第一章概论(高炉

1、第一章 概论第一节 钢铁工业在国民经济中的地位钢铁工业为制造各种机械设备提供最基本的材料，属于基础材料工业的范畴。钢铁还直接为人民的日常生活如运输业、建筑业及民用品提供基本材料。因此，一个国家钢铁工业的发展状况也反映其国民经济发达的程度。衡量钢铁工业的水平应考察其产量（人均年占有钢的数量）、质量、品种、经济效益及劳动生产率等方面。钢铁之所以成为各种机械装备及建筑、民用等各部门的基础材料，是因为它具备以下优越性能，并且价格低廉。（1）有较高的强度和韧性；（2）容易用铸、锻、切削、焊接等多种方式进行加工，以得到任何结构的工部件；（3）所需资源（铁矿、煤炭等）储量丰富，成本低廉；（4）钢铁生产规模大

2、、效率高、质量好、成本低。到目前为止还没有那一种材料能代替钢铁。第二节 炼铁发展史几个重要阶段:第一阶段是制得海绵铁第二阶段是制得液态生铁第三阶段是炼铁技术的近代化第四阶段是高炉炼铁的迅速发展期,实现了冶炼技术的现代化.第三节 我国炼铁事业的发展新中国成立后钢铁工业的几个重要时期：（1）三年恢复时期（2）第一个五年计划-恢复和发展（3）19581978年：二次失误和调整（4）1978年以后，进入稳步发展时期第四节 钢铁联合企业中的炼铁生产钢铁生产可分为二个流程：（1）高炉转炉轧钢，称为长流程；（2）直接还原电炉轧钢，称为短流程。目前长流程是主要流程，但需要使用焦炭和人造富矿（烧结矿和球团矿）。

3、第五节 高炉冶炼过程概述5.1 高炉生产工艺流程及冶炼特点（1）高炉生产工艺流程高炉炼铁包括高炉本体和辅助系统（原料系统、上料系统、送风系统、渣铁处理系统、喷吹系统和煤气除尘系统）组成。（2）高炉冶炼特点在炉料与煤气逆向运动的过程中完成错综复杂的物理化学过程。高炉是密闭的容器，除装料及出渣铁外，操作人员无法直接观察到炉内反应过程的状况，只能凭借仪器仪表间接观察。高炉生产是连续的、不间断进行。（3）高炉内各区域的分布5.2 高炉用含铁原料及辅助原料5.2.1铁矿石5.2.1.1铁矿石分类及主要特性铁是地球内部最丰富的元素之一。这些铁元素与其它元素构成各种含铁矿物，广泛地分布于岩石和土壤中。据目前

4、所知，自然界中有含铁矿物三百余种，但具有工业意义的为数不多，主要有磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、针铁矿、菱铁矿五种。铁矿石主要是由一种或几种含铁矿物和脉石矿物所组成的。现已利用作为炼铁原料的铁矿石中有二十多种含铁矿物，其性质是各不相同的。根据含铁矿物的主要性质，按其矿物组成，通常将铁矿石分为四大类。1磁铁矿矿石 主要含铁矿物为磁铁矿，化学式为Fe3O4，含FeO31%，Fe20369%，理论含铁量(按化学式计算的铁量)724%。 磁铁矿矿石具有强磁性，颜色及条痕均为铁黑色，坚硬、致密，难于破碎和还原。2赤铁矿矿石 主要含铁矿物为赤铁矿，化学式为Fe203 ,理论含铁量为70%，含氧量30%。 赤铁矿

5、仅具有弱磁性，一般含硫、磷较低，与磁铁矿相比，结构较软，较易破碎和还原。3褐铁矿矿石 主要含铁矿物为含结晶水的氧化铁，其化学式可用mFe203nH20(m13，n14)表示，理论含铁量为552%一661%。自然界中的褐铁矿绝大部分以2Fe2033H20形态存在。4菱铁矿矿石 主要含铁矿物为菱铁矿，化学式为FeCO3，理论含铁量482%，FeO为62.1%，CO2为379%。外表颜色为灰色和黄褐色，风化后变为深褐色，条痕为灰色或带黄色，无磁性。菱铁矿石含铁不高，为30%一40%，但经焙烧后，释放出CO2，其含铁量显著增加，矿石也变得疏松多孔，易破碎，还原性好。5.2.1.2铁矿石的质量评价铁矿石

