炼铁原理与工艺1(炼铁概述)

1 炼铁原理与工艺 2 一 高炉炼铁简介 钢铁联合企业中的炼铁生产一种是高炉 氧气转炉 轧机流程 一种是直接还原或熔融还原 电炉 轧机流程 前者被称为长流程 后者则被称为短流程 目前长流程是主要流程 但因它必须使用块状原料 需要配用质量好的炼焦煤在焦炉内炼成性能好的冶金焦 粉矿和精矿粉要制成烧结矿或球团矿 这两道生产工序不但能耗高 而且生产中产生粉尘 污水和废气等对环境造成污染 所以长流程面临能源和环保等的挑战 直接还原和熔融还原是用来替代高炉炼铁的两种工艺 直接还原和熔融还原炼铁工艺的特点是 用块煤或气体还原剂代替高炉炼铁工艺所必需的焦炭来还原天然块矿 粉矿或人造块矿 烧结矿或球团矿 具有相当大的适应性 特别适用于某些资源匮乏 环保要求特别严格的地区或国家 但其生产规模较高炉小而且很多技术问题还有待解决或完善 各种炼铁法的设备及生产方式差别很大 但其原理是相同的 3 1 1高炉炼铁生产工艺流程 高炉本体上料系统送风系统煤气净化系统渣铁处理系统喷吹燃料系统 4 1 2炼铁原料及评价 铁矿石的分类对铁矿石的评价 含铁品位p1 F f P Cp2 Cp3 g 式中p1为原料的价值 F为原料的含铁品位 f为生铁中含铁 p为生铁的车间成本 C为焦比 c为单位生铁消耗的熔剂 p2为焦炭的价格 p3为熔剂的价格 g为每吨生铁的车间生产费用 脉石的成分及分布有害元素的含量 S 0 1 0 3 矿最低允许P P 铁 P焦 熔 K K 单位 吨 生铁矿耗量 K Fe生 Fe矿 K Na 2 3Kg t铁 Zn 0 15Kg t铁有益元素 矿石的还原性矿石的高温性能矿石的其它性能 强度 粒度 热爆裂性 化学成分的稳定性 5 1 2炼铁原料及评价 矿石入炉前的处理整粒 8 30mm造块 分级和筛分 6 1 3熔剂 1 碱性熔剂石灰石 白云石 Ca Mg CO3 2 酸性熔剂硅石 SiO2 3 有效熔剂性有效熔剂性 w CaO w MgO w SiO2 R2 7 1 4锰矿 锰矿用途质量要求 和铁矿石一样 w Fe允 100 w C w Si w P w S w Mn KK w Mn w Mn 矿式中w Fe允 锰矿允许的极限Fe的质量分数 K 冶炼单位重量合金时锰矿消耗量 w Mn 矿 锰矿含Mn品位 炉内Mn的回收率 冶炼一般生铁时此值为50 60 炼锰铁时此值可达80 85 8 1 6高炉燃料 1 焦炭焦炭的作用 在风口前燃烧 提供冶炼所需热量固体C及其氧化产物CO 是氧化物的还原剂高温区料柱的骨架 煤气通路铁水渗碳 9 1 6高炉燃料 2 高炉对焦炭质量要求 化学成分 C A W S 冷强度 M40 M10热强度 CSR反应性 CRI 10 焦炭质量要求 11 1 6高炉燃料 3 对煤粉的质量要求 煤的燃烧性能好 煤的灰分越低越好 要求低于12 煤的硫分越低越好 一般要求小于0 7 最高不大于0 8 煤粉的粒度合适 煤的可磨性好 高炉喷煤需要将煤磨到一定细度 煤的可磨性指数 哈氏HGI 应在60 90之间 低于50的煤很硬 难磨 高于90的烟煤虽然易磨 但往往是粘结性强的煤 可能给磨煤和输煤造成困难 12 1 6高炉燃料 煤的发热值越高越好 烟煤的低位发热值不小于26000kJ kg 无烟煤的低位发热值不小于29000kJ kg 胶质层越薄越好 Y 10rnrn 以免在喷吹过程中结焦 堵塞喷枪影响煤粉喷吹和高炉正常生产 煤的灰熔点温度 要求高一些 因为灰熔点太低时风口容易结焦和堵塞煤枪 流动性和输送性能高 13 1 6高炉燃料 气体燃料气体燃料在钢铁企业中有重要作用 天然气 石油气 高炉煤气 发生炉煤气等 根据我国资源条件 不可能普遍使用天然气 而焦炉煤气主要供民用 只有在特殊条件下高炉才使用少量焦炉煤气 故高炉煤气就成为钢铁企业内部的主要气体燃料了 14 1 7高炉冶炼产品 1 生铁炼钢生铁 铸造生铁 铁合金一般不用高炉 用电炉2 煤气3 炉渣 水渣 15 1 8高炉冶炼主要经济指标 1 利用系数 V P V t m3 d 2 焦比K Q P kg t3 煤比PCI M P kg t4 燃料比Kf