冶金概论3-高炉冶炼用原料(二).ppt

1、2.1 高炉炼铁用原料,第二章 高炉炼铁,几种常见的铁矿石： 磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿。 铁矿石评价指标： 品位、脉石成分及数量、杂质元素含量、还原性、高温性能、强度和粒度、成分的稳定性。,二 铁矿石冶炼前的加工处理 1 烧结法及工艺过程 烧结过程料层变化；,1)烧结矿层：即成矿层，主要变化是液相凝固，析出新矿物，预热空气。表层受冷空气剧冷作用，温度低，矿物来不及析晶，故表层强度较差。 2)燃烧层：位于烧结矿层下面，燃料燃烧温度可达1100 1500。混合料软、熔融及形成液相，此层厚度为1550mm，它对烧结过程和烧结矿质量影响较大。料层过厚，透气性差，导致产量降低；料层过薄，烧结温度低

2、，液相不足，烧结矿固结不好，强度低。,3)预热干燥层：混合料被燃烧层下来的热废气干燥和预热。由于热交换进行迅速剧烈，故废气温度很快从1500降至60 70。此层主要反应是水分蒸发、结晶水及碳酸盐分解、矿石的氧化还原以及固相反应等。该层厚度为20 40mm。 4）过湿层（冷料层）：因上层废气中带入较多的水汽，进入冷料层温度降至露点以下时，水汽将会大量冷凝于料层中，形成过湿层，从而破坏混合料中已造好的小球，影响料层透气性。生产中采用预热混合料等办法来解决。,(2)烧结过程的主要反应,1)燃料燃烧反应：烧结所用的燃料主要是焦粉或无烟煤粉，它们含有大量的固定碳，在700时即可着火。烧结料中燃料同空气中

3、氧气进行氧化燃烧时放出大量热及CO2气体，是烧结过程一切物理化学反应的基础。 混合料层碳燃烧具有以下特点：,A 生产一吨烧结矿所需的1.3105 1.7105 kJ 热量中，有80% 90是燃烧燃料提供的。但燃料仅占混合料总量的3% 5，按体积计不到10，在料层中分布稀疏，为保证迅速完全燃烧，就需要有较大的空气过剩系数（1.41.5），其主要反应为： C+O2=CO2 B 在局部燃料较集中的地方或燃料颗粒较大时，会发生不完全燃烧，其反应为： 2C+O2=2CO,C 在高温条件下，还有可能产生CO2+C=2CO的反应。但由于燃烧层很薄，废气温度降低很快，故产生CO的反应受到一定限制。 总的来说，

4、烧结废气中除N2外，以CO2为主，有少量的CO及自由氧。可以认为烧结过程是弱氧化性气氛，但在碳粒周围的局部区域属还原性气氛。,2）分解反应：烧结混合料中经常含有一些结晶水，在烧结加热至一定温度时进行分解。如褐铁矿中结晶水在250300时分解，脉石中高岭土(A12O32SiO22H2O)结晶水分解温度为500以上。结晶水分解吸热，因此在使用含结晶水的物料烧结时，应适当增加燃料用量。,当生产熔剂性烧结矿时，烧结料中常配入一定量的熔剂（白云石和石灰石），这些碳酸盐在烧结过程中达到一定温度时会发生分解反应，其反应式如下： CaCO3=CaO+CO2(750以上） MgCO3MgO+CO2（720） 由

5、于烧结过程很短，为使碳酸盐完全分解，要求配入的熔剂粒度小于3mm。,3)还原与再氧化反应： 在烧结过程中，靠近燃料颗粒处存在着还原性气体CO以及赤热的燃料粒，因此混合料中的铁、锰等氧化物将被还原： 3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2 Fe3O4+COFeO+CO2 在远离燃料的混合料中，特别是在烧结矿层的冷却过程中，有Fe3O4和FeO的再氧化现象，如： 2Fe3O41/2O23Fe2O3 3FeO1/2O2Fe3O4,4)去硫反应： 烧结过程是一个有效的脱硫过程，一般脱硫效率可达90以上。烧结料中硫以有机硫、硫化物和硫酸盐形态存在。有机硫在烧结过程中挥发或燃烧成SO2逸出，大部分硫化物通