6、是高炉冶炼的主要原料，其质量的好坏，与冶炼进程及技术经济指标有极为密切的关系。铁矿石质量评价的目的，在于了解高炉使用不同矿石的相对有利性，从而正确地利用国家资源，使得不仅从技术上，而且从经济上进行最有利的选择，有效地组织生产，获得最佳的经济效益。（1）铁矿石品位铁矿石品位 即铁矿石的含铁量，以TFe%表示。品位是评价铁矿石质量的主要指标。它决定铁矿石有无开采价值以及开采后能否直接入炉冶炼和冶炼的相对有利性。 冶炼品位高的矿石，有利于提高产量，降低焦比。根据生产经验，铁矿石品位升高1%。焦比可降低2%，产量提高3%。其原因在于：随含铁量升高，脉石数量减少，石灰石用量和渣量相应减少，既节省热量消耗

7、，又有利于炉况顺行，为加重焦炭负荷，增加风量和采取其它强化手段创造了有利条件。（2）脉石成分与数量脉石成分与数量在很大程度上决定着熔剂与燃料的消耗量，因此，它也是评价铁矿石的重要质量指标。脉石含量愈少，矿石愈富。当脉石数量相同时，其中SiO2含量愈少愈好。这样冶炼时可以少加熔剂，减少渣量，有利于焦比降低，炉况顺行和产量提高。（3）有害杂质和有益元素的含量有害杂质：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。通常有硫、磷、铅、锌等，铜有时有害，有时有益。希望矿石中有害杂质含量越低越好。硫。硫在矿石中主要以硫化物的形态存在，如黄铁矿（FeS2）、黄铜矿（CuFeS2）

8、、闪锌矿、方铅矿（PbS）等。也有以硫酸盐形态存在的，如石膏（CaSO*2H20）等。硫对钢铁的危害极大，主要表现在：a.钢中硫超过一定含量时，钢产生“热脆”现象。这是由于FeS与Fe结合成低熔点（985）合金，冷却时最后凝固成薄膜状，并分布于晶粒界面之间，当钢材被加热到11501200时，硫化物首先熔化，使钢材沿晶粒界面形成裂纹。b.硫显著地降低钢的焊接性、抗腐蚀性和耐磨性。根据实践经验，矿石中含硫升高01%，焦比升高5%。所以，要求矿石中含硫愈低愈好。高硫矿不宜直接入炉，应通过选矿，焙烧和烧结处理，以降低其硫量。 磷。磷对钢铁质量的影响：a.降低钢在低温下的冲击韧性，使钢材产生“冷脆”。因

9、为磷化物是脆性物质，钢水冷疑时，它凝聚在钢的晶界周围，减弱其结合力，使钢材在冷却时产生很大的脆性。b.磷高时还使钢的焊接性能、冷弯性能和塑性降低。磷在矿石中一般以磷灰石(3CaP205)形态存在。磷在选矿和烧结过程中不易除去，而在高妒冶炼中又几乎全部还原进入生铁，因此控制生铁含磷的唯一途径就是控制原料的含磷量。要求矿石中含磷尽可能低。铅。铅在矿石中以方铅矿(PbS)的形态存在。铅在高炉内100被还原。但Pb不溶解于生铁，且密度大，熔点低(327)，沸点也较低(1550)，因此对高护的危害很大。它沉积炉底，渗入砖缝，将砖浮起，破坏炉底；为此，要求矿石中含Pb量越低越好。锌。锌在矿石中常以闪锌矿(

10、ZnS)形态存在，我国某些矿石中有少量的锌。高炉冶炼中锌全部被还原，其沸点低(905)，溶于生铁。锌还原后很易挥发，挥发的大量锌蒸汽到高炉炉身上部，遇炉料冷凝，并被煤气中的C02氧化成ZnO，部分Zn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。砷。矿石中的砷常以毒砂(FeAsSl）、斜方砷矿(FeAsS2)及氧化物As2O3等形态存在于褐铁矿石中，其它矿石中很少见。砷在高炉冶炼中全部被还原进入生铁。由于砷的非金属性很强，不具延展性，故当钢中砷含量大于01时，就产生“冷脆”，并降低其焊接性能。钾和钠。 在高炉冶炼中，钾、钠的危害是很严重的。因为它们在高炉内

11、被直接还原，到下部高温区(1500)生成大量碱蒸气，其中一部分碱蒸气在高温下与焦炭中的C、煤气中的N2生成氰化物。氰化物的沸点较高(1500)，呈雾状液体状态。这些碱蒸气和雾状氰化物，随煤气上升到炉身中部的低温区(800)，被氧化成碳酸盐，部分沉积在炉料和炉墙上，部分又随炉料下降，如此循环富集。其危害表现在以下几方面：a.碱金属与炉衬作用，生成钾霞石(K2OA12O32Si02)等，体积膨胀40%，从而破坏炉衬，缩短高炉寿命。b.与炉衬作用生成低熔点化合物，使炉料粘在炉墙上，或使炉料粘结在一起，恶化上部料层透气性，最后导致炉瘤生成。c.钾、钠与焦炭中的石墨反应，生成插入式化合物CK8、CNa8

