冶金概论2-高炉冶炼用原料(一).ppt

铁的生产工艺 铁的化学性质较为活泼 自然界中以铁的化合物形式存在的 炼铁用的多数是铁的氧化物 炼铁就是从铁矿石中提取铁及有用元素形成生铁的过程 炼铁方法主要有高炉法 直接还原法 熔融还原法等 其原理是矿石在特定的气氛中 还原物质CO H2 C 适宜温度等 通过物化反应获取还原后的生铁 第二章高炉炼铁 高炉炼铁是一种古老的冶炼方法 高生产率 低消耗 低成本是它的最大优势 加上不断地吸收新技术 高炉炼铁法仍然不断地在发展 因而可以预见 将来 高炉炼铁仍然是炼铁的主力军 经过了几个世纪的发展 现代高炉技术已经达到非常高的水平 现代巨型高炉的炉容积已有4000 5000m3 年产生铁达250 300万吨 高炉的寿命很多都达到了10 15年 2 1高炉炼铁用原料 高炉冶炼用原料种类四大类 铁矿石 天然富矿和人造富矿 燃料 焦炭与喷吹燃料 熔剂 石灰石与白云石等 和鼓风形态的空气 用量冶炼一吨生铁大约需要1 5 2 0t矿石 0 4 0 6t焦炭 0 2 0 4t熔剂 一铁矿石 1矿物 矿石及脉石的概念 1 矿物 地壳中具有均一内部结晶结构 化学组成以及一定物理化学性质的天然化合物或自然元素 能够为人类利用的矿物 称为有用矿物 2 矿石 在现代技术经济条件下 能以工业规模从中提取金属 金属化合物或其它产品的矿物 矿石与岩石都是矿物的集合体 可由单一矿物或多种矿物组成 存在形态 通常都以氧化物 硫化物 碳酸盐等化合物状态存在 许多矿石是多种矿物共存 分类 按所含有用矿物矿石可分为简单矿石和复合矿石两种 简单矿石 从中提取一种有用成分的矿石 如磁铁矿从中只能提取金属铁 复合矿石 从中同时能提取两种或两种以上有用矿物的矿石 如钒钛磁铁矿可从中提取钒 钛和铁等金属 矿石有金属矿石和非金属矿石之分 金属矿石 在现代技术经济条件下可从其中提取金属的矿石 而矿石的名称是以其中所含金属种类来命名的 如铜矿石 铁矿石等 品位 矿石中有用成分的含量 常用百分数表示 如品位40 的铁矿石 就是铁矿石中铁的含量为40 根据矿石品位的不同 一般分为富矿石和贫矿石 它们之间并没有严格的界限 通常根据各个工业部门及矿区的具体条件而定 高炉富矿 品位在50 以上 可直接入高炉冶炼的矿石 贫矿石 品位太低 需经选矿加工富集的矿石 精矿 经加工处理后获得的高品位矿石 3 脉石 矿石里除了有用矿物之外的 在工业上几乎没有利用价值的矿物 如磁铁矿石中的石英 2几种常见的铁矿石 1 磁铁矿石 磁铁矿 Fe304 呈黑色金属光泽 磁性强 在自然界中纯磁铁矿矿石较少 常含有TiO2及V205组成复合矿石 即钒钛磁铁矿 Fe全 Fe0 7 0为假象赤铁矿 7 0 Fe全 Fe0 3 5为半假象赤矿 Fe全 Fe0 3 5为磁铁矿 2 赤铁矿石 呈红色或红褐色 红矿 主要矿物为赤铁矿 Fe2O3 无磁性 但组织疏松易破碎 还原性优于磁铁矿 赤铁矿石广泛分布于自然界中 常形成巨大的矿床 其储量最多 占铁矿石总储量的48 3 是炼铁的最主要铁矿石资源 3 褐铁矿石常为含不同分子结晶水的赤铁矿 化学式 mFe2O3 nH2O m 1 3 n 1 4 加热时失去结晶水和游离水 使矿石气孔率增加 还原性较好 同时 由于去掉了水分 相应提高了矿石的品位 4 菱铁矿 它是含铁的碳酸盐 在自然界中 有工业开采价值的菱铁矿比其它三种矿石要少 含铁量不高 但受热分解放出CO2后 不仅含铁量显著提高 而且也变得疏松多孔 易还原 表3 1常用铁矿石的分类 组成及性能 我国铁矿石资源丰富 