冶金工程概论第03章高炉炼铁工艺(工艺部分).ppt

第三章 高炉炼铁工艺,3.1 概述 3.2 高炉冶炼原理 3.3 高炉本体及附属系统 3.4 高炉操作,炼铁,高炉炼铁 非高炉炼铁,渣铁处理系统,煤气除尘系统,喷吹系统,高炉,矿石 焦炭,煤,空气,炉渣 铁水,炉尘,净煤气,高炉及其附属系统,供料系统,送风系统,3.1 概述,鱼雷罐车,lumpore,主输送帶,鼓风机,热风炉,除尘器,洗涤器,烟囱,配料间,炉顶回收电,BFG,储槽,冷空气,热风,废气,鼓风嘴,出铁口,无钟罩式炉顶,高炉,sinter,coke,flux,高炉工艺流程,3.1.1 高炉冶炼过程及其特点,高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁，从化合物状态（如Fe2O3、Fe3O4等）还原为液态生铁。 冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。,高炉冶炼特点 1)高炉冶炼是在炉料与煤气流逆向运动过程中完成各种错 综复杂的化学反应和物理变化的，炉内主要是还原性气氛。 2)高炉是密闭的容器，除装料、出铁、出渣及煤气外，操 作人员无法直接观察到反应过程的状况。只能凭借仪器仪表间 接观察炉内状况。（黑箱操作） 3)高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动 化水平较高。,3.1.2 高炉炼铁的原料和产品,高炉冶炼的主要原料是铁矿石、燃料、熔剂、热风 高炉冶炼的主要产品是生铁、高炉渣和高炉煤气。 1）生铁 生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁。 炼钢生铁供转炉、电炉炼钢使用。 铸造生铁则主要用于生产耐压铸件。 生铁是Fe与C及其它一些元素的合金。 通常，生铁含Fe 94%左右，C 4%左右。 其余为Si、Mn、P、S等少量其他元素。,一般来说，生铁和钢的化学成分主要差别是含碳量。钢中含碳量最高不超过2.11%。 高炉生铁含碳量在2.54.5%范围。 铸铁中不超过5.0% 当铸铁中C5.0%时，铸铁甚脆，没有实用价值。 含碳量在1.62.5%之间的钢铁材料，由于缺乏实用性，一般不进行工业生产。,炼钢生铁作为转炉炼钢的原料，约占生铁产量的8090%。 铸造生铁，又称为翻砂铁或灰口铁，用于铸件生产。 其主要特点是含硅较高，在1.254.25%之间。硅在生铁中能促进石墨化，即使化合碳游离成石墨碳，增强铸件的韧性和耐冲击性并易于切削加工。铸造生铁约占生铁产量的10%左右。 高炉还可生产特殊生铁，如锰铁、硅铁、镜铁。 镜铁（含1025%Mn）、硅镜铁（含913%Si，1824%Mn）等，主要用作炼钢脱氧剂和合金化剂。（不划算，一般不生产）,2)高炉渣 高炉渣主要成分是CaO、MgO、SiO2、Al2O3等。 由于冶炼矿石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我国大中型高炉的单位生铁渣量在0.30.5t之间，其工业用途广泛。 如在炉前急冷粒化成水渣，作成水泥和建筑原材料，酸性渣还可在炉前用蒸汽吹成渣棉，作绝热材料。 冶炼多元素共生的复合矿时，炉渣中常富集有多种元素（如稀土、钛等）。这类炉渣可进一步利用。,3）高炉煤气 高炉煤气含有约20%25%的CO，13%的H2,少量的CH4等。 冶炼每吨生铁可产生16003000m3的高炉煤气，从高炉排出的煤气中含有大量的炉料粉尘，经过除尘处理可使含尘量降到1020mg/m3。除尘处理后的高炉煤气发热值约为33503770kJ/m3，是良好的气体燃料。但高炉冶炼产生的煤气量、成分及发热值与高炉操作参数及产品种类有关。 高炉煤气是钢铁联合企业的重要二次能源，主要用作热风炉燃料，还可供动力、炼焦、烧结、炼钢、轧钢等部门使用。注意：民用煤气并不是高炉煤气，而是焦炉煤气！,3.1.3 高炉生产主要技术经济指标,高炉生产的技术水平和经济效果可用如下技术经济指标来衡量： 有效容积利用系数() 是指每立方米高炉有效容积、每昼夜生产的合格生铁量。 