高炉冶炼工艺

第一章 概 述课时：2学时授课内容：一、钢铁工业发展简史二、高炉冶炼产品三、高炉生产主要技术经济指标目的要求：1了解炼铁、炼钢工业的发展简史；2掌握炼铁产品及炼铁技术经济指标。重、难点： 1.炼铁产品及炼铁技术经济指标。教学方法： 利用多媒体以课堂讲授为主，结合实际范例进行课堂讨论。讲授重点内容提要一、钢铁工业发展简史 1、我国炼铁工业的发展简史早在2500年前的春秋、战国时期，就已生产和使用铁器，逐步由青铜时代过渡到铁器时代。公元前513年，赵国铸的“刑鼎”。1891年，清末洋务派首领张之洞首次在汉阳建造了两座日产lOOt生铁的高炉，迈出了我国近代炼铁的第一步。之后，先后在鞍山、本溪、石景山、太原、马鞍山、唐山等地修建了高炉。l943年是我国解放前钢铁产量最高的一年(包括东三省在内)，生铁产量180万t，钢产量90万t，居世界第十六位。1949年，生铁年产量仅为25万t，钢年产量l5.8万t。新中国成立后，我国于l953年生铁产量就达到了190万t，当时超过了历史最高水平。1957年生铁产量达到了597万t，高炉利用系数达到了l321，我国在这一指标上跨入世界先进行列(美国当时高炉利用系数为1.0)。1958年生铁产量为l364万t。1978年生铁产量突破了3000万t。1988年生铁产量达到了6000万t。1993年生铁产量为8000万t，跃居世界第二位。1995年生铁产量为1亿t，居世界第一位。1998年生铁产量为l2亿t。2、现代炼钢方法及其发展趋势1855年英国冶金学家亨利贝塞麦发明酸性空气底吹转炉炼钢方法。 平炉炼钢法由于用重油、成本高、冶炼周期长、热效率低等致命弱点，已基本上被淘汰。氧气转炉炼钢法以氧气顶吹转炉炼钢法为主，同时还有底吹氧气转炉炼钢法、顶底复合吹炼氧气转炉炼钢法。l996年我国钢产量已达到一亿多吨，其中氧气转炉炼钢法所炼钢约占70。2005年我国粗钢产量已达到3.49亿吨，其中氧气转炉炼钢法所炼钢约占75。电炉炼钢法以交流电弧炉炼钢为主，同时也有少部分直流电弧炉炼钢、感应炉炼钢及电渣重熔等。纵观国内外炼钢方法的发展，主要炼钢方法的总发展趋势是：转炉炼钢法大力发展，成为最主要的炼钢方法；电炉炼钢法稳步发展、长兴不衰；平炉炼钢法则被淘汰。目前炼钢的生产流程主要有以下两种：铁水铁水预处理氧气转炉初炼钢水炉外精炼连铸机连铸坯废钢电弧炉初炼钢水炉外精炼连铸机连铸坯二、高炉冶炼产品 高炉冶炼的主要产品是生铁，副产品是炉渣、煤气和一定量的炉尘(瓦斯灰)。 1生铁生铁组成以铁为主，此外含碳质量分数为2545，并有少量的硅、锰、磷、硫等元素。生铁质硬而脆，缺乏韧性，不能延压成型，机械加工性能及焊接性能不好，但含硅高的生铁(灰口铁)的铸造及切削性能良好。生铁按用途又可分为普通生铁和合金生铁。普通生铁包括炼钢生铁和铸造生铁。后者合金生铁主要是锰铁和硅铁。我国现行生铁标准如下表所示。表1-1 炼钢生铁国家标准(GB 71782)表1-2铸造生铁国家标准(GB 71882) 2炉渣矿石的脉石和熔剂、燃料灰分等熔化后组成炉渣，其主要成分为Ca0、Mg0、Si02、Al203及少量的Mn0、Fe0、S等。炉渣有许多用途，常用做水泥原料及隔热、建材、铺路等材料。每吨生铁的炉渣量l50-300kg。3煤气高炉煤气的化学成分为C0、C02、H2、N2及少量的CH4。高炉煤气的发热值约(800900)4.18168kJm3 。每吨铁可产煤气20003000m3。 高炉煤气是无色、无味的气体，有毒易爆炸。 4炉尘 炉尘是随高炉煤气逸出的细粒炉料，经除尘处理与煤气分离。炉尘含铁、碳、Ca0等有用物质，可作为烧结的原料。每吨铁产炉尘为l0100kg。 三、 高炉生产主要技术经济指标 1高炉有效容积利用系数（） 式中 每立方米高炉有效容积在一昼夜内生产铁的吨数； P高炉一昼夜生产的合格生铁； 高炉有效容积，指炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉五段之和。 高炉有效容积利用系数是衡量高炉生产强化程度的指标。越高，高炉生产率越高，每天所产生铁越多。目前我国高炉有效容积利用系数为(1823)t(m3d)，高的可达30t(m3d)以上。2焦比(K)和燃料比(Kf)式中 K 一吨生铁消耗的焦炭量； Q高炉一昼夜消耗的干焦量。式中 冶炼一吨生铁消耗的焦炭和喷吹燃料的数量之和； 高炉一昼夜消耗的干焦量和喷吹燃料之和。煤比M是每吨生铁消耗的煤粉量。油比Y是每吨生铁消耗的重油量)。焦比和燃料比是衡量高炉物资消耗，特别是能耗的重要指标。目前我国喷吹高炉的焦比一般低于450kgt，燃料比小于550kgt。 先进高炉焦比已小于400kgt，燃料比约450kgt。