮。 2C+O2=2CO； C+O2=CO2分解反應： 結(jié)晶水的分解：褐鐵礦（mFe2O3nH2O） 高嶺土（Al2O3 2SiO22H2O) 熔劑分解：CaCO3=CaO+CO2(750以上) MgCO3=MgO+CO2(720)燒結(jié)過程的主要反應還原與再氧化反應：Fe、Mn等 靠近燃料顆粒處：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2; Fe3O4+CO=3FeO+CO2; 遠離燃料顆粒處：2Fe3O4+1/2O2=3Fe2O3; 3FeO+1/2O2=Fe3O4.氣化反應

7、：脫硫8595。 FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO2 2FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO2燒結(jié)礦的形成燒結(jié)礦是一種由多種礦物組成的復合體。由含鐵礦物和脈石礦物組成的液相粘結(jié)在一起組成。含鐵礦物有磁鐵礦、方鐵礦（或浮氏體）、赤鐵礦粘結(jié)相主要有鐵橄欖石、鈣鐵橄欖石、硅灰石、硅酸二鈣、硅酸三鈣、鐵酸鈣、鈣鐵灰石及少量反應不全的游離石英和石灰。燒結(jié)廠巡視燒結(jié)機世界上90%以上燒結(jié)礦由抽風帶式燒結(jié)機生產(chǎn)，其主要設備為燒結(jié)臺車。2.1.3 球團將準備好的原料(細磨精礦或其他細磨粉狀物料、添加劑等)，按一定比例經(jīng)過配料、混勻制成一定尺寸的小球，然后采用干燥焙燒或其他方法使其發(fā)生一系列的物理化

8、學變化而硬化固結(jié)這一過程即為球團生產(chǎn)過程其產(chǎn)品即為球團礦。球團礦生產(chǎn)的工藝流程一般包括原料準備、配料、混合、造球、干燥和焙燒、冷卻、成品和返礦處理等工序。 圓盤造球機 豎爐球團礦生產(chǎn)的工藝流程 2.2 高爐煉鐵原理2.2.1 高爐冶煉過程及特點2.2.2 燃燒反應2.2.3 還原反應2.2.4 高爐爐渣與脫硫2.2.5 爐料與煤氣運動 2.2.6 高爐生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟指標2.2.1高爐冶煉過程及特點高爐是由耐火材料砌筑而成豎式圓筒形爐體，外有鋼板制成爐殼加固密封，內(nèi)嵌冷卻器保護，爐子自上而下依次分為爐喉、爐身、爐腰、爐腹和爐缸五部分。爐缸部分設有風口、鐵口和渣口，爐喉以上為裝料裝置和煤氣封蓋及

9、導出管。高爐冶煉過程連續(xù)過程，爐料自上而下，煤氣自下而上相互接觸過程中完成爐料按一定料批從爐頂裝入爐內(nèi)，從風口鼓入由熱風爐加熱的熱風，爐料中焦炭在風口前與鼓風中的氧發(fā)生燃燒反應，產(chǎn)生高溫和還原性氣體，在爐內(nèi)上升過程中加熱緩慢下降的爐料，并還原鐵礦石中鐵氧化物為金屬鐵，礦石升到一定溫度后軟化，熔融滴落，礦石中未被還原的物質(zhì)形成熔渣，實現(xiàn)渣鐵分離。已熔化的渣鐵聚集于爐缸內(nèi)，發(fā)生諸多反應，最后調(diào)整鐵液的成分和溫度，達到終點，定期從爐內(nèi)排放爐渣和生鐵。上升的高爐煤氣流，由于將能量傳給爐料而溫度不斷下降，最終形成高爐煤氣從爐頂導出管排出，整個過程取決于風口前焦炭的燃燒，上升煤氣流與下降爐料間進行的一系列

10、傳熱、傳質(zhì)以及干燥、蒸發(fā)、揮發(fā)、分解、還原、軟熔、造渣、滲碳、脫硫等物理化學變化。高爐實質(zhì)是一個爐料下降、煤氣上升兩個逆向流運動的反應器。2.2.1高爐冶煉過程及特點現(xiàn)代高爐生產(chǎn)過程是一個龐大的生產(chǎn)體系，除高爐本體外，還有供料、送風、煤氣凈化除塵、噴吹燃料和渣鐵處理等系統(tǒng)。高爐煉鐵的本質(zhì) 傳質(zhì)過程：礦石中的O2- O2- 進入煤氣中，實現(xiàn)鐵與氧的分離 傳熱過程：煤氣攜帶的熱量傳給爐料，使爐料熔化成渣鐵，實現(xiàn)渣鐵分離O2-(礦）CO CO2高爐生產(chǎn)工藝流程高爐爐內(nèi)爐料狀況及反應2.2.2 燃燒反應爐頂加入的焦炭，其中風口前燃燒的碳量約占入爐總碳量的65%75%，是在風口前與鼓風中的O2燃燒，17

