炼铁工艺培训资料

AUTHORguest1 第47页 DATE\@"yyyy-M-d"2019-3-24炼铁工艺和原燃料第一节炼铁工艺简介一．钢铁工业在国民经济中的作用钢铁工业在人类社会活动中占有极其重要的地位，工业、农业、交通及国防等工业均离不开钢铁，一个国家的钢铁生产水平，直接反映了这个国家科学技术发展程度和人民的生活水平。二、我国炼铁史简述三、现代化高炉炼铁生产工艺流程铁广泛地存在自然界中，铁在自然界中的贮存量仅次于铝，居第二位（Al:7.5%、铁：5.1%），自然界中的铁元素主要以氧化物的形式存在于矿石中，如赤铁矿（Fe2O3）磁铁矿（Fe3O4）等。高炉冶炼生铁的本质是从铁矿石中将铁还原出来，并熔化成生铁流出炉外。还原铁矿石需要的还原剂和热量由燃料燃烧产生，炼铁的主要燃料是焦炭，使用了喷吹煤粉、重油、天燃气等辅助燃料新工艺过程，随着采矿、选矿和造块等技术的不断发展，现代几乎采用了人造富矿（烧结矿、球团矿）作为含铁原料。在高炉炼铁生产中，高炉是工艺流程的主体，从上部装入矿石、燃料和熔剂向下运动，下部鼓入空气燃烧燃料，产生大量的还原性气体向上运动，炉料经过加热、还原、熔化、造渣、渗碳、脱硫等一系列的物理化学过程，最后生成液态炉渣和生铁。高炉是一个竖式圆筒形冶炼炉，由炉基、炉壳、炉衬及冷却设备、支柱或框架组成。从上至下分为：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸五部分。高炉炼铁的工艺流程组成：以高炉本体为核心，高炉生产还包括以下几个系统：上料系统、装料系统、送风系统、煤气回收与除尘系统、渣铁处理系统、煤粉喷吹系统以及为这些系统服务的动力系统。1．上料系统：包括贮矿场、贮矿槽、焦炭滚动筛、称量漏斗、称量车、料坑、斜桥和卷扬机，大型高炉采用皮带上料。这些设备根据冶炼工艺要求，把矿、焦等原燃料配成一定质量和成分的“料批”运到炉顶装入受料漏斗。2．装料系统：钟式炉顶包括：受料漏斗，旋转布料器，大小钟漏斗，大、小钟，大、小钟平衡杆，探尺，高压操作的高炉还有均压阀和放散阀。无料钟炉顶包括：受料罐、上料闸、上密封阀、称料罐、阀门箱、料流调节阀、下密封阀、中心喉管、齿轮箱等。本系统的任务是均匀地按工艺要求将上料系统到来的炉料装入炉内。3．送风系统：包括鼓风机、热风炉、热风总管、换热器等，本系统的任务是把从鼓风机房送出来的冷风加热送入高炉。4．煤气回收及除尘系统：包括煤气上升管、煤气下降管、重力除尘器、洗涤塔、文式管、脱水器、电除尘器或布袋除尘器等。高压高炉还有高压阀组。本系统的任务是将炉顶引出的含尘量很高的荒煤气净化成合乎要求的气体燃料。5．渣铁处理系统：包括出铁场、泥炮、开口机、炉前吊车、铁水罐、渣水罐、铸铁机、堵渣机、冲渣池及其炉前水力冲渣设施等。本系统的任务是定期将炉内渣、铁出净，保证高炉连续生产。6．喷吹系统：喷吹系统目前以喷煤为主，喷吹系统有制粉机、收集罐、贮存罐、喷吹罐、混合器和喷枪。本系统的任务是磨制、收存和计量后把煤粉或重油从风口喷入高炉。7．动力系统：该系统包括水、电、压缩空气、氧气、蒸气等生产供应部门，本系统的任务是为高炉提供保障服务。制氧提供氧气和氮气。四、高炉冶炼产品高炉生产的主要产品是生铁，副产品有炉渣、煤气和炉尘。生铁、钢和熟铁都是铁碳合金，它们的主要区别是含碳量不同，含碳量小于0.2%的为熟铁，含碳量0.2%－1.7%的为钢，含碳量1.7%以上的为生铁。高炉生铁含碳量为4%左右。1．生铁生铁分为炼钢生铁和铸造生铁，它们的主要区别是含硅量不同。表1、表2分别为炼钢生铁和铸造生铁。2．炉渣炉渣有许多用途。液态炉渣用水急冷水淬成水渣，是良好的制砖和制水泥原料。液态炉渣用高压蒸气或压缩空气吹成渣棉，可做绝热材料。冷凝后的干渣也是制砖和制水泥原料。3．高炉煤气每冶炼1吨生铁约产生1700－2500m3煤气，其化学成分有CO2（15－20%），CO（20－30%），H2（1－3%），N2（56－58%）和少量的CH4经除尘后能成为很好的低热值气体燃料，发热值一般为2900－3800KJ/m3，高炉煤气是无色无味透明的气体，由于含CO较高，会使人中毒致死。当煤气与空气混合，煤气含量达到46－62%，温度达到着火点（650℃）时，就会发生爆炸。因此，在煤气区域工作时要特别注意防火防爆和煤气中毒。4．炉尘（瓦斯灰）炉尘是随着高速上升的煤气带出高炉的细颗炉料，在除尘系统与煤气分离。炉尘中主要是含铁、含碳，每冶炼1吨生铁约产生10－15Kg炉尘。炉尘回收后可作为烧结原料，也可制水泥。我们涟钢的炉尘含碳量达30－50%，可做烧砖用的燃料。表1炼钢用生铁GB/T717－1998铁种炼钢生铁铁号牌号炼04炼08炼010代号L04L08L010化学成份C≥0.35Si≤0.45＞0.45－0.85＞0.85－1.25Mn一组≤0.4二组＞0.4－1.0三组＞1.00－2.00P特级≤0.1一级≤0.100－0.15二级＞0.15－0.25三级＞0.25－0.40S特级≤0.02一类＞0.02－0.03二类＞0.03－0.05三类＞0.05－0.07五．高炉炼铁主要技术经济指标对高炉生产技术水平和经济效益的总要求是高产、优质、低耗、长寿和安全，主要指标有：1．高炉有效容积利用系数η：它是指每立方米高炉有效容积一昼夜生产炼钢铁的吨数：η＝P/Vu(t/m3.d)2．冶炼强度I：分为焦炭冶炼强度和综合冶炼强度两个指标。焦炭冶炼强度是指每昼夜、每立方米高炉有效容积消耗的焦炭量，即一一昼夜装入高炉的干焦炭（Qk）与有效容积（Vu）的比值：I焦＝Ok/Vu(t/m3.d)由于采用喷吹技术，将喷吹的燃料量与焦炭量相加后与有效容积之比称为综合冶炼强度：I综＝（O喷+Ok）/Vu(t/m3.d)3．休风率：休风率是指高炉休风停产时间占规定日历作业时间的百分数，规定日历作业时间是指日历时间减去计划大、中修时间和封炉时间。4．生铁合格率：这是质量指标。生铁化学成分符合国家标准时称合格生铁。生产合格生铁占高炉总铁量的百分数即为生铁合格率。5．焦比K：它是冶炼1吨生铁所需的干焦量：K＝Qk/（Kg/t）6．折算焦比K折：它是将所炼某种生铁折算成炼钢铁以后，计算1吨炼钢铁所需的干焦量：K折＝＝Qk/PxA（Kg/t）。7．煤比Y（油比M）：煤比是指冶炼1吨生铁所喷吹的煤粉量。Y＝Qy/p（Kg/t）8.综合燃料比：它是冶炼1吨生铁所需的干焦量与煤粉、重油量之和。K综=(Qk+Qy+Om)/P（Kg/t）9. 综合焦比：首先应确定煤粉或油或焦炭的置换比。喷吹单位重量（体积）的燃料所能代替焦炭的数量称为燃料置换比。综合焦比是指冶炼1吨生铁所喷吹的煤粉或重油乘上置换比折算成干焦量。再与冶炼1吨生铁所喷吹的干焦量相加即为综合焦比。10.生铁成本：生铁成本是指冶炼1吨生铁所需的费用，包括原料、燃料、动力、工资及管理等费用。生铁成本是评价高炉经济效益好坏的重要标志。表2铸造用生铁GB718－82铁种铸造用生铁铁号牌号铸34铸30铸26铸22铸18铸14代号Z34Z30Z26Z22Z18Z14化学成分C>3.3Si>3.2-3.6>2.8-3.2>2.4-2.8>2.0-2.4>1.6-2.0>1.25-1.6Mn、P、S第二节含铁原料和辅助原料一、铁矿石分类：根据铁矿石含铁矿物的主要性质，按其矿物组成，通常将铁矿石分为四大类：磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿⑴磁铁矿石：主要含Fe矿物为磁铁矿，化学式为Fe3O4；理论含铁量为72.4%，密度5.2t/m3；颜色为黑色或灰色,有光泽；致密、坚硬、难还原；⑵赤铁矿石：主要含Fe矿物为赤铁矿，化学式为Fe2O3；理论含铁量为70%，密度4.9~5.3t/m3；颜色为红色或浅灰色；软、易破碎、易还原；⑶菱铁矿石：主要含Fe矿物为菱铁矿，化学式为FeCO3;理论含铁量为48.2%,密度3.8t/m3；颜色为灰带有黄褐；易破碎、焙烧后易还原；⑷褐铁矿石：主要含Fe矿物为含结晶水的氧化铁，化学式为mFe2O3nH2O（m=1、2、3；n=1、2、3、4），理论含铁量为55.2~66.1%,密度2.5~5.0t/m3；颜色为黄褐、暗褐或绒黑；疏松、易还原；二铁矿石质量评价：决定铁矿石质量的主要因素是其化学成分、物理性质和冶金性能。