炼铁原理与工艺.pptx

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1、第1页/共69页钢铁生产工艺流程第2页/共69页第3页/共69页炼铁历史与现状我国是世界上最早发明钢铁冶金技术的国家，早期的冶铁业居世界领先地位。我国2700年前已有高炉，西汉有50m辽东郡使汉代古铁场之一，汉武帝置49个铁官，辽东郡设百户所。第4页/共69页十二世纪我国冶炼生铁技术传入欧洲，由于欧洲工业革命的兴起，迅速推动了钢铁工业的发展。我国再引进了欧洲钢铁的生产技术，于1890年建立了汉冶萍钢铁公司开始发展现代钢铁业。当时钢铁产量很少，属于我国的更少。解放后，我国的钢铁工业得到了迅猛发展，除扩建老企业，还建设了一些新企业，1983年刚产量居世界第四位，1997年后开始居世界第一位，年产量

2、达一亿吨以上。第5页/共69页高炉炼铁技术的发展主要有下列几项技术的应用为特征：1.蒸汽机及电动机为动力的大型鼓风机的应用，可以扩大炉子容积，提高生产能力。2.冶金焦炭的应用，由于焦炭强度高，可建更大高炉，扩大生产规模；不再用木炭扩大了可利用的燃料资源。3.高温鼓风炼铁增加带入的热量，提高炉内温度水平，使高炉冶炼顺利进行。另外，富氧、精料、高压操作、高炉大型化及其它先进技术的应用极大强化了炼铁的生产过程第6页/共69页1 高炉炼铁简述1.1 高炉炼铁生产工艺流程 一.概念：高炉炼铁是用还原剂（焦炭、煤等）在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态生铁的过程。第7页/共69页第8页/共69页第9页/共

3、69页1.2 1.2 高炉本体及生产附属系统 第10页/共69页第11页/共69页高炉生产以高炉本体为主体，包括八大系统：高炉本体：高炉本体是冶炼生铁的主体设备，由炉基、炉壳、炉衬及冷却设备、支柱或框架组成。任务：高炉冶炼在其内部连续进行。第12页/共69页供上料系统：包括贮矿场、贮矿槽、焦炭滚筛、称量漏斗、称量车、料坑、斜桥、卷扬机、料车上料机、大型高炉采用皮带上料机。任务：及时、准确、稳定地将合格原料送入高炉炉顶的受料漏斗。第13页/共69页第14页/共69页装料系统：有钟炉顶：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 无钟炉顶：包括受料漏斗、上下密封阀、中心喉管、

4、布料溜槽、探尺 高压操作的高炉还有均压阀、放散阀 任务：按工艺要求将上料系统运来的炉料均匀的装入炉内并保证煤气的密封。第15页/共69页送风系统：包括鼓风机、热风炉、热风管道、冷风管道、煤气管道、混风管道、各种阀门、换热器等。任务：连续可靠地供给高炉冶炼所需热风。第16页/共69页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、文氏管、脱水器、电除尘器或布袋除尘器 任务：将炉顶引出的含尘量很高的煤气净化成合乎要求的气体燃料；回收高炉煤气，使其含尘量降至10mg/m3以下，以满足用户对煤气质量的要求。第17页/共69页渣铁处理系统：包括出铁场、开口机、泥炮、炉前吊车、铁水罐、

5、堵渣机、水渣池及炉前水力冲渣设施等。任务：定期将炉内的渣、铁出净并及时运走，以保证高炉连续生产。第18页/共69页喷吹系统：包括原煤的储存、运输、煤粉的制备、收集及煤粉喷吹等系统。任务：均匀稳定地向高炉喷吹大量煤粉，以煤代焦，降低焦炭消耗。第19页/共69页动力系统：包括水、电、压缩空气、氮气、蒸汽等生产供应部门 任务：为高炉各生产系统提供保障服务。第20页/共69页1.3 高炉冶炼原料及产品13.1 高炉炼铁的原料及其作用铁矿石：（烧结矿、球团矿）提供铁元素。冶炼一吨铁大约需要1.52吨矿石。焦碳：冶炼一吨铁大约需要500Kg焦炭。提供热量；提供还原剂；作料柱的骨架。第21页/共69页（3）

