高炉冶炼操作技术.doc

第一章高炉冶炼的基本原理和对原燃料的要求世界上铁的生产有高炉冶炼、直接还原和熔融还原三种方式，但到目前为止，高炉炼铁仍然占主导地位，还没有任何一种方法能够取代高炉。高炉炼铁生产的特点是：效率高（产量高），机械化、自动化程度高，连续作业，可以实现大规模生产。炼铁在钢铁联合企业中处于承上启下的中心地位，炼铁生产的波动必然影响企业的整体生产平衡。高炉休风，既影响上道工序烧结和球团的正常生产，又影响下道工序炼钢的正常生产，与此同时，煤气减少，又影响联合企业的动力平衡。现代化高炉由高炉本体和以下辅助系统组成。送风系统：鼓风机（包括甘油站、润滑油站、PLC自动控制），冷风管道（包括放风阀），热风炉（包括热风管道、液压站、PLC自动控制、各种阀门）和高炉本体的送风装置。供料和上料系统：供料（包括烧结生产，球团生产，炼铁贮矿场，矿槽与辅助设备），上料（包括矿槽下给料机、震动筛、称量设备、返焦和返矿、皮带运输），上料料车（主卷扬）或上料主皮带，炉顶的上料和布料（包括液压站、无料钟或大小钟装置）、探尺、均压装置及PLC自动控制等。渣铁处理系统：炉前出铁场（包括液压站、开口机、泥炮、炉前吊车、渣铁钩、铁水罐），铸铁机和冲渣泵站、水冲渣沟、水渣池及辅助设备等。冷却系统：联合泵站（高、低压水泵、柴油机事故泵组、凉水塔，软水闭路循环的还有软水制备装置），给、排水管道、自清洗过滤器和高炉本体的冷却壁（板）、炉底水冷，热风炉的热风阀、燃烧阀、烟道阀、倒流阀等。煤气净化系统：上升、下降管、重力除尘、滤袋除尘（或湿法除尘）装置、PLC自动控制、煤气管道、加压阀组及各种控制阀门以及煤气余压利用系统（TRT发电和DPRT技术）。喷吹系统：储煤场与输煤皮带机，制粉有：中速磨、燃烧炉、收粉设施、PLC自动控制，喷吹设施：仓试泵（或喷吹罐）分配器、喷枪与N2安全保护装置和各种控制阀门。环保除尘系统：矿槽除尘、出铁场除尘、铸铁机除尘及污水处理等。各辅助系统既独立运行，又相互关联，无论哪一个环节出现故障都将影响高炉的正常生产。一、高炉冶炼的基本原理高炉是气体、液体和固体三相共存的竖式反应器。高炉冶炼过程实际上就是含铁炉料和燃料在高炉内经过一系列物理化学反应后完成铁的还原和熔化过程。风口前碳素燃烧时产生上升的高温煤气与下降的固体炉料在逆向运动过程中完成了传质传热、还原（包括非铁元素的还原）、造渣、熔化和生铁的渗碳与脱硫等物理化学反应。各种反应既相互关联又相互制约，是错综复杂的矛盾运动过程。其中上升气流和下降炉料的逆向运动在很大程度上影响着整个冶炼过程，因此，是炉内复杂矛盾运动的主要矛盾。上升气流是加热和还原炉料所需能量的唯一来源，煤气流的分布状态是否合理并稳定，不仅影响着炉料的下降和传热，还影响还原、造渣、熔化等化学反应过程，因此，它是主要矛盾的主要方面。煤气流上升和炉料下降的矛盾运动，可通过合理的送风制度和装料制度来统一。只有在煤气流分布合理，炉料下降均匀顺畅的条件下，炉况才能稳定顺行并确保冶炼过程反应完善，各项经济技术指标良好。在实际生产中，高炉冶炼的外部条件不可能保持固定不变，因此，高炉操作者的任务就是在遵循高炉冶炼基本规律的基础上，根据冶炼条件的变化，及时准确地采取调节措施，使高炉冶炼过程中矛盾的对立始终保持平衡状态，也就是保持炉况的稳定和顺行。高炉炼铁能耗占整个钢铁生产能耗的65%70%，占生铁成本的55%60%。改善原、燃料条件和提高煤气的利用率（提高煤气热能和化学能的利用），可进一步降低消耗、强化冶炼，从而达到降低成本的目的。因此，几十年来炼铁生产的技术进步主要体现在降低能耗（精料、提高风温、提高顶压和富氧大喷吹等）和高炉长寿技术上。1、高炉内的基本状况1.1 炉料在高炉内的物理状态从高炉解剖研究的结果中可以看出，高炉内的炉料基本上是按装料顺序层状下降的（球团矿有超越现象）。依入炉原、燃料在高炉内物理状态的不同，大致可划分为五个区域： 1.1.1块状带：在高炉的上部，入炉料仍然保持装料时的固态层次，随着炉料的逐渐下降，层状逐渐趋于水平，厚度逐渐变薄。1.1.2软熔带：它由固态焦炭层和粘接在一起的矿石层组成。含铁炉料在下降过程中温度达到900以上并在料柱重力作用下开始软化并逐步呈熔融状态。两个软融层之间是焦炭层，多个软融层和焦炭层构成软熔带。1.1.3滴落带：位于软熔带下面，当炉料温度超过1150时，开始有液态的铁生成，温度进一步提高后，熔化的渣、铁逐渐增多。