高炉炼铁工艺优秀课件.ppt

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1、高炉炼铁工艺第1页，本讲稿共72页炼铁高炉炼铁非高炉炼铁渣铁处理系统煤气除尘系统喷吹系统高炉矿石 焦炭煤空气炉渣 铁水炉尘净煤气风机热风炉高炉及其附属系统供料系统送风系统 3.1 概述概述第2页，本讲稿共72页鱼雷车鱼雷车lumpore主主输送输送帶帶鼓风机鼓风机热风炉热风炉除除尘尘器器洗涤器洗涤器烟囱烟囱配料配料间间炉顶回收电炉顶回收电BFG储槽储槽冷空气冷空气热风热风混合混合气气调湿系统调湿系统废气废气鼓鼓风风嘴嘴出出铁铁口口无钟无钟罩式罩式炉顶炉顶高高炉炉sintercokeflux高炉作业流程第3页，本讲稿共72页3.1.1 高炉冶炼过程及其特点高炉冶炼过程及其特点高炉炼铁的本质是铁的

2、还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿石或含铁原料的铁，从氧化物或矿物状态（如Fe2O3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4TiO2等）还原为液态生铁。冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风与焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。上升过程中，煤气流温度不断降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。第4页，本讲稿共72页第5页，本讲稿共72页第6页，本讲稿共72页第7页，本讲稿共72页第8页，本讲稿共7

3、2页 高炉冶炼特点高炉冶炼特点 (1)高炉冶炼是在炉料与煤气流逆向运动过程中完成各种错高炉冶炼是在炉料与煤气流逆向运动过程中完成各种错综复杂的化学反应和物理变化的，炉内主要是还原性气氛。综复杂的化学反应和物理变化的，炉内主要是还原性气氛。(2)高炉是密闭的容器，除装料、出铁、出渣及煤气外，操高炉是密闭的容器，除装料、出铁、出渣及煤气外，操作人员无法直接观察到反应过程的状况。只能凭借仪器仪表间作人员无法直接观察到反应过程的状况。只能凭借仪器仪表间接观察炉内状况。接观察炉内状况。(3)高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动高炉是连续的、大规模的高温生产过程，机械化和自动化水平较高。化水平

4、较高。第9页，本讲稿共72页3.1.2 高炉炼铁的原料和产品高炉炼铁的原料和产品高炉冶炼的主要原料是铁矿石、燃料、鼓风。高炉冶炼的主要产品是生铁、高炉渣和高炉煤气。高炉渣和高炉煤气为副产品。生铁生铁生铁可分为炼钢生铁、铸造生铁。炼钢生铁供转炉、电炉炼钢使用。铸造生铁则主要用于生产耐压铸件。生铁是Fe与C及其它一些元素的合金。通常，生铁含Fe 94%左右，C 4%左右。其余为Si、Mn、P、S等少量元素。第10页，本讲稿共72页一般来说，生铁和钢的化学成分主要差别是含含碳碳量量。钢中含碳量最高不超过2.11%。高炉生铁含碳量在2.54.5%范围，铸铁中不超过5.0%（此时Fe3C含量约占75%，

5、当 铸 铁 中Fe3C达100%时，其 含 碳 量 为6.67%）。当铸铁中C5.0%时，铸铁甚脆，没有实用价值。而含碳量在1.62.5%之间的钢铁材料，由于缺乏实用性，一般不进行工业生产。第11页，本讲稿共72页炼钢生铁作为转炉热装炼钢的原料，约占生铁产量的8090%。铸造生铁，又称为翻砂铁或灰口铁，用于铸件生产。其主要特点是含硅较高，在1.254.25%之间。硅在生铁中能促进石墨化，即使化合碳游离成石墨碳，增强铸件的韧性和耐冲击性并易于切削加工。铸造生铁约占生铁产量的10%左右。高炉还可生产特殊生铁，如锰铁、硅铁、镜铁（含1025%Mn）、硅镜铁（含913%Si，1824%Mn）等，主要用

6、作炼钢脱氧剂和合金化剂。第12页，本讲稿共72页此外，生铁中还可能含有部分微量元素。生铁中微量元素含量常以T为指标：T=Pb+Sn+Sb+As+Ti+V+Cr+Zn含微量元素很低的“高纯生铁”T0.1%。国内外适宜生产高纯生铁的矿源稀少。我国本钢生铁素有“人参铁”之称。它除P、S极低外，微量元素亦很低。其T0.08%，属国际高纯生铁范畴。第13页，本讲稿共72页 高炉渣高炉渣由于冶炼矿石品位、焦比及焦炭灰分的不同，我国大中型高炉的单位生铁渣量在0.30.5t之间。高炉渣主要成分是Ca、Mg、Si、Al的氧化物，其工业用途广泛。如在炉前急冷粒化成水渣，作成水泥和建筑材料；酸性渣还可在炉前用蒸汽吹

7、成渣棉，作绝热材料。冶炼多元素共生的复合矿时，炉渣中常富集有多种元素（如稀土、钛等）。这类炉渣可进一步利用。第14页，本讲稿共72页 高炉煤气高炉煤气冶炼每吨生铁可产生16003000m3的高炉煤气，其中含有约20%25%的CO，13%的H2，还有少量甲烷（CH4）等可燃气体。从高炉排出的煤气中含有大量的炉料粉尘，经过除尘处理可使含尘量降到1020mg/m3。除尘处理后的高炉煤气发热值约为33503770kJ/m3，是良好的气体燃料。但高炉冶炼产生的煤气量、成分及发热值与高炉操作参数及产品种类有关。如高炉冶炼铁合金时煤气中几乎没有CO2。高炉煤气是钢铁联合企业的重要二次能源，主要用作热风炉燃料