将燃料也折合成焦炭计算出的总焦炭量为综合焦比。3：冶炼强度()式中一每昼夜每立方米高炉有效容积燃烧的焦炭量。 每昼夜每立方米高炉有效容积消耗的燃料总量，称为综合冶炼强度。综合冶炼强度()计算冶炼强度要扣除休风时间。冶炼强度是表示高炉生产强化程度的指标。冶炼强度取决于高炉所能接受的风量。鼓入高炉的风量越多，冶炼强度越高。 利用系数、焦比和冶炼强度之间的关系(当休风时间为零、不喷吹燃料时)： 4生铁合格率 合格生铁占高炉总产量的百分数为生铁合格率，即：化学成分符合国家标准的生铁为合格生铁。 生铁合格率是评价高炉产品质量好坏的重要指标。 5休风率 休风率是指休风时间占规定作业时间(日历时间扣除计划检修时间)的百分数，即：休风率反映设备管理维护和高炉的操作水平。降低休风率是高炉增产节焦的重要途径。 6生铁成本生铁成本是指冶炼一吨生铁所需的费用，包括原料、燃料、动力、工资、车间经费等。原燃料成本费占80左右。冶炼成本费占20左右。降低焦炭消耗是降低成本的重要内容。 7炉龄高炉从开炉到停炉大修之间的时间，为一代高炉的炉龄。延长炉龄是高炉工作者的重要课题。大高炉炉龄要求达到10年以上，国外大型高炉炉龄最长已达20年。第二章 炼铁原燃料课时：2学时授课内容：第一节铁矿石及其分类第二节 高炉冶炼对铁矿石的要求第三节铁矿石冶炼前的准备和处理目的要求：1知道常用的铁矿石的分类及主要特性；2.掌握高炉冶炼对铁矿石的要求；3.了解铁矿石冶炼前的准备和处理。重、难点：1.铁矿石的分类和主要特性；2.高炉冶炼对铁矿石的要求。教学方法： 利用多媒体以课堂讲授为主，结合实际范例进行课堂讨论。讲授重点内容提要第一节铁矿石及其分类一、矿物、矿石和岩石1. 矿物的概念及特点地壳中的化学元素经过各种地质作用，形成的天然元素和天然化合物称为矿物。它具有较均一的化学成分和内部结晶构造，具有一定的物理性质和化学性质。2.矿石和岩石的概念矿石和岩石均由矿物所组成，是矿物的集合体。矿石是在目前的技术条件下能经济合理地从中提取金属、金属化合物或有用矿物的物质。矿石由有用矿物和脉石矿物所组成。能够被利用的矿物为有用矿物，目前尚不能利用的矿物为脉石矿物。 二、铁矿石的分类及主要特性 根据含铁矿物的主要性质和矿物组成，铁矿石分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿四种类型。 1磁铁矿 磁铁矿化学式为Fe3O4，结构致密，晶粒细小，黑色条痕。具有强磁性，含S、P较高，还原性差。 2赤铁矿赤铁矿化学式为Fe2O3，条痕为樱红色，具有弱磁性。含S、P较低，易破碎、易还原。 3褐铁矿 褐铁矿是含结晶水的氧化铁，呈褐色条痕，还原性好，化学式为nFe2O3mH2O(n= 13，m=14)。褐铁矿中绝大部分含铁矿物是以2Fe2O33H2O的形式存在的。 4菱铁矿 菱铁矿化学式为FeC03，颜色为灰色带黄褐色。菱铁矿经过焙烧，分解出C02气体，含铁量即提高，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。其含S低，含P较高。各种铁矿石的分类及其主要特性列于表2-1。表21铁矿石的分类及其特性第二节 高炉冶炼对铁矿石的要求一、铁矿石品位高铁矿石品位是指铁矿石的含铁量，以TFe表示。铁矿石品位高有利于降低焦比和提高产量。根据生产经验，矿石品位提高1，焦比降低2，产量提高3。从矿山开采出来的矿石，含铁量一般在3060之间。品位较高，经破碎筛分后可直接入炉冶炼的称为富矿。一般当含铁量大于7090时方可直接入炉。品位较低，不能直接入炉的叫贫矿。贫矿必须经过选矿和造块后才能入炉冶炼。二、脉石成分愈低愈好铁矿石的脉石成分绝大多数为酸性的，SiO2含量较高。铁矿石中si02含量愈高，需加入的石灰石也愈多，生成的渣量也愈多，这样，将使焦比升高，产量下降。脉石中含碱性氧化物(Ca0、MgO)较多的矿石，冶炼时可少加或不加石灰石，对降低焦比有利，具有较高的冶炼价值。三、有害杂质少和有益元素的含量1有害杂质矿石中的有害杂质是指那些对冶炼有妨碍或使矿石冶炼时不易获得优质产品的元素。主要有S、P、Pb、Zn、As、K、Na等。 硫 硫在矿石中主要以硫化物状态存在。硫的危害主要表现在： 当钢中的含硫量超过一定量时，会使钢材具有热脆性。 对铸造生铁，会降低铁水的流动性，阻止Fe3C分解，使铸件产生气孔、难于切削并降低其韧性。 硫会显著地降低钢材的焊接性，抗腐蚀性和耐磨性。 矿石中的含硫质量分数必须小于0.3。 磷磷以Fe2P、Fe3P形态溶于铁水。磷会造成钢的冷脆现象。由于磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高炉冶炼中又几乎全部还原进入生铁。