第3章-高炉冶炼原理

1、第 三 章 高炉冶炼原理,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论 第二节 高炉炉渣 第三节 炉料与煤气运动 第四节 高炉工艺计算,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉原料中的游离水对高炉冶炼有何影响？ 游离水存在于矿石和焦炭的表面和空隙里。炉料进入高炉之后，由于上升煤气流的加热作用，游离水首先开始蒸发。游离水蒸发的理论温度是100，但是要料块内部也达到100，从而使炉料中的游离水全部蒸发掉，就需要更高的温度。根据料块大小的不同，需要到120。或者对大块来说，甚至要达到200游离水才能全部蒸发掉。 一般用天然矿或冷烧结矿的高炉，其炉顶温度为150300，因此，炉料中的游离水进入高炉之后，不久就蒸发完

2、毕，不增加炉内燃料消耗。相反，游离水的蒸发降低了炉顶温度，有利于炉顶设备的维护，延长其寿命。另一方面，炉顶温度降低使煤气体积缩小，降低煤气流速，从而减少炉尘吹出量。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉原料中的结晶水对高炉冶炼有何影响？ 炉料中的结晶水主要存在于水化物矿石（如褐铁旷2Fe2O33H2O）和高岭土（Al2O32SiO22H2O）中间。高岭土是粘土的主要成分，有些矿石中含有高岭土。试验表明，褐铁矿中的结晶水从200开始分解，到400500才能分解完毕。高岭土中的结晶水从400开始分解，但分解速度很慢，到500600迅速分解，全部除去结晶水要达到8001000。 高温下分解出来的结

3、晶水与高炉内的碳发生下列反应： 5001000： 2H2O+C=CO2 +H2 -83134kJ 1000以上 H2OC=COH2 -124450kJ 可见，高温区分解结晶水，对高炉冶炼是不利的，它不仅消耗焦炭，而且吸收高温区热量，增加热消耗，降低炉缸温度。 到达高温区分解参加上述反应的结晶水，一般达3050。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内碳酸盐分解的规律 ？ 炉料中的碳酸盐主要来自熔剂（石灰石或白云石），有时矿石也带入一少部分。炉料中的碳酸盐主要有CaCO3、MgCO3、MnCO3、FeCO3等，这些碳酸盐在下降过程中逐渐被加热发生分解反应。碳酸盐分解反应的一般化学式为： MeC

4、O3 MeOCO2 -Q 式中，Me表示Ca、Mg、Mn、Fe等元素。 CaCO3开始分解的温度为T=530。因此。低于530时，CaO就要与空气中的CO2作用生成CaCO3。这就是自然界中找不到天然的游离状态的CaO，而遇到的总是碳酸钙的原因。 各种碳酸盐开始分解的温度（亦即总压为105Pa时开始“化学沸腾”的温度）为： BaCO3 CaCO3 MgCO3 MnCO3 FeCO3 1360 900920 640660 525 380400,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内碳酸盐的分解对高炉冶炼有重要影响 首先，碳酸盐的分解反应是吸热反应，要消耗一部分

5、热量，增加高炉热支出。CaCO3的分解热为4045kJ/kgCO2，MgCO3的分解热为2487kJ/kgCO2。 其次，一部分石灰石在高温区分解（大约50）产生的CO2与焦炭作用，一方面消耗热量： CO2+C=2CO-165805kJ 同时由于消耗了焦炭，减少了风口前燃烧的碳量。 此外，分解产生的CO2 冲淡了煤气，降低了煤气的还原能力。 由于碳酸盐分解造成上述三项高炉热能和化学能的损失，从而引起焦比升高，因此，生产中要求尽量少加或不加石灰石，同肘，加进去的石灰石希望尽量在高炉上部分解完毕，以免增加炉缸热消耗。 生产实践和理论计算表明，每吨铁少加100kg石灰石，可以降低焦比30kg（只考虑

6、分解热和CO2的影响）。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,为了消除碳酸盐分解的不良影响，采取如下措施： 1）采用自熔性或熔剂性烧结矿，不加或少加石灰石。熟料率低的高炉可配用高碱度或超高碱度烧结矿。 2）缩小石灰石粒度，改善石灰石分解条件，这对使用生矿物高炉尤为重要。 3）用生石灰代替石灰石。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,什么叫还原剂？ 就高炉冶炼过程来说，还原剂就是从铁氧化物中夺取氧，使铁氧化物中的铁变为金属铁或铁的低价氧化物的物质。由于矿石中的铁都是以氧化物的形态存在，因此，必须夺取与铁结合的氧，使铁游离出来才能得到金属铁。所以，高炉冶炼过程中必须使用还原剂。高炉冶炼过程中的还原剂有

7、C、CO和H2 。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,铁的间接还原？ 用CO还原铁氧化物的反应叫作间接还原。因为高炉中的CO是由C被炉料和鼓风中的氧燃烧氧化而来的，所以间接还原反应是间接消耗C的反应。 3Fe2O3CO=2Fe3O4CO237130kJ （1） Fe3O4CO3FeOCO2-20888kJ （2） FeOCO=FeCO213605kJ （3） 低于570时： Fe3O44CO=3Fe4CO217163kJ （4） 2MnO2CO=Mn2O3CO2226797kJ （5） 3Mn2O3CO=2Mn3O4CO2170203kJ （6） Mn3O4CO=3MnOCO251906kJ