式中：P生铁日产量；V高炉有效容积，m3, 焦比（K） 是生产1吨生铁所消耗的干焦炭质量。显然，焦比愈低愈好。 式中：Q每日消耗焦炭量，kg/d。 在喷吹燃料时，高炉的的能耗情况用燃料比（K燃）表示，即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。 K燃（焦炭+煤粉+重油+） kg/t,喷吹燃料按对置换比折算为相应的干焦（K）与实际耗用的焦炭量（焦比K）之和称为综合焦比（K综）。 K综（K + K） kg/t 冶炼强度（I） 每m3高炉有效容积每天消耗焦炭的重量。,利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的关系为： 生铁合格率 合格生铁量占高炉总产量的百分数。此外，优质生铁占生铁总量的百分数称为优质率。合格率和优质率都是生铁质量指标。对生铁质量的考查主要看其化学成分（如S和Si）是否符合国家标准。 休风率 高炉休风时间占规定作业时间的百分数。, 生铁成本 生产1吨生铁所需的费用。 一代高炉寿命（炉龄） 从高炉点火开炉到停炉大修之间的时间，或高炉相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命。,3.2高炉冶炼原理 3.2.1 高炉内各区域进行的主要反应,为了弄清高炉内各部分的反应及变化规律，人们曾多次对正在运行中的高炉突然停炉，并用水或氮气进行急冷，使炉内物料保持生产时的原状，然后对其解剖分析，以揭示高炉内部的奥秘。大量解剖研究表明，炉料下降过程分布是呈层状的，直至下部熔化区域，但炉料中焦炭在燃烧前始终处于固体状态而不软化不熔化。一般，高炉内炉料分布可分为块状带、软熔带、滴落带、焦炭回旋带和炉缸带五带。,高炉冶炼过程中炉内炉料下降过程状态的变化,高炉内各区域主要反应及特征,3.2.2燃烧反应,高炉内然料燃烧的意义 高炉冶炼的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素。除少数消耗 于直接还原和溶入生铁外，绝大部分下降至风口与热风中的 氧进行燃烧反应。从风口喷吹的燃料也在风口前燃烧。燃 料燃烧放出大量的热，并产生高温还原性气体(CO,H2)，保 证了炉料的加热、分解、还原、熔化、造渣等炉缸内渣铁反 应的进行。,高炉冶炼的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降过程中参加直接还原和渗人生铁外，约70%进行燃烧反应。此外还有从风口喷入的燃料(重油、天然气、煤粉)中的碳等均在风口前发生燃烧反应。 完全燃烧： 不完全然烧： 高炉内燃烧反应在焦炭过剩条件下进行，即使在氧充足处产生的CO2也会与固体碳进行气化反应，如下式： 热风带入的氮在整个过程中不参与反应、带入的水分在高温下与碳发生反应：,理论燃烧温度,理论燃烧温度：即风口前焦炭燃烧所能达到的最高平均温度，也即炉缸煤气尚未与炉料参与热交换前的原始温度。 T理=（QC+Q物+Q风-Q水解-Q喷吹）/(V煤气*C煤气） 理论燃烧温度是判断炉缸热状态的重要参数。 通常可以通过以下措施提高理论燃烧温度可采取主要措施包括： (1)提高鼓风温度； (2)提高鼓风中氧气含量； (3)降低鼓风湿度； (4)减少喷吹量； (5)减少炉缸煤气体积。,回旋区和燃烧带,随着高炉冶炼强度的提高风速 增大(I00200 m/s) 焦炭在风口 前随气流一起运动，形成一个非 静止的、疏散的、近似球形的自 由空间，即为风口回旋区。,影响燃烧带大小的因素主要有： 鼓风动能 表示鼓风的穿透能力。鼓风动能越大，燃烧带越大。 燃烧反应速度 燃烧反应速度提高，燃烧带缩小。一般情况下，风温提高。燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小；鼓风中氧增加，燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小。 炉缸料柱压力 炉缸内料柱疏松，燃烧带延长；反之，燃烧带缩小。 