6、熔剂：（石灰石、白云石、萤石）使炉渣熔化为液体；去除有害元素硫（S）。（4）煤粉：代替部分焦炭，降低生产成本。（5）鼓风：燃烧焦炭和煤粉，产生热量和还原剂。风温：11001300，鼓风物理热占高炉热量总收入的20%左右。第22页/共69页原料是高炉冶炼的物质基础，其质量对冶炼过程及冶炼效果影响极大。目前，炼铁的发展趋势之一就是采用精料。第23页/共69页 铁矿石分类及特性一、矿石和脉石矿石是矿物的集合体。但是，在当前科学技术条件下，能从中经济合理地提炼出金属来的矿物才称为矿石。矿石的概念是相对的。例如铁元素广泛地、程度不同地分布在地壳的岩石和土壤中，有的比较集中，形成天然的富铁矿，可以直接利用

7、来炼铁，堪称矿石；有的比较分散，形成贫铁矿，用于冶炼既困难又不经济。第24页/共69页铁矿石分类及特性一、矿石和脉石随着选矿和冶炼技术的发展，矿石的来源和范围不断扩大。如含铁较低的贫矿，经过富选也可用来炼铁；过去认为不能冶炼的攀枝花钒钛磁铁矿，已成为重要的炼铁原料。矿石中除了用来提取金属的有用矿物外，还含有一些工业上没有提炼价值的矿物或岩石，统称为脉石。对冶炼不利的脉石矿物，应在选矿和其它处理过程中尽量去除。第25页/共69页铁矿石分类及特性二、天然铁矿石的分类及特征天然铁矿石按其主要矿物分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿和菱铁矿等几种，主要矿物组成及特征见表2-1。第26页/共69页表2-1 常见铁

8、（锰）矿石的组成及特征第27页/共69页铁矿石分类及特性三、铁矿石质量评价铁矿石质量直接影响高炉冶炼效果，必须严格要求。通常从以下几方面评价：第28页/共69页铁矿石分类及特性1.矿石品位品位即铁矿石的含铁量，它决定着矿石的开采价值和入炉前的处理工艺。入炉品位愈高，愈有利于降低焦比和提高产量，从而提高经济效益。经验表明，若矿石含铁量提高1%，则焦比降低%，产量增加3%。第29页/共69页铁矿石分类及特性矿石的贫富一般以其理论含铁量的70%来评估。实际含铁量超过理论含铁量的70%称富矿。但这并不是绝对固定的标准。因为它还与矿石的脉石成分、杂质含量和矿石类型等因素有关。如对褐铁矿、菱铁矿和碱性脉石

9、矿含铁量的要求可适当放宽。因褐、菱铁矿受热分解出H2O和CO2后品位会提高。碱性脉石矿含CaO高，冶炼时可少加或不加石灰石，其品位应按扣去CaO的含铁量来评价。TFe原矿含铁量，%；CaO原矿CaO含量，%第30页/共69页铁矿石分类及特性2脉石成分脉石中含有碱性脉石，如CaO、MgO；有酸性脉石，如SiO2、Al2O3。一般铁矿石含酸性脉石者居多，即其中SiO2高，需加入相当数量的石灰石造成碱度（CaO/SiO2）为1.0左右的炉渣，以满足冶炼工艺的需求。因此希望酸性脉石含量愈少愈好。而含CaO高的碱性脉石则具有较高的冶炼价值。第31页/共69页铁矿石分类及特性3有害杂质和有益元素的含量有害

