冶金工程导论第二章高炉炼铁

1、第二章高炉炼铁2主要内容高炉冶炼用原料高炉炼铁原理 高炉结构及附属设备高炉操作2.12.22.32.423高炉冶炼用原料2.1主要原料烧结 球团2.1.12.1.22.1.334主要原料2.1.1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（焦炭和喷吹燃料）、熔剂（石灰石与白云石等）。冶炼1t生铁大约需要1.62.0t矿石，0.40.6t焦炭，0.20.4t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。OOO45铁矿石赤铁矿（Fe2O3）磁铁矿（Fe3O4）褐铁矿（mFe2O3nH2O）菱铁矿（FeCO3）

2、56铁矿石处理工艺流程O 矿石破碎筛分富矿混匀天然块矿高炉；O 矿石破碎筛分贫矿磨矿筛分选矿 造块人造富矿高炉67燃料焦炭的作用：发热剂、还原剂及料柱骨架。O粒度：大型高炉中型高炉 小型高炉4060mm；2540mm；1525mm；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）O78熔剂熔剂主要使用石灰石和白云石；O熔剂的要求：O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。AA A熔剂的作用：O助熔，改善流动性，使渣铁容易分离；脱硫（焦炭和矿石中S）。AA89烧结2.1.2将各种粉状铁，配入适宜的燃料和熔剂，均匀混合，然后放

3、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。O9抽风烧结工艺流程11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。O1112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=CO2O分解反应：结晶水的分解：褐铁矿（mFe2O3nH2O） 高岭土（Al2O3 2SiO2

4、2H2O)熔剂分解：CaCO3=CaO+CO2(750以上) MgCO3=MgO+CO2(720)O1213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.O气化反应：脱硫8595。FeS2+11/2O2=Fe2O3+4SO22FeS+7/2O2=Fe2O3+2SO2O1314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。O含铁矿物有磁铁矿、方铁矿（或浮氏体）、

5、赤铁矿O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。O1415烧结厂巡视1516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。O1617烧结台车1718球团2.1.3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。O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。O18198球团矿生产的工

6、艺流程1920高炉炼铁原理2.22.2.12.2.22.2.32.2.42.2.52.2.6高炉冶炼过程及特点燃烧反应 还原反应 高炉炉渣与脱硫 炉料与煤气运动高炉生产主要技术经济指标20212.2.1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OOO2-(矿）CO CO2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2122高炉生产工艺流程2223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

7、封，内嵌冷却器保护，炉子自上而下一次 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。O23247:29:1824高炉炉内炉料状况及反应25燃烧反应2.2.2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，1721参加直接还原反应，10左右溶解进入铁水。O燃烧反应的作用：O为高炉冶炼过程提供主要热源；为还原反应提供C0、H2等还原剂； 为炉料下降提供必要的空间。AAA2526燃烧反应燃烧反应的机理一般认为分两步进行：O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

8、总含有一定的水蒸气，灼热的C与H2O发生下列反应：OOC+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C0、H2、N2组成。O262727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。O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。O实践中常以CO2降至12的位置定为燃烧带界限。大型高炉的燃烧带长度在10001500mm左O右。28还原反应2.2.3基本概念高炉内铁氧化物的还原 高炉内非铁元素的还原2.2.3.12.2.3.22.2.3.328292.2.3.1基本概念还原反应O还原剂夺取金属氧化物中的氧，使之变为金属

9、或该金属低价氧化物的反应。A高炉炼铁常用的还原剂主要有CO、H2和固体A碳。铁氧化物的还原顺序O遵循逐级还原的原则。当温度小于570时，按Fe2O3Fe3O4Fe的顺序还原。AA当温度大于570时，按Fe2O3Fe3O4FeOFe的顺序还原。A2930高炉内铁氧化物的还原2.2.3.2用CO和H2还原铁氧化物O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8001100的区域进行。AAA30用固体碳还原铁氧化物O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

10、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：AAA直接还原一般在大于1100的区域进行，8001100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。O32高炉内非铁元素的还原2.2.3.3锰的还原硅的还原 磷的还原 铅、锌、砷的还原OO OO3233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：O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。OMnO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Mn0的活度，也有利于锰的直接还原。O还原出来的