所以控制生铁含磷的惟一途径就是控制原料的含磷量。铅和锌 铅和锌常以方铅矿(PbS)和闪锌矿(ZnS)的形式存在于矿石中。铅易渗入砖缝破坏炉底砌砖，甚至使炉底砌砖浮起。铅又极易挥发，在高炉上部被氧化成PbO，粘附于炉墙上，易引起结瘤。一般要求矿石中的含铅质量分数低于0.1。锌在炉内被氧化成ZnO，部分ZnO沉积在炉身上部炉墙上，形成炉瘤，部分渗入炉衬的孔隙和砖缝中，引起炉衬膨胀而破坏炉衬。矿石中的含锌质量分数应小于01。 砷砷会使钢材产生“冷脆”现象，并降低钢材焊接性能。要求矿石中的含砷质量分数小于007。 碱金属 碱金属主要指钾和钠。一般以硅酸盐形式存在于矿石中。其危害主要为：与炉衬作用生成钾霞石(K2OA12O32SiO2)，体积膨胀40而损坏炉衬。与炉衬作用生成低熔点化合物，粘结在炉墙上，易导致结瘤。与焦炭中的碳作用生成插入式化合物(CK8、CNa8)体积膨胀很大，破坏焦炭高温强度，从而影响高炉下部料柱透气性。 铜铜在钢材中具有两重性。当钢中含铜质量分数小于0.3时能改善钢材抗腐蚀性。当超过0.3时又会降低钢材的焊接性，并引起钢的“热脆”现象，使轧制时产生裂纹。一般铁矿石允许含铜质量分数不超过0.2。 2有益元素矿石中有益元素主要指对钢铁性能有改善作用或可提取的元素。如锰(Mn)、铬(Cr)、钴(Co)、镍(Ni)、钒(V)、钛(Ti)等。当这些元素达到一定含量时，可显著改善钢的可加工性，强度和耐磨、耐热、耐腐蚀等性能。同时这些元素的经济价值很大，当矿石中这些元素含量达到一定数量时，可视为复合矿石，加以综合利用。 四、铁矿石的还原性好1.铁矿石的还原性概念铁矿石的还原性是指铁矿石被还原性气体C0或H2还原的难易程度。2. 影响铁矿石还原性的因素影响铁矿石还原的因素主要有矿物组成、矿物结构的致密程度、粒度和气孔率等。磁铁矿结构致密，最难还原。赤铁矿有中等的气孔率，比较容易还原。褐铁矿和菱铁矿容易还原。烧结矿和球团矿的气孔率高，其还原性一般比天然富矿的还要好。 五、矿石的粒度适当、机械强度高和软化性好 矿石的粒度是指矿石颗粒的直径。通常，入炉矿石粒度在535mm之间，小于5mm的粉末是不能直接人炉的。铁矿石的机械强度是指矿石耐冲击、抗摩擦、抗挤压的能力。 铁矿石的软化性包括铁矿石的软化温度和软化温度区间两个方面。软化温度是指铁矿石在一定的荷重下受热开始变形的温度；软化温度区间是指矿石开始软化到软化终了的温度范围。高炉冶炼要求铁矿石的软化温度要高，软化温度区间要窄。 六、铁矿石各项指标相对稳定 铁矿石的各项理化指标保持相对稳定，才能最大限度地发挥生产效率。高炉冶炼要求成分波动范围:含铁原料TFe05l0；(SiO2)0203；烧结矿的碱度为00301。第三节铁矿石冶炼前的准备和处理从矿山开采出来的铁矿石，一般要经过破碎、筛分、混匀、焙烧、选矿和造块等加工处理过程。 一、破碎1.破碎的分类根据破碎的粒度，可分为粗碎、中碎、细碎和粉碎。 粗碎：从l300500mm破碎到400125mm； 中碎：从400125mm破碎到10025mm； 细碎：从l0025mm破碎到255mm；粉碎：从5mm破碎到lmm。2.主要破碎设备 对于天然铁矿石的粗、中、细碎作业，目前采用的主要破碎设备有颚式破碎机和圆锥式破碎机两大类，其工作原理如图21所示。图21破碎机的工作原理示意图 (a)颚式破碎机；(b)圆锥式破碎机；(c)短锥式破碎机二、筛分1.筛分的概念通过单层或多层筛面，将颗粒大小不同的混合料分成若干不同粒度级别的过程。2.筛分的目的筛除粉末。将大于规定粒度上限的大块筛除进行再破碎。对合格块度进行分级。3.矿石的筛分设备多采用振动筛。其筛分原理是利用筛网的上下垂直振动进行的。筛网的振动可达每分钟l500次左右，振幅达0512mm，筛面与水平面成l040的倾角。4.振动筛的特点筛分效率高，单位面积产量大，筛孔不易堵塞，调整方便，适用粒度范围广。 通常，矿石在破碎、筛分过程中通过皮带运输机将破碎机械与筛分机械联系起来，构成破碎筛分流程。 三、混匀混匀又称为中和。1. 混匀的目的稳定铁矿石的化学成分，从而稳定高炉操作，保持炉况顺行，改善冶炼指标。2.矿石的混匀方法按“平铺直取”的原则进行。所谓平铺，是根据料场的大小将每一批来料沿水平方向依次平铺，一般每层厚度为200-300mm，把料铺到一定高度。所谓直取，即取矿时，沿料堆垂直断面截取矿石。 四、铁矿石的焙烧1.铁矿石焙烧的概念将铁矿石加热到低于软化温度200300的一种处理过程。2.焙烧的目的改变矿石的矿物组成和内部结构。去除部分有害杂质。回收有用元素。使矿石变得疏松，提高矿石的还原性。3.焙烧的方法氧化焙烧、还原磁化焙烧和氯化焙烧等。 