武科大焊接冶金学课件2CH2高炉炼铁.ppt

第二章高炉炼铁 BlastFurnaceIronmaking 2020 1 26 11 46 58 2 主要内容 2 1高炉冶炼用原料 rawmaterials 2 2高炉炼铁原理2 3高炉结构及附属设备2 4高炉操作 2020 1 26 11 46 58 3 2 1高炉冶炼用原料 2 1 1主要原料2 1 2烧结 sintering 2 1 3球团 pelletizing 2020 1 26 11 46 58 4 2 1 1 1几个基本概念 1矿物 Minerals 地壳中具有均一内部结构 化学组成及一定物理 化学性质的天然化合物或自然元素称为矿物 其中能够为人类利用的称为有用矿物 2矿石 Ore 在现代的技术经济条件下 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称为矿石 3矿石的品位 Oregrade 矿石中有用成分的质量百分含量 称为该矿石的品位 4脉石 Gauge 矿石中没有用的成分称为脉石 一般在冶炼过程中需要去除 2020 1 26 11 46 58 5 5 富矿 high gradeore 含铁品位 50 的铁矿石赤铁矿 理论含铁量70 磁铁矿 理论含铁量72 4 菱铁矿 理论含铁量48 3 褐铁矿 理论含铁量55 2 66 1 6 贫矿 leanore 实际含铁量低于理论含铁量70 的铁矿石称贫矿 必须经过选矿后使用 7 块矿 lumpore 和粉矿 fineore 2020 1 26 11 46 58 6 8 精矿 oreconcentrate 贫矿经过破碎 细磨 并通过磁选或浮选得到的高品位细粉状矿石 2020 1 26 11 46 58 7 2 1 1 2主要原料 高炉冶炼用的原料主要有铁矿石 天然富矿和人造富矿 燃料 fuel 焦炭和喷吹燃料 熔剂 flux 石灰石与白云石等 冶炼1t生铁大约需要1 6 2 0t矿石 0 4 0 6t焦炭 coke 0 2 0 4t熔剂 高炉冶炼是连续生产过程 必须尽可能为其提供数量充足 品味高 强度好 粒度均匀粉末少 有害杂质少及性能稳定的原料 2020 1 26 11 46 58 8 铁矿石 磁铁矿 Fe3O4 magnettie 赤铁矿 Fe2O3 hematite 褐铁矿 mFe2O3 nH2O limonite 菱铁矿 FeCO3 siderite 2020 1 26 11 46 58 9 铁矿石处理工艺流程 矿石 ore 破碎 crush 筛分 screen 富矿 high gradeore 混匀 mix 高炉 矿石 破碎 筛分 贫矿 leanore 磨矿 grinding 筛分 选矿 造块 人造富矿 高炉 2020 1 26 11 46 58 10 燃料 焦炭的作用 发热剂 还原剂及料柱骨架 粒度 大型高炉40 60mm 中型高炉25 40mm 小型高炉15 25mm 喷吹燃料 固体 无烟煤与烟煤粉 液体 重油 煤焦油 气体 天然气或焦炉煤气 2020 1 26 11 46 58 11 熔剂 熔剂主要使用石灰石 calcite 和白云石 dolomite 熔剂的要求 有效成分含量高 CaO MgO 有害杂质S P低 粒度均匀 强度好 粉末少 熔剂的作用 助熔 改善流动性 使渣铁容易分离 脱硫 焦炭和矿石中S 2020 1 26 11 46 58 12 2 1 2烧结 sintering 将各种粉状铁 配入适宜的燃料和熔剂 均匀混合 然后放在烧结机点火烧结 在燃料燃烧产生高温和一系列物理化学变化作用下 部分混合料颗粒表面发生软化熔融 产生一定数量的液相 并润湿其它未融化的矿石颗粒 冷却后 液相将矿粉颗粒粘结成块 这一过程叫是烧结 所的到的块矿叫烧结矿 烧结工艺流程 2020 1 26 11 46 58 14 武钢三烧396m2鼓风环式冷却机 2020 1 26 11 46 58 15 烧结过程示意图 烧结料层有明显的分层 依次出现烧结矿层 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 2020 1 26 11 46 58 16 400m2带式抽风烧结机 2020 1 26 11 46 58 17 烧结过程的主要反应 燃烧反应 C O2 烧结废气中以CO2为主 存在少量CO 还有一些自由氧和氮 2C O2 2CO C O2 CO2分解反应 结晶水的分解 褐铁矿 mFe2O3 nH2O 高岭土 Al2O3 2SiO2 2H2O 熔剂分解 CaCO3 CaO CO2 750 以上 MgCO3 MgO CO2 720 2020 1 26 11 46 58 18 烧结过程的主要反应 还原与再氧化反应 Fe Mn等靠近燃料颗粒处 3Fe2O3 CO 2Fe3O4 CO2 Fe3O4 CO 3FeO CO2 远离燃料颗粒处 2Fe3O4 1 2O2 3Fe2O3 3FeO 1 2O2 Fe3O4 气化反应 脱硫85 