项目一第二讲高炉炼铁.课件

1、素材风暴：/PPT模板：/AE视频：/PSD素材：/html/psd/矢量素材：/html/vector/Flash素材：/html/flash/图片素材：/html/photo/PS插件：/html/pschajian/炼焦工艺项目一 焦炭及其性质第二讲 高炉炼铁 第二讲 高炉炼铁 焦炭主要用于高炉冶炼，其次还用于铸造、气化、和生产电石等，它们对焦炭有不同的要求。但高炉炼铁用焦炭（冶金焦）的质量要求为最高，用量也最大。 一、高炉冶炼过程 1.高炉内总体状况 如图1-7所示，高炉系中空竖炉，从上到下分炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五段。高炉本体是由以下各部分组成：钢筋混凝土制成的炉基，钢板卷成的

2、炉外壳，耐火砖砌成的炉衬，冷却设备以及框架和支柱等。从炼铁的工艺过程来看，它包括上料、鼓风、出铁排渣、和煤气等系统。耐火炉衬围成的空间称为高炉炉型，是进行炼铁过程的所在。 根据炼铁过程的特点，炉型各段结构不同。高炉炉料中的铁矿石（天然矿、烧结矿、球团矿）、焦炭和助熔剂（石灰石或白云石）从炉顶依次分批装入炉内，送风系统将800以上的高温空气（或富氧空气）由位于炉缸上部的风口鼓入炉内，使焦炭在风口前的回旋区内激烈燃烧而放热,并使高炉下部形成自由空间，上部的炉料借重力稳定地下降，从而构成连续的高炉冶炼过程。 图1-7 高炉炉型及各部位温度与煤气组成a炉型；b高炉内温度沿高炉的变化； c煤气中CO沿高

3、度的变化；800以下区域； 8001100区域；1100以上区域；Hu有效高度； 炉腹角； 炉身角 燃烧放出的热量是高炉冶炼过程的主要热源，占冶炼所需热量的75%80%，反应后生成的CO作为高炉冶炼过程的主要还原剂，使铁矿石中的铁氧化物还原，因此，自下而上煤气温度逐渐降低（图1-7b）。从风口开始，由于煤气中CO2与焦炭反应及铁氧化物被高温焦炭直接还原产生大量CO，所以煤气中CO含量逐渐增加，到炉腹以上部位则由于CO与铁氧化物间接还原生成CO2而逐渐降低(图1-7c)。 炉料在下降过程中，经预热、脱水、间接还原、直接还原而转化为金属铁，温度逐渐升高。铁矿石中的脉石（主要成分为SiO2、Al2O

4、3的高熔点化合物）同熔剂作用形成低熔点化合物炉渣。铁水和炉渣在向下流动过程中相互作用，进行脱硫等反应，到炉缸下部，二者借互不溶性和密度差异而分离，并分别从渣口和铁口定期放出炉外。产生的高炉煤气从炉顶导出，经冷却除尘制成净煤气。炉料在高炉内的下降时间称冶炼周期，约58小时。高炉内煤气从燃烧生成到流出炉外共约46小时。2.高炉炼铁的化学反应 在风口区，焦炭燃烧生成CO2并放出大量热，温度可达15001800，使铁、渣完全熔化而分离。C+O2=CO2+399.440MJ 温度在1100以上的炉腹及炉腰地带即区内，煤气中的CO2与焦炭作用生成CO并吸收热量。CO2+C=2CO-165.6MJ 此处焦炭

5、的消耗约为35%，同时未被还原的FeO与SiO2作用生成炉渣并开始熔化，还原后生成的海绵铁则与焦炭作用，渗碳熔化，炉料体积变小，为此炉腹按炉腹角向下逐渐收缩，以利炉料稳定下降。 炉身下部温度为8001100的区内，同时存在铁的氧化物与碳之间的直接还原反应，到1100以上因CO2几乎100%与焦炭作用生成CO，从全过程看是直接还原反应： FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ + CO2+C=2CO-165.6MJ FeO+C=Fe+CO-152.01MJ 直接还原的铁量占铁氧化物还原的总铁量之比称直接还原度 ，一般高炉的 = 0.350.50。炉料边下降边升温膨胀，为此炉身以炉身角向下逐渐