氧化焙烧是铁矿石在氧化气氛条件下焙烧，主要用于去除褐铁矿中的结晶水，菱铁矿中的C02，并提高品位，改善还原性。 还原磁化焙烧是在还原气氛中进行，其作用是将弱磁性的赤铁矿及非磁性的黄铁矿转化为具有强磁性的磁铁矿，以便磁选。五、铁矿石的选矿1.选矿的目的提高矿石品位。 2.选矿方法 重力选矿法。根据矿物密度的不同，在选矿介质中具有不同的沉降速度而进行选矿。 磁力选矿法。磁力选矿法是利用矿物的磁性差别，在不均匀的磁场中，磁性矿物被磁选机的磁极吸引，而非磁性矿物则被磁极排斥，从而达到选别的目的。 浮游选矿法。浮游选矿法是利用矿物表面不同的亲水性，选择性地将疏水性强的矿物用泡沫浮到矿浆表面，而亲水性矿物则留在矿浆中，从而实现不同矿物彼此分离。3.选矿后的产品精矿、中矿和尾矿。精矿是指选矿后得到的含有用矿物含量较高的产品。中矿为选矿过程中间产品，需进一步选矿处理。尾矿是经选矿后留下的废弃物。课时：2学时授课内容：第四节熔剂第五节 高炉用燃料目的要求：1.掌握熔剂的作用及对熔剂的性质要求；2.掌握焦炭在高炉炼铁中的作用和对焦炭的质量要求；3.熟悉炼焦生产过程。重、难点：1.焦炭在高炉炼铁中的作用和对焦炭的质量要求。教学方法： 利用多媒体以课堂讲授为主，结合实际范例进行课堂讨论。讲授重点内容提要第四节熔 剂 一、熔剂的作用熔剂在冶炼过程中的主要作用有：1.使还原出来的铁与脉石和灰分实现良好分离，并顺利从炉缸流出，即渣铁分离。2.生成一定数量和一定物理、化学性能的炉渣，去除有害杂质硫，确保生铁质量。 二、熔剂的种类 根据矿石中脉石成分的不同，高炉冶炼使用的熔剂，按其性质可分为碱性、酸性和中性三类。1碱性熔剂常用的碱性熔剂有石灰石(CaC03)和白云石(CaC03MgC03)。 2酸性熔剂 作为酸性熔剂使用的有石英石(Si02)、均热炉渣(主要成分为2FeO、Si02)及含酸性脉石的贫铁矿等。 3中性熔剂 高铝原料。如铁钒土和粘土页岩。 三、对碱性熔剂的质量要求对碱性熔剂的质量有如下要求： 1.碱性氧化物(CaO+MgO)含量高，酸性氧化物(Si02+A1203)愈少愈好。或熔剂的有效熔剂性愈高愈好。一般要求石灰石中Ca0的质量分数不低于50，Si02+A1203的质量分数不超过35。 熔剂的有效熔剂性是指熔剂按炉渣碱度的要求，除去本身酸性氧化物含量所消耗的碱性氧化物外，剩余部分的碱性氧化物含量。可用下式表示：当熔剂中与炉渣中Mg0含量很少时，计算式可简化为：2.有害杂质硫、磷含量要少。石灰石中一般硫的质量分数只有001008，磷的质量分数为0001003。 3.较高的机械强度，粒度要均匀，大小适中。适宜的石灰石入炉粒度范围是：大中型高炉为2050mm，小型高炉为l030mm。当炉渣黏稠引起炉况失常时，还可短期适量加入萤石(CaF2)，以稀释炉渣和洗掉炉衬上的堆积物。第五节 高炉用燃料焦炭是高炉冶炼的主要燃料。 一、焦炭在高炉冶炼中的作用1.发热剂。焦炭在风口前燃烧放出大量热量并产生煤气，煤气在上升过程中将热量传给炉料，使高炉内的各种物理化学反应得以进行。2.还原剂。焦炭燃烧产生的C0及焦炭中的固定碳是铁矿石的还原剂。3.料柱骨架。焦炭在料柱中占1/31/2的体积，尤其是在高炉下部高温区只有焦炭是以固体状态存在，它对料柱起骨架作用，高炉下部料柱的透气性完全由焦炭来维持。4.渗碳剂。5.炉料下降提供自由空间。 二、高炉冶炼对焦炭质量的要求 1焦炭的化学成分焦炭的化学成分常以焦炭的工业分析来表示。工业分析项目包括固定碳、灰分、硫分、挥发分和水分的含量。 固定碳含量尽量高，灰分尽量低。我国冶金焦炭灰分一般为11l4。 硫含量低。挥发分一般在07l2。焦炭中的挥发分是指在炼焦过程中未分解挥发完的H2、CH4、N2等物质。挥发分含量过高，说明焦炭的结焦程度差，生焦多，强度差；含量过低，则说明结焦程度过高，易碎。水分含量稳定。焦炭中的水分是湿法熄焦时渗入的，通常为26。 2焦炭的物理性质机械强度高。 焦炭的机械强度是指焦炭的耐磨性和抗撞击能力。机械强度不好的焦炭，在转运过程中和高炉内下降过程中破裂产生大量的粉末，进入初渣，使炉渣的黏度增加，增加煤气阻力，造成炉况不顺。目前我国一般用小转鼓测定焦炭强度。小转鼓是用钢板焊成的无穿心轴的密封圆筒，鼓内径和宽均为1000mm，内壁每隔90焊角钢一块，共计4块。试验时，取粒度大于60mm 的焦炭30kg，放人转鼓内，转鼓以25rmin的速度旋转100转，即4min，倒出试样，用40mm和l0mm的圆孔筛筛分，以大于40mm的焦炭占试样总量的百分比(以M40表示) 作为破碎强度指标，以小于l0mm的焦炭占试样总量的百分比(以M10表示)作为耐磨强度指标。M40愈大，Ml0愈小，表明焦炭的强度愈高。