已探明储量为443亿吨 其中工业储量占54 居世界前列 在华北 东北 华东 西南 中南 西北等地均有储量较大的矿区 如冀东 鞍本 宁芜 攀枝花 大冶 内蒙古等 3我国铁矿石资源的两个特点 1 贫矿多 约占铁矿石总储量的80 左右 因此需大力发展选矿和造块工业 2 多种元素共生的复合矿石多 如包钢所用白云鄂博铁矿中伴生的稀土元素比世界各国储量的总和还多 攀枝花铁矿中钒也占世界首位 有些矿中还含有铜 铀 银等贵重金属 故应加强矿石综合利用 世界上铁矿石储量丰富的国家有前苏联 澳大利亚 巴西 加拿大和美国等 4对铁矿石的评价 对高炉冶炼来说 评价铁矿石的主要指标有品位 含铁量 脉石成分 杂质元素含量 还原性 矿石高温性能等 1 铁矿石品位 含铁量 决定着冶炼的经济性 品位每增加1 则焦比降低2 产量提高3 2 脉石成分 从现有铁矿石资源看 绝大部分铁矿石的脉石属酸性 主要成分为SiO2和Al2O3 要求矿石中SiO2含量愈低愈好 SiO21713 Al2O32050 3 杂质元素 常见的有害元素 S P K Na Cu Pb Zn F和As等 S P As Cu等易还原进入生铁 对钢铁性能带来危害 K Na Zn Pb F等虽不能进入生铁 但易破坏炉衬或在炉内挥发循环积累造成结瘤事故或污染环境 矿石中伴生的有益元素 Mn Cr Ni V Ti Nb及稀土元素等 它们能改善钢铁质量 当其含量达一定数量时 可视为复合矿石 有较高的经济价值 应考虑综合利用 4 矿石的还原性 矿石中与铁结合的氧被还原剂夺取的难易程度 称为还原性 冶炼易还原的矿石 可降低碳素燃料的消耗量 矿石还原性与矿物组成 致密程度 气孔率等有关 赤铁矿不如磁铁矿致密 还原性好 褐铁矿和菱铁矿在炉内受热后 所含结晶水及碳酸盐分解或挥发后 形成疏松多孔的结构 还原性较好 人造富矿一般比天然矿石有较好的还原性 5 矿石的高温性能 矿石在受热及被还原的过程中以及还原后都不应因强度下降而破碎 以免矿粉堵塞煤气流通孔道 而造成冶炼困难 因此 要求矿石具有较高的荷重软化温度和熔融滴下温度 且两者的温差要小 这样高炉内的软熔带可以处于较低的位置 使矿石在软熔前达到较高的还原度 以减少高温直接还原度 有利于降低燃料消耗和保证炉内良好透气性 6 矿石的强度与粒度组成 矿石强度差易粉碎 粒度过小或大小不均 都会使高炉料柱透气性变坏 导致炉况不顺 煤气利用不好 所以一般要求粒度小于5mm的矿石不能入炉 粒度上限与矿石还原性有关 难还原的磁铁矿粒度不大于40mm 易还原的矿石粒度不大于50mm 粒度下限为8mm 为改善料柱透气性和有利于炉况顺行 铁矿石在入炉前应整粒和分级入炉 7 矿石化学成分的稳定性 要保证高炉炉况稳定和顺行 首先要保证矿石化学成分的稳定 化学成分的波动 会引起炉温 炉渣碱度和生铁质量的波动 导致焦比上升 产量降低 因此 必须对入炉矿石进行混匀中和处理 当铁矿石含铁量过低 就需要将它们粉碎 0 074 0 044mm 然后富选成含铁高的精矿粉 一般精矿粉的含铁量在63 68 之间 由于高炉炼铁需要气流通畅 所以只能加入块矿 精矿粉要通过烧结的办法制成烧结矿或通过球团的办法焙烧成球团矿 烧结矿和球团矿统称人造富矿 二铁矿石冶炼前的加工处理 1烧结法及工艺过程烧结是粉矿造块的主要方法 其工艺是将各种粉状含铁原料配入适宜的燃料和熔剂 均匀混合 然后放在烧结设备上点火烧结 在燃料产生高温和一系列物理化学变化的作用下 部分混合料颗粒表面发生软化和熔化 产生一定液相 并润湿其它未熔化的矿石颗粒 当冷却后 液相将矿粉颗粒粘结成块 