6、扩大，以利顺行。炉身上部，温度低于800的区内，主要是铁的氧化物与CO之间的间接还原反应。 3Fe2O3+CO=2Fe3O4 +CO2+37.09MJ Fe3O4+CO=3FeO+CO2-20.87MJ FeO+CO=Fe+CO2+13.59MJ 间接还原反应的特点是得到的气体产物为CO2，总的热效应是放热。 从以上反应可以看出，直接还原大量吸热，不利于高炉内的热能利用，又因碳溶反应使焦炭气孔壁削弱，所以应发展间接还原。 整个高炉炉体，从料钟落位高度到铁口中心线的距离称为有效高度H，其间的容积称为高炉的有效容积（V），我国定型设计的中小型高炉有55m3，255 m3和620 m3 等，大型高炉

7、有1053 m3、1513 m3、2500 m3及近期从国外引进的4000 m3的大高炉。有效高度是决定CO和热能利用效率的主要因素，高炉产量则决定于有效容积及它的利用率。衡量高炉操作水平的主要经济技术指标有高炉有效容积利用系数（）： = ,t铁/（m324h） (1)焦比（c）： c = ，t焦/（t铁） （2）冶炼强度 ： , t焦/(m324h) （3） 将式（1）和（2）合并得： （4） 式（4）表明：扩大高炉生产能力的途径是增大炉容（V），降低焦比和提高冶炼强度。当高炉容积增大到原炉容积的2倍时，风口个数最多增加到原风口个数的倍，所以在增大炉容的同时，提高冶炼强度的可能性不大，因此应

8、该设法提高焦炭质量，以降低焦比。 3造渣脱硫 造渣的主要目的：一是使铁矿石中的脉石和焦炭中的灰分（其中大部分为高熔点的酸性氧化物，如SiO2熔点为1713、AI2O3为2025）与溶剂（如CaO、MgO）作用，生成熔点较低，流动性好的液态炉渣，从而与铁水分开，由炉中放出，以除去炉料带入的杂质；二是利用造渣脱硫和控制硅、锰等元素的还原，以获得合格的生铁。 （1）高炉冶炼过程中硫的动态 高炉中的硫主要由焦炭带入，一般为炉料中总硫量的80%以上。焦炭中的硫，大多以硫碳复合体形态与焦炭物质结合在一起，也有一些以硫化铁和硫酸盐存在于灰分中。铁矿石和熔剂中的硫，主要呈（FeS2）形态，也有少量的CaSO4

9、等硫化物。在高炉中焦炭带入的硫约有10%20%以SO2和H2S的形态随煤气流出炉外，约有50%70%在风口燃烧生成SO2，但在随煤气流经高炉下部高温区时，被焦炭还原成硫蒸气：SO2+2C=2CO+S 铁矿石和熔剂中的FeS2被高温煤气加热分解： FeS2 FeS+S 这些硫蒸气在随煤气上升过程中又被CaO、海棉铁和铁氧化物吸附而随炉料下降。生铁中的硫以FeS的形态溶于铁水中，只有在铁水滴穿渣层时被部分脱除。 （2）影响生铁含硫的因素 铁水和熔渣互不相溶，脱硫反应只能在铁水和炉渣的接触面上进行：FeS+（CaO）（CaS）+FeOFeO+CFe+CO在高炉操作条件下，由于渣、铁接触面少，接触时间

10、短，扩散慢，故上述可逆反应远不能达到平衡，铁水中的硫就不能全部转入炉渣中。生铁中的含硫量可下式计算： （1-14）式中 S生铁含硫量，%； S料、S煤炉料带入和煤气带走的硫分，kg； Q铁生铁量，kg； n渣铁比，%； ls硫的分配系数； （ ）表示渣中； 表示铁水中。 由式1-14可知： 当其它条件一定时，炉料带入的硫分越多，则生铁含硫量越高，为了制得低硫生铁，首先应降低硫负荷（炼一吨生铁所需炉料带入的硫分，kg硫/（t生铁）。因此铁矿石宜用经过焙烧的人造富矿，焦炭要控制硫分，故降低焦比是降低硫负荷的重要途径。 随煤气流走的硫越多，生铁含硫量就越低，采用自熔性烧结矿，大大减少炉料中游离的Ca