一般要求M4072，Ml010。粒度均匀、粉末少。大型高炉焦炭粒度范围为2060mm，中小高炉用焦炭，其粒度分别以2040mm和大于15mm 为宜。 3焦炭的化学性质 焦炭的化学性质包括焦炭的燃烧性和反应性两方面。 燃烧性好。燃烧性是指焦炭在一定温度下与氧反应生成C02的速度，即燃烧速度。其反应式为：C+02=C02 反应性好。反应性是指焦炭在一定温度下和C02作用生成C0的速度。反应式为：C+C02=2CO为了提高炉顶煤气中的CO2含量，改善煤气利用程度，希望焦炭的反应性差些为好。为了扩大燃烧带，使炉缸温度及煤气流分布更为合理，使炉料顺利下降，希望焦炭的燃烧性差些为好。 三、炼焦生产工艺流程 炼焦生产工艺流程如图2-2所示。图2-2炼焦生产工艺流程 现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦和产品处理等工序。 1.洗煤原煤在炼焦之前，先进行洗选。目的是降低煤中所含的灰分和去除其他杂质。 2.配煤将各种结焦性能不同的煤按一定比例配合炼焦。目的是在保证焦炭质量的前提下，扩大炼焦用煤的使用范围，合理地利用国家资源，并尽可能地多得到一些化工产品。 3.炼焦将配合好的煤装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下通过两侧燃烧室加热干馏，经过一定时间，最后形成焦炭。炭化室内成焦过程如图23所示。图2-3 结焦过程示意图4.炼焦的产品处理 将炉内推出的红热焦炭送去熄焦塔熄火，然后进行破碎、筛分、分级、获得不同粒度的焦炭产品，分别送往高炉及烧结等用户。熄焦方法有干法和湿法两种。湿法熄焦是把红热焦炭运至熄焦塔，用高压水喷淋6090s。干法熄焦是将红热的焦炭放入熄焦室内，用惰性气体循环回收焦炭的物理热，时间为24h。 在炼焦过程中还会产生炼焦煤气及多种化学产品。焦炉煤气是烧结、炼焦、炼铁、炼钢和轧钢生产的主要燃料。课时：2学时授课内容：第六节 铁矿粉造块目的要求：1.知道对烧结原料的要求；2.掌握烧结生产原料准备和烧结生产过程；3.了解球团矿生产。 重、难点：1.烧结生产原料准备和烧结生产过程。教学方法： 利用多媒体以课堂讲授为主，结合实际范例进行课堂讨论。讲授重点内容提要第五节 铁矿粉造块铁矿粉造块目前主要有两种方法：烧结法和球团法。两种方法所获得的块矿分别为烧结矿和球团矿。铁矿粉造块的目的：综合利用资源，扩大炼铁用的原料种类。去除有害杂质，回收有益元素，保护环境。改善矿石的冶金性能，适应高炉冶炼对铁矿石的质量要求。一、铁矿粉烧结生产1.烧结的概念将各种粉状含铁原料，配入适量的燃料和熔剂，加入适量的水，经混合和造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化，将矿粉颗粒黏结成块的过程。2. 烧结生产的工艺流程目前生产上广泛采用带式抽风烧结机生产烧结矿。烧结生产的工艺流程如图24所示。主要包括烧结料的准备，配料与混合，烧结和产品处理等工序。图2-4 抽风烧结工艺流程 烧结原料的准备 含铁原料含铁量较高、粒度5mm的矿粉，铁精矿，高炉炉尘，轧钢皮，钢渣等。一般要求含铁原料品位高，成分稳定，杂质少。熔剂要求熔剂中有效CaO含量高，杂质少，成分稳定，含水3左右，粒度小于3mm的占90以上。在烧结料中加入一定量的白云石，使烧结矿含有适当的MgO，对烧结过程有良好的作用，可以提高烧结矿的质量。燃料 主要为焦粉和无烟煤。对燃料的要求是固定碳含量高，灰分低，挥发分低，含硫低，成分稳定，含水小于10，粒度小于3mm的占95以上。对入厂烧结原料的一般要求见表22。表2-2入厂烧结原料一般要求配料与混合配料配料目的：获得化学成分和物理性质稳定的烧结矿，满足高炉冶炼的要求。常用的配料方法：容积配料法和质量配料法。容积配料法是基于物料堆积密度不变，原料的质量与体积成比例这一条件进行的。准确性较差。质量配料法是按原料的质量配料。比容积法准确，便于实现自动化。混合混合目的：使烧结料的成分均匀，水分合适，易于造球，从而获得粒度组成良好的烧结混合料，以保证烧结矿的质量和提高产量。混合作业：加水润湿、混匀和造球。根据原料性质不同，可采用一次混合或二次混合两种流程。一次混合的目的：润湿与混匀，当加热返矿时还可使物料预热。二次混合的目的：继续混匀，造球，以改善烧结料层透气性。用粒度10Omm的富矿粉烧结时，因其粒度已经达到造球需要，采用一次混合，混合时间约50s。使用细磨精矿粉烧结时，因粒度过细，料层透气性差，为改善透气性，必须在混合过程中造球，所以采用二次混合，混合时间一般不少于253min。我国烧结厂大多采用二次混合。