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1、1,炼铁原理与工艺,2,一、高炉炼铁简介,钢铁联合企业中的炼铁生产 一种是高炉-氧气转炉-轧机流程；一种是直接还原或熔融还原-电炉-轧机流程。前者被称为长流程，后者则被称为短流程。目前长流程是主要流程。但因它必须使用块状原料，需要配用质量好的炼焦煤在焦炉内炼成性能好的冶金焦，粉矿和精矿粉要制成烧结矿或球团矿。这两道生产工序不但能耗高，而且生产中产生粉尘，污水和废气等对环境造成污染。所以长流程面临能源和环保等的挑战，直接还原和熔融还原是用来替代高炉炼铁的两种工艺。 直接还原和熔融还原炼铁工艺的特点是，用块煤或气体还原剂代替高炉炼铁工艺所必需的焦炭来还原天然块矿、粉矿或人造块矿（烧结矿或球团矿）具
2、有相当大的适应性，特别适用于某些资源匮乏，环保要求特别严格的地区或国家，但其生产规模较高炉小而且很多技术问题还有待解决或完善。 各种炼铁法的设备及生产方式差别很大，但其原理是相同的。,3,1.1高炉炼铁生产工艺流程,高炉本体 上料系统 送风系统 煤气净化系统 渣铁处理系统 喷吹燃料系统,4,1.2炼铁原料及评价,铁矿石的分类 对铁矿石的评价: 含铁品位 p1=(F/f)(P-Cp2-Cp3-g) 式中p1 为原料的价值；F为原料的含铁品位；f为生铁中含铁；p为生铁的车间成本；C为焦比；c为单位生铁消耗的熔剂；p2 为焦炭的价格；p3 为熔剂的价格；g为每吨生铁的车间生产费用。 脉石的成分及分布
3、 有害元素的含量. S (0.1-0.3) %, 矿最低允许P=(P铁-P焦.熔)/K. K-单位(吨)生铁矿耗量. K=Fe生/Fe矿 (K,Na) 2-3Kg/t铁, Zn 0.15 Kg/t铁 有益元素,矿石的还原性 矿石的高温性能 矿石的其它性能(强度,粒度,热爆裂性,化学成分的稳定性),5,1.2炼铁原料及评价,矿石入炉前的处理 整粒.8-30mm 造块. 分级和筛分.,6,1.3熔剂,1.碱性熔剂 石灰石,白云石(Ca,Mg)CO3, 2.酸性熔剂 硅石(SiO2) 3.有效熔剂性 有效熔剂性= w(CaO) +w(MgO) -w( SiO2 ) R 2,7,1.4锰矿,锰矿用途
4、质量要求(和铁矿石一样) w(Fe允) =100-w(C)+w(Si)+w(P)+w(S)+w(Mn)+/K K=w(Mn)w(Mn)矿 式中w(Fe允)锰矿允许的极限Fe的质量分数，%； K冶炼单位重量合金时锰矿消耗量；w(Mn)矿锰矿含Mn品位，%； 炉内Mn的回收率，冶炼一般生铁时此值为50%60%，炼锰铁时此值可达80%85%。,8,1.6高炉燃料,1.焦炭 焦炭的作用: 在风口前燃烧，提供冶炼所需热量 固体C及其氧化产物CO，是氧化物的还原剂 高温区料柱的骨架，煤气通路 铁水渗碳,9,1.6高炉燃料,2.高炉对焦炭质量要求: 化学成分,C,A,W,S, 冷强度:M40,M10 热强度
5、,CSR 反应性.CRI,10,焦炭质量要求,11,1.6高炉燃料,3.对煤粉的质量要求 煤的燃烧性能好 煤的灰分越低越好，要求低于12%。 煤的硫分越低越好，一般要求小于0.7%，最高不大于0.8% 煤粉的粒度合适 煤的可磨性好，高炉喷煤需要将煤磨到一定细度，煤的可磨性指数(哈氏HGI)应在6090之间，低于50的煤很硬，难磨。高于90的烟煤虽然易磨，但往往是粘结性强的煤，可能给磨煤和输煤造成困难。,12,1.6高炉燃料,煤的发热值越高越好，烟煤的低位发热值不小于26000kJ/kg，无烟煤的低位发热值不小于29000kJ/kg。 胶质层越薄越好，Y10rnrn，以免在喷吹过程中结焦，堵塞喷
6、枪影响煤粉喷吹和高炉正常生产。 煤的灰熔点温度，要求高一些。因为灰熔点太低时风口容易结焦和堵塞煤枪。 流动性和输送性能高。,13,1.6高炉燃料,气体燃料 气体燃料在钢铁企业中有重要作用。天然气、石油气、高炉煤气、发生炉煤气等。 根据我国资源条件，不可能普遍使用天然气，而焦炉煤气主要供民用，只有在特殊条件下高炉才使用少量焦炉煤气。故高炉煤气就成为钢铁企业内部的主要气体燃料了。,14,1.7高炉冶炼产品,1.生铁 炼钢生铁,铸造生铁,铁合金一般不用高炉,用电炉 2.煤气 3.炉渣(水渣),15,1.8高炉冶炼主要经济指标,1.利用系数: V=P/V-t/(m3.d) 2.焦比 K=Q/P-kg/