10、杂质通常指S、P、Pb、Zn、As等，它们的含量愈低愈好。Cu有时为害，有时为益，视具体情况而定。表2-2 为入炉铁矿石有害杂质的界限含量。表2-2 入炉铁矿石有害杂质的界限含量（%）第32页/共69页铁矿石分类及特性硫是对钢铁危害大的元素，它使钢材具有热脆性。所谓“热脆”就是S几乎不熔于固态铁而与铁形成FeS，而FeS与Fe形成的共晶体熔点为988，低 于 钢 材 热 加 工 的 开 始 温 度（11501200）。热加工时，分布于晶界的共晶体先行熔化而导致开裂。因此矿石含硫愈低愈好。国家标准规定生铁中S0.07%，优质生铁S0.03%，就是要严格控制钢中硫含量。第33页/共69页铁矿石分类

11、及特性高炉炼铁过程可去除90%以上的硫。但脱硫需要提高炉渣碱度，渣量增加，导致焦比增加而产量降低。根据鞍钢经验，矿石中含硫每增加0.1，焦比升高5%。一般规定矿石中S0.06%为一级矿，S0.2%为一级矿，S0.3%为高硫矿。对于高硫矿石，可以通过选矿和烧结的方法降低含硫量。硫可改善钢材的切削加工性能，在易切削钢中，S可达0.150.3%。第34页/共69页铁矿石分类及特性磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。磷能溶于-Fe中（可达1.2%），固溶并富集在晶粒边界的磷原子使铁素体在晶粒间的强度大大增高，从而使钢材的室温强度提高而脆性增加，称为冷脆。磷在钢的结晶过程中容易偏析，而又很难用热处理的

12、方法来消除，亦使钢材冷脆的危险性增加。但含磷铁水的流动性好，充填性好，对制造畸形复杂铸件有利。磷亦可改善钢材的切削性能，故在易切削钢中磷含量可达0.080.15%。第35页/共69页铁矿石分类及特性磷是钢材中的有害成分，使钢具有冷脆性。矿石中的磷在选矿和烧结过程中不易除去，在高炉冶炼过程磷几乎全部进入生铁。因此，生铁含磷量决定于矿石含磷量，要求铁矿石含磷愈低愈好。第36页/共69页铁矿石分类及特性铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As）在高炉内都易还原。Pb不溶于Fe而密度又比Fe大，还原后沉积于炉底，破坏性很大。Pb在1750时沸腾，挥发的铅蒸气在炉内循环能形成炉瘤。Zn还原后在高温区以Zn蒸气大

13、量挥发上升，部分以ZnO沉积于炉墙，使炉墙胀裂并形成炉瘤。As可全部还原进入生铁，它可降低钢材的焊接性并使之“冷脆”。生铁含As量应小于1%，优质生铁不应含As。第37页/共69页铁矿石分类及特性铅（Pb）、锌（Zn）和砷（As）铁矿石中的铅、锌、砷常以硫化物形态存在，如 方 铅 矿（PbS）、闪 锌 矿（ZnS）、毒 砂（FeAsS）。烧结过程中很难排除铅、锌，因此要求含量越低越好。一般要求含铅、锌不应超过0.1%。含铅高的铁矿石可以通过氯化焙烧和浮选方法使铅铁分离。含锌高的矿石不能单独直接冶炼，应该与含锌少的矿石混合使用，或进行焙烧、选矿等处理，降低铁矿石中的含锌量。烧结过程中能部分去除矿

14、石中的砷，可以采用氯化焙烧方法排除。通常要求，铁矿石含砷不超过0.07%第38页/共69页铁矿石分类及特性铜在钢中若不超过0.3%可增加钢材抗蚀性，超过0.3%时，则降低其焊接性，并有热脆现象。铜在烧结中一般不能去除，在高炉中又全部还原进入生铁。故钢铁含铜量决定于原料含铜量。一般铁矿石允许含铜量不超过0.2%。对于一些难选的高铜氧化矿，可采用氯化焙烧法回收铜，同时可炼高铜（Cu1.0%）铸造生铁，它具有很好的机械性能和耐腐蚀性能。第39页/共69页铁矿石分类及特性此外，一些铁矿石还含有碱金属钾、钠，它们在高炉下部高温区大部分被还原后挥发，到上部又氧化而进入炉料中，造成循环累积，使炉墙结瘤。因此