11、锰可溶于生铁或生成Mn3C溶于生O 铁。 3334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：OSiO2+2CSi2CO-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。OOOO3435：磷的还原磷酸铁(FeO)3P2O58H2O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O磷酸钙（主要存在形式）在高炉内首先进入炉渣，在11001300时用碳作还原剂还原磷，其还原率能达60；当有Si

12、O2存在时，可以加速磷的还原：O磷在高炉冶炼条件下，全部被还原以Fe2P形态溶于生 铁。O3536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。O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。O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。O3637还原反应动力学2.2.3.5反应过程模型：铁矿石的还原反应是 由矿石颗粒表面向中心进行的。加快还原反应速度 的措施：提高还原 气体的浓度和还原 温度；使用粒度较 小，

13、气孔率较大的 人造矿石。OO37382.2.3.6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OO固体海绵铁发生渗碳过程：（渗C有限，不到1）A在1400左右时，与炽热的焦炭继续进行固相渗碳。A熔化后的金属铁与焦炭发生渗碳反应：3Fe液+C焦=Fe3C液。3839高炉炉渣与脱硫2.2.4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。O高炉炉渣的成分高炉炉渣作用 成渣过程生铁去硫OO OO3940高炉炉渣的成分2.2.4.1高炉炉渣的来源：矿石中的脉石、焦炭(燃料)中

14、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1.01.3之间。OOOOOO4041高炉炉渣的作用2.2.4.2分离渣铁，具有良好的流动性，能顺利排出炉外。O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

15、格的生铁。O具有调整生铁成分，保证生铁质量的作用。O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。O4142成渣过程2.2.4.2（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23。（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

16、透气性影响很 大，习惯上把这一带叫成渣带。4243生铁去硫2.2.4.3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7080。冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称硫负荷。 硫在煤气、渣、铁中的分配OOO炉料带入高炉内部的硫的分配：在冶炼过程中又全部转入炉渣、生铁、煤气中。硫的分配系数：渣中含硫量与铁中含硫量之比， 用Ls表示。 降低生铁硫含量的措施：降低硫负荷；增大硫的挥发量；加大渣量；增大硫的分配系数Ls（提高高炉炉渣的脱硫能力）。AAA4344生铁去硫2.2.4.3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： (

17、FeO)+C=Fe+CO-Q 总的脱硫反应可写成： FeS+(CaO)+C=(CaS)+Fe+CO-QOA提高炉渣的脱硫能力必须具备条件： 适当高的炉 渣碱度；要有足够高的炉温；黏度小。A4445生铁去硫2.2.4.3炉外脱硫OA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。 实 际生产中，如果选择合理的操作制度，保证充 沛的炉温，生铁的含硫量是可以控制的。A4546炉料与煤气运动2.2.5炉料运动煤气运动2.2.5.12.2.5.246472.2.5.1炉料运动炉料在炉内下降的基本条件：高炉内

18、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OO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。AA AA4748煤气运动2.2.5.2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OO OO4849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。OO4950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。OCO2：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

19、焦炭中的有机H2和喷吹燃料OO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。OCH4：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。O5051煤气温度的变化炉内热交换现象：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。O5152煤气压力的变化压头损失(p)的表示式p =P炉缸-P炉喉O压头损失p的作

20、用增加到一定程度时，将妨碍高炉顺行。O5253高炉生产主要技术经济指标2.2.6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/m3d）高炉每天的合格生铁量POV=高炉有效容积Vu入炉焦比（K）：冶炼一吨生铁消耗的焦炭量（kg/t）O每天装入高炉的焦炭量K =高炉每天出铁量2010-3-28/07:29:1853煤比（或油比）：冶炼一吨生铁消耗的煤粉量或重油（kg/t）O每天喷入高炉的煤粉量M =高炉每天出铁量燃料比焦比煤比（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）高炉每天消耗的焦炭量OOI =高炉的有效容积V=I/K生铁合格率

21、：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OO高炉休风时间100%休风率=规定的日历作业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。OO56高炉结构及附属设备2.3高炉本体高炉附属系统2.3.12.3.2马钢2500m3高炉5657高炉本体2.3.1高炉内型炉顶装料装