焦炭性质焦炭粒度、气孔度、反应性等对燃烧带大小也有一定的影响。,3.2.3 炉料的蒸发、挥发和分解,入炉的炉料首先受到上升煤气流的加热作用，进行水分的蒸发、结晶水的分解、挥发物的挥发和碳酸盐的分解。 水分的蒸发和结晶水的分解 炉料中水分存在形式以吸附水和结晶水两种形式。 吸附水加热到105时迅速干燥和蒸发。蒸发耗热不多，仅使炉顶温度降低，对高炉冶炼过程不产生明显的影响。 结晶水也称化合水，一般存在于褐铁矿(nH2OFe2O3)等化合物中。 随着温度升高到400600,结晶水在炉内大量分解。如果结晶水分解发生在炉内高温区，会发生H2O+C=CO+H2,会增大高炉内燃料消耗，对冶炼产生不利影响。,挥发分的挥发,挥发物的挥发包括燃料中挥发分的挥发和高炉内其他物质的挥发。 燃料中挥发分对于煤气成分和冶炼过程影响不大，但在高炉喷吹条件下，容易引起炉缸煤气成分的明显变化，对还原也有影响。应尽可能把燃料中的挥发分控制在下限水平。 除燃料中的挥发分外，高炉内其他元素挥发或循环富集，包括： (1)还原产物:S,P,As,K,Na,Zn,Pb,Mn等； (2)还原中间产物：SiO, PbO, K2O,Na2O等； (3)高炉内新生化合物：SiS,CS等。 另外炉料带入的CaF2等化合物的挥发也会对高炉炉况和炉衬产生不利影响。,碳酸盐的分解,高炉内碳酸盐主要以CaCO3 , MgCO3 、FeCO3, MnCO3等形式存在，并以熔剂中的CaCO3为主。 石灰石分解后，越有50%以上参与CO2+C=H2+CO反应，强吸热反应，此反应的发生对于高炉冶炼将产生危害。 石灰石分解对冶炼的影响 反应耗热，反应耗碳都使焦比升高，反应产物CO2冲淡了还原气氛。 为减少其危害通常可采用熔剂性烧结矿或球团矿，不加或少加石灰石，缩小矿石粒度等措施来降低焦比。,3.2.4 氧化物还原热力学, 铁氧化物及其特性,（2）还原的顺序性,还原中的赤铁矿球,（3）还原反应的分类,间接还原反应 定义：以CO或H2为还原剂，产物为CO2或H2O（水蒸气）的反应。 直接还原反应 定义：高炉内消耗固体还原剂C的还原反应，产物为CO气体。,（4）用CO、H2还原（间接还原反应）,平衡常数,平衡气相中%CO和%H2也仅是温度的函数，作平衡气相中%CO-T或% H2-T关系图，得“叉子曲线” 。,CO还原铁矿石气相平衡组成图,570, 由图可看出，曲线a、c、d向上斜，为放热反应;曲线b向下斜，为吸热反应，三个放热反应一个吸热反应。 b 、 d 、 c三条曲线交于570，在此Fe 、 FeO 和Fe3O4三相平衡共存。 曲线把图像分为四个区域，分别表示Fe 、 FeO 、 Fe3O4和 Fe2O3稳定存在区域。 T570时还原顺序为：Fe2O3Fe3O4 Fe 温度大于570时还原顺序为： Fe2O3Fe3O4 FeO Fe,570, 由图可看出，曲线4向上斜，为放热反应;曲线1，2，3向下斜，为吸热反应，三个吸热反应一个放热反应。 1、 2 、 3三条曲线交于570，在此Fe 、 FeO 和Fe3O4三相平衡共存。 曲线把图像分为四个区域，分别表示Fe 、 FeO 、 Fe3O4和 Fe2O3稳定存在区域。 T570时还原顺序为：Fe2O3Fe3O4 Fe 温度大于570时还原顺序为： Fe2O3Fe3O4 FeO Fe,CO还原铁矿石气相平衡组成图, 与CO还原一样，均属间接还原。反应前后气相体积没有变化，即反应不受压力影响。 除Fe2O3,的还原外，Fe3O4、FeO的还原均为可逆反应。为了铁的氧化物还原彻底，都需要过量的还原剂。 CO还原是三个放热反应一个吸热反应； H2的还原是三个吸热反应一个放热反应。 从热力学因素看810 以上时H2的还原能力高于CO还原能力， 810 以下时，则相反。, 从反应的动力学看， H2与其反应产物H2O的分子半径均比CO与其反应产物CO2的分子半径小，因而扩散能力强。以此说明不论在低温或高温下，H2还原反应速度都比CO还原反应速度快。,（5）消耗H2与CO的间接还原比较,（6）用固体碳的还原反应直接还原,矿石在软化和熔化之前与焦炭的接触面积很小，反应的速度则很慢。