冶金工程概论第04章非高炉炼铁第05章铁水预处理

1、 第四章 非高炉炼铁非高炉炼铁：指除高炉炼铁以外的其它还原铁矿石的方法。非高炉炼铁分类：直接还原法；熔融还原法。 直接还原法1）定义：在铁矿石熔化温度下把铁矿石还原成海绵铁的炼铁生产过程，产品叫直接还原铁或海绵铁（DRI）。2）特点：由于低温还原，得到的直接还原铁未能充分渗碳，因而含碳较低(2%)，矿石中的脉石成分既不能熔化造渣脱除，也不能被还原，因而直接还原铁中几乎保留了铁矿石中的全部脉石杂质，实际生产中仍需要用电炉精炼成钢。炼铁新技术炼铁新技术 熔融还原法一切不用高炉冶炼液态生铁的方法。它是不用焦炭在一个容器中完成高炉炼铁过程的，基本上不改变目前传统钢铁生产的基本原理。l 近年来，非高炉炼

2、铁法发展比较快，其原因： 不用焦炭炼铁； 非高炉生产的海绵铁可代替日益紧张的废钢； 省去了炼焦设备，总的基建费用比高炉炼铁法少。l 非高炉所得还原铁的用途可分为以下三类： 炼钢原料 高炉原料 铁粉可用于粉末冶金或用作电焊条的原料等。海绵铁运输与储藏中易氧化，需钝化处理海绵铁运输与储藏中易氧化，需钝化处理4.1 直接还原法l分类：固体还原剂法和气体还原剂法 使用固体还原剂法1）设备：回转窑2）产品：海绵铁（主要）、粒铁及液态生铁。3）工作原理：固体还原剂(煤) 、铁矿石、溶剂混匀，由窑尾加入，窑体有14%的倾斜度并以一定速度旋转，炉料由窑尾向摇头运动。窑头装有烧嘴，喷入燃料(煤粉、煤气或重油)燃

3、烧，废气由窑尾排除，炉料与炉气逆向运动，逐渐把固体炉料加热，达到800时，开始固体碳还原，放出的CO在氧化区被氧化，提供还原需要的热量。 回转窑炼铁过程示意1氧化区；2中性区；3还原区；4窑头；5熔化带；6粒铁带；7还原带；8预热带；9窑尾；10海绵铁法；11粒铁法；12液铁法l 炉料配加的煤炭量必须超过还原反应需要热量，以保持料层中的还原气氛。l 按照炉料出炉温度，回转窑除生产海绵铁外，还可生产粒铁和液态铁。l优点：可以直接使用储量丰富的煤作燃料l缺点：是炉内温度要求严格控制，否则会引起局部过热。使矿石软融并粘结在炉墙上，破坏正常生产。回转窑的典型代表：SL/KR法 用气体还原剂直接还原法l

4、还原剂：冶金还原煤气（H2，CO含量高，CH43符合要求的煤气不存在，需利用各种天然能源加工制取米德列还原工艺米德列还原工艺4.2 熔融还原法l 概念：概念：铁矿石在高温熔融状态下，用还原剂（碳）把铁氧化物还原成金属铁的非高炉炼铁方法。l特点：1）它仅是把高炉过程在另外一个不用焦炭的反应器中完成，是一种全新的炼铁工艺2）熔融还原的能源，是用价格便宜、储量丰富的非炼焦煤，并可直接用粉矿或块矿进行还原。3）生产出高炉品级的铁水，并适合于各种炼钢用途。4）由于高温反应，还原出来的铁能渗C而熔化，并可能有一定量的Si，Mn等元素还原溶入生铁，因此铁水可用转炉精炼。l存在的问题：1）尚未形成一个定型的生

5、产工艺流程2）产品质量差，S和Si不能有效控制3）能耗高、设备寿命短l还原工艺分类： 一步法：整个熔炼过程都集中在一个反应器中完成。 二步法：还原过程分为固体状态下的预热预还原和熔化终还原两个阶段，而且分别在两个反应器中完成，预还原装置多为流化床或竖炉，终还原炉有转炉型(熔池炉型)、竖炉型和电炉型等。l典型熔融还原工艺：COREX、Hesmelt第五章第五章 铁水预处理铁水预处理5.1 铁水预处理技术概述l 定义定义：铁水在进入转炉前，为除去某些有害元素的处理过程。l 主要任务：主要任务：脱P、脱S、脱Si。（三脱）使其中S、P、Si含量降低到所要求范围，以简化炼钢过程，提高钢的质量。l 铁水

