高炉炼铁基本原理及工艺

1、1一、高炉主要技术经济指标高炉主要技术经济指标1、利用系数利用系数: =P（高炉昼夜产铁量）/Vu（高炉有效容积）t/m3.d）2、焦比、焦比 : K=Q（昼夜焦碳用量）/P （现主要核算（现主要核算综合焦比）综合焦比）3、冶炼强度、冶炼强度: I=Q/Vu （反应焦碳的燃烧能力）4、休风率、休风率:计划外的检修时间占规定作业时间的百分比（2%）5、生铁成本：、生铁成本：原料占80%左右6、一代炉龄、一代炉龄：高炉点火开炉停炉大修历经时间（与耐材砌筑、I有关）2二、高炉冶炼原、燃料及熔剂二、高炉冶炼原、燃料及熔剂1.1.铁矿石种类及质量评价铁矿石种类及质量评价成分理论含铁量%实际富矿含铁%最低

2、工业品位%冶炼性能磁Fe3O472.445702025P，S难还原赤Fe2O370556030P，S易还原褐n Fe2O3.mH2O55.266.1375530P 易还原菱FeCO348.2304025P，S熔烧后易还原3各类铁矿石图各类铁矿石图赤铁矿赤铁矿磁铁矿磁铁矿菱铁矿菱铁矿褐铁矿褐铁矿4品位：品位：含铁量，理论上品位含铁量，理论上品位1%，焦，焦比比2%，产量，产量 3%脉石成分：脉石成分：SiO2、Al2O3越好（须重越好（须重视视Al2O3 ），），MgO 越好越好有害杂质：有害杂质：S、P、Cu、Pb、Zn、As、K、Na有益元素：有益元素：Mn、V、Ni、Cr5强度和粒度：强度

3、和粒度： 强度强度易粉化影响高炉透气性，不易粉化影响高炉透气性，不同粒度应分级入炉同粒度应分级入炉; ;还原性：还原性： 被CO、H2还原的难易、影响焦比;化学成分稳定性：化学成分稳定性： TFeTFe波动波动0.5%0.5%，SiOSiO2 2 0.03%0.03%混混匀的重要性（条件：平铺直取匀的重要性（条件：平铺直取原料原料场应足够大）场应足够大）; ;矿石代用品：矿石代用品： 高炉炉尘、转炉炉尘、轧钢皮、硫酸高炉炉尘、转炉炉尘、轧钢皮、硫酸渣等。渣等。62. （助）熔剂（助）熔剂（1）作用：）作用： 形成低熔点易流动的炉渣、脱形成低熔点易流动的炉渣、脱S（碱性熔剂）（碱性熔剂）（2）种

4、类：）种类：使用条件及作用使用条件及作用碱性碱性铁矿中脉石为酸性氧化物，包括：石灰石、白云石、石灰铁矿中脉石为酸性氧化物，包括：石灰石、白云石、石灰酸性酸性铁矿中脉石为碱性氧化物，主要为：铁矿中脉石为碱性氧化物，主要为：SiO2（只在炉况失常（只在炉况失常时使用时使用（Al2O3）18%或排碱时）或排碱时）中性中性高高Al熔剂，主要为：含熔剂，主要为：含Al2O3高的铁矿（只在降低炉渣流动高的铁矿（只在降低炉渣流动性时使用）性时使用）7(3)熔剂的质量要求熔剂的质量要求碱性氧化物含量（碱性氧化物含量（CaO+MgO52%） 概念：石灰石有效熔剂性概念：石灰石有效熔剂性CaO（有效）（有效）=C

5、aO（石灰石）（石灰石）-RSiO2（石灰石）（石灰石）S、P S（0.010.08%），），P（0.0010.03%）减少减少CaCO3入炉：入炉： 原因：原因：a. 高温分解吸热，是高炉炉温下降高温分解吸热，是高炉炉温下降 b. CO2+C=2CO，消耗焦炭，消耗焦炭 c. CO2会冲淡会冲淡CO浓度浓度 造成焦比造成焦比K增加。增加。83.高炉用燃料焦碳：主要作用：主要作用： 作为高炉热量主要来源的作为高炉热量主要来源的6080%，其它的由热风提供，其它的由热风提供 提供还原剂提供还原剂C、CO 料柱骨架，保证透气性、透液性料柱骨架，保证透气性、透液性质量要求：质量要求： 含炭量：含炭量