95 FeS2 11 2O2 Fe2O3 4SO22FeS 7 2O2 Fe2O3 2SO2 2020 1 26 11 46 58 19 烧结矿的形成 烧结矿是一种由多种矿物组成的复合体 由含铁矿物和脉石矿物组成的液相粘结在一起组成 含铁矿物有磁铁矿 方铁矿 或浮氏体 赤铁矿粘结相主要有铁橄榄石 钙铁橄榄石 硅灰石 硅酸二钙 硅酸三钙 铁酸钙 钙铁灰石及少量反应不全的游离石英和石灰 2020 1 26 11 46 58 20 烧结厂巡视 2020 1 26 11 46 58 21 烧结机 世界上90 以上烧结矿由抽风带式烧结机生产 其主要设备为烧结台车 2020 1 26 11 46 58 22 2 1 3球团 将准备好的原料 细磨精矿或其他细磨粉状物料 添加剂等 按一定比例经过配料 混匀制成一定尺寸的小球 然后采用干燥焙烧或其他方法使其发生一系列的物理化学变化而硬化固结 这一过程即为球团生产过程 其产品即为球团矿 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 2020 1 26 11 46 58 23 圆盘造球机 2020 1 26 11 46 58 24 竖炉球团矿生产的工艺流程 2020 1 26 11 46 58 25 2 2高炉炼铁原理 2 2 1高炉冶炼过程及特点2 2 2燃烧反应2 2 3还原反应2 2 4高炉炉渣与脱硫2 2 5炉料与煤气运动2 2 6高炉生产主要技术经济指标 2020 1 26 11 46 58 26 2 2 1高炉冶炼过程及特点 现代高炉生产过程是一个庞大的生产体系 除高炉本体外 还有供料 送风 煤气净化除尘 喷吹燃料和渣铁处理等系统 高炉炼铁的本质传质过程 矿石中的O2 O2 进入煤气中 实现铁与氧的分离传热过程 煤气携带的热量传给炉料 使炉料熔化成渣铁 实现渣铁分离 2020 1 26 11 46 58 27 高炉生产工艺流程 2020 1 26 11 46 58 28 高炉结构 高炉是由耐火材料砌筑而成竖式圆筒形炉体 外有钢板制成炉壳加固密封 内嵌冷却器保护 炉子自上而下依次分为炉喉 炉身 炉腰 炉腹和炉缸五部分 炉缸部分设有风口 铁口和渣口 炉喉以上为装料装置和煤气封盖及导出管 2020 1 26 11 46 58 29 高炉炉内炉料状况及反应 2020 1 26 11 46 58 30 2 2 2燃烧反应 炉顶加入的焦炭 其中风口前燃烧的碳量约占入炉总碳量的65 75 是在风口前与鼓风中的O2燃烧 17 21 参加直接还原反应 10 左右溶解进入铁水 燃烧反应的作用 为高炉冶炼过程提供主要热源 为还原反应提供CO H2等还原剂 为炉料下降提供必要的空间 2020 1 26 11 46 58 31 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CO并放出热量 由于鼓风中总含有一定的水蒸气 灼热的C与H2O发生下列反应 C H2O 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CO H2 N2组成 2020 1 26 11 46 58 32 回旋区及燃烧带 回旋区 风口前产生焦炭和煤气流回旋运动的区域称为回旋区 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 实践中常以CO2降至1 2 的位置定为燃烧带界限 大型高炉的燃烧带长度在1000 1500mm左右 2020 1 26 11 46 58 33 2 2 3还原反应 2 2 3 1基本概念2 2 3 2高炉内铁氧化物的还原2 2 3 3高炉内非铁元素的还原 2020 1 26 11 46 58 34 2 2 3 1基本概念 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CO H2和固体碳 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Fe2O3 Fe3O4 Fe的顺序还原 当温度大于570 时 按Fe2O3 Fe3O4 FeO Fe的顺序还原 2020 1 26 11 46 58 35 2 2 3 2高炉内铁氧化物的还原 用CO和H2还原铁氧化物用CO和H2还原铁氧化物 生成CO2和H2O还原反应叫间接还原 用CO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800 1100 的区域进行 用固体碳还原铁氧化物用固体碳还原铁氧化物 生成CO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 CO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1100 的区域进行 800 1100 