11、21參加直接還原反應，10左右溶解進入鐵水。燃燒反應的作用： 為高爐冶煉過程提供主要熱源；為還原反應提供CO、H2等還原劑；為爐料下降提供必要的空間。燃燒反應燃燒反應的機理一般認為分兩步進行：風口前碳素的燃燒只能是不完全燃燒，生成CO并放出熱量。 由于鼓風中總含有一定的水蒸氣，灼熱的C與H2O發(fā)生下列反應： C+H2O=CO+H2 -124390kJ 實際生產(chǎn)中的條件下，風口前碳素燃燒的最終產(chǎn)物由CO、H2、N2組成。回旋區(qū)及燃燒帶回旋區(qū)：風口前產(chǎn)生焦炭和煤氣流回旋運動的區(qū)域稱為回旋區(qū)?；匦齾^(qū)和中間層組成焦炭在爐缸內(nèi)進行燃燒反應的區(qū)域稱為燃燒帶。實踐中常以CO2降至12的位置定為燃燒帶界限。大

12、型高爐的燃燒帶長度在10001500mm左右。2.2.3 還原反應2.2.3.1 基本概念2.2.3.2 高爐內(nèi)鐵氧化物的還原2.2.3.3 高爐內(nèi)非鐵元素的還原2.2.3.1基本概念還原反應 還原劑奪取金屬氧化物中的氧，使之變?yōu)榻饘倩蛟摻饘俚蛢r氧化物的反應。 高爐煉鐵常用的還原劑主要有CO、H2和固體碳。 鐵氧化物的還原順序 遵循逐級還原的原則。 當溫度小于570時，按Fe2O3Fe3O4Fe的順序還原。 當溫度大于570時，按Fe2O3Fe3O4 FeOFe的順序還原。2.2.3.2 高爐內(nèi)鐵氧化物的還原用CO和H2還原鐵氧化物 用CO和H2還原鐵氧化物，生成CO2和H2O還原反應叫間接還

13、原。 用CO作還原劑的還原反應主要在高爐內(nèi)小于800的區(qū)域進行。 用H2作還原劑的還原反應主要在高爐內(nèi)8001100的區(qū)域進行。用固體碳還原鐵氧化物 用固體碳還原鐵氧化物，生成CO的還原反應叫直接還原。 在高爐內(nèi)具有實際意義的只有FeO+C=Fe+CO的反應。 直接還原要通過氣相進行反應，其反應過程如下：直接還原一般在大于1100的區(qū)域進行，8001100區(qū)域為直接還原與間接還原同時存在區(qū)，低于800的區(qū)域是間接還原區(qū)。 2.2.3.3 高爐內(nèi)非鐵元素的還原 錳的還原硅的還原磷的還原 鉛、鋅、砷的還原 錳的還原 高爐內(nèi)錳氧化物的還原由高級向低級逐級還原直到金屬錳，順序為：從MnO2到MnO可通

14、過間接還原進行還原反應。MnO還原成Mn只能靠直接還原取得。MnO的直接還原是吸熱反應。高爐爐溫是錳還原的重要條件，其次適當提高爐渣堿度，增加MnO的活度，也有利于錳的直接還原。還原出來的錳可溶于生鐵或生成Mn3C溶于生鐵。 硅的還原硅的還原只能在高爐下部高溫區(qū)(1300以上)以直接還原的形式進行： SiO2+2CSi2CO -628297kJSiO2在還原時要吸收大量熱量，硅在高爐內(nèi)只有少量被還原。 還原出來的硅可溶于生鐵或生成FeSi再溶于生鐵。 較高的爐溫和較低的爐渣堿度有利于硅的還原。 鐵水中的含硅量可作為衡量爐溫水平的標志。磷的還原 磷酸鐵(FeO)3P2O58H2O又稱藍鐵礦，藍鐵

