《炼铁原理与工艺》PPT课件.ppt

巴音郭楞职业技术学院矿业工程系 主讲人：王晓远 绪论 1.高炉炼铁简述 2.铁矿烧结 3.炼铁原理 4.炼铁设备 5.炼铁工艺 钢铁生产工艺流程 炼铁历史与现状 我国是世界上最早发明钢铁冶金技术的国家 ，早期的冶铁业居世界领先地位。 我国2700年前已有高炉，西汉有50m辽东郡 使汉代古铁场之一，汉武帝置49个铁官，辽 东郡设百户所。 十二世纪我国冶炼生铁技术传入欧洲，由于 欧洲工业革命的兴起，迅速推动了钢铁工业 的发展。我国再引进了欧洲钢铁的生产技术 ，于1890年建立了汉冶萍钢铁公司开始发展 现代钢铁业。当时钢铁产量很少，属于我国 的更少。解放后，我国的钢铁工业得到了迅 猛发展，除扩建老企业，还建设了一些新企 业，1983年刚产量居世界第四位，1997年后 开始居世界第一位，年产量达一亿吨以上。 高炉炼铁技术的发展主要有下列几项技术的应用为 特征： 1.蒸汽机及电动机为动力的大型鼓风机的应用，可以 扩大炉子容积，提高生产能力。 2.冶金焦炭的应用，由于焦炭强度高，可建更大高炉 ，扩大生产规模；不再用木炭扩大了可利用的燃料 资源。 3.高温鼓风炼铁增加带入的热量，提高炉内温度水平 ，使高炉冶炼顺利进行。另外，富氧、精料、高压 操作、高炉大型化及其它先进技术的应用极大强化 了炼铁的生产过程 1 高炉炼铁简述 1.1 高炉炼铁生产工艺流程 一.概念： 高炉炼铁是用还原剂（焦炭、煤等） 在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态 生铁的过程。 1.2 高炉本体及生产附属系统 高炉生产以高炉 本体为主体，包 括八大系统： 高炉本体：高 炉本体是冶炼生 铁的主体设备， 由炉基、炉壳、 炉衬及冷却设备 、支柱或框架组 成。 任务：高炉冶 炼在其内部连续 进行。 供上料系统：包括贮矿场、贮 矿槽、焦炭滚筛、称量漏斗、称 量车、料坑、斜桥、卷扬机、料 车上料机、大型高炉采用皮带上 料机。 任务：及时、准确、稳定地将 合格原料送入高炉炉顶的受料漏 斗。 装料系统： 有钟炉顶：包括受料漏斗、旋转布料器、 大小钟漏斗、大小钟、大小钟平衡杆、探 尺 无钟炉顶：包括受料漏斗、上下密封 阀、中心喉管、布料溜槽、探尺 高压操作的高炉还有均压阀、放散阀 任务：按工艺要求将上料系统运来的炉 料均匀的装入炉内并保证煤气的密封。 送风系统：包括鼓风机、热风炉 、热风管道、冷风管道、煤气管道 、混风管道、各种阀门、换热器等 。 任务：连续可靠地供给高炉冶 炼所需热风。 煤气回收及除尘系统：包括煤气 上升管、煤气下降管、重力除尘器 、洗涤塔、文氏管、脱水器、电除 尘器或布袋除尘器 任务：将炉顶引出的含尘量很 高的煤气净化成合乎要求的气体燃 料；回收高炉煤气，使其含尘量降 至10mg/m3以下，以满足用户对煤 气质量的要求。 渣铁处理系统：包括出铁场、 开口机、泥炮、炉前吊车、铁水 罐、堵渣机、水渣池及炉前水力 冲渣设施等。 任务：定期将炉内的渣、铁 出净并及时运走，以保证高炉连 续生产。 喷吹系统：包括原煤的储存 、运输、煤粉的制备、收集及 煤粉喷吹等系统。 任务：均匀稳定地向高炉喷 吹大量煤粉，以煤代焦，降低 焦炭消耗。 动力系统：包括水、电 、压缩空气、氮气、蒸汽等 生产供应部门 任务：为高炉各生产系 统提供保障服务。 1.3 高炉冶炼原料及产品 13.1 高炉炼铁的原料及其作 用 铁矿石：（烧结矿、球团矿 ）提供铁元素。 冶炼一吨铁大约需要1.52 吨矿石。 焦碳： 冶炼一吨铁大约需要 500Kg焦炭。 提供热量；提供还原剂；作 料柱的骨架。 （3）熔剂：（石灰石 、白云石、萤石） 使炉渣熔化为液体； 去 除有害元素硫（S）。 （4）煤粉：代替部分 焦炭，降低生产成本。 （5）鼓风：燃烧焦炭 和煤粉，产生热量和还 原剂。 风温：11001300， 鼓风物理热占高炉热量 总收入的20%左右。 原料是高炉冶炼的物质基础，其质量 对冶炼过程及冶炼效果影响极大。