烧结及高炉炼铁基本原理及工艺

1高炉炼铁基本原理及工艺辽宁科技学院陈韧2主要内容高炉主要技术经济指标高炉冶炼原、燃料及熔剂铁矿烧结的基本原理、工艺高炉冶炼基本原理与能量利用高炉强化冶炼的手段与方法3宝钢高炉全貌4一、高炉主要技术经济指标1、利用系数:η=P（高炉昼夜产铁量）/Vu（高炉有效容积）t/m3.d）2、焦比:K=Q（昼夜焦碳用量）/P（现主要核算综合焦比）3、冶炼强度:I=Q/Vu（反应焦碳的燃烧能力）4、休风率:计划外的检修时间占规定作业时间的百分比（≤2%）5、生铁成本：原料占80%±6、一代炉龄：高炉点火开炉→停炉大修历经时间（与耐材砌筑、I有关）5二、高炉冶炼原、燃料及熔剂1.铁矿石种类及质量评价成分理论含铁量%实际富矿含铁%最低工业品位%冶炼性能磁Fe3O472.445~7020~25P，S↑难还原赤Fe2O37055~6030P，S↓易还原褐nFe2O3.mH2O55.2~66.137~5530P↑易还原菱FeCO348.230~4025P，S↓熔烧后易还原6铁矿全景图鞍矿公司眼前山铁矿鞍矿公司东鞍山铁矿7各类铁矿石图赤铁矿磁铁矿菱铁矿褐铁矿8粗破细破球磨机分级机磁选机输送机9烧结厂的带式烧结机10烧结矿及烧结球团烧结球团烧结矿11⑴品位：含铁量，理论上品位↑1%，焦比↓2%，产量↑3%⑵脉石成分：SiO2、Al2O3↓越好（须重视Al2O3），MgO↑越好⑶有害杂质：S、P、Cu、Pb、Zn、As、K、Na⑷有益元素：Mn、V、Ni、Cr12⑸强度和粒度：强度↓易粉化影响高炉透气性，不同粒度应分级入炉;⑹还原性：被CO、H2还原的难易、影响焦比;⑺化学成分稳定性：TFe波动≤±0.5%，SiO2≤±0.03%混匀的重要性（条件：平铺直取——原料场应足够大）;⑻矿石代用品：高炉炉尘、转炉炉尘、轧钢皮、硫酸渣等。132.（助）熔剂（1）作用：形成低熔点易流动的炉渣、脱S（碱性熔剂）（2）种类：使用条件及作用碱性铁矿中脉石为酸性氧化物，包括：石灰石、白云石、石灰酸性铁矿中脉石为碱性氧化物，主要为：SiO2（只在炉况失常时使用——（Al2O3）≥18%或排碱时）中性高Al熔剂，主要为：含Al2O3高的铁矿（只在降低炉渣流动性时使用）14(3)熔剂的质量要求①碱性氧化物含量（CaO+MgO≥52%）概念：石灰石有效熔剂性CaO（有效）=CaO（石灰石）-R×SiO2（石灰石）②S、P↓S（0.01~0.08%），P（0.001~0.03%）③减少CaCO3入炉：原因：a.高温分解吸热b.CO2+C=2COc.CO2会冲淡CO浓度造成焦比K增加。153.高炉用燃料焦碳：①主要作用：作为高炉热量主要来源的60~80%，其它热风提供提供还原剂C、CO料柱骨架，保证透气性、透液性②质量要求：含炭量：C↑灰份↓→→渣量↓、强度↑、反应性↓→→焦比↓含S量：生铁中[S]80%±来源于焦碳强度：M40、M10③粒度组成：焦丁的利用及混装过渡区的问题④成分稳定（特指水分）：干熄焦技术（宝钢）⑤焦碳反应性：C+CO2=2CO开始反应的高低快慢→影响间接还原区的范围，从而影响焦比。16焦炉174.