6、预处理场所：按需要可以分别在炼铁工序、炼钢工序进行，如铁水沟、盛铁水容器(铁水包、鱼雷罐)或转炉中进行。l 硫：硫：钢中硫易引起热脆，降低钢的强度、横向力学性能和深冲压性能。转炉炼钢脱硫效果不好(一般脱硫率为3040)。处理工艺：处理工艺：分批处理法(包括：铺撤法、机械搅拌法、吹气搅拌法、喷射法、镁脱硫法)和连续处理法。l 目前常用的方法有喷吹法和KR搅拌法。l l 铁水脱硫条件比钢水脱硫优越，其主要原因： 铁水中C、Si含量高，提高硫的反应能力； 铁水中O含量低，提高渣铁之间的硫分配比。l 脱硫剂：电石(CaC2)、石灰(CaO)、金属镁（Mg）以及以它们为基础的复合脱硫剂。l铁水预脱硅、铁

7、水预脱磷均采用氧化方法。前者常在铁水沟、盛铁水容器中喷吹氧化剂进行，后者则常在盛铁水容器中喷吹氧化剂进行。5.2 铁水预脱硫 5.2.1 脱硫剂 石灰(CaO) CaO脱硫反应式：l 特点： 在高碳有一定硅含量的铁水中， CaO有较强的脱硫能力，在1350 时，反应达平衡时，铁水中的含硫量可达3.910-3%。 脱硫渣为固体渣，对铁水容器内衬耐火材料侵蚀轻微，扒渣方便，但其脱硫能力较CaC2 差，故耗量较大，渣量较多，且固体渣包裹着大量铁珠，铁损较大(约715kg/t铁)。 石灰粉流动性差，在料罐中易“架桥”堵料，且极易吸潮，使其流动性大大恶化，潮解生成的Ca(OH)2，影响脱硫效果、且污染环

8、境。石灰粉在干燥氮气下密封贮存在单独料仓内。 脱硫是暴露在大气下进行的，铁水中的Si会被氧化生成(SiO2)，(SiO2)与CaO作用生成(2CaO SiO2)，相应地消耗了有效CaO量，降低了脱硫效果。用CaO脱硫，最好在惰性气体或还原性气氛下进行。 石灰粉资源广，价格低，易加工，使用安全。 电石电石(CaC(CaC2 2) )CaCCaC2 2脱硫反应：脱硫反应：l 特点： CaC2分解出的Ca离子与铁水中的硫有极强的亲和力，脱硫能力很强。反应达平衡时，铁水中含硫量达4.910-7%。 脱硫反应是放热反应，有利于减少铁水的温降。 脱硫产物CaS，其熔点为2450 ，故脱硫后，在铁水面上形成

9、硫松的固体渣，有利于防止回硫，且对混铁车容器内衬侵蚀较轻，扒值方便。 脱硫能力强，耗量少，渣量也较少。 电石粉极易吸潮劣化，与水分接接时，迅速产生如下反应： 此反应降低了电石粉的纯度和反应强度，且产生的C2H2(乙块)易爆炸。在运输和保存电石粉时采用氮气密封，电石粉单独贮存在料仓内，在开始喷吹前再与其他脱硫剂混合。 价格昂贵，运输及保存困难，故喷吹成本高。 镁粉(Mg)金属镁的熔点为651，沸点为1201 ，铁水预脱硫的温度一般为12501450范围内，金属镁在此温度范围内会发生汽化现象。l 镁气泡脱硫反应主要发生在粗脱硫阶段，铁水的深脱硫主要依靠Mg的反应。铁水硫含量降低到0.0020.00

10、5的范围。l 特点： 镁能对铁水进行深度脱硫，可将铁水硫脱至0.005以下。 形成的MgS很稳定，熔化温度为2000 ，且密度低，容易上浮进入渣中。 镁在铁水中有一定的溶解度，铁水经镁饱和后能防止回硫。 镁用量少，脱硫过程对铁水化学成分基本无影响。 渣量少，有助于减少铁损，且有利于环境保护。 由于镁猛烈地蒸发为过热蒸气，容易造成铁水喷溅和镁蒸气在铁水罐外燃烧或爆炸，因此必须控制合适的镁的蒸发速度。 高镁蒸气压力使反应区搅拌良好，动力学条件好，有利于加快脱硫反应的速度。5.2.25.2.2铁水脱硫方法铁水脱硫方法 KRKR法脱硫法脱硫l 概念：将浇铸耐火材料并经过烘烤的十字形搅拌头，插入有定量铁