6、：C灰份灰份渣量渣量、强度、强度、反应性、反应性 焦比焦比 含含S量：生铁中量：生铁中S80%来源于焦碳来源于焦碳 强强 度：度：M40、M10粒度组成：粒度组成： 焦丁的利用及混装过渡区的问题焦丁的利用及混装过渡区的问题成分稳定（特指水分）：成分稳定（特指水分）： 干熄焦技术（宝钢）干熄焦技术（宝钢）焦碳反应性：焦碳反应性： C+CO2=2CO开始反应的高低快慢开始反应的高低快慢影响间接还原区的范围，从影响间接还原区的范围，从而影响焦比。而影响焦比。94.精料的含义：精料的含义：“高、稳、熟、小、匀、净高、稳、熟、小、匀、净”方方针针高：高：（1）矿石品位高（天然矿矿石品位高（天然矿62%，

7、烧结矿，烧结矿57%，球团矿，球团矿60%）渣量降低）渣量降低300KG/T铁铁（2）固定炭高，灰份）固定炭高，灰份10%（3）还原性好：烧结矿中）还原性好：烧结矿中FeO 10%（4）机械强度高：转鼓指数、高温强度、软熔温度）机械强度高：转鼓指数、高温强度、软熔温度稳：化学成分稳定（稳：化学成分稳定（TFe、R）熟：增加熟料率熟：增加熟料率1%，0.3%，焦比，焦比1.2kg/tFe小、匀、净：平均粒度差小、杂质少小、匀、净：平均粒度差小、杂质少日本称为日本称为“整粒整粒”处理处理10三、铁矿烧结及球团的基本原理、工艺三、铁矿烧结及球团的基本原理、工艺（一）烧结料组成：（一）烧结料组成：（1

8、）含铁料）含铁料：精矿粉：精矿粉200目以下（考虑成球性）、富矿粉目以下（考虑成球性）、富矿粉（58mm，烧结中的骨架）、其他（炉尘、轧钢皮等），烧结中的骨架）、其他（炉尘、轧钢皮等）（2）熔剂：以）熔剂：以CaO为主，为主， CaO 1%，烧结产量，烧结产量 3%（3）燃料）燃料：焦粉、无烟煤：焦粉、无烟煤35%，20%可进行金属化烧结（低可进行金属化烧结（低品位矿石冶炼品位矿石冶炼可持续发展问题）可持续发展问题）（4）返矿：烧结机机尾筛下物（未烧透）返矿：烧结机机尾筛下物（未烧透影响成品率）影响成品率）1112（二）烧结料层结构131.烧结矿层：随烧结过程进行不断加厚，抽入空气过冷使烧结矿

9、层：随烧结过程进行不断加厚，抽入空气过冷使烧结矿骤冷将影响烧结矿强度。烧结矿骤冷将影响烧结矿强度。2.燃烧层：主要反应为：燃烧层：主要反应为：C的燃烧、的燃烧、MCO3分解、分解、FeS2氧氧化、形成液相、铁氧化物分解还原氧化。（由于液相化、形成液相、铁氧化物分解还原氧化。（由于液相的产生使该层透气性变差）的产生使该层透气性变差）3.预热层：主要反应为：氧化还原、结晶水分解、部分预热层：主要反应为：氧化还原、结晶水分解、部分MCO3分解分解4.干燥层：主要为烧结料中水分蒸发，易使烧结料球破坏干燥层：主要为烧结料中水分蒸发，易使烧结料球破坏5.过湿层：原始混合料层，水分凝聚，影响料层透气性过湿层