烧结生产烧结作业是烧结生产的中心环节，它包括布料、点火、烧结等主要工序。布料 将铺底料、混合料铺在烧结机台车上的作业。 当采用铺底料工艺时，在布混合料之前，先铺一层粒度为1025mm，厚度为2025mm的小块烧结矿作为铺底料，其目的是保护炉箅，降低除尘负荷，延长风机转子寿命，减少或消除炉箅粘料。铺完底料后，随之进行布料。布料时要求混合料的粒度和化学成分等沿台车纵横方向均匀分布，并且有一定的松散性，表面平整。目前采用较多的是圆辊布料机布料。点火点火操作是对台车上的料层表面进行点燃，并使之燃烧。点火要求有足够的点火温度，适宜的高温保持时间，沿台车宽度点火均匀。 点火温度取决于烧结生成物的熔化温度。常控制在125050。 点火时间通常4060s。 点火真空度46kPa。点火深度为1020mm。烧结准确控制烧结的风量、真空度、料层厚度、机速和烧结终点。烧结风量：平均每吨烧结矿需风量为3200m3，按烧结面积计算为(7090)m3(cm2min)。真空度：决定于风机能力、抽风系统阻力、料层透气性和漏风损失情况。料层厚度：合适的料层厚度应将高产和优质结合起来考虑。国内一般采用料层厚度为250500mm。 机速：合适的机速应保证烧结料在预定的烧结终点烧透烧好。实际生产中，机速一般控制在1.54mmin为宜。 烧结终点的判断与控制：控制烧结终点，即控制烧结过程全部完成时台车所处的位置。中小型烧结机终点一般控制在倒数第二个风箱处，大型烧结机控制在倒数第三个风箱处。 带式烧结机抽风烧结过程是自上而下进行的，沿其料层高度温度变化的情况一般可分为5层，各层中的反应变化情况如图25所示。点火开始以后，依次出现烧结矿层，燃烧层，预热层，干燥层和过湿层。然后后四层又相继消失，最终只剩烧结矿层。图2-5烧结过程各层反应示意图烧结矿层 经高温点火后，烧结料中燃料燃烧放出大量热量，使料层中矿物产生熔融，随着燃烧层下移和冷空气的通过，生成的熔融液相被冷却而再结晶(10001100)凝固成网孔结构的烧结矿。这层的主要变化是熔融物的凝固，伴随着结晶和析出新矿物，还有吸入的冷空气被预热，同时烧结矿被冷却，和空气接触时低价氧化物可能被再氧化。燃烧层 燃料在该层燃烧，温度高达13501600，使矿物软化熔融黏结成块。该层除燃烧反应外，还发生固体物料的熔化、还原、氧化以及石灰石和硫化物的分解等反应。预热层 由燃烧层下来的高温废气，把下部混合料很快预热到着火温度，一般为400800。此层内开始进行固相反应，结晶水及部分碳酸盐、硫酸盐分解，磁铁矿局部被氧化。干燥层 干燥层受预热层下来的废气加热，温度很快上升到100以上，混合料中的游离水大量蒸发，此层厚度一般为l030mm。实际上干燥层与预热层难以截然分开，可以统称为干燥预热层。该层中料球被急剧加热，迅速干燥，易被破坏，恶化料层透气性。过湿层从干燥层下来的热废气含有大量水分，料温低于水蒸气的露点温度时，废气中的水蒸气会重新凝结，使混合料中水分大量增加而形成过湿层。此层水分过多，使料层透气性变坏，降低烧结速度。 烧结过程中的基本化学反应 固体碳的燃烧反应固体碳燃烧反应为：反应后生成C0和C02，还有部分剩余氧气，为其他反应提供了氧化还原气体和热量。燃烧产生的废气成分取决于烧结的原料条件、燃料用量、还原和氧化反应的发展程度、以及抽过燃烧层的气体成分等因素。碳酸盐的分解和矿化作用 烧结料中的碳酸盐有CaC03、MgC03、FeC03、MnC03等，其中以CaC03为主。在烧结条件下，CaC03在720左右开始分解，880时开始化学沸腾，其他碳酸盐相应的分解温度较低些。碳酸钙分解产物Ca0能与烧结料中的其他矿物发生反应，生成新的化合物，这就是矿化作用。反应式为：CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2CaCO3+Fe2O3=CaO Fe2O3+ CO2如果矿化作用不完全，将有残留的自由Ca0存在，在存放过程中，它将同大气中的水分进行消化作用：CaO+H2O=Ca(OH)2使烧结矿的体积膨胀而粉化。 铁和锰氧化物的分解、还原和氧化 铁的氧化物在烧结条件下，温度高于l300时，Fe203可以分解：Fe304在烧结条件下分解压很小，但在有Si02存在、温度大于1300时，也可能分解： 二 、球团矿生产1.球团矿的概念把细磨铁精矿粉或其他含铁粉料添加少量添加剂混合后，在加水润湿的条件下，通过造球机滚动成球，再经过干燥焙烧，固结成为具有一定强度和冶金性能的球型含铁原料。 2.球团矿生产迅速发展的原因：天然富矿日趋减少，大量贫矿被采用。铁矿石经细磨、选矿后的精矿粉，品位易于提高。过细精矿粉用于烧结生产会影响透气性，降低产量和质量。细磨精矿粉易于造球，粒度越细，成球率越高，球团矿强度也越高。