8、（7）,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,铁的直接还原？ 用C还原铁氧化物的反应叫作直接还原。因为这种反应直接消耗C，所以叫作直接还原。 用C还原： FeO+C=Fe+CO-152161kJ （8） MnOC=MnCO2-287327kJ （9） MnSiO3CaOCMnCaSiO3CO -228304kJ （10） SiO22C=Si2CO -628277kJ （11） Fe2SiO42C=2FeSiO22CO -352671kJ （12） P2O5 + 5C2P5CO -961106kJ （13）,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,铁的直接还原度？ 铁的直接还原度rd就是高炉内还原生成的铁

9、中以直接还原的方式还原出来的铁所占的比例。表示方法： 假定将铁的高级氧化物（Fe2O3、Fe3O4）还原到低级氧化物（FeO）全部是间接还原，则FeO中以直接还原的方式还原出来的铁量与铁氧化物中还原出来的总铁量之比称为铁的直接还原度，以rd表示:,Fe直FeO以直接还原的方式还原的铁量； Fe生生铁中的铁量； Fe料炉料中以元素铁的形式带入的铁量，通常指的是当作炉料加入的废铁中的铁。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内铁的直接还原度 ？ 三种方法进行计算： 1）按直接还原铁所消耗的碳量计算：这种方法的要点是，先通过CN平衡法求出每吨生铁所消耗的鼓风量V风，然后根据鼓风量计算风口前燃烧的碳

10、量C风，进一步从全部入炉的总碳量中减去风口前燃烧的碳量和除了直接还原铁以外的其他各项碳消耗，即得直接还原铁所消耗的碳量，最后把直接还原铁所消耗的碳量换算成直接还原的铁量，比上全部还原生成的铁量就是直接还原度rd。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内铁的直接还原度 ？ 三种方法进行计算： 2）按间接还原FeO生成的CO2和H2O 计算：这种方法的要点是，先计算炉顶煤气中以间接还原（包括H2还原）的方式还原FeO所生成的CO2和还原生成的水H2O还，进而算出间接还原生成的铁量，比上全部还原生成的铁而得铁的间接还原度ri，然后由rd=1ri 而得出rd。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉

11、内铁的直接还原度 ？ 三种方法进行计算： 3）按直接还原夺取的氧量计算：这种方法的要点是，先计算炉顶煤气中间接还原生成的CO2和H2O还，进而算出间接还原夺取的氧量，并从炉料中铁氧化物中还原夺取的全部氧量中减去此数为直接还原夺取的氧量，由此算出直接还原生成的铁，比上还原生成的全部铁量就是直接还原度rd。 需要说明的是，上述三种计算中，假定H2全部在高温区参加FeO的直接还原反应，没有参加从高级氧化物还原到FeO的反应。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内的直接还原度与高炉内铁的直接还原度？ 高炉内除了一部分铁氧化物是通过直接还原的方式还原以外，还有Si、Mn、P、S等元素也是以直接还原的

12、方式还原出来的，另外，一部分碳酸盐分解产生的CO2和炉料带入的部分结晶水也被C还原。应该说这些反应也是直接还原。因此，所谓高炉内的直接还原度和铁的直接还原度是两种不同的概念。前者包括Fe、Mn、Si、P等元素的直接还原，而后者仅指铁的直接还原。 C 4.3-0.27Si-0.32P0.3Mn一 0.032S,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,直接还原和间接还原在高炉冶炼过程中的作用？ 一般认为，从铁的高级氧化物还原到FeO的过程，是全部以间接还原的方式进行的，即：,而从FeO还原到金属铁。则一部分以间接还原方式另一部分以直按还原方式进行。全部还原生成的铁中，以直接还原方式还原出来的铁所占的比例

13、就是所谓的直接还原度。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,假定Fe=94，C4.0，Si=l.0，Mn=0.8，P=0.2， 熔剂消耗量为0.05kg/kgFe（熔剂含CO2=42），CCH4=0.006kg/kgFe， 当rd=1 时 rdri=1,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内Mn还原过程 Mn氧化物也是逐级还原的，顺序为：即：,前两个反应是不可逆反应，很容易进行。第三个反应是可逆反应。 （MnO）C=MnCO -287327kJ 炼普通生铁时，有4060的Mn进入生铁，有510的Mn 挥发进入煤气，其余进入炉渣。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理

14、论,从铁氧化物中还原铁和从复杂化合物中还原铁 高炉原料中的铁氧化物常与其他化合物结合形成复杂化合物，比如烧结矿中的2FeOSiO2、MnOSiO2 ，熔剂性烧结矿中的CaOFe2O3等。形成这些复杂化合物时放出热量。能位降低，因此，从这些化合物中还原铁要比从自由铁氧化物中还原铁困难，要消耗更多的热量。 比如：FeOC=FeCO-152161 kJ 2FeOSiO22C=2Fe+SiO2+ 2CO -352671kJ 如果渣中含有较多的CaO，就可以促进2FeOSiO2的还原。因为CaO对SiO2的亲和力比FeO大，它能把2FeOSiO2中的FeO置换出来，使其成为自由FeO，而CaO则与SiO

