高炉炼铁的教案

1高炉炼铁的教案第1页/共84页23.1概述第2页/共84页33.2高炉炼铁基本概念3.2.1高炉炼铁的原料和产品（1）原料高炉使用的原料包括铁矿石（烧结矿、球团矿和块矿）、焦炭、煤粉、鼓风和少量熔剂。

铁矿石：在大型高炉炉料结构中，高碱度烧结矿一般占70~80%、酸性的球团矿和块矿占20~30%。

第3页/共84页43.2.1高炉炼铁的原料和产品品种w(TFe)（%）w(FeO)（%）w(SiO2)（%）w(CaO)（%）w(MgO)（%）w(Al2O3)（%）R宝钢烧结矿59.477.554.258.201.271.091.93鞍钢烧结矿58.497.904.609.702.300.502.11巴西球团矿65.811.613.670.470.730.490.13国产球团矿63.210.176.011.220.480.760.20巴西块矿66.624.237.940.700.231.110.09南非块矿62.892.116.490.590.032.360.09第4页/共84页53.2.1高炉炼铁的原料和产品熔剂通常为石灰石，用来调节炉渣碱度。高炉渣的碱度（R=CaO/SiO2）在1.0~1.25之间，当碱性炉料（高碱度烧结矿）与酸性炉料（球团矿和块矿）比例合适时，高炉中可不加或只加少量石灰石。根据入炉综合品位，冶炼1t生铁需要消耗铁矿石1.5~1.7t。第5页/共84页6高炉原料铁矿石熔剂其他含铁代用品

天然块矿人造富矿烧结矿球团矿

碱性熔剂—石灰、石灰石、白云石酸性熔剂—硅石特殊熔剂—萤石

高炉、转炉炉尘残铁轧钢铁皮硫酸渣3.2.1高炉炼铁的原料和产品第6页/共84页73.2.1高炉炼铁的原料和产品燃料焦炭在高炉风口区域燃烧产生大量热量和煤气（CO+N2）。煤气中的CO将铁矿石中的氧化铁还原成金属铁，燃烧产生的热量将渣铁熔化成铁水和液态炉渣。焦炭在高炉内始终呈固态，它能够将整个高炉的料柱支撑起来，保持高炉内部具有良好的透气性。第7页/共84页83.2.1高炉炼铁的原料和产品煤粉从高炉风口喷入炉内，在风口区域燃烧产生热量和还原煤气，可代替部分焦炭。但煤粉无法代替焦炭的另一个重要作用—支撑料柱。目前，冶炼1吨生铁大约需要消耗焦炭250~350kg，消耗煤粉150~250kg。第8页/共84页9高炉燃料固体燃料气体燃料焦炭煤粉焦炉煤气高炉煤气用于高炉本体用于热风炉3.2.1高炉炼铁的原料和产品第9页/共84页103.2.1高炉炼铁的原料和产品鼓风空气通过高炉鼓风机加压后成为高压空气（鼓风），经过热风炉换热，将温度提高到1100~1300℃，再从高炉风口进入炉缸，与焦炭和煤粉燃烧产生热量和煤气。鼓风带入高炉的物理热占高炉热量总收入的20%左右。在鼓风中加入氧气可提高鼓风中的氧含量（称为富氧鼓风）。采用富氧鼓风可提高风口燃烧温度，有利于高炉提高喷煤量和高炉利用系数。