这个过程称为烧结 烧结方法 目前世界各国90 以上的烧结矿由抽风带式烧结机生产 其它还有回转炉烧结 悬浮烧结 抽风或鼓风盘式烧结以及土法烧结等 烧结工艺 就是将精矿粉 富矿粉 小于8mm 与配入的熔剂粉 小于3mm的石灰石粉和白云石粉 和燃料粉 焦粉或无烟煤粉 组成混合料 同时加入一定量的水 将混合料制成小球 然后将混合料铺在有箅子的烧结台车上 厚度在400 700mm 将混合料中的燃料颗粒点着燃烧 产生1250 1500 的高温 与此同时 在箅子下面抽空气 使混合料的燃料从上往下燃烧 直到料层底部 在高温下 混合料中的一些熔化温度低的矿物转变成液体 这些液体将周围的矿粉溶入 形成新的矿物质 当温度降低时 液体冷凝析出晶体 并将周围颗粒较大而没有溶入液体的矿粒粘结在一起 形成大块的多孔蜂窝状的烧结矿 烧结矿生产的流程见图2 3 P13 图2 3烧结生产流程 1 烧结过程料层变化整个烧结过程是在9 8 16kPa负压抽风下 自上而下进行的 在烧结机上取某一烧结断面 可见料层有明显的分层 依次出现烧结层 燃烧层 预热和干燥层 过湿层 然后又相继消失 最后剩下烧结矿层 见图2 4 图2 4烧结过程料层变化示意图 1 烧结矿层 即成矿层 主要变化是液相凝固 析出新矿物 预热空气 表层受冷空气剧冷作用 温度低 矿物来不及析晶 故表层强度较差 2 燃烧层 位于烧结矿层下面 燃料燃烧温度可达1100 1500 混合料软 熔融及形成液相 此层厚度为15 50mm 它对烧结过程和烧结矿质量影响较大 料层过厚 透气性差 导致产量降低 料层过薄 烧结温度低 液相不足 烧结矿固结不好 强度低 3 预热干燥层 混合料被燃烧层下来的热废气干燥和预热 由于热交换进行迅速剧烈 故废气温度很快从1500 降至60 70 此层主要反应是水分蒸发 结晶水及碳酸盐分解 矿石的氧化还原以及固相反应等 该层厚度为20 40mm 4 过湿层 冷料层 因上层废气中带入较多的水汽 进入冷料层温度降至露点以下时 水汽将会大量冷凝于料层中 形成过湿层 从而破坏混合料中已造好的小球 影响料层透气性 生产中采用预热混合料等办法来解决 2 烧结过程的主要反应 1 燃料燃烧反应 烧结所用的燃料主要是焦粉或无烟煤粉 它们含有大量的固定碳 在700 时即可着火 烧结料中燃料同空气中氧气进行氧化燃烧时放出大量热及CO2气体 是烧结过程一切物理化学反应的基础 混合料层碳燃烧具有以下特点 A生产一吨烧结矿所需的1 3 105 1 7 105kJ热量中 有80 90 是燃烧燃料提供的 但燃料仅占混合料总量的3 5 按体积计不到10 在料层中分布稀疏 为保证迅速完全燃烧 就需要有较大的空气过剩系数 1 4 1 5 其主要反应为 C O2 CO2B在局部燃料较集中的地方或燃料颗粒较大时 会发生不完全燃烧 其反应为 2C O2 2CO C在高温条件下 还有可能产生CO2 C 2CO的反应 但由于燃烧层很薄 废气温度降低很快 故产生CO的反应受到一定限制 总的来说 烧结废气中除N2外 以CO2为主 有少量的CO及自由氧 可以认为烧结过程是弱氧化性气氛 但在碳粒周围的局部区域属还原性气氛 2 分解反应 烧结混合料中经常含有一些结晶水 在烧结加热至一定温度时进行分解 如褐铁矿中结晶水在250 300 时分解 脉石中高岭土 A12O3 2SiO2 2H2O 结晶水分解温度为500 以上 结晶水分解吸热 因此在使用含结晶水的物料烧结时 应适当增加燃料用量 当生产熔剂性烧结矿时 烧结料中常配入一定量的熔剂 白云石和石灰石 