12、，体积膨胀很大，破坏焦炭的高温强度，使高炉下部料柱透气性变坏。d.钾、钠能增大焦炭的反应性，扩大直接还原区，加之前述几个因素的影响，使高炉焦比升高，产量降低。e.使烧结矿和球团矿的软化温度降低，低温还原粉化率升高，并导致球团矿的恶性膨胀。铜。高炉冶炼中，铜全部还原进入生铁，后转入钢中。铜对钢铁的影响具有两重性。当钢中Cu5%、Cr06%、CrO03%、Ni02%、V01%015%、Mo03%即可视为复合矿石，其经济价值很大，是宝贵的资源。我国复合矿石种类多，储量大，有的是发展高科技所急需的，因此，对这类矿石应大力开展综合利用。（4）铁矿石的还原性铁矿石的还原性：是指所含的铁氧化物与气体还原剂C

13、O、H2之间进行反应的能力，即气体还原剂夺取矿石中与铁结合的氧的难易程度。氧易被夺取者，矿石的还原性好，反之，还原性差。矿石还原性的好坏，虽不影响其利用，但却在很大程度上影响高炉冶炼的技术经济指标。因为还原性好的矿石，在中温区被气体还原剂还原出的铁就多，不仅可减少高温区的热量消耗，从而有利于降低焦比，而且还可改善造渣过程，促进高炉稳定顺行，增加产量，改善生铁质量。因而它是评价铁矿石的一项重要指标。（5）矿石的软熔性矿石的软熔性：是指它的软化性及熔滴性。软化性包括矿石的软化温度和软化温度区间两个方面。软化温度系指矿石在一定的荷重下加热开始变软的温度；软化温度区间系指矿石从开始软化到软化终了的温度

14、区间。熔滴性是指矿石开始熔化到开始滴落的温度及温度区间。矿石的软熔性主要受脉石成分与数量、矿石还原性等的影响。脉石数量少，碱性氧化物含量高，矿石易还原，FeO低者，其软熔温度高，软熔区间窄，可改善软熔带特性，对高炉冶炼有利。 （6）矿石的机械强度矿石的机械强度系指矿石耐冲击、摩擦、挤压的强弱程度。要求高一些为好。 （7）矿石的粒度和气孔度矿石的粒度影响透气性和传热、传质条件，因而影响高炉顺行和还原过程。粒度大，料柱透气性好，但与煤气接触面积小，扩散半径大，矿块中心部分不易加热和还原，煤气利用变坏，焦比升高；反之，若粒度太小，特别是粉末较多时，会使煤气流上升的阻力增大,有碍顺行，使产量降低。确定

15、矿石粒度，必须兼顾高炉气体力学和传热传质两方面的因素，应在保证有良好透气性的前提下，尽量改善还原条件。为此，应降低粒度上限，提高粒度下限，缩小粒度范围，力求粒度均匀，尽量减少粉末含量。矿石的气孔率系指矿石中孔隙所占体积与它的总体积的百分比。（8）各项指标的稳定性现代化高炉生产，不仅需要有足够的原料数量，以保证均征稳定连续作业，而且其理化性质也必须保持相对稳定，才能最大限度地发挥生产效率。在前述的各项指标中，矿石品位、脉石成分与数量、有害杂质含量的稳定尤其重要。否则，将引起炉温、渣碱度和生铁质量的波动，打破高炉的正常作业制度，影响高炉稳定顺行。高炉生产实践表明，当入炉矿含铁波动从土15%下降到土

16、02%，高炉产量增加45%，焦比降低25%。为确保矿石成分的稳定，加强整粒及中和是非常必要的，国外对此十分重视。先进厂家矿石经中和后，TFe土03%一05%，SiO2土02%，烧结矿碱度土O03。5.2.1.3 我国的铁矿资源及特点我国的铁矿资源比较丰富，已探明铁矿贮量达500亿吨，远景贮量约1000亿吨，是世界上铁矿贮量最多的国家之一。这为我国钢铁工业的发展提供了雄厚的物质基础。根据现已探明的情况，我国铁矿资源有以下特点：1富矿少，贫矿多。铁矿石品位低，平均含铁约34%。含铁较高，能直接入炉的富矿只占12%，其余88%皆为贫矿。 2分布很广。现已探明的铁矿产地有1800余处，分布于全国27个

17、省区的600个县。主要铁矿集中在16个地区, 约占全国铁矿储量的70%。其中鞍山、本溪地区，冀东地区，攀西地区是三大主要铁矿区.3我国主要铁矿埋藏较浅，有的还露出地面，适于露天开采。有相当部分矿区处于工业、交通条件较好的地方，这为加速铁矿开采提供了方便条件。4多金属矿多。已探明的铁矿，约有三分之除含铁外，还含有钒、Ti、，稀土、铜、钻 金、银等元素。综合利用这些资源有很高的经济价值。5磁铁矿石较多，约占总贮量的73%，有利于选矿和发展造块工业5.2.1.4 冶炼前铁矿石的准备处理1铁矿石准备处理流程（见下图）2铁矿石的整粒与混匀 整粒，即通过破碎和筛分，控制矿石粒度。这是天然矿石在冶炼前准备处