15、要求矿石中含碱金属量必须严格控制。我国普通高炉碱金属（K2O+Na2O）入炉量限制为57kg/tFe，国外高炉碱金属（K2O+Na2O）入炉限制量为低于3.5kg/tFe。第40页/共69页铁矿石分类及特性氟在冶炼过程中以CaF2形态进入渣中。CaF2能降低炉渣的熔点，增加炉渣流动性，当铁矿石中含氟高时，炉渣在高炉内过早形成，不利于矿石还原。矿石中含氟不超过1%时对冶炼无影响，当含量达到4%5%时需要注意控制炉渣的流动性。采外，高温下氟挥发对耐火材料和金属构件有一定的腐蚀作用。第41页/共69页铁矿石分类及特性铁矿石中常共生有Mn、Cr、Ni、Co、V、Ti、Mo。这些元素有改善钢铁性能的作用

16、，故称有益元素。当它们在矿石中的含量（%）达到一定数值时，如 Mn5、Cr0.06、Ni0.2，Co0.03，V0.10.15，Mo0.3，Cu0.3，则称为复合矿石，经济价值很大，应考虑综合利用。第42页/共69页铁矿石分类及特性对于铁矿石中一些有害杂质，如果含量较高，如Pb0.5，Zn0.7，Sn0.2时，应视为复合矿石综合利用。因为这些杂质本身也是重要的金属。第43页/共69页铁矿石分类及特性4矿石的粒度和强度入炉铁矿石应具有适宜的粒度和足够的强度。粒度过大会减少煤气与铁矿石的接触面积，使铁矿石不易还原；过小则增加气流阻力，同时易吹出炉外形成炉尘损失；粒度大小不均，则严重影响料柱透气性。

17、因此，大块应破碎，粉末应筛除，粒度应适宜而均匀。一般要求矿石粒度在540mm范围，并力求缩小上下限粒度差。铁矿石的强度是指铁矿石耐冲击、摩擦的强弱程度。随着高炉容积不断扩大，入炉铁矿石的强度也要相应提高。否则易生成粉末、碎块，一方面增加炉尘损失，另一方面使高炉料柱透气性变坏，引起炉况不顺。第44页/共69页铁矿石分类及特性5铁矿石的还原性铁矿石还原性是指铁矿石被还原性气体CO或H2还原的难易程度，是评价铁矿石质量的重要指标。还原性愈好，愈有利于降低焦比，提高产量。改善矿石还原性（或采用易还原矿石）是强化高炉冶炼的重要措施之一。影响铁矿石还原性的因素主要有矿物组成、矿石结构的致密程度、粒度和气孔

18、率等。第45页/共69页铁矿石分类及特性6矿石化学成分的稳定性铁矿石成分的波动会引起炉温、炉渣碱度和性质以及生铁质量的波动，造成炉况不顺，使焦比升高，产量下降。同时，炉况的频繁波动使高炉自动控制难以实现，因此，国内外都严格控制炉料成分的波动范围。稳定矿石成分的有效方法是对矿石进行混匀处理。第46页/共69页铁矿石的准备处理根据上述质量要求，一般的铁矿石很难完全满足要求，须在入炉前进行必要的准备处理。对天然富矿（如含Fe50%以上），须经破碎、筛分，获得合适而均匀的粒度。对于褐铁矿、菱铁矿和致密磁铁矿还应进行焙烧处理，以去除其结晶水和CO2，提高品位，疏松其组织，改善还原性，提高冶炼效果。对贫铁

