钢铁冶金学Ⅰ刘然.ppt

钢铁冶金学,学时：64 目 录,1 绪论 2 铁矿粉造块 3 高炉冶炼过程的物理化学 4 高炉炉料和煤气的运动 5 高炉能量利用 6 高炉工艺计算 7 高炉强化冶炼,1 绪论,一、钢铁工业在国民经济中的地位,1、发展钢铁工业的条件,2、钢铁材料的优越性能,二、钢铁企业的炼铁生产,从矿石到钢材的生产可分为两个流程。,1、高炉转炉轧机 “长流程”主要流程,2、直接还原或熔融还原电炉轧机 “短流程”,三、高炉,发展趋势：大型化、矮胖型,四、高炉原料,1、铁矿石(烧结矿、球团矿、天然块矿 ),基本定义： 矿物：自然界存在的自然元素和化合物。 矿石：可以提取有用物质并获取利润的矿物。 脉石：不可以提取有用物质或不能获取利润的矿物。,铁矿石种类：赤铁矿（Fe2O3），红色； 磁铁矿（Fe3O4），黑色，有磁性； 褐铁矿（Fe2O3nH2O），含有结晶水； 菱铁矿（FeCO3）碳酸盐。,评价指标： （1）含铁品位(TFe)；,（2）脉石成分(SiO2、Al2O3、CaO、MgO )； （3）有害杂质(S、P、F、As、K、Na、Pb、Zn、Cu)与有益元素 （Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo、Nb、稀土类等 ）； （4）还原性（由好至坏依次为：褐铁矿、菱铁矿、赤铁矿、磁铁矿）； （5）强度与粒度（粒度上限决定还原性，下限决定于透气性，一般为925mm ）； （6）化学成分和粒度的稳定,锰矿石评价：合金元素、与铁性能相近、用于铁合金和洗炉。 Mn高，比铁品位更重要，难还原； Fe低，Mn/Fe10，因为Fe易还原； 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%； 较高的强度和适宜的粒度。,2、铁矿石的准备,3、熔剂（石灰石、白云石 ）,（1）破碎与筛分（网目：一英寸（24.5mm）长度上的方孔数）； （2）混匀（方法：平铺直取）； （3）焙烧（目的是改变铁矿石性能。主要有还原磁化焙烧、氧化焙烧、氯化焙烧）； （4）选矿（作用：提高品位，回收有用的元素，去除有害杂质。方法主要有磁选、重选、浮选）,（1）目的：降低熔点、脱硫。 （2）分类：碱性、中性、酸性（理论分法）。 （3）质量要求：CaO、MgO高；S、P低；高强度和适宜粘度；比较高的活性。,5、炼焦工艺（配煤、原煤、工艺过程、新工艺）,6、煤粉,（1）作用：发热剂 、还原剂、增碳剂、骨架作用 （2）质量要求 ： C固高； A低；V适当； S、P低；常温强度高；高温强度高；稳定性好,4、焦炭,（1）喷吹煤粉的作用：发热、还原 （2）质量要求：灰分低，C高；S、P低，K、Na低；发热值高；可磨性好；燃烧性和反应性好；安全性高,3、炉渣,2、煤气,（1）成分有Fe、C、Si、Mn、S、P等 （2）分为炼钢生铁、铸造生铁（Si高S低）、铁合金 （3）铁与钢主要区别是C,1、生铁,五、高炉产品,（1）成分有 CO、CO2、N2、H2、H2O （2）用途：热风炉、加热炉、锅炉房或自备发电厂的燃料。,（1）成分有：CaO、MgO、SiO2、Al2O3、FeO、MnO等 （2）用途：水泥、路基、建筑用材、绝热材料。,六、高炉辅助设备,1、供料系统 2、送风系统 3、除尘系统 4、渣铁处理系统 5、燃料喷吹系统,七、高炉冶炼的概况,分为五带: 1、块状带：间接还原 分解反应 CaCO3=CaO+CO2 部分直接还原 FeO+C=Fe+CO,2、软熔带：造渣 CaO+SiO2+Al2O3=硅酸盐 渗碳反应：3Fe+2CO=Fe3C+CO2 3、滴落带：直接还原（FeO）+C= （MnO）+C= （ SiO2 ） +C= （ P2O5 ） +C= 4、风口燃烧带：2C+O2=2CO 5、炉缸部分：脱硫反应 FeS+CaO+C =CaS+ Fe+CO,八、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 工作容积有效容积炉缸容积,2、有效容积利用系数：高炉一昼夜每m3有效容积生产生铁的量， t/m3d 。 n=P/Vu,3、焦比：每t生铁所消耗的焦炭， kg/t 。 K=Q/P,4、煤比：每t生铁所消耗的煤粉量， kg/t 。,5、综合焦比焦比煤比置换比,6、冶炼强度：每天每m3容积消耗的焦炭量， t/m3。 