冶炼1吨生铁大约需要鼓风1400~1700Nm3。第10页/共84页113.2.1高炉炼铁的原料和产品（2）产品铁水铁水的主要化学成分为Fe、C、Si、Mn、P、S等，温度1450~1550℃。按照Si含量的不同，将高炉铁水分为炼钢生铁（w[Si]<1.25%）和铸造生铁（w[Si]≥1.25%）。铁水中C呈饱和状态，炼钢生铁中C含量在3.7~4.3%之间。第11页/共84页123.2.1高炉炼铁的原料和产品高炉煤气高炉煤气主要化学成分（体积百分比）为CO：21~26%、CO2：14~21%、N2：55~57%、H2：1.0~3.0%、CH4：0.2~0.8%。高炉煤气发热值3200~3800KJ/m3，属低热值煤气。冶炼每吨生铁产生高炉煤气1800~2000m3左右。第12页/共84页133.2.1高炉炼铁的原料和产品CO：煤气上升过程中，CO在高炉下部高温区开始增加，煤气中的CO含量会相应减小。CO2：在炉缸、炉腹部位几乎为零，从中温区开始增加。H2：来源于风中H2O汽和焦炭中的有机H2和喷吹燃料中的挥发H2，上升过程中由于参加间接还原和生成CH4，含量逐渐减少，但由于炉料中结晶水和碳作用生成部分H2，又可适量增加煤气中H2的含量。N2：鼓风带入的N2，焦炭中的有机N2和喷吹燃料中的挥发N2，在上升过程中不参加任何反应，绝对量不变。CH4：高温时少量焦炭与H2作用生成CH4，上升过程中又加入焦炭挥发分中CH4，但数量很少，变化不大第13页/共84页143.2.1高炉炼铁的原料和产品高炉渣高炉冶炼1t生铁产生300~600kg炉渣。高炉渣主要成分为:w(SiO2)=32~42%、w(CaO)=35~44%、w(Al2O3)=6~14%、

w(MgO)=4~13%、w(MnO)=0.3~1.0%、w(FeO)=0.5~0.8%、

w(S)=0.7~1.1%、R=1.05~1.25。在这一成分范围内，高炉渣的熔化温度最低（1300~1350℃），在炉缸温度下具有良好的流动性。高炉渣经高压水淬冷粒化后是生产水泥的良好原材料。

第14页/共84页153.2.1高炉炼铁的原料和产品第15页/共84页163.2.2高炉内型高炉内型是用耐火材料砌筑而成的，供高炉冶炼的内部空间的轮廓。现代高炉都是五段式炉型，从下至上分别为：炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉。

高炉内型第16页/共84页17炉喉Throat炉身Shaft高炉本体炉腰Belly炉腹Bosh炉缸Hearth风口Tuyere铁口Taphole渣口Slagtaphole高炉有效容积代表高炉的大小或生产能力3.2.2高炉内型第17页/共84页183.2.2高炉内型高炉有效容积代表高炉的大小或生产能力。由高炉出铁口中心线所在水平面到料线零位水平面之间的容积。一般将＞3000m3的高炉称为超大型高炉，1500~2500m3的高炉称为大型高炉，600~1000m3的高炉称为中型高炉，300m3以下的高炉称为小型高炉。一座4000m3级高炉日产生铁量达到10000吨以上。

第18页/共84页19荷兰CorusIjmuiden钢铁公司高炉发展高炉编号1234567大小建成年份1924192619301958196119671972炉缸直径/m5.65.65.98.59.011.013.8工作容积/m35195195981413149223283790初期产量(t/d)2802803601380170030005000当前/最终产量(t/d)10001000110035003700700010500拆除年份19741974199119971997

上一次大修

200219913.2.2高炉内型第19页/共84页203.2.3高炉生产主要技术经济指标（1）有效容积利用系数（ŋV）高炉每立方米有效容积每天生产的合格铁水量（t/m3·d）。（2）焦比（K）高炉冶炼一吨生铁消耗的焦炭量（kg/t）。（3）煤比（M）冶炼每吨生铁向高炉喷吹的煤粉量（kg/t）。（4）燃料比(焦比＋煤比)

定义：高炉冶炼每吨生铁所消耗的固体燃料的总和(kg/t)。

目前，大型和超大型高炉冶炼1t生铁的燃料比在470~520kg/t之间，喷煤量可达到150~250kg/t。第20页/共84页213.2.3高炉生产主要技术经济指标（5）综合焦比(K∑)

定义：将喷入高炉的煤粉折算成相应数量的焦炭后计算的焦比(kg/t)。煤粉置换比通常小于1.0，一般在0.75~0.90之间。（6）冶炼强度（I）定义：每立方米高炉有效容积每天消耗的(干)焦炭量[t/(m3·d)]。一般为0.8~1.0t/(m3·d)。（7）综合冶炼强度(I∑)

定义：将喷入高炉的煤粉折算成相应数量的焦炭后计算的冶炼强度[t/(m3·d)]。大型或超大型高炉达到1.2~1.6t/(m3·d)。第21页/共84页22高炉有效容积利用系数=冶炼强度/焦比（8）工序能耗