15、2结合形成更加稳定2CaOSiO2，并放出热量。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内Si还原过程 SiO2是非常稳定的化合物，分解压力很小，很难还原。根据热力学计算，SiO2用CO还原，需要到1800以上的高温下才能进行，显然高炉条件下用CO还原SiO2是不可能的。液体状态下用固体碳还原也需要1700以上的高温，并且吸收大量热量： SiO22CSi2CO -628277 kJ 还原IkgSi需要的热量为从FeO中还原1kgFe的8倍，为从MnO中还原IkgMn的4倍。另外，炉渣中的SiO2常与CaO、MgO等结合成复杂化合物，使SiO2的还原变得更加困难。但是高炉冶炼中仍然有大量的Si还

16、原进入生铁。这主要是因为高炉条件下存在有利于Si还原的条件。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内Si还原过程 首先，风口燃烧带高温条件下SiO2气化产生出气体： SiO2CSiOCO 而SiO的蒸汽压力很大，1890下达到105Pa，故极易挥发，由与气态SiO2与碳接触良好，因而促进出的还原： SiO气C=SiCO 另外；风口前气化产生的SiO在上升过程中与下降的铁水接触，被铁水中的C所还原，还原产生的Si很容易进入生铁 SiO气+C =SiCO,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内Si还原过程 其次，由于还原产生的Si溶解于生铁中形成稳定的FeSi化合物，如Fesi、Fe3Si、F

17、esi2等，同时放出热量，抵偿了部分热消耗， SiO22CFeFesi+2CO -554603 kJ 有利于Si的还原。由于铁的存在，Si开始还原的温度可降到1050。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,通常用生铁中的含Si量来表示炉温 Si无论从液态中还原还是从气态中还原，都需要很高的温度，炉缸温度越高。还原进入生铁的Si就越多，反之，生铁中的Si就越少。生产统计结果表明，炉缸温度（渣铁温度）与生铁含Si量成直线关系，因此，通常用生铁含Si量来表示炉温。生铁含Si量成为炉缸温度的代名词。当然，有时也有不完全相符的现象，这表明炉缸工作失常，极个别的情况下才出现，一般情况下都是相符的。,第一节

18、高炉中蒸发分解及还原理论,铁矿石还原的机理 所谓铁矿石还原机理，就是对铁矿石还原过程的微观解释，即关于铁矿石在还原过程中铁氧化物的氧是怎样被还原剂夺走和这种还原过程的快慢受哪些因素的限制等问题的理论说明，它是解决反应速度问题的主要理论根据。 关于铁矿石还原的机理，主要有以下四种： 1）二步还原理论： 2）吸附自动催化理论： 3）固相扩散理论： 4）未反应核模型理论：,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,1）二步还原理论： 这是1924年苏联巴依科夫等人提出来的。按照这种理论，还原反应是分如下两个步骤进行的：,总的结果是，FeO固CO气=Fe固CO2气 ，而第一步经常是反应的限制性环节。 从热力学

19、上看，第一步即铁氧化物的自行分解是不可能的，因此这一理论已被否定。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,2）吸附自动催化理论： 这是40年代苏联邱发洛夫等人提出来的。按照这种理论，还原反应是在固体氧化物表面上进行的，首先还原剂吸附在固体氧化物表面，经过界面反应，从氧化物晶格中夺取氧，最后反应产物从固体表面脱附。进行界面反应的动力是还原剂对氧的亲和力。这一过程可以用下式表示：,整个反应由吸附扩散、界面反应和脱附扩散等步骤组成，其中最慢的一步就是反应的限制性环节。界面反应过程中有反应速度由缓慢到加快的自动催化现象。 这一理论较圆满地解释了还原反应的吸附特性，但还没有全面解释整个反应过程。,第一节 高

20、炉中蒸发分解及还原理论,3）固相扩散理论： 这种理论的要点是，铁氧化物的还原过程中，反应层内有FeO，Fe等原子或离子的固相扩散，从而使固体内部没被还原的部分裸露出来，促使反应不断进行。它实际上是吸附自动催化理论的补充和发展。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,4）未反应核模型理论： 它比较全面地解释了铁氧化物的整个还原过程，是目前得到公认的理论。 这种理论的要点是，由于铁氧化物有从高级到低级逐级还原的特点，当一个铁矿石颗粒还原到一定程度后，外部形成了多孔的还原产物铁的壳层，而内部尚有一个未反应的核心。随着反应的推进，这个未反应核心逐渐缩小，直到完全消失。整个还原反应过程按以下顺序进行：气体还

21、原剂的外扩散还原剂内扩散还原气体吸附界面化学反应氧化气体脱附氧化气体内扩散氧化气体外扩散（如图3-3所示）。气体在固体还原产物层内扩散时，Fe、FeO等原子和离子的固相扩散可能同时存在，而界面反应时具有吸附自动催化特性。还原过程的各个阶段中，最慢的一步将是还原反应的限制性环节。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,哪些因素影响铁矿石的还原速度？ 铁矿石还原速度的快慢，主要取决于煤气流和矿石的持性，煤气流特性主要是煤气温度、压力、流速和成分等，矿石特性主要是粒度、气孔度和矿物组成等。 1）煤气中CO和H2 的浓度； 2）煤气温度； 3）煤气流速； 4）煤气压力；

