[毕业设计精品]降低焦比在高炉冶炼中的意义

1、14毕业论文摘 要此文主要论述了高炉冶炼中焦炭的作用地位，并写从高炉的热量来源和消耗上来谈降低焦比的措施和方法，并借鉴了世界上较为先进的节焦工艺和方法。关键词：焦比；焦炭作用；富氧鼓风；高压操作；节焦；1 文献综述 降焦节能是当前高炉炼铁的关键难题之一，高炉冶炼过程中的焦比和燃料比高低，是衡量高炉能否获得优良技术经济指标的重要参数，从长远意义上讲是决定高炉炼铁能否实现可持续发展的关键。此文论述了高炉操作和技术管理与降焦节能之间的关系。在理论分析与实践研究的基础上，探索出了高炉降焦节能的具体措施。 2 什么是焦比焦比-冶炼概念 煤炭焦比高炉炼铁的技术经济指标之一。即高炉每冶炼一吨合格生铁所耗用焦

2、炭的吨数。它是反映高炉炼铁原料、燃料、设备和技术操作水平的重要技术经济指标。1 公式焦比= 每昼夜的焦炭消耗量(吨) / 每昼夜的生铁产量(吨)或平均每炼一吨生铁所消耗的焦炭量，用千克表示。 焦比质量一般大中型高炉的焦比为0.60.8之间(或600800千克之间)。世界先进水平焦比已接近400千克，个别为350千克。3 降低焦比在高炉冶炼中的重大意义 降低焦比，即可使每批炉料中的矿石相对增多，焦炭相对减少，就能多出铁，降低炼铁成本。：4 焦炭在高炉冶炼中的地位和作用焦炭是为高炉冶炼提供热量和还原剂的重要炉 料。根据冶炼要求，高炉焦必须具有适当的化学性质 和物理性质，包括高温下的热态性质。自18

3、世纪初叶 焦炭用于高炉炼铁成功以来，已有200多年历史。为 满足高炉操作的要求，人们长期对焦炭性质进行过大 量研究。20世纪60年代以后，高炉炉容的大型化和冶 炼的强化对高炉焦的质量提出了更加严格的要求，人 们又通过高炉解剖，全面、系统地分析了焦炭在高炉 中的作月和行为，并据此提出对高炉焦的质量要求，研 究改善高炉焦质量的途径。 在高炉中的作用炼铁高炉是一个中空的竖炉， 自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹和炉缸五部分。 铁矿石、焦炭和造渣熔剂等块状炉料从炉顶依次分批 装入炉内。焦炭在炉缸上部的风口区与由风口鼓入的 高温空气(或富氧空气)相遇，樵烧放热，燃烧产生 的co:与风口边缘的焦炭反应生成

4、的还原性气体co 将矿石还原成生铁。每生产1t生铁需要的焦炭量 (kg)称为焦比，一般中型以上高炉的焦比约为 500kg/t。焦炭在高炉炼铁中是不可缺少的炉料，对高炉炼铁技术进步的影响率在30%以上，在高炉炼铁精料技术中占有重要的地位。焦炭对高炉炼铁的作用是：一是主要的热量来源，高炉炼铁炭素(包括焦炭和煤粉)燃烧所提供的热量，占高炉炼铁总热量来源的 71%。随着喷煤比的提高，焦炭用量在逐步减少。但是，焦炭的用量总是要大于喷煤量。理论最低焦比为250kg/t, 焦炭在风口燃烧掉55%65%。二是还原剂，焦炭还原作用是以 c和 co形式来对铁矿石起还原作用。炉料到风口焦炭溶反应为25%35%。三是

5、生铁的溶碳，在高炉炼铁过程中焦炭中的碳是逐步渗透到生铁中。一般铸造生铁含碳3.9%左右，炼钢生铁在4.3%左右。生铁渗碳消耗焦炭7%10%。四是炉料的骨架作用，焦炭在高炉内是起骨架作用，支撑着炼铁原料(烧结矿，球团矿，天然块矿)，又起到煤气的透气窗作用。 焦炭的 4种作用中，提供热源的主导作用不会改变，这就决定了理论焦比最低值。低于这个最低值，高炉炼铁就难以正常生产，或经济上就不合算了。在各种条件下高炉炼铁中碳的还原作用和渗碳功能不会有较大的变化。在高喷煤比条件下，焦炭的骨架作用会显得更加突出，相应对焦炭的质量要求也会越来越高。否则，是难以实现高喷煤比，高炉炼铁不能正常生产。焦炭从料线到风口平