目 前，炼铁的发展趋势之一就是采用精 料。 铁矿石分类及特性 一、矿石和脉石 矿石是矿物的集合体。但是，在当前科学技术条件 下，能从中经济合理地提炼出金属来的矿物才称为 矿石。矿石的概念是相对的。例如铁元素广泛地、 程度不同地分布在地壳的岩石和土壤中，有的比较 集中，形成天然的富铁矿，可以直接利用来炼铁， 堪称矿石；有的比较分散，形成贫铁矿，用于冶炼 既困难又不经济。 铁矿石分类及特性 一、矿石和脉石 随着选矿和冶炼技术的发展，矿石的来源和范围不 断扩大。如含铁较低的贫矿，经过富选也可用来炼 铁；过去认为不能冶炼的攀枝花钒钛磁铁矿，已成 为重要的炼铁原料。 矿石中除了用来提取金属的有用矿物外，还含有一 些工业上没有提炼价值的矿物或岩石，统称为脉石 。对冶炼不利的脉石矿物，应在选矿和其它处理过 程中尽量去除。 铁矿石分类及特性 二、天然铁矿石的分类及特征 天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、赤铁矿、褐 铁矿和菱铁矿等几种，主要矿物组成及特征见表2-1 。 表2-1 常见铁（锰）矿石的组成及特征 铁矿石分类及特性 三、铁矿石质量评价 铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必须严格要 求。通常从以下几方面评价： 铁矿石分类及特性 1.矿石品位 品位即铁矿石的含铁量，它决定着矿石的 开采价值和入炉前的处理工艺。入炉品位 愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从 而提高经济效益。经验表明，若矿石含铁 量提高1%，则焦比降低%，产量增加3%。 铁矿石分类及特性 矿石的贫富一般以其理论含铁量的70%来评估。 实际含铁量超过理论含铁量的70%称富矿。但这 并不是绝对固定的标准。因为它还与矿石的脉石 成分、杂质含量和矿石类型等因素有关。如对褐 铁矿、菱铁矿和碱性脉石矿含铁量的要求可适当 放宽。因褐、菱铁矿受热分解出H2O和CO2后品 位会提高。碱性脉石矿含CaO高，冶炼时可少加 或不加石灰石，其品位应按扣去CaO的含铁量来 评价。 TFe原矿含铁量，%；CaO原矿CaO含量，% 铁矿石分类及特性 2脉石成分 脉石中含有碱性脉石，如CaO、MgO；有 酸性脉石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含 酸性脉石者居多，即其中SiO2高，需加入 相当数量的石灰石造成碱度（CaO/SiO2） 为1.0左右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求 。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含 CaO高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值 。 铁矿石分类及特性 3有害杂质和有益元素的含量 有害杂质通常指S、P、Pb、Zn、As等，它们的 含量愈低愈好。Cu有时为害，有时为益，视具体 情况而定。表2-2 为入炉铁矿石有害杂质的界限 含量。 表2-2 入炉铁矿石有害杂质的界限含量（%） 铁矿石分类及特性 硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性 。 所谓“热脆”就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成 FeS，而FeS与Fe形成的共晶体熔点为988，低 于钢材热加工的开始温度（11501200）。热 加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开 裂。