一-爐料在爐內(nèi)的物理化學變化-§2.5-高爐冶煉基本原理課件

1、一 爐料在爐內(nèi)的物理化學變化 2.5 高爐冶煉基本原理 二 還原過程 還原反應(yīng)是高爐內(nèi)最基本的化學反應(yīng)。 三 高爐爐渣四 生鐵形成五 高爐風口區(qū)碳的燃燒 六 高爐內(nèi)的狀況 圖2-14 (1) 塊狀帶（固體爐料區(qū)） 爐料仍保持塊狀狀態(tài)； 在這里發(fā)生游離水蒸發(fā)、結(jié)晶水和黃鐵礦分解、鐵礦石間接還原等現(xiàn)象。 同時爐渣在這一區(qū)域里發(fā)生固相反應(yīng)，形成了部分低熔點化臺物，這樣就為軟化和熔融創(chuàng)造了條件。(2)軟熔帶 礦石從開始軟化到完全軟化；軟熔帶的形狀和位置對高爐內(nèi)的熱交換，還原過程和透氣性有著極大的影響。 礦石在下降過程中溫度逐漸升高，當接近和達到其熔化溫度等溫線水平時，開始軟化。接著發(fā)生熔融，形成一層具

2、有一定厚度的塑性層，此叫作軟熔帶。 初渣就在這里形成了。初渣成分特點是，由于尚未經(jīng)過爐渣成分的混勻過程，熔劑CaO也尚未參與造渣、并且礦石此時大部分已還原成FeO或金屬鐵， 所以初渣中FeO的含量較高，堿度為自然堿度(即與礦石本身的堿度相似)，各處成分不均勻。 在軟融帶，還原形成的金屬鐵開始以“冰柱”形式經(jīng)固體焦炭塊的間隙往下流動，初渣就從“冰柱”中分離出去， 當?shù)V石到達軟融帶下端時，由于滲碳作用，金屬鐵的熔點大大降低，從而完全熔化成液態(tài)，并呈滴狀下落。 同時，初渣也由于流動過程的均勻化作用、上升煤氣流的攪拌作用和固體碳的還原作用，成分趨于均勻，渣中FeO含量降至23，至此進入滴下帶。 軟融帶

3、的溫度范圍大致在10001200 之間。 （3） 滴落帶 鐵水和爐渣沿焦炭之間縫隙下降； 礦石經(jīng)過軟融帶進入滴下帶時，已完全熔化為液態(tài)，金屬鐵與爐渣也完全分離開來，金屬鐵經(jīng)固體焦炭縫隙往下流動。 金屬鐵在下降過程中繼續(xù)滲碳，并且不斷吸收由液態(tài)渣中還原出來的鐵和其他合金元素。 爐渣則在下降過程當中，由于還原作用，F(xiàn)eO含量繼續(xù)降低，SiO2和MnO含量也由于Si和Mn還原進入生鐵而有所降低。 另外由于熔劑CaO不斷溶入渣中，故渣的堿度不斷提高。 同時，由于溫度升高，爐渣的流動性也不斷增加。 爐渣經(jīng)過風口時，焦炭灰分中的SiO2、Al2O3溶入爐渣而使其堿度又有所下降。 爐渣進入爐缸時又出現(xiàn)經(jīng)過風

4、口被氧化的金屬鐵被再還原，及脫硫反應(yīng)等一些變化，最后到達爐缸形成成分確定的終渣。（4）風口帶（焦炭回旋區(qū)） 焦炭作回旋運動； 主要發(fā)生碳素的燃燒，產(chǎn)生爐缸煤氣，燃燒釋放的熱量由爐缸煤氣傳遞 。（5） 爐缸區(qū) 爐缸區(qū)內(nèi)匯集渣鐵，進行最后的渣鐵反應(yīng)。七 爐料下降條件 在高爐冶煉過程中，爐料在爐內(nèi)的運動是一個固體散狀料的緩慢移動床。爐料均勻而有節(jié)奏地順利下降，是高爐順行的重要標志。 爐料下降的必要條件之一是高爐內(nèi)必須不斷產(chǎn)生使其下降的自由空間。 70%左右的焦炭在風口前燃燒生成煤氣； 爐料在爐內(nèi)產(chǎn)生體積收縮、并由固體散料轉(zhuǎn)化為液體爐渣和鐵水、直接還原消耗碳素以及定時放渣、出鐵。 這些使爐缸下部經(jīng)常保

