烧结及高炉炼铁基本原理及工艺

1、高炉炼铁基本原理及工艺高炉炼铁基本原理及工艺辽宁科技学院辽宁科技学院陈韧陈韧1主要内容高炉主要技术经济指标高炉冶炼原、燃料及熔剂铁矿烧结的基本原理、工艺高炉冶炼基本原理与能量利用高炉强化冶炼的手段与方法2 宝钢高炉全貌宝钢高炉全貌3一、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：

2、原料占80%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）4二、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5铁矿全景图铁矿全景图鞍矿公司眼前山铁矿鞍矿公司眼前山铁矿鞍矿公司东鞍山铁矿鞍矿公司东鞍山铁矿6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

3、铁矿褐铁矿7粗破 细破 球磨机 分级机 磁选机 输送机8烧结厂的带式烧结机烧结厂的带式烧结机9烧结矿及烧结球团烧结矿及烧结球团烧结球团烧结球团烧结矿烧结矿10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、Cr11强度和粒度：强度和粒度： 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

4、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。122. （助）熔剂（助）熔剂（1）作用： 形成低熔点易流动的炉渣、脱S（碱性熔剂）（2）种类：使用条件及作用使用条件及作用碱性铁矿中脉石为酸性氧化物，包括：石灰石、白云石、石灰酸性铁矿中脉石为碱性氧化物，主要为：SiO2（只在炉况失常时使用（Al2O3）18%或排碱时）中

5、性高Al熔剂，主要为：含Al2O3高的铁矿（只在降低炉渣流动性时使用）13(3)熔剂的质量要求熔剂的质量要求碱性氧化物含量（CaO+MgO52%） 概念：石灰石有效熔剂性CaO（有效）=CaO（石灰石）-RSiO2（石灰石）S、P S（0.010.08%），P（0.0010.03%）减少CaCO3入炉： 原因：a. 高温分解吸热 b. CO2+C=2CO c. CO2会冲淡CO浓度 造成焦比K增加。143.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6080%，其它热风提供 提供还原剂C、CO 料柱骨架，保证透气性、透液性质量要求：质量要求： 含炭量：C灰份渣量、强度、反应性

6、焦比 含S量：生铁中S80%来源于焦碳 强 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成分稳定（特指水分）成分稳定（特指水分）： 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影响间接还原区的范围，从而影响焦比。15焦炉焦炉164.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62%，烧结矿57%，球团矿60%）渣量降低300KG/T铁（2）固定炭高，灰份10%（3）还原性好：烧结矿中FeO 10%（4）机械强度高：转鼓指数、高温强度、软熔温度稳：化学成分稳定（稳：化学

7、成分稳定（TFe、R）熟：熟：增加熟料率1%，0.3%，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17三、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）含铁料）含铁料：精矿份200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）（2）熔剂：）熔剂：以CaO为主， CaO 1%，烧结产量 3%（3）燃料）燃料：焦粉、无烟煤35%，20%可进行金属化烧结（低品位矿石冶炼可持续发展问题）（4）返矿：）返矿：机尾筛下物（未烧透影响成品率）18烧结的车间的全貌1920烧

8、结流程21（二）烧结料层结构22烧结点火示意图231.烧结矿层烧结矿层：随烧结过程进行不断加厚，抽入空气过冷使烧结矿骤冷将影响烧结矿强度。2.燃烧层：燃烧层：主要反应为：C的燃烧、MCO3分解、FeS2氧化、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）3.预热层：预热层：主要反应为：氧化还原、结晶水分解、部分MCO3分解4.干燥层：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：过湿层：原始混合料层，水分凝聚，影响料层透气性24（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=1.41.5（燃料分布较稀疏）2.一般情况下烧结保持弱氧化气氛

9、（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层配炭）4.存在传热速度与燃烧速度的同步问题5.存在如何减少“过湿”现象的问题6.存在有害杂质S的去除问题（S由易去除S化物转化为硫酸盐的问题）7.存在选用何种液相体系作为固结成型机理问题8.如何解决还原性与强度矛盾的问题25（四）强化烧结的措施1.改善透气性：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2.提高抽风负压：提高抽风负压：但需考虑电耗成本增加问题3.高压烧结高压烧结：增加气体质量流量4.热风烧结热风烧结：可部分解决还原性与强度之间的矛盾5.加入稳定剂加入稳定剂：P类、B类、Mn、V类6.提高提高

10、R：铁酸钙理论，即控制液相成分，但不利于脱S7.厚料层烧结：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）8.双层烧结：双层烧结：二次点火，设备复杂9.料面插孔烧结：料面插孔烧结：提高透气性26烧结设备（料仓）27烧结设备（烧嘴）28烧结设备（台车）29烧结设备（主排气管）30烧结设备（烧结布料机构）31烧结设备（除尘设备）32烧结设备（抽风系统）33烧结设备（风机与风箱）34烧结设备（破碎机）35烧结设备（传动装置）36四、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

11、运动（五）高炉能量利用（五）高炉能量利用37高炉炼铁过程高炉炼铁过程38高炉炼铁的流程39高炉炼铁车间全景40高炉的五大系统41高炉的原料系统42原料系统之一上料皮带43炉顶布料44称量料斗45送风系统46送风系统之热风炉47高炉本体预览48高炉本体平台构成49高炉炉型50（一）高炉还原过程1.高炉炉内状况51（1）块状带：）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BF总体积60%（2001100） 主要反应：水分蒸发 结晶水分解 除CaCO3外的其它MCO3分解 间接还原 碳素沉积反应（2CO=C+CO2）（2）软熔带：软熔带：矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也称“焦