6、均粒度减少20%40%。劣质焦炭和热反应性差粉化率会很大。焦炭质量变化对高炉炼铁的影响见表3: 焦炭质量变化对高炉炼铁的影响是比较大的。通过洗煤可以降低煤炭中的灰分和硫分，采用干法熄焦可以降低焦炭的水分，提高主焦煤的配比和条取综合技术装备可以改善焦炭的m40和m10指标。从技术上讲上述措施均是可行的。但是要把技术与经济管理相结合，找出最佳操作点，同时还要考虑到资源供给的条件。所以各企业要根据客观条件，本企业技术装备现状，科学、合理地提出不同时期不同炉容的高炉对焦炭质量标准。 高炉大型化以后对焦炭质量提出了新的更高要求，并对焦炭热性能等提出了要求。高炉大型化以后，料柱增高后，料的压缩率提高了，透

7、气性变差。特别是炉缸容积变大以后，炉缸的焦炭状态对高炉生产的影响更大了。不同容积的高炉又对焦炭质量要求见下表，炉容越大，要求越趋于严格。 由上表可知，随着高炉炉容的大型化，对 m40的要求愈来愈高，而对 m10的要求愈来愈低；同理，对 csr的要求愈来愈高，而对 cri的要求愈来愈低；而对灰分和硫分要求倒是越来越小，总体，对焦炭的冷热态强度提出更高要求。 高炉大型化对焦炭质量提出了更高要求。要使所炼焦炭质量能够适应高炉大型化发展，则可通过洗煤降低灰分和硫分；采用干法熄焦降低焦炭水分，提高主焦煤配比和采取综合技术装备可以改善焦炭的m10、m40 以及csr 、csi等指标。但在技术装备一定的情况

8、下，扩大焦、肥配比是大部分钢铁企业提高焦炭强度的有效途径和常用方法。据统计，目前我国鞍本钢、首钢等大中型钢铁企业高炉大型化取得突破性进展，其焦肥比炼焦配比与传统配比相比，至少提高了 5-10个百分点。以此推算，2006-2007年大型高炉炼铁所需焦炭增耗焦、肥煤约 450万吨/年。同时，近年来，我国钢铁企业自配焦炉产能占国内新建焦炉产能的比重逐年上升，2005年、2006年、 2007年分别占到57.8%、42.2%和81.4%。据统计，2006年2008年全国新建、拟建的焦炭产能中钢铁企业自配焦炉产能达到 4100万吨，占所有新增产能的68%。这两方面因素共同影响，必将对稀缺的焦、肥煤资源形

9、成旺盛需求，并将进一步加剧钢铁配套焦化厂与独立焦化企业竞购焦、肥煤的激烈程度。 （待续） 5 高炉冶炼对焦炭质量和性能的要求焦炭质量好坏，直接影响高炉冶炼过程的进行及能否获得好的技术经济指标，因此对入炉焦炭有一定质量要求。5.1 化学性质5.1.1固定炭和灰分：固定碳和灰分 焦炭中的固定碳和灰分的含量是互为消长的。固定碳按下式计算：(c固)=100(灰分十挥发分十硫)要求焦炭中固定碳含量尽量高，灰分尽量低。因为固定碳含量高，发热量高，还原剂亦多，有利于降低焦比。生产实践证明：固定碳含量升高l，可降低焦比2。焦炭中灰分的主要成分是si02、a12o3。灰分高，则固定碳含量少，而且使焦炭的耐磨强度