球团法生产工艺的成熟。从单一处理铁精矿粉扩展到多种含铁原料。生产规模和操作也向大型化、机械化、自动化方向发展。技术经济指标显著提高。球团产品也已用于炼钢和直接还原炼铁等。球团矿具有良好的冶金性能：粒度均匀、微气孔多、还原性好、强度高，有利于强化高炉冶炼。3.球团矿生产的工艺流程一般包括原料准备、配料、混合、造球、干燥和焙烧、冷却、成品和返矿处理等工序，如图2-6所示。图2-6球团矿生产的工艺流程高炉冶炼原理课时：2学时授课内容：第一节炉料在炉内的物理化学变化第二节还原过程和生铁的形成目的要求：1.知道高炉炉内的状况和炉料在高炉内的物理化学变化；2.掌握高炉内铁氧化物的还原反应；3.掌握直接还原和间接还原；4.掌握高炉内非铁元素的还原；5.明白生铁的生成与渗碳过程。重、难点：1.高炉内铁氧化物的还原反应、直接还原和间接还原；2.高炉内非铁元素的还原。教学方法： 利用多媒体以课堂讲授为主，结合实际范例进行课堂讨论。讲授重点内容提要第一节 炉料在炉内的物理化学变化一、高炉炉内的状况如图31所示，高炉炉内的状况可分为五个区域或称五个带： 1.炉料仍保持装料前块状状态的块状带； 2.矿石从开始软化到完全软化的软熔带； 3.已熔化的铁水和炉渣沿焦炭之间的缝隙下降的滴落带； 4.由于鼓风动能的作用，焦炭作回旋运动的风口带； 5.风口以下，贮存渣铁完成必要渣铁反应的渣铁带。 图3-1 炉内的状况二、水分的蒸发与结晶水的分解在高炉炉料中，水以吸附水与结晶水两种形式存在。 1吸附水吸附水也称物理水，以游离状态存在于炉料中。吸附水蒸发吸热，一方面减少了炉尘的吹出量，另一方面对装料设备和炉顶金属结构的维护还带来好处。 2结晶水结晶水也称化合水，以化合物形态存在于炉料中。炉料中的结晶水一般存在于褐铁矿(nFe203mH20)和高岭土(A12032Si022H20)中。结晶水在高炉内大量分解的温度在400600，分解反应如下：这些反应都是吸热反应，消耗高炉内的热量。三、挥发物的挥发挥发物的挥发，包括燃料挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发。1.燃料挥发物的挥发挥发分存在于焦炭及煤粉中。焦炭中挥发分质量分数为0.7l.3。焦炭在高炉内到达风口前已被加热到l4001600，挥发分全部挥发。由于挥发分数量少，对煤气成分和冶炼过程影响不大。煤粉中挥发分含量高，引起炉缸煤气成分的变化，对还原反应有一定的影响。2.高炉内其他物质的挥发高炉内化合物，如Si0、Pb0、K20、Na20等和元素，如S、P、As、K、Na、Zn、Pb、Mn等进行少量挥发(也称气化)。这些元素和化合物的挥发对高炉炉况和炉衬都有影响。 四、碳酸盐的分解 炉料中的碳酸盐主要来自石灰石(CaC03)和白云石(CaC03MgC03)，有时也来自碳酸铁(FeC03)和碳酸锰(MnC03)。 1.MnC03、FeC03和MgC03的分解温度较低，一般在高炉上部分解完毕，对高炉冶炼影响不大。2.CaC03的分解温度较高约910，且是吸热反应，对高炉冶炼影响较大。CaC03的分解反应式为：CaC03=CaO+C02 178000kJ部分石灰石来不及分解而进入高温区则分解生成的C02在高温区与焦炭作用：C02+C=2C0 一165800kJ此反应既消耗热量又消耗碳素，使焦比升高。使用自熔性或熔剂性烧结矿，减少石灰石用量，缩小石灰石的粒度等措施可降低焦比。第二节还原过程和生铁的形成 一、基本概念 1还原反应还原剂夺取金属氧化物中的氧，使之变为金属或该金属低价氧化物的反应。高炉炼铁常用的还原剂主要有C0、H2和固体碳。 2铁氧化物的还原顺序 遵循逐级还原的原则。当温度小于570时，按Fe203Fe304Fe的顺序还原。当温度大于570时，按Fe203Fe304Fe0Fe的顺序还原。二、高炉内铁氧化物的还原1用C0和H2还原铁氧化物用C0和H2还原铁氧化物，生成C02和H2O还原反应叫间接还原。用C0作还原剂的还原反应主要在高炉内小于800的区域进行。用H2作还原剂的还原反应主要在高炉内8001100的区域进行。 2用固体碳还原铁氧化物用固体碳还原铁氧化物，生成C0的还原反应叫直接还原。在高炉内具有实际意义的只有FeO+C=Fe+C0的反应。直接还原要通过气相进行反应，其反应过程如下：直接还原一般在大于ll00的区域进行，8001100区域为直接还原与间接还原同时存在区，低于800的区域是间接还原区。 三、直接还原与间接还原的比较 1铁的直接还原度 直接还原的形式还原的铁量与还原出来的总铁量之比，称为铁的直接还原度，记作d。 2间接还原与直接还原的比较 从还原剂需要量角度看，直接还原比间接还原更能有利于降低焦比。