10、：原始混合料层，水分凝聚，影响料层透气性14（三）烧结过程的特点（三）烧结过程的特点1.燃料燃烧需空气过剩，过剩系数燃料燃烧需空气过剩，过剩系数=1.41.5（燃料分布较（燃料分布较稀疏）稀疏）2.一般情况下烧结保持弱氧化气氛（金属化烧结除外）一般情况下烧结保持弱氧化气氛（金属化烧结除外）3.烧结过程存在自动蓄热作用（可以考虑采用上高下低的分烧结过程存在自动蓄热作用（可以考虑采用上高下低的分层配炭）层配炭）4.存在传热速度与燃烧速度的同步问题存在传热速度与燃烧速度的同步问题5.存在如何减少存在如何减少“过湿过湿”现象的问题现象的问题6.存在有害杂质存在有害杂质S的去除问题（的去除问题（S由易去

11、除由易去除S化物转化为硫酸化物转化为硫酸盐的问题）盐的问题）7.存在选用何种液相体系作为固结成型机理问题存在选用何种液相体系作为固结成型机理问题8.如何解决还原性与强度矛盾的问题如何解决还原性与强度矛盾的问题15（四）强化烧结的措施（四）强化烧结的措施1.改善透气性：适宜的水分、延长混料时间、小球烧结、预热改善透气性：适宜的水分、延长混料时间、小球烧结、预热混合料混合料2.提高抽风负压：但需考虑电耗成本增加问题提高抽风负压：但需考虑电耗成本增加问题3.高压烧结：增加气体质量流量高压烧结：增加气体质量流量4.热风烧结：可部分解决还原性与强度之间的矛盾热风烧结：可部分解决还原性与强度之间的矛盾5.

12、加入稳定剂：加入稳定剂：P类、类、B类、类、Mn、V类类6.提高提高R：铁酸钙理论，即控制液相成分，但不利于脱：铁酸钙理论，即控制液相成分，但不利于脱S7.厚料层烧结：充分利用自动蓄热作用（条件：预热混合料、厚料层烧结：充分利用自动蓄热作用（条件：预热混合料、低水原则）低水原则）8.双层烧结：二次点火，设备复杂双层烧结：二次点火，设备复杂9.料面插孔烧结：提高透气性料面插孔烧结：提高透气性16四、高炉冶炼基本原理（一）高炉还原过程（一）高炉还原过程（二）造渣与脱（二）造渣与脱S（三）风口前（三）风口前C的燃烧的燃烧（四）炉料与煤气运动（四）炉料与煤气运动（五）高炉能量利用（五）高炉能量利用17

13、高炉的五大系统18高炉炉型19（一）高炉还原过程1.高炉炉内状况20（1）块状带：矿焦保持装料时的分层状态，与布料形式及粒）块状带：矿焦保持装料时的分层状态，与布料形式及粒度有关，占度有关，占BF总体积总体积60%（2001100） 主要反应：水分蒸发主要反应：水分蒸发 结晶水分解结晶水分解 除除CaCO3外的其它外的其它MCO3分解分解 间接还原间接还原 碳素沉积反应（碳素沉积反应（2CO=C+CO2）（2）软熔带：矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也）软熔带：矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也称称“焦窗焦窗”形状受煤气流分布与布料影响，可分为正形状受煤气流分布与布料影响，可分为正

14、V型，倒型，倒V型，型，W型型 主要反应：主要反应：Fe的直接还原的直接还原 Fe的渗碳的渗碳 CaCO3分解分解 吸收吸收S（焦碳中的（焦碳中的S向渣、金、气三相分布）向渣、金、气三相分布） 贝波反应：贝波反应：C+CO2=2CO 21（3）滴落带：主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦）滴落带：主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦碳床碳床 主要反应：主要反应：Fe、Mn、Si、P、Cr的直接还原，的直接还原，Fe的渗的渗C。（4）回旋区：）回旋区：C在鼓风作用下一面做回旋运动一面燃烧，是在鼓风作用下一面做回旋运动一面燃烧，是高炉热量发源地（高炉热量发源地（C的不完全燃烧），高炉唯一的氧化