22、5）矿石粒度； 6）矿石气孔度和矿物组成： 各种矿石还原性由高到低的顺序是： 球团矿褐铁矿烧结矿菱铁矿赤铁矿磁铁矿,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,生铁生成过程中渗碳反应 生铁的形成过程主要是已还原出来的金属铁溶入其他合金元素和渗碳过程。 高炉炉身中的铁矿石一部分在固体状态下就被还原成了金属铁，叫做海绵铁。不过低温下出现的固体海绵铁是以Fe的形态存在的，所以它溶解的碳很少，最多可达0.022。大量的渗碳过程在下部高温区液体状态下进行： 3Fe液+CFe3C液 由FeC状态图可知，含碳量4.3为共晶生铁，此时铁的熔点最低，因此一般生铁中的含碳量为4左右。 生铁中的最终含碳量与生铁中其他合金元素

23、含量有关。凡是能与碳作用形成稳定化合物的元素能促进渗碳，如：Mn、Cr、V、Ti等。含Mn1520的镜铁含碳量达5.5，含Mn达80的锰铁含碳量达7。凡是能促进碳化物分解，与铁作用形成稳定化合物的元素能阻止渗碳，如：Si、P、S等。铸造生铁由于含S量较高，含碳量只有3.54.0，硅铁含碳量更低，一只有2。一般炼钢生铁含碳量在3.84.2之间。,第一节 高炉中蒸发分解及还原理论,高炉内碳的气化反应 CO2与固体C之间的反应 CO2C=2CO -165766kJ 叫做碳的气化反应（或称CO2的分解反应）。它是一个吸热反应，吸热量很大，因此高温对这个反应是有利的。 高炉冶炼过程中，气化反应的发展程度

24、决定直接还原与间接还原。由于高温下气化反应很快，通过反应 FeOCO=FeCO2 产生的CO2立即与固体C作用形成CO，总的结果是： FeO+CFeCO 这就是直接还原。所以，高温区只有直接还原。低温下气化反应很慢，产生的CO2不变为CO，这就是间接还原。因此，高炉低温区只有间接还原。这个温度界限大约为9001000。,第二节 高炉炉渣,高炉炉渣是怎样形成的 开始形成的炉渣称为初渣，最后排出炉外的称为末渣（或称终渣），初渣到末渣之间，其化学成分和物理性质处于不断变化过程中的称为中间渣。 矿石中的脉石、熔剂和焦炭灰分是炉渣的主要来源。 焦炭在风口燃烧生成气体，灰分才进入炉渣。 石灰石在下降过程中

25、，从750开始分解，950开始大量分解，到1000以上分解完毕。由于分解产生的CaO与脉石接触不好，所以初渣中CaO含量很少，只有在滴下带，大量的初渣流过其表面时 才逐渐溶解进去参加造渣，这个过程直到风口才能全部完成。 矿石在下降过程中经历了块状带、软熔带和滴下带，其造渣过程则从块状带中的固相反应开始，经过软化、融着、半熔融而成为初渣，又经过滴下带中间渣的一系列变化过程后进入炉缸而成为终渣，定期从渣铁口排放出去。,第二节 高炉炉渣,第二节 高炉炉渣,高炉炉渣的主要成分 1）矿石中的脉石； 2）焦炭灰分； 3）熔剂氧化物； 4）被侵的炉衬； 5）初渣中含有大量矿石中的氧化物，（如FeO，MnO等

26、）。 对炉渣性质起决定性作用的是前三项。脉石和灰分的主要成分是SiO2和Al2O3，称酸性氧化物；熔剂氧化物主要是CaO和MgO，称碱性氧化物。当这些氧化物单独存在时，其熔点都很高，SiO2 熔点1713，Al2O3熔点2050，CaO熔点2570，MgO熔点2800，高炉条件下不能熔化。只有它们之间相互作用形成低熔点化合物，才能熔化成具有良好流动性的熔渣。原料中加入熔剂的目的就是为了中和脉石和灰分中的酸性氧化物，形成高炉条件下能熔化并自由流动的低熔点化合物。炉渣的主要成分就是上述四种氧化物。用特殊矿石冶炼时，根据不同的矿石种类，炉渣中还会有CaF2、TiO2、BaO、MnO等氧化物。另外，高

27、炉渣中总是含有少量的FeO和硫化物。,第二节 高炉炉渣,炉渣在高炉冶炼过程中起的作用 由于炉渣具有熔点低、密度小和不溶于生铁的特点，所以高炉冶炼过程中渣、铁才能得以分离，获得纯净的生铁，这是高炉造渣过程的基本作用。另外，炉渣对高炉冶炼还有以下几方面的作用： 1）渣铁之间进行合金元素的还原及脱硫反应，起着控制生铁成分的作用。比如，高碱度渣能促进脱硫反应，有利于锰的还原，从而提高生铁质量，SiO2含量高的炉渣促进Si的还原，从而控制生铁含Si量等。 2）炉渣的形成造成了高炉内的软熔带及滴下带，对炉内煤气流分布及炉料的下降都有很大的影响，因此，炉渣的性质和数量对高炉操作直接产生作用。 3）炉渣附着在

28、炉墙上形成渣皮，起保护炉衬的作用。但是另一种情况下又可能侵蚀炉衬，起破坏性作用。因此，炉渣成分和性质直接影响高炉寿命。 在控制和调整炉渣成分和性质时，必须兼顾上述几方面的作用。,第二节 高炉炉渣,炉渣碱度？ 四元碱度 R=（CaOMgO）/（SiO2Al2O3） 三元碱度 R（CaOMgO）/SiO2 二元碱度 RCaO/SiO2 实际生产中大部分使用二元碱度指标。不过炉渣中的MgO和Al2O3的变化情况也应该定期了解。 实际生产中的炉渣碱度，一般都在0.91.2之间。 MgO为79，还有达到1112的，但三元碱度相差不多，均在1.3左右。 Al2O3，我国东北地区为68，其他地区为1014。