12、窗”形状受煤气流分布与布料影响，可分为正V型，倒V型，W型 主要反应：Fe的直接还原 Fe的渗碳 CaCO3分解 吸收S（焦碳中的S向渣、金、气三相分布） 贝波反应：C+CO2=2CO 52（3）滴落带：）滴落带：主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦碳床 主要反应：Fe、Mn、Si、P、Cr的直接还原，Fe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，是高炉热量发源地（C的不完全燃烧），高炉唯一的氧化区域。 主要反应： C+O2=CO2 CO2+C=2CO（5）炉缸区：炉缸区：渣铁分层存在，焦碳浸泡其中 主要反应： 渣铁间脱S，Si、Mn等元素氧化还原532.铁的间接还原

13、与直接还原铁的间接还原与直接还原（1）间接还原）间接还原：用CO、H2为还原剂还原铁的氧化物，产物无CO2、H2O的还原反应。 特点：放热反应 反应可逆（2）直接还原：）直接还原：用C作为还原剂，最终气体产物为CO的还原反应。 特点：强吸热反应 反应不可逆（3）直接、间接还原区域划分）直接、间接还原区域划分：取决于焦碳的反应性 低温区 800基本为间接还原 中温区 8001100共存 高温区 1100全部为直接还原（4）用直接还原度rd、间接还原度ri来衡量高炉C素利用好坏，评价焦比。54铁矿石的还原示意553.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：MnO

14、2（550间还）间还）Mn2O3（1100 间还）间还）Mn3O4（1000 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的挥发损失的挥发损失 提高炉渣提高炉渣R 生铁中保持一定生铁中保持一定Si 56（2）Si的还原的还原生铁中生铁中Si的要求的要求： 制钢铁Si0.6 铸造铁1.25Si4.25 Si 还原的特点：还原的特点： 大量吸热 全部直接还原 K Si 还原的途径

15、：还原的途径： 气化还原：气化还原： 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Si 的还原 炉渣R利于Si的还原57（3）P的还原的还原 P100%还原入铁，只有原料控P（4）含）含Ti矿的冶炼矿的冶炼 TiO2Ti2O3TiOTiTi（C，N）固熔体使炉渣粘稠58（二）造渣与脱S1.造渣的概念与作用造渣的概念与作用概念： 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。作用： （1）促进或抑制某些化学反应 （2）保护炉墙（高炉长寿）2.造渣过

16、程造渣过程（1）初渣：）初渣： 由软化前沿至熔化前沿生成 生矿：生矿：成分不均匀，软熔区间大操作困难 酸性烧结矿：酸性烧结矿：成分较均匀，但初渣为酸性 碱性烧结矿：碱性烧结矿：成分可预定，存在一定CaO，流动性好59（2）中间渣：）中间渣： 初渣向下温度升高，（FeO）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%603.脱脱S（1）S的来源与分布：的来源与分布： 焦碳6080% 矿石及喷吹物2040% （S负荷46kg/t铁） 煤气、炉尘510%，生铁5%，炉渣90%（2）降低生铁）降低生铁S途径：

17、途径： 降低S负荷（降低焦碳S含量） 气化脱S（一定值） 适宜的渣量（3）炉渣脱）炉渣脱S基本反应：基本反应： FeS+（CaO）=（CaS）+（FeO） 提高炉渣脱S能力的因素： 温度 还原气氛 R61（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C量的70%，其它碳用于： 直接还原： （FeO）+C=Fe+CO （MnO）+C=Mn+CO （CaO）+S+C=CaS+CO 使煤气中CO增加 CO2、H2O的气化： CO2+C=2CO H2O+C=H2+CO 吸热、使焦碳强度下降 意义： （1）提供热量80% （2）提供还原剂 （3）影响炉料下降、软熔带形

18、状、煤气利用、冶炼指标622.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） 布料状态（中心堆积，燃烧带小；中心疏松，燃烧带大） 鼓风动能EK的大小 （2）影响）影响EK的因素：的因素： 风量，EK 风温，体积膨胀，质量流量 ，EK 风温 ，速度 ， EK 总体EK 略有变化 风压 ， EK 风口截面积S ， EK 63风口前碳的燃烧示意64（四）（四）炉料与煤气运动炉料与煤气运动 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 渣铁排放 下料中重新排列 炉料软熔 （

19、2）炉料下降的力学分析）炉料下降的力学分析 P=P料-P摩-P浮-P气 =P有效-P气 P0 顺行 P0 悬料，难行 P料品位，焦碳负荷， P料 P摩炉墙与炉料，炉料与炉料，H/D（设计问题） P浮料柱浸泡在渣铁中产生，勤放渣铁 P气上升煤气对料柱的支撑力 652.炉腹区煤气流炉腹区煤气流 炉腹区压差（P）较大的原因，存在液态渣铁的动滞留（与冶炼强度I有关）和静滞留（与炉渣的物化性质有关），易形成液泛现象（flood）。为避免液泛现象要求为避免液泛现象要求： （1）渣量小品位高、I小 （2）提高焦碳质量 （3）煤气流速小 （4）初渣粘度小，保证一定（FeO）含量3.炉顶煤气的分布：炉顶煤气的分布： （1）边缘气流）边缘气流 煤气利用差 （2）中心气流）中心气流 煤气利用一般，考虑大喷煤应以发展中心为主 （3）两道气流）两道气流中心、边缘都有一定发展，传统型 （4）管道气流）管道气流煤气分布失常 5060年代双锋为主（低I、原料差，以顺行为主） 6070年代平锋为主（I） 现代以中心开放为主VU 、大喷煤需要 664.上部调剂上部调剂（1）合理布料的意义：）合