所以直接还原反应受到限制。在高温区进行的直接还原实际上是通过下述两个步骤进行：,CO2+C=CO 这个反应成为碳的气化反应，是一个强的吸热反应。1000 以上才剧烈进行，因此，只有在高于1000 以上才能发生消耗固体碳的直接还原。,直接还原反应机理,固体C直接还原铁氧化物的平衡状态图解,（7）直接还原与间接还原的比较,铁氧化物的间接还原,铁氧化物的直接还原,（8）高炉内直接还原与间接还原的分区,（9）高炉内直接还原和间接还原的适宜比例,理想的高炉行程应该是：直接还原产生的CO和用于提供热量消耗产生的CO刚好满足间接还原和高炉对总的热量的需求。 实际高炉中的直接还原度rd=0.4-0.6 理论上直接还原度Rd=0.2-0.3焦比最低，因此现场仍然需要降低直接还原比例！,高炉内100%被还原的元素有： Cu、P、Ni （与Fe形成合金） Pb（比重大，沉积于炉底） Zn（挥发，参与循环） 高炉内部分被还原的元素有： Mn 50%85% Si 5%10% v 75%85% Ti 2%5% 高炉内不能被还原的元素有：Mg、 Ca、 Al,（10）高炉内非铁元素的还原,1) 锰的还原 锰一般由锰矿带入，有的由矿石带入，锰氧化物还原与铁类似，由高价向低价逐级还原。 MnO2Mn2O3 Mn3O4 MnO Mn 气体还原剂CO和H2把MnO2还原为低价Mn比较容易，但只能由直接还原方式还原为Mn，其开始还原温度在10002000之间，其反应如下：,冶炼普通生铁时Mn有40%60%进入生铁，5%10%挥发进入 煤气，其余进入炉渣。,2) 硅的还原 高炉中硅主要来源于矿石中脉石和焦炭灰分中的SiO2 或硅酸盐,为稳定化合物，比Fe，Mn难还原。Si只能在下部高温区(1300)以直接还原方式进行。 当T1500时， 当T 1500时，,Si的还原是强吸热反应，一般还原出1kgSi需热量约相当于从Fe0中还原出1kgFe所需热量的8倍。所以生铁中含Si量愈高，炉温也升高，生产中常以生铁含Si量衡量炉温变化，称为化学温度。,在冶炼普通炼钢生铁是只有510%被还原进入生铁。我国的Si含量约在0.40.8%。,3) 磷的还原 炉料中的磷主要以磷酸钙 3CaO P2O5 (又称磷石灰)形态存在，有时也以磷酸铁（3FeO P2O5 8H2O） (又称蓝铁矿)形态存在。 2（3FeO P2O5 8H2O）+16 CO = 3Fe2P + P +16 CO2 +16H2O T 9501000 2（3FeO P2O5 8H2O）+16 C = 3Fe2P + P +16 CO+16H2O T 9501000 3CaO P2O5 + 5 C = 3CaO + 2P +5CO T开始 = 10001100 蓝铁矿铁矿脱水后较容易还原，磷酸钙是一种很稳定的化合物，在高炉内能与渣中SiO2作用，使P2O5游离出来。由于P2O5易挥发，与焦炭有良好的接触条件，有利于被C还原，还原出来的P溶入铁中生成Fe3P 和Fe3P。,P在高炉内几乎可以100%被还原进入生铁因此降低生铁中含磷量的唯一途径是控制炉料中的含磷量。,4) 铅、锌、砷的还原我国的一些铁矿石中含有铅、锌、砷等元素，这些元素在高炉冶炼条件下易还原。还原出来的这些元素会对生铁质量和高炉本身产生一定的影响。,对于铁氧化物反应，动力学是说明反应是通过什么步骤进行(反应机理)，以及反应速度和反应达到平衡所需时间的科学。 目前为止能比较全面解释铁氧化物整个还原过程的理论是未反 应核模型理论。这种理论认为铁氧化物从高价到低价逐级还 原，随着反应的进行，未反应核心逐渐缩小，直到完全消失， 整个反应过程按以下顺序进行: (1) 还原气体外扩散; (2) 还原气体内扩散; (3) 还原气体被界面吸附; (4) 界面化学反应; (5) 氧化气体的脱附; (6) 氧化气体内扩散; (7) 氧化气体外扩散。,3.2.5 还原反应动力学,矿球反应过程模型,反应的还原推动力,3.2.6 生铁的形成和渗碳过程,在高炉上部己有部分铁矿石逐渐还原成金属铁。