8、，还可供动力、炼焦、烧结、炼钢、轧钢等部门使用。第15页，本讲稿共72页3.1.3 高炉生产主要技术经济指标高炉生产主要技术经济指标 高炉生产的技术水平和经济效果可用如下技术经济指标来衡量：有效容积利用系数()是指每立方米高炉有效容积、每昼夜生产的合格生铁量。式中：P生铁日产量；V高炉有效容积，m3 第16页，本讲稿共72页 焦比（K）是生产1吨生铁所消耗的干焦炭重量。显然，焦比愈低愈好。式中：Q每日消耗焦炭量，kg/d。在喷吹燃料时，高炉的的能耗情况用燃料比（燃料比（K燃燃）表示，即每吨生铁耗用各种入炉燃料之总和。K燃（焦炭+煤粉+重油+）kg/t第17页，本讲稿共72页喷吹燃料按对置换比折

9、算为相应的干焦（K）与实际耗用的焦炭量（焦比K）之和称为综合焦比（综合焦比（K综）综）。K综（K+K）kg/t 冶炼强度（I）每m3高炉有效容积每天消耗焦炭的重量。第18页，本讲稿共72页利用系数、焦比和冶炼强度三者之间的关系为：生铁合格率生铁合格率 合格生铁量占高炉总产量的百分数。此外，优质生铁占生铁总量的百分数称为优质率。合格率和优质率都是生铁质量指标。对生铁质量的考查主要看其化学成分（如S和Si）是否符合国家标准。休风率休风率 高炉休风时间占规定作业时间的百分数。第19页，本讲稿共72页 生铁成本生铁成本 生产1吨生铁所需的费用。高炉一代寿命（炉龄）高炉一代寿命（炉龄）从高炉点火开炉到停

10、炉大修之间的历程，或高炉相邻两次大修之间的冶炼时间叫做高炉一代寿命。第20页，本讲稿共72页3.2高炉冶炼原理3.2.1 高炉内各区域进行的主要反应高炉内各区域进行的主要反应为了弄清高炉内各部分的反应及变化规律，人们曾多次为了弄清高炉内各部分的反应及变化规律，人们曾多次对正在运行中的高炉突然停炉，并用水或氮气进行急冷，对正在运行中的高炉突然停炉，并用水或氮气进行急冷，使炉内物料保持生产时的原状，然后对其解剖分析，以使炉内物料保持生产时的原状，然后对其解剖分析，以揭示高炉内部的奥秘。大量解剖研究表明，炉料常降过揭示高炉内部的奥秘。大量解剖研究表明，炉料常降过程分布是呈程分布是呈层状层状的，直至下

11、部熔化区域，但炉料中焦炭在燃的，直至下部熔化区域，但炉料中焦炭在燃烧前始终处于固体状态而不软化熔化。由下图可知，高炉冶炼烧前始终处于固体状态而不软化熔化。由下图可知，高炉冶炼过程大致可分为块状、软熔、滴落、焦炭回旋和炉缸五带。过程大致可分为块状、软熔、滴落、焦炭回旋和炉缸五带。第21页，本讲稿共72页高炉冶炼过程中炉内炉料下降过程状态的变化高炉冶炼过程中炉内炉料下降过程状态的变化第22页，本讲稿共72页高炉内各区域主要反应及特征高炉内各区域主要反应及特征第23页，本讲稿共72页3.2.2燃烧反应燃烧反应高炉内然料燃烧的意义高炉内然料燃烧的意义高炉冶炼的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素。除少数消耗

12、高炉冶炼的燃料主要是焦炭，焦炭所含的碳素。除少数消耗于直接还原和溶入生铁外，绝大部分下降至风口与热风中的于直接还原和溶入生铁外，绝大部分下降至风口与热风中的氧进行燃烧反应。从风口喷吹的燃料也在风口前燃烧。燃氧进行燃烧反应。从风口喷吹的燃料也在风口前燃烧。燃料燃烧放出大量的热，并产生高温还原性气体料燃烧放出大量的热，并产生高温还原性气体(CO,H2)，保，保证了炉料的加热、分解、还原、熔化、造渣等炉缸内渣铁反证了炉料的加热、分解、还原、熔化、造渣等炉缸内渣铁反应的进行。应的进行。第24页，本讲稿共72页高炉冶炼的主要燃料焦炭中的碳除小部分在下降过程中参加直接还原高炉冶炼的主要燃料焦炭中的碳除小部

13、分在下降过程中参加直接还原和渗人生铁外，约和渗人生铁外，约70%进行燃烧反应。此外还有从风口喷入的燃进行燃烧反应。此外还有从风口喷入的燃料料(重油、天然气、煤粉重油、天然气、煤粉)中的碳等均在风口前发生燃烧反应。中的碳等均在风口前发生燃烧反应。完全燃烧：完全燃烧：不完全然烧：不完全然烧：高炉内燃烧反应在焦炭过剩条件下进行，即使在氧充足处产生高炉内燃烧反应在焦炭过剩条件下进行，即使在氧充足处产生的的CO2也会与固体碳进行气化反应，如下式：也会与固体碳进行气化反应，如下式：热风带入的氮在整个过程中不参与反应、带入的水分在高温下热风带入的氮在整个过程中不参与反应、带入的水分在高温下与碳发生反应：与碳