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 2020 1 26 11 46 58 37 2 2 3 3高炉内非铁元素的还原 锰的还原硅的还原磷的还原铅 锌 砷的还原 2020 1 26 11 46 58 38 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MnO2到MnO可通过间接还原进行还原反应 MnO还原成Mn只能靠直接还原取得 MnO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MnO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 2020 1 26 11 46 58 39 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 SiO2 2C Si 2CO 628297kJSiO2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 2020 1 26 11 46 58 40 磷的还原 磷酸铁 FeO 3 P2O5 8H2O 又称蓝铁矿 蓝铁矿结晶水分解后 形成多微孔的结构较易还原 反应式为 磷酸钙 主要存在形式 在高炉内首先进入炉渣 在1100 1300 时用碳作还原剂还原磷 其还原率能达60 当有SiO2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 2020 1 26 11 46 58 41 铅 锌 砷的还原 还原出来的铅 密度11 34g cm3 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CO2和H2O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 2020 1 26 11 46 58 42 2 2 3 5生铁的生成与渗碳过程 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 渗碳过程固体海绵铁发生渗碳过程 渗C有限 不到1 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 2020 1 26 11 46 58 43 2 2 4高炉炉渣与脱硫 高炉炉渣是铁矿石中的脉石和焦炭 燃料 中的灰分等与熔剂相互作用生成低熔点的化合物 形成非金属的液相 高炉炉渣的成分高炉炉渣作用成渣过程生铁去硫 2020 1 26 11 46 58 44 2 2 4 1高炉炉渣的成分 高炉炉渣的来源 矿石中的脉石 焦炭 燃料 中的灰分 熔剂中的氧化物 被侵蚀的炉衬等 高炉炉渣的成分 氧化物为主 且含量最多的是SiO2 CaO Al2O3 MgO 炉渣中氧化物的种类 碱性氧化物 酸性氧化物和中性氧化物 以碱性氧化物为主的炉渣称碱性炉渣 以酸性氧化物为主的炉渣称酸性炉渣 炉渣的碱度 R 炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的质量百分数之比表示炉渣碱度 高炉炉渣碱度一般表示式 R m CaO m SiO2 炉渣的碱度根据高炉原料和冶炼产品的不同 一般在1 0 1 3之间 2020 1 26 11 46 58 45 2 2 4 2高炉炉渣的作用 分离渣铁 具有良好的流动性 能顺利排出炉外 具有足够的脱硫能力 尽可能降低生铁含硫量 保证冶炼出合格的生铁 具有调整生铁成分 保证生铁质量的作用 保护炉衬 具有较高熔点的炉渣 易附着于炉衬上 形成 渣皮 保护炉衬 维持生产 2020 1 26 11 46 58 46 2 2 4 2成渣过程 1 焦炭在风口处完全燃烧 灰分进入炉渣 2 石灰石在下降过程中 分解的CaO在滴落带 被初渣溶解 参与造渣 3 矿石在块状带固相反应生成了低熔点的化合物沿焦炭缝隙流下 分离出初渣 随后渣中 FeO 不断还原进入铁中 至滴落带 炉渣以滴状下落 渣中FeO已降到2 3 4 滴落的初渣成分不断变化 初渣开始是自然碱度 以后随着SiO2的还原 石灰石渣化并加入焦炭灰分 经过碱度波动之后形成终渣 成渣过程中 软熔带对炉内料柱透气性影响很大 习惯上把这一带叫成渣带 2020 1 26 11 46 58 47 2 2 4 3生铁去硫 硫的来源 矿石 焦炭 熔剂和喷吹燃料中的硫分 炉料中焦炭带入的硫最多 占70 80 冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称硫负荷 炉渣去硫炉渣去硫反应 FeS CaO CaS FeO 生成的FeO在高温下与焦炭作用 FeO C Fe CO Q总的脱硫反应可写成 FeS CaO C CaS Fe CO Q炉外脱硫高炉常用的炉外脱硫剂是苏打粉 Na2CO3 反应式为 Na2CO3 FeS