优质铁矿石应具备以下几点：含铁量高，脉石少有害杂质如硫、磷少化学成分稳定粒度合适、均匀具备一定的机械强度和良好的高温冶金性能分述如下：⑴铁矿石含铁量含铁量亦即品位，是衡量铁矿石质量的主要指标。一般把实际含铁量占理论含铁量70%以上称为富矿，低于此值称为贫矿，有使用价值的铁矿石含铁量一般在23%－65%之间。富矿经过破碎、筛分可直接冶炼，贫矿需经过选矿富化，造快后才能使用。有无开采价值，开采后能否直接入炉及其冶炼价值的高低主要取决于含铁量。我国矿石平均品位33%左右，低于世界铁矿石平均品位11%。入选原矿品位一般为30~31%，已探明铁矿石储量的97.5%是需要选矿加工的贫铁矿。我国铁精矿粉品位为51.6%~68%，平均62.35%。⑵脉石成分铁矿石的脉石的成分一般都是SiO2、Al2O3、CaO、MgO等，以SiO2为主的脉石称为酸性脉石，以CaO和MgO为主的脉石称为碱性脉石。现有的铁矿石资源中，绝大多数以酸性为主，含量最高，最应重视的是SiO2，因为铁矿石中SiO2含量的增加，必然需要加入等量以上的CaO，将引起高炉渣量成双倍以上的增加，因此要求SiO2含量少一些，CaO含量多一些，MgO多一些，Al2O3少一些。⑶有害杂质和有益元素含量铁矿石中的某些元素对高炉冶炼有不利影响，或使钢铁性能变坏，这些元素称为有害元素或有害杂质。通常指硫、磷、铅、砷等。高炉冶炼中要求矿石中的有害元素或有害杂质愈少愈好。a、硫：硫对钢最为有害的元素，它使钢铁材料具有热脆性。b、磷：磷也是有害元素，它使钢铁材料具有冷脆性。c、铅：铅在矿石中一般以硫化物（PbS）存在，它在高炉中很易还原。铅不熔于生铁且其比重大于生铁，因此沉入炉底，渗入砖缝破坏炉底，甚至使炉底砌砖漂浮。d、锌：锌在铁矿石中多以硫化物存在（ZnS）。锌在高炉极易还原，还原的金属锌在900℃时开始挥发，上升至高炉上部以氧化成ZnO，部分粘结在炉墙上生成炉瘤。e、砷：砷在矿石中一般以硫化物存在，它在高炉冶炼过程中全部还原进入生铁，钢中含砷大于0.1%时，它能使钢的脆性增加且焊接性能变坏。（4）、有益元素许多铁矿石中常伴有锰、铬、钒、钛、镍、铜等元素，形成多金属和共生矿，这些金属能改善钢材的性能，是重要的合金元素，称为有益元素。（5）、矿石的还原性是评价铁矿石质量的重要指标之一。铁矿石的还原性是指铁矿石被还原气体CO或H2还原的难易程度，还原性好，有利于降低焦比。影响铁矿石还原性能的主要因素有：矿物组成、矿石本身结构的致密程度和气孔率等。气孔率大的矿石透气性好，气体还原剂与矿石的接触面增加，加速铁矿石的还原。（6）矿石的高温性能：软化性和熔滴性软化性：矿石的高温性能是指在高温状态下开始软化温度和软化区间两个方面。开始软化温度是指铁矿石在一定荷重下加热的开始变形温度；软化区间是指铁矿石软化开始到软化终了的温度范围。通常矿石的开始软化温度高，则软化区间较窄，反之，则软化区间较宽。高炉冶炼要求铁矿石具有较高的开始软化温度和较窄的软化区间，以使炉内不会过早地形成初渣，即成渣位置低，软熔区小，有助于改善料柱透气性。反之，初渣形成过早，初渣中FeO含量高，使炉内透气性变坏，并增加炉缸热负荷，严重影响冶炼过程的正常进行。测定时将矿石在荷重还原条件下收缩率为4%时的温度定为软化开始温度，收缩率为40%时的温度定为软化终了温度。熔滴性：矿石软化后，在高炉内继续下行，被进一步加热和还原，并开始熔融。在熔渣和金属达到自由流动、积聚成滴前，软熔层透气性极差，出现很大的压力降。高炉软熔带压力降约占高炉料柱总压力降的60%。人们对矿石在模拟高炉冶炼条件下的熔滴过程进行研究，测定其滴落开始温度、终了温度及过程压力降作为评价矿石熔滴性能的依据。高炉操作要求矿石的熔滴温度高些、区间窄些、△Pmax低些为好。（7）矿石的粒度铁矿石的粒度过小会影响炉内料柱的透气性，使煤气上升的阻力增大。粒度过大，又使矿石的加热和还原速度降低。因而规定粒度小于5㎜的矿粉应在入炉前尽可能筛除。而粒度上限依矿石本身的还原性而不同，一般来说矿石粒度最大为40~50㎜，最好的范围是25~35㎜。在缩小铁矿石粒度的同时，还应使粒度均匀。粒度分布范围较大的矿石应分级入炉。近年来普遍有降低粒度的趋势。（8）矿石的气孔率矿石的气孔率有体积气孔率和面积气孔率两种表示方法；体积气孔率是指矿石的孔隙占总体积的百分比；面积气孔率是指单位体积内气孔表面积的绝对值。高炉冶炼希望矿石的气孔率要大，烧结矿和球团矿能满足这种要求。（9）矿石的机械强度和热强度铁矿石的机械强度是指耐冲击、耐摩擦、耐挤压的强弱程度。高炉容积的不断扩大对入炉铁矿石的机械强度的要求也相应提高，铁矿石强度低，转运时产生大量粉末，使入炉成本上升，入炉后产生大量粉末，既增加了炉尘损失，又阻塞了煤气通路，降低了料柱透气性，使高炉操作困难。天然块矿的强度一般都比较好，球团矿次之，烧结矿最差。热强度：冶炼条件下矿石可能由于以下两种因素而减低强度：物理吸附水或化学结晶水的蒸发使矿石破裂；矿石结构发生变化，强度降低或产生裂缝。一般检查项目有：①热爆裂性。通常把具有一定粒度的冷块矿加入预热到一定温度的容器中，按照爆裂成碎片的比例来衡量，或者按一定升温速度下的爆裂程度来衡量。②低温还原粉化率。铁矿石还原过程中，在400~600℃和800~1000℃两个温度区间会产生爆裂或强度下降。在400~600℃是因为Fe2O3还原到Fe3O4或FeO有晶格变化和CO的析碳反应，在铁矿石中形成裂缝，乃至粉化。在800~1000℃则是因为矿石软熔。常用低温还原粉化和荷重软化两种检验方法来测定。低温还原粉化测定有静态法和动态法两种方式。详见下页表。③热膨胀性。矿石加热后体积膨胀，球团矿更盛。一般认为，体积膨胀率在20%以上的球团矿就不宜在高炉中大量使用，因为冶炼时可能造成悬料。矿石体积膨胀率RSI=（V1-V0）/V0×100%式中V1、V0——分别为膨胀后体积和原始体积。（10）、矿石各种指标的稳定性高炉要保证正常生产，必须有一个相对稳定的冶炼条件，即不但要有足够数量的原料，而且要求各项理化性能相对稳定。特别是矿石的品位、脉石成分和数量、有害元素、还原性能等指标的波动，会导致各项指标下降（如焦比、产量、效益等）三、铁矿石的混匀和中和由于矿山开采的矿石不能直接加入高炉进行冶炼，这是由于原矿含铁量及其它化学成分波动很大，并有多种金属共生物，粒度组成悬殊等原因所致，必须经过加工处理才能使用。一般天然富矿在入炉前进行整粒和混匀。贫矿和多种金属共生矿经过选矿去除杂质、回收有用成分，加工成成造富矿后使用。所以。铁矿石加工处理的目的，主要是使高炉上精料，以改善高炉生产指标，并做好铁矿资源的综合利用。1．破碎：根据对产品的粒度要求不同，可分为粗碎、中碎、细碎及粉碎几个级别，粗碎从1000mm破碎到100mm，中碎是从100mm破碎到30mm，细碎是从30mm破碎到5mm，粉碎是从5mm破碎到1mm以下。2．筛分：经过破碎后的天然富矿粒度很不均匀，通过筛分可除去粉未并筛出超过规定粒度上限的大块，进行再破碎，还可完成粒度分级，使原料分级入炉或单级供高炉使用。3．混匀：混匀也称中和，目的是在于稳定矿石的各种性质。混匀后要求矿石品位的波动小于1%，混匀的主要手段是“平铺直取”。4．焙烧：焙烧是把矿石在一定的气氛中加热到比其熔点低200－300℃，以改善矿石的化学组成和性质；去除原料中的有害杂质；回收有用元素；同时还可以使矿石组织疏松，便于破碎和提高矿石的还原性。按照焙烧的气氛不同分为：氧化焙烧、还原磁化焙烧和氯化焙烧等。