14、发生反应：第25页，本讲稿共72页 理论燃烧温度理论燃烧温度 理论燃烧温度理论燃烧温度，即风口前焦炭燃烧所能达到的最高平均温，即风口前焦炭燃烧所能达到的最高平均温度，也即炉缸煤气尚未与炉料参与热交换前的原始温度。度，也即炉缸煤气尚未与炉料参与热交换前的原始温度。理论燃烧温度是高炉操作中重要的参考指标。通常为提高理理论燃烧温度是高炉操作中重要的参考指标。通常为提高理论燃烧温度可采取的主要措施，包括：论燃烧温度可采取的主要措施，包括：(1)提高鼓风温度；提高鼓风温度；(2)提高鼓风中氧气含量；提高鼓风中氧气含量；(3)降低鼓风湿度；降低鼓风湿度；(4)减少喷吹量；减少喷吹量；(5)减少炉缸煤气体积

15、。减少炉缸煤气体积。第26页，本讲稿共72页随着高炉冶炼强度的提高和风速随着高炉冶炼强度的提高和风速增大增大(I00200 m/s)焦炭在风口焦炭在风口前随气流一起运动，形成一个非前随气流一起运动，形成一个非静止的、疏散的、近似球形的自静止的、疏散的、近似球形的自由空间，称为由空间，称为风口回旋区风口回旋区。回旋区和燃烧带回旋区和燃烧带风口回旋区示意图风口回旋区示意图第27页，本讲稿共72页在回旋区外围有一层厚在回旋区外围有一层厚100300 mm的中间层，此层焦炭既受高速煤气流的中间层，此层焦炭既受高速煤气流的冲击作用，又受阻于外围包裹的紧的冲击作用，又受阻于外围包裹的紧密焦炭，比较疏松，但

16、又不能和煤气密焦炭，比较疏松，但又不能和煤气流一起运动。回旋区和中间层组成焦流一起运动。回旋区和中间层组成焦炭在炉缸内进行碳燃烧反应的区域称炭在炉缸内进行碳燃烧反应的区域称为为燃烧带燃烧带。炉缸截面上燃烧带的分布炉缸截面上燃烧带的分布第28页，本讲稿共72页影响燃烧带大小的因素影响燃烧带大小的因素主要有：主要有：鼓风动能鼓风动能 指鼓风克服风口前料层阻力向炉缸中心扩大和穿透的能指鼓风克服风口前料层阻力向炉缸中心扩大和穿透的能力。应控制合理。力。应控制合理。燃烧反应速度燃烧反应速度 燃烧反应速度提高，燃烧带缩小。一般情况下，风温提燃烧反应速度提高，燃烧带缩小。一般情况下，风温提高。燃烧反应速度加

17、快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减高。燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小；鼓风中氧增加，燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，小；鼓风中氧增加，燃烧反应速度加快，燃烧反应时间减少，燃烧带长度减小。燃烧带长度减小。炉缸料柱压力炉缸料柱压力 炉缸内料柱疏松，燃烧带延长；反之，燃烧带缩小。炉缸内料柱疏松，燃烧带延长；反之，燃烧带缩小。焦炭性质焦炭粒度、气孔度、反应性等对燃烧带大小也焦炭性质焦炭粒度、气孔度、反应性等对燃烧带大小也有一定的影响。有一定的影响。第29页，本讲稿共72页3.2.3 炉料的蒸发、挥发和分解炉料的蒸发、挥发和分解入炉的炉料首先受到上升煤气流的加热作用，进行水分的蒸

18、入炉的炉料首先受到上升煤气流的加热作用，进行水分的蒸发、结晶水的分解、挥发物的挥发和碳酸盐的分解。发、结晶水的分解、挥发物的挥发和碳酸盐的分解。水分的蒸发和结晶水的分解水分的蒸发和结晶水的分解炉料中水分存在形式炉料中水分存在形式以吸附水和结晶水两种形式。以吸附水和结晶水两种形式。吸附水吸附水加热到加热到105时迅速干燥和蒸发。吸附水的蒸发吸热使时迅速干燥和蒸发。吸附水的蒸发吸热使煤气体积缩小，煤气流速降低，减少了炉尘的吹出量，同时对煤气体积缩小，煤气流速降低，减少了炉尘的吹出量，同时对炉顶装料设备和炉顶设备维护带来好处。炉顶装料设备和炉顶设备维护带来好处。结晶水结晶水也称化合水，一般存在于褐铁

19、矿也称化合水，一般存在于褐铁矿(nH2OFe2O3)和高岭和高岭土土(Al2O32 SiO22 H2O)中随着温度升高到中随着温度升高到400600,结晶水结晶水在炉内大量分解。在炉内大量分解。第30页，本讲稿共72页l 挥发物的挥发挥发物的挥发 挥发物的挥发包括燃料中挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发，挥发物的挥发包括燃料中挥发物的挥发和高炉内其他物质的挥发，对于煤气成分和冶炼过程影响不大，但在高炉喷吹条件下，引起对于煤气成分和冶炼过程影响不大，但在高炉喷吹条件下，引起炉缸煤气成分的明显变化，对还原也有影响。所以应尽可能把燃炉缸煤气成分的明显变化，对还原也有影响。所以应尽可能把燃料中的挥发物

