高炉炼铁工艺

1、炼铁学高炉炼铁工艺 第七章第七章 高炉炼铁工艺高炉炼铁工艺 7.17.1 高炉炼铁生产的原则高炉炼铁生产的原则 7.27.2 高炉操作制度高炉操作制度 7.37.3 高压操作高压操作 7.47.4 高风温操作高风温操作 7.57.5 喷吹补充燃料喷吹补充燃料 7.67.6 富氧和综合鼓风操作富氧和综合鼓风操作 7.77.7 炉况判断炉况判断 炼铁学高炉炼铁工艺 7.17.1 高炉炼铁生产的原则高炉炼铁生产的原则 高炉生产的目标：优质、高产、低耗、长寿、高效益。 有效容积利用系数（v）、冶炼强度（I）、和焦比（K）之间存在 以下关系： v I / K 高炉产量的提高，存在四种途径： 冶炼强度保持

2、不变，不断降低 焦比； 焦比保持不变，冶炼强度逐步提高； 随着冶炼强度的逐步 提高，焦比有所降低； 随着冶炼强度的提高，焦比有所上升。 在一定冶炼条件下，存在着一个与最低焦比相对应的最适宜的冶炼 强度I适。当冶炼强度低于或高于I适时，焦比将升高，而产量稍迟后，开 始逐渐降低。这种规律反应了高炉内煤气和炉料两流股之间的复杂传热、 传质现象。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.27.2 高炉操作制度高炉操作制度 高炉操作制度：装料制度、送风制度、造渣制度、热制度 7.2.1 装料制度 装料制度：炉料装入炉内方式的总称。它决定炉料在炉内的分布状况。 利用装料制度的变化以调节炉况称为“上部调剂”。 装料制度的内

3、容有以下几项：批重、装料顺序、料线、装料装置的布 料功能变动等。 7.2.1.1 批重（料批大小） 每座高炉都有一个临界批重，当批重大于临界值时，随矿石批重增加 而加重中心，过大则炉料分布趋向均匀，当批重小于临界值时，矿石布 不到中心，随批重增加而加重边缘或作用不明显。如批重过大则出现中 心和边缘均加重的现象。 炼铁学高炉炼铁工艺 炼铁学高炉炼铁工艺 高炉喷吹燃料后，负荷增加，批重要调整，应保持焦批不动，扩大 矿石批重。可保持软熔带焦窗的面积，而使煤气能顺利通过。如果保持 矿批不动，缩小焦炭批重，不仅焦层变薄，而且由于矿焦层的界面混料 效应，使焦窗面积更为缩小，增大煤气通过的阻力，不利于炉况顺

4、行。 7.2.1.2 装料顺序 装料顺序： 一批料中矿石和焦炭装入高炉时的顺序。一般将矿石先 焦炭后的顺序称为正装，反之称为反装。 7.2.1.3 料线 料线：从大钟完全开启位置的下沿至料面的垂直距离。 7.2.1.4 装料设备的工艺工作制度 A 双钟装料设备的旋转布料器 炼铁学高炉炼铁工艺 炼铁学高炉炼铁工艺 炼铁学高炉炼铁工艺 B 可调炉喉 炼铁学高炉炼铁工艺 C 无钟炉顶 炼铁学高炉炼铁工艺 炼铁学高炉炼铁工艺 7.2.2 送风制度 送风制度：通过风口向高炉内鼓送具有一定能量的风的各项控制参 数的总称。包括风量、风温、风压、风中含氧量、湿分、喷吹燃料以及 风口直径、风口中心线与水平的倾角

5、，风口端伸入炉内的长度等。 上述调节参数以及喷吹量常称为 “下部调剂”。下部调剂通过上述 参数的变动来控制风口燃烧带状况和煤气流的初始分布。与上部调剂相 配合是控制炉况顺行、煤气流合理分布和提高煤气利用的关键。一般来 说下部调剂的效果较上部调剂快。 鼓风动能 鼓风动能不仅与炉子容积和炉缸直径有关，而且还与原 燃料条件和高炉冶炼强度等有关。原料条件差的应保持较低的E值，而 原燃料条件好的则需要较大的E值以维持合理的燃烧带。在合理的鼓风 动能范围内，随E的增大，燃烧带扩大，边缘气流减少，中心气流增强。 炼铁学高炉炼铁工艺 喷吹补充燃料喉，风口端的鼓风动能变得复杂，主要是喷吹的燃料 在离开喷枪后在直