Ci=(燃料消耗+动力消耗-回收二次能源)/产品产量(吨标准煤/t)1kg标准煤的发热量为7000千卡(29310kJ)2009年1~5月全国重点钢铁企业高炉燃料比为518kg/t，热风温度为1158℃，炼铁工序能耗为413.30kg标准煤/t，入炉焦比为374kg/t，喷煤比为144kg/t。3.2.3高炉生产主要技术经济指标第22页/共84页233.2.3高炉生产主要技术经济指标（9）休风率高炉休风时间占规定日历作业时间的百分比（%）。规定日历作业时间=日历时间-计划大中修时间和临时休风时间。（10）生铁合格率合格生铁产量占高炉生铁总产量的百分比（%）。

第23页/共84页24例题：某高炉容积2000m3，年产150万吨炼钢生铁，消耗60万吨焦炭，每吨生铁喷吹煤粉150kg，置换比为0.9，计算高炉有效容积利用系数、焦比、燃料比、综合焦比及冶炼强度各为多少？答案：利用系数：2.05t/m3·d

焦比：400kg/tFe

燃料比：550kg/tFe

综合焦比：535kg/tFe

冶炼强度：0.822t/m3·d3.2.3高炉生产主要技术经济指标第24页/共84页253.3.1高炉本体(BlastFurnaceBody)

钢结构炉衬冷却设备送风装置检测仪器设备3.3高炉炼铁工艺设备第25页/共84页26

由四根支柱和多层横向拉杆组成。上至炉顶平台，下接高炉基础，与高炉中心成对称布置。（1）钢结构：包括炉体支承结构和炉壳高强度钢板焊接而成，起承重、密封煤气和固定冷却器的作用。3.3高炉炼铁工艺设备第26页/共84页27宝钢1号高炉炉体框架高炉炉壳3.3高炉炼铁工艺设备第27页/共84页28高炉炉壳用高强度钢板焊接而成，起承重、密封煤气和固定冷却器的作用。对无料钟炉顶，旋转溜槽、中心喉管等重量由炉壳支承。料罐、受料漏斗、密封阀、上升管等设备重量通过炉顶框架支承在炉顶平台上，炉顶平台的所有重量再由大框架传递给基础。大框架自立式结构的优点是风口平台宽敞，炉前操作方便，利于风口平台机械化作业。3.3高炉炼铁工艺设备钢结构的作用与优点第28页/共84页29（2）炉衬高炉炉衬由耐火砖砌筑而成，由于各部分内衬工作条件不同，采用的耐火砖材质和性能也不同。炉身中上部炉衬主要考虑耐磨，炉身下部和炉腰主要考虑抗热震破坏和碱金属的侵蚀，炉腹主要考虑高FeO的初渣侵蚀，炉缸、炉底主要考虑抗铁水机械冲刷和耐火砖的差热膨胀。目前，大型高炉上部以碳化硅和优质硅酸盐耐火材料为主，中部以抗碱金属能力强的碳化硅砖或高导热的炭砖为主，高炉下部以高导热的石墨质炭砖为主。

3.3高炉炼铁工艺设备第29页/共84页30

炉衬寿命将随着冶炼条件而变，但最薄弱的环节应在炉底（含炉缸）和炉身。3.3高炉炼铁工艺设备第30页/共84页31炉缸、炉底砌筑结构3.3高炉炼铁工艺设备第31页/共84页32（3）冷却设备冷却设备的作用是降低炉衬温度，提高炉衬材料抗机械、化学和热产生的侵蚀能力，使炉衬材料处于良好的服役状态。高炉使用的冷却设备主要有冷却壁、冷却板和风口。冷却壁紧贴着炉衬布置，冷却面积大；而冷却板水平插入炉衬中，对炉衬的冷却深度大，并对炉衬有一定的支托作用。3.3高炉炼铁工艺设备第32页/共84页33冷却壁：冷却壁分光面冷却壁和镶砖冷却壁。光面冷却壁主要用于冷却炉缸和炉底炭砖，镶砖冷却壁主要用于冷却炉腹、炉腰、炉身各部位的炉衬。