20、控制在下限水平。料中的挥发物控制在下限水平。除燃料中的挥发物外，还有一些化合物和元素进行挥发或循环富除燃料中的挥发物外，还有一些化合物和元素进行挥发或循环富集，包括：集，包括：(1)还原产物还原产物:S,P,As,K,Na,Zn,Pb,Mn等；等；(2)还原中间产物：还原中间产物：SiO,PbO,K2O,Na2O等；等；(3)高炉内新生化合物：高炉内新生化合物：SiS,CS等。等。另外炉料带入的另外炉料带入的CaF2等元素和化合物的挥发也会对高炉炉况和炉衬产等元素和化合物的挥发也会对高炉炉况和炉衬产生影响。生影响。第31页，本讲稿共72页l碳酸盐的分解碳酸盐的分解高炉内碳酸盐主要以高炉内碳酸盐

21、主要以CaCO3,MgCO3、FeCO3,MnCO3等形等形式存在，并以熔剂中的式存在，并以熔剂中的CaCO3为主。为主。石灰石分解后，大致有石灰石分解后，大致有50%以上以上CO2参加反应，此反应的发生参加反应，此反应的发生对于高炉冶炼将产生一定的危害；反应耗热，反应耗碳使焦比对于高炉冶炼将产生一定的危害；反应耗热，反应耗碳使焦比升高，反应产物升高，反应产物CO2冲淡了还原气氛。为减少其危害通常可采冲淡了还原气氛。为减少其危害通常可采用熔剂性烧结矿或球团矿，不加或少加石灰石，缩小矿石粒度用熔剂性烧结矿或球团矿，不加或少加石灰石，缩小矿石粒度等措施来降低焦比。等措施来降低焦比。第32页，本讲稿

22、共72页3.2.4 还原反应还原反应 还原反应是高炉内的主要反应，还原反应所需要的热量约占炉内总热量还原反应是高炉内的主要反应，还原反应所需要的热量约占炉内总热量需求的需求的50%左右。左右。还原的基本原理还原的基本原理 还原反应的基本通式还原反应的基本通式:MeO+X=Me+XO式中式中MeO被还原金属氧化物被还原金属氧化物;X还原剂还原剂;Me还原产物还原产物;XO氧化产物。氧化产物。高炉炼铁常用的还原剂主要是高炉炼铁常用的还原剂主要是CO、H2和和C。第33页，本讲稿共72页铁氧化物的还原铁氧化物的还原 高炉内的铁氧化物主要有高炉内的铁氧化物主要有Fe2O3,Fe3O4,FeCO3,Fe

23、2SiO4,FeS2等，但最后都是经等，但最后都是经FeO形态被还原成金属铁。形态被还原成金属铁。铁氧化物还原的基本反应在低温区和中温区,570 t1000，用CO还原:间接还原第34页，本讲稿共72页 用H2还原:间接还原 间接还原反应间接还原反应 除了Fe2O3Fe3O4之外，其余都为可逆反应，并在一定温 度下达到平衡 由于是可逆反应，还原剂不可能被全部利用，因此需要一定的浓度 Fe2O3分解压力较大，可以全部被CO全部还原为Fe3O4，由于反应很容易进行对冶炼过程无影响，一般不加以讨论第35页，本讲稿共72页 各种铁氧化物的还原与分解顺序：各种铁氧化物的还原与分解顺序：3Fe2O3 2F

24、e3O4 6FeO 6Fe 一半以上的氧是从一半以上的氧是从FeO Fe，所以，所以FeO的还原意义重大。的还原意义重大。温度小于温度小于570时还原顺序为：时还原顺序为：Fe2O3Fe3O4 Fe 温度大于温度大于570时还原顺序为：时还原顺序为：Fe2O3Fe3O4 FeO Fe第36页，本讲稿共72页 还原铁氧化物在温度不超过还原铁氧化物在温度不超过9001000的高炉中上部，铁氧化物的高炉中上部，铁氧化物中的氧被煤气中的中的氧被煤气中的CO和和H2夺取而生成夺取而生成CO2和和H2的反应称为的反应称为间接还间接还原反应原反应。用用CO作还原剂，存在如下反应：作还原剂，存在如下反应：当当

25、T570时，还原反应分两步时，还原反应分两步当当T570时，还原反应分三步时，还原反应分三步第37页，本讲稿共72页 CO间接还原反应的限度：从热力学可知，G主要是解决反应的可能性问题，而平衡常数K主要是解决反应的限度问题。对以上反应，平衡常数的计算方法如下：第38页，本讲稿共72页第39页，本讲稿共72页 CO间接还原反应的特点 由图可看出，曲线a、c、d向上斜，曲线b向下斜，前者为放热反应，后者为吸热反应，三个放热反应一个吸热反应。b、d、c三条曲线交于570，形成叉形图，在此温度下，Fe、FeO 和Fe3O4三固相平衡共存。曲线把图像分为四个区域，分别表示Fe、FeO、Fe3O4和 Fe