6、吹管至风口端的距离内已部分燃烧，结果使原来的鼓 风变成由部分燃料形成的煤气和余下的鼓风组成的混合气体，其体积和 温度都比原鼓风增加较多。因此，喷吹燃料后的鼓风动能高于全焦冶炼 时的鼓风动能，应相应扩大风口，以维持合适的鼓风动能。 7.2.3 造渣制度 造渣制度包括造渣过程和终渣性能的控制。造渣制度应根据冶炼条 件、生铁品种确定。 终渣性能控制是使炉渣具有良好的热稳定性和化学稳定性以保证良 好的炉缸热状态和合理的渣铁温度，以及控制好生铁成分，主要是生铁 终的Si、S。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.2.4 热制度 热制度 在工艺操作上控制高炉内热状态的方法的总称。 高炉热状态 炉子各部位具有足够相应温

7、度的热量以满足冶炼过程中 加热炉料和各种物理化学反应需要的热量，以及过热液态产品达到要求 的温度。 通常用热量是否充沛、炉温是否稳定来衡量热状态。 热状态是多种操作制度的综合结果，生产中选用合适的焦炭负荷， 辅以相应的装料制度、送风制度、造渣制度来维持最佳状态。日常生产 中常因某些操作参数变化而影响热状态，则采用风温、风量、湿分、喷 吹量来微调，必要时采用负荷调节。严重炉凉时投入空焦。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.37.3 高压操作高压操作 炉顶煤气压力超过30KPa的高炉操作称为高压操作。 7.3.1 高压操作系统 炼铁学高炉炼铁工艺 炼铁学高炉炼铁工艺 7.3.2 高压操作对高炉冶炼的影响 高

8、压操作对高炉冶炼的影响综合表现为提高产量、降低焦比和大幅 度降低炉尘吹出量。 7.3.2.1 对燃烧带的影响 随着炉内压力的提高，在鼓风量不变的情况下，鼓风体积变小，从 而引起鼓风动能的的下降。同时由于炉缸煤气压力的升高，煤气中O2 和CO2的分压升高，促使燃烧速度加快。鼓风动能的降低和燃烧速度的 加快导致高炉高压操作后燃烧带缩小，为维持合理燃烧带以利于煤气量 分布，可增加风量，这对增加产量起到了积极作用。 7.3.2.2 对还原的影响 压力对还原的影响通过反应 CO2C2CO体现。 从热力学角度分析压力增加，有利于反应向左进行，即有利于CO2 炼铁学高炉炼铁工艺 的存在，有助于间接还原反应进

9、行，抑制了直接还原反应的进行，或者 说将直接还原反应推向更高的温度区域进行。有利于改善煤气化学能的 利用。 从动力学角度分析，压力提高加快了气体的扩散和化学反应速度， 有利于还原反应的进行。 高压操作对Si还原不利，故高压有助于低Si生铁的冶炼。 7.3.2.3 对料柱阻损的影响 卡门公式 料层的阻力损失与气流的压力成反比。在其他条件不变的情况下，可 写作：P常/P高P高/P常。高炉实施高压后，P高/P常1，因而常压时煤 气流阻力损失大于高压操作时。 273 1 11 / 0 2 00 3 2 2 0 3 2 1 t p p sKsKHp 炼铁学高炉炼铁工艺 高压操作后，炉内料柱阻损的下降并不

10、是上下部相同的，上部阻损 下降得多，下部阻损下降得少。造成这种现象得原因是料柱上下部透气 性不同，高炉下部由于被还原矿石得软熔，空隙度急剧下降，压力对 P得作用为空隙度得下降所减弱。 高压后P的下降减少了炉料下降的阻力，可使炉况顺行。如果P维 持在原来低压时的水平，则可增加风量，即提高冶炼强度。但在 100KPa以上，鼓风量的增加值下降。原因在于： 高炉内限制冶炼强度提高的是炉子下部； 高压后，焦比有所降低，炉尘量大幅度降低，埋在入炉炉料准备 水平相同的情况下，上部块状带内料柱透气性也变差； 高压以后，燃烧带和炉顶布料发生变化，上下部调剂跟不上也阻 碍高压操作作用的发挥。 炼铁学高炉炼铁工艺

11、要充分发挥高压对增 产的作用，需要改善原料 性能，特别是焦炭的高温 强度，矿石的高温冶金性 能和品位（降低渣量）， 以及掌握燃烧带和布料变 化规律，应用上下部调剂 手段加以控制。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.3.2.4 对炉顶布料的影响 高压操作降低了离开料柱和炉顶煤气的动压头。 首先影响到炉尘吹出量，在冶炼强度相同和炉料粒度结构相同的情 况下，被吹出炉尘的粒径变小，数量减少。 高压操作后动压头减小，对炉料从装料设备落到料面的运动有着一 定的影响，这种影响表现为边缘料层加厚，料面漏斗加深，而影响的程 度则取决于炉料准备情况和炉顶煤气压力提高的幅度。这种炉料在炉喉 径向上分布的变化有可能恶化边缘区域

