【钢铁冶炼】-高炉冶炼工艺炉渣碱度

高炉冶炼工艺炉渣碱度高炉冶炼工艺炉渣碱度 高炉冶炼工艺炉渣碱度 是表征和决定炉渣物理化学性能的最重要的特性指数。碱度用均用 ,当AlO和MgO的含量高、波动大时，采用后两种表示方法。23渣中(CaO+MgO)＜(SiO+AlO)的渣叫酸性渣。这种渣粘度大 ,凝固慢,通称长渣。2 23(CaO+MgO)＞(SiO+AlO)的渣叫碱性渣。高碱渣凝固温度高，冷凝快，熔融时流动性好；但2 23温度偏低时，析出固相，就变得粘稠。这种渣也叫短渣。(CaO+MgO):(SiO+AlO≈1.02 23炉渣,凝固温度较低，流动性也较好。在高炉中，为了保证炉况顺行和某些反应的顺利进行，炉渣在炉缸温度范围内的粘度最好不大于525高炉冶炼工艺高炉冶炼工艺-正文━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━冶炼过程高炉中铁的还原高炉中其他元素的还原铁水中的碳高炉炉渣及渣铁反应炉料和煤气的运动高炉中的能量利用能量的来源和消耗高炉操作线图高炉炼铁车间的二次能源利用高炉冶炼的强化及节焦措施高炉强化高炉喷吹燃料高炉操作开炉；停炉大修；高炉休风；封炉；炉况顺行炉况失常和故障炉前操作━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━冶炼过程鼓风机送出的冷空气在热风炉加热到800～1350℃以后，经风口连续而稳定地进入炉缸，热风使风口前的焦炭燃烧，产生2000℃以上的炽热还原性煤气。上升的高温煤气流加热铁矿石和熔剂，使成为液态；并使铁矿石完成一系列物理化学变化，煤气流则逐渐冷却。下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。下降炉料中的毛细水分当受热到100～200℃即蒸发，褐铁矿和某些脉石中的结晶水要到500～800℃才分解蒸发。主要的熔剂石灰石和白云石，以及其他碳酸盐和硫酸盐，也在炉中受热分解。石灰石中CaCO和白云石中MgCO的分解温度分别为900～1000℃和740～3 3900℃。铁矿石在高炉中于400℃或稍低温度下开始还原。部分氧化铁是在下部高温区先熔于炉渣，然后再从渣中还原出铁。焦炭在高炉中不熔化,只是到风口前才燃烧气化,少部分焦炭在还原氧化物时气化成CO1000～11001350～1400℃时完全熔化；超过1400℃就滴落。焦炭和矿石在下降过程中，一直保持交替分层的结构。由于高炉中的逆流热交换,形成了温度分布不同的几个区域。在图1中，①区是矿石与焦炭分层的干区，称③区是液态渣、铁的滴落带，带内只有焦炭仍是固体；④风口前有一个袋形的焦炭回旋区，在这里，焦炭强烈地回旋和燃烧，是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。高炉冶炼工艺1400～155030～70℃。高炉中铁的还原 高炉中主要被还原的是铁的氧化:FeO(赤铁),FeO（磁铁矿）23 34和Fe 浮氏体从0.04到0.125）等。每得到1000公斤金属铁，通过还原被除去的氧1-量为：赤铁矿429公斤,磁铁矿382公斤,浮氏体（按FeO计算）286公斤。主要还原剂 焦炭中的碳和鼓风中的氧燃烧生成的CO气体以及鼓风和燃料在炉内反应生成的H是高炉中的主要还原剂。约从400℃开,氧化铁逐步从高价铁还原成低价铁，2一直到金属铁。间接还原 氧化铁由CO还原生成CO或由H还原生成HO的过程。还原顺序:FeO2 2 2 23─→FeO570OFeO。