7、t 3.煤比 PCI=M/P -kg/t 4.燃料比 Kf =QfP 式中Kf冶炼1 t生铁消耗的焦炭和喷吹燃料的数量之和； Qf高炉一昼夜消耗的干焦量和喷吹燃料之和。,16,1.8高炉冶炼主要经济指标,5.置换比 R=(K0-K1+K)/PCI 式中R喷吹的辅助燃料的置换比； K0未喷吹辅助燃料前的实际平均焦比； K1喷吹辅助燃料后的平均入炉焦比； K其他各种因素对实际焦比影响的代数和。,17,1.8高炉冶炼主要经济指标,6.冶炼强度。 冶炼强度（I）是冶炼过程强化的程度，即每昼夜（d）每1 m3高炉有效容积燃烧的干焦耗用量： 冶炼强度=干焦耗用量有效容积实际工作日t/(m3d) 利用系数（
8、V）=综合冶炼强度(If)综合焦比(Kf)t/(m3d),18,1.8高炉冶炼主要经济指标,7. 燃烧强度 燃烧强度=一昼夜干焦耗用量炉缸截面积t/(m2d) 由于炉型的特点不同，小型高炉可允许较高的冶炼强度因而容易获得较高的利用系数。为了对比不同容积的高炉实际炉缸工作强化的程度，可对比其燃烧强度。燃烧强度的定义为每1 m2炉缸截面积上每昼夜（d）燃烧的干焦吨数：,19,1.8高炉冶炼主要经济指标,8.炉腹煤气量指数 炉腹煤气量指数=炉腹煤气量/炉缸面积-m/min 9.焦炭负荷 10.休风率 11.生铁成本 12.炉龄(时间和单位炉容生铁产量) 13.吨铁工序能耗.400kg标准煤/t铁,2
9、0,2.还原过程与生铁形成,21,2.1高炉内基本现象和基本规律,1.基本现象: 高炉冶炼过程是个连续生产过程。 高炉是一个密闭的连续的逆流反应器 炉料在高炉内的状态 块状带,软熔带,滴落带,风口带,渣铁带,22,高炉内状况描述,23,2.1高炉内基本现象和基本规律,2.软熔带及其对高炉行程的作用规律 软熔带类型：倒V, V,W, 影响软熔带形状的因素: 送风状况,布料方式 软熔带对高炉冶炼的影响 铁矿石预还原,生铁脱硫,生铁含硅,煤气利用,炉缸中心活跃程度,炉墙维护 对炉况顺行,生铁产量、质量,燃料消耗均有影响。,24,2.1高炉内基本现象和基本规律,3.软熔带控制方法 通过上、下部调剂规律
10、，改变原燃料结构和性能来实现。,25,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,1.水分的蒸发与水化物的分解 吸附水一般在105时就迅速蒸发. 炉料中的化合水，又称结晶水，以化合物的状态存在。 褐铁矿(nFe2O3mH2O) :200左右开始分解，400500时分解速度激增 高岭土(Al2O32SiO22H2O):高岭土在400时开始分解，但分解速度很慢，到500600时才迅速(烘炉),26,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,结晶水分解影响 炉料透气性变坏. 焦炭中的碳素反应(较高温度区域) 在5001000时: 2H2O+C焦=CO2+2H2-83134 kJ(水煤气置换反应) 在1000以上时 : H
11、2O+C焦=CO+H2-124450 kJ (水煤气反应) 两个反应对铁矿石还原作用和区别后面介绍.,27,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,2.挥发物的挥发 挥发物:有机物质热分解的产物. 挥发物主要存在于焦炭和煤粉中. 煤粉中挥发在风口区分解燃烧对炉缸煤气成分影响较大.特别是烟煤 其它物质的挥发: K,Na,Zn,SiO,Mn.,28,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,3.碱金属的挥发与危害 钾、钠等碱金属大都以各种硅酸盐的形态存在于炉料而进入高炉. 2K2OSiO2、2Na2OSiO2、Na2OSiO2等.在温度高于1500时，且有碳素存在条件下，它能被C还原. 少量K2O、Na2O、K2C