12、的炉料透气性，从而使炉内压降 增大，削弱了顶压提高的作用。 7.3.2.5 对焦比的影响 由于高压操作促进炉况顺行，煤气分布合理，利用程度改善，有利 于冶炼低硅生铁，而使焦比有所下降。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.47.4 高风温操作高风温操作 鼓风 加热技术的发展 7.4.1 高风温对高炉冶炼的影响 7.4.1.1 风口前燃烧碳量减少 在冶炼单位生铁的热收入不变的情况下，热风带入的显热替代了部 分风口前焦炭的碳燃烧放出的热量，风温越高，替代越多。 7.4.1.2 高炉高度上温度再分布 风温提高后，高炉高度上温度再分布，表现为炉缸温度上升，炉身 和炉顶温度降低，中温区（9001000）略有扩大。

13、风风 风风 风 风 风 100 / 1001 2 12 2 1 ivq ii C C C C 炼铁学高炉炼铁工艺 高风温后高炉温度再分布的原因在于风温提高后，风口前理论燃烧 温度上升，每提高100 风温，t理上升6080 ，而C风减少使风口煤 气发生量成比例减少，并相应使煤气和炉料水当量的比值下降，结果炉 身煤气温度和炉顶煤气温度均下降。 由于随着风温提高，C风的数值变化趋于缓慢，因而每提高100 风温引起的炉顶煤气温度下降也减缓，而且风温越高，减缓趋势越大。 7.4.1.3 直接还原度上升 风温提高后，C风的减少使形成的CO也减少，同时炉身温度的降低 均使间接还原减少，尽管中温区扩大有利于间

14、接还原进行，但前者影响 大于后一影响，因此随着风温的提高，间接还原度有所降低，直接还原 度有所上升。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.4.1.4 炉内料柱阻损增加 风温提高以后，炉内煤气压差升高，特别使炉子下部的压差会急剧 上升，这将使炉内炉料下降的条件明显变坏，如果高炉是在顺行的极限 压差下操作，则风温的提高将迫使冶炼强度降低。 压差升高的原因是焦比降低，焦炭在料柱所占体积减少，使炉料透 气性变坏；炉子下部温度升高，煤气实际流速增大；炉子下部温度升高， 使SiO大量还原并挥发，煤气将其带入上部，并且在炉腹凝聚，在焦块 间隙分解成固态，严重恶化料柱透气性，严重时造成炉子难行，并发展 为恶性悬料。 7.

15、4.1.5 冶炼所需的有效热消耗减少 风温提高后，焦比降低，由焦炭带入炉内的灰份和硫量减少，减少 了单位生铁的渣量和脱硫耗热，从而使有效热消耗相应减少。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.4.2 高炉接受高风温的条件 “最高风温极限” 使高炉接受高风温的条件： 加强原料准备，提高矿石和焦炭的强度，特别是高温强度，筛除 小于5mm的粉末以改善料柱的透气性； 提高炉顶煤气压力，对比高压和高风温对高炉冶炼的影响可以看 出，高风温对高炉还原和顺行的不利因素可以得到高要操作对还原和降 低炉内煤气压差得有利影响弥补。 喷吹燃料和在这之前得鼓风加湿，向风口喷吹补充和加湿鼓风可 降低风口前的理论燃烧温度，可解决由于风温

16、提高使炉子下部温度升高 造成炉况难行的问题。 炼铁学高炉炼铁工艺 鼓风加湿对高炉冶炼的影响： 鼓风加湿可用其湿份使鼓风的湿度保持稳定，消除大气自然湿度 波动对炉况顺行的不利影响； 鼓风加湿可减少风口前燃烧1Kg碳所需的风量，并减少产生的煤 气量，鼓风中（H2O）每增加1，大致减少煤气量0.5%，这样保持压 差不变，可增加单位时间内风口前燃烧的焦炭量，即可提高冶炼强度。 鼓风加湿后，每1的（H2O）在风口前的分解消耗热量 10800KJ/M3或13440KJ/Kg，将使理论燃烧温度和炉缸煤气的平均温度 下降，可提高“极限”风温； 鼓风加湿后，炉缸产生的煤气中COH2的浓度增加，氮的含量 减少。一