29、,第二节 高炉炉渣,碱性炉渣和酸性炉渣 炉渣成分可分为碱性氧化物和酸性氧化物两大类。现代炉渣结构理论认为熔融炉渣是由离子组成的。熔融炉渣中能提供氧离子O2-的氧化物称为碱性氧化物，反之，能吸收氧离子的氧化物称为酸性氧化物，有些既能提供又能吸收氧离子的氧化物则称为中性氧化物或两性氧化物。组成炉渣的各种氧化物按其碱性的强弱排列如下： K2O、Na2O、BaO、PbO、CaO、MnO、FeO、ZnO、MgO、CaF2、Fe2O3、Al2O3、TiO2、SiO2、P2O5。 其中 CaF2以前可视为碱性氧化物，Fe2O3、Al2O3为中性氧化物，而TiO2、SiO2、P2O5为酸性氧化物。碱性氧化物可

30、与酸性氧化物结合形成盐类，如CaOSiO2、2FeOSiO2等，并且酸碱性相距越大，结合力就越强。以碱性氧化物为主的炉渣称为碱性炉渣，以酸性氧化物为主的炉渣称为酸性炉渣。炉渣的许多物理化学性质与炉渣酸碱性有关。,第二节 高炉炉渣,炉渣的软化特性 一般矿石软化温度波动在9001200之间。 炉渣的软熔特性与矿石的软化特性有关，其对高炉冶炼的影响是，矿石软化温度愈低，初渣出现得愈早，软熔带位置越高，初渣温度低，进入炉缸后吸收炉缸热量，增加高炉热消耗；软化区间愈大，软熔带融着层愈宽，对煤气流的阻力愈大，对高炉顺行不利。 一般希望矿石软化温度要高些，软化区间要窄些。这样软熔带位置较低，初渣温度较高，软

31、熔带融着层较窄，对煤气阻力较小。,第二节 高炉炉渣,炉渣的熔化温度 炉渣的熔化温度指炉渣完全熔化为液相的温度，或液态炉渣冷却时开始析出固相的温度，即相图中的液相线温度。单一晶体具有确定的熔点，而炉渣没有确定的熔点，炉渣从开始熔化到完全熔化是在一定的温度范围内完成的。 熔化温度是炉渣熔化性的标志之一，熔化温度高，表明它难熔；熔化温度低，表明它易熔。难熔炉渣在炉内温度不足的情况下，可能粘度升高，影响成渣带以上的透气性，不利于高炉顺行，但难熔炉渣成渣带低，进入炉缸时温度高，增加炉缸热量，对高炉冶炼有利。易熔炉渣流动性好，有利于高炉顺行，但降低炉缸热量，增加炉缸热消耗。因此，选择炉渣熔化温度时，必须兼

32、顾流动性和热量两方面的因素。各种不同成分炉渣的熔化温度可以从四元系熔化温度图中查得 。,第二节 高炉炉渣,第二节 高炉炉渣,第二节 高炉炉渣,第二节 高炉炉渣,炉渣熔化性温度 炉渣熔化之后能自由流动的温度叫作熔化性温度。有的炉渣虽然熔化温度不高，但熔化之后却不能自由流动，仍然十分粘稠，只有把温度进一步提高到一定程度之后才能达到自由流动的状态，因此，为了保证高炉的正常生产，只了解炉渣的熔化温度还不够，还必须了解炉渣自由流动的温度。即熔化性温度。,第二节 高炉炉渣,炉渣熔化性温度,第二节 高炉炉渣,炉渣熔化性温度 炉渣的熔化性温度是通过绘制炉渣粘度一温度曲线的方法来确定的，如图39所示、曲线中的明

33、显转折点f，或者对象曲线那样没有明显转折点的长渣来说其粘度值为2025P（泊）的点e 所对应的温度称为熔化性温度。因为炉渣自由流动的最大粘度为2025P。有时也把45斜线与粘度一温度曲线相切点所对应的温度作为熔化性温度，各种炉渣的熔化性温度都由粘度试验得出的粘度温度曲线求得。 熔化性温度说明该温度下炉渣能否自由流动，因此，炉渣熔化性温度的高低影响高炉顺行和炉渣能否顺利排出。只有熔化性温度低于高炉正常生产所能达到的炉缸温度，才能保证高炉顺行和炉渣的正常排放。,第二节 高炉炉渣,炉渣粘度 炉渣粘度直接关系到炉渣流动性的好坏，而炉渣流动性又直接影响高炉顺行和生铁质量。 炉渣粘度是流动性的倒数。 粘度

34、是指速度不同的两层液体之间的内摩擦系数。试验结果表明，流速不同的两层液体之间的内摩擦力与接触面积的大小和速度差的大小成正比，与两液层之间的距离成反比，即：,比例系数，或称粘度系数，简称粘度，单位用Pas（帕秒）表示，过去使用“泊”(P)为单位，1P0.1Pas 。,第二节 高炉炉渣,炉渣粘度 炉渣粘度对高炉冶炼的影响，首先是粘度大小影响成渣带以下料柱的透气性。炉渣粘度过高，则在滴下带不能顺利流动，降低焦炭骨架的空隙度，增加煤气阻力，影响高炉顺行。其次、粘度影响炉渣的脱硫能力。粘度低流动性好的炉渣有利于脱硫，粘度大流动性差的炉渣不利于脱硫。这是因为粘度低的炉渣有利于硫离子的扩散，促进脱硫反应。第