15、礦結(jié)晶水分解后，形成多微孔的結(jié)構(gòu)較易還原，反應式為： 磷酸鈣（主要存在形式）在高爐內(nèi)首先進入爐渣，在11001300時用碳作還原劑還原磷，其還原率能達60；當有SiO2存在時，可以加速磷的還原： 磷在高爐冶煉條件下，全部被還原以Fe2P形態(tài)溶于生鐵。鉛、鋅、砷的還原 還原出來的鉛（密度11.34g/cm3）易沉積于爐底，滲入磚縫，破壞爐底；部分鉛在高爐內(nèi)易揮發(fā)上升，遇到CO2和H2O將被氧化，隨爐料一起下降時又被還原，在爐內(nèi)循環(huán)。還原出來的鋅，在爐內(nèi)揮發(fā)、氧化、體積增大使爐墻破壞，或凝附于爐墻形成爐瘤。還原出來的砷，與鐵化合影響鋼鐵性能，使鋼冷脆，焊接性能大大降低。2.2.3.5生鐵的生成與滲

16、碳過程 生鐵的生成：滲碳和已還原的元素進入生鐵中，得到含F(xiàn)e、C、Si、Mn、P、S等元素的生鐵。 滲碳過程 固體海綿鐵發(fā)生滲碳過程： （滲C有限，不到1）在1400左右時，與熾熱的焦炭繼續(xù)進行固相滲碳。熔化后的金屬鐵與焦炭發(fā)生滲碳反應：3Fe液+C焦=Fe3C液。 2.2.4 高爐爐渣與脫硫 高爐爐渣是鐵礦石中的脈石和焦炭(燃料)中的灰分等與熔劑相互作用生成低熔點的化合物，形成非金屬的液相。高爐爐渣的成分高爐爐渣作用成渣過程生鐵去硫2.2.4.1 高爐爐渣的成分高爐爐渣的來源：礦石中的脈石、焦炭(燃料)中的灰分、熔劑中的氧化物、被侵蝕的爐襯等。高爐爐渣的成分：氧化物為主，且含量最多的是SiO

17、2、CaO、Al2O3、MgO。 爐渣中氧化物的種類：堿性氧化物、酸性氧化物和中性氧化物。以堿性氧化物為主的爐渣稱堿性爐渣；以酸性氧化物為主的爐渣稱酸性爐渣。 爐渣的堿度(R)：爐渣中堿性氧化物和酸性氧化物的質(zhì)量百分數(shù)之比表示爐渣堿度： 高爐爐渣堿度一般表示式：R=m(CaO)m (SiO2) 爐渣的堿度根據(jù)高爐原料和冶煉產(chǎn)品的不同，一般在1.01.3之間。 2.2.4.2 高爐爐渣的作用分離渣鐵，具有良好的流動性，能順利排出爐外。具有足夠的脫硫能力，盡可能降低生鐵含硫量，保證冶煉出合格的生鐵。具有調(diào)整生鐵成分，保證生鐵質(zhì)量的作用。保護爐襯，具有較高熔點的爐渣，易附著于爐襯上，形成“渣皮”，保

18、護爐襯，維持生產(chǎn)。2.2.4.2 成渣過程 （1）焦炭在風口處完全燃燒，灰分進入爐渣。 （2）石灰石在下降過程中，分解的CaO在滴落帶，被初渣溶解，參與造渣。 （3）礦石在塊狀帶固相反應生成了低熔點的化合物沿焦炭縫隙流下，分離出初渣。隨后渣中(FeO)不斷還原進入鐵中，至滴落帶，爐渣以滴狀下落，渣中FeO已降到23。 （4）滴落的初渣成分不斷變化，初渣開始是自然堿度，以后隨著SiO2的還原，石灰石渣化并加入焦炭灰分，經(jīng)過堿度波動之后形成終渣。 成渣過程中，軟熔帶對爐內(nèi)料柱透氣性影響很大，習慣上把這一帶叫成渣帶。 2.2.4.3 生鐵去硫硫的來源：礦石、焦炭、熔劑和噴吹燃料中的硫分。爐料中焦炭帶

19、入的硫最多，占7080。冶煉每噸生鐵由爐料帶入的總硫量稱硫負荷。爐渣去硫 爐渣去硫反應： FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO) 生成的FeO在高溫下與焦炭作用： (FeO)+C=Fe+CO-Q 總的脫硫反應可寫成： FeS+(CaO)+C=(CaS)+Fe+CO-Q 爐外脫硫 高爐常用的爐外脫硫劑是蘇打粉(Na2CO3)。反應式為： Na2CO3+FeS=Na2S+FeO+CO2-Q 還有石灰、白云石、電石、復合脫硫劑等。2.2.5 爐料與煤氣運動2.2.5.1 爐料運動2.2.5.2 煤氣運動2.2.5.1爐料運動爐料在爐內(nèi)下降的基本條件：高爐內(nèi)不斷形成促使爐料下降的自由空間。形成爐料