10、降低，熔剂消耗量增加，渣量亦增加，使焦比升高。生产实践还证明：灰分增加l，焦比升高2，产量降低3。我国冶金焦炭灰分一般为11l4。5.1.2硫磷含量：硫和磷在一般冶炼条件下，高炉冶炼过程中的硫有80是由焦炭带入的。因此降低焦炭中的含硫量对降低生铁含硫量有很大作用。在炼焦过程中，能够去除一部分硫，但仍然有7090的硫留在焦炭中，因此要降低焦炭的含硫量必须降低炼焦煤的含硫量。焦炭中含磷一般较少。5.1.3挥发分和水分：挥发分 焦炭中的挥发分是指在炼焦过程中未分解挥发完的h2、ch4、n2等物质。挥发分本身对高炉冶炼无影响，但其含量的高低表明焦炭的结焦程度。正常情况下，挥发分一般在07l2。含量过高

11、，说明焦炭的结焦程度差，生焦多，强度差；含量过低，则说明结焦程度过高，易碎。因此焦炭挥发分高低将影响焦炭的产量和质量。焦炭中的水分是湿法熄焦时渗入的，通常为26。焦炭中的水分在高炉上部即可蒸发，对高炉冶炼无影响。但要求焦炭中的水分含量要稳定，因为焦炭是按重量入炉的，水分的波动将引起入炉焦炭量波动，会导致炉缸温度的波动。可采用中子测水仪测量入炉焦炭的水分，从而控制入炉焦炭的重量。5.2物理性质5.2.1 机械强度 焦炭的机械强度是指耐磨性和抗撞击能力。它是焦炭的重要质量指标。高炉冶炼要求焦炭的机械强度要高。否则，机械强度不好的焦炭，在转运过程中和高炉内下降过程中破裂产生大量的粉末，进入初渣，使炉

12、渣的黏度增加，增加煤气阻力，造成炉况不顺。目前我国一般用小转鼓测定焦炭强度。小转鼓是用钢板焊成的无穿心轴的密封圆筒，鼓内径和宽均为1000mm，内壁每隔90焊角钢一块，共计4块。试验时，取粒度大于60mm 的焦炭30kg，放人转鼓内，转鼓以25rmin的速度旋转100转，即4min，倒出试样，用40mm和声l0mm的圆孔筛筛分，以大于40mm的焦炭占试样总量的百分比(以m40表示) 作为破碎强度指标，以小于l0mm的焦炭占试样总量的百分比(以m10表示)作为耐磨强度指标。m40愈大，ml0愈小，表明焦炭的强度愈高。一般要求m4072，ml010。应该指出，小转鼓强度只代表焦炭在常温下的强度，并

13、不能代表焦炭在高炉内的实际强度。鉴定焦炭在高温下的强度的方法有待于进一步研究5.2.2粒度 粒度均匀、粉末少对于焦炭粒度，既要求块度大小合适，又要求粒度均匀。大型高炉焦炭粒度范围为2060mm，中小高炉用焦炭，其粒度分别以2040mm和大于15mm 为宜。但这并不是一成不变的标准。高炉使用大量熔剂性烧结矿以来，矿石粒度普遍降低，焦炭和矿石间的粒度差别扩大，这不利于料柱透气性，因此，有必要适当降低焦炭粒度，使之与矿石粒度相适应 焦 3焦炭的化学性质 焦炭的化学性质包括焦炭的燃烧性和反应性两方面。燃烧性是指焦炭在一定温度下与氧反应生成c02的速度，即燃烧速度。其反应式为：c+02=c02反应性是指

14、焦炭在一定温度下和c02作用生成c0的速度。反应式为：c+c02=2co若这些反应速度快，则表明燃烧性和反应性好。一般认为，为了提高炉顶煤气中的co2含量，改善煤气利用程度，在较低温度下，希望焦炭的反应性差些为好；为了扩大燃烧带，使炉缸温度及煤气流分布更为合理，使炉料顺利下降，亦希望焦炭的燃烧性差一些为好。但焦炭的燃烧性、反应性究竟在多大程度上影响有待于进一步研究。 6降低焦比的措施6.1 用精料和熟料：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，将有效地减少熔剂用量和降低渣量，既能降低高炉冶炼能耗，又可改善料柱透气性。入炉矿石品位每提高1，约可降低焦比1.52.0,提

15、高产量2.53.0。用熟料 使用熔剂性烧结矿或球团矿，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。此外还有利于改善造渣过程，促进高炉热制度的稳定和炉况顺行。根据中国一些炼铁厂的经验，每提高 1熟料比，约可节约燃料23公斤吨生铁。 6.2 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。 6.3 炉喷吹燃料：从

