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1、钢铁冶金学,学时:64 目 录,1 绪论 2 铁矿粉造块 3 高炉冶炼过程的物理化学 4 高炉炉料和煤气的运动 5 高炉能量利用 6 高炉工艺计算 7 高炉强化冶炼,1 绪论,一、钢铁工业在国民经济中的地位,1、发展钢铁工业的条件,2、钢铁材料的优越性能,二、钢铁企业的炼铁生产,从矿石到钢材的生产可分为两个流程。,1、高炉转炉轧机 “长流程”主要流程,2、直接还原或熔融还原电炉轧机 “短流程”,三、高炉,发展趋势:大型化、矮胖型,四、高炉原料,1、铁矿石(烧结矿、球团矿、天然块矿 ),基本定义:矿物:自然界存在的自然元素和化合物。矿石:可以提取有用物质并获取利润的矿物。脉石:不可以提取有用物质
2、或不能获取利润的矿物。,铁矿石种类:赤铁矿(Fe2O3),红色;磁铁矿(Fe3O4),黑色,有磁性;褐铁矿(Fe2O3nH2O),含有结晶水;菱铁矿(FeCO3)碳酸盐。,评价指标: (1)含铁品位(TFe);,(2)脉石成分(SiO2、Al2O3、CaO、MgO ); (3)有害杂质(S、P、F、As、K、Na、Pb、Zn、Cu)与有益元素(Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo、Nb、稀土类等 ); (4)还原性(由好至坏依次为:褐铁矿、菱铁矿、赤铁矿、磁铁矿); (5)强度与粒度(粒度上限决定还原性,下限决定于透气性,一般为925mm ); (6)化学成分和粒度的稳定,锰矿石评价:合金元
3、素、与铁性能相近、用于铁合金和洗炉。Mn高,比铁品位更重要,难还原; Fe低,Mn/Fe10,因为Fe易还原;S、P要低,因为铁合金在后期加入钢水中,不能再脱S和脱P,要求P70%。,(4)固体碳燃烧速度 处于扩散速度范围内固体燃料粒度增加,气流速度提高,气流中含氧增加,则料层温度升高。,2、分解反应,(1)结晶水分解:分解吸热,增加燃料消耗。一般固溶体的水容易在120200 分解出来,以OH存在。 褐铁矿:250至300分解。 高岭土(Al2O3SiO22H2O):400开始分解,500至600大量分解,完成去除结晶水要到1000左右。 (2)碳酸盐分解及矿化作用 分解反应:CaCO3=Ca
4、O+CO2 MgCO3=MgO+CO2,影响因素:1)烧结温度:高有利于分解。2)石灰石粒度:小有利于分解,要求小于3mm。3)杂质(Al2O3、SiO2、Fe2O3):少有利于分解。4)活性:高有利于分解。,矿化作用:固化反应,形成CaOSiO2、CaOFe2O3等。 如果没有发生矿化作用,则会形成白点(CaO), CaO+ H2O= Ca(HO)2 体积膨胀,产生粉化。 影响因素:1)烧结温度:高有利于矿化。2)石灰石粒度:小有利于分解,要求3mm。3)矿粉粒度:小有利于分解。4)活性:高有利于分解。,(3)高价氧化物分解(P35)铁和锰高价氧化物的分解压较高。预热层:MnO2、Mn2O3
5、开始分解。燃烧层: MnO2、Mn2O3沸腾分解;Fe2O3开始分解。Fe3O4和FexO的分解压很小,在烧结条件下不可能分解。,3、氧化还原反应,烧结过程宏观上是氧化气氛,但也存在还原气氛,尤其在配碳量比较高和燃料粒度比较大时比较明显。,(1)Fe2O3:在烧结过程中会发生热分解和还原。3Fe2O3=2Fe3O4+1/2O2 热分解3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 还原固相反应形成CaOFe2O3系列,则难还原。,(2)Fe3O4:在烧结过程中分解难,但在1300-1350会发生下面的反应。2Fe3O4+3SiO2=3(2FeOSiO2)+O2 在烧结过程中可以还原,Fe3O4+CO
6、=FeO+CO2 900,平衡CO/CO2=3.47同时也可以发生下面的反应:3Fe3O4+3SiO2+2CO=3(2FeOSiO2)+2CO2,CaO存在,则不利于2FeOSiO2的形成。在烧结过程中也可以氧化成Fe2O3:条件是料层透气性好,配碳量比较低,氧化反应是放热反应。,(3)FeO:在烧结过程中还原比较困难,只有在配碳量特别高时才有可能。在烧结过程中可以被氧化成Fe3O4,条件是料层透气性好,配碳量比较低,供氧充足。,(4)锰氧化物:MnO2和Mn2O3易进行热分解;Mn3O4不易进行热分解,但可还原成MnO;MnO不易还原。,4、气化反应(有害杂质的去除),(1)S的去除。85-
7、90S的存在状态:1)有机S:含量一般比较低,仅在个别年轻煤中含量较高。2)硫化物:如FeS2、FeS。3)硫酸盐:如FeSO4、CaSO4、BaSO4等,硫酸盐在新鲜煤中含量极少,在氧化后的煤中含量比较高。,烧结过程脱硫是氧化脱硫,分解只是一小部分。硫化物脱硫的主要反应有:4FeS2+11O2 = 2Fe2O3+8SO2 3FeS2+8O2 = Fe3O4+6SO2 2FeS2 = 2FeS+S2 S+O2= SO2 4FeS+7O2 = 2Fe2O3+4SO2 3FeS+5O2 = Fe3O4+3SO21350以下,铁氧化物以生成Fe2O3为主;1350以上,铁氧化物以生成Fe3O4为主。
8、上述反应都是放热反应。 硫化物中的硫去除比较容易,硫酸盐中的硫去除比较困难。但在Fe2O3和SiO2等存在的条件下,CaSO4、BaSO4分解变得容易。 CaSO4+ Fe2O3= CaOFe2O3+ SO2 +1/2O2 吸热BaSO4+ SiO2 = CaOSiO2+ SO2 +1/2O2 吸热,影响烧结过程脱硫的因素:1)矿粉粒度:粒度细有利于脱硫,原因是有利于氧化,各类矿粉的粒度要求小于10mm。2)矿石品位:品位高有利于脱硫,品位高则熔点高。3)烧结矿碱度:碱度低有利于烧结脱硫,烧结脱硫的实现是S进入废气,碱度高有利于形成CaS,没有实现脱硫。4)燃料用量:恰当则有利于脱硫。燃料多易形成还原性气氛,硫负荷高,不利于烧结脱硫;燃料少烧结温度低,同样不利于脱硫。烧结脱硫发热,1kgFeS2可代替0.3kg含C为80%的焦粉。5)返矿用量:恰当则有利于脱硫。改善料层透气性,有利于烧结脱硫;液相量增加,不利于脱硫。,(2)去As:氧化去As,烧透是前提。As有毒。2FeAsS+5O2=Fe2O3+As2O3+2SO2,(3)脱F:2CaF2+SiO2=2CaO+SiF4 CaO不利于去F;SiO2有利于去F;H2有利于去F。F 对人体有害、腐蚀设备。,