已熔化的渣、铁液滴穿过焦炭层下落到风口以下的炉缸区域积存，这一渣、铁液滴滴落的区域称为滴落带。在滴落带，由于煤气大量通过，使渣铁液滴在滴落的过程中继续进行还原、渗碳等反应。因此，滴落带是高温物理化学反应的主要区域。1.1.4风口带：在鼓风动能的作用下风口前焦炭形成半空状态的回旋区（回旋区的大小和鼓风动能有关），焦炭在回旋运动中燃烧。这个区域是高炉内存在的唯一氧化性区域，称为风口带。风口带是高炉热能和气体还原剂的发源地，也是煤气流初始分布的起点。1.1.5液态渣铁区（炉缸区）：是滴落带滴下的液态渣、铁的贮存区域，当滴落的液态生铁穿过熔渣层时，继续进行脱硫和渗碳等反应。1.2 高炉各区域的功能高炉内各区域的功能见图11和表11。 1 吸附水蒸发 2 结晶水分解 块状区 3矿石间接还原 石灰石分解 8 4矿石间接还原+气化反应 软化 炉渣形成 9 半融区 5矿石直接还原 6 合金元素的还原、渗碳 脱硫7 滴下区 10 炭的燃烧 风口 风口带 炉缸区 铁口 图11 高炉内各区域功能表11 高炉内各区域功能功能区域相 向 运 动热 交 换反 应块状带固体（焦炭，矿石）在重力作用下下降，煤气在强制鼓风作用下上升。上升煤气对固体料进行干燥和预热。矿石间接还原。焦炭的气化反应。碳酸盐分解。软熔带焦炭层中焦炭块缝隙的大小和多少（透气率）影响气流分布。上升煤气对软化熔融层传热，熔融层的温度提高后逐渐熔化。矿石直接还原和渗碳。滴落带固体（焦炭）和液体（铁水、熔渣）的下降；煤气上升。向回旋区供给焦炭。煤气和铁水液滴、熔渣液滴和焦炭进行热交换。 合金元素并进入还原，脱硫，铁水液滴渗碳。风口带鼓风使焦炭回旋运动。燃烧反应生成高温煤气并对风口上方的焦炭及渣、铁液滴传热。鼓风中的氧、焦炭和煤粉等发生燃烧反应。炉缸区贮存铁水，熔渣，定时从渣口排放溶渣和从铁口出铁。高温煤气、铁水、溶渣及死料柱的焦炭进行热交换。铁水的最终渗碳和脱硫。1.2.1软熔带的形状及其对高炉冶炼的影响1.2.1.1软熔带的形状软熔带的纵剖面形状取决于装料制度，基本有三种形式：“V”形、倒“V”形或“W”形，。在目前精料的条件下（原燃料强度较高，炉料的透气性好，在高炉操作中采用中心比边缘相对发展的装料制度，而因此软熔带呈倒“V”形）。倒“V”形有利于高炉长寿和提高煤气利用率。只有个别原燃料条件差的中小高炉软熔带形状呈“V”形。在原燃料强度相对变差或减风低压操作时，形成边缘和中心都相对发展的两道气流，因此软熔带呈“W”形。倒“V”形软熔带的特点是煤气利用率高，要求精料水平较高；同时，当冷却强度大、边缘气流不足时炉墙容易结厚。所以原燃料条件较差的中小高炉基本上还是“W”型的软熔带。1.2.1.2软熔带对高炉冶炼的影响软熔带在高炉中、下部起着煤气再分布的作用，它的形状与位置对高炉冶炼过程中铁矿石预还原、料柱的透气性、煤气利用、炉缸温度等产生一定的影响。各种软熔带对高炉冶炼的影响见表12。表12软熔带对高炉冶炼的影响影响内容形状倒“V”形“V”形“W”形铁矿石预还原生铁脱硫生铁Si含量煤气利用炉缸中小活跃程度炉墙维护有利有利有利好活跃有利不利不利不利不好不活跃不利中等中等中等中等中等中等1.3高炉内各种物理化学反应高炉炉内各种物理化学反应过程按其功能大致可分为以下三种： 1.3.1相向运动：由于重力关系，固体和液体下降，煤气上升。1.3.2热交换：风口前由焦炭燃烧生成的高温煤气与固体炉料和液态渣、铁在逆向运动过程中进行热交换。1.3.3物理化学反应：碳素的氧化（燃烧），氧化铁的还原，非铁元素的还原以及固相气相、固相液相的相变等。1.4 炉料在高炉内的分布及粒度变化1.4.1炉料在高炉横截面上的分布高炉的横截面，在任一水平面上都是圆形的。所以，在圆周方向上炉料的分布可认为基本是均匀的。但在半径方向上，炉料分布取决于装料制度，不可能是均匀的。所以在实际操作中，应使炉料在圆周方向上保持均匀分布，而在半径方向上应保持最适宜的合理分布。这是保证煤气分布合理与热能和化学能得到充分利用、下料均匀顺畅和炉况稳定顺行的关键因素之一。1.4.2炉料在高炉内的粒度变化在熔化滴落前，矿石、焦炭分层明显。由于高炉炉身呈圆台型，炉料下降时层厚逐渐变薄，倾斜度也逐渐趋于平坦。烧结矿在下降过程中，大粒级数量逐渐减少，在炉身中部减至最少，到炉身下部中心温度较高区又有所增加，这是由于小颗粒发生软化粘结所致；焦炭在下降过程中由于磨损作用，粒度逐渐变小。1.5 煤气流分布与运动过程煤气在上升运动中经过三次分布过程：1.5.1初始分布：先自风口向上和向中心扩散，煤气流的流向线与回旋区大小有关。