19、矿的处理要复杂得多。一般都必须经过破碎、筛分、细磨、精选，得到含铁60%以上的精矿粉，经混匀后进行造块，变成人造富矿，再按高炉粒度要求进行适当破碎，筛分后入炉。第47页/共69页铁矿石的准备处理由于天然富矿资源有限，而其冶金性能又不如人造富矿优越，所以绝大多数现代高炉都用人造富矿，或大部分用人造富矿、兑加少数天然富矿冶炼。在这种情况下，钢铁厂便兼有人造富矿和天然富矿两种处理流程。第48页/共69页铁矿石的准备处理一、破碎筛分破碎和筛分是铁矿石准备处理工作中的基本环节，通过破碎和筛分使铁矿石的粒度达到“小、匀、净”的标准。对贫矿而言，破碎使铁矿物与脉石单体分离，以便选矿。铁矿物嵌布愈细密，破碎粒

20、度要求愈细。破碎的常要设备有：颚式、锥式、辊式破碎机，球磨机和棒磨机。筛分的常用设备有固定条筛、圆筒筛、振动筛等。第49页/共69页铁矿石的准备处理三、焙烧焙烧是在适当的气氛中，使铁矿石加热到低于其熔点的温度，在固态下发生的物理化学过程。例如，氧化焙烧就是在空气充足的氧化性气氛中进行，以保证燃料完全燃烧和矿石的氧化。多用于去除CO2、H2O和S（碳酸盐和结晶水分解，硫化物氧化），使致密矿石的组织变得疏松，易于还原。菱铁矿的焙烧：在500900之间按下式分解：4FeCO3+O2=Fe2O3+2CO2褐铁矿的脱水：在250500之间发生下述反应：2Fe2O33H2O=2Fe2O3+3H2O第50页

21、/共69页铁矿石的准备处理四、选矿选矿是依据矿石的性质，采用适当的方法，把有用矿物和脉石机械地分开，从而使有用矿物富集的过程。通过选矿可使矿石品位提高，去除部分有害杂质（如硫等），回收复合矿中的一些有用元素（如钒、铬等），使贫矿资源得到有效利用。第51页/共69页铁矿石的准备处理四、选矿通过选矿获得的有用矿物富集品称为精矿，如铁精矿、铁钒精矿等；而主要由脉石组成的其余部分叫尾矿，一般废弃。在一些复合铁矿石中，常用一些有用元素富集于尾矿中（如钒钛磁铁矿中的钛，包头矿中的稀土元素等），必须将它们进一步精选出来。有用矿物含量介于精矿和尾矿之间的中间产品叫做中矿，亦须进一步选分，以提高金属回收率。第5

22、2页/共69页铁矿石的准备处理现代常用于精选铁矿石的方法重要有三种：（1）重选（2）磁选（3）浮选有些矿石性质复杂，往往需要用几种方法联合起来选矿，以最大限度地综合回收利用其中的有用金属元素。第53页/共69页铁矿石的准备处理四、造块富选得到的精矿粉，天然富矿破碎筛分后的粉矿，以及一切含铁粉尘物料（如高炉、转炉炉尘，轧钢皮，铁屑，硫酸渣等）不能直接加入高炉，必须用烧结或制团的方法将它们重新造块，制成烧结矿、球团矿，或预还原炉料。这不仅解决了入炉原料的粒度问题，扩大了原料来源，同时，还大大改善了矿石的冶金性能，提高高炉冶炼效果。第54页/共69页13.2 高炉冶炼的主要产品及其用途高炉生产的主要

23、产品是生铁，副产品有炉渣、煤气及煤气带出的粉尘1.生铁（含碳1.7%以上，并含有一定数量的杂质Si、Mn、P、S等元素的铁碳合金的统称。）生铁按化学成分和用途可分为三种。（1）炼钢生铁（2）铸造生铁（3）特殊生铁2.高炉炉渣（出炉温度为14001500）用途：水泥原料，制成渣棉作隔音、保温材料3.高炉煤气（CO,CO2，H2，N2等）用途：经除尘后可用于作热风炉燃料等第55页/共69页第56页/共69页1.4 高炉生产主要技术经济指标（1）高炉有效容积利用系数：每昼夜、每m3高炉有效容积的生铁产量，即高炉每昼夜的生铁产量与高炉有效容积之比。有效容积利用系数愈大，高炉生产率愈高。目前，一般大型高