QfP式中Kf 冶炼1t生铁消耗的焦炭和喷吹燃料的数量之和 Qf 高炉一昼夜消耗的干焦量和喷吹燃料之和 16 1 8高炉冶炼主要经济指标 5 置换比R K0 K1 K PCI式中R 喷吹的辅助燃料的置换比 K0 未喷吹辅助燃料前的实际平均焦比 K1 喷吹辅助燃料后的平均入炉焦比 K 其他各种因素对实际焦比影响的代数和 17 1 8高炉冶炼主要经济指标 6 冶炼强度 冶炼强度 I 是冶炼过程强化的程度 即每昼夜 d 每1m3高炉有效容积燃烧的干焦耗用量 冶炼强度 干焦耗用量有效容积 实际工作日t m3 d 利用系数 V 综合冶炼强度 If 综合焦比 Kf t m3 d 18 1 8高炉冶炼主要经济指标 7 燃烧强度燃烧强度 一昼夜干焦耗用量炉缸截面积t m2 d 由于炉型的特点不同 小型高炉可允许较高的冶炼强度因而容易获得较高的利用系数 为了对比不同容积的高炉实际炉缸工作强化的程度 可对比其燃烧强度 燃烧强度的定义为每1m2炉缸截面积上每昼夜 d 燃烧的干焦吨数 19 1 8高炉冶炼主要经济指标 8 炉腹煤气量指数炉腹煤气量指数 炉腹煤气量 炉缸面积 m min9 焦炭负荷10 休风率11 生铁成本12 炉龄 时间和单位炉容生铁产量 13 吨铁工序能耗 400kg标准煤 t铁 20 2 还原过程与生铁形成 21 2 1高炉内基本现象和基本规律 1 基本现象 高炉冶炼过程是个连续生产过程 高炉是一个密闭的连续的逆流反应器炉料在高炉内的状态块状带 软熔带 滴落带 风口带 渣铁带 22 高炉内状况描述 23 2 1高炉内基本现象和基本规律 2 软熔带及其对高炉行程的作用规律软熔带类型 倒V V W 影响软熔带形状的因素 送风状况 布料方式软熔带对高炉冶炼的影响铁矿石预还原 生铁脱硫 生铁含硅 煤气利用 炉缸中心活跃程度 炉墙维护对炉况顺行 生铁产量 质量 燃料消耗均有影响 24 2 1高炉内基本现象和基本规律 3 软熔带控制方法通过上 下部调剂规律 改变原燃料结构和性能来实现 25 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 1 水分的蒸发与水化物的分解吸附水一般在105 时就迅速蒸发 炉料中的化合水 又称结晶水 以化合物的状态存在 褐铁矿 nFe2O3 mH2O 200 左右开始分解 400 500 时分解速度激增高岭土 Al2O3 2SiO2 2H2O 高岭土在400 时开始分解 但分解速度很慢 到500 600 时才迅速 烘炉 26 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 结晶水分解影响炉料透气性变坏 焦炭中的碳素反应 较高温度区域 在500 1000 时 2H2O C焦 CO2 2H2 83134kJ 水煤气置换反应 在1000 以上时 H2O C焦 CO H2 124450kJ 水煤气反应 两个反应对铁矿石还原作用和区别后面介绍 27 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 2 挥发物的挥发挥发物 有机物质热分解的产物 挥发物主要存在于焦炭和煤粉中 煤粉中挥发在风口区分解燃烧对炉缸煤气成分影响较大 特别是烟煤其它物质的挥发 K Na Zn SiO Mn 28 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 3 碱金属的挥发与危害钾 钠等碱金属大都以各种硅酸盐的形态存在于炉料而进入高炉 2K2O SiO2 2Na2O SiO2 Na2O SiO2等 在温度高于1500 时 且有碳素存在条件下 它能被C还原 少量K2O Na2O K2CO3 Na2CO3等氧化物或碳酸盐形态存在于矿石脉石中 能在较低温度下被CO还原 29 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 碱金属的还原反应在高温区域 1500 左右K2 Na2 SiO3 3C 2K Na 气 Si 3COK2 Na2 SiO3 C 2K