15、区的不完全燃烧），高炉唯一的氧化区域。域。 主要反应：主要反应： C+O2=CO2 CO2+C=2CO（5）炉缸区：渣铁分层存在，焦碳浸泡其中）炉缸区：渣铁分层存在，焦碳浸泡其中 主要反应：主要反应： 渣铁间脱渣铁间脱S，Si、Mn等元素氧化还原等元素氧化还原222.铁的间接还原与直接还原铁的间接还原与直接还原（1）间接还原：用）间接还原：用CO、H2为还原剂还原铁的氧化物，为还原剂还原铁的氧化物，产物无产物无CO2、H2O的还原反应。的还原反应。 特点：放热反应特点：放热反应 反应可逆反应可逆（2）直接还原：用）直接还原：用C作为还原剂，最终气体产物为作为还原剂，最终气体产物为CO的的还原反

16、应。还原反应。 特点：强吸热反应特点：强吸热反应 反应不可逆反应不可逆（3）直接、间接还原区域划分：取决于焦碳的反应性）直接、间接还原区域划分：取决于焦碳的反应性 低温区低温区 800基本为间接还原基本为间接还原 中温区中温区 8001100共存共存 高温区高温区 1100全部为直接还原全部为直接还原（4）用直接还原度）用直接还原度rd、间接还原度、间接还原度ri来衡量高炉来衡量高炉C素利用素利用好坏，评价焦比。好坏，评价焦比。233.非铁元素的还原非铁元素的还原（1）Mn的还原：的还原： 一般规律：一般规律：MnO2（550间还）间还）Mn2O3（1100 间还）间还）Mn3O4（1000

17、间还）间还） MnO（1200 直接还原）直接还原）Mn Mn还原的特点：间接还原放热大，使炉顶温度还原的特点：间接还原放热大，使炉顶温度 直接还原吸热大，使焦比直接还原吸热大，使焦比 控制控制Mn还原的手段：提高炉缸温度，但会使还原的手段：提高炉缸温度，但会使Mn的挥发损的挥发损失失 提高炉渣提高炉渣R 生铁中保持一定生铁中保持一定Si 24（2）Si的还原的还原生铁中生铁中Si的要求：的要求： 制钢铁制钢铁Si0.6 铸造铁铸造铁1.25Si4.25 Si 还原的特点：还原的特点： 大量吸热大量吸热 全部直接还原全部直接还原 焦比焦比K Si 还原的途径：还原的途径： 气化还原：气化还原：

18、 SiO2+C=SiO（g）+CO SiO（g）+C=Si+CO 渣铁反应渣铁反应：（：（SiO2）+2C=Si+2CO控制控制Si 还原的因素：还原的因素： 提高炉缸温度利于提高炉缸温度利于Si 的还原的还原 炉渣炉渣R利于利于Si的还原的还原25（3）P的还原的还原 P100%还原入铁，只有通过控制原料中的还原入铁，只有通过控制原料中的P含量来含量来控制控制P含量。含量。（4）含）含Ti矿的冶炼矿的冶炼 TiO2Ti2O3TiOTiTi（C，N）固熔体使炉渣）固熔体使炉渣粘稠粘稠26（二）造渣与脱（二）造渣与脱S1.造渣的概念与作用造渣的概念与作用概念：概念： 根据脉石、焦碳灰份组成及数量

19、，选择适当的熔剂，根据脉石、焦碳灰份组成及数量，选择适当的熔剂，形成具有一定性能的炉渣。形成具有一定性能的炉渣。作用作用： （1）促进或抑制某些化学反应）促进或抑制某些化学反应 （2）保护炉墙（高炉长寿）保护炉墙（高炉长寿）2.造渣过程造渣过程（1）初渣：）初渣： 由软化前沿至熔化前沿生成由软化前沿至熔化前沿生成 生矿：成分不均匀，软熔区间大操作困难生矿：成分不均匀，软熔区间大操作困难 酸性烧结矿：成分较均匀，但初渣为酸性酸性烧结矿：成分较均匀，但初渣为酸性 碱性烧结矿：成分可预定，存在一定碱性烧结矿：成分可预定，存在一定CaO，流动性好。，流动性好。27（2）中间渣：）中间渣： 初渣向下温度