17、方面使煤气的还原能力增大，还原速度加快，间接还原发展。 使直接还原度降低；另一方面煤气中氢含量的增加使煤气的密度和粘度 炼铁学高炉炼铁工艺 降低，煤气流的流速可增大，也为提高风温或提高冶炼强度创造了条件。 喷吹补充燃料与鼓风加湿 7.4.3 高风温的取得 在采用大喷吹量的前提下，尤其是喷吹含氢高的燃料时，“极限风 温”取决于热风炉的能力。 获取高风温需要经济地解决两个方面的问题：提高能达到火焰燃烧 温度15501650甚至1700以上的高温热量；热风炉结构能在这样的 高温下稳定持久地工作和所有热风管道能承受这样高的温度并维持稳定 工作。 7.4.3.1 高温热量问题 用高热值煤气富化高炉煤气；

18、 使用热值较高的转炉煤气； 预热助燃空气和高炉煤气。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.4.3.2 热风炉结构问题 热风炉结构型式：内燃式、外燃式、顶燃式 燃烧器断面形状：眼睛形、圆形、苹果形 热风炉结构型式 防止炉壳晶间腐蚀 炉内砌体稳定 减少热损失 提高热风阀寿命 炼铁学高炉炼铁工艺 7.57.5 喷吹补充燃料喷吹补充燃料 7.5.1 喷吹燃料对高炉冶炼的影响 7.5.1.1 喷吹燃料在风口前的燃烧 喷吹燃料与焦炭在风口前燃烧的不同之处： 焦炭在炼焦过程已完成煤的脱气和结焦过程，风口前的燃烧基本 上是碳的氧化过程，而且焦炭粒度较大，在炉缸内不会随煤气流上升。 喷吹燃料则不同，煤粉在风口前经历脱气、结

19、焦和残焦燃烧三个过程， 且迅速完成。 炉缸煤气量增加，燃烧带扩大。 理论燃烧温度下降，炉缸中心温度略有上升。 理论温度降低的原因在于： 燃烧产物的数量增加，用于加热产物到燃烧温度的热量增多； 喷吹燃料气化时因碳氢化合物分解吸热，燃烧放出的热值低； 炼铁学高炉炼铁工艺 焦炭到达风口燃烧带时已被上升煤气加热，可为燃烧带带入物理 热。 炉缸中心温度和两风口之间温度略有上升的原因： 煤气量及其动能增加，燃烧带扩大使到达炉缸中心的煤气量增多， 中心部位的热量收入增加; 上部还原得到改善，在炉子中心进行的直接还原数量减少，热支 出减少； 高炉内热交换改善，使进入炉缸的物料和产品的温度升高。 7.5.1.2

20、 料柱阻损与热交换 单位生铁的焦炭消耗量减少和炉料中矿/焦比上升，料柱透气性变差。 喷吹无烟煤时，由于煤气量不增加，炉身和炉顶温度无明显变化。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.5.1.3 直接还原和间接还原 喷吹燃料后，改变了铁氧化物还原和碳气化的条件，有利于间接还 原的发展和直接还原度的降低： 煤气中还原性组分（COH2）的体积分数增加，N2降低； 单位生铁的还原性气体量增加，因为等量于焦炭的喷吹燃料产生 的（COH2）量大于焦炭产生的，所以尽管焦比降低，（ COH2 ） 的绝对量仍然增加； H2的数量和体积分数显著提高，而氢较一氧化碳在还原的热力学 和动力学方面均有一定的优越性； 炉内温度场变化使

21、焦炭中碳与CO2发生反应的下部区温度降低而 氧化铁间接还原的区域温度升高。这样前一反应速度降低，后一反应速 度增快。 炼铁学高炉炼铁工艺 焦比降低减少了焦炭与CO2反应的表面积，从而降低了反应速度； 焦比降低和单位生铁的炉料容积减少使炉料在炉内停留的时间增 长。 7.5.2 置换比与喷吹量 喷吹燃料置换焦炭的原因： 喷吹燃料中的碳代替了焦炭中的碳； 喷吹燃料中的氢代替了焦炭中的碳。 置换比的影响因素： 喷吹燃料的种类； 喷吹燃料在风口前的气 化程度； 鼓风参数 置换比的表示形式： 平均置换比 差值置换比 微分（瞬时） 置换比 实际生产中限制喷吹量的因素： 风口前喷吹燃料的燃烧速率是目前限制喷吹量的薄弱环节； 炼铁学高炉炼铁工艺 高温区放热和热交换状况,高炉冶炼需要有足够的高温热量保证炉 子下部物理化学反应顺利进行； 流体力学因素限制 产量和置换比降低是限制喷吹量的又一因素。 炼铁学高炉炼铁工艺 7.67.6 富氧和综合鼓风操