6、过氧化被脱除： 2FeS211/2O2=Fe2O34SO2 2FeS7/2O2Fe2O32SO2 生成的SO2排入大气，对环境污染严重。另外，在烧结过程中还能去除其它有害元素，如As、Pb、Zn、K、Na等。这些均为有毒气体，所以对烧结废气应作净化处理。,（3）烧结矿形成 烧结矿的成矿机理，包括烧结过程的固相反应、液相形成及结晶过程。 在烧结料中主要矿物都是高熔点的，在烧结温度下大多不能熔化。当物料加热到一定温度时，各组分之间进行固相反应，生成熔点较低的新化合物，使它们在较低温度下生成液相，并将周围物料浸润和熔融。,然而，在烧结过程中并非全部混合料都熔化为液相，特别是粒度较大的往往来不及熔化，

7、而被它周围的液相粘结起来。当燃烧层移动后，被熔物温度下降，液相放出能量并结晶，液相冷凝固结形成多孔烧结矿。,烧结过程产生的基本液相：硅酸盐和铁酸盐体系的矿物，如FeO-SiO2（硅酸铁）、CaO-SiO2（硅酸钙）、CaO-Fe2O3（铁酸钙）、CaO-FeO-SiO2（铁钙橄榄石）等。是烧结矿成型的主要胶结物。,2 烧结矿分类及质量评价 （1）烧结矿分类 按碱度(R=CaO/SiO2)不同分为三类： A 酸性烧结矿（普通烧结矿）：R1； B 自熔性烧结矿：R=1.0 1.5，目前我国使用较多； C 熔剂性烧结矿（高碱度烧结矿）：R=2.0 4.0，常与酸性炉料配合使用，以保证高炉炉渣对碱度的

8、要求。,对其质量评价指标主要有品位、强度、化学成分、还原性、碱度、粒度、有害杂质含量及高温冶金性能等。 烧结矿质量对高炉冶炼有重大影响，改善其质量是“精料”的主要措施。,3 球团法及其过程 所谓球团生产就是将极细的精矿粉与添加剂混合后，在旋转着的造球机（圆盘式和圆筒式两种）上加水制成8 15mm的圆球。这种圆球经过干燥、焙烧成为强度很高的球团矿。 (1)球团矿生产工艺 (P17 18，图2-6) (2)生球形成(P18，图2-7) (3)球团焙烧固结 (4)球团焙烧设备,4 球团矿与烧结矿的比较,球团矿生产适合于使用细磨精矿粉。 烧结矿主要依靠液相固结，而球团矿主要依据铁矿物的再结晶和结晶长大

9、固结。 因而精矿品位越高、粒度越细、越有利于球团生产。 细精矿粉如用于烧结，料层透气性明显变差将影响烧结生产率。,球团矿由于粒度较均匀，含铁高，还原性好，其冶金性能和冶炼效果比烧结矿好。 由于球团生产率较烧结低，且耐热链箅条昂贵，所以单位产品基建投资费用比烧结高。 球团矿的热还原强度比烧结矿差。,5 其它含铁原料,含铁的“废弃”物料，加以利用，不仅可以扩大铁矿资源，增加生铁产量，降低生铁成本，而且有助于环境保护，变废为宝，充分利用自然资源。 高炉炉尘、转炉炉尘、钢渣、轧钢皮、硫酸渣以及一些有色金属选矿后的高铁尾矿与冶炼后的高炉渣、电厂粉煤燃烧后的烟尘灰等。,（1）高炉炉尘 是从高炉煤气系统中回