I=Q/ Vu=nK 综合冶炼强度=每天综合焦炭消耗量/有效容积,7、生铁合格率： 生铁化学成分符合国家标准的总量占生铁总产量的百分数。 一级品：S0.03；合格品： S0.07；,8、休风率 ：休风时间占日历时间的百分比。,9、高炉一代寿命 （炉龄）： （1）两次大修之间的时间，年。 （2）单位体积的产铁量，t/m3。,2 铁矿粉造块,一、定义：铁矿粉造块是将不能直接入炉的金属矿粉经配料后用人工方法造成符合冶炼要求的矿块。,二、意义：扩大了冶炼原料的来源，同时又改善了原料的质量。,三、目的：将粉料制成具有高温强度的块状料；改善铁矿石的冶金性能，使高炉冶炼指标得到改善；去除某些有害杂质，回收有益元素，达到综合利用资源和扩大铁矿石原料资源。,2.1铁矿粉烧结,一、烧结的作用：利用贫矿和粉矿；改善冶金性能；利用钢铁厂的废弃物。,二、烧结原料的质量要求,1、含铁原料 种类：精矿粉，富矿粉，高炉炉尘，转炉炉尘，轧钢皮等。 质量要求：S、P低，FeO高，粒度10mm。,2、溶剂 种类：石灰石；消石灰；生石灰；白云石；菱镁石。 质量要求：CaO、MgO高；S、P低；粒度 3mm，要有利于分解和矿化；高活性度；成分稳定。,3、燃料 （1）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 。 质量要求：发热值高，点火温度达到1100至1250；安全。 （2）固体燃料：焦粉和煤粉 质量要求：质量：A和V低；S和P低；粒度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、烧结过程的主要反应,1、固体燃料的燃烧 （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 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,（3）烧结料层的气氛条件：根据废气成分确定。 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%。,（4）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。,2、分解反应,（1）结晶水分解：分解吸热，增加燃料消耗。 一般固溶体的水容易在120200 分解出来，以OH存在。 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。 （2）碳酸盐分解及矿化作用 分解反应： CaCO3=CaO+CO2 MgCO3=MgO+CO2,影响因素：1）烧结温度：高有利于分解。 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。,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。 影响因素：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3mm。 3）矿粉粒度：小有利于分解。 4）活性：高有利于分解。,（3）高价氧化物分解（P35） 铁和锰高价氧化物的分解压较高。 预热层：MnO2、Mn2O3开始分解。 燃烧层： MnO2、Mn2O3沸腾分解；Fe2O3开始分解。 Fe3O4和FexO的分解压很小，在烧结条件下不可能分解。,3、氧化还原反应,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 固相反应形成CaOFe2O3系列，则难还原。,（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。,4、气化反应（有害杂质的去除）,（1）S的去除。85-90 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： 4FeS2+11O2 = 2Fe2O3+8SO2 3FeS2+8O2 = Fe3O4+6SO2 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 BaSO4+ 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)去As: 氧化去As，烧透是前提。