24、炉超过2.0，一些先进高炉可达到2.22.3。小型高炉的更高，100300m3高炉的利用系数为2.83.2。第57页/共69页（2）焦比（K）焦比是指冶炼每吨生铁消耗的焦炭量，即每昼夜焦炭消耗量与每昼夜生铁产量之比。一般情况下焦比为450500kg/t（3）煤比 冶炼每吨生铁消耗的煤粉量称为煤比。煤焦置换比指单位质量的煤粉所代替的焦炭的质量，表示煤粉利用率的高低。一般煤粉的置换比为0.70.9。第58页/共69页（4）综合焦比K综：是将冶炼一吨生铁所喷吹的煤粉或重油量乘上置换比折算成干焦炭量，在与冶炼一吨生铁所消耗的干焦炭量相加即为综合焦比。K综 =(QK+QYR)/P（5）综合燃料比K燃：指

25、冶炼一吨生铁消耗的焦炭和喷吹燃料的数量之和。K燃=(QK+QY)/P第59页/共69页（6）冶炼强度（I）：冶炼强度是每昼夜、每m3高炉有效容积燃烧的焦炭量，即高炉一昼夜焦炭消耗量与有效容积的比值：当前国内外大型高炉一般为1.05左右。第60页/共69页（7）生铁合格率：化学成分符合国家标准的生铁称为合格生铁，合格生铁占总产生铁量的百分数为生铁合格率。它是衡量产品质量的指标。（8 8）生铁成本：生产一吨合格生铁所消耗的所有原料、燃料、材料、水电、人工等一切费用的总和，单位为元/t/t。第61页/共69页（9）休风率：休风率是指高炉休风时间占高炉规定作业时间的百分数。先进高炉休风率小于1。（10

26、）高炉一代寿命：高炉一代寿命是从点火开炉到停炉大修之间的冶炼时间，或是指高炉相邻两次大修之间的冶炼时间。大型高炉一代寿命为1015年。第62页/共69页1.4 高炉炼铁设计的基本原则 一.高炉炼铁设计应遵循的基本原则 1 1）合法性。2 2）客观性。3 3）先进性。4 4）经济性。5 5）综合性。6 6）发展远景。7 7）安全和环保。8 8）标准化。9 9）美学原则。第63页/共69页二.钢铁厂的组成 1.1.钢铁厂：包括炼铁、炼钢、轧钢三个车间。2.2.钢铁联合企业：炼铁、炼钢、轧钢三个车间再加上矿石准备车间和焦化车间，这个工厂就称为钢铁联合企业。3.3.钢铁加工厂：只有炼钢和轧钢车间组成的

27、工厂叫做钢铁加工厂。第64页/共69页三.钢铁联合企业的优点：1）运输费用低廉。2）在生产中可以采用热装，因而可以节约燃料、提高产量。3)能充分利用本企业的副产品。4）联合企业设有许多辅助设施，如发电站、水站及各种加工厂等，可以充分保证本企业生产的正常进行，不受外界因素的影响。第65页/共69页1.5 高炉炼铁厂的厂址选择 1）要考虑工业布局，有利于经济协作。2）合理利用地形设计工艺流程，简化工艺，减少运输量，节省投资。3）尽可能接近原料产地及消费地点，以减小原料及产品的运输费用。4）地质条件要好，地层下不能有有开采价值的矿物，也不能是已开采区。5）水电资源要丰富，高炉车间要求供水、供电不得间断，供电要双电源。6）尽量少占良田。7）厂址要位于居民区主导风向的下风向或侧风向。第66页/共69页第67页/共69页谢谢！第68页/共69页感谢您的观看！第69页/共69页