精料的含义：“高、稳、熟、小、匀、净”方针高：（1）矿石品位高（天然矿62%，烧结矿57%，球团矿60%）渣量降低300KG/T铁（2）固定炭高，灰份≤10%（3）还原性好：烧结矿中FeO≤10%（4）机械强度高：转鼓指数、高温强度、软熔温度稳：化学成分稳定（TFe、R）熟：增加熟料率↑1%，η↑0.3%，焦比↓1.2kg/tFe小、匀、净：平均粒度差小、杂质少日本称为“整粒”处理18三、铁矿烧结及球团的基本原理、工艺（一）烧结料组成：（1）含铁料：精矿份200目以下（考虑成球性）、富矿粉（5~8MM，烧结中的骨架）、其他（炉尘、轧钢皮等）（2）熔剂：以CaO为主，CaO↑1%，烧结产量↑3%（3）燃料：焦粉、无烟煤3~5%，20%可进行金属化烧结（低品位矿石冶炼——可持续发展问题）（4）返矿：机尾筛下物（未烧透——影响成品率）19烧结的车间的全貌2021烧结流程22（二）烧结料层结构23烧结点火示意图241.烧结矿层：随烧结过程进行不断加厚，抽入空气过冷使烧结矿骤冷将影响烧结矿强度。2.燃烧层：主要反应为：C的燃烧、MCO3分解、FeS2氧化、形成液相、铁氧化物分解还原氧化。（由于液相的产生使该层透气性变差）3.预热层：主要反应为：氧化还原、结晶水分解、部分MCO3分解4.干燥层：主要为烧结料中水分蒸发，易使烧结料球破坏5.过湿层：原始混合料层，水分凝聚，影响料层透气性25（三）烧结过程的特点1.燃料燃烧需空气过剩，过剩系数α=1.4~1.5（燃料分布较稀疏）2.一般情况下烧结保持弱氧化气氛（金属化烧结除外）3.烧结过程存在自动蓄热作用（可以考虑采用上高下低的分层配炭）4.存在传热速度与燃烧速度的同步问题5.存在如何减少“过湿”现象的问题6.存在有害杂质S的去除问题（S由易去除S化物转化为硫酸盐的问题）7.存在选用何种液相体系作为固结成型机理问题8.如何解决还原性与强度矛盾的问题26（四）强化烧结的措施1.改善透气性：适宜的水分、延长混料时间、小球烧结、预热混合料2.提高抽风负压：但需考虑电耗成本增加问题3.高压烧结：增加气体质量流量4.热风烧结：可部分解决还原性与强度之间的矛盾5.加入稳定剂：P类、B类、Mn、V类6.提高R：铁酸钙理论，即控制液相成分，但不利于脱S7.厚料层烧结：充分利用自动蓄热作用（条件：预热混合料、低水原则）8.双层烧结：二次点火，设备复杂9.料面插孔烧结：提高透气性27烧结设备（料仓）28烧结设备（烧嘴）29烧结设备（台车）30烧结设备（主排气管）31烧结设备（烧结布料机构）32烧结设备（除尘设备）33烧结设备（抽风系统）34烧结设备（风机与风箱）35烧结设备（破碎机）36烧结设备（传动装置）37四、高炉冶炼基本原理（一）高炉还原过程（二）造渣与脱S（三）风口前C的燃烧（四）炉料与煤气运动（五）高炉能量利用38高炉炼铁过程39高炉炼铁的流程40高炉炼铁车间全景41高炉的五大系统42高炉的原料系统43原料系统之一——上料皮带44炉顶布料45称量料斗46送风系统47送风系统之——热风炉48高炉本体预览49高炉本体平台构成50高炉炉型51（一）高炉还原过程1.高炉炉内状况52（1）块状带：矿焦保持装料时的分层状态，与布料形式及粒度有关，占BF总体积60%±（200~1100℃）主要反应：水分蒸发结晶水分解除CaCO3外的其它MCO3分解间接还原碳素沉积反应（2CO=C+CO2）（2）软熔带：矿石层开始熔化与焦碳层交互排列，焦碳层也称“焦窗”形状受煤气流分布与布料影响，可分为正V型，倒V型，W型主要反应：Fe的直接还原Fe的渗碳CaCO3分解吸收S（焦碳中的S向渣、金、气三相分布）贝波反应：C+CO2=2CO53（3）滴落带：主要由焦碳床组成，熔融状态的渣铁穿越焦碳床主要反应：Fe、Mn、Si、P、Cr的直接还原，Fe的渗C（4）回旋区：C在鼓风作用下一面做回旋运动一面燃烧，是高炉热量发源地（C的不完全燃烧），高炉唯一的氧化区域。主要反应：C+O2=CO2CO2+C=2CO（5）炉缸区：渣铁分层存在，焦碳浸泡其中主要反应：渣铁间脱S，Si、Mn等元素氧化还原542.