As有毒。 2FeAsS+5O2=Fe2O3+As2O3+2SO2,(3)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。,(4)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。,5、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：烧结过程传热速度快，烧结混合料快速加热；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。,五、烧结过程中的固结,1、固相反应,定义：在一定的温度条件下这种或那种离子克服晶格中的结合力，在晶格内部进行位置交换，并扩散与之相接触的邻近的其它晶格内进行的反应。 开始温度=（0.8-0.9）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。 烧结过程中可能产生的固相反应如P39表2-1,2、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。 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。工艺是燃料用量高。,烧结矿碱度与高炉炉渣碱度的区别和联系: 烧结矿碱度高炉炉渣碱度：酸性（低碱度）烧结矿 烧结矿碱度 高炉炉渣碱度：自熔性烧结矿 烧结矿碱度 高炉炉渣碱度：高碱度（熔剂型）烧结矿,（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：1450 3CaO2SiO2 熔点：1460 2CaOSiO2 熔点：2130 特点：固相反应生成能力强，反应速度快。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：铁钙橄榄石：CaOFeOSiO2 铁钙方柱石：2CaOFeO2SiO2 钙铁辉石：CaOFeO2SiO2 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。,3、冷凝固结 在烧结过程中，并非全部烧结料都熔化为液相，有些粒度大的原料还来不及熔化就被液相粘结起来，然后又急速 冷却，形成多孔的烧结矿。,4、烧结矿的矿物组成及其结构 由含铁矿物及脉石矿物两大类组成的液相粘结在一起。 （1）显微镜下观察的结构有： 粒状结构、斑状结构、骸状结构、丹点状共晶结构及熔蚀结构。 （2）影响烧结矿质量的因素： 影响强度因素：烧结料矿化及液相发展程度；矿物组成中矿物和玻璃相的强度；冷凝过程中产生的内应力。 影响还原性的因素：矿物组成自身的还原性；矿物结构。,六、烧结料层的热交换,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 c Q1：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，kJ Q3：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：高温区热损失，kJ m ：高温区物料重量，kg；C ：烧结料比热，kJ/kg. 。,影响因素：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。 （1）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。 （3）燃烧速度传热速度：料层温度最高，高温区厚度最小。,（4）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。 （5）配碳量增加，高温区水平升高，高温区厚度增加。,七、烧结料层中的气体流动,气体流动阻力 P=f(、w、d、H), 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。,八、烧结生产工艺,1、烧结配料（P51） 采用重量法配料，根据配料计算。,2、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。 