11、O是增加煤气中硫含量的有效途径。 渣铁比高，则脱硫效率高，但焦比增加。 硫的分配系数越大，则脱硫效率越高，生铁含硫量就越低。 值主要取决于炉渣的流动性，即取决于其组成和温度。（3）炉渣脱硫的实质 硫化物的稳定性排列次序是CaS、MnS、FeS。炉渣脱硫的目的是将熔于铁水中的FeS转化为不熔于铁水中的硫化物，并转入炉渣。首先铁水中的FeS向炉渣内扩散，即FeS （FeS），已扩散到炉渣中的FeS 与炉渣中的氧化物作用，生成更稳定的硫化物。例如：（FeS）+（CaO）=（CaS）+（FeO），由于炉渣中的FeO 又与焦炭或铁水中的碳作用，FeO+C=Fe+CO，从而促使反应向脱硫方向进行。因此反应

12、的全过程是 FeS+CaO+ C= CaS+Fe+CO141230kJ。 其中提高硫化铁从铁水中向炉渣扩散的速率，是整个过程的关键。提高炉缸和炉渣的温度，一方面有利于吸热的脱硫反应向右进行；另一方面降低炉渣黏度，有利于铁水中的FeS通过界面向炉渣扩散。 炉渣组成主要由总碱度 或碱度 表示。一般低硫焦炼铁，总碱度约为1.11.25，碱度为1.21.4。适当提高碱度和总碱度有利于脱硫，但碱度过高会使炉渣黏度增加，影响料柱的透气性，引起结瘤，烧坏风口、渣口，焦比过高等不正常炉况，脱硫效率反而降低。 用白云石（MgO3CaCO3）代替部分石灰石来增加炉渣中MgO的含量，可以提高炉渣的稳定性，使之具有良

13、好的流动性，有利于造渣脱硫。 炉渣中的CaS含量高于6.5%时，炉渣黏度和熔化温度明显提高，故一般规定炉渣中CaS的许可浓度为5.5%6.5%。但实际生产条件下，CaS的浓度远低于该值。此外由于渣铁界面上脱硫条件很差，一般硫的分配系数 ，炼钢用生铁约为10%30%，而铸造用生铁约为30%70%。二、料柱构造及对焦炭的要求 1. 料柱构造 高炉内自上而下的温度总趋势是逐渐升高，但高炉内的等温线并非沿横截面呈水平状，而是因高炉炉型、原料品位和操作参数等因素，等温线可呈“”形或倒“”形（图1-8）。图1-8 高炉内不同温度区域示意 料柱上部低于1100的区域，炉料保持入炉前的固体块状，焦炭与煤气流分

14、配层作用，该区域称块状带。 料柱中部温度在11001350的部位，焦炭和矿石仍保持层层相间，但矿石从外表到内部逐渐软化熔融，靠焦炭层支撑才不至于聚堆，该区域称软融带。由于高炉内中心气流与边缘气流速度以及温度的差异，使软融带的形状同等温线相对应，也呈倒“”形或“”形。在软融带内融着层几乎不透气，上升煤气几乎全部从焦炭缝隙流过。 料柱中下部温度高于1350的部位，此处仅焦炭呈固块状，熔化的铁水和炉渣则沿焦炭层缝隙向下流动并滴落，高温煤气则沿粘附有铁水和熔渣的焦炭层缝隙向上流动。该区域称滴落带。在滴落带下方的中心部位，有一个缓慢移动的呆滞焦炭层（也称死料层），这主要是当焦炭移动时由软融带上层滑落下来

15、，经受剧烈碳溶反应的焦炭组成。 进入滴落带以下风口前的焦炭在高速热气流的吹动下剧烈回旋并猛烈燃烧形成回旋的风口区，风口区的周边是焦块、焦屑、铁水和风口区边界层形成动平衡。风口区焦炭空气燃烧生成的CO2，在流经边界层时与灼热焦炭反应，几乎全部转化为CO，提供铁氧化物还原所需的还原剂。 2.焦炭的作用 焦炭燃烧产生的热能是高炉冶炼过程的主要热源，燃烧反应生成的CO作为高炉冶炼过程的主要还原剂。 由于焦炭位于风口区以上地区，始终处于固体状态，在高炉中其体积占高炉体积的35%50%。所以对上部炉料起支承作用，并成为煤气上升和铁水、熔渣下降所必不可少的高温疏松骨架。 焦炭在风口区内不断燃掉，使高炉下部形