26、2O3稳定存在的范围。从而可以判断各个区域稳定存在的凝聚相。第40页，本讲稿共72页 FeO的还原具有特殊的意义，FeO+COFeCO2反应的平衡曲线位置最高，说明它平衡要求的CO最多，所以FeO最难还原。例如900时，用CO60的煤气（COCO2100）不可能将FeO还原成Fe，但完全可以将Fe3O4还原成FeO。根据煤气在炉内分布特点可知，FeO的还原主要产生在高炉的中下部，而Fe3O4还原成FeO，以及Fe2O3还原成Fe3O4主要在高炉的上部。根据高炉内煤气与炉料运动的特点，高温的CO在风口前端上升过程中首先把FeO还原为Fe，而剩余的CO也完全可以把Fe3O4还原成FeO。因此高炉的

27、化学能利用率很高。第41页，本讲稿共72页用用H2作还原剂，反应如下：作还原剂，反应如下：当当T570时，还原反应分两步：时，还原反应分两步：当当T570时，还原反应分三步：时，还原反应分三步：第42页，本讲稿共72页第43页，本讲稿共72页 H2间接还原反应的特点 由图可看出，曲线1、2、3向下斜，曲线4(线未画)出向上斜，前者为吸热反应，后者为放热反应，三个吸热反应一个放热反应。1、2、3三条曲线交于570，形成叉形图，在此温度下，Fe、FeO 和Fe3O4三固相平衡共存。曲线把图像分为四个区域，分别表示Fe、FeO、Fe3O4和 Fe2O3稳定存在的范围。从而可以判断各个区域稳定存在的凝

28、聚相。第44页，本讲稿共72页H2与CO还原的气相平衡组成图当温度低于810：PH2O/PH2PCO2/PCO第45页，本讲稿共72页 与CO还原一样，均属间接还原。反应前后气相体积没有变化，即反应不受压力影响。除Fe2O3,的还原外，Fe3O4、FeO的还原均为可逆反应。在一定温度下有固定的平衡气相成分，为了铁的氧化物还原彻底，都需要过量的还原剂。CO还原是三个放热反应一个吸热反应；H2的还原是三个吸热反应一个放热反应。从热力学因素看810 以上时H2的还原能力高于CO还原能力，810 以下时，则相反。据统计。在入炉总H2量中，约有30%50%的H2参加还原反应并变为H2O，而大部分H2则随

29、煤气逸出护外。如何提高H2的利用率，是改善还原强化冶炼的一个重要课题。实践表明，H2在高炉下部高温区域还原反应激烈，为在炉内参加还原H2量的85100，而直接代替C还原的H2约占炉内参加还原H2量的80%以上，另一少部分则代替了CO的还原。H2与CO的还原相比有以下特点:第46页，本讲稿共72页 从反应的动力学看，H2与其反应产物H2O的分子半径均比CO与其反应产物CO2的分子半径小，因而扩散能力强。以此说明不论在低温或高温下，H2还原反应速度都比CO还原反应速度快。在高炉冶炼条件下，H2还原铁氧化物时，还可促进CO和C还原反应的加速进行。因为H2还原时的产物H2O会同CO和CO2作用放出氧。

30、而H2又重新被还原出来。继续参加还原反应。如此，H2在CO和C的还原过程中，把从铁氧化物中夺取的氧又传给了CO或C起着中间媒介传递作用。第47页，本讲稿共72页 用碳作还原剂高炉内用碳作还原剂还原铁氧化物生成气相产用碳作还原剂高炉内用碳作还原剂还原铁氧化物生成气相产物物CO的反应称为直接还原反应。其反应式为的反应称为直接还原反应。其反应式为:FeO+C=Fe+CO 矿石在软化和熔化之前与焦炭的接触面积很小，反应的速度则很慢。所以直接还原反应受到限制。在高温区进行的直接还原实际上是通过下述两个步骤进行：CO2+C=CO 这个反应成为碳的气化反应，是一个强的吸热反应。第48页，本讲稿共72页 碳的

31、气化反应不仅与温度、压力有关，还与焦炭的反应性有关。据测定，一般冶金焦炭在800 时开始气化反应，到1100时激烈进行。此时气相中CO几乎达100而CO2几乎为零。这样可认为高炉内低于800的低温区不存在碳的气化反应也就不存在直接还原，故称间接还原区域。大于1100 时气相中不存在有CO2，也可认为不存在间接还原，所以把这区域叫直接还原区。而在8001100 的中温区为二者还原反应都存在的区域。第49页，本讲稿共72页l非铁元素的还原非铁元素的还原 高炉内除铁元素外还有锰、硅、磷等元素的还原。根据各氧高炉内除铁元素外还有锰、硅、磷等元素的还原。根据各氧化物分解压大小，可知铜、砷、钴、镍在高炉内

32、几乎全部被还化物分解压大小，可知铜、砷、钴、镍在高炉内几乎全部被还原；锰、矾、硅、钛等较难还原，只有部分进入生铁。原；锰、矾、硅、钛等较难还原，只有部分进入生铁。(1)锰的还原锰的还原锰一般由锰矿带入，有的由矿石带入，锰氧化物还原与铁类似，由锰一般由锰矿带入，有的由矿石带入，锰氧化物还原与铁类似，由高价向低价逐级还原。高价向低价逐级还原。6MnO23Mn2O3 2Mn3O4 6MnO 6Mn气体还原剂气体还原剂CO和和H2把把MnO2还原为低价还原为低价Mn比较容易，但只能比较容易，但只能由直接还原方式还原为由直接还原方式还原为Mn，其开始还原温度在，其开始还原温度在10002000之间，其反