影响混匀和制粒的因素： （1）原料性质：粘性大，比重相差小，粒度差别小有利于混匀和造球。 （2）水分含量和加水方法：适量、雾状有利于混匀和造球。 （3）工艺因素：倾角、转速、填充率，混匀时间长有利于混匀和造球。,3、铺底料： （1）作用：保护篦条；减少废气含尘量和除尘器负荷；增加有效抽风面积和料层透气性；改善厂区环境。 （2）方法：粒度自然偏析，偏析布料。但不能是大粒度的燃料；10-25mm的成品烧结或天然块矿。,4、布料： （1）要求：均匀（粒度、成分和水分）；具有一定的松散性，但不能太松。 （2）理想布料是粒度上小下粗、碳上多下少。实现方法有双层布料和偏析布料。偏析布料有磁辊、反射板和空气吹风。,5、烧结料点火和烧结矿保温 点火温度为1100至1300之间；点火时间为1分钟左右。点火真空度适当低一些。,烧结矿保温是减缓上层烧结矿的冷却速度。,6、烧结矿处理 破碎（单辊破碎）、筛分（固定条筛）、冷却（带式冷却机和环形冷却机） 返矿返回烧结机，小于5mm的比例应小于5%。,7、烧结机生产能力 Q=60KBHV K：成品率 %；：堆比重；B：台车宽；H：料层高；V：台车速度； H=d t d ：垂直烧结速度；t：烧结时间； D=f(料层透气性)；透气性指数=Q/F（H/P）0.6; Q：抽风量；F：抽风面积；H：料层厚度；P：负压。,8、改善烧结料层透气性 （1）适当配加富矿粉，粒度粗。 （2）加消石灰，有利于成球。 （3）加松料器。 （4）提高料温：蒸汽、热返矿、生石灰，消除过湿现象。 （5）新的布料装置。,9、增加有效风量 （1）降低漏风率，主要是机头和机尾。 （2）经常检查，及时堵漏，定期检修。,10、改善烧结矿质量,（1）厚料层烧结;（2）提高MgO含量;（3）低温烧结;（4）加B或P;（5）高碱度烧结矿;（6）合适的配C量;（7）配加蛇纹石;（8）配加萤石。,2.2 球团矿生产,一、粉矿成球 1、成球机理：加水润湿矿粉是铁矿粉成球的基本条件，对水进行研究。水在矿粉中的状态： （1）吸附水：原因是新表面具有过剩能量。具有固体的性质，不能在颗粒表面自由移动。 （2）薄膜水：结合力要差一些，可以在颗粒表面迁移。 吸附水和薄膜水组成分子结合水，矿粉含水量达到最大分子结合水后，成球才明显开始。 （3）毛细水：矿粉中超过分子水后才能形成，起作用的是毛细力。矿粉成球过程是在毛细力的作用下，矿粉颗粒被拉向水滴中心，形成小球。毛细水在矿粉成球中起主导作用。,2、成球过程 （1）形成母球：矿粉润湿，在机械力的作用下形成细小的毛细管。主要是水的润湿。 （2）母球长大：毛细管形状和尺寸改变，过剩毛细水挤到母球的表面上，粘结上润湿程度比较低的矿粉。润湿和机械力同时作用。 （3）母球压实：停止加水润湿，在机械力的作用下，水分被挤出。挤出的水分被未充分润湿的矿粉吸收。机械力的作用。 三个过程在造球机内一起完成。,液体表面张力大、物料亲水性强、液体密度小、毛细管直径小，毛细力大，矿粉成球容易。 （4）重力水：对造球不利。,3、造球设备 圆盘造球机、圆筒机,4、影响造球过程的因素 （1）原料性能：亲水性强易成球，褐铁矿最强，磁铁矿最差；孔隙度大易成球；颗粒形状：针状和片状好，球状差。 （2）原料粒度：粒度小，比表面积大，组成不均匀易成球，小于200目。 （3）原料湿度：含水量大，生球大小不均匀，相互粘结，适宜的含水量。 矿粉的水分应低于造球适宜的水分，否则烘干。 （4）添加剂：皂 土（一般为0.5%至1.5%，实际3%左右）、消石灰、石灰石、生石灰、有机添加剂。,（5）工艺操作： 加水加料原则：滴水成球，雾水长大，无水压紧。 造球时间： 3至10分钟 设备指标：圆盘造球机的转速和倾角（倾角45至50度），园盘边高和填充率适宜，底料和刮板要适宜。 物料温度：预热混合料，50为宜。,5、生球的质量要求：焙烧和冶炼的要求。 （1）粒度：均匀粒度，10-16mm。 （2）抗压强度：15-20 N/个球。 （3）落下强度：0.5m高自由落下大于4次。 （4）比较高的爆裂温度。,二、球团矿焙烧固结 1、生球干燥 目的：提高强度，防止破裂。 破裂的原因：不均匀收缩。 由表面水汽化和内部水扩大散到表面的两个过程组成，速度要适宜，防止生球破裂。 干燥速度有计算公式，但多数是定性公式。 干燥时生球的最低强度应该能承受球层的压力和干燥介质穿过球层的压力。 