5．选矿：选矿的目的是为了提高矿石的品位，对于复合矿可回收其中有用成分，除去有害杂质。选矿的常用方法有磁选和浮选。四、烧结矿和球团矿1.烧结矿的质量评价（以一级品为例）：⑴品位：TFe含量波动范围不超过0.5%⑵碱度：R2（=CaO/SiO2）波动范围不超过0.08倍⑶转鼓和筛分指数：转鼓（+6.3㎜）≥72%,筛分指数≤8%⑷粒度：＜5㎜的粉矿应筛除。（炼铁厂规定入炉矿中＜5㎜的不超过5%） 2.球团矿的质量评价内容有ⅰ：品位稳定性ⅱ：碱度的稳定性以及SiO2的含量ⅲ：矿石的含硫量ⅳ：粒度范围（国内球团以6~16㎜为宜）附录：主要含铁原料化学成分表（以2006年1月炼铁厂的技术专业月报数据为例）成分品名原料化学成分（%）TFeFeOSiO2Al2O3CaOMgOSP烧结矿55.174.294.981.4611.972.050.0180.048自产竖窑球团矿62.990.385.594.541.291.190.0060.165湖北竖球63.554.471.460.990.620.0170.022进口球团65.863.380.3580.3250.10.01570.0084南非矿65.893.011.390.090.10.0210.066澳矿63.792.921.3290.11690.10.03150.0786五.熔剂在目前的原材料条件下，高炉采用“高碱度烧结矿+酸性球团+块矿”的炉料结构，熔剂直接入炉量逐渐减少，现在熔剂多应用于烧结工艺。（浙江杭钢）⑴熔剂的主要作用是助熔和造渣。⑵熔剂按性质分成三大类碱性熔剂：主要有石灰石CaCO3，白云石CaCO3·MgCO3酸性熔剂：主要有硅石SiO2中性熔剂：主要有铁钒土⑶熔剂成分的波动将引起高炉造渣制度的波动。有时为了保持烧结矿碱度和基本炉料结构不变，以确保高炉炉况的稳定，需要通过微量调剂使高炉炉渣碱度不发生变化。当下调碱度时，越来越多的企业不使用硅石，而使用含SiO2量较高的天然块矿（如海南块矿）代替，由于加入量比硅石多，容易控制，避免了炉渣碱度的剧烈波动。而且由于加入SiO2的同时也带入了铁元素，有助于减少高炉渣量。当上调碱度时，也可以用转炉钢渣块代替石灰石或者白云石直接入炉。⑷对碱性熔剂石灰石的质量要求：一是熔剂中的碱性氧化物（CaO+MgO）含量要高，而酸性氧化物（SiO2+Al2O3）含量要低，一般要求石灰石中酸性氧化物含量不超过3.5%；二是有害杂质S、P含量越少越好；三是要求石灰石有一定的强度和均匀的粒度组成。大高炉要求25~50mm，小高炉要求10~30mm。六.辅助原料可分为以下三大类：含铁原料：如碎铁等洗炉剂料：如锰矿、萤石等护炉剂料：如钒钛矿等附录：铁烧结矿、球团矿的企业标准Q/OHAC100—2004中的有关技术要求：Ⅰ优质铁烧结矿的技术要求应符合下表规定：项目名称化学成分，%物理性能，%冶金性能，%TFeRFeOS转鼓指数（+6.3mm）筛分指数（-5mm）低温还原粉化指数（RDI）（+3.15mm）还原度指数（RI）允许波动范围±0.4±0.05±0.5－指标≥57≥1.7＜9＜0.03≥72＜6≥74≥78Ⅱ普通铁烧结矿的技术要求应符合下表规定：项目名称化学成分，%物理性能，%冶金性能，%碱度品级TFeRFeOS转鼓指数（+6.3mm）筛分指数（-5mm）低温还原粉化指数（RDI）（+3.15mm）还原度指数（RI）允许波动范围不大于1.5~2.5一级±0.5±0.08110.07687≥74≥78二级±1.0±0.12120.10659≥72≥75Ⅲ球团矿的技术要求应符合下表的规定：品级化学成分，%物理性能，%冶金性能，%TFeRFeOS转鼓指数（+6.3mm）抗压强度（N/个球）筛分指数（-5mm）膨胀率还原度指数（RI）允许波动范围不大于一级±0.5±0.0810.05≥90≥2000＜5≤15≥65二级±1.0±0.1220.08≥86≥1500＜5≤20≥65第三节燃料高炉用燃料主要有焦炭和喷吹用煤粉。下面仅仅介绍焦炭的有关内容：⒈焦炭的作用发热剂：焦炭在高炉冶炼中作为主要的能量来源，使高炉内各种化学反应得以进行。高炉冶炼所需消耗的热量有70－80%来自燃料的燃烧。还原剂：焦炭中的固定碳（C）和它燃烧产生的CO、H2与铁矿矿石中各级氧气物反应，将铁还原出来。料柱骨架：高炉内的矿石和熔剂下降到高温区时，全部软化和熔化成液体，焦炭则即不熔化也不软化，因而成了高炉内支承料柱的骨架。⒉焦炭的化学成分焦炭的化学成分决定了其化学性质。化学成分包含有五个方面，即固定碳、灰分、硫分、挥发分、水分的百分含量。⒊对焦炭的质量要求亦即其化学成分的要求，有以下五各方面：⑴固定碳和灰分是焦炭的主要组成部分，两者互为消长关系。固定碳含量高，单位焦炭提供的热量和还原剂就多，灰分含量就低。灰分含量高所带来的不良影响有：①因灰分中80%是SiO2和Al2O3，灰分高，则高炉渣量增加。②灰分在炼焦过程中不能熔融，对焦炭中各种组织的黏结很不利，使裂纹增多，强度降低。③灰分与焦炭的膨胀性不同，在高炉内加热后，灰分颗粒周围产生裂纹，使焦炭碎裂、粉化。④灰分中的碱金属和Fe2O3等都对焦炭气化反应起催化作用，使焦炭反应性指数增高，影响反应后强度。因此要求固定碳含量高而灰分含量低。⑵硫分高炉燃料（焦炭和煤粉）所带入的硫量约占高炉硫负荷的80%，因此要求其含量尽可能低。还有磷、碱金属等杂质含量尽可能低。⑶挥发分挥发分是焦炭成熟程度的标志。挥发分含量低，说明结焦后期热分解与热缩聚程度高，气孔壁材质致密，有利于焦炭显微硬度，耐磨强度和反应后强度的提高，因此挥发分含量以低为好。⑷水分焦炭水分波动引起入炉干焦量变化，即焦炭真实负荷的波动，因而要求焦炭水分在稳定的前提下尽可能低，水分越高，焦粉粘附在焦块上，不易筛除而带入高炉，不利于生产。⑸磷和碱金属含量也是需要控制的成分。⒋冷态机械强度焦碳强度与高炉生产状态和操作指标密切相关，包括抗碎强度M40和抗磨强度M10两项指标。采用米库姆转鼓法测定冷态机械强度。焦碳在转动的鼓中，不断地被提料板提起，然后落在钢板上。在此过程中，焦碳与鼓壁和焦碳之间相互产生撞击、磨檫的作用，使焦碳沿裂纹破裂以及表面被磨损，用以测定焦碳的抗碎强度和耐磨强度。鼓体是密闭的钢板制圆筒，内径（1000±5）mm，鼓内长（1000±5）mm，鼓壁厚度不小于5mm，沿鼓长方向有4根100mm×50mm×10mm的角钢，相隔90°焊于鼓内壁上。测量时，鼓内装入粒度大于60mm的试样50Kg，以25r/min的速度旋转4min。停转后将鼓内全部试样用直径40mm及10mm的圆孔筛处理。将焦碳分成大于40mm、40~10mm、小于10mm三级。大于40mm一级需进行手穿孔。筛分时每次入筛量不得超过15kg。将筛分后的各级焦碳称重，大于40mm的焦碳质量占试样总质量的百分数(记为M40)为抗碎强度的指标，而小于10mm的碎焦质量百分数（记为M10）为耐磨强度指标。GB1996—80规定：（Ⅰ类焦）M40/%≥80.0M10/%≤8.0⒌粒度焦炭粒度要求均匀，平均以40~50㎜为适宜⒍高温性能（热态条件下的物理化学性能）焦炭高温性能包括反应性CRI和反应后强度CSR。CRI是衡量焦炭在高温状态下抵抗CO2气化能力的化学稳定性指标，反应性高，在高炉内被CO2溶损的比例高，导致焦比升高，并使焦炭气孔增大，气孔壁变薄，强度下降过程加剧，因此，希望焦炭反应性低些。反应后强度是衡量焦炭经受CO2和碱金属侵蚀状态下保持高温强度的能力，希望焦炭反应后强度高一些。检测方法（GB4000-83）：焦炭反应性CRI和反应后强度CSR是在同一组试验中完成的。试样是取大于25mm冶金焦20kg，弃去泡焦和炉头焦，制成直径21~25mm的焦球700g，分成3份，每份不少于220g。试验时将经过烘干备好的焦样（200±0.5）g装入反应器，一起放入电炉恒温区。