18、理的基本环节。 铁矿石的混匀 所谓混匀，就是将多种散状原料按一定比例进行混合，从而使其成分均匀，粒度稳定。混匀原则和造堆方法随条件不同，原料混匀手段多种多样，但混匀原则却是相同的，即“平铺截取”。它包括两个环节：首先，将来料按顺序一薄层一薄层地往复重叠铺成一定高度和大小的条堆，然后再沿料堆横断面一个截面一个截面地垂直切取运出。 常用的混匀铺料方法有两种，即“人”字形堆料法和混合(又称菱形)堆料法。5.2.2熔 剂5.2.2.1溶剂的作用及种类熔剂。熔剂在冶炼过程中的主要作用有二：第一，是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。第二，是去除有害杂质硫，确保生铁质量。 高炉冶炼使

19、用的熔剂，按其性质可分为碱性、酸性和中性三类，其使用条件分别是：1碱性熔剂当矿石中的脉石主要为酸性氧化物时，则使用碱性熔剂。由于燃料灰分的成分大都是酸性的，而绝大多数矿石的脉石成分也是酸性的，因此，普遍使用碱性熔剂。通常所说的熔剂即指这一类。常用的碱性熔剂有石灰石和白云石。2酸性熔剂当使用主要含碱性脉石的矿石冶炼时，可加入酸性熔剂。作为酸性熔剂使用的有硅石(主要成分为Si02)、蛇纹石。5.2.2.2对碱性熔剂的质量要求1碱性氧化物(CaO、MgO)含量高，酸性氧化物(SiO、A120)含量愈少愈好。否则，冶炼单位生铁的熔剂消耗量增加，渣量增大，焦比升高。2有害杂质硫、磷含量要少。3有较高的机

20、械强度和适宜的粒度。5.2.2.3石灰石的有效熔剂性所谓石灰石的有效熔剂性，是指石灰石(按照炉渣碱度的要求)除去自身所含酸性氧化物造渣所消耗的碱性氧化物外，剩余的碱性氧化物含量。5.3 高炉用燃料5.3.1焦炭焦炭在高炉内的作用有：1.在风口前燃烧，提供冶炼所需热量；2.是氧化物的还原剂；3.是料柱的骨架；4.铁水渗碳。到现在焦炭质量仍是限制高炉生产发展的因素之。特别对于大型高炉，灰份高、强度差的焦炭往往给高炉作业造成麻烦。高炉冶炼对焦炭质量的要求：1.强度： 2.固定C及灰份含量：良好的冶金焦应含固定C量高而灰份低。高炉治炼的实践证明，焦炭灰份每增加1%，焦比升高2%，高炉产量下降3%。 3

21、.硫：焦炭（煤粉）带入的硫量，占冶炼单位质量生铁所需原料总硫量的6080%。每吨生铁入炉原料带入的总硫量称为“硫负荷”，kg/t。 冶炼实践说明，焦中含硫每提高01%，高炉焦比升高1220%。 4.挥发份含量：5.成份和性能的稳定性以及粒度：与所有入炉原料相同，焦炭成份和性能波动会导致高炉冶炼行程不稳定，对高炉提高生产效率及降低燃料消耗量十分不利。 5.3.2煤粉 1964年，我国首先在首钢成功地向高炉喷吹无烟煤粉，作为辅助燃料置换一部份昂贵的焦炭，降低了生铁成本。现在，我国80%以上的高炉都采用喷吹煤粉的工艺。并且开始逐步扩大到喷吹其他含挥发份较高的煤种。高炉喷吹用的煤粉，对其质量有如下要求：（1）灰份含量低，固定碳量高；（2）含硫量低；（3）可磨性好(即将原煤制成适合喷吹工艺要求的细粒煤粉时所耗能量少，同时对喷枪等输送设备的磨损也弱)；（4）粒度细：根据不同条件，煤粉应磨细至一定程度，以保证煤粉在风口前完全气化和燃烧。般要求200网目(0.074mm)的占80%以上。细粒煤粉也便于输送。5.4 高炉产品高炉的主要产品是铁水（生铁）；副产品主要是煤气和炉渣。煤气是钢铁企业内部重要的二次能源，在企业内部能量平衡中占有重要地位。高炉渣也具有相当的价值。5.4.1生铁生铁是Fe与C及其它少量元素（Si、Mn、P、S等）组成的合金。生铁质硬而脆，有较高的耐压强度，但抗张强度低，无延