1.5.2第一次分布变化：煤气通过滴落带后在软熔带焦炭夹层中作横向运动，而后曲折向上通过块状带。煤气通过软熔带的运动取决于软熔带的位置、形状、焦炭夹层厚度，焦炭强度以及滴落带的阻力。1.5.3第二次分布变化：煤气流通过块状带时，其分布取决于装料制度（炉料在横截面上的分布）和块状带的透气性。2、还原反应铁氧化物还原是高炉内最主要、最基本和数量最大的化学反应，也是高炉冶炼的主体。就高炉冶炼过程来说，还原就是从铁氧化物中夺取氧，使铁氧化物中的铁变为铁的低价氧化物并最终变为金属铁，这一过程叫还原反应。由于矿石中的铁（和其它金属）都以氧化物的形态存在，因此，必须夺取与铁（和其它金属）结合的氧，使铁（和其它金属）游离出来才能得到金属铁。所以，高炉冶炼过程实际上就是铁（和其它金属）氧化物还原并熔化的过程。还原剂有C、CO和H2，还原反应的一般公式如下： MeO + B = Me + BO式中 ：MeO被还原元素的氧化物；B 还原剂；Me 被还原元素；BO 还原剂的氧化物。要想从金属氧化物中夺取氧，还原剂对氧的亲和力必须大于被还原元素对氧的亲和力，这是做为还原剂的基本条件。在高炉冶炼中常遇到的各种金属元素还原难易顺序（由易到难排列）为：Cu Ni Co Fe Cr Mn V Si Ti AI Mg Ca 在高炉冶炼条件下，可以全部被还原的：Cu Ni Co Fe 。 部分被还原的：Cr Mn V Si Ti 。 完全不被还原的：Al Mg Ca 。实验研究指出：铁氧化物是逐级还原的，即从高价氧化物逐渐还原到金属铁。 Fe2O3Fe3O4FeOFe。高炉炉内热交换和还原反应见图12。高度(m) 料线 煤气 矿石焦炭的干燥预热，焦炭挥发份挥发 第一段热交换 Fe2O3+CO（H2）2FeO+CO2（H2O） 间接还原区 Fe3O4+CO（H2）3FeO+CO2（H2O） FeO+CO（H2）Fe+ CO2（H2O）空区 石灰石分解：CaCO3CaO+CO2 炉料 FeO+CFe+ CO 非金属还原：SiO2+2CSi+2CO第二段热交换 直接还原区 P2O5+5C2P+5COMnO+CMn+CO风口中心平面 焦炭燃烧 ：2C+O2CO 0 500 1000 1500 2000 2200 2300 温度（） 图 12 高炉内热交换和还原反应2.1 一氧化碳（CO）还原铁氧化物当温度低于570时： 3 Fe2O3 +CO=2 Fe3O4+ CO2+37130 Kj Fe3O4+ 4CO=3 Fe+ 4CO2+17163 Kj当温度高于570时： 3 Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130 Kj Fe3O4+CO=3 FeO+CO220888 Kj FeO+CO= Fe+CO2+13605 Kj CO还原铁氧化物并产生CO2的反应叫做间接还原。因为CO是由C燃烧氧化而产生的，所以间接还原反应实质是间接消耗C的反应。2.2 固定碳（C）还原铁氧化物 碳的气化反应： CO2 + C = 2CO165766 Kj 由于是一个吸热量很大的反应，因此在800时才开始进行，超过1100后几乎100%的进行反应。由于高炉下部的高温区存在大量的、高温的碳素，CO间接还原生成的CO2 很快与高温的碳素（C）反应，于是铁氧化物的还原反应如下： FeO+CO = Fe+CO2 +13605 Kj 产生的CO2 立即与固体碳(C)作用又生成CO，以上两个反应总的结果是：FeO+C = Fe+CO152161 Kj最终以碳素还原铁的氧化物、气相产物为CO的反应称为直接还原。碳素还原主要是通过CO的媒介作用，从节约热量出发，希望间接还原多一些。 高炉中直接还原在800才开始进行，因此把高炉中低于800度的区域称为间接还原区，8001100区域为间接还原和直接还原同时进行区域，大于1100区域为直接还原区。 2.3 氢（H2）还原铁氧化物 高炉下部鼓风中水分分解及喷吹燃料时形成一部分H2 ，H2和CO一样参加还原反应： 温度低于570时3Fe2O3+H2 = 2Fe3O4+H2O+21820 KjFe3O4+4H2 = 3Fe+4H2O+147630 Kj温度大于570时3Fe2O3+H2 = 2Fe3O4+H2O+21820 KjFe3O4H2 = 3FeO+H2O6220 KjFeOH2 = Fe+H2O27711 Kj由于H2的活度比CO高，因此，煤气中H2含量提高后更有利于间接还原反应的进行。