34 23 34从图2可看到各级氧化铁与气相的平衡关系。高炉冶炼工艺氧化铁还原的主要还原反应为：3FeO+CO─→2FeO+CO +887023 34 2FeO+CO─→3FeO+CO -499034 2FeO+CO─→Fe+CO +32502以及3FeO+H2FeO+HO-100023 2 34 2FeO+H3FeO+HO-1486034 2 2FeO+HFe+HO-66202 2H2和CO同时作为还原剂存在时，受水煤气反应的制约：H2+CO2─→H2O+CO-9870千卡注：式内反应热从工程习惯按公斤分子计。直接还原 在高温区（约850℃开始）因有大量焦炭存,生成的CO和HO立即与焦2 2COH2CO+C─→2CO-39600千卡2HO+C─→H+CO-297302 2所以从全过程看，可认为是由碳素直接还原氧化铁生成CO和铁：FeO+C─→Fe+CO-36350千卡影响还原速度的因素气体还原铁矿石的速度受到许多因素的影响：矿石的性质（例速2的扩散速度比COH2的还原速度也高于COC2H2O,COH2COH2的还原速度。从铁矿石的还原条件来看应在矿石不软化的条件尽量保持高一些的还原温度以加快还原速度对矿石则要求气孔度大使还原过程不受扩散的限制致密的铁矿石应适当减小粒度这样不仅能使内扩散距离缩短而且会使气－固相接触总面积增大有利于还原过（冶金过程动力。高炉中其他元素的还原 进入高炉的矿石的脉石和焦炭灰分还含有其他一些氧化物(SiO2、Al2O3、CaO、MgO等)、硫化物(FeS2)和磷酸盐【Ca3(PO4)2】。一些共生铁矿还含有锰、钛、铬、钒、铜、钴、镍、铌、砷、钾、钠等的含氧化合物和少量硫化物。各种氧化物因化硅的还原 硅比铁难还原，要到高温区才能被碳还原出来，熔于铁水：(SiO)+2【C】→【Si】+2CO-151696千卡2大部分生铁中的硅是焦炭灰分或渣中的SiO，通过风口附近高温区（1700℃以上）时，2先被还原生成气态SiO，SiO在上升过程中再被还原成硅并熔于铁水。冶炼高硅生铁时，有一部分SiO随煤气逸出炉外。含硅愈高，挥发愈多；SiO冷却后又被氧化成极细的SiO粉2末,除增加能耗外，还会恶化炉料透气性和堵塞煤气管道。为了炼得含硅较高的生铁或合金,宜配用碱度较低的炉渣,以利于酸性SiO的还原。由于反应热耗大，必须维持较高的炉温，2生铁含硅愈多，燃料消耗（焦比）和成本也愈大。锰的还原 锰矿中的化合物MnO、MnOMnO、MnCO等都很容易被CO还原成MnO，2 34 23 3但MnO只能从炉渣中被碳直接还原并熔于铁水：(MnO)+【C】→【Mn】+CO-68640千卡MnO是弱碱性，冶炼含锰高的铁，宜采用碱性较高的炉渣，以提高渣中MnO其他元素的还原 以3CaO·PO或3FeO·PO形态进入高炉的磷，以及以氧化物或硫25 25化物形态存在的铜、镍、钴、砷、铅等全部被还原。钒、铌、铬等的氧化物一般可被还原75～80％。二氧化钛在高炉内只有少量被还原。钾、钠、锌等金属的沸点低，其化合物在高炉下部高温区被还原成金属后立即挥发，一的限制,必要时,可以定期降低炉渣碱度,使KO和NaO更多地进入炉渣，排出炉外,减轻危害。2 2KO、NaOCaF2 2 2钒、铜、镍、钴、铌等是宝贵的合金元素，它们在铁矿石中如达到一定含量，应考虑回铁水中的碳 因为在高炉内还会出现还原和渗碳到FeC的反应：33Fe+2CO→FeC+CO3 2FeO(MnO,SiO)+C→Fe(Mn,Si)+CO23Fe+C→FeC34％左右。铁水溶解某些碳化物达到饱和后，剩余的碳化物便留在炉渣中，例如炼高硅生铁时的SiC,在炉料含TiO2