10、收的副产品，由矿石和焦炭的粉末组成，其中含铁40%左右，含碳10%20%和较多的CaO。其粒度较细，亲水性差。常用于烧结配料。 （2）氧气转炉炉尘 是从氧气转炉的炉气中经除尘器回收的含铁粉料，含铁量较高，高达50%60%以上，主要成分有Fe3O4，还有16%30%的金属铁。粒度极细，可作为烧结或球团的辅助原料。,（3）轧钢皮 是轧钢生产过程中，从炽热的钢锭或钢材表面剥落下来的氧化铁皮，含铁量很高，可达60%70%以上，主要以Fe3O4存在，也有少量金属铁。可作为烧结配料。 （4）其它铁屑料 包括铸铁机和机械加工中的车削、锻造时产生的铁屑与钢屑，主要含水量有铁和少量的碳，可用于烧结配料。,（5）

11、硫酸渣 即黄铁矿烧渣，它是化工厂焙烧黄铁矿留下的残渣，含铁50%左右，主要以Fe3O4形态存在。 含硫高，并含有铜Cu、Pb、Zn、Co等有色金属和Au、Ag等贵金属。硫酸渣粒度较细。 含铁较低的硫酸渣多用于水泥配料，含铁较高的硫酸渣主要作烧结或球团配料，用于高炉冶炼。,（6）钢渣 是转炉所产生的炉渣，水淬处理后的粒化物。 钢渣中含有一定量的铁和较多的碱性氧化物CaO、MgO，还含有较高的磷。 用于烧结配料时，既可以回收铁，又可以取代部分石灰石和白云石。因钢渣中含有磷，烧结配料时钢渣的配比不能过高，以免影响生铁质量。,三 燃料,燃料是高炉冶炼不可缺少的基本原料之一，几乎所有高炉都使用焦炭作燃料

12、。在高炉炼铁中，焦炭起三种作用： (1)提供冶炼所需的热量； (2)还原矿石所需的还原剂； (3)在高温区，焦炭是唯一的固体物，是支撑料柱的骨架和使气流畅通的透气通路。,强度好的块状焦炭是高炉冶炼不可缺少的燃料。但因炼焦煤资源的匮乏，而且炼焦生产还给环境造成严重的污染。 因此，向高炉喷吹补充燃料，特别是喷吹煤粉来替代部分焦炭，就是20世纪高炉炼铁技术进步最成功的一项。,所谓喷吹煤粉，就是将不能炼焦的煤磨成细粉，与鼓风一起通过风口喷入炉缸的燃烧带，如同焦炭一样，煤粉在燃烧带内与鼓风中的氧反应形成煤气并放出热量， 所以喷吹煤粉可以代替焦炭的还原剂和热源两个作用，但是不能代替焦炭的料柱骨架作用。 目

13、前世界各国的喷煤数量占单位生铁总燃料消耗的30% 50%。,高炉冶炼对焦炭质量的要求 衡量焦炭质量一般从其化学和物理性质两方面来分析，即固定碳（C固）、灰分（A）、挥发分（V）、水分（W）、硫(S)含量。焦炭的物理性质最主要的是机械强度、粒度和气孔率等。 焦炭质量的好坏直接影响着高炉产量、质量及能耗（焦比）。,（1）固定碳和灰分 焦炭中固定碳含量与灰分互为消长，灰分高则意味着含C量低。 焦炭灰分增加1，焦比升高2，产量下降3。因此要求焦炭灰分尽量低。 我国焦炭灰分一般在11% 15。焦炭中灰分来自原煤，因此炼焦前应洗煤，并进行合理配煤来降低灰分。,（2）硫 焦炭带入的硫量占入炉料总硫量的80。

14、因此，降低焦炭含硫量，对提高生铁质量极为重要。为保证生铁含硫低于国家标准(0.05%0.02)，必须提高炉温和炉渣碱度，这就增加了燃料的消耗。 实践证明，焦炭中含硫量提高0.1，焦比升高1.2% 2%。洗煤和合理配煤也是降低焦炭含硫的基本途径。,（3）挥发分 炼焦过程中未分解挥发完的有机物，是鉴别焦炭成熟程度的主要标志，一般含量为0.8% 1.2。 含量过高表明成熟程度差，强度不够，在冶炼过程中易碎裂产生粉末，影响料柱透气性。 而含量过低，表明结焦过大，会形成裂纹多而脆，故要求挥发分适当。,（4）成分稳定 焦炭成分与性能波动会导致高炉冶炼过程不稳定，特别是水分的波动会引起入炉焦炭重量波动，从而