与此同时，H2参加间接还原反应后的产物是水，不象CO反应后的产物是CO2而降低了煤气中CO的浓度。3、炉料在高炉中的性状变化及造渣3.1 炉料的蒸发、挥发与分解3.1.1物理水的蒸发吸附在炉料表面和孔隙中的游离水叫吸附水（也叫物理水），只要加热到100以上就可逐渐全部蒸发除去，不增加燃料消耗，相反可降低炉顶温度。3.1.2水化物的分解在炉料中以化合物形式存在的水叫结晶水（也叫化合水）。含有结晶水的化合物也叫水化物，如褐铁矿（2Fe2O33H2O）。矿石中的结晶水在200左右时开始分解，到400500才能分解完毕。当没有分解完结晶水的矿块下降到高温区后，在高温下分解出的结晶水与碳发生吸热反应，导致高炉的热量消耗增加，所以应该尽量少用结晶水含量高的天然块矿。3.1.4挥发物的挥发炉料中含挥发物的主要是焦炭，焦炭的挥发物含量在0.7% 1.3%的范围内。当温度达到200左右时挥发物开挥发，温度达到13001400时，挥发物才能全部挥发出去。炉料中的碱金属和锌在炉腹部位被还原，下降到风口带上方时在高温作用下气化后又随煤气上升，一部分逸出炉顶，一部分被氧化又下降到高炉下部，形成循环富集现象。碱金属进入焦炭的气空后，使焦炭强度降低并造成粉化现象，使料柱的透气性恶化。碱金属进入炉衬耐火材料的气孔后，对炉衬有破坏作用，同时还易形成炉瘤。3.2矿石在高温下的变化 3.2.1炉料的粉化与软化粘结矿石在炉内下降时，温度逐渐升高并进行还原反应，同时还产生粉化现象。粉化有两种：还原粉化和含化合水高的矿块爆裂，如果粉化现象严重，将恶化炉料的透气性，影响炉况顺行。因此，应该控制烧结矿的低温粉化及化合水含量高的矿块在配料中的比例。温度升高到900以后，矿石表面软化并出现相互间的粘结。从炉身下部至炉腹上部（9001100），矿石变成熔融状态（软熔层）。3.2.2软熔层的熔化和消失 软融层温度达1200左右时，金属铁粒间已结合牢固，但仍能辨别出不同种类矿石。温度继续升高和还原反应继续进行后，各种矿石中心残存的浮士体逐渐消失，成为金属铁与渣的共同体，各种矿已不能分辨。 当温度达到1300以上时，渣、铁熔化后向下滴落，经焦炭层进入炉缸。渣相中FeO很低，铁液含碳量增加后熔点降低，软融层全部熔化并消失。3.3 炉渣形成 矿石中Fe被还原后，脉石和焦炭灰分及熔剂中的非铁氧化物（主要有：SiO2 和Al2O3称酸性氧化物，CaO和MgO称碱性氧化物，还有MnO、 FeO、 CaS等，有的矿石还含有CaF2、TiO2和BaO等）在高温作用下生成低于原来每个单一氧化物熔点的化合物。这些非铁氧化物生成的化合物就是炉渣。3.3.1造渣过程 炉料在炉内下降到软熔带发生软粘、熔融和滴落的过程中，渣和金属在软融层里分离，各自聚合。由于脉石的熔点不同，低碱度、低熔点的渣首先分离，而高碱度、高熔点渣仍将附着于金属铁上，待金属铁渗碳熔化后才成为大致均匀的炉渣并同时滴下，这就是初渣的形成。 软融层生成的初渣在下降过程中，因其中的FeO被还原而析出铁，因而初渣成分不断变化，直至滴入炉缸后才成为终渣。 初渣含FeO可高达18%30%，熔化滴下前降至2%20%。还原性好的矿石，滴下开始时的渣中含FeO仅百分之几，难还原铁矿石滴下开始时渣中的FeO可达20%以上。初渣渣量和成分对高炉行程有重要影响，熔化温度低的初渣在温度相对偏低的部位已经熔化并很快滴落到炉缸，由于自身温度偏低，使炉缸温度下降（变凉），导致 Fe、Mn、Si等元素还原变慢，铁水脱硫效率变差。 风口前的焦炭燃烧后，灰分中SiO2的活度比较高，而且与碳的接触条件最好，在高温条件下发生如下反应：SiO2+C = SiO(气体)+CO.SiO(气体)随煤气上升至软熔带时被滴下的熔渣截获，一部分进入初渣，另一部分继续还原为Si。灰分中的Al2O3在风口附近转入炉渣，所以，渣中的Al2O3含量在风口区快速增加。 硅石在炉身下部即开始渣化，石灰石和白云石一般要在炉腹才能成渣。3.3.2炉渣的性质熔化温度：熔化温度指炉渣熔化过程中达到液相线的温度，也就是炉渣开始自由流动的温度。熔化温度是由粘度温度曲线的转折点得出的，如没有明显转折曲线，则一般取其与水平成45角的直线相切点的温度；也有取粘度值为2.02.5Pa.s的温度为熔化性温度。3.3.2.1稳定性 热稳定性：炉渣在温度波动时保持稳定的能力，称为热稳定性。一般用粘度温度曲线转折的缓急来判断。