16、成自由空间， 上部炉料稳定下降，从而形成连续的高炉冶炼过程。 综上，焦炭在高炉中则起着热能源、还原剂和疏松骨架三个作用 近年来，为降低焦炭消耗，增加高炉产量，改善生铁质量，采用了在风口喷吹煤粉、重油、富氧鼓风等强化技术。焦炭的热能源、还原剂作用可在一定程度上被部分取代。但作为高炉料柱的疏松骨架不能被取代，而且随高炉大型化和强化冶炼，该作用更显重要。 3高炉焦的质量要求 各国对高炉焦的质量均提出了一定的要求，且已形成了相应的标准。表1-5列出了一些国家（或企业）的高炉焦质量标准（或达到水平）。 综上，高炉焦要求灰低、硫低、强度高、粒度适当且均匀、气孔均匀、致密、反应性适度、反应后强度高。指 标中

17、 国俄罗斯日 本美 国德 国英 国法 国波 兰水分（Mt）/%4.012.053536挥发分（Vad）/%1.91.4.80.71.1灰分（Aad）/%12.0015.00101210126.610.89.810.286.710.111.512.5硫分（St,ad）/%0.601.001.792.000.60.541.110.91.225,404080 25801575202051408020634080 406040转鼓强度指数/%稳定度5162硬 度6273M2592.0 92.088.188.083.07380 6875627075808475806369 5263 4552M107.0

18、 8.5 10.5899101014678810 1213I1092 表1-5各国高炉焦质量标准图1-9高炉中焦炭性质的变化高炉中心试样；炉墙与炉中心之间试样；靠近炉墙试样；平均试样 三、焦炭在高炉内的性质变化 图1-9为高炉中焦炭沿高向的机械强度、粒度、气孔率、反应性和钾、钠元素等的变化情况。在高炉上部块状带变化不大，只有在高炉中部超过1000的区域才开始急剧变化。 1.焦炭在高炉内粒度和强度的变化 焦炭在高炉的块状带内虽受静压挤压，相互碰撞和磨损等作用，但由于散料层所受静压远低于焦炭的抗压强度，撞击和磨损力也较小，故块状带内焦炭强度的降低、粒度的减小以及料柱透气性的变化均不明显。 焦炭进入

19、软融带后，由于受高温热力、尤其是碳溶反应的作用，使焦炭气孔壁变薄、气孔率增大、强度降低，并在下降过程中受挤压、磨擦作用，使焦炭粒度减小和粉化，料柱透气性变差。 焦炭在滴落带内碳溶反应不太剧烈，但因铁水和熔渣的冲刷，并受温度1700左右的高温炉气冲击，焦炭中部分挥发分蒸发，使焦炭气孔率进一步增大，强度继续降低。 焦炭进入风口回旋区边界层，在强烈高速气流冲击和剪切作用下很快磨损，进入回旋区后剧烈燃烧，使焦炭强度急剧降低，粒度急剧减小。 2.高炉内碱金属和焦炭反应性的变化 矿石和焦炭带入高炉内的碱金属多数是硅酸盐和碳酸盐，在高炉内碳酸盐分解成氧化物，硅酸盐则被还原成碱金属、碱土金属、铁、锰、镍等，对碳溶反应能起催化作用，其中钾、钠的催化作用最为显著。焦炭中钾、钠含量很低，一般小于0.5%，对焦炭还不足以产生有害影响，但在高炉内，矿石和焦炭带入的碱金属盐类会分解，并进一步被碳还原和气化成钾、钠蒸汽。这些气态的钾、钠随煤气上升至炉顶，因温度降低和CO2分压升高又生成碳酸盐析出，这些碱金属碳酸盐，一部分粘附在炉壁上侵蚀耐火材料，但大部分被焦炭表面吸附或粘附在矿石表面上，又随炉料下降至温度高于碳酸钾、碳酸钠分解温度的区域，又发生分解，还原和气化。只有少部分随煤气带出，如此形成钾、钠等碱金属在高炉内的循环和富集，如