20、下降的自由空間的因素 焦炭在風口前燃燒生成煤氣。爐料中的碳素參加直接還原。爐料在下降過程中重新排列、壓緊并熔化成液相，體積縮小。 定時放出渣鐵。2.2.5.2 煤氣運動 煤氣的體積的變化煤氣的成分的變化煤氣的溫度的變化煤氣的壓力的變化煤氣的體積的變化煤氣量取決于冶煉強度、鼓風成分、焦比等因素。煤氣的體積 總量在上升 過程中是增 加的。煤氣成分的變化CO：煤氣上升過程中，CO在高爐下部高溫區(qū)開始增加，煤氣中的CO含量會相應減小。 CO2：在爐缸、爐腹部位幾乎為零，從中溫區(qū)開始增加。H2：來源于風中H2O汽和焦炭中的有機H2和噴吹燃料中的揮發(fā)H2，上升過程中由于參加間接還原和生成CH4，含量逐漸減

21、少，但由于爐料中結(jié)晶水和碳作用生成部分H2，又可適量增加煤氣中H2的含量。N2：鼓風帶入的N2，焦炭中的有機N2和噴吹燃料中的揮發(fā)N2，在上升過程中不參加任何反應，絕對量不變。 CH4：高溫時少量焦炭與H2作用生成CH4，上升過程中又加入焦炭揮發(fā)分中CH4，但數(shù)量很少，變化不大。 爐內(nèi)熱交換現(xiàn)象：爐缸煤氣在上升過程中把熱量傳遞給爐料，溫度逐漸降低；而爐料在下降過程吸收煤氣的熱量，溫度逐漸上升。煤氣溫度的變化壓頭損失(p)的表示式 p =P爐缸-P爐喉 壓頭損失p的作用 增加到一定程度時，將妨礙高爐順行。煤氣壓力的變化2.2.6 高爐生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟指標有效容積利用系數(shù)（V）：高爐每立方米有效容

22、積每天生產(chǎn)的合格鐵水量（t/m3d）入爐焦比（K）：冶煉一噸生鐵消耗的焦炭量（kg/t）V=高爐每天的合格生鐵量P高爐有效容積VuK =每天裝入高爐的焦炭量高爐每天出鐵量煤比（或油比）：冶煉一噸生鐵消耗的煤粉量或重油（kg/t）燃料比焦比煤比（或油比）冶煉強度：高爐每立方米有效容積每天消耗的（干）焦炭量（焦比一定的情況下） V=I/KM =每天噴入高爐的煤粉量高爐每天出鐵量I =高爐每天消耗的焦炭量高爐的有效容積生鐵合格率：生鐵化學成分符合國家標準的總量占生鐵總量的指標。休風率：高爐休風時間（不包括計劃大、中、小修）占日歷工作時間的百分數(shù)。 規(guī)定的日歷作業(yè)時間=日歷時間-計劃大中修及封爐時間

23、休風率反映高爐操作及設備維護的水平。生鐵成本：生產(chǎn)每噸合格生鐵所需原料、燃料、材料、動力、人工等一切費用的總和，單位：元/tFe。爐齡（高爐一代壽命）：即從高爐點火開始到停爐大修之間實際運行的時間或產(chǎn)鐵量。爐齡長，產(chǎn)鐵多，經(jīng)濟效益高。休風率=高爐休風時間規(guī)定的日歷作業(yè)時間100%鐵 種煉鋼生鐵牌 號煉04煉08煉10代 號L04L08L10w (Si)0.450.450.850.851.25w (Mn)一組二組三組0.40.4 1.01.02.0w (P)特級一級二級三級0.100.100.150.150.250.250.40w (S)特類一類二類三類0.020.020.030.030.050.050.07鐵水溫度在14501550。按照Si含量的不同，將高爐鐵水分為煉鋼生鐵(w Si4000m3 大型高爐：620m3 中型高爐：255620m3 小型高爐：100m32.3.1.1 高爐內(nèi)型2.3.1.2 爐頂裝料裝置高爐爐頂裝料設備的作用是按冶煉要求，向爐內(nèi)合理布料，同時要嚴密封住爐內(nèi)荒煤氣不逸出爐外。常用的爐頂裝料設備主要有鐘式爐頂和溜槽式（亦稱無鐘式）爐頂。鐘式爐頂1旋轉(zhuǎn)布料器；2煤