要求当温度波动时，炉渣的粘度在一定范围内波动不大，或者平缓；化学稳定性：炉渣在成分波动时保持稳定的能力称为化学稳定性。熔化温度或粘度随成分不同而变化的梯度越小其化学稳定性越好。要求当成分变化时，溶化温度与粘度在一定范围内变化平缓。3.3.2.2炉渣粘度：炉渣粘度取决于炉渣的化学成份，各组分对粘度的影响： 炉渣碱度（CaO/SiO2）对粘度的影响：当R（CaO/SiO2）=0.81.2之间时粘度较低，R继续增加之后，粘度又大幅度上升。 MgO对炉渣粘度的影响：在一定范围内随着MgO的增加粘度下降。 Al2O3对炉渣粘度的影响：渣中Al2O3%小于16%时，Al2O3%的变化对粘度影响不是很大；当Al2O3大于16%以后，粘度明显增加。因此，受原燃料条件的制约，Al2O3大于16%以后，可以适当增加MgO的含量来降低炉渣粘度。 FeO能降低炉渣粘度，但FeO含量高时降低了炉渣的脱硫能力。 CaF2 能显著降低炉渣的熔化性温度和粘度。矿石中TiO2只有极少量还原进入生铁，其余进入矿渣。碱度相同时，随着TiO含量的增加熔化性温度升高。 3.3.3炉渣碱度炉渣碱度是用来表示炉渣酸碱度的指数，通常用二元碱度（CaO/ SiO2） 表示炉渣碱度。渣中MgO较多时也可用三元碱度（也叫总碱度，CaO+MgO/ SiO2 ）来表示炉渣碱度。渣中AI2O3和MgO都较多时，还可用四元碱度（也叫全碱度，CaO+MgO/ SiO2Al2O3 ）来表示炉渣碱度。3.3.3.1 碱性渣：渣的粘度温度曲线转折明显，在液态时不能拉成长丝，凝固后渣样断面多呈石头状，这种渣通常称为短渣。3.3.3.2 酸性渣：渣的粘度温度曲线转折不是非常明显，液态时可拉成长丝，凝固后渣样断面呈玻璃状，通常称为长渣。在正常生产中，炉渣碱度一般都在0.91.30之间。大于1.0为碱性渣 ，小于1.0称为酸性渣。只有在冶炼铸造铁时选用酸性渣。冶炼制钢铁时根据硫负荷的大小确定炉渣碱度。4、生铁的渗碳 生铁的形成过程也是碳和其他元素渗入的过程，现代研究认为，生铁渗碳大致可分为三个阶段。4.1第一阶：固态金属渗碳新还原出的海绵铁与焦炭和煤气接触产生渗碳反应。这阶段渗碳主要是通过气相进行的，即通过碳黑沉积反应： 2CO=C黑+CO2。金属铁是该反应的催化剂，沉积在金属铁表面的C黑与Fe反应： C黑+3Fe=Fe3C。一般说这阶段渗碳在800以下区域，即在高炉炉身的中上部有海绵铁出现的固相区。这一阶段渗碳量大约在1.5%左右。4.2第二阶段：液态铁渗碳。这是在铁滴形成之后，铁滴和焦炭直接接触或通过气相渗碳。3Fe+C=Fe3C 3Fe+2CO=Fe3C+CO2最初出现的铁滴大约含碳2%左右。沿焦炭床下降时与焦炭接触条件良好，渗碳反应加速。铁滴下落是生铁渗碳的主要阶段，到达滴落带末端生铁含碳量可达4.0%，接近终铁含碳C量。4.3第三阶段：炉缸内渗碳。在铁水聚集之后，炉缸的焦炭沉浸在铁水中，与铁水的接触后进行直接渗碳反应。在现代冶炼条件下，这个阶段的渗碳反应已经失去其主导作用，虽然温度很高，接触时间很长，但一般增碳量只是0.1%0.5%。生铁碳渗从炉身海绵铁开始，大部分渗碳在炉腰以下的高温区已基本完成，炉缸只是少部分渗碳。因此，滴落带是大量渗碳的部位。 铁在渗碳过程中又不断熔入直接还原的Si、Mn、P等元素，滴落到炉缸后成为化学成分基本稳定的生铁，然后定期从铁口排放出去。凡铁水中能与碳作用形成碳化物的元素如Mn、Cr、V、Ti 等都促使生铁含碳增高。反之，能使碳化物分解的元素如Si、P、 S等都是促使生铁含碳量相应降低。高炉内铁水最终含碳量不能随意控制，但与冶炼生铁的品种有关。铸造铁含碳量3.5%4.5%，制钢铁含碳量在1.7%3.3%之间。含碳量则决定于生铁中其它合金元素的含量，一般用下列经验式计算：C=4.30.27Si0.32P+0.3Mn0.32S5、生铁中各种元素进入量的控制控制进入生铁中各种元素的量，冶炼出优质生铁，满足炼钢和其它用户的需要，是高炉冶炼操作中的主要任务之一。各种元素进入生铁中的比率是由各种元素自身性质所决定的，有效的控制各种元素进入生铁中的量是比较困难的。各种元素进入生铁、炉渣及煤气的分配比率见表13。在高炉冶炼过程中只有通过控制配料比、控制炉温和调节碱度来控制进入生铁中各种元素的量。5.1 Si的还原 Si的还原是通过SiO气态的中间产物进行的。