当料层中心温度达到400℃时，通入0.8L/min的N2保护；当料层中心温度达到1100℃时，切断N2改通CO2，流量为5L/min；反应2h后停止加热，切断CO2改通N2，流量为2L/min，并将反应器从炉内取出，在室温下冷却至100℃以下，停止通N2，打开反应器，取出焦样称量，以损失的焦炭质量占反应前焦样总质量的百分数为焦炭反应性指标（记为CRI）。将反应后焦样全部装入Ⅰ型转鼓内（鼓体为普通光管制成，内径130mm，长700mm），以20转/min的转速共转30min，总转数600转。然后取出焦样筛分、称重，以转鼓后大于10mm粒级焦炭占反应后残余焦炭的质量百分数为焦炭反应后强度指标（记为CSR）。下表是炼铁厂2006年1月技术专业月报中的有关焦碳质量的部分数据。（空栏是因为原表中没有数据）成分品名燃料化学成分水分灰分挥发分SP固定炭M40M10自产焦（大块）5.712.680.680.827.17自产焦（中块）15.1412.490.61外购焦12.2812.850.6191.195.597.高炉高喷煤比操作对焦炭质量的要求高炉实施喷煤技术以来，由于焦比大幅下降，料柱骨架作用日显突出，对焦炭的质量要求也越来越高，尤其是焦炭的强度要求更高，以提高到达风口时保持原始粒度的能力。要求如下：⑴更好的原始强度(冷态机械强度)和更均匀的原始粒度。⑵更好的高温强度.通过改善反应性CRI来提高反应后强度CSR。⑶因为焦炭灰分对高炉冶炼过程特别是对焦炭质量本身的全面影响，因此强调降低焦炭灰分。附录：焦炭的技术要求见下表：（GB/T1996--94）粒度（mm）指标＞40＞2525~40灰分，Ad%ⅠⅡⅢ不大于12.0012.01~13.513.51~15.00硫分，S%ⅠⅡⅢ不大于0.661~0.800.81~1.00机械强度抗碎强度M25%ⅠⅡⅢ大于92.092.0~88.188~83.0按供需双方协议抗磨强度，M10%ⅠⅡⅢ不大于7.08.510.5挥发分Vdaf%，不大于1.9水分含量，%4.0±1.05.0±2.0不大于12.0焦末含量，%，不大于4.05.012.0第二章高炉冶炼基本原理第一节高炉炉料结构和精料高炉炉料结构是指其原料构成中,烧结矿、球团矿和天然块矿的配比组合，再加上对这种配比产生的综合炉料性能评价。精料就是高炉原燃料质量的优化。精料是炉料结构的物质基础，精料技术是炉料结构的理论基础，精料技术发展推动了炉料结构合理化。反过来，追求炉料结构合理化不断对原燃料品质提出更新、更高的要求，促进了精料技术的进步。高炉冶炼生产的日益强化，要求原、燃料的质量更优化。精料工艺是取得优质原材料的重要方法，可以概括为“六字方针”即“高、熟、稳、小、匀、净“。分述如下：高—原料含Fe高，还原性高；焦炭C固含量高；熔剂CaO含量高；原料和焦炭的机械强度高；熟—尽量使用精熟料；稳—原料的化学成分稳定；小、匀、净—指平均粒度小、粒度均匀、小于下限的粉末筛除干净。精料是降低单位生铁全部热量消耗，充分利用炉内煤气热能和化学能的基础。对精料的要求一是质量要好，二是成本要低。焦炭的质量非常重要，提高焦炭质量，扩大配煤品种、比例等降低成本的实用技术也较多，如：完善岩相配煤，防止结焦性好的煤过分粉碎和弱粘结性硬煤不粉碎的分煤种破碎技术，利用废焦油渣来做粘结剂增加型煤比例，以及镀碳镀膜技术等。例如：宝钢岩相配煤有17年，有效降低了焦炭灰分，当焦炭灰分由12%降低到11.3%后，不仅固定碳增加，还使反应性CSI﹤26%，反应后强度﹥66%。烧结技术是发展低碳厚料层低温烧结和低硅烧结。因而各高炉炼铁厂根据各自的原料条件确定最经济的入炉配比。我厂高炉炉料结构的基本形式是“高碱度烧结矿+酸性炉料”，酸性炉料为“球团矿+天然块矿”。需要指出的是，高炉冶炼要取得好的技术指标，决定因素还是矿石入炉品位。而决定生产高炉的炉料结构的主要因素是炼铁成本，即铁前系统综合经济效益。下表是炼铁厂2006年1月生产计划中的炉料结构：料种高炉类别烧结矿（%）自产球（%）进口球（%）进口块（%）国内球（%）小高炉66221002大高炉58520170从高炉解剖看铁矿石的还原从解剖调查中初步肯定了高炉冶炼过程可分为五个区域，在炉料与煤气流逆向运动过程中，热交换、还原、熔化、渣铁形成等反应依次在五个区域中进行，这五个区域一般称为五带或五层。1．块状带。炉内料柱上部，矿石与焦炭始终保持着明显的固态的层次缓缓下降，但层状趋于水平，而且厚度也逐渐变薄。2．软熔带。它是由许多固态焦炭和黏结在一起的半熔的矿石层组成，焦炭矿石相间，层次分明，由于矿石呈软熔状，透气性极差，煤气主要是从焦炭层通过，像窗口一样，此称其为“焦窗”。3．滴落带。位于软熔带之下，熔化后的渣铁象雨滴一样穿过固态焦炭层而滴落。4．风口带。焦炭在风口前，由于鼓风动能的作用在剧烈地回旋运动中燃烧，形成一个半空状态的焦炭回旋区，这个区域是高炉中惟一存在的氧化性区域。5．渣铁带。在炉缸下部，主要是液态渣铁以及浸入其中的焦炭。铁滴穿过渣层以及渣铁界面最终完成必要的渣铁反应，得到合格生铁。第三节软熔带的形成及其影响因素炉料在炉内下降，经过还原、软化、熔化，逐步成为铁水与炉渣滴落而积存于炉缸，由于矿石从软熔到滴落的状态形成了软熔带。软熔层与炉内温度相适应而井然有序的分布着，其分布状态以及在炉内的位置，因原料的性质不同、布料不同和高炉操作不同而变化。一．软熔带的形状根据炊熔带形状和特点可分为三种：1．倒V形：它的特点是中心温度高，边缘温度低，煤气利用好，对高炉冶炼过程的一系列反应有着很好的影响。2．V形。它的特点是刚好与倒V形相反，边缘温度高，中心温度低，煤气利用不好，而且不利于炉缸一系列反应，高炉操作中应该尽是避免它。3．W形：它的特点与效果都处于倒V形与V形之间。二、影响软熔带的因素根据高炉解体研究以及矿石的软熔特性，软熔形状与炉内等温线相适应，而等温线和煤气中的CO2分布曲线相对应的，在高炉操作中炉顶煤气CO2曲线主要由装料制度来调节。其次是送风制度的影响。因此，软熔带的形状受两个方面的影响，即装料制度和送风制度，前者属于上部调节，后者属于下部调节。例如正装比例为主的高炉，一般是接近倒V形的软熔带，如果以倒装为主或全倒装的高炉，基本上属于V形软熔带，正装倒装都有一定比例的高炉，一般接近W形的软熔带。三、软熔带对冶炼过程的影响软熔带在高炉中下部起着煤气再分布的作用，它的形状与位置对高炉冶炼过程产生明显的影响。1．倒V形的软熔带（1）.气流稳定，煤气利用改善，炉顶温度降低，混合煤气中C02值升高，焦比降低。（2）.中心煤气流量多，边缘煤气流量少，温度较低，对炉墙刷蚀较少。（3）.顺行得到改善，炉缸活跃，炉温较高，风、渣口破损少。（4）.悬料次数减少。2．V形的软熔带（1）.边缘煤气流量多，温度较高，炉墙刷蚀破坏严重，缩短高炉寿命。（2）.散失热量多，炉顶温度降高，焦比高。（3）.煤气能量利用差。（4）.炉缸不少活跃，中心堆积，风、渣口破损多。3．W形的软熔带介于两者之间。铁元素的还原及生铁的形成还原反应的基本原理还原剂对氧的亲和力必须大于被还原元素对氧的亲和力。衡量各种元素对氧的亲和力大小，常用这些元素氧化物的标准生成自由能△G0。在高炉冶炼条件下：Cu、Ni、Co、Fe可以全部被还原；Cr、Mn、V、Si、Ti部分被还原；Al、Mg、Ca完全不被还原。二、铁氧化物的还原由实验和生产实践得知，铁氧化物是按下面还原顺序1．用CO还原：高于570℃时3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130KJ（3－1）Fe3O4+CO=3FeO+CO2—20888KJ（3－2）FeO+CO=Fe+CO2+13605KJ（3－3）低于570℃时：3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2+37130KJ（3－1）Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2+17163KJ（3－2）上述反应有以下几个特点：从Fe2O逐级还原成Fe，除反应式（3－2）为吸热反应外，其余反应匀为放热反应。