随着温度的不 断升高逐渐有更多的铁被还原出来，刚还原出来的铁呈多孔海 绵状，称为海绵铁，早期出现的海绵铁成分较纯，几乎不含 碳。 而高炉内生铁形成的主要特点是经过渗碳过程。炉内渗碳大致 可分三个阶段： 第一阶段：海绵铁的渗碳。 当温度到727，一般在高炉炉身中上部时，固体海绵铁 开始发生如下的渗碳过程：(渗碳量占全部渗碳量的1.5%左 右。),第二阶段：液态铁的渗碳。 经初步渗碳的金属铁在1400左右时与炽热的焦炭继续进行固相渗碳，开始熔化为铁水，穿过焦炭滴入炉缸。熔化后的铁水与焦炭直接接触的渗碳反应：(到达炉腹处，生铁的最终含碳已达4%左右)。 第三阶段：炉缸内的渗碳过程。 炉缸部分只进行少量的渗碳，一般只有0.1%0.5%。 经过以上阶段铁水在向炉缸滴落的过程中，除了渗碳反应外， 还有硅、锰、磷进入生铁，脱除硫等有害杂质。形成最终成分的生铁。,炉渣对高炉的炉况和生铁的质量有着决定性的影响。要想炼好铁，必须造好渣 炉渣的形成 炉渣的形成要经历由初渣中间渣终渣过程，简述如下： 初成渣的生成 包括固相反应、软化、熔融、滴落几个阶段。软熔带中形成液 态初渣。初渣中(FeO) , ( MnO)含量较高。 中间渣的变化 处于滴落过程中成分、温度不断变化的炉渣。 处于软熔带以下、风口平面以上部位。中间渣中(FeO) , ( MnO) 含量逐渐减小，( CaO), ( MgO)含量逐渐增大，炉渣黏度增大。,3.2.7 高炉炉渣的形成及作用, 炉渣的成分 冶炼1t生铁大致产生4001000kg炉渣，国外先进水平巳达300kg左右。炉渣的主要来源是铁矿石中的脉石以及燃料燃烧后剩余的灰分。用焦炭冶炼，高炉炉渣成分大致范围如下:, 终渣由中间渣转化而得，通过风口平面聚集在炉缸，是成分、性质较稳定的炉渣。终渣中(Al2O3),(SiO2)增大，(FeO) , ( MnO), ( CaO), ( MgO)含量减小，( CaS)含量增大，碱度减小。,(4) 高炉渣的作用和要求 高炉冶炼过程，除在化学反应上实现Fe-O分离外，还要实现金属与氧化物等的机械或物理分离，而这要靠性能良好的液态炉渣，并利用渣铁密度的不同达到渣铁分离的目的。为此。要求高炉渣应具有以下作用: 炉渣与生铁互不溶解，且密度不同，因而，使渣铁得以分离，得到纯净的生铁。 具有充分的脱硫能力，保证生铁合格。 调整生铁成分，保证生铁质量。炉渣成分有利于有益元素的还原，抑制有害元素的还原，即炉渣应具有选择还原性。 有利于炉况顺行，获得良好的冶炼技术经济指标；同时应有利于保护炉衬，延长炉衬寿命。,3.2.8 炉渣去硫,高炉中的硫主要来源于炉料中的焦炭、矿石、熔剂和喷吹燃料 等。其中焦炭带入的硫量占60%80%。冶炼每吨生铁由炉料 带入的总硫量称为硫负荷。一般硫负荷为45kg/t。 高炉内的去硫主要是含有FeS的铁水在滴过渣层时以及在渣铁 相界面处进行： 总的脱硫反应为 产物CO气体起搅拌作用，可加速去硫反应。,硫在一般结构钢中是有害元素。钢液凝固时S在技晶间偏析，Fe晶界上富集，形成熔点1100 的FeS，FeS与Fe的共晶点只有988 ，热轧时在晶界上产生热裂现象，造成内部裂纹，即硫的热脆性。因此钢铁产品硫含量应尽可能降低。 我国国家标准规定：炼钢生铁含 %S 007。优质炼钢生铁含%S 003 。,脱硫的热力学条件： (1) 钢渣间脱硫反应是吸热反应温度升高有利于脱硫高 温主要增加了脱硫速度; (2) 低(FeO)有利于脱硫; (3) 高碱度度有利于脱硫; (4) 大渣量有利于脱硫;,高炉强化冶炼的目的是提高产量，即提高高炉冶炼强度(I),提 高高炉有效容积利用系数(0)和降低焦比(K)。主要措施包括： (1) 精料 具体概括为:“高、熟、净、匀、小、稳、少、好”。 “高”指入炉矿石含铁品位要高，焦炭、烧结矿和球团矿强度要高，烧结矿的碱度要高。 “熟”指熟料，即将铁矿粉制成具有高温强度，又符合各项冶金性能要求的块状料。 “净是指入炉原料中小于5 mm的粉末要筛除。 “匀”是指高炉炼铁的炉料粒度要均匀。 “小”是指入炉料的粒度要小、均匀，上限所规定的范围要窄，并控制住炉料中的大块。,3.2.8 高炉强化冶炼与节能,“稳”是指入炉料的化学成分和物理性能要