影响干燥的因素： （1）球层越高，水冷凝越严重，降低了下层生球的破裂温度。 （2）缩小生球尺寸有利于干燥过程。 （3）生球孔隙度下降，妨碍生球内部蒸汽的扩散。,2、再结晶固结理论：要保证球团有足够高机械强度和良好的冶金性能。 磁铁矿： （1）微晶键连接：氧化气氛，低温（900左右）条件下，焙烧磁铁矿球团时，表面首先产生Fe2O3微晶、长大、连接。 （2）Fe2O3再结晶：Fe3O4生球在强氧化性气氛中继续加热到1100以上时，Fe3O4完全氧化，并发生Fe2O3微晶再结晶和晶粒长大。 （3）Fe3O4再结晶：Fe3O4生球在中性或强还原性气氛中焙烧，当温度高于900时，生球中Fe3O4晶粒发生再结晶和晶粒长大。,（4）渣键连接：有SiO2 存在，则在还原或弱氧化性气氛中焙烧，高于1100时： Fe2O3+SiO2+CO=2FeOSiO2+CO2 2FeO+SiO2=2FeOSiO2 赤铁矿： （5）Fe2O3高温再结晶：1300左右开始，强度比较差。,3、影响球团焙烧固结的因素： （1）原料性能：磁铁矿氧化 放热，焙烧温度比较低，能耗低。 石英在氧化性气氛中不影响赤铁矿球团固结，在中性或还原性气氛中会形成液相。 长石熔点低，可降低焙烧温度，有利于液相粘结。 皂土有利于球团固结，形成液相。,消石灰和石灰石会使球团矿的焙烧温度区间变窄，易出现渣相粘结。,（2）精矿粒度和粒度组成：粒度细，比表面积大，氧化快而完全，有利于球团造球和焙烧。孔隙度低，有利于焙烧。粒度大小不一，有利于焙烧。 （3）焙烧温度：提高焙烧温度有利球团固结，但最高温度不能超过Fe2O3大量分解的温度。一般为1200至1300，不低于1150，不高于1350。 （4）升温速度和高温下保持时间：升温速度过快，球团强度下降。高温下保持时间要足够，因为再结晶和液相生产都需要时间。过长：球团熔化和粘结。,（5）焙烧气体介质特性 磁铁矿：氧化性气氛最好，中性和还原性气氛球团矿 强度低，还原性差。 赤铁矿：氧化性或中性气氛中进行焙烧；不能在还原性气氛中进行焙烧。 气氛根据O2含量划分：O21.5%，氧化性气氛。 O2=1-1.5 % ，中性气氛。 O21%，还原性气氛。 （6）球团矿尺寸：尺寸大，氧化过程进行得慢而不完全。 球团氧化完成所需的时间与球团的直径的平方成正比。 生球尺寸在对赤铁矿球团的焙烧影响更大，无内部热量。,三、球团生产工艺 1、原料准备：配料、混料和造球。目的是使化学成分、粒度组成、水分均匀。 混料和配料工艺比较简单，多采用混磨。 造球采用：圆筒和圆盘 2、球团矿焙烧： 设备：竖炉、链篦机-回转窑、带式焙烧机 3、其它球团生产方法： （1）冷固结球团：水泥法和碳酸盐球团固结法 （2）金属化球团法 （3）有色金属氧化物氯化挥发球团法,四、球团矿和烧结矿的比较,1、原料条件： 球团细，-325目要大于70%，比表面积为1500-2000cm2/g 烧结粗，-150目要小于20%，原料适应性强。 2、生产设备投资和管理费用 生产设备投资球团高。 加工费用球团略高，但按含铁量比较球团稍低。 球团的燃料费用低于烧结矿，但动力费用要高于烧结矿。 3、冶金性能 （1）球团矿粒度均匀，冷态强度高，运输和贮存粉末少。 球团矿有还原膨胀现象，高温冶金性能不太理想。,球团膨胀的原因： 膨胀小于20% 异常膨胀 Fe2O3 Fe3O4 FeO 六面体 立方体 铁胡须 立方体 正常膨胀一般小于20%，异常膨胀可以达100%至200%或更大，原因主要是形成铁胡须。 降低球团矿还原膨胀的措施：适当提高球团矿中SiO2含量，形成渣键；适当提高球团矿的碱度，生产自熔性球团矿；提高焙烧温度。 （2）烧结矿有低温还原粉化现象 烧结矿深度还原和高温还原性能比较好，软熔性能比较好。但烧结矿也有低温还原粉化问题。RDI，原因与球团矿还原膨胀的原因基本相同。,4、高炉冶炼效果：球团矿与烧结矿无明显差异。 5、环境状况：球团工艺可以减少灰尘量、SO2和NOx。,五、高炉合理的炉料结构 合理标准：1、资源量大，要稳定。 2、取消石灰石入炉。 3、比较高的熟料率。 4、良好的冶金性能。 合理的炉料结构是相对的，一般认为高碱度烧结矿配加酸性球团矿是合理的炉料结构。但碱度差不能太大，球团矿配比也应控制在40%以内。