3（2）气相产物为C02。在高炉这种以CO为还原剂，气相产物为CO2的还原反应均称为间接还原。（3）除反应（3－1）式外，都是可逆反应。在一定温度、压力下反应向右或向左进行，取决于气相反应物和生成物的浓度，当CO浓度高于生成物CO2的浓度时，反应向右进行；当CO浓度低于生成物CO2的浓度时，反应向左进行。所以用CO还原铁的氧化物时，气相中含必须含有一部分CO与生成物CO2相平衡，不参加反应，其过量部分才参加反应。平衡所需的CO愈多，CO利用程度愈高。所以CO可能利用的最大限度取决于反应平衡的气相成分。把生成物气相成分与反应物气相成分之比，称为平衡常数，可用下式表示：KP＝Pco2/Pco=CO2%/CO%因为（CO2%）＋（CO%）＝100%所以（CO%）＝100/(1+KP)(3-4)2.温度对反应的影响不同铁氧化物在不同温度下平衡气相成分是不同的，用(3-4)式可求得在不同温度下，各铁氧化物还原反应平衡时，气相中CO的百分含量，可绘出图3－12．用固定碳还原焦碳从炉顶装入，直到风口始终以固体状态存在。到风口才被鼓入的热风燃烧。生成煤气并产生大量的热，提供高炉冶炼所需的热量，所以焦炭既是还原剂，又是发热剂。矿石中铁氧化物不可能在高炉上部全部还原，总有一部分下到高温区进行最后还原－直接还原。（1）还原反应的特点根据铁氧化物还原的顺序，用固体碳的还原反应有高于570℃时3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO－108982KJ（3－5）Fe3O4+C=3FeO+CO2—194393KJ（3－6）FeO+C=Fe+C－152190KJ（3－7）低于570℃时：3Fe2O3+C=2Fe3O4+CO－108982KJ（3－8）Fe3O4+4C=3Fe+4CO－64309KJ（3－9）上述反应有下面两个特点：（1）都是吸热反应，并且直接消耗焦碳中的固定碳。（2）反应物没有气相，反应产物有气相，所以，反应是不可逆的。高炉中用固体碳作还原剂，生成的气相产物为CO的还原反应统称为直接还原。3．用H2还原铁氧化物高炉冶炼过程中除CO和固体C外，还有燃料带入及鼓风水分分解等产生的氢气。在没有喷吹燃料的高炉煤气中，一般含H2量只占1.8%－2.5%，当高炉喷吹煤粉后，煤气中的H2浓度随喷吹燃料的和种类及喷吹数量而变化。4．复杂化合物中的铁氧化物还原高炉炉料中的铁氧化物常与其它氧化物结合成复杂的化合物，例如烧结矿中的硅酸铁（Fe2SiO4），熔剂性烧结矿中的铁酸盐（CaO.Fe2O）,钒钛磁铁矿中的钛铁矿（FeTiO3）等。这此复杂的还原首先必须分解成自由的铁氧化物，而再被还原剂还原，因此，还原比较困难，常常会消耗更多的燃料。（1）硅酸铁的还原由于硅酸铁结构致密，还原性差。当用CO或H2还原，需在900℃左右开始，而且还原速度很慢，基本上都是直接还原，其反应式为：当用CO还原时：Fe2SiO4＝2FeO＋SiO2-47520KJ(3-10)2FeO+2CO=2Fe+2CO2＋27214K(3-11)将3－10与3－11两式相加得：Fe2SiO4＋2CO＝2Fe+SiO2+2CO2-20306KJ(3-12)3当有固体碳存在时：Fe2SiO4＝2FeO＋SiO2-47520KJ(3-13)2FeO+2CO=2Fe+2CO2＋27214K(3-14)2CO2＋2C＝4CO－33159KJ（3－15）将3－13、3－14与3－15三式相加得：Fe2SiO4＋2C＝2Fe+SiO2+2CO－351900KJ（3－16）在比较反应式3－7和反应式（3－16）的热效应可知，从硅酸盐中还原FeO比还原自由的FeO要多消耗热量419KJ/公斤铁。其次，硅酸铁的熔点低，流动性好，未经预热和还原就被熔化，而流入炉缸后进入炉渣。由于炉渣中有CaO存在，而CaO与SiO2的结合力比FeO较大，能将FeO置换出来，于是还原反应式变为：Fe2SiO4＋2CaO＝2Fe+Ca2SiO4+91858KJ(3-16)2FeO+2C=2Fe+2CO－304380KJ(3-17)将上两式相加得：Fe2SiO4＋2CaO+C＝2Fe+CaSiO4+2CO-212522KJ(3-18)可见，有CaO存在时，还原硅酸铁的热量有所降低。但这种还原是在炉缸中进行，要消耗炉缸中的热量，会使炉缸中的温度降低。所以，高炉冶炼不希望含有Fe2SiO4高的原料。特别是一些中小高炉，由于风温不高，炉缸热储备少，炉渣中过多的Fe2SiO4还原会造成“炉凉”和炉况不顺，以及生铁含S升高等现象。一些使用土烧结矿的中小高炉常出现这种情况。若使用较高碱度的烧结矿、球团矿及采用高风温和碱性渣操作等有利于Fe2SiO4的还原。三、铁氧化物的直接还原和间接还原对焦比的影响铁氧化物由Fe2O3还原到FeO是比较容易的，正常情况下在高炉上部就可完成，即全部为间接还原。但从FeO还原成Fe，在高炉上部不能全部完成。因为矿石的还原是从表及里进行的，在间接还原区域，矿石外层还原了，但内部还原就不易。这不是因为煤气不能达到矿石的内部，还在于矿石的内部温度还不足。矿石内部未被还原的氧化铁随炉料下降，势必进入直接还原区。所以，矿石中的氧化铁总有一部分是直接还原的。此外，由于成渣过程的进行，总有一部分FeO进入渣中，液态炉渣下降较快，也必有一部分FeO进入高炉区发生直接还原。高炉进行间接还原和直接还原区域并非固定不变。操作人员的任务力求控制高炉区不使之上移，以减少直接还原，发展间接还原。高炉炉温下降，无非是供热不足，或者消耗热增多。不管哪种原因引起高炉下部直接还原增多，必然导致CO利用不好，增加热量消耗和固体C的消耗，结果使炉温下降或焦比上升。第五节高炉中非铁元素的还原高炉中陴铁元素外，还有锰、硅、磷等其它元素的还原。Cu、Ni、Co、Sn可以全部被还原；Cr、Mn、V、Si、Ti部分被还原；Al、Mg、Ca完全不被还原。一、锰的还原锰是高炉冶炼中经常遇到的金属，高炉有时也炼镜铁或锰铁，锰是贵重元素，高炉中的锰主要是由锰矿带入的。高炉内锰氧化物的还原也是由高价向低价逐级进行的，其顺序为：MnO2→Mn2O3→Mn3O4→MnO→Mn其化学反应式为：2MnO2+CO=Mn2O3+CO2+226797KJ3Mn2O3+CO=2Mn3O4+CO2+170203KJMn3O4+CO=3MnO+CO2+51906KJ由于MnO是相当稳定的化合物，它的分解压力比氧化铁小得多，MnO不可能由间接还原获得，只能靠直接还原取得。MnO+C=Mn+CO－165965KJMn在高炉内有部分挥发，它到上部又被氧化成Mn3O4。当温度在1100~1200℃时，Mn的高级氧化物已还原到MnO，而MnO未开始还原就和SiO2组成硅酸盐进入熔融炉渣。含MnO的炉渣熔点很低，1150~1200℃即可熔化，因此绝大部分Mn是从液态炉渣中还原出来的。由于MnO在炉渣中绝大部分以硅酸盐的形态存在，因此更难还原。要求还原温度在1400~1500℃以上。高炉内存在有利于Mn还原的条件，一是铁的存在和Mn能溶于铁水中就有助于MnO的还原，当铁存在时，MnO在1030℃就开始还原。二是高炉中有大量C存在。三是高炉渣中大量CaO的存在也能促进MnO的还原。炼普通生铁时大约40~60%的Mn进入生铁，有5~10%的Mn挥发进入煤气，其余进入炉渣。二、硅的还原Si在自然界中以SiO2的形态存在，高炉中的硅主要来源矿石和焦炭，SiO2是较稳定的化合物，它的生成热很大。很难还原。其还原顺序为：SiO2SiOSi还原1公斤Si需要的热量为从FeO中还原1公斤Fe的8倍。在高炉中，由于炉渣中的SiO2常与CaO、MgO等结合成为复杂的化合物，使SiO2的还原变得更困难。