5、留著較大的空間。 高爐內(nèi)不斷出現(xiàn)的自由空間只是為爐料的下降創(chuàng)造了先決條件，但爐料能否順利下降。還取決于下述的力學關(guān)系： F=Q（P1+P2+P）=Q有效 P 式中 F爐料下降有效作用力； Q爐料的自重； Pl爐料與爐墻之間的摩擦力； P2爐料之間的摩擦力； P上升煤氣對爐料的阻力； Q有效料柱有效重量。 很顯然，只有當F0時爐料才能下降；F愈大，則愈有利于爐料順利下降；當F接近或等于零時，則爐料產(chǎn)生難行或懸料。 需要指出的是，要使爐料順利下降（可簡稱為順行），不僅要求整個料柱的F大于零，而且還要求各個不同高度截面上和同一截面不同位置上的F大于零。 顯然，某處的F=0時，則該處的爐料處于懸料狀態(tài)

6、。 因此，爐料不順行的現(xiàn)象，不僅可能在高爐上部或下部出現(xiàn)，也可能在某一截面上的某一區(qū)域出現(xiàn)。 通常情況下，當爐型、原料和操作操作制度一定時，Q有效變化不大，因此，F(xiàn)的大小主要受到P的影響。 P是煤氣流通過高爐料柱時的壓力損失，也即克服摩擦阻力和局部阻力而造成的壓力損失，可近似地看作上升煤氣對下降爐料的浮力。 對整個高爐料柱而言，煤氣在料柱中流通時產(chǎn)生的壓力降為： P=P爐缸-P爐喉 P熱風-P爐頂 式中 P爐缸爐缸煤氣壓力； P爐喉爐喉煤氣壓力； P熱風熱風壓力； P爐頂爐頂煤氣壓力。 由上式可知，提高爐頂煤氣壓力（如高壓操作）或降低熱風壓力有助爐料下降。 一些研究者研究得出，煤氣通過爐內(nèi)料柱

7、各帶時，產(chǎn)生的壓力降計算式有所不同，但總的來說，影響高爐煤氣通過料柱時所產(chǎn)生的壓力損失的主要因素是料柱的透氣性和煤氣的流速等因素。 八 高爐強化冶煉 高爐強化冶煉的主要目的是提高產(chǎn)量，即提高高爐有效容積利用系數(shù)。 提高產(chǎn)量的途徑是提高冶煉強度和降低焦比，生產(chǎn)中主要采用的措施有： 精料、高壓操作、高風溫、富氧鼓風、加濕與脫濕鼓風、噴吹燃料等。1 精料 全面改善原料質(zhì)量，為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗打下物質(zhì)基礎(chǔ)，精料的具體內(nèi)容可概括為“高、熟、凈、勻、小、穩(wěn)”七個字。 此外還應(yīng)重視高溫冶金性能及合理的爐料結(jié)構(gòu)。 （1）提高礦石品位 指提高入爐礦石的含鐵量。 是高爐提高產(chǎn)量和降低燃料比的首要內(nèi)容。 礦石品位提