焦炭灰分中的SiO2与C接触最好，Si的还原过程是：实现在风口区域焦炭灰分中的SiO2与C反应，生成气态的SiO，随煤气上升过程中被铁液吸收，又与铁中C反应而生成Si。SiO2+C = SiO气+ CO SiO+C = Si+ COSiO2+2C = Si +2 CO628277 KJSi无论从液态中或从气态中还原，都需要很高的温度。还原1kgSi所需要的热量相当于从FeO中还原1kgFe的8倍。炉缸温度越高，还原进入生铁的Si就越多，反之，生铁中的Si就越少。生产统计结果表明，炉缸温度与生铁Si量成直线关系，因此，铁水中Si含量成为炉缸温度的主要标志。在高炉冶炼中主要通过控制高炉冶炼的物理温度，炉渣碱来度控制Si进入生铁中的量。5.2生铁中 S的控制高炉中的S主要由炉料（焦炭、矿石）带入的，其中焦炭带入的占70%左右或更高。由炉料带入的硫量称为硫负荷。正常的硫负荷是每吨生铁48kg左右。S在高炉冶炼中一部分进入生铁，一部分随煤气逸出，大部分进入炉渣。高炉内硫的平衡关系为 S料=S+n(S)+S挥式中： n单位生铁中渣量 S铁中含硫 (S)渣中含硫 S挥挥发出的硫硫在渣铁间的分配系为：(S) S料 S挥 Ls = 则: S= S 1+nLs 总的脱硫反应是：FeS+(CaO)+C=Fe+(CaS)+CO141227KJ控制生铁中S含量的主要措施是：5.2.1提高温度。由于脱硫是吸热反应，保持适宜的炉缸温度，促进脱硫的吸热反应和离子扩散，有利于LS的提高；5.2.2提高炉渣碱度和控制适应的炉渣成分，CaO、MgO均对脱硫有利，而SiO2 和Al2O3均不利于脱硫反应。因此，提高炉渣碱度有利于LS的提高。5.2.3(S)在渣中的扩散远比在铁水中扩散慢得多，因此，降低炉渣粘度（改善炉渣的流动性），和减少渣中FeO含量，有利于脱硫。5.3磷的还原磷在矿石中以磷酸钙（CaO）3P2O5和兰铁矿(FeO) 3P2O58H2O形态存在。磷酸钙在12001500被C还原：（CaO）3P2O5+5C = 3 CaO+2P+5 CO162799 KJ有SiO2存在时可加速反应：2（CaO）3 P2O5+3 SiO2 = 3（CaO）2 SiO2 +2P2O5917468 KJ+ 2 P2O5 + 10C = 4P+10CO1921293 KJ 2（CaO）3 P2O5+3 SiO2+10C = 3 (CaO)2 SiO2 +4P+10CO2838761 KJ还原出来的P与Fe结合成Fe3P和Fe2P等化合物并放出热量。有Fe存在时有利于P还原。炼普通生铁时，炉料中的磷几乎全部进入生铁，只有炼高磷生铁时，约有13%的磷进入炉渣，另外7%进入煤气。5.4锰的还原 高炉内锰氧化物还原顺序为： MnO2 Mn2O3 Mn3O4 MnO Mn 用气体还原剂（CO、H2）从高价向低价逐级还原： 2MnO2 + CO = Mn2O3+ CO2+226689 KJ 3 Mn2O3CO = 2 Mn3O4+ CO2+170121KJ Mn3O4CO = 3MnO+ CO2+51882KJ 锰的高价氧化物还原到MnO，一般为间接还原，比较容易，而MnO难于还原，全部是直接还原，且耗热量很大： （MnO）+ C = Mn+CO287327 KJ 大部分锰是从液态渣中还原出来的。因为MnO在渣中多成硅酸锰状态，所以要求还原温度在14001500以上。表13各种元素进入生铁、炉渣及煤气的分配比率元素生铁种类分 配 率（%）铁渣煤气Fe炼钢铁铸造铁锰铁909096981124000Mn炼钢铁铸造铁锰铁4065657575823560253510150085Si炼钢铁铸造铁硅铁2810254050929875854050001020P碱性转炉铁88955120Ni炼钢铁9505Cr炼钢铁90982100V炼钢铁758515250Ti炼钢铁2595980Cu炼钢铁10000Zn炼钢铁01090As炼钢铁80020S炼钢铁铸造铁锰铁5121285907883395901015204060二、炉况稳定顺行的标志和条件高炉冶炼过程实际上是复杂并连续进行的物理化学反应过程，只有在炉况稳定顺行的条件下，高炉冶炼过程才能正常的进行。因此，在高炉操作中首先判断炉况的运行状态，然后再根据外部条件变化对炉况的影响及时采取正确的调节措施。1、炉况稳定顺行的主要标志1.1风压、风量稳定，对称，下料均匀顺畅，下料速度（批/小时）稳定在规定的范围内。1.2炉体各部位的检测温度、压力波动小，基本稳定在正常的范围内。