Si+O2=SiO2+116580KJ首先，风口燃烧带高温条件下SiO2气化产生SiO气体：SiO2+C=SiO+CO而SiO极易挥发，与C接触良好，促进了Si的还原：SiO气+C=〔Si〕+CO其次,风口前气化产生的Si溶解于生铁中与下降的铁水接触,被铁水中的C所还原,还原产生的Si很容易进入生铁SiO气+〔C〕=〔Si〕+CO三是由于还原产生的Si溶解于生铁中形成稳定的Fe—Si化合物，同时放出热量，有利于Si的还原，由于铁的存在，Si开始还原的温度可降到1050℃。炼铁工作者，通常用生铁中的含Si来表示炉温，这是因为Si无论是液态中还是从气态中还原，都需要很高的温度，炉缸温度超高，还原进入生铁的Si就越多，反之，生铁中含Si量越少。生产统计结果表明，炉缸温度（渣、铁温度）与生铁含量呈直线关系，因此，通常用生铁含Si来表示炉温，生铁含Si量成为炉缸温度的代名词。有时也有不完全相符的现象，这表明炉缸温度失常。三、磷的还原磷在炉料中主要是以磷酸钙（CaO3）3P2O5的形态存在，有时也以兰铁矿［（FeO）3P2O5］.8H2O形态存在。磷酸钙是比较稳定的化合物，它在高炉内首先进入炉渣，被渣中SiO2置换出自由状态的P2O5改善了还原条件，再进行直接还原。尽管磷是一个难还原的元素，反应时吸收大量的热。但在高炉冶炼条件下，磷几乎全部进行生铁。四、铅、砷、锌还原1．铅在炉料中常以PbSO4、PbS等形式存在，铅是易还原金属，或以全部还原。还原出来的铅（11.34克/厘米3）由于它的比重大于铁水（7.87克/厘米3），而沉入炉底砖缝，破坏炉底。2．锌在矿石中以ZnS状态存在，有时也以碳酸盐或硅酸盐状态存在。还原的Zn很容易挥发，挥发的Zn到高炉上部，被CO2或H2O重新氧化成ZnO，部分被煤气带出炉外，部分随炉料下降，再被还原剂在炉内富集。部分Zn蒸气渗入炉衬，在炉衬中冷凝，并被氧化成ZnO，体积膨胀，破坏炉墙，凝附在内壁上的ZnO，积久还能形成炉瘤。3．砷是有害元素，它能降低生铁和钢的性能，使钢冷脆。五．铁矿石还原的机理（有多种理论）所谓铁矿石还原机理，就是对铁矿石还原过程的微观解释，即关于铁矿石在还原过程中铁氧化物的氧是怎样被还原剂夺走和这种还原过程的快慢受哪些因素影响的限制等问题的理论说明，它是解决反应速度问题的主要理论根据。主要理论有以下四种：Ⅰ二步还原理论；第一步，FeO固=Fe固+1/2O2气，即铁氧化物分解；第二步，1/2O2气+CO气=CO2气，即还原剂氧化。Ⅱ吸附自动催化理论：FeO固+CO气=FeO固·CO吸附FeO固·CO吸附=Fe固·CO2吸附Fe固·CO2吸附=Fe固+CO2气Ⅲ固相扩散理论：铁氧化物的还原过程中，反应层内有FeO，Fe等原子或离子的固相扩散，从而使固体内部没被还原的部分裸露出来，促使反应不断进行。实际上它是吸附自动催化理论的补充和发展。Ⅳ未反应核模型理论：它比较全面地解释了铁氧化物地整体还原过程，是目前得到公认的理论。要点是：由于铁氧化物有从高级到低级逐级还原的特点，当一个铁矿石颗粒还原到一定程度后，外部形成了多孔的还原产物——铁的壳层，而内部尚有一个未反应的核心。随着反应的推进，这个未反应的核心逐渐缩小，直到完全消失。整个反应过程按以下顺序进行：气体还原剂的外扩散→还原剂内扩散→还原气体吸附→界面化学反应→氧化气体脱附→氧化气体内扩散→氧化气体外扩散。4.5影响铁矿石还原速度的因素铁矿石还原速度的快慢，主要取决于煤气流和矿石的特性，煤气流特性主要是煤气温度、压力、流速和成分等，矿石特性主要是粒度、气孔度和矿物组成。第三章造渣和脱硫炉渣对高炉冶炼过程有着重要的意义，造渣是高炉一系列物理和化学变化的重要组成部分。要炼好铁，必须炼好渣，因为它不但影响着高炉的顺行与质量，而且影响着生铁的质量和高炉的寿命。第一节炉渣概述一、炉渣的来源及主要成分炉渣主要来源于：矿石中的脉石，燃料中的灰分，熔剂中和氧化物，被侵蚀的炉衬、初渣中含有大量矿石中的氧化物。对炉渣性质起决定作用的是前三项，脉石和灰分的主要成份是SiO2和Al2O3。炉渣中的主要成份是SiO2、Al2O3、CaO、MgO四种氧化物，二、炉渣的作用炉渣和生铁相伴生成，它是高炉冶炼的副产品，但它对高炉冶炼过程，生铁质量，高炉顺行，高炉寿命，炉缸热制度等起着不容忽视的作用。1．由于炉渣具有熔点低，比重小和不熔于生铁的特点，使渣、铁分离，得到纯净的生铁，并能自由地流出炉外，这是高炉造渣过程的基本作用。2．去除生铁中的硫和有利于选择或抑制Si、Mn等元素的还原，起着控制生铁成份的作用。3．炉渣生成了高炉内的软熔带入滴落带，对炉内煤气的分布和炉料的下降都有很大的影响，因此，炉渣的性质和数量，生成的位置对炉料的顺行和炉缸的热制度起着直接的作用。4．炉渣附着在炉墙上形成渣皮，起着保护炉衬的作用，但是，在另外一种情况下又可侵蚀炉衬，破坏炉墙。因此，炉渣的成分和性质直接影响高炉寿命。三、炉渣的碱度炉渣中碱性氧化物和酸性氧化物的比值称为碱度。一般都用碱度这一概念作为衡量和选择炉渣的标准。尽管组成炉渣的氧化物很多，但对炉渣影响较大和炉渣中含量最多的是SiO2、Al2O3、CaO、MgO四种氧化物，因此常用其中的碱性氧化物CaO、MgO和酸性氧化物SiO2、Al2O3的重量百分数之比来表示炉渣碱度，即：R=(CaO＋MgO)/(SiO2＋Al2O3)R叫做全碱度四元碱度。但在一定冶炼条件下，渣中Al2O3的含量比较固定，生产过程中难以调整，因此，炉渣碱度指标计算中往往去除Al2O3，即：R=(CaO＋MgO)/(SiO2这里叫做三元碱度，同样，渣中MgO的含量也比较固定，生产过程中也不常调整，因此，炉渣碱也去除MgO，即R=CaO/SiO2这叫二元碱度，计算比较简单，调整也方便，又能满足一般生产工艺需要。因此，实际生产中大部分使用二元碱度。我国大、中型钢铁厂高炉选用炉渣碱度（CaO/SiO2）一般在1.0－1.2之间，炉渣的性能炉渣的熔化性熔化性表示炉渣熔化的难易程度，若炉渣需要较高的温度才能熔化，称为难熔炉渣，相反叫易熔炉渣。炉渣熔化性常用熔化温度和熔化性温度来表示。熔化温度炉渣的熔化温度是指过热的液体炉渣开始结晶的温度，或固体炉渣加热时晶体完全消失的温度，熔化温度是炉渣熔化性标志之一，熔化温度高，表明它难熔，熔化温度底，表明它易熔，难熔炉渣在炉内温度不足的情况下，可能黏度升高，影响成渣带的透气性，不利于高炉顺行，但难熔炉渣成渣带低，进入炉缸时温度高，增加炉缸热量，对高炉冶炼有利，易熔炉渣流动性好，有利于高炉顺行，但降低炉缸的热量，增加炉缸热消耗。因此，选择炉渣熔化温度时，必须兼顾流动性和热量两个方面的因素。熔化温度只表明炉加热时晶体完全消失的温度，变成为均匀液相。但有的炉渣在均一的液相下也不能自由流动，仍然十分黏稠，所以熔化温度并不能等于炉渣自由流动的温度。熔化性温度炉渣熔化后自由流动的温度叫熔化性温度。炉渣熔化性温度的高低影响高炉顺行和炉渣能否顺利排出炉外。只有熔化性温度低于高炉正常生产所能达到的温度，才能保证高炉顺行和炉渣顺利排出炉外。炉渣黏度炉渣黏度直接关系炉渣流动的好坏，也影响高炉冶炼顺行、生铁质量、炉墙侵蚀、炉前放渣操作等。炉渣黏度是流动性的倒数，黏度是流动速度不同两层液体之间的内磨擦系数。黏度越大，流动性越差。炉渣的黏度随温度升高而降低的。炉渣黏度对高炉冶炼的影响，第一是黏度大小影响成渣带以下料柱的透气性。炉渣黏度过高，在滴落带不能顺利流动，降低焦碳骨架的空隙度，增加煤气阻力，影响高炉顺行。第二，黏度影响炉渣的脱硫能力。黏度低流动性好的炉渣有利于脱硫，黏度高流动性不好的炉渣不利于脱硫。这是因为黏度低的炉渣有利于硫离子的扩散，促进脱硫反应。第三，炉渣黏度影响放渣操作。第四，炉渣黏度影响高炉寿命，黏度高的炉渣在炉内易形成渣皮，起保护炉衬的作用。而黏度过低，流动性好的炉渣容易冲刷炉衬，缩短高炉寿命。二．