,六、球团工艺的改进： 1、自熔性球团矿 2、内燃性或多孔性球团矿,2.3 烧结矿和球团矿的质量检验,一、冷态物理机械性能,落下强度、抗压强度、转鼓强度,二、热态及还原条件下的性能,1、热爆裂性能 2、还原条件下的冶金性能 低温还原粉化性能、荷重软化性能、还原膨胀性能,3 高炉冶炼过程中的物理化学,3.1 蒸发、分解与气化,一、蒸发 吸附水蒸发。耗热不多，对高炉影响不大。 二、结晶水分解 烧结已述。 补充：结晶水析出过晚现象。T800时，发生反应H2O+C=H2+CO。耗热增加，消耗C固，产生的CO气体不能被充分利用。 分解比例：20-50。,三、碳酸盐分解 高炉加熔剂或炉料中存在碳酸盐时，T升高，则发生分解，耗热增加。 主要不利影响：CaCO3分解，消耗碳素，吸收热量。,四、析C反应 煤气中CO在上升过程中T下降到400600时，发生反应2CO=CO+C 不利影响：破坏炉衬，加剧炉料粉化。 五、气化反应 在高炉内气化的物质有还原元素P、As、K、Na、Pb、Zn和S；还原中间产物SiO、Al2O和PbO；化合物SiS、CS和CaF2等。 少部分随煤气逸出，一部分被炉渣吸收，一部分在上升过程中随T降低而凝聚，形成“循环累积”，造成炉料难行、悬料及结瘤等。,解决方法：提高炉顶温度、增加煤气量、降低炉渣碱度、提高渣量。,3.2高炉内的还原过程,一、铁氧化物还原的热力学 1、铁氧化物还原的规律：逐级还原 t570，Fe2O3Fe3O4 FeOFe t570，Fe2O3Fe3O4 Fe，FeO不存在。 Fe2O3赤铁矿，六方晶格，刚玉型菱型晶格。还原容易。 Fe3O4 磁铁矿，立方晶格，还原比较困难。Fe2O3FeO FeO浮氐体，立方晶格，不稳定，FexO（x1.0），还原困难。 复杂铁氧化物：CaOFe2O3 、2FeOSiO2、CaOFeOSiO2、FeOTiO2 及褐铁矿、菱铁矿先分解后还原。,2、铁氧化物还原的基本反应 （1）还原剂：CO、H2、C；主要是C和CO。 （2）用CO、 H2还原时的叉字曲线 。,T570： a. Fe2O3+COFe3O4+CO2 + aFe2O3+H2Fe3O4+H2O + b. Fe3O4+COFe+CO2 + bFe3O4+H2Fe+H2O - T570： a. Fe2O3+COFe3O4+CO2 + aFe2O3+H2Fe3O4+H2O + c. Fe3O4+COFeO+CO2 - cFe3O4+H2FeO+H2O - d. FeO+COFe+CO2 + dFeO+H2Fe+H2O -,图示出了铁氧化物还原对气氛的要求，共分四个区域：Fe2O3、Fe3O4、FeO、Fe。,1）关键点：T570 2）T810 ：CO还原曲线在H2的下方。 CO还原能力大于H2，即CO还原时的热力学气体利用率高于H2 。 T810， H2还原曲线在CO 的下方。 H2还原能力大于CO ，即H2 还原时的热力学气体利用率高于 CO 。 3）反应后加+，说明为放热反应，图中曲线为上升趋势，T升高使热力学利用率下降；下降曲线为吸热反应， T升高使热力学利用率升高。 4）反应b、d、b、d的曲线趋势正好相反，说明CO和H2两种还原气体的热力学规律正好相反。 5）C参加还原反应的平衡分析。T 685 ，得不到Fe。 T647 ，C还原Fe3O4生成FeO的关键温度。,二、直接还原和间接还原,1、概念： 直接还原：用C还原，生成CO，高温、吸热，决定于碳的气化反应，1100左右。 间接还原：用CO或H2还原，生成CO2，低温、放热（H2吸热），决定于矿石的还原性能。 Fe2O3 FeO全部间接还原；FeO Fe一部分间接还原，一部分直接还原。,2、直接还原度的表示和计算 Fe直 Fe直 rd= - = - 定义式 Fe生Fe料 Fe全,rd= 1rcorH2= 1ri , ri= Fe间/ Fe全 Fe间=（56/12）C间 ， FeO+CO=Fe+CO2,(56/12)(C焦+C燃-C铁-C尘)(CO2/(CO+CO2+CH4)- (12/44)CO2熔+挥-(12/160)Fe2O3-(12/87)MnO2 rco=- Fe生-Fe料,式中：44为CO2的分子量。 Fe H2 (56/2)H2还 rH2= - = - Fe全 Fe生-Fe料 式中： ，高炉下部参与还原FeO的H2的百分数，一般85%。 