1.3渣、铁温度充沛，流动性良好，铁水含硫低、燃料消耗低。1.4上、下次铁的物理热和化学成分波动小，基本稳定在规定的范围内。1.5炉况对冶炼条件变化有较强的应变能力，高炉在休风、减风后容易恢复正常。2、炉况稳定顺行的基本条件2.1煤气流分布稳定合理高炉冶炼是在煤气流上升和炉料下降的逆向运动中连续进行各种物理化学反应的，煤气流的分布状态对炉料均匀下降、冶炼进程的充分进行等都起决定性的作用。因此，必须根据原燃料条件的变化对煤气流分布的影响及时进行调节，始终保持煤气流分布合理并相对稳定，从而确保炉况的稳定顺行。2.2炉缸工作良好炉缸是冶炼过程的收尾区域，只有在炉缸工作良好（均匀、活跃）的前提下才能确保冶炼过程的正常进行，渣、铁排放顺利，铁水质量优良。2.2.1炉缸工作对高炉冶炼过程的影响高炉冶炼过程反应完善与否，最终集中表现在炉缸的工作状态上，原因是：2.2.1.1炉缸是冶炼过程中所需还原煤气和热量的发源地，煤气在炉缸的初始分布状态，不仅决定炉缸截面的温度分布和热量分布，而且对整个高炉沿其高度及截面的气流分布和温度分布起决定性的影响，这对高炉冶炼过程是至关重要的。2.2.1.2炉缸是煤气对炉料进行加热和还原反应过程的收尾，在炉缸必须消除炉料在上部加热和还原进程中存在不均匀性，因此，炉缸的工作状态对整个冶炼过程具有决定性的影响。2.2.1.3铁水在通过炉缸中的熔渣层时完成脱硫过程，因此，炉缸的工作状态对产品的质量起决定性的作用。炉缸工作的均匀活跃，气流的合理分布和炉料的均匀下降，是高炉冶炼正常进行的关键。所以高炉操作者必须十分重视并控制好这两个关键，当外部条件发生变化时进行及时准确的调节，确保炉况稳定顺行，使高炉冶炼实现稳产高产、优质、低耗和长寿的目标。2.2.2炉缸工作均匀活跃的标志2.2.2.1风口回旋区大小适宜，理论燃烧温度保持在适宜的范围内。2.2.2.2炉缸热量充沛，沿炉缸横截面的温度分布合理，渣”热”、铁“凉”（冶炼制钢铁时低硅、低硫），铁水凝固无裂纹，表面有石墨炭析出，断口呈灰黑色。2.2.2.3各铁口（大高炉24个铁口）出铁或一个铁口的上下次铁的化学成分和物理热差别不大，同次铁的出铁前、后期也无明显的变化（波动保持在合理的范围内），流动性良好。2.2.2.4风压在出铁前、后波动很小，没有出铁前风压高、料慢，出铁后风压低、料快的现象。2.2.2.5各风口工作均匀活跃，明亮但不耀眼，无生降和挂渣现象。即使在炉温偏低的情况下减风到50kpa左右或休风时，风口不涌渣。2.3原、燃料的结构和质量（强度、粒度、粉末含量及还原性等）能满足高炉冶炼的基本要求，特别是焦炭的强度与炉容相适应，有利于炉况顺行和高炉强化冶炼。高炉内各温度区域对原、燃料性能的要求见图13。区名主要功能对原料的基本要求A200400预热合理的粒度组成，冷强度好，透气性好。B400700还原耐磨性能好，低温还原粉化率低，透气性好。C7001100还原部分还原后强度仍然较高，荷重软化温度高，透气性好。 D11001300还原高温还原性能好；焦炭的反应后强度好，仍然保持一定的粒度，透气性好。E1300熔融渣、铁分离、渗碳焦炭仍然保持一定的粒度，焦炭层和炉缸 “死”料柱（焦炭）透气性、透液性好。AB CD E图13高炉内各温度区域对原燃料的要求2.4高炉供料、上料和布料系统运行正常，能保证炉料正常入炉并满足强化冶炼时对布料的要求。2.5渣、铁处理和运输能力可以满足高炉按时出净渣铁的需要。2.6冷却设备完好。2.7高炉的剖面状况（操作炉型）合理并稳定。操作炉型是否合理并保持稳定，也是炉况稳定顺行的基础。操作炉型是高炉开炉后在逐渐强化冶炼的过程中形成的，即使设计尺寸、原燃料条件完全相同的高炉，由于开炉后炉况变化的不同和操作制度的差异，形成的操作炉型也不同。2.7.1影响操作炉型的因素2.7.1.1炉体各部位的设计尺寸是否合理（原、燃料条件较差时矮胖的炉型比较适宜）。2.7.1.2冷却结构和炉衬耐火材料的匹配是否合理，耐火材料内衬的性能是否与原料结构适应（球团矿用量超过15%以后，应该考虑热震对冷却设备及耐火材料的影响）。2.7.1.3设备运行状况对高炉冶炼的影响，即高炉是否因设备故障而经常减风和休风。2.7.1.4开炉时基本制度的选择和强化冶炼的速度。2.7.2开炉对操作炉型的影响为了使高炉的操作炉型合理，实现高产、低耗和长寿的目标，开炉时必须做好以下工作： 做好开炉前的设备试运转，开炉后尽量减少设备故障造成的减风和休风时间。 根据原燃料条件确定出适宜的操作制度并逐步强化冶炼。