较多时形成的TiC等。碳化物熔化温高炉炉渣及渣铁反应 一般高炉炉渣主要由SiOAlOCaOMgO组另含少量FeO、2 23MnOCaSCaFTiOBaORO(R2 2 xy铁矿炼铁时，炉渣流动性差,冶炼困难，中国在实践中发展一项新工艺可在含TiO为25～230％的炉渣下进行冶炼。1350～1550℃下，炉渣能很好地熔化，（SiO的还原2300炉渣碱度 是表征和决定炉渣物理化学性能的最重要的特性指数。碱度用等碱性氧化物与酸性氧化物的重量百分比的比值来表示。为简便起见通常均用 ,当AlO和MgO的含量高、波动大时，采用后两种表示方法。23(CaO+MgO)＜(SiO+AlO2 23(CaO+MgO)＞(SiO+AlO)的渣叫碱性渣。高碱渣凝固温度高，冷凝快，熔融时流动性好；但2 23(CaO+MgO):(SiO+AlO≈1.02 23525渣铁反应 在高炉下部渣铁间进行一系列反应部分亲氧力较铁强的金属如锰钒、铌硅等的氧化物和在上部来不及还原的FeO将从炉渣中还原出来这些反应决定了铁水的成分和有关元素的回收率。各种氧化物从渣中还原的反应式为：(MeOC【MexyCO分压基本固定，因而上述各元素的还原情况主要决定脱硫 是渣铁间最重要的反应，将决定生铁的质量CaO的脱硫反应式为：【FeS】+(CaO)+【C】─→(CaS)+【Fe】+CO-35620千卡如上所述，由于铁液中碳饱和，炉缸中CO分压基本固定，所以脱硫反应的程度主要决定于渣中CaO、CaS的活度和铁液中硫的活度以及反应的温度和动力学条件。从热力学角度看，CaO比MgO、MnO有更高的脱硫能力。渣中CaO的活度在碱度（CaO/SiO比值）高过1.0左2MgOMnO本身也能在一定范围中与硫起0.9～1.3。过高的碱度会使炉渣的熔化温度过高，炉渣流动性变坏，反而不利于脱硫。当渣铁间脱硫反应达到平衡时,硫分配系数L=(S)/【S】，决定于反应平衡常数的大小，s式中(S)为炉渣中硫的含量,【S】为铁水中硫的含量。在高炉中由于受出铁出渣时间和反应动力学条件的限制，Ls

达不到平衡值。一般高炉渣平衡时的Ls

可达200以上,而实际生产中的仅为30～80。因此，提高炉缸温度、降低炉渣粘度等改善脱硫的动力学条件的措施，都有利于炉内脱硫。优质钢的含硫量一般为0.01％左右，特殊的要求＜0.003％。高炉铁水的含硫量常在0.02～0.05％,这不能满足炼钢要求。如果进一步提高高炉脱硫能力，又不经济。因此现在多采用铁水炉外脱硫。炉料和煤气的运动 高炉内炉料不断均匀下降和煤气流稳定上升并尽可能与铁矿石多接触是正常冶炼的基本前题。(Ergun式中p/米2h，ε为炉料空隙度（无因次,dp