12、O3、Na2CO3等氧化物或碳酸盐形态存在于矿石脉石中. 能在较低温度下被CO还原,29,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,碱金属的还原反应 在高温区域: 1500左右 K2(Na2)SiO3+3C=2K(Na)气+Si+3CO K2(Na2)SiO3+C=2K(Na)气+SiO2+3CO 在较低温区域:800 左右 K2(Na2)O+CO=2K(Na)气+CO2 K2(Na2)CO3+CO=2K(Na)气+CO2 1200 : 2K (Na)气+2CN2=2K(Na)CN气(氰化物),30,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,31,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,碱金属(氰化物)的氧化反应 800
13、 : 2K (Na)气+ 2CO2=K2(Na2)CO3+CO 2K (Na)CN液+4CO2=K2(Na2)CO3+N25CO 碱金属的存在形态: 碱金属将以气态形式随煤气上升； 而碱金属的氰化物多以雾状液体的形态随煤气向上运动。,32,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,4.碱金属的积累(循环)富集现象 含有碱金属元素的化合物随着炉料下降,在温度升高的过程中被炉内的C或CO还原,逐步生成气态碱金属或雾状液体的碱金属氰化物。它们随着煤气上升在较低温度区域（低于800 ）被CO2所氧化以碳酸盐的形式凝结在炉料（炉衬）表面上。除一部分（小于10%）被煤气带走外，大部分又随炉料下降被还原成碱蒸气或雾状
14、液体的碱金属，如此在炉内循环往复，这个现象叫碱金属的积累(循环)富集现象。,33,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,碱金属的分配： 由于动力学条件的限制，炉料中原有碱金属硅酸盐，及再生的碱金属碳酸盐，都将有一部分不能被还原而直接进入炉渣，并随炉渣排出炉外。所以炉料中带入的碱金属在炉内的分配是：少量被煤气带走和炉渣带走，而多数在炉内往复，循环富集，严重时炉内碱金属量高于入炉量的10倍以上，以致祸及高炉生产。高炉中上部的碱含量要远远大于入炉的量。,34,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,5.碱金属对高炉冶炼的危害 碱金属是碳气化反应的催化剂。 降低焦炭强度（气化反应和不均匀膨胀）。 恶化原料冶金性能。
15、（烧结低温粉化，球团异常膨胀） 促使炉墙结厚甚至结瘤。 碱蒸气对高炉炉衬高铝砖、黏土砖有侵蚀。,35,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,6.防止碱金属对高炉冶炼的危害的措施 减少和控制入炉碱金属量。 借助炉渣排碱是最具有实际意义和有效的途径，方法是降低炉渣碱度。 适当降低燃烧带温度，可以减少K、Na的还原数量。 提高冶炼强度，缩短炉料在炉内的停留时间，可以减少炉内碱金属的富集量。 对冶炼碱金属含量高的高炉，可定期采用酸性渣洗炉，以减少炉内碱金属的积累量。,36,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,7.碳酸盐的分解 高炉料中的碳酸盐常以CaCO3、MgCO3、FeCO3、MnCO3态存在，以前二者为主
16、。 MeCO3=MeOCO2-Q 石灰石的分解: CaCO3=CaO+CO2-178000kJ,37,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,石灰石的分解开始温度和沸腾温度: T开=A/(lgpCO2-B) T沸=A/(lgp总-B) A ,B能在相关表中查到,A=-8908,B=7.53 pCO2为分压, p总为总压, （CO2）为CO2组分含量, p标=100 KPa pCO2=（CO2） p总 p标,38,2.2炉料中的蒸发、挥发及分解,当（CO2）=0.03, p总=100KPa时, pCO2=（CO2） p总 p标=0.0003 T开=A/(lgpCO2-B)=-8908/(lg0.0003-7.53)=806K=533 T沸=A/(lgp总-B) )=-8908/(lg1-7.53) =1183K=910