11、水的铁水罐中旋转，使铁水产生游涡。经过称量的脱硫剂由给料器加入到铁水表面，并被漩涡卷入铁水中，脱硫剂在不断地搅拌过程中与铁水中的硫发生反应，达到脱硫的目的。l 设备：扒渣机、搅拌器和脱硫剂辅选系统。l 特点： 脱硫效率高； 脱硫剂耗量少； 铁水温降小； 作业时间短： 金属损耗低； 耐火材料消耗低。 喷吹法脱硫l 概念：用喷枪以惰性气体为载体，将脱硫剂与气体混合吹入铁水底部，以搅动铁水与脱硫剂充分混合的脱硫方法。l 设备：鱼雷罐车或铁水包内进行，l 方法：混合喷吹法、复合喷吹法。l 特点：特点：速度快、效率高、操作灵活方便，处理铁水量大，设备投资少等优点。它是铁水脱硫的主要方法。5.3 5.3

12、铁水预脱硅铁水预脱硅l目的： 减少转炉炼钢石灰消耗量，减少渣量和铁损； 铁水预脱磷的需要。一般来说脱磷的铁水含硅量应小于0.15%。l 脱硅剂：氧化剂(高碱度烧结矿粉、烧结粉尘、铁矿石粉、铁锰矿、轧钢皮和氧气等)。l 脱硅是氧化放热反应，且在低温下容易进行。l方法：高炉铁水沟投入法、顶喷法、铁水罐(或鱼雷罐)喷吹法。 高炉铁水沟投入法：在高炉出铁沟挡渣器位置或铁水流入铁水罐处，投入脱硅剂。此法脱硅效率较低，约50。 顶喷法；脱硅剂(如铁皮、石灰粉和少量萤石粉)靠载气(N2)从喷粉罐中流出，经喷枪喷入到铁水中，效率约70。 铁水罐(或鱼雷罐)喷吹法：喷吹法+氧枪吹氧，脱硅效率约为80。5.4 铁

13、水预脱磷l 目的：(1) 生产低磷钢和超低磷钢的需要；(2) 优化工艺实现少渣炼钢。l 基本原理：通过氧化反应和渣化反应而生成稳定的硅酸盐和磷酸盐，以达到从铁水中去除的目的。l 脱磷剂：氧化剂、造渣剂和助熔剂组成。l 脱磷也是氧化放热反应，且在低温下容易进行。磷氧化后生成的P2O5不稳定(容易回磷)，必须与钙、钠之类的元素结合生成磷酸盐类产物，才能稳定地存在于渣中，即：l 脱磷的热力学、动力学条件是： (1) 降低反应温度，1300 低温有利于脱磷；(2) 提高钢水、炉渣的氧化性，有利于脱磷； (3) 提高钢中磷的活度和增加渣量，有利于脱磷；(4) 适当的碱度。一般来讲，脱磷渣的碱度应在2.0

14、以上。当R=2.03.0之间时，随着渣碱度的增加，磷在渣中的分配系数急剧上升；渣的碱度大于3.0后，磷在渣中的分配系数提高缓慢，渣的碱度过高，也会影响渣的流动性。(5) 对熔池进行强力搅拌。l 方法：机械搅拌法、喷吹法和转炉双联法。(1) 机械搅拌法：在铁水罐中加入脱磷剂，然后通过装有叶片的机械搅拌器使铁水搅拌均匀，也可同时吹入氧气。处理时间为3060min，脱磷率为6085。(2) 喷吹法：将脱磷剂用载气经喷枪吹入铁水深部，使粉剂与铁水充分接触，在上浮过程中将磷去除。该法常向罐内喷人苏打灰配合添加烧结矿脱磷。 铁水罐喷吹法：将脱磷剂用喷枪喷入铁水罐内的铁水中进行脱磷。 鱼雷罐喷吹法：将脱磷剂用喷枪喷入鱼雷罐内的铁水中进行脱磷