15、影响炉温，导致热制度波动。 采用干法熄焦，使焦炭不含水分，根本上消除了水分波动的影响，同时还会改善焦炭强度。,（5）强度与粒度 焦炭在入炉前要经过多次转运，在炉内下降过程中受高温和炉料间的重力及摩擦力作用，如果强度不好，会破裂产生粉末，导致炉渣变得粘稠，料柱透气性恶化。 测定焦炭强度常用转鼓试验。,M40称为焦炭的抗冲击强度（破碎强度） M10为焦炭的抗摩擦强度（磨损强度） 我国规定焦炭强度转鼓指标为：一级品M40为75%以上，M108.0；二级品：M40为64 68，M1011.5。 焦炭的粒度要求适中而均匀：大型高炉为40 60mm，中型高炉为25 40mm,小型高炉为15 25mm。,现

16、代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序，生产工艺流程见图。,炼焦工艺：现代焦炭生产过程分为洗煤、配煤、炼焦、熄焦及煤气和化工产品回收处理等工序，生产工艺流程见图2-10。,(1)洗煤 原煤在炼焦前洗选，目的是降低煤中灰分和洗除其它杂质。 (2)配煤 可用于炼焦的煤主要有气煤、肥煤、焦煤和瘦煤等。配煤是将上述各种结焦性不同的煤经洗选后，按一定比例配合炼焦。目的是在保证焦炭质量的前提下，节约日趋减少的主焦煤，扩大炼焦用煤源，同时尽可能多的获得一些化工产品。,（3）炼焦 将配好的煤料，装入炼焦炉的炭化室，在隔绝空气的条件下，由两侧燃烧室供热，随温度升高经干燥、预热、热

17、分解、软化、半焦、结焦成具有一定强度的焦炭。煤结焦过程变化如下： A、干燥和预热 50 200，煤中水分蒸发和放出CH4和CO2等气体；,B、热分解 200 300，放出气体挥发物； C、软化 300 500，产生胶质体； D、半焦 500 800，析出大量液体焦油及气体挥发物，形成多孔状半焦； E、成焦 900 1000，产生较大的体积收缩，并开始炭化最后形成焦炭。经过一个结焦周期（14 18 h），由推焦机把焦炭从炭化室推出。,（4）熄焦 炽热的焦炭由熄焦车送去喷水熄焦、凉焦， 或用CO2、惰性气体等逆流穿过红焦层进行热交换，焦炭冷却到200以下，惰性气体则升温至800左右，送到余热锅炉生

18、产蒸汽，这就是干熄焦法。 这种方法对环境污染小，焦炭质量高，同时可回收大量显热。我国上海宝山钢铁总厂采用干熄焦法。,（5）煤气和化工产品回收 炼焦过程不仅产出焦炭，同时还逸出高热值的煤气及其它可提取化工产品的原料,每1000kg干精煤约可获得冶金焦750kg，煤焦油（15 34）kg，氨（1.5 2.6）kg，粗苯（4.5 10）kg，焦炉煤气（290 350）m3。,四 熔剂 矿石中的脉石与焦炭中的灰分，其主要成分是酸性氧化物，它们的熔点均较高（SiO2 1713,Al2O3 2050），在高炉冶炼条件下很难熔化， 为使其形成低熔点物质，需加入一定数量助熔剂（简称熔剂），以形成许多低熔点的化合物和共熔体，即所谓的炉渣，并能达到完全熔化，且具有良好的流动性，使渣铁容易分离。,熔剂按其性质可分为碱性和酸性两种。 高炉最常用的是碱性熔剂，即石灰石和白云石等。当脉石中碱性氧化物含量较高时，则用酸性熔剂，常用的有硅石等。 为充分利用钢铁工业