炉渣的稳定性炉渣的稳定性是指炉渣的化学组成和温度变化时，炉渣的黏度和熔化性温度变化大小的性能。即对炉渣物理性能影响的程度。炉渣和稳定性分为热稳定性和化学稳定性。在高炉冶炼过程中，由于原料成分，操作制度的变化，炉渣成分和温度必然会或多或少的波动，如果这时使用稳定性较好的炉渣，其渣仍能保持良好的流动性，从而可以维持正常的高炉生产。若使用稳定性较差的炉渣，将会使炉渣熔化温度和黏度突然升高，轻则引起炉况不顺，严重时会导致炉缸冻结的后果。第四节造渣过程及对冶炼过程的影响石灰石在下降过程中，从530开始分解，在900－925大量分解，超过1000区域块状石灰石分解完全，刚分解生成的CaO与脉石接触不良，初渣中CaO的含量很少，直致大量初渣以滴落流过其表面时，才被溶解，而这个过程直致风口前才被大部分完成。首先是块状带。在这时发生省市游离水蒸发、结晶水和菱铁矿的分解、矿石的间接还原（还原度可30%－40%）等现象。同时炉渣在这个区域里发生固相反应，形成了部分低熔点化合物，为矿石和脉石的软化和熔融创造了条件。其次是软熔带。矿石在下降过程中，温度逐渐升高，当接近和达到熔化温度水平时，矿石开始软化。软化是由于固相反应生成低熔点化合物，矿石之间产生轻度烧结和熔融，部分石已经还原，由于FeO、MnO、SiO的渗入使熔点进一步降低，熔化范围扩大，形成一层具有一定厚度的塑性层，叫做软熔带（也叫成渣带）再次是滴落带。矿石经过软熔带进入滴落带时，巳完全熔化为液态，金属铁和炉渣也完全分离开来，经固体焦碳缝隙往下流动。生铁去硫硫的来源、存在形态及危害高炉中的硫全部由炉料带进的，通常炉料中煤和焦碳的含量最高，约占高炉炉料中硫的70%－80%，其余部分是由矿石、熔剂带入的。焦炭和烘煤粉中的硫主要是以有机硫的形式存在，少量的硫是以硫化铁和硫酸盐的形态存在，烧结矿中的硫以硫化铁的形态存在。硫是影响钢铁质量的重要因素，钢中含有超过规定限量的硫，就会使钢产生热脆性。因而国家规定制钢铁含硫不能大于0.07%，铸造铁含硫不能大于0.06%。二、硫在煤气、渣、铁中的分配高炉中的硫全部是由炉料带入的，即：S料＝S挥＋S渣＋S铁(4－1)若以1公斤生铁为计量单位，则上式可写成：S料＝S挥＋n（S）＋［S］（4－2）式中S料－炉料中带入的总硫量（公斤/公斤.生铁）S挥－随煤气挥发的硫（公斤/公斤.生铁）n－相对渣量（公斤公斤生铁）（s）炉渣中含硫量（%）［S］生铁中的含硫量（%）渣中硫量与铁中硫量之比称为硫的分配系数：Ls＝（S）/［S］(4－3)将(4－3)代入（4－2）中：S料＝S挥＋nLs［S］＋［S］则：［S］＝（S料－S挥）/（1＋nLs）从上式看，生铁含量决定于下列四个因素：1．冶炼单位生铁炉料带入的总硫量。2．冶炼单位生铁所生成的煤气中挥发的量。3．冶炼单位生铁生成渣的多少。4．硫在渣铁间的分配系数。三、影响炉渣脱硫能力的因素1．炉渣的化学成分（1）炉渣的碱度炉渣的碱度是脱硫的关键因素。一般规律是炉渣碱度愈高，脱硫能力愈强。（2）MgOMgO也有一定的脱硫能力，但不及CaO，这是由于MgS不及CaS稳定。（3）Al2O3不利于脱硫。（4）FeO对脱硫及为不利。2．渣铁温度温度对炉渣的脱硫能力影响很大。（1）由于脱硫是吸热反应，提高温度对脱硫反应有利。（2）提高温度能降低炉渣黏度，促进硫离子和氧离子的扩散，可加快脱硫反应速度；（3）提高温度能使FeO加速还原，降低渣FeO的含量，对脱硫反应也是有利的。3．炉渣黏度炉渣黏度对脱硫反应影响很大。炉渣黏度低，流动性好，有利于氧离子和硫离子的扩散，高炉操作高炉操作稳定有利于脱硫；当高炉不顺行、煤气分布失常、炉缸工作不均匀、结瘤等都会导致生铁含硫量升高，第四章炉料和煤气运动炉料和煤气的相对运动是高炉炼铁的一大特点，一切物理和化学过程都是在其相对运动发生、发展和完成的。第一节炉料下降及力学分析一、炉料下降的条件炉料均匀下降是高炉顺行的生要条件，炉料的运动过程和煤气的合理分布也密切相差。炉料下降的动力是自重，而炉料下降的前提条件是在炉内不断存在使其下降的自由空间，而形成自由空间的原因是：1．焦炭中的固定碳在在风口前燃烧变成气体离开高炉，它为炉料提供35%－40%的自由空间。2．焦炭中的固定碳在下降过程中被炉料中的氧气物所氧气（参加直接还原反应），使体积缩小，提供15%左右的空间。3．在炉料下降过程中，小块不断充填于大块之间，重新排列，压紧并随温度升高而熔化为液相，使体积缩小，可提供30%左右的空间。4．定期排放渣铁，可使炉内经常保持一定的空间，使上部炉料得以下降。二、炉料下降和力学分析在高炉冶炼过程中，使炉料下降的是重力。而阻碍炉料下降的则有：（1）炉墙的磨擦力；（2）炉料之间的相对磨擦力；（3）煤气流对炉料的支撑力。按以上的关系，可用下式来表示：F＝（W料－P墙－P料）－△P式中F－决定炉料下降的力W料－炉料本身的重量P墙－炉料与炉料之间磨擦力的垂直分量P料－料块相对运动时，料块间磨擦力的垂直分量△P－煤气通过料层的总压差设：W效＝W料－P墙－P料即为炉料下降的有效重量。显然，F值越大，W效较△P愈大，愈有利于炉料的顺行；反之，就不利于炉料的顺行。当W效等于或小于△P时，将产生难行或悬料。第二节煤气流在高炉内的合理分布一、煤气分布类型1．边缘发展型：是煤气主要从边缘通过，边缘温度高，边缘处软熔带位置也高。相应的中心年煤气通过数量少，温度低，软熔带位置也低。这种分布类型其软熔带的形状很象“V型”。这种类型煤气的能量利用差，燃料比高，由于大量煤气从炉墙附近通过，对炉墙的冲刷破坏作用大，缩短高炉寿命。2．中心发展型：是煤气主要从高炉中心通过，中心温度高，中心处软熔带位置也高。相应的边缘的煤气通过数量少，温度低，软熔带位置也低。这种分布类型其软熔带的形状很象“倒V型”。3．双峰型：这种煤气介于类型“边沿发展型”和“中心发展型”之间。即煤气从高炉边沿和中心两个区域大量通过。它的作用介于两者之间，它的软融带呈“W型”。4．平坦型：这种类型沿高炉断面较均匀通过，矿石与煤气接触充分。煤气能量利用好，燃料比低。因煤气在高炉断面均匀分布，同一平面各点温度接近，形成的软融带也是平坦的，没有“气窗”，煤气通过阻力大，高炉难以顺行。影响煤气分布的因素一、影响炉料沿炉喉半径分布的因素1．炉料的物理性质散料体从一个不太高的空间落到没有阻挡的平面上会形成一个自然圆锥，锥面与水平面之间的夹角叫做“自然堆角”。各物料在一定的筛分组成和湿分下，其自然堆角是不变的，同一物质在粒度较小时，堆尖较大，而同一料堆中大块又易滚到堆角，粉未和小块则较集中于堆尖。各物料的物理性质不同，在炉内分布也不同，因此对上升煤气流产生不同的影响。边缘和中心焦炭与大块矿石较多，故透气性好，对煤气阻力小；堆尖附近由于富集大量的碎块和粉未，因而透气性差，通过的煤气也少，炉喉煤气中CO2的最高点和温度的最低点，正是处在堆尖下面。2．装料制度（2）装料次序每批料中的矿石和焦炭先后装入大料斗中，开启大钟使其一起落下，叫同装，若矿石和焦炭分别装入炉内则叫分装，先装矿石后装焦炭叫正装，反之，先焦后矿叫倒装。倒装比正装有更多的焦炭集中于边缘，边缘气流逐渐发展。（2）料线大钟呈开启的位置时，其下沿到料面的距离称为料线高度，（旋转溜槽垂直位置到料面的距离）料线高，堆尖远离炉墙，发展边缘；料线低，堆尖接近炉墙，加重边缘；料线适中时，堆尖刚好靠近炉墙，边缘最重。改变料线是调剂布料的一个手段，一般情况下，欲抑制中心，发展边缘，可提高料线；反之，应降低料线。（3）批重炉料是按一定重量分批装入高炉的。由于矿石和焦炭在炉内具有不同的堆角，所以在不同的批重下，它在炉喉分布也不一样。要加重边缘，可缩小矿批；要抑制边缘，可缩小矿批。3．炉型及其它因素（略）二、无料钟布料的特点1．布料灵活性高它采用了任意改变倾角的旋转溜槽和料流调节阀门来完成布料，可把料布到炉喉断面的任何部分，可有效控制炉料偏析，能充分利用煤气热能及化学能。2．