35、三，炉渣粘度影响放渣操作。粘度过高的炉渣发生粘沟、渣口凝渣等现象，造成放渣困难。最后，炉渣粘度影响高炉寿命。粘度高的炉渣在炉内容易形成渣皮，起保护炉衬的作用，而粘度过低，流动性过好的炉渣冲刷炉衬，缩短高炉寿命。,第三节 炉料与煤气运动,第三节 炉料与煤气运动,炉料在炉内为什么能连续下降？ 炉料下降的动力是自重，即炉料是靠本身的重力作用下降的、而冶炼过程中，焦炭中的固定碳在风口前燃烧和参加直接还原变为气体离开高炉；矿石、熔剂和焦炭灰分则熔化和还原成渣铁而排出炉外，从而使炉内不断形成自由空间，为炉料的连续下降创造了必要条件。凤口前焦炭的燃烧提供3540%的空间，参加直接还原消耗焦炭提供15左右的空

36、间，而矿石和熔剂在下降过程中重新排列、压紧并熔化成液相而体积缩小提供33左右的空间，此外放出渣铁也提供一部分空间。但在实际冶炼过程中要保证炉料的连续下降，还要克服一系列的阻力，包括：炉料与炉墙的摩擦阻力；料块之间的内摩擦阻力；上升煤气的浮力。只有炉料的自身重力超过这三种阻力之和的情况下，炉料才能连续不断地下降，维持正常的冶炼过程。,第三节 炉料与煤气运动,影响炉料的顺利下降的因素,第三节 炉料与煤气运动,高炉冶炼周期 炉料在炉内的停留时间称为冶炼周期。高炉风量大，则风口前焦炭的燃烧速度快，下料快，冶炼周期短，高炉产量高。 计算冶炼周期的方法有两种： 1）按时间计算：,第三节 炉料与煤气运动,高

37、炉冶炼周期 2）按上料批数计算：,第三节 炉料与煤气运动,炉缸燃烧反应在高炉冶炼过程中起什么作用？ 首先，焦炭在风口前燃烧放出的热量，是高炉冶炼过程中的主要热量来源。高炉冶炼所需要的热量。包括炉料的预热、水分蒸发和分解、碳酸盐的分解、直接还原吸热、渣铁的熔化和过热、炉体散热和煤气带走的热量等，绝大部分由风口前燃烧焦炭供给。 其次，炉缸燃烧反应的结果产生了还原性气体CO，为炉身中上部固体炉料的间接还原提供了还原剂，并在上升过程中将热量带到上部起传热介质的作用。 第三，由于炉缸燃烧反应过程中固体焦炭不断变为气体离开高炉，为炉料的下降提供了40左右的自由空间，保证炉料的不断下降。,第三节 炉料与煤气

38、运动,炉缸燃烧反应在高炉冶炼过程中起什么作用？ 第四，风口前焦炭的燃烧状态影响煤气流的初始分布，从而影响整个炉内的煤气流分布和高炉顺行。 第五，炉缸燃烧反应决定炉缸温度水平和分布，从而影响造渣、脱硫和生铁的最终形成过程及炉缸工作的均匀性，也就是说炉缸燃烧反应影响生铁的质量。 由此可见，炉缸燃烧反应在高炉冶炼过程中起着极为重要的作用，正确掌握炉缸燃烧反应的规律，保持良好的炉缸工作状态，是操作高炉和达到高产优质的基本条件。,第三节 炉料与煤气运动,炉缸燃烧反应有什么特点？ 炉缸燃烧反应与一般燃烧反应不同，它是在充满焦炭的环境中进行的，即空气量一定而焦炭过剩的条件下进行的，由于没有过剩氧，燃烧反应的

39、最终产物是CO和H2，而没有CO2 。 焦炭的燃烧反应在氧气量充足而固体碳不足时为完全燃烧： CO2=CO2 +33412kJ/kgC 当氧气不足而固体碳过剩时为不完全燃烧：,第三节 炉料与煤气运动,炉缸燃烧反应有什么特点？ 高炉内由于有过剩碳的存在，且风口前温度很高，即使在氧气充足的地方产生的CO2也会与固体碳反应： CO2+C2CO -165766kJ 因此，燃烧反应的最终产物是CO。 鼓风中还有不参加反应的氮，用干风时焦炭燃烧的实际反应为： 鼓风中还有一部分水分。水分在高温下与碳发生反应： H2O+CH2+CO -124480kJ 因此，炉缸燃烧反应的最终产物由CO、H2 和N2 组成。

40、,第三节 炉料与煤气运动,风口燃烧带和凤口回旋区？ 炉缸内燃料燃烧的区域称为燃烧带。它包括氧气区和还原区，如图所示。风口前自由氧存在的区域称为氧气区，自由氧消失到CO2消失的区域称为还原区。由于燃烧带是高炉内唯一属于氧化气氛的区域，因此亦称氧化带。在燃烧带中，当O2过剩时，C首先与O2反应生成CO，只有当O2 开始下降时，CO2才与C反应，使CO急剧增加，CO2逐渐消失。因此，燃烧带的尺寸可按CO2消失的位置确定，实践中常以CO2降到12%的位置定为燃烧带的界限。,第三节 炉料与煤气运动,第三节 炉料与煤气运动,风口燃烧带和凤口回旋区？ 现代高炉中，由于冶炼强度高和风口风速大，当鼓风动能达到一