光面冷却壁镶砖冷却壁的不同结构形式3.3高炉炼铁工艺设备第33页/共84页34冷却板

冷却板用纯铜制造。冷却板安装时水平插入炉衬砖层中，对炉衬具有一定支托作用。冷却板结构及其安装3.3高炉炼铁工艺设备第34页/共84页35风口风口是鼓风进入炉缸的入口。风口装置有大套、二套和小套组成。风口装置结构贯流式风口3.3高炉炼铁工艺设备第35页/共84页36

风口区域是高炉温度最高的区域，鼓风温度本身高达1100~1300℃，为了保证风口得到良好冷却，风口环流水道内流速达到8~14m/s。3.3高炉炼铁工艺设备第36页/共84页37（4）送风装置送风装置包括热风围管、支管、直吹管、风口大套、风口二套和小套。3.3高炉炼铁工艺设备第37页/共84页38热风围管BustlePipe送风支管BlastPipe热风围管与连接热风炉的热风总管相连，在热风围管上均匀分布着数十套送风支管。3.3高炉炼铁工艺设备第38页/共84页393.3.2炉顶装料设备炉顶装料设备的任务是将铁矿石和焦炭按冶炼工艺要求有规律地从炉顶装入高炉。目前，大多数中小型高炉使用双钟炉顶装料设备。大型和超大型高炉使用无料钟炉顶装料设备。3.3高炉炼铁工艺设备第39页/共84页40双钟炉顶打开小料钟，炉料落入大料斗内。开大钟均压阀，使大料钟上下压力一致。打开大料钟，将炉料布入炉内。3.3高炉炼铁工艺设备第40页/共84页41

无钟炉顶

采用可任意改变倾角的旋转溜槽完成布料任务。可实现单环、多环、螺旋、定点、扇形布料方式。3.3高炉炼铁工艺设备第41页/共84页42无料钟炉顶装料设备分并罐和串罐两种方式。

3.3高炉炼铁工艺设备第42页/共84页433.3.3热风炉

热风炉是高炉本体以外最重要的设备之一。热风炉肩负着向高炉连续不断地输送温度高达1100~1300℃的热风。对每一座热风炉来说，它本身是燃烧和送风交替工作，因此，每座高炉必须配备3~4座热风炉同时工作才能满足高炉生产要求。3.3高炉炼铁工艺设备第43页/共84页44按结构型式分类，蓄热式热风炉有内燃式、外燃式和顶燃式（包括球式热风炉）三类。

内燃式外燃式顶燃式3.3高炉炼铁工艺设备第44页/共84页45蓄热式热风炉由燃烧室、蓄热室和拱顶三部分组成。燃烧室是煤气燃烧产生热量的空间；蓄热室内填充有耐火材料做成的格子砖，用来储存煤气燃烧产生的大量热量。

3.3高炉炼铁工艺设备第45页/共84页46蓄热式热风炉的构成(以外燃式为例)燃烧室蓄热室烘顶储存煤气燃烧产生的大量热量煤气燃烧产生热量的空间3.3高炉炼铁工艺设备第46页/共84页47蓄热式热风炉工作过程由燃烧期、换炉和送风期组成。燃烧期：将煤气和助燃空气通过陶瓷燃烧器混合后在燃烧室内燃烧产生大量热量，高温烟气在通过蓄热室格子砖时将热量储存在格子砖中。换炉：关闭各燃烧阀和烟道阀，打开冷风阀和热风阀，完成从燃烧期向送风期过度。送风期：冷风从蓄热室下部进入，并向上流动通过蓄热室格子转，格子转放出储存的热量将冷风加热，冷风变为热风从热风出口流出，通过热风总管送往高炉。3.3高炉炼铁工艺设备第47页/共84页483.3.4喷煤设备

高炉喷吹煤粉代替部分焦炭，一方面可以合理利用煤炭资源，另一方面降低了高炉生产成本。

高炉喷煤工艺流程3.3高炉炼铁工艺设备第48页/共84页493.3.5煤气系统

煤气引导管道除尘设备余压发电顶压调节3.3高炉炼铁工艺设备第49页/共84页503.3.5除尘设备除尘设备从炉顶排出的煤气是一种高压（0.20~0.25MPa）荒煤气，含尘量达到10~20g/Nm3。在作为二次能源利用之前，必须将含尘量降低到10mg/Nm3以下。高炉煤气通过上升管和下降管，首先进入重力除尘器去除大颗粒灰尘（俗称瓦斯灰），然后再进行精除尘。精除尘有湿法除尘和干法除尘两种流程。精除尘有湿法除尘和干法除尘两种流程。