33、应如下：之间，其反应如下：冶炼普通生铁时冶炼普通生铁时Mn有有40%60%进入生铁，进入生铁，5%10%挥发进入挥发进入煤气，其余进入炉渣。煤气，其余进入炉渣。第50页，本讲稿共72页(2)硅的还原硅的还原 高炉中硅主要来源于矿石中脉石和焦炭灰分中的高炉中硅主要来源于矿石中脉石和焦炭灰分中的SiO2 或硅酸盐或硅酸盐,为稳定化合物，比为稳定化合物，比Fe，Mn难还原。难还原。Si只能在下部高温区只能在下部高温区(1300)以直接还原方式进行，且是逐级进行的。以直接还原方式进行，且是逐级进行的。当当T1500时，时，当当T 1500时，时，第51页，本讲稿共72页 Si的的还原是强吸热反应，一般

34、还原出1kgSi需热量约相当于从Fe0中还原出1kgFe所需热量的8倍。所以生铁中含Si量愈高，炉温也升高，生产中常以生铁含Si的高低来反应炉温变化。还原出来的硅能与铁在高温下形成稳定的硅化物还原出来的硅能与铁在高温下形成稳定的硅化物FeSi溶解于溶解于铁中，降低了还原时的热消耗和还原温度，从而有利于硅的铁中，降低了还原时的热消耗和还原温度，从而有利于硅的还原。在冶炼普通炼钢生铁是只有还原。在冶炼普通炼钢生铁是只有510%被还原进入生铁。被还原进入生铁。我国的我国的Si含量约在含量约在0.40.8%。第52页，本讲稿共72页(3)磷的还原磷的还原 炉料中的磷主要以磷酸钙炉料中的磷主要以磷酸钙(

35、CaO)3P2O5 (又称磷石灰又称磷石灰)形态存在，形态存在，有时也以磷酸铁有时也以磷酸铁(FeO)3 P2O5(又称蓝铁矿又称蓝铁矿)形态存在。蓝形态存在。蓝铁矿铁矿脱水后较容易还原，磷酸钙是一种很稳定的化合物，铁矿铁矿脱水后较容易还原，磷酸钙是一种很稳定的化合物，在高炉内能与渣中在高炉内能与渣中SiO2作用，使作用，使P2O5游离出来。由于游离出来。由于P2O5易挥发，与焦炭有良好的接触条件，有利于被易挥发，与焦炭有良好的接触条件，有利于被C还原，还原，还原出来的还原出来的P溶入铁中生成溶入铁中生成Fe3P。第53页，本讲稿共72页高炉冶炼过程中磷为难还原元素且反应吸热量大，高炉冶炼过程

36、中磷为难还原元素且反应吸热量大，P在高炉内几乎在高炉内几乎可以可以100%被还原进入生铁因此降低生铁中含磷量的唯一途径是控被还原进入生铁因此降低生铁中含磷量的唯一途径是控制炉料中的含磷量。制炉料中的含磷量。(4)铅、锌、砷的还原我国的一些铁矿石中含有铅、锌、砷等元素，这铅、锌、砷的还原我国的一些铁矿石中含有铅、锌、砷等元素，这些元素在高炉冶炼条件下易还原。还原出来的这些元素会对生铁质量些元素在高炉冶炼条件下易还原。还原出来的这些元素会对生铁质量和高炉本身产生一定的影响。和高炉本身产生一定的影响。第54页，本讲稿共72页对于铁氧化物反应，动力学是说明反应是通过什么步骤进行对于铁氧化物反应，动力学

37、是说明反应是通过什么步骤进行(反应反应机理机理)，以及反应速度和反应达到平衡所需时间的科学。，以及反应速度和反应达到平衡所需时间的科学。目前为止能比较全面解释铁氧化物整个还原过程的理论是未反目前为止能比较全面解释铁氧化物整个还原过程的理论是未反应核模型理论。这种理论认为铁氧化物从高价到低价逐级还应核模型理论。这种理论认为铁氧化物从高价到低价逐级还原，随着反应的进行，未反应核心逐渐缩小，直到完全消失，原，随着反应的进行，未反应核心逐渐缩小，直到完全消失，整个反应过程按以下顺序进行整个反应过程按以下顺序进行:(1)还原气体外扩散还原气体外扩散;(2)还原气体内扩散还原气体内扩散;(3)还原气体被界

38、面吸附还原气体被界面吸附;(4)界面化学反应界面化学反应;(5)氧化气体的脱附氧化气体的脱附;(6)氧化气体内扩散氧化气体内扩散;(7)氧化气体外扩散。氧化气体外扩散。3.2.5 还原反应动力学还原反应动力学第55页，本讲稿共72页矿球反应过程模型矿球反应过程模型第56页，本讲稿共72页 3.2.6 生铁的形成和渗碳过程生铁的形成和渗碳过程在高炉上部己有部分铁矿石逐渐还原成金属铁。随着温度的不在高炉上部己有部分铁矿石逐渐还原成金属铁。随着温度的不断升高逐渐有更多的铁被还原出来，刚还原出来的铁呈多孔海断升高逐渐有更多的铁被还原出来，刚还原出来的铁呈多孔海绵状，称为绵状，称为海绵铁海绵铁，早期出现