为炉料1)g/秒μg

为气体粘度系数(公斤力·秒／米2γg

为煤气重度（公斤力／米）vg

为空炉时煤气流速（米／秒）。由上式看出：①炉料空隙度(ε)影响透气性最大。筛净炉料粉末,炉料粒度均匀,对高炉顺行和强化vv，这是强化高炉冶炼和促进顺g g行的有效手段。为了充分利用煤气流的热焓和化学势以获得最佳生产指标1VV铁。如形成图1中的倒VV形软熔带虽然有利于高炉强化，但会减少间接还原所V形软熔带的高高炉中的能量利用能量的来源和消耗 节约能耗（降低焦比）和提高高炉利用系数（增加产量）是高炉冶炼中两项最重要的措施。现代高炉每炼一吨炼钢生铁的总能耗约为4.2～4.8×106千卡（未扣除高炉剩余煤气可以回收的热值（焦炭和其他燃料和鼓风带入的物理热来提供。高炉能量的来源与消耗如表：高炉冶炼工艺900℃的区域进行热平衡计算为宜。高炉操作线图 是研究高炉冶炼过程，包括物料平衡和热平衡的一个较好的方法（图3）。高炉冶炼工艺1967(A.Rist)提出的。决定高炉操作的主要反应全部涉COO/Fe标,O/CFe-O-CC/Fe（正操作线图以1O/CO/FeO/C1CCOO/C1但小于2，代表CO变为CO2

的间接还原区的变化。纵坐标1.5代表赤铁矿，1.33代表磁铁矿,1.0代表浮氏体，1.37为示例矿石的O/Fe；Yi

Yd

代表直接还原失YYY+Y+Y+Y

为冶炼出1摩尔n b i d b nY+Y+YCABEd n b生铁中熔解的碳量即可求出焦比。固体碳一部分氧化成CO，一部分氧化成CO。炉顶煤气成2ACOABE2炉操作线。操作线把冶炼1摩尔生铁所需风量（与Yb

长度成正比）Yn

大小确定)、FeO的直接还原率（B点纵坐标）、矿石中铁的氧化程度(A点纵坐标)、炉顶煤气成分〔ACO/(CO+CO）联系一起，并定量地显示出来。2 2WFeOFeCO/COFeOCO2 2于此值,所以A°WE°代表在该种原料和风温条件下的最低焦比状态，由此线的斜率可以算出理论最低焦比。CO/(CO+COTS/TW1.0。2 2其他条件相同，煤气利用改善后，A点右移,B点下降，Yb