20、升高，（初渣向下温度升高，（FeO）被还原，并吸收）被还原，并吸收CaO，R（3）终渣：）终渣： 主要成分：主要成分： （SiO2）+（Al2O3）+（CaO）+（MgO）95%， （FeO）1%283.脱脱S（1）S的来源与分布：的来源与分布： 焦碳焦碳6080%、矿石及喷吹物、矿石及喷吹物2040% （S负荷负荷46kg/t铁）铁） 煤气、炉尘煤气、炉尘510%，生铁，生铁5%，炉渣，炉渣90%（2）降低生铁）降低生铁S途径：途径： 降低降低S负荷（降低焦碳负荷（降低焦碳S含量）含量） 气化脱气化脱S（一定值）（一定值） 适宜的渣量适宜的渣量（3）炉渣脱）炉渣脱S基本反应：基本反应： Fe

21、S+（CaO）=（CaS）+（FeO） 提高炉渣脱提高炉渣脱S能力的因素：能力的因素： 温度温度 还原气氛还原气氛 R29（三）风口前（三）风口前C的燃烧的燃烧1.风口前风口前C燃烧的意义燃烧的意义 占总占总C量的量的70%，其它碳用于：，其它碳用于： 直接还原：（直接还原：（FeO）+C=Fe+CO （MnO）+C=Mn+CO （CaO）+S+C=CaS+CO 使煤气中使煤气中CO增加增加 CO2、H2O的气化：的气化： CO2+C=2CO H2O+C=H2+CO 吸热、使焦碳强度下降吸热、使焦碳强度下降 意义意义：（：（1）提供热量）提供热量80% （2）提供还原剂）提供还原剂 （3）影响

22、炉料下降、软熔带形状、煤气利用、冶炼指标。）影响炉料下降、软熔带形状、煤气利用、冶炼指标。302.燃烧带大小的控制燃烧带大小的控制下部调剂下部调剂 （1）影响燃烧带大小的因素：）影响燃烧带大小的因素： C的燃烧速度（一般认为影响不大）的燃烧速度（一般认为影响不大） 布料状态（中心堆积，燃烧带小；中心疏松，燃布料状态（中心堆积，燃烧带小；中心疏松，燃烧带大）烧带大） 鼓风动能鼓风动能EK的大小的大小 （2）影响）影响EK的因素：的因素： 风量风量，EK 风温风温，体积膨胀，质量流量，体积膨胀，质量流量 ，EK 风温风温 ，速度，速度 ， EK 总体总体EK 略有变化略有变化 风压风压 ， EK

23、风口截面积风口截面积S ， EK 31（四）炉料与煤气运动（四）炉料与煤气运动 1.炉料下降的条件：炉料下降的条件： （1）自由空间的形成）自由空间的形成 C的燃烧的燃烧 渣铁排放渣铁排放 下料中重新排列下料中重新排列 炉料软熔炉料软熔 （2）炉料下降的力学分析）炉料下降的力学分析 P=P料料-P摩摩-P浮浮-P气气 =P有效有效-P气气 P0 顺行顺行 P0 悬料，难行悬料，难行 P料料品位品位，焦碳负荷，焦碳负荷， P料料 P摩摩炉墙与炉料，炉料与炉料，炉墙与炉料，炉料与炉料，H/D（设计问题）（设计问题） P浮浮料柱浸泡在渣铁中产生，勤放渣铁料柱浸泡在渣铁中产生，勤放渣铁 P气气上升煤气对料柱的支撑力上升煤气对料柱的支撑力 322.炉腹区煤气流炉腹区煤气流 炉腹区压差（炉腹区压差（P）较大的原因，存在液态渣铁的动滞留（与冶炼）较大的原因，存在液态渣铁的动滞留（与冶炼强度强度I有关）和静滞留（与炉渣的物化性质有关），易形成液泛有关）和静滞留（与炉渣的物化性质有关），易形成液泛现象（现象（flood）。）。为避免液泛现象要求：为避免液泛现象要求： （1）渣量小）渣量小品位高、品位高、I小小 （2）提高焦碳质量）提高焦碳质量 （3）煤气流速小）煤气流速小 （4）初渣粘度小，保证一定（）初渣粘度小，保证一定（FeO）含量）含量3.炉顶煤气的分