这些碳酸盐在烧结过程中达到一定温度时会发生分解反应 其反应式如下 CaCO3 CaO CO2 750 以上 MgCO3 MgO CO2 720 由于烧结过程很短 为使碳酸盐完全分解 要求配入的熔剂粒度小于3mm 3 还原与再氧化反应 在烧结过程中 靠近燃料颗粒处存在着还原性气体CO以及赤热的燃料粒 因此混合料中的铁 锰等氧化物将被还原 3Fe2O3 CO 2Fe3O4 CO2Fe3O4 CO FeO CO2在远离燃料的混合料中 特别是在烧结矿层的冷却过程中 有Fe3O4和FeO的再氧化现象 如 2Fe3O4 1 2O2 3Fe2O33FeO 1 2O2 Fe3O4 4 去硫反应 烧结过程是一个有效的脱硫过程 一般脱硫效率可达90 以上 烧结料中硫以有机硫 硫化物和硫酸盐形态存在 有机硫在烧结过程中挥发或燃烧成SO2逸出 大部分硫化物通过氧化被脱除 2FeS2 11 2O2 Fe2O3 4SO22FeS 7 2O2 Fe2O3 2SO2生成的SO2排入大气 对环境污染严重 另外 在烧结过程中还能去除其它有害元素 如As Pb Zn K Na等 这些均为有毒气体 所以对烧结废气应作净化处理 3 烧结矿形成烧结矿的成矿机理 包括烧结过程的固相反应 液相形成及结晶过程 在烧结料中主要矿物都是高熔点的 在烧结温度下大多不能熔化 当物料加热到一定温度时 各组分之间进行固相反应 生成熔点较低的新化合物 使它们在较低温度下生成液相 并将周围物料浸润和熔融 然而 在烧结过程中并非全部混合料都熔化为液相 特别是粒度较大的往往来不及熔化 而被它周围的液相粘结起来 当燃烧层移动后 被熔物温度下降 液相放出能量并结晶 液相冷凝固结形成多孔烧结矿 烧结过程产生的基本液相 硅酸盐和铁酸盐体系的矿物 如FeO SiO2 硅酸铁 CaO SiO2 硅酸钙 CaO Fe2O3 铁酸钙 CaO FeO SiO2 铁钙橄榄石 等 是烧结矿成型的主要胶结物 2烧结矿分类及质量评价 1 烧结矿分类按碱度 R CaO SiO2 不同分为三类 A酸性烧结矿 普通烧结矿 R 1 B自熔性烧结矿 R 1 0 1 5 目前我国使用较多 C熔剂性烧结矿 高碱度烧结矿 R 2 0 4 0 常与酸性炉料配合使用 以保证高炉炉渣对碱度的要求 对其质量评价指标主要有品位 强度 化学成分 还原性 碱度 粒度 有害杂质含量及高温冶金性能等 烧结矿质量对高炉冶炼有重大影响 改善其质量是 精料 的主要措施 3球团法及其过程所谓球团生产就是将极细的精矿粉与添加剂混合后 在旋转着的造球机 圆盘式和圆筒式两种 上加水制成8 15mm的圆球 这种圆球经过干燥 焙烧成为强度很高的球团矿 1 球团矿生产工艺 P17 18 图2 6 2 生球形成 P18 图2 7 3 球团焙烧固结 4 球团焙烧设备 4球团矿与烧结矿的比较 球团矿生产适合于使用细磨精矿粉 烧结矿主要依靠液相固结 而球团矿主要依据铁矿物的再结晶和结晶长大固结 因而精矿品位越高 粒度越细 越有利于球团生产 细精矿粉如用于烧结 料层透气性明显变差 将影响烧结生产率 球团矿由于粒度较均匀 含铁高 还原性好 其冶金性能和冶炼效果比烧结矿好 由于球团生产率较烧结低 且耐热链箅条昂贵 所以单位产品基建投资费用比烧结高 球团矿的热还原强度比烧结矿差 5其它含铁原料 含铁的 废弃 物料 加以利用 不仅可以扩大铁矿资源 增加生铁产量 降低生铁成本 而且有助于环境保护 变废为宝 充分利用自然资源 高炉炉尘 转炉炉尘 钢渣 轧钢皮 硫酸渣以及一些有色金属选矿后的高铁尾矿与冶炼后的高炉渣 电厂粉煤燃烧后的