39、的海绵铁成分较纯，几乎不含，早期出现的海绵铁成分较纯，几乎不含碳。碳。而高炉内生铁形成的主要特点是经过渗碳过程。炉内渗碳大致而高炉内生铁形成的主要特点是经过渗碳过程。炉内渗碳大致可分三个阶段：可分三个阶段：第一阶段：第一阶段：海绵铁的渗碳。海绵铁的渗碳。当温度当温度到到727，一般在高炉炉身中上部时，固体海绵铁，一般在高炉炉身中上部时，固体海绵铁开始发生如下的渗碳过程：开始发生如下的渗碳过程：(渗碳量占全部渗碳量的渗碳量占全部渗碳量的1.5%左左右。右。)第57页，本讲稿共72页第二阶段第二阶段：液态铁的渗碳。：液态铁的渗碳。经初步渗碳的金属铁在经初步渗碳的金属铁在1400左右时与炽热的焦炭继

40、续进行固左右时与炽热的焦炭继续进行固相渗碳，开始熔化为铁水，穿过焦炭滴入炉缸。熔化后的铁水相渗碳，开始熔化为铁水，穿过焦炭滴入炉缸。熔化后的铁水与焦炭直接接触的渗碳反应：与焦炭直接接触的渗碳反应：(到达炉腹处，生铁的最终含碳到达炉腹处，生铁的最终含碳已达已达4%左右左右)。第三阶段第三阶段：炉缸内的渗碳过程。：炉缸内的渗碳过程。炉缸部分只进行少量的渗碳，一般只有炉缸部分只进行少量的渗碳，一般只有0.1%0.5%。经过以上阶段铁水在向炉缸滴落的过程中，除了渗碳反应外，经过以上阶段铁水在向炉缸滴落的过程中，除了渗碳反应外，还有硅、锰、磷进入生铁，脱除硫等有害杂质。形成最终成分还有硅、锰、磷进入生铁

41、，脱除硫等有害杂质。形成最终成分的生铁。的生铁。第58页，本讲稿共72页 炉渣对高炉的炉况和生铁的质量有着决定性的影响。要想炼好炉渣对高炉的炉况和生铁的质量有着决定性的影响。要想炼好铁，必须造好渣铁，必须造好渣 炉渣的形成炉渣的形成炉渣的形成要经历由初成渣炉渣的形成要经历由初成渣中间渣中间渣终渣过程，简述如下：终渣过程，简述如下：初成渣的生成初成渣的生成包括固相反应、软化、熔融、滴落几个阶段。软熔带中形成液包括固相反应、软化、熔融、滴落几个阶段。软熔带中形成液态初渣。初渣中态初渣。初渣中(FeO),(MnO)含量较高。含量较高。中间渣的变化中间渣的变化处于滴落过程中成分、温度不断变化的炉渣。处

42、于滴落过程中成分、温度不断变化的炉渣。处于软熔带以下、风口平面以上部位。中间渣中处于软熔带以下、风口平面以上部位。中间渣中(FeO),(MnO)含量逐渐减小，含量逐渐减小，(CaO),(MgO)含量逐渐增大，炉渣黏度增含量逐渐增大，炉渣黏度增大。大。3.2.7 高炉炉渣的形成及作用高炉炉渣的形成及作用第59页，本讲稿共72页 炉渣的成分炉渣的成分 冶炼冶炼1t生铁大致产生生铁大致产生4001000kg炉渣，国外先进水平巳达炉渣，国外先进水平巳达300kg左右。炉渣的主要来源是铁矿石中的脉石以及燃料燃烧后剩左右。炉渣的主要来源是铁矿石中的脉石以及燃料燃烧后剩余的灰分。用焦炭冶炼，高炉炉渣成分大致

43、范围如下余的灰分。用焦炭冶炼，高炉炉渣成分大致范围如下:终渣由中间渣转化而得，通过风口平面聚集在炉缸，是成分、终渣由中间渣转化而得，通过风口平面聚集在炉缸，是成分、性质较稳定的炉渣。终渣中性质较稳定的炉渣。终渣中(Al2O3),(SiO2)增大，增大，(FeO),(MnO),(CaO),(MgO)含量减小，含量减小，(CaS)含量增大，碱度减小。含量增大，碱度减小。第60页，本讲稿共72页 其中，炉渣的性质主要取决于其中，炉渣的性质主要取决于CaO和和SiO2。生产中常用的碱度一般生产中常用的碱度一般为二元碱度：为二元碱度：一般根据高炉原料和冶炼产品有所不同，冶炼中二元碱度一般在一般根据高炉原

44、料和冶炼产品有所不同，冶炼中二元碱度一般在1.01.3之间。之间。第61页，本讲稿共72页 高炉渣的作用和要求高炉渣的作用和要求 高炉冶炼过程，除在化学反应上实现高炉冶炼过程，除在化学反应上实现Fe-O分离外，还要实现金属分离外，还要实现金属与氧化物等的机械或物理分离，而这要靠性能良好的液态炉渣，与氧化物等的机械或物理分离，而这要靠性能良好的液态炉渣，并利用渣铁密度的不同达到渣铁分离的目的。为此。要求高炉渣并利用渣铁密度的不同达到渣铁分离的目的。为此。要求高炉渣应具有以下作用应具有以下作用:炉渣与生铁互不溶解，且密度不同，因而，使渣铁得以分离，炉渣与生铁互不溶解，且密度不同，因而，使渣铁得以分