因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁 中S0.07%，优质生铁S0.03%，就是要严格控 制钢中硫含量。 铁矿石分类及特性 高炉炼铁过程可去除90%以上的硫。但脱硫需要 提高炉渣碱度，渣量增加，导致焦比增加而产量 降低。根据鞍钢经验，矿石中含硫每增加0.1， 焦比升高5%。一般规定矿石中S0.06%为一级矿 ，S0.2%为一级矿，S0.3%为高硫矿。对于高 硫矿石，可以通过选矿和烧结的方法降低含硫量 。 硫可改善钢材的切削加工性能，在易切削钢中， S可达0.150.3%。 铁矿石分类及特性 磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。 磷能溶于-Fe中（可达1.2%），固溶并富集在晶 粒边界的磷原子使铁素体在晶粒间的强度大大增 高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称 为冷脆。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很 难用热处理的方法来消除，亦使钢材冷脆的危险 性增加。但含磷铁水的流动性好，充填性好，对 制造畸形复杂铸件有利。磷亦可改善钢材的切削 性能，故在易切削钢中磷含量可达0.080.15% 。 铁矿石分类及特性 磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。 矿石中的磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高 炉冶炼过程磷几乎全部进入生铁。因此，生铁含 磷量决定于矿石含磷量，要求铁矿石含磷愈低愈 好。 铁矿石分类及特性 铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As） 在高炉内都易还原。Pb不溶于Fe而密度又比Fe大 ，还原后沉积于炉底，破坏性很大。Pb在1750 时沸腾，挥发的铅蒸气在炉内循环能形成炉瘤。 Zn还原后在高温区以Zn蒸气大量挥发上升，部分 以ZnO沉积于炉墙，使炉墙胀裂并形成炉瘤。As 可全部还原进入生铁，它可降低钢材的焊接性并 使之“冷脆”。生铁含As量应小于1%，优质生铁不 应含As。 铁矿石分类及特性 铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As） 铁矿石中的铅、锌、砷常以硫化物形态存在，如 方铅矿（PbS）、闪锌矿（ZnS）、毒砂（ FeAsS）。烧结过程中很难排除铅、锌，因此要 求含量越低越好。一般要求含铅、锌不应超过 0.1%。含铅高的铁矿石可以通过氯化焙烧和浮选 方法使铅铁分离。含锌高的矿石不能单独直接冶 炼，应该与含锌少的矿石混合使用，或进行焙烧 、选矿等处理，降低铁矿石中的含锌量。烧结过 程中能部分去除矿石中的砷，可以采用氯化焙烧 方法排除。通常要求，铁矿石含砷不超过0.07% 铁矿石分类及特性 铜 在钢中若不超过0.3%可增加钢材抗蚀性，超过 0.3%时，则降低其焊接性，并有热脆现象。铜在 烧结中一般不能去除，在高炉中又全部还原进入 生铁。故钢铁含铜量决定于原料含铜量。一般铁 矿石允许含铜量不超过0.2%。对于一些难选的高 铜氧化矿，可采用氯化焙烧法回收铜，同时可炼 高铜（Cu1.0%）铸造生铁，它具有很好的机械 性能和耐腐蚀性能。 铁矿石分类及特性 此外，一些铁矿石还含有碱金属钾、钠，它们 在高炉下部高温区大部分被还原后挥发，到上部 又氧化而进入炉料中，造成循环累积，使炉墙结 瘤。因此要求矿石中含碱金属量必须严格控制。 我国普通高炉碱金属（K2O+Na2O）入炉量限制 为57kg/tFe，国外高炉碱金属（K2O+Na2O）入 炉限制量为低于3.5kg/tFe。 铁矿石分类及特性 氟 在冶炼过程中以CaF2形态进入渣中。CaF2能降低 炉渣的熔点，增加炉渣流动性，当铁矿石中含氟 高时，炉渣在高炉内过早形成，不利于矿石还原 。