16、风口直接把辅助燃料吹入炉缸，代替部分风口前燃烧的焦炭,以降低焦比,强化冶炼。高炉可以喷吹的燃料分液体（重油、轻油、原油、焦油及沥青等）、固体(无烟煤、烟煤、焦粉等)和气体（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： 焦比大幅度降低 中国首都钢铁公司1号高炉1966年通过富氧和提高风温，油、煤喷吹量达入炉燃料量的45，焦比月平均366公斤吨铁,目前中国多数高炉每吨铁喷煤 60120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；燃料中含有h2（如重油含h2达1012），促进高炉内的还原6.4 改进高炉送风和风中水分：改进高炉送风

17、 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时，增大煤气流速，可改善气流在炉料中的分布和扩散过程，从而改进气、固相之间的还原和传热，减少高炉热损失，焦比也随之降低；但是当煤气流速超过一定限度，不能与料柱透气性相适应时，将破坏煤气的正常分布和高炉顺行。目前高炉冶炼强度一般在0.91.1吨（米3日)之间，必须根据实际情况选用最合宜的冶炼强度(见高炉炼铁)，达到既增产又节焦。提高风温可增加鼓风带入高炉内高温区的热量，降低燃料消耗，减少煤气带走的热量。高炉喷吹燃料时，为了提供补偿热，更需提高风温。 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，但不利于能量利用

18、。高炉喷吹燃料后采用脱湿送风，除去风中大部分水分，并保持稳定。这样有利于稳定炉况和利用炉缸热能，可以扩大燃料喷吹量，更有效地降低焦比。6.5 富氧鼓风与高压操作：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，提高置换比(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。 高压操作

19、 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力,能促进高炉顺行,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0.73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23，降低焦比0.5左右。7世界上降低焦比的新工艺新方法中国发明专利200810033923.1提出了一种低焦比高炉炼铁新工艺将粉煤气化形成高温热煤气喷入高炉以煤代焦。其主要特点是,将干粉煤在气化炉内进行加压气化,产生的热煤气用净化脱除co2后的冷高炉煤气激冷到9501050,然后喷入高炉炉身中部软熔带根部上面,使高炉炉

20、料在到达软熔带时金属化率达到90%95%,这样可将大型高炉的焦比降低到200kg/t以下。本方法避开了高炉炉腹煤气量指数的限制,在低于炉料流态化流速下可通过提高还原气流速强化直接还原过程,使炉身达到接近midrex的高生产结论率,炉缸采用全氧喷煤强化熔炼,具有氧气化铁炉的效率,生产率可望比传统高炉高出30%50%。 此前报道过的各种高炉炉顶煤气喷吹工艺方案、欧洲钢铁业降低co2排放的ulcos方案、高炉喷吹还原性气体的专利,都可能会被冶金煤气加热过程中400800必然发生的严重析炭反应所困扰而难以工程化。因本方法进入高炉前的煤气温度在800以上,不会发生析炭反应。本方法充分利用成熟而已超大型化

21、的高炉技术,去掉了corex高温区的大量活动部件(dri螺旋排料机、推料板煤旋转布料器)及十分复杂的发生煤气处理系统和熔融气化炉上部调剂等自动控制系统,可达到比corex更经济、更环保、生产率更高的效果。为应对地球变暖和国际钢铁需求的急剧增大，日本的炼铁技术发展方向正在发生大的变化。对于前者，为抑制co2的发生，日本钢铁联盟已制定了自主行动计划，提出了在2010年实现co2排放量比1990年减少105的目标。为此，日本更多地采用了节能设备，还提出了扩大废塑料再利用等课题，但最关键的技术当然还是最大限度地减少炼铁工序的碳消耗。研究改善焦炭性能的措施，将焦炭在高炉内发生劣化和粉化的行为进行了归纳。