2.8基本操作制度与原燃料条件及炉型相适应。2.9高炉值班工长的操作调剂准确及时，与此同时，三班在操作中树立全局观念，严格执行操作制度，才能确保炉况的长期稳定和顺行。三、精料与合理的炉料结构合理的炉料结构是高炉生产获得高产、优质、低耗、低成本的重要因素，越来越受到各钢铁企业的重视。所谓合理的炉料结构是指在一定时期和一定的资源条件下，合理匹配烧结矿、球团矿和天然矿（TFe65%），达到既科学合理的利用资源，又能使高炉冶炼获得最佳的经济效益。1、炉料结构由于资源和运输条件的不同，高炉的炉料结构也不同，大致有三种类型： 1.1我国大多数炼铁厂家和日本高炉的炉料结构是以高碱度烧结矿为主，搭配酸性球团矿和天然富矿（块矿）。1.2北美洲高炉的炉料结构主要是球团矿（酸、碱球团矿搭配）。1.3欧洲一些厂家则是烧结矿和球团矿差不多各占一半。我国是个铁矿资源相对贫乏的国家，贫矿多，复合矿多，可供我国利用的铁矿资源主要在澳大利亚、巴西、印度和南非。已经使用过的十七种进口铁矿粉化学成分见表14。表14常见十七种进口铁矿粉的化学成分国别 化学成分及铁矿粉名称 TFe SiO2 Al2O3 CaO MgO S P K2O Na2O 巴西 CVRD 卡拉加斯 67.50 0.70 0.74 0.01 0.02 0.008 0.036 0.01 0.01 CVRD 依塔比拉 63.65 5.31 1.02 0.01 0.02 0.007 0.046 0.01 0.01 CVRD 标准烧结粉 66.00 3.65 0.70 0.03 0.03 0.005 0.026 0.008 0.005 MBR CSF 67.00 1.50 1.25 0.12 0.06 0.007 0.044 0.01 0.01 MBR SF3.5 66.00 3.39 0.81 0.076 0.06 0.01 0.033 0.01 0.01 澳大利亚 哈默斯利 62.92 3.35 2.10 0.067 0.04 0.011 0.063 0.017 0.025 纽曼 62.08 2.82 1.43 0.070 0.10 0.011 0.046 0.02 0.023 库利安诺宾 63.50 2.76 0.92 0.020 0.07 0.035 0.083 0.01 戈德沃斯 64.68 4.72 1.71 0.072 0.05 0.01 0.057 0.017 0.015 扬迪 58.33 4.92 1.15 0.110 0.15 0.01 0.036 0.003 0.007印度 天普乐 63.00 2.75 2.25 0.050 0.050 0.10 0.05 库得拉姆 65.40 3.04 0.49 0.84 0.17 0.05 0.029 0.01 0.011果阿 62.50 4.20 2.10 0.60 0.05 0.01 0.02 0.017 白兰 64.50 2.75 2.48 0.02 0.10 0.01 0.05 0.035 H矿 67.85 0.96 1.02 0.01 0.01 0.008 0.063 南非 伊斯科 65.00 4.00 1.35 0.10 0.04 0.010 0.06 0.333 0.022加拿大 卡罗尔湖 66.80 3.76 0.13 0.39 0.25 0.04 0.004 0.002 0.002各企业在组织原料时，应根据企业所在地的资源及运输条件，本着有效利用资源、降低成本、提高经济效益和有利于可持续发展的原则，确定适宜的炉料结构并尽量提高精料水平。2、精料精料是高炉冶炼的基础，高炉工作者通过长期的生产实践，用“七分原料、三分操作”或“四分原料、三分设备、三分操作”来说明原料对高炉冶炼的影响。2000年炼铁工作会议和金属学年会上，提出了精料的参考指标，见表15。表15精料参考指标种 类成 分波 动 范 围粒 度 组 成（mm）TFe（%）SiO2（%）FeO（%）碱度TFe（%）R50105烧结矿58.05681.70.10.30.0510%30%5%球团矿64.551.00.10.3球团矿单球抗压强度转鼓指数（6.3mm）抗磨指数（0.5mm）2000N92%5%高炉精料技术包括：“高、熟、净、小、均、稳、少、好”八个字。“高”是入炉矿石含铁品位要高；烧结，球团，焦炭的转鼓强度要高；烧结矿的碱度要高（一般在1.82.0）。入炉矿品位要高是精料技术的核心。入炉矿品位提高，高炉燃料比降低