41、定程度后，风口前焦炭处于回旋运动状态，并形成一个疏散而近似球形的自由空间，通常称为风口回旋区。风口回旋区与燃烧带基本一致，但回旋区系指在鼓风动能的作用下焦炭块作机械运动的区域，而燃烧带是根据煤气成分来确定的。回旋区前端即为燃烧带氧气区的边缘，而还原区在回旋区的外围焦炭层内。,第三节 炉料与煤气运动,什么叫鼓风动能？如何计算 鼓风动能就是鼓风所具有的机械能。鼓风具有一定的质量，而且以很高的速度（达每秒100m左右）通过风口向高炉中心运动，因此，它具有一定动能，直接影响着风口前焦炭回旋区的大小。 鼓风动能按下式计算：,第三节 炉料与煤气运动,什么叫鼓风动能？如何计算？ 1000m3以上大高炉的鼓风

42、动能一般在40007000kgm/s之间， 300m3左右的中型高炉在30004000kgm/s之间， 100m3左右的小型高炉在10001500kgm/s之间。 容积再小的高炉鼓风动能应更小。,第三节 炉料与煤气运动,风口前理论燃烧温度？它与炉缸温度有什么区别？ 风口前焦炭燃烧所能达到的最高温度，即假定风口前焦炭燃烧放出的热量全部用来加热燃烧产物时所能达到的最高温度叫作风口前理论燃烧温度。 理论燃烧温度是指燃烧带在理论上能达到的最高温度，生产中一般指燃烧带燃烧焦点的温度。而炉缸温度一般是指炉缸渣铁的温度，两者有本质上的区别。理论燃烧温度可达18002400，而炉缸温度一般在1500左右。,第

43、三节 炉料与煤气运动,第三节 炉料与煤气运动,哪些因素影响理论燃烧温度？ 影响理论燃烧温度的因素有： 1）鼓风温度：鼓风温度升高，则鼓风带入的物理热增加，理论燃烧温度升高。鼓风湿度为1.5且无富氧无喷吹时，鼓风湿度和理论燃烧温度的数值对应如下：,第三节 炉料与煤气运动,哪些因素影响理论燃烧温度？ 影响理论燃烧温度的因素有： 2）鼓风富氧度：鼓风含氧量提高以后，N2含量减少，此时虽因风量减少而使Q风有所降低。但由于VN2降低的幅度大，理论燃烧温度显著升高。风温为1100 ，鼓风湿度为1.5，无喷吹时有下列关系：,3）鼓风湿度：鼓风湿度的影响与喷吹物相同，由于水分分懈吸热，理论燃烧温度降低。,第三

44、节 炉料与煤气运动,哪些因素影响理论燃烧温度？ 影响理论燃烧温度的因素有： 4）喷吹燃料：由干喷吹物分解吸热和VH2增加，理论燃烧温度降低。由于各种喷吹燃料的分解热不同：含H2 2224%的天然气分解热为3350kJ/m3，含H21113%的重油分解热为3875kJ/kg，含H2 24的无烟煤分解热为l047kJ/kg，所以，喷吹天然气降低理论燃烧温度最剧烈。重油次之，无烟煤降低最少。风温1100，鼓风湿度1.5。无富氧时有：,第三节 炉料与煤气运动,计算炉腹煤气成分与数量 ？ 炉腹煤气指高炉高温区煤气，即进入间接还原区以前的煤气，这个位置大致在炉腹和炉腰，所以叫作炉腹煤气。炉腹煤气中各成分的

45、数量等于炉缸煤气相应成分的数量加上直接还原生成的CO和焦炭挥发分中的各种成分：,第三节 炉料与煤气运动,如何计算炉顶煤气成分与数量 ？ 炉顶煤气是炉腹煤气进入间接还原区参加间接还原以后离开高炉的煤气。因此，从炉腹煤气中减去参加还原反应的CO和H2，再加上还原和熔剂分解产生的CO2以及C与H2作用生成的CH4，即为炉顶煤气。炉顶煤气一般都计算干成分，因此，H2参加反应产生的H2O不算在煤气成分当中。 计算中有两个假定条件：即假定人炉总碳量的1.2与H2作用生成CH4；假定40的H2参加还原。 参加还原反应的CO数量，根据原料成分中高级氧化物（Fe2O3、MnO2、Mn2O3等）的数量和直接还原度

46、计算：,第三节 炉料与煤气运动,煤气上升过程中压力分布规律如何？ 煤气从炉缸上升到炉顶，通过软熔带、块状带要克服沿料柱的阻力，即阻力损失。这种阻力损失与料柱高低、煤气流速、炉料孔隙度以及煤气的性质有关。一般可将高炉散料柱视作许多平行的管道。参考管道阻力损失计算，得出高炉散料柱内煤气压力降公式如下：,第三节 炉料与煤气运动,第三节 炉料与煤气运动,煤气上升过程中压力分布规律如何？ 由上式可以看出： l）散料柱内压降P代表散料柱的阻力，其值越大，表明料柱透气性越差，对顺行不利； 2）减少P改善料柱透气性的方向是： 降低煤气速度，这可以通过提高顶压，控制冶炼强度，增大空隙度的办法解决； 增大当量直径