H2还= H2总- H2煤气,一般情况下，氢在高炉内的利用率为30%至50%，即： H2还= (30-50)%H2总,所以： （56/2）H2燃+(2/18)(H2O风+H2O喷) H2 rH2= - Fe生-Fe料,式中：H2燃：入炉各种燃料带入的H2量，kg/t铁。 H2O风、H2O喷：分别为鼓风和喷吹物含水量，kg/t铁。 H2=30%-50%，=85%,rd的简易计算法： C氧-C风-CSi+Mn+P-C石灰石 rd= - (12/56)(Fe生-Fe料),式中: C氧=C焦+C煤-C生-C尘 氧化的总碳量，kg/t-生铁。 CSi+Mn+P：Si、Mn、P直接还原消耗的碳量，kg/t-生铁。 C石灰石：石灰石分解CO2与C作用所消耗的碳，kg/t-生铁。 C风：风口区燃烧的碳量，kg/t-生铁。按C、N2平衡原理算出鼓风消耗量来计算，煤气分析要准确。,3、高炉直接还原度 Rd 定义：高炉冶炼过程中，直接还原夺取的氧量O直与还原过程夺取的总氧量O总的比值，用Rd表示。,O直 0.5CO+CO2-N2-0.5CO2 0.5(CO+CO2)-N2 Rd= -= - = - O间+ O直 0.5CO+CO2-N2 0.5CO+CO2-N2,CO、CO2、N2煤气中相应组成的含量。 0.21(1-f)+0.5f ：氧氮比，= -（f：空气中水分含量，） 0.79(1-f),三、直接还原和间接还原对燃料比的影响,1、还原剂的碳量消耗 (1)直接还原： FeO+C=Fe+CO Cd=(12/56)rd(Fe生-Fe料)=0.214 rd(Fe生-Fe料) (2)间接还原： FeO+CO=Fe+CO2 Ci=(12/56) ri(Fe生-Fe料)n=0.214(1-rd)(Fe生-Fe料)n n：过剩系数 由于Fe3O4和FeO的间接还原是可逆的，反应平衡时的气相组成中CO/CO2保持有一定的比例，为了使还原反应不断进行下去，必须使气相CO浓度超过平衡浓度才行。即CO过剩才行。此时，Ci为理论上的最低需求量。,(3)n的计算,高炉为一逆流反应器，FeO来自炉子上部Fe3O4的间接还原，而还原Fe3O4的气相成分则来自炉子下部还原FeO后的气相组成。因此该气相组成应满足Fe3O4还原所需CO过剩量的要求。 FeO+n1CO=Fe+CO2+(n1-1)CO Kp1=%CO2/%CO=1/(n1-1) (根据G计算Kp1值即可求得) n1=1+(1/ Kp1)=1+(%CO/%CO2) =f(T) =100/%CO2,例：700时：平衡%CO2=40%，%CO=60%，则n1=2.5,还原FeO后的煤气再上升还原Fe3O4 1/3 Fe3O4+ CO2+(n1-1)CO= FeO+4/3CO2+(n1-4/3)CO Kp1=%CO2/%CO=(4/3)/(n1-4/3) Kp2=(4/3)/(n2-4/3) (4/3)/(n1-4/3) 1/(n2-1) n2=(4/3)(1+1/ Kp2)=f(T),2、发热剂的碳量消耗 直接还原：还原剂消耗碳量少，发热剂消耗碳量多。 间接还原：还原剂消耗碳量多，发热剂消耗碳量少。,热消耗Q=热收入=QCO2+QCO+Q风+Q渣 式中：QCO2：生成CO2产生的热量。QCO2=CCO2qCO2， qCO2=33390J/kg-C QCO：生成CO产生的热量。QCO = CCOqCO，qCO=9791J/kg-C Q风：鼓风带入高炉的热量。 Q渣：成渣热。 CCO2：生成CO2的碳。 CCO：生成CO的碳。,Q-23599(1.5-rd)(Fe生-Fe料)0.214 C热= - 9791+ q风+ q渣,式中：Q：高炉内的热消耗。 q风：鼓风的热容。 q渣：成渣物质的热容。 Q、rd升高，则C热也升高。见图5-2(P193) 提高品位，降低消耗，则CBD曲线向下平移。,3、降低燃料比的措施,(1)减少热量消耗Q。包括提高品位、降低渣量、降低焦炭和煤中的灰分、降低鼓风中的水分，减少石灰石的加入量。 (2)提高q风，即提高风温。 (3)降低rd，rd降低0.1，则燃料比降低50kg/t。包括生产高还原性的烧结矿和球团矿、改善高炉操作、富氧鼓风。 (4)喷吹燃料，发热。 (5)改善氢的利用。rH2升高则rd降低。,氢还原的特点： 1)810以上还原能力比CO强 2)吸热 3)原子半径小，扩散能力强，是3.74倍。 4)导热性能好，为CO的7至10倍。 5)粘度系数小，有利于降低压差。 