密封可靠它采用小直径（一般直径￠800mm－900mm）的上、下密封阀来实现炉顶煤气密封。由于密封性改善，有利于炉顶压力的提高。3．炉顶装料装置部件体积小，重量轻，维修方便。4．炉料称量准确5．可实现环形、定点、螺旋、扇形布料。三、选择合理的送风制度选择合理的送风制度的关键在于控制回旋区的大小，保持炉缸工作活跃，促使煤气合理分布。送风制度与风口面积、风口长度和形状有关，增加风口长度有利于回旋区向炉心伸延，而缩短风口有利于煤气向边缘发展。四、上下部调节的合理利用下部调剂，是指对风量、风速、风温、喷吹量及鼓风湿分等因素的调剂。其目的在于维持合理的回旋区大小，使炉缸工作均匀，活跃、稳定、气流初始分布合理。风量、风速的调剂主要是通过改变风口直径的大小。而风口长度的调剂则应使其适应炉缸工作的要示，在中心不活跃时，可临时改用较长的风口；在中心过吹时，则缩小风口长度能减少炉缸边缘、呆滞区域，强化冶炼过程。此外，在特殊情况下（如开炉初期、炉况长期不顺、铁口工作不正常、控制冶炼强度等），可临时堵部分风口，但应注意，长期堵风口是不合理的。下部调剂，则是借助于装料顺序、料批大小、料线高低和沟槽化倾角的调剂，使炉料分布和上升的煤气相适应，既保证炉料有足够的透气性，使下料顺畅，而又不形成管道。上下部调节的目的在于寻求合理的煤气分布，以保证冶炼过程正常进行。第五章炉内操作第一节基本操作制度高炉基本的操作制度包括：热制度、送风制度、造渣制度和装料制度。高炉操作者根据高炉强化程度、冶炼的生铁品种、原燃料质量，高炉炉型及设备状况来选择合理的操作制度。一、热制度高炉热制度是指高炉炉缸应具有的温度水平，它反应高炉炉内热量收入与支出的平衡状态。炉缸温度可用铁水和熔渣温度来表示，这称为“炉缸的物理”热，也可用生铁含硅量的高低来表示炉缸温度，这称之为“炉缸的化学热”，（一）热制度的选择在一定的原燃料条件下，合理的热制度要根据高炉的具体特点及冶炼品种来定。保证生铁含硅量、含硫量在所规定的范围内。冶炼制钢生铁时［Si］含量控制在0.2%－0.5%之间。（二）影响热制度的主要因素1．炉料与煤气流分布对热制度的影响炉料和煤气流的相对运动是冶炼过程最基本的运动形式。一切物理和化学反应都在这一相对运动中发生、发展和完成。因此，炉料与煤气分布状态如何成为影响高炉热度的主要因素。2．原燃料性质对热制度的影响（1）矿石质量的影响。矿石品位、粒度、还原性等的波动对炉温影响较大。一般矿石的品位提高1%，焦比约降2%，产量提高3%。烧结矿中FeO增加1%，焦比升高1.5%，矿石粒度均匀有利于透气性改善和煤气利用提高。（2）焦炭质量的影响。焦炭含硫量增加0.1%，焦比升高1.2%－2.0%，灰分增加1%，焦比上升2%左右，因此，焦炭含硫量及灰分的波动，对高炉热制度都有很大的影响。3．其它操作制度的影响风温是高炉生产主要热能来源之一。调节风温可以及时改变炉缸热制度；喷吹燃料也是热源和还原剂的来源，喷吹燃料使炉缸中心温度升高，整个炉缸截面积温度梯度减少，保证炉缸均匀活跃。二、送风制度送风制度是在一定的冶炼条件下，保持合适的鼓风参数和风口进风状态，以达到煤气合理分布，使炉缸工作均匀活跃，炉况稳定。（1）风量风量对高炉冶炼下料速度、煤气分布、造渣制度和热制度都将产生影响。一般情况下，风量与下料速度，冶炼强度和生铁产量成正比关系。风量的调节作用是：控制料速、实现计划冶炼强度，以保持料线不变；稳定气流，在炉况不顺的初期，减少风量是降低压差，消除管道、防止难行、崩料和悬料的有效手段。炉凉减风控制下料速度。（2）风压风压直接反应炉内煤气与料柱透气性的适应情况。（3）风温提高风温可大幅度地降低焦比，是高炉强化冶炼的主要措施。在高炉生产中，要尽量采用高风温操作，充分发挥高风温对炉况的有利作用。（4）风口面积和长度在高冶炼强度时，由于风量、风温必须保持较高的水平，通常改变风口的进风面积的办法来调节鼓风动能，有时也改变风口长度的办法来调节边缘与中心气流，所以调节风口的直径和长度成为下部调节的重要手段。三、装料制度装料制度是对炉料装入炉内方式方法的有关规定。炉料装入的设备有钟式装料设备和无料钟装料设备。（一）装料顺序（略）（二）批重大小矿石批重与原料条件有着密切的关系，它随冶炼强度的提高，矿石的批重也相应扩大。（三）料线（略）四、造渣制度高炉根据不同的原燃料条件及生铁品种规格，选择不同的造渣制度。选择造渣制度应满足：1．保证炉渣在一定温度下有较好的流动性及足够的脱硫能力。2．保证炉渣具有良好的热稳定性和化学稳定性。3．有利于炉况顺行和保证生铁成份合格。第二节炉况判断与调节一、炉况判断的重要性调节高炉炉况的基础是正确的分析与判断，而正确的分析与判断又在于敏锐的观察。一般观察炉况的内容是：1．生铁硅硫含量的高低；2．渣铁颜色及形态2．高炉顺行情况。前两项主要是观察热制度与造渣制度的波动，它关系到产品品种和质量是否合格，后一项主要是观察送风制度与装料制度的变化，上升煤气流与料柱透气是否相适应。它关系到高炉的高产与低耗。二、炉况判断的方法判断炉况的方法有：直接观察法、间接观察法和计算机监测法。（一）直接观察法1．看风口在风口区焦炭进行燃烧，它是高炉温度最高区域，因此，通过它查以观察焦炭在风口前的运动状态，及明亮程度来判断炉缸圆周工作、炉温及顺行情况。2．看出渣炼铁工作者有句俗话：“炼铁好铁必炼好渣”，只有好渣才会有好铁，因此，看渣是直接观察判断炉况的重要手段之一。看渣要有三看“一看渣的碱度、二看渣的凉热、三看出渣过程的变化”3．看出铁看出铁主要是判断生铁中［Si］和［S］的含量，以确定生铁品种是否符合标准。同时也查以判断炉温和炉缸工作状态，而且还根据生铁的成份分析来调节焦炭负荷。4．用料速和料尺来判断炉况看料速一般是在相同条件下来比较料速快慢与均匀程度，即每小时下料的批数。高炉顺行时，料尺均匀下降，没有停滞和陷落现象。炉热时，每小时下料的批数减少，炉凉时，每小时下料的批数增加，难行时，炉料下降呆滞。炉况失常时，料尺突然下降300mm以上称崩料；两料尺不动的时间超过两批料称悬料。（二）间接观察1．用CO2曲线来观察炉况2．用混合煤气成分观察炉况。3．用风压、顶压和压差来观察炉况。4．用风量来观察炉况5．用炉顶、炉喉和炉身温度来观察炉况6．用透气性指数曲线来观察炉况三、高炉炉况的调节方法强化高炉冶炼，必须正确处理好上升煤气流与下降炉料之间的矛盾。使煤气始终保持合理分布，为此，必须搞好上、下部调节的有机配合。（一）上部调节上部调节的装料制度是借助装料顺序、料线高低、批重大小的调节，使炉料分布和上升的煤气相适应。（二）下部调节下部调节的送风制度，对炉缸工作起着决定性的影响。高炉冶炼过程反映完善与否，最后集中表现在炉料工作状态。第三节炉况失常及处理（略）第六章炉前操作1．炉前操作的主要任务①．密切配合炉内操作，按时出尽渣、铁，保证高炉顺行。②．维护好铁口、撇渣器及液压炮、开口机等炉前设备。③．在工长的组织指挥下，更换风口、渣口等其它冷却设备。④．保持风口平台、出铁场、热装线等清洁卫生和清理冲渣沟的残渣残铁。2．出铁正点率按规定时间打开铁口为出铁正点率。一般在规定时间的±10分钟内打开铁口，即为正点出铁，有的厂还把规定时间内出尽渣铁才算正点出铁。我厂的出铁正点为：在规定时间±5分钟内打开铁口。计算方法：正点出铁次数与高炉出铁的总次数的百分比。（出铁正点率＝正点出铁次数/出铁总次数×100%）若指标不好，则易影响高炉顺行、安全生产及生产系统的生产组织。3．铁口合格率铁口深度合格率的次数占总出铁次数的百分比。（计算方法：铁口合格率＝铁口深度合格次数/出铁总次数×100%）4．正常的铁口深度每座高炉都要根据炉缸炉墙厚度（经验规定：正常的铁口深度一般为炉缸炉墙厚度的1.2－1.5倍）和炉内压力来确定合理的铁口深度，以保证高炉正常生产。有利用于高炉按时出尽渣、铁，给高炉顺行创造有利条件。反之渣铁出不尽，炉缸内容铁过多，直接影响高炉顺行，铁口长