47、d和料柱空隙度，这可以通过炉料整粒的办法解决； 降低H，这可以通过改进炉型设计来解决。 3）在散料柱中和管道中不同，d、是可变因素，因此高炉工作者常常在改变d、中探求既有利于高炉强化又不过分增加料柱阻力的方案。例如高压操作，松动操作等（大风吹松即是一例）。,第三节 炉料与煤气运动,什么叫高炉料柱的透气性？ 高炉料柱的透气性指煤气通过料柱时的阻力大小。煤气通过料柱时的阻力主要取决于炉料的孔隙度。（散料体总体积中孔隙所占的比例叫作孔隙度），孔隙度大，则阻力小，炉料透气性好；孔隙度小，则阻力大，炉料透气性坏。孔隙度是反映炉料透气性的主要参数。气体力学分析表明，孔隙度、风量Q与压差P之间有如下关系：,

48、第三节 炉料与煤气运动,如何改善块状带料柱的透气性？ 为了提高块状带料柱的透气性，首先应提高矿石和焦炭的强度，减少入炉粉末。尤其要提高矿石和焦炭的热强度，增强高温还原状态下抵抗摩擦、挤压、膨胀和热裂的能力，减少或避免炉内再次产生粉末，这样可以提高料柱孔隙度、降低 P。 其次，要严格控制粒度。实践表明，随着原料粒度的增大，通过料层的煤气阻力减小，但粒度超过25mm以后，相对阻力基本不降低。相反，随着粒度的减小，煤气阻力增加，但在大干6mm的范围内阻力增加不明显，而粒度小于6mm时，相对阻力明显增加。因此，适合干高炉冶炼的矿石粒度范围是625mm。小于6mm的粉末对透气性危害极大，必须全部筛除，而

49、25mm以上的大块，对改善透气性已无明显效果，但对还原不利，因此应当把上限控制在25mm以下。,第三节 炉料与煤气运动,如何改善块状带料柱的透气性？ 第三，要尽量使粒度均匀。在适宜的粒度范围内使粒度均匀，有利于提高炉料孔隙度。理论计算表明，对于一种粒度均匀的散料来说，无论粒度大小，孔隙度均在0.5左右、但随着大小粒度以不同比例混合后，其孔隙度大幅度变化，如图所示。因此；应尽量使粒度均匀，有利于提高块状带透气性。炉料的粒度差较大时，应分级入炉。,第三节 炉料与煤气运动,第三节 炉料与煤气运动,软熔带的位置和结构形状如何影响煤气流运动的阻力与煤气流分布 ？ 国内外高炉解体的研究结果表明，炉料在下降

50、过程中直到矿石完全熔化成渣铁以前始终保持着清晰可辨的焦矿分层结构。只是每一层的厚度变薄和趋于平坦。根据炉内温度分布的特点，当炉料下降到矿石软化和熔化温度时，就形成各种不同形状结构的由矿石软熔层和焦炭夹层（常称“焦窗”）间隔而成的软熔带。这种软熔带的位置、形状和结构（“焦窗”数目和尺寸）对煤气运动的阻力以及高炉中下部煤气流的再分布有着重大影响。 根据原料和操作条件，软熔带大致可以分为以下三种类型：“”形、“”形和“W”形。,第三节 炉料与煤气运动,第三节 炉料与煤气运动,软熔带的位置和结构形状如何影响煤气流运动的阻力与煤气流分布 ？ ”形软熔带一般出现在冶炼强度高，中心气流较大，炉缸活跃、稳定、

51、热量充足的高炉。这种软熔带由于中心气流发展，炉缸活跃，对煤气的阻力较小，煤气能利用率高，可以得到较好的生产指标；同时，煤气流相对集中于中心，边缘气流较小，可减轻边缘热负荷和煤气对炉墙的冲刷作用，有利于延长高炉寿命。,第三节 炉料与煤气运动,软熔带的位置和结构形状如何影响煤气流运动的阻力与煤气流分布 ？ “”形软熔带出现在边缘气流发展、中心气流不足的高炉。这种形状的软熔带由于中心堆积，料柱紧密，透气性差，p升高，不利于顺行；另外，大量煤气从边缘通过，煤气能利用率低，高炉热消耗增加；同时煤气流冲刷炉墙，影响高炉寿命。因此，高炉操作中应尽量避免形成这种软熔带。 “W”形软熔带是传统的两道气流型软熔带

52、，它在顺行和煤气能利用方面一般能满足要求，但不能满足进一步提高冶炼强度和降低燃料比的要求，只适应于冶炼强度不太高的高炉操作制度。,第三节 炉料与煤气运动,软熔带的位置和结构形状如何影响煤气流运动的阻力与煤气流分布 ？ 软熔带位置的高低对高炉冶炼的影响是：顶点位置较高的“”形软熔带，由于增加了软熔带中的焦窗数目，减小煤气阻力，有利于强化冶炼，软熔带位置较低，则由于焦窗数目减少，煤气阻力增加，不利于强化，但却扩大了块状带间接还原区，有利于提高煤气利用率。 软熔带宽度和软熔层厚度对煤气阻力的影响是：当软熔带宽度增加时，由于煤气通过软熔带的横向通道加长，煤气阻力增加；而软熔带厚度增加意味着矿石批重加大，虽因焦窗厚度相应