22、置2.3.1.12.3.1.25758高炉内型2.3.1.1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。O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。O5859高炉内型2.3.1.1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：255620m3 小型高炉：100m3O5960炉顶装料装置2.3.1.2高炉炉顶装料

23、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。O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。O6061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616262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卸料漏车；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63溜槽布料6364高炉附属设备2.3.2原料供应系统送风系统 煤气净化系统渣铁处理系统2.3.2.12.3.2.22.3.2.32.3.2.46465原料供应系统2.3

24、.2.1皮带上料上料系统6566原料系统总巡视6667送风系统2.3.2.2高炉送风系统包括高炉鼓风机、冷风管路、热风炉、热风管路、风口以及管路上的各种阀门等。蓄热式热风炉由拱顶、 燃烧室和蓄热室等几 部分构成。蓄热式热 风炉呈周期性工作， 一个工作周期有燃烧 期、送风期和切炉期 三个过程。一般一座 高炉有三至四座热风炉。OO6768蓄热式热风炉结构6869692010-3-28/07:29:18热风围管及风口由热风炉送出的热风通过热风总管送到高炉，再经热风围管和送风支管，将热风均匀的分配到每个风 口，以便炉内焦炭和喷吹燃料进行燃烧。热风围管由钢结构本体、耐火内衬、吊挂装置和下 部电葫芦单轨梁

25、组成。 风口装置主要由风口大套、中套和风口小套组成。OOO70煤气净化系统2.3.2.31高炉；2重力除尘器；3 洗涤塔；4文氏管；5调压阀组；6脱水器7071重力除尘和文氏除尘文氏除尘重力除尘7172渣铁处理系统2.3.2.47273渣铁分离器73高炉方形出铁场半岛式布置1高炉；2活动主沟；3、4渣沟；5摆动流嘴；6泥炮；7开口机；8换钎机9铁口前悬臂吊；10天车；11水渣粗粒分离槽；12干渣坑；13泥炮操作14电磁流量计室；15泥炮液压站；16砂口转鼓脱水法工艺流程1水渣沟;2水渣槽及放散筒;3分配器;4脱水转鼓;5鼓内胶带运输机6鼓外胶带运输机;7水渣成品贮存槽;8集水斗;9冷却水池;1

26、0泵站11脱水转鼓的细筛网;12轴向刮板;13吹扫用压缩空气;14冲洗水76高炉操作2.4高炉特殊操作基本操作制度2.4.12.4.27677高炉特殊操作2.4.1开炉休风 停炉2.4.1.12.4.1.22.4.1.377782.4.1.1开炉建好的高炉第一次投入使用称开炉。开炉好坏对以后高炉作业和一代寿命有直接影响。开炉前的准备OO对设备进行试运转以确保完全正常可靠；对炉体、热风炉、热风管进行烘烤以排除水 分； 对炉料要求还原性好、杂质少，以便稳定炉渣成分，保证生铁质量。AAA由于开炉热量消耗大，开炉焦比比正常焦比高34倍O7879休风2.4.1.2高炉生产过程中因故障临时检修或计划检修需

27、要停止送风称休风。超过8小时称长期休风，8小时以下的称短期休 风。OO短期休风时应将高炉本体与管道系统完全切断，休风期间应向高炉炉顶及煤气管道内通入 蒸汽。长期休风时应在停炉前关闭炉顶蒸汽，点燃炉 顶煤气，停风堵严风口，然后再继续通蒸汽， 使煤气管道与大气相通，靠自然抽力驱净煤 气。AA7980停炉2.4.1.3高炉一代寿命终结需要大修时就要停炉，停炉要做到安全、出净残铁，以便拆卸抢修。停炉时一定从炉底预先做好的残铁口放尽残铁。 停炉方法：OOO焦炭填充法：停炉开始时装湿焦块，并经炉顶喷水，直到小焦块下降到风口平面时停止送 风，继续喷水至焦炭熄灭。空料线喂水法：停炉一开始停止装料，从炉顶 喷水，待料面达风口平面上12m停止送风， 继续喷水至焦炭熄灭。AA8081基本操作制度2.4.22.4.2.12.4.2.22.4.2.32.4.2.42.4.2.5热制度送风制度 造渣制度 装料制度 出渣出铁制度8182热制度2.4.2.1热制度就是根据冶炼条件所炼生铁品