矿石中含氟不超过1%时对冶炼无影响，当含量 达到4%5%时需要注意控制炉渣的流动性。采 外，高温下氟挥发对耐火材料和金属构件有一定 的腐蚀作用。 铁矿石分类及特性 铁矿石中常共生有Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti 、Mo。这些元素有改善钢铁性能的作用，故称 有益元素。 当它们在矿石中的含量（%）达到一定数值时， 如Mn5、Cr0.06、Ni0.2，Co0.03， V0.10.15，Mo0.3，Cu0.3，则称为复合矿 石，经济价值很大，应考虑综合利用。 铁矿石分类及特性 对于铁矿石中一些有害杂质，如果含量较 高，如Pb0.5，Zn0.7，Sn0.2时，应视 为复合矿石综合利用。因为这些杂质本身 也是重要的金属。 铁矿石分类及特性 4矿石的粒度和强度 入炉铁矿石应具有适宜的粒度和足够的强度。粒 度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿 石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹出 炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影响 料柱透气性。因此，大块应破碎，粉末应筛除， 粒度应适宜而均匀。一般要求矿石粒度在 540mm范围，并力求缩小上下限粒度差。 铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程 度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度 也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，一方面 增加炉尘损失，另一方面使高炉料柱透气性变坏 ，引起炉况不顺。 铁矿石分类及特性 5铁矿石的还原性 铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或H2还 原的难易程度，是评价铁矿石质量的重要指标。 还原性愈好，愈有利于降低焦比，提高产量。改 善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉 冶炼的重要措施之一。 影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石 结构的致密程度、粒度和气孔率等。 铁矿石分类及特性 6矿石化学成分的稳定性 铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱度和性质 以及生铁质量的波动，造成炉况不顺，使焦比升 高，产量下降。同时，炉况的频繁波动使高炉自 动控制难以实现，因此，国内外都严格控制炉料 成分的波动范围。稳定矿石成分的有效方法是对 矿石进行混匀处理。 1.5.2 铁矿石的准备处理 根据上述质量要求，一般的铁矿石很难完全满足 要求，须在入炉前进行必要的准备处理。 对天然富矿（如含Fe50%以上），须经破碎、筛 分，获得合适而均匀的粒度。对于褐铁矿、菱铁 矿和致密磁铁矿还应进行焙烧处理，以去除其结 晶水和CO2，提高品位，疏松其组织，改善还原 性，提高冶炼效果。 对贫铁矿的处理要复杂得多。一般都必须经过破 碎、筛分、细磨、精选，得到含铁60%以上的精 矿粉，经混匀后进行造块，变成人造富矿，再按 高炉粒度要求进行适当破碎，筛分后入炉。 1.5.2 铁矿石的准备处理 由于天然富矿资源有限，而其冶金性能又不如人 造富矿优越，所以绝大多数现代高炉都用人造富 矿，或大部分用人造富矿、兑加少数天然富矿冶 炼。在这种情况下，钢铁厂便兼有人造富矿和天 然富矿两种处理流程。 1.5.2 铁矿石的准备处理 一、破碎筛分 破碎和筛分是铁矿石准备处理工作中的基本环节 ，通过破碎和筛分使铁矿石的粒度达到“小、匀、 净”的标准。