8、高后，脈石量減少，減少了單位生鐵的熔劑用量，降低了單位生鐵的渣量，使高爐冶煉單位生鐵的熱量消耗減少，產(chǎn)量提高，同時又能改善高爐下部透氣性，有利于順行。 （2）增加熟料比 燒結(jié)礦和球團礦統(tǒng)稱熟料，也叫人造富礦。 增加入爐的熟料比，可以改善礦石的透氣性、還原性和造渣性能，促進高爐熱制度的穩(wěn)定和爐況順行。 尤其是采用高堿度燒結(jié)礦時，還原粉化率低、軟化溫度和還原度高又可減少熔劑加入量。 所以增加熟料比既有利于降低焦比，提高冶煉強度，又有利于高爐順行。 （3）加強原料的整粒工作 “凈、小、勻”都是指精料程度，可統(tǒng)稱為整粒。 按“小”的要求，入爐礦的平均粒度要小，可縮短礦石在爐內(nèi)的還原時間，改善還原過程。

9、 但粒度不能過小，否則會惡化高爐內(nèi)料柱透氣性，爐塵增多，使煤氣流分布失常。 按“凈”的要求，入爐料應(yīng)篩除粉末（小于5mm的物料）。 按“勻”的要求，礦石應(yīng)進行分級入爐，可以改善高爐內(nèi)軟融層的透氣性，有利于降低焦比。天然礦石可分為815mm和1530mm兩級。燒結(jié)可分為525mm和2550mm兩級使用。（4）穩(wěn)定原燃料化學成分 入爐原料的成分，尤其是礦石成分的穩(wěn)定是穩(wěn)定爐況、穩(wěn)定操作、保證生鐵質(zhì)量及實現(xiàn)自動控制的先決條件。 否則，高爐生產(chǎn)會受到很大影響。要保證爐料化學成分和物理性質(zhì)的穩(wěn)定，減少入爐料成分的波動，關(guān)鍵在于加強原料的管理，搞好爐料的混勻和中和工作。原料的混勻主要是在原料場中進行。（5

10、）合理的爐料結(jié)構(gòu) 指入爐爐料組成的合理搭配，應(yīng)以獲得最好的技術(shù)經(jīng)濟指標為前提。合理的爐料結(jié)構(gòu)，應(yīng)當符合下列要求： 具有優(yōu)良的高溫冶金性能，包括高溫還原強度、還原性、軟熔特性等； 爐料中，以人造富礦為主，爐料的成分能滿足造渣需要，不加或少加熔劑等。 從理論上和高爐經(jīng)營管理的角度看，使用單一礦石并把熟料率提高到100%是合理的，然而目前還沒有一種理想的礦石能夠完全滿足現(xiàn)代大型高爐強化的需要。 目前主要有四種爐料結(jié)構(gòu)：（1）100%酸性球團礦，配加一定量的石灰石；（2）以酸性球團礦為主，配加超高堿度燒結(jié)礦；（3）100%自熔性燒結(jié)礦；（4）以高堿度燒結(jié)礦為主，配加天然礦或酸性球團礦。 采用什么樣的爐

11、料，應(yīng)根據(jù)具體條件，即合理利用資源。（6）改進焦炭質(zhì)量 焦炭質(zhì)量的變化對高爐冶煉的影響有：焦炭強差變差時，焦炭入爐后，粒度組成變化較大，在爐內(nèi)會產(chǎn)生一定數(shù)量的粉末，會影響料柱透氣性，以及大量焦炭進入渣中，使渣變粘稠，造成爐子難行和懸料； 高溫下焦炭的反應(yīng)性越好，碳的熔損大，焦炭粒度迅速粉化，惡化料柱透氣性，破壞順行；焦炭中的硫增加，高爐爐料硫負荷增加，渣量增加，焦比會升高。 因此，可以說，降低焦炭中的硫及灰分也是高爐強化冶煉措施之一。（7）改善爐料的高溫冶金性能 高溫冶金性能主要包括高溫還原強度、還原性、軟熔特性等。 人造富礦的高溫還原強度對塊狀帶料柱透氣性有決定性影響，而高溫軟融性特性影響軟