第50页/共84页51粗除尘

重力除尘器在高炉煤气除尘系统中用的最普遍。重力除尘器可以除去粒径大于30μm的大颗粒灰尘，除尘率可达80%，出口的煤气含尘量为2~10g/m3。重力除尘器3.3高炉炼铁工艺设备第51页/共84页52精除尘(湿法)文氏管

收缩管

喉口

扩张管

文氏管除尘器除去粉尘的同时，也使煤气流得到冷却。3.3高炉炼铁工艺设备第52页/共84页53精除尘(干法)布袋除尘

布袋房

集尘仓

进出气孔

反清仓管道3.3高炉炼铁工艺设备第53页/共84页543.3高炉炼铁工艺设备湿法除尘流程高压高炉湿法除尘流程第54页/共84页553.3高炉炼铁工艺设备干法除尘流程武钢5号高炉干式电除法工艺流程第55页/共84页563.3.6渣铁处理大型高炉每天出铁12次以上，对设计4个铁口的超大型高炉，通按用对角线出铁的原则操作，即按1、3、2、4号铁口顺序开铁口。高炉始终有一个铁口在出铁。铁口打开后，铁水和熔渣从铁口流入主沟，通过撇渣器使渣铁分离，铁水经摆动溜嘴流入铁水罐内，渣子则经渣沟流入水渣处理系统。3.3高炉炼铁工艺设备第56页/共84页573.3高炉炼铁工艺设备第57页/共84页583.3高炉炼铁工艺设备INBA法水渣处理系统1—熔渣沟；2—吹制箱；3—水渣沟；4—水渣槽；5—排料皮带；6—集水槽；7—分配器；8—排料皮带；9—提升叶片；10—缓冲槽；11—脱水转鼓；12—集水槽第58页/共84页59练习：请将图中高炉的不同部分放在正确的位置3.3高炉炼铁工艺设备第59页/共84页603.4高炉冶炼原理3.4.1炉料在炉内的分布状态矿石和焦碳分批装入炉内，因此，矿石与焦炭在高炉内呈有规律的分层分布。鼓风在风口区域与焦炭和煤粉燃烧产生高温煤气；高温煤气在向高炉上部流动过程中将氧化铁还原成金属铁，使铁矿石实现Fe–O分离；煤气携带的热量将铁和渣熔化并过热，实现铁与渣的分离。第60页/共84页61高炉内部炉料分布3.4高炉冶炼原理块状带：t<1100-1200℃，矿石和焦炭呈有规律的分层分布软融带：t在1200-1400℃，由熔融的矿石层和固态的焦炭层组成滴落带：液态渣铁不断向下滴落，焦炭起支撑料柱的作用风口回旋区：焦炭燃烧，产生空间使炉料下降死料柱：填充在炉缸内的焦炭，更新缓慢第61页/共84页623.4.2炉缸燃烧反应（1）风口前碳的燃烧反应炉顶加入的焦炭，其中风口前燃烧的碳量约占入炉总碳量的65%～75%，是在风口前与鼓风中的O2燃烧，17～21％参加直接还原反应，10％左右溶解进入铁水。燃烧反应的作用：为高炉冶炼过程提供主要热源；为还原反应提供CO、H2等还原剂；为炉料下降提供必要的空间。3.4高炉冶炼原理第62页/共84页63焦炭和煤粉中的碳与鼓风中的氧燃烧产生CO2

；在高温下CO2继续与碳反应产生CO。3.4高炉冶炼原理第63页/共84页643.4高炉冶炼原理实际生产时，鼓风中始终含有一定量的水分，因此，炉缸中还会发生如下燃烧反应：

若鼓风湿份为（体积百分比），则炉缸煤气成分与鼓风湿份的关系如图所示。

第64页/共84页653.4高炉冶炼原理（2）燃烧带对高炉冶炼的影响所谓燃烧带是包括风口回旋区及其外围100~200mm的焦炭疏松层（称中间层）。实践中常以CO2降至1~2%的位置定为燃烧带界限。大型高炉的燃烧带长度在1000~15000mm左右。燃烧带是炉内焦炭燃烧的主要场所，而焦炭燃烧所腾出来的空间是促使炉料下降的主要因素。