从热量的需要角度看，间接还原比直接还原更能有利于降低焦比。只有直接还原与间接还原在适宜的比例范围内，维持适宜的d（0.20.3），才能降低焦比，取得最佳效果。 3.发展间接还原，降低d的基本途径：改善矿石的还原性，控制高炉煤气的合理分布，采用氧煤强化冶炼新工艺。4.降低单位生铁的热量消耗的措施：提高风温，提高矿石品位，使用自熔性或熔剂性烧结矿，减小外部热损失，降低焦炭灰分等。四、高炉内非铁元素的还原1锰的还原高炉内锰氧化物的还原由高级向低级逐级还原直到金属锰，顺序为：从Mn02到Mn0可通过间接还原进行还原反应。Mn0还原成Mn只能靠直接还原取得。Mn0的直接还原是吸热反应。高炉炉温是锰还原的重要条件，其次适当提高炉渣碱度，增加Mn0的活度，也有利于锰的直接还原。还原出来的锰可溶于生铁或生成Mn3C溶于生铁。冶炼普通生铁时，有4060的锰进入生铁，5l0的锰挥发进入煤气，其余进入炉渣。2硅的还原硅的还原只能在高炉下部高温区(1300以上)以直接还原的形式进行：Si02在还原时要吸收大量热量，硅在高炉内只有少量被还原。还原出来的硅可溶于生铁或生成FeSi再溶于生铁。较高的炉温和较低的炉渣碱度有利于硅的还原。铁水中的含硅量可作为衡量炉温水平的标志。3磷的还原 磷酸铁(FeO)3P2058H20又称蓝铁矿，蓝铁矿的结晶水分解后，形成多微孔的结构较易还原，反应式为：磷酸钙在高炉内首先进入炉渣，在11001300时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60；当有Si02存在时，可以加速磷的还原： 磷在高炉冶炼条件下，全部被还原以Fe2P形态溶于生铁。4铅、锌、砷的还原还原出来的铅易沉积于炉底，渗入砖缝，破坏炉底；部分铅在高炉内易挥发上升，遇到C02和H20将被氧化，随炉料一起下降时又被还原，在炉内循环。还原出来的锌，在炉内挥发、氧化、体积增大使炉墙破坏，或凝附于炉墙形成炉瘤。还原出来的砷，与铁化合影响钢铁性能，使钢冷脆，焊接性能大大降低。五、还原反应动力学1. 反应过程模型铁矿石的还原反应是由矿石颗粒表面向中心进行的，如图33所示。图3-3 矿球反应过程模型2. 加快还原反应速度的措施提高还原气体的浓度和还原温度。使用粒度较小，气孔率较大的人造矿石。 六、生铁的生成与渗碳过程1.生铁的生成渗碳和已还原的元素进入生铁中，得到含Fe、C、Si、Mn、P、S等元素的生铁。2.渗碳过程固体海绵铁发生如下渗碳过程：在1400左右时，与炽热的焦炭继续进行固相渗碳。熔化后的金属铁与焦炭发生渗碳反应：3Fe液+C焦=Fe3C液。生铁的最终含碳量与生铁中合金元素的含量有着密切关系。能与碳生成碳化物的元素，有助于增加生铁中的含碳量；能与铁生成化合物的元素，促使生铁的含碳量降低课时：2学时授课内容：第四节 高炉风口区碳素的燃烧第五节 炉料和煤气的运动目的要求：1.掌握高炉内燃烧反应的作用；2.知道影响燃烧带大小的因素；3.掌握炉料和煤气运动情况；4.了解影响煤气压力损失的因素。重、难点：1.高炉内燃烧反应的作用及影响燃烧带大小的因素；2.炉料和煤气运动是难点。教学方法： 利用多媒体以课堂讲授为主，结合实际范例进行课堂讨论。讲授重点内容提要第四节 高炉风口区碳素的燃烧一、燃料燃烧1燃烧反应燃烧反应的机理一般认为分两步进行：风口前碳素的燃烧只能是不完全燃烧，生成C0并放出热量。由于鼓风中总含有一定的水蒸气，灼热的C与H20发生下列反应：C+H20=CO+H2 124390kJ实际生产中的条件下，风口前碳素燃烧的最终产物由C0、H2、N2组成。2燃烧反应的作用燃烧反应有以下几方面作用：为高炉冶炼过程提供主要热源；为还原反应提供C0、H2等还原剂；为炉料下降提供必要的空间。二、回旋区及燃烧带1. 回旋区的概念风口前产生焦炭和煤气流回旋运动的区域称为回旋区。在回旋区外围，有一层厚约l00300mm的中间层，此层的焦炭既受高速煤气流的冲击作用，又受阻于外围包裹着的紧密焦炭，因此比较疏松，但又不能和煤气流一起运动。2.燃烧带的概念回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行燃烧反应的区域称为燃烧带。如图3-4所示。图3-4风口前焦炭循环运动示意图 (a)风口区域的垂直平面；(b)风口区域的水平截面1气流中心线；2焦炭的中间层三、影响燃烧带大小的因素1.燃烧带大小的作用决定着煤气在炉内的初始分布，对炉内煤气温度和炉缸温度分布，及高炉顺行都有影响。当燃烧带沿水平方向上截面积越大，相邻两燃烧带之间的不活跃区越小时，炉缸工作越均匀。2.影响燃烧带大小的因素鼓风动能与下部调剂下部调剂的作用是通过改变进风状态控制煤气流的初