变小。②减少渣量可以减少炉渣带走的热量，采用大容积高炉以减少每吨生铁所负担的高炉的热损失。图中Yb

可以小一些,E点上移。③改善含铁原料的还原性，使直接还原率减少,B点下移。④降低炼钢生铁的含硅YY。⑤高炉不加石灰石，减少热耗以减小Y。n b b高炉炼铁车间的二次能源利用 首先是高炉煤气，每吨生铁的煤气热值(1.5～1.8)×106高炉冶炼的强化及节焦措施高炉强化 即提高高炉利用系数，增加产量，尽力降低燃料比。具体措施有：使用精料使用精料是高炉高产、优质、低耗的基础。提高入炉的矿石品位，将有效1％，1.5～2.02.5～3.0％。使用熟料 使用熔剂烧矿球矿，可大幅度提高矿石还原性能和软化温度，减少低温还原粉化率和熔剂用量，从而提高高炉中CO的利用率，节约能耗。此外还有利于改1％2～3改善烧结矿强度及高温冶金性能 筛除粒度小于5毫米的矿粉，控制入炉矿石粒度和按粒度分级入炉可以有力地改善炉料透气性和煤气分布均匀性有利于强化冶炼稳定原料成分可稳定高炉冶炼，改善生铁质量。改善烧结矿（球团矿）的还原性，提高软化温度，改进熔滴性能，对节约能耗、提高产量都很有效。提高焦炭质量降低焦炭灰分，每降低1％,可降低焦比1.5～2.0％，提高产量2.5～3.0％。降低焦炭含硫量有利于降低炉渣碱度，减少熔剂用量，降低焦比，提高生铁质量。提高焦炭强度和减少入炉焦粉量，可改善料柱透气性，对大型高炉更为重要。改进高炉送风适当较大的风量，即冶炼强度较高，可以增产。特别当冶炼强度过低0.9～1.1吨／（米富氧鼓风 即提高鼓风中含氧量，能提高冶炼强度和炉缸燃烧温度，增加煤气中CO的浓度减少每吨铁的煤气量并降低炉顶煤气温度有利于提高产量和降低焦比特别在高炉大量喷吹燃料时，为使喷吹燃料更好燃烧，提高置换(每单位喷入燃料可置换焦炭量的比值)，更需用富氧鼓风。其缺点是减少单位生铁的鼓风量的同时，也减少了鼓风带入的热量，所以富氧超过一定程度时，会引起焦比升高。此外，目前制氧成本较高，必须全面考虑各项因素来确定鼓风中适宜的含氧量。控制风中水分采用蒸汽鼓风，以适当增加并稳定风中水分，有利于高炉顺行，但不高压操作 借助安装在煤气管道中的高压阀组提高炉内煤气的压力缩小煤气体积，降低煤气流速减少煤气对料柱的阻能促进高炉顺有利于进一步提高冶炼强度同时还能增加煤气在高炉中的停留时间和减少炉尘损失70年代大多采用0.7～3大气压操作，通常炉顶压力每升高0.1公斤力／厘米2，约可增产2～3％，降低焦比0.5％左右。高炉喷吹燃料从风口直接把辅助燃料吹入炉缸（（天然气、焦炉煤气以及炉身喷吹用还原性气体等）三类。中国主要喷吹煤粉。高炉喷吹燃料产生以下后果：119664536660～120公斤。焦比降低的主要原因是燃料中的碳代替了风口前燃烧焦炭的碳量；燃料中含H（H10～12％），促进高炉内的还原。2 2②要求热补偿喷入高炉的燃料在风口前是冷的。在燃烧前汽化分解时要消耗部分热量（冷化作用30％以上。④较高压差操作由于喷吹燃料产生的煤气量比被替代的焦炭产生的多高炉操作开炉 新建成或停炉新修好的高炉，从点火转入正常生产的过程叫开炉。开炉前炉衬要烘干，一切机电设备要认真检查或试车。配料采用比正常生产高一些的焦比；送风后，按炉温情况逐步过渡到正常焦比开炉时要注意安全操作尤其注意不要因煤气操作失（或漏气），引起中毒或爆炸。停炉大修高炉生产若干年后，炉衬和炉型严重损坏，继续生产不经济或不安全，需（高炉休风高炉由于更换风口、渣口或进行其他小型修理而暂时停风叫休风。休风几封炉 由于生产任务变化,需停止生产一个时期,炉内换成矿石较少以焦炭为主的炉料，进行停风停产，叫做封炉。停风后，卸下所有风口，渣口用耐火泥和砖密封，尽量防止冷却过程中高炉吸入空气。炉况顺行 高炉操作的首要任务是保持”炉况顺行”。主要是操作时，控制装料、送风、造渣、热量四大制度的稳定，使炉料下降均匀，炉温正常，造渣情况好，获得较高的生铁合格率。炉况失常和故障 难行、悬料和崩料 炉料下降不顺畅，叫“难行”。难行发展到完全不动“悬料主要是由于原料强度太差粉末太多或基本操作制度选择不当所致。高炉内结瘤时容易悬料。炉料突然崩落，叫“崩料”。高炉出现难行和悬料，一般可减少风炉凉、炉缸冻结和炉热 由于配料计算或装料称量错误，使炉内热收入低于支出，炉况失常，或者冷却设备漏,增加额外热消耗，使渣铁温度下,叫“炉凉”。炉凉发展到严重程度，渣、铁凝结在炉缸内，叫“炉缸冻结”，属于高炉操作严重事故。而由于配料错误等原因，超过炉内热量需要，叫“炉热”。以上都要采取措施及时调整和处理。结瘤由于炉料强度不好，粉末太多，操作中煤气流不稳定，炉温剧烈波动，致使熔炉前操作铁6～1220003的大高炉有2～530～60出铁前的准备工作：①准备铁、渣罐（炉前冲水渣可不用渣罐）；②烘干铁口；③清理1～1.54000米3),由于渣量少，不设渣口；炉渣随铁水从铁口放出。在一个