Na 气 SiO2 3CO在较低温区域 800 左右K2 Na2 O CO 2K Na 气 CO2K2 Na2 CO3 CO 2K Na 气 CO21200 2K Na 气 2C N2 2K Na CN气 氰化物 30 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 31 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 碱金属 氰化物 的氧化反应800 2K Na 气 2CO2 K2 Na2 CO3 CO2K Na CN液 4CO2 K2 Na2 CO3 N2 5CO碱金属的存在形态 碱金属将以气态形式随煤气上升 而碱金属的氰化物多以雾状液体的形态随煤气向上运动 32 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 4 碱金属的积累 循环 富集现象含有碱金属元素的化合物随着炉料下降 在温度升高的过程中被炉内的C或CO还原 逐步生成气态碱金属或雾状液体的碱金属氰化物 它们随着煤气上升在较低温度区域 低于800 被CO2所氧化以碳酸盐的形式凝结在炉料 炉衬 表面上 除一部分 小于10 被煤气带走外 大部分又随炉料下降被还原成碱蒸气或雾状液体的碱金属 如此在炉内循环往复 这个现象叫碱金属的积累 循环 富集现象 33 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 碱金属的分配 由于动力学条件的限制 炉料中原有碱金属硅酸盐 及再生的碱金属碳酸盐 都将有一部分不能被还原而直接进入炉渣 并随炉渣排出炉外 所以炉料中带入的碱金属在炉内的分配是 少量被煤气带走和炉渣带走 而多数在炉内往复 循环富集 严重时炉内碱金属量高于入炉量的10倍以上 以致祸及高炉生产 高炉中上部的碱含量要远远大于入炉的量 34 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 5 碱金属对高炉冶炼的危害碱金属是碳气化反应的催化剂 降低焦炭强度 气化反应和不均匀膨胀 恶化原料冶金性能 烧结低温粉化 球团异常膨胀 促使炉墙结厚甚至结瘤 碱蒸气对高炉炉衬高铝砖 黏土砖有侵蚀 35 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 6 防止碱金属对高炉冶炼的危害的措施减少和控制入炉碱金属量 借助炉渣排碱是最具有实际意义和有效的途径 方法是降低炉渣碱度 适当降低燃烧带温度 可以减少K Na的还原数量 提高冶炼强度 缩短炉料在炉内的停留时间 可以减少炉内碱金属的富集量 对冶炼碱金属含量高的高炉 可定期采用酸性渣洗炉 以减少炉内碱金属的积累量 36 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 7 碳酸盐的分解高炉料中的碳酸盐常以CaCO3 MgCO3 FeCO3 MnCO3态存在 以前二者为主 MeCO3 MeO CO2 Q石灰石的分解 CaCO3 CaO CO2 178000kJ 37 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 石灰石的分解开始温度和沸腾温度 T开 A lgp CO2 B T沸 A lgp总 B A B能在相关表中查到 A 8908 B 7 53p CO2为分压 p总为总压 CO2 为CO2组分含量 p标 100KPap CO2 CO2 p总 p标 38 2 2炉料中的蒸发 挥发及分解 当 CO2 0 03 p总 100KPa时 p CO2 CO2 p总 p标 0 0003T开 A lgp CO2 B 8908 lg0 0003 7 53 806K 533 T沸 A lgp总 B 8908 lg1 7 53 1183K 910 从关系式可看出 CaCO3的开始分解温度和化学沸腾温度与周围环境的压力 p总 p CO2 有关 CaCO3的结晶构造也影响其分解温度 分解速度和它的粒