12、融帶結(jié)構(gòu)和氣流分布球團礦在高溫還原條件下，強度變差，影響爐料順行。 一般在大型高爐上只使用部分球團礦。2 高壓操作 指提高高爐內(nèi)煤氣壓力。提高爐內(nèi)煤氣壓力是由煤氣系統(tǒng)中的高壓調(diào)節(jié)閥組控制閥門的開閉度來實現(xiàn)的（如圖2-20所示）。 高壓操作的程度常用爐頂煤氣壓力值表示。一般常壓高爐爐頂煤氣壓力低于130kPa（絕對壓力），凡爐頂煤氣壓力高于此值者為高壓高爐。當前的高壓水平一般為140250 kPa。新設(shè)計的巨型高爐，爐頂壓力可到300400 kPa 的水平。高爐高壓操作示意圖3 高風溫 （1）提高風溫有利于降低焦比。高爐內(nèi)熱最收入來源于兩方面，一是風口前碳素燃燒放出的化學熱，二是熱風帶入的物理熱

13、。熱風帶入的熱占總熱量收入的2%3%。 （2）提高風溫能為提高噴吹量和噴吹效率創(chuàng)造條件。風溫提高后，鼓風動能增大，有利于活躍爐缸，改善煤氣能量的利用，同時爐缸溫度升高，為提高噴吹量和噴吹效率創(chuàng)造條件。 風溫的提高主要是通過改造熱風爐實現(xiàn)的。 4 噴吹燃料 指從風口或其它特設(shè)的風口部位向高爐噴吹煤粉、重油、天然氣、裂化氣等各種燃料。噴吹燃料對高爐冶煉的影響是： （1）爐缸煤氣發(fā)生量增加，煤氣還原能力提高。高爐噴吹燃料后，煤氣中的CO含量提高（即煤氣還原能力提高）。 （2）煤氣分布得到改善，中心煤氣明顯發(fā)展，從而有利于均勻爐缸溫度。噴吹后，煤氣中的H2量增多，氣體粘度減小，煤氣滲透能力提高。 （3

14、）爐缸冷化，頂溫升高，有熱滯后現(xiàn)象。 爐缸冷化是指風口前理論燃燒溫度（風口前燃料燃燒產(chǎn)生的熱量全部用于加熱燃燒產(chǎn)物所能達到的溫度）降低。 熱滯后現(xiàn)象是指高爐增加噴吹量后，由于入爐總?cè)剂狭吭黾?，爐溫本應(yīng)升高。但在噴吹之初，爐缸溫度不升反而暫時下降，過一段時間后，爐缸溫度才上升的一種現(xiàn)象。 （4）噴吹燃料后，噴吹料柱壓差普遍升高，隨噴吹量的增加而增加，下部壓差增加較多。 （5）噴吹后生鐵含硫量降低，質(zhì)量提高。 高爐噴吹燃料后，爐渣脫硫能力提高，允許適當降低生鐵含硅量。因此，噴吹更適于冶煉低硫低硅生鐵。5 富氧鼓風 富氧鼓風工藝流程1冷風管；2流量孔板；3氧氣插入管；4、8壓力表；5、10截止閥；6氧氣流量孔板；7電磁快速切斷閥；9電動流量調(diào)節(jié)閥；11放風閥富氧鼓風對高爐冶煉的影響有： （1）提高冶煉強度。富氧鼓風后，風中含氧量的增加，則每噸生鐵需要的風量減少；若保持入爐風量(包括富氧)不變，冶煉強度可提高，增加產(chǎn)量：若焦比有所降低，可望增產(chǎn)更多。 （2）生產(chǎn)單位生鐵時，富氧鼓風之后，煤氣量略有減小。 （3）富氧鼓風后，爐缸理論燃燒溫度升高，爐頂溫度下降，爐缸溫度提高。富氧鼓風后，單位生鐵的煤氣量減少，高溫