22、关于焦炭在物理学上的劣化，有因炉料载荷而产生的破裂和因炉下部风口回旋区颗粒缩流部的剪应力而产生的焦炭粉化。关于以反应为主的劣化，有因软熔带下部碳素溶解反应而产生的反应劣化和因风口回旋区内部的热冲击、燃烧粉化及气化而产生的劣化。关于哪个部位的粉化起支配影响，日本对实际高炉进行了调查，根据模型实验结果进行了概括，指出滴下带下部和风口回旋区内部的影响最大。在这里，如果注意到软融带下部碳素溶解反应而产生的焦炭劣化，可以认为在大量喷煤时用未燃碎焦取代粉煤可以减轻对焦炭的负荷，同时风口回旋区的燃烧粉化也会因粉煤优先消耗氧而减轻。在这种条件下可以推测，即使在发生焦炭粉化的主要原因中，风口回旋区内后半部发生的

23、反应劣化也起着支配作用。因此，抑制高反应性焦炭发生劣化，如抑制焦炭颗粒表面在高温区域中优先发生反应肯定将成为一种重要的手段。日本通过风口回旋燃烧炉实验也确认了使用高反应性焦炭可以减轻焦粉的蓄积，使用高cri焦炭可以使焦炭的反应劣化停留在焦炭表面，抑制焦炭发生粉化。结果可以认为风口回旋区深处形成的壳体层会减薄，对改善炉下部透气性的作用很大。但是，上述实验结果是根据模拟风口回旋区附近的燃烧炉实验所得的，因此必须注意到软融带下部焦炭碳素溶解反应负荷受粉煤喷吹量的影响。未燃碎焦的反应性比焦炭高。风口回旋区内粉煤的燃烧率估计大约为6070，在喷吹量达到180200kgt的大喷煤量条件下，由于发生未燃碎焦

24、的量基本相当于碳素溶解反应消耗量，因此反应性高的未燃碎焦基本担负着高炉内的碳素溶解反应。但是，在喷吹量小于150kgt的条件下，这种未燃碎焦的发生量低于碳素溶解反应量，替代焦炭的效果减小，软融带下部焦炭的反应劣化增高。因此，作为抑制焦炭发生粉化的措施，即控制焦炭反应性应在考虑到因粉煤喷吹量的不同，软融带下部和风口回旋区内等焦炭劣化部位的重点会发生变化之后进行控制。改善炉下部透液性的想法在炉下部避免渣的溢流是很重要的。焦炭的粒度和孔隙率会直接影响高炉下部的透液性，应从这一观点来考虑焦炭性能。针对溢流线图，研究了高炉稳定操作的范围。从炉下部气流和液流的不均匀性来看，可以推测实际溢流的临界值应在70

25、左右(下称r值)。根据各种高炉操作条件和r值的关系，可以求出在r值一定时通过改善操作条件来提高高炉利用系数的余地。也就是说，可以求出通过降低还原剂比、减少煤气单耗，从而提高高炉利用系数的各种因素，如提高炉身效率、减少热损失和抑制还原平衡等，还求出了通过减小透液阻力来提高利用系数的效果。其中，由于焦炭粒度会直接影响透液性，因此提高焦炭粒度和提高焦炭强度来增大焦炭孔隙率的效果最大。炉下部焦炭粒度增加1mm、孔隙率扩大05，可大幅度提高高炉利用系数。由此可以理解控制炉下部焦炭粒度和确保孔隙率的重要性。根据以焦炭粒度为参数，求出满足r值在70以下的利用系数和还原剂比的关系可知，通过增大焦炭粒度可大幅度

26、扩大高炉稳定操作范围。期望的焦炭性能低还原剂比操作要求的焦炭性能从确保稳定操作的观点，对要求的焦炭性能进行了介绍，尤其是，对以低还原剂比为目的的高炉操作条件和焦炭性能的关系进行了介绍。作为降低还原剂比的手段，可以举出以下几项。（1)增加输入的热量(提高送风温度和降低水分等)；（2)减少所需的热量(降低热损失等)；（3)提高炉身效率；（4)控制feofe还原平衡(添加金属铁和降低热平衡带温度等)。= 采用李斯特模型求出了各种具体操作条件和还原剂比的关系。其中，与焦炭性能有关的项目最多。使用高反应性焦炭降低热平衡带温度、通过改善煤气流减少热损失和提高炉身效率等都有助于实现低还原剂比操作。焦炭发生粉化