6)温度很高会发生分解， H2=2H H=4364kJ/mol 2000以上激烈的吸热反应。 限制温度升高，又起到均匀炉缸温度的作用。,H2是很好的还原剂，但高炉中很少使用。因为H2生成H2O(气)，而H2O(气)C水煤气,氢利用率及其计算 H2还 H2O煤 理论上： H2= - - =- 100% H2总 H2煤+H2O煤 公式不准确，原因是H2O煤包括了炉料吸附水，分析不准。,(2/22.4)V煤(H2煤+2CH4煤) 计算式： H2=1- -100% H2风+H2燃+H2晶+H2焦,上式中： V煤：1吨生铁的煤气量，m3/t。 H2煤、CH4煤：煤气成分。 H2风、H2燃、H2晶、H2焦：鼓风、燃料、结晶水、挥发分中H2的重量。即入炉总氢量，Kg/t。当100%熟料时，H2晶=0,1)喷吹燃料。煤气中H2含量升高，H2也升高；当H2含 量达到一定值时，H2不变。 2)生产高还原性的烧结矿和球团矿。 3)富氧鼓风 4)提高炉缸温度,提高氢利用率,H2和CO的关系(H2：H2利用率， CO：CO利用率),CO2+H2=CO+H2O 水煤气反应 PCO PH2O Kp = - 810时, Kp =1 PCO2 PH2,PH2O PCO2 得： Kp = - = - Kp H2 COKp PH2 PCO 即H2升高，CO也升高。,四、铁氧化物还原的动力学,1、铁氧化物还原的动力学模型 未反应核模型,2、加速铁矿石还原的条件 (1)改善铁矿石条件 1)提高孔隙度，增加小气孔。 2)缩小矿石粒度，下限取决于料层透气性。 3)发展合理的矿物组成。Fe2O3比Fe3O4好，原因是Fe2O3还原到Fe3O4时会发生晶型转变，体积膨胀，产生气孔。,4)提高矿石的软化温度。 5)矿石中的杂质：碱性氧化物促进还原，酸性抑制还原。 6)还原过程中的体积变化，适当，过大不利于透气性。,(2)控制煤气流条件 1)煤气成分：提高CO、H2含量。 CO、H2含量升高，有利于还 原，N2含量高不利于还原，它是载热体。 2)煤气温度： 升高温度有利于还原，但有反常现象。一是400-600， CO=CO2+C，碳黑沉积，堵塞气孔。二是900-1100，矿石软化，堵塞气孔。 3)煤气流速，有利于外扩散。提高煤气流速对还原速度无影响，煤气利用降低，焦比升高。 4)煤气压力：CO2+C= CO 煤气压力升高，抑制直接还原的开始，扩大了间接还原区，有利于反应。 5)气流分布：均匀有利于还原。,五、难还原物质和非铁元素的还原,1、硅酸盐的还原 （1）2FeOSiO2的特点：熔点低，1150-1250，间接还原困难；结构致密，气孔率低，内扩散困难。 （2）2FeOSiO2的来源：高FeO烧结矿，高SiO2烧结矿，低碱度烧结矿。 （3）还原反应：Fe2SiO4+2C=2Fe+ SiO2+2CO,直接还原，强吸热反应。 （4）改善还原：提高炉渣碱度；提高炉缸温度。 因此：要生产高碱度、高还原性、低FeO的烧结矿。,2、Mn的还原 （1）高炉内Mn的分配。Mn是难还原元素，不能完全还原。 炼钢生铁：生铁：40-50%，炉渣：40%，煤气：5-10% 铸造生铁：生铁：50-60%，炉渣：30%，煤气：5-10% 锰铁：生铁：70-80%，炉渣：10%，煤气：8-20% 炼钢生铁对Mn含量不作要求。 （2）Mn氧化物的还原规律。 CO CO CO C MnO2 Mn2O3 Mn3O4 MnO Mn H2 H2 H2 MnO2 Mn2O3 Mn3O4比较容易还原，比相应的铁氧化物容易还原。 Mn3O4 MnO可逆反应，需过量的CO才能进行。,MnO Mn要比FeO Fe困难得多， 只能用C还原，1400以上。 MnO+C= Mn+CO 强吸热反应。 提高温度有利于Mn的还原。炼锰铁的焦比达到1000kg/t左右，是炼钢生铁的1.5至2倍。 MnO与SiO2结合成MnSiO3（熔点为1291）比MnO更难还原。进入炉渣中。 (MnO)+C= Mn+CO （3）影响Mn还原的因素： 足够高的炉缸温度。高风温、富氧、焦比高； 提高炉渣碱度。会导致炉渣粘度升高，添加一些MgO、MnO等碱性物质，降低炉渣粘度； 高品位。Fe、SiO2、S、P低。,3、硅的还原 (1)生铁对Si的要求: 炼钢生铁：要求Si0.6%，部分条件下0.2-0.3%。 铸造生铁：要求Si=1.25%至4%。铁水流动