45、离，得到纯净的生铁。得到纯净的生铁。具有充分的脱硫能力，保证生铁合格。具有充分的脱硫能力，保证生铁合格。调整生铁成分，保证生铁质量。炉渣成分有利于有益元素的还原，抑制调整生铁成分，保证生铁质量。炉渣成分有利于有益元素的还原，抑制有害元素的还原，即炉渣应具有选择还原性。有害元素的还原，即炉渣应具有选择还原性。有利于炉况顺行，获得良好的冶炼技术经济指标；同时应有利于保护炉有利于炉况顺行，获得良好的冶炼技术经济指标；同时应有利于保护炉衬，延长炉衬寿命。衬，延长炉衬寿命。第62页，本讲稿共72页 3.2.8 炉渣去硫炉渣去硫高炉中的硫主要来源于炉料中的焦炭、矿石、熔剂和喷吹燃料高炉中的硫主要来源于炉料

46、中的焦炭、矿石、熔剂和喷吹燃料等。其中焦炭带入的硫量占等。其中焦炭带入的硫量占60%80%。冶炼每吨生铁由炉料。冶炼每吨生铁由炉料带入的总硫量称为硫负荷。一般硫负荷为带入的总硫量称为硫负荷。一般硫负荷为45kg/t。高炉内的去硫主要是含有高炉内的去硫主要是含有FeS的铁水在滴过渣层时以及在渣铁的铁水在滴过渣层时以及在渣铁相界面处进行：相界面处进行：总的脱硫反应为总的脱硫反应为 产物产物CO气体起搅拌作用，可加速去硫反应。气体起搅拌作用，可加速去硫反应。第63页，本讲稿共72页硫在一般结构钢中是有害元素。钢液凝固时S在技晶间偏析，Fe晶界上富集，形成熔点1100 的FeS，FeS与Fe的共晶点只

47、有988 ，热轧时在晶界上产生热裂现象，造成内部裂纹，即硫的热脆性。因此钢铁产品硫含量应尽可能降低。我国国家标准规定：炼钢生铁含WS 007。优质炼钢生铁含WS 003。脱硫的热力学条件：(1)钢渣间脱硫反应是吸热反应温度升高有利于脱硫高温主要增加了脱硫速度；(2)低(FeO)有利于脱硫：(3)高碱度度有利于脱硫；(4)大渣量有利于脱硫。第64页，本讲稿共72页高炉强化冶炼的目的是提高产量，即提高高炉冶炼强度高炉强化冶炼的目的是提高产量，即提高高炉冶炼强度(I),提提高高炉有效容积利用系数高高炉有效容积利用系数(0)和降低焦比和降低焦比(K)。主要措施包。主要措施包括：括：(1)精料具体概括为

48、精料具体概括为:“高、熟、净、匀、小、稳、少、好高、熟、净、匀、小、稳、少、好”。“高高”指入炉矿石含铁品位要高，焦炭、烧结矿和球团矿强度要高，指入炉矿石含铁品位要高，焦炭、烧结矿和球团矿强度要高，烧结矿的碱度要高。烧结矿的碱度要高。“熟熟”指熟料，即将铁矿粉制成具有高温强度，又符合各项冶金性能要指熟料，即将铁矿粉制成具有高温强度，又符合各项冶金性能要求的块状料。求的块状料。“净净是指入炉原料中小于是指入炉原料中小于5 mm的粉末要筛除。的粉末要筛除。“匀匀”是指高炉炼铁的炉料粒度要均匀。是指高炉炼铁的炉料粒度要均匀。“小小”是指入炉料的粒度要小、均匀，上限所规定的范围要窄，是指入炉料的粒度要

49、小、均匀，上限所规定的范围要窄，并控制住炉料中的大块。并控制住炉料中的大块。3.2.8 高炉强化冶炼与节能高炉强化冶炼与节能第65页，本讲稿共72页“稳稳”是指入炉料的化学成分和物理性能要稳定，波动范围要是指入炉料的化学成分和物理性能要稳定，波动范围要小。小。“少少”是指炉料中有害杂质要少。是指炉料中有害杂质要少。“好好”是指炉料的冶金性能要好。是指炉料的冶金性能要好。第66页，本讲稿共72页(2)高压操作高压操作人为地将高炉内煤气压力提高，超过人为地将高炉内煤气压力提高，超过30kPa的称为高压的称为高压 操作。操作。通过系统中高压阀组控制阀门的开闭度来完成。高压操作可有通过系统中高压阀组控

50、制阀门的开闭度来完成。高压操作可有效地提高冶炼强度，有利于炉况顺行，减少管道行程，降低炉效地提高冶炼强度，有利于炉况顺行，减少管道行程，降低炉尘吹出量以及降低焦比等。当前的高压水平一般为尘吹出量以及降低焦比等。当前的高压水平一般为140250 kPa，3000m3以上的高炉大多采用以上的高炉大多采用250300 kPa。第67页，本讲稿共72页包钢高炉高压操作工艺流程图包钢高炉高压操作工艺流程图第68页，本讲稿共72页(3)高风温高风温高炉炉内的热量主要源自于燃料燃烧的化学热和热风带入的物高炉炉内的热量主要源自于燃料燃烧的化学热和热风带入的物理热。热风带入的热量大约占理热。热风带入的热量大约占