对贫矿而言，破碎使铁矿物与脉石单 体分离，以便选矿。铁矿物嵌布愈细密，破碎粒 度要求愈细。 破碎的常要设备有：颚式、锥式、辊式破碎机， 球磨机和棒磨机。筛分的常用设备有固定条筛、 圆筒筛、振动筛等。 1.5.2 铁矿石的准备处理 三、焙烧 焙烧是在适当的气氛中，使铁矿石加热到低于其熔点的温 度，在固态下发生的物理化学过程。例如，氧化焙烧就是 在空气充足的氧化性气氛中进行，以保证燃料完全燃烧和 矿石的氧化。多用于去除CO2、H2O和S（碳酸盐和结晶 水分解，硫化物氧化），使致密矿石的组织变得疏松，易 于还原。 菱铁矿的焙烧：在500900之间按下式分解： 4FeCO3+O2=Fe2O3+2CO2 褐铁矿的脱水：在250500之间发生下述反应： 2Fe2O33H2O=2Fe2O3+3H2O 铁矿石的准备处理 四、选矿 选矿是依据矿石的性质，采用适当的方法，把有 用矿物和脉石机械地分开，从而使有用矿物富集 的过程。通过选矿可使矿石品位提高，去除部分 有害杂质（如硫等），回收复合矿中的一些有用 元素（如钒、铬等），使贫矿资源得到有效利用 。 铁矿石的准备处理 四、选矿 通过选矿获得的有用矿物富集品称为精矿，如铁 精矿、铁钒精矿等；而主要由脉石组成的其余部 分叫尾矿，一般废弃。在一些复合铁矿石中，常 用一些有用元素富集于尾矿中（如钒钛磁铁矿中 的钛，包头矿中的稀土元素等），必须将它们进 一步精选出来。有用矿物含量介于精矿和尾矿之 间的中间产品叫做中矿，亦须进一步选分，以提 高金属回收率。 铁矿石的准备处理 现代常用于精选铁矿石的方法重要有三种： （1）重选 （2）磁选 （3）浮选 有些矿石性质复杂，往往需要用几种方法联合起 来选矿，以最大限度地综合回收利用其中的有用 金属元素。 铁矿石的准备处理 四、造块 富选得到的精矿粉，天然富矿破碎筛分后的粉矿 ，以及一切含铁粉尘物料（如高炉、转炉炉尘， 轧钢皮，铁屑，硫酸渣等）不能直接加入高炉， 必须用烧结或制团的方法将它们重新造块，制成 烧结矿、球团矿，或预还原炉料。这不仅解决了 入炉原料的粒度问题，扩大了原料来源，同时， 还大大改善了矿石的冶金性能，提高高炉冶炼效 果。 13.2 高炉冶炼的主要产品及其用途 高炉生产的主要产品是生铁，副产品有炉渣、煤气及 煤气带出的粉尘 1.生铁（含碳1.7%以上，并含有一定数量的杂质Si 、Mn、P、S等元素的铁碳合金的统称。） 生铁按化学成分和用途可分为三种。 （1）炼钢生铁 （2）铸造生铁 （3）特殊生铁 2.高炉炉渣（出炉温度为14001500） 用途：水泥原料，制成渣棉作隔音、保温材料 3.高炉煤气（CO,CO2，H2，N2等） 用途：经除尘后可用于作热风炉燃料等 1.4 高炉生产主要技术经济指标 （1）高炉有效容积利用系数： 每昼夜、每m3高炉有效容积的生铁产量， 即高炉每昼夜的生铁产量与高炉有效容积之比 。 有效容积利用系数愈大，高炉生产率愈高。目前， 一般大型高炉超过2.0，一些先进高炉可达到2.22.3。小 型高炉的更高，100300m3高炉的利用系数为2.83.2。 （2）焦比（K） 焦比是指冶炼每吨生铁消耗的焦炭量，即每昼 夜焦炭消耗量与每昼夜生铁产量之比。 一般情况下焦比为450500kg/t （3）煤比 冶炼每吨生铁消耗的煤粉量称为煤比。 煤焦置换比指单位质量的煤粉所代替的焦炭的质 量，表示煤粉利用率的高低。一般煤粉的置换比 为0.70.9。 （4）综合焦比K综：是将冶炼一吨生铁所喷吹 的煤粉或重油量乘上置换比折算成干焦炭量 ，在与冶炼一吨生铁所消耗的干焦炭量相加 即为综合焦比。 K综 = ( QK+QYR)/P （5）综合燃料比K燃：指冶炼一吨生铁消耗的 焦炭和喷吹燃料的数量之和。 K燃 = ( QK+QY)/P （6）冶炼强度（I）： 冶炼强度是每昼夜、每m3高炉有效容积燃 烧的焦炭量，即高炉一昼夜焦炭消耗量与有 效容积的比值： 当前国内外大型高炉一