第65页/共84页663.4高炉冶炼原理当燃烧带投影面积占整个炉缸截面积的比例大时，炉缸活跃面积大，料柱比较松动，有利于高炉顺行。风口燃烧带投影第66页/共84页673.4高炉冶炼原理燃烧带是炉缸煤气的发源地，燃烧带的大小影响煤气流的初始分布。燃烧带伸向中心，则中心气流发展，炉缸中心温度升高；相反，燃烧带小，边缘气流发展，中心温度较低，对各种反应进行不利。炉缸中心不活跃和热量不足，对高炉顺行极为不利。

第67页/共84页683.4高炉冶炼原理（3）鼓风动能

单位时间内进入高炉的鼓风质量所具有的动能称为鼓风动能，它是选择风口直径的主要依据。鼓风动能大，燃烧带加长，有利于吹透中心。

（4）理论燃烧温度风口前燃烧所能达到的最高温度，即假定风口前碳素燃烧放出的热量全部用来加热燃烧产物时所能达到的最高温度。风口前理论燃烧温度可达1800~2400℃，它代表风口区最高温度，其数值表示了传热推动力的大小，但它并不代表炉缸铁水温度和生铁含硅量的高低。第68页/共84页693.4高炉冶炼原理3.4.3高炉内铁氧化物的还原反应高炉冶炼的主要目的是从铁氧化物中还原出金属铁，它是高炉冶炼最基本的化学反应。除铁以外，高炉冶炼也能将少量的硅、锰、磷还原出来，并溶解在铁水中。高炉冶炼的还原剂有固体还原剂焦炭，以及气体还原剂CO和H2，后者来自风口回旋区的燃烧反应。

第69页/共84页703.4高炉冶炼原理（1）用CO作还原剂还原铁氧化物—间接还原反应T<570℃的区域，发生如下还原反应：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

1/4Fe3O4+CO=3/4Fe+CO2

T>570℃的区域，发生如下还原反应：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2

Fe2O3Fe3O4FeFeOFeFe3O4Fe2O3第70页/共84页713.4高炉冶炼原理（2）用H2作还原剂还原氧化铁T<570℃的区域，发生如下还原反应：

1/4Fe3O4+H2=3/4Fe+H2OT>570℃的区域，发生如下还原反应：3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2OFe3O4+H2=3FeO+H2OFeO+H2=Fe+H2O第71页/共84页723.4高炉冶炼原理T>810℃时H2还原氧化铁的能力大于CO；T<810℃时CO还原氧化铁的能力大于H2。第72页/共84页733.4高炉冶炼原理（3）用固体碳还原氧化铁—直接还原反应在高炉内温度高于900~1000℃的区域，间接还原反应产生的CO2不能稳定存在，即发生所谓的焦炭溶损反应：

C+CO2=2CO在温度高于1000℃以上的区域，煤气中几乎不存在CO2。这时高炉内发生如下还原反应：

FeO+C=Fe+CO第73页/共84页743.4高炉冶炼原理（4）直接还原度

所谓直接还原度，是以直接还原方式得到的金属铁量与还原反应得到的总铁量之比。

第74页/共84页753.4高炉冶炼原理高炉内冶炼每吨生铁需要的总热量主要消耗于直接还原反应的吸热和熔化渣铁并使之过热所需要的热量。高炉的热收入主要来自风口前燃料（焦炭和煤粉）的燃烧和鼓风带入炉缸的物理热。因此，降低铁的直接还原度，可降低高炉炼铁的燃料比（或焦比）。目前高炉炼铁的直接还原度（rd）在0.4~0.6之间。稳定高炉操作，减少炉况波动，提高铁矿石的还原性，富氧喷吹烟煤等措施都能降低铁的直接还原度。第75页/共84页76直接还原与间接还原区域分界线间接剧烈熔损温度直接开始熔损温度间接+直接

＜1000℃区域(上部)

只有间接还原1000℃区域(中部)

直接还原开始

熔损及水煤气反应剧烈进行的区域(下部)

间接还原消失Fe2O3Fe3O4