Na2S FeO CO2 Q还有石灰 白云石 电石 复合脱硫剂等 2020 1 26 11 46 58 48 2 2 5炉料与煤气运动 2 2 5 1炉料运动2 2 5 2煤气运动 2020 1 26 11 46 58 49 2 2 5 1炉料运动 炉料在炉内下降的基本条件 高炉内不断形成促使炉料下降的自由空间 形成炉料下降的自由空间的因素焦炭在风口前燃烧生成煤气 炉料中的碳素参加直接还原 炉料在下降过程中重新排列 压紧并熔化成液相 体积缩小 定时放出渣铁 2020 1 26 11 46 58 50 2 2 5 2煤气运动 煤气的体积的变化煤气的成分的变化煤气的温度的变化煤气的压力的变化 2020 1 26 11 46 58 51 煤气的体积的变化 煤气量取决于冶炼强度 鼓风成分 焦比等因素 煤气的体积总量在上升过程中是增加的 2020 1 26 11 46 58 52 煤气成分的变化 CO 煤气上升过程中 CO在高炉下部高温区开始增加 煤气中的CO含量会相应减小 CO2 在炉缸 炉腹部位几乎为零 从中温区开始增加 H2 来源于风中H2O汽和焦炭中的有机H2和喷吹燃料中的挥发H2 上升过程中由于参加间接还原和生成CH4 含量逐渐减少 但由于炉料中结晶水和碳作用生成部分H2 又可适量增加煤气中H2的含量 N2 鼓风带入的N2 焦炭中的有机N2和喷吹燃料中的挥发N2 在上升过程中不参加任何反应 绝对量不变 CH4 高温时少量焦炭与H2作用生成CH4 上升过程中又加入焦炭挥发分中CH4 但数量很少 变化不大 2020 1 26 11 46 58 53 炉内热交换现象 炉缸煤气在上升过程中把热量传递给炉料 温度逐渐降低 而炉料在下降过程吸收煤气的热量 温度逐渐上升 煤气温度的变化 2020 1 26 11 46 58 54 压头损失 p 的表示式 p P炉缸 P炉喉压头损失 p的作用增加到一定程度时 将妨碍高炉顺行 煤气压力的变化 2020 1 26 11 46 58 55 2 2 6高炉生产主要技术经济指标 有效容积利用系数 V 高炉每立方米有效容积每天生产的合格铁水量 t m3 d 入炉焦比 K 冶炼一吨生铁消耗的焦炭量 kg t 煤比 或油比 冶炼一吨生铁消耗的煤粉量或重油 kg t 燃料比 焦比 煤比 或油比 冶炼强度 高炉每立方米有效容积每天消耗的 干 焦炭量 焦比一定的情况下 V I K 生铁合格率 生铁化学成分符合国家标准的总量占生铁总量的指标 休风率 高炉休风时间 不包括计划大 中 小修 占日历工作时间的百分数 规定的日历作业时间 日历时间 计划大中修及封炉时间休风率反映高炉操作及设备维护的水平 生铁成本 生产每吨合格生铁所需原料 燃料 材料 动力 人工等一切费用的总和 单位 元 tFe 炉龄 高炉一代寿命 即从高炉点火开始到停炉大修之间实际运行的时间或产铁量 炉龄长 产铁多 经济效益高 2020 1 26 11 46 58 58 铁水温度在1450 1550 按照Si含量的不同 将高炉铁水分为炼钢生铁 w Si 1 25 和铸造生铁 w Si 1 25 炼钢生铁中C含量在3 7 4 3 之间 我国生铁产品国家标准 2020 1 26 11 46 58 59 2 3高炉结构及附属设备 2 3 1高炉本体2 3 2高炉附属系统 马钢2500m3高炉 2020 1 26 11 46 58 60 2 3 1高炉本体 2 3 1 1高炉内型2 3 1 2炉顶装料装置 2020 1 26 11 46 58 61 2 3 1 1高炉内型 高炉是一个竖立圆筒形炉子 其内部工作空间形状称为高炉内型 即通过高炉中心线的剖面轮廓 高炉内型一般由炉缸 炉腹 炉腰 炉身和炉喉五段组成 炉型设计合理 能促进高炉冶炼指标的改善和延长高炉的使用寿命 故炉型是高炉最基本的工艺参数 现代高炉向大型化发展 合理炉型总的趋势是矮胖化 2020 1 26 11 46 58 62 高炉有效容积 由高炉出铁口中心线所在水平面到料线零位水平面之间的容积 用Vu表示 巨型高炉 4000m3大型高炉 620m3中型高炉 255 620m3小型高炉 100m3 2 3 1 1高炉内型 2020 1 26 11 46 58 63 2 3 1 2炉顶装料装置 高炉炉顶装料设备的作用是按冶炼要求 向炉内合理布料 同时要严密封住炉内荒煤气不逸出炉外 常用的炉顶装料设备主要有钟式炉顶和溜槽式 亦称无钟式 炉顶 2020 1 26 11 46 58 64 钟式炉顶 1 旋转布料器 2 煤气封盖 3 均压室 4 大料钟 5 大料斗 6 小料钟 7 受料斗 2020 1 26 11 46 58 65 无钟炉顶 1 带式上料机 2 旋转料罐 3 驱动电动机 4 托盘式料门 5 上密封阀 放散 6 密封料罐 7 卸料漏斗 8 料流调节阀 9 下密封阀 均压 10 波纹管 11 眼睛阀 12 气密箱 13 溜槽 2020 1 26 11 46 58 66 溜槽布料 2020 1 26 11 46 58 67