铁的间接还原与直接还原（1）间接还原：用CO、H2为还原剂还原铁的氧化物，产物无CO2、H2O的还原反应。特点：放热反应反应可逆（2）直接还原：用C作为还原剂，最终气体产物为CO的还原反应。特点：强吸热反应反应不可逆（3）直接、间接还原区域划分：取决于焦碳的反应性低温区＜800℃基本为间接还原中温区800~1100℃共存高温区＞1100℃全部为直接还原（4）用直接还原度rd、间接还原度ri来衡量高炉C素利用好坏，评价焦比。55铁矿石的还原示意563.非铁元素的还原（1）Mn的还原：①一般规律：MnO2→（550℃间还）→Mn2O3→（1100℃间还）→Mn3O4→（1000℃间还）→MnO→（1200℃直接还原）→Mn②Mn还原的特点：间接还原放热大，使炉顶温度↑直接还原吸热大，使焦比↑③控制Mn还原的手段：提高炉缸温度，但会使Mn的挥发损失↑提高炉渣R生铁中保持一定[Si]57（2）Si的还原①生铁中[Si]的要求：制钢铁[Si]≤0.6铸造铁1.25≤[Si]≤4.25②Si还原的特点：大量吸热全部直接还原K↑③Si还原的途径：气化还原：SiO2+C=SiO（g）+COSiO（g）+[C]=[Si]+CO渣铁反应：（SiO2）+2[C]=[Si]+2CO④控制Si还原的因素：提高炉缸温度利于Si的还原↓炉渣R利于Si的还原58（3）P的还原P100%还原入铁，只有原料控P（4）含Ti矿的冶炼TiO2→Ti2O3→TiO→Ti→Ti（C，N）固熔体使炉渣粘稠59（二）造渣与脱S1.造渣的概念与作用概念：根据脉石、焦碳灰份组成及数量，选择适当的熔剂，形成具有一定性能的炉渣。作用：（1）促进或抑制某些化学反应（2）保护炉墙（高炉长寿）2.造渣过程（1）初渣：由软化前沿至熔化前沿生成生矿：成分不均匀，软熔区间大操作困难酸性烧结矿：成分较均匀，但初渣为酸性碱性烧结矿：成分可预定，存在一定CaO，流动性好60（2）中间渣：初渣向下温度升高，（FeO）被还原，并吸收CaO，R↑（3）终渣：主要成分：（SiO2）+（Al2O3）+（CaO）+（MgO）＞95%，（FeO）＜1%613.脱S（1）S的来源与分布：焦碳60~80%矿石及喷吹物20~40%↓（S负荷4~6kg/t铁）↓煤气、炉尘5~10%，生铁5%，炉渣90%（2）降低生铁[S]途径：①降低S负荷（降低焦碳S含量）②气化脱S（一定值）③适宜的渣量（3）炉渣脱S基本反应：[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO）提高炉渣脱S能力的因素：①↑温度②↑还原气氛③↑R62（三）风口前C的燃烧1.风口前C燃烧的意义占总C量的70%，其它碳用于：直接还原：（FeO）+C=[Fe]+CO（MnO）+C=[Mn]+CO（CaO）+[S]+C=CaS+CO↓使煤气中CO增加CO2、H2O的气化：CO2+C=2COH2O+C=H2+CO↓吸热、使焦碳强度下降意义：（1）提供热量80%（2）提供还原剂（3）影响炉料下降、软熔带形状、煤气利用、冶炼指标632.燃烧带大小的控制—下部调剂（1）影响燃烧带大小的因素：①C的燃烧速度（一般认为影响不大）②布料状态（中心堆积，燃烧带小；中心疏松，燃烧带大）③鼓风动能EK的大小（2）影响EK的因素：①风量↑，EK↑②风温↑，体积膨胀，质量流量↓，EK↓风温↑，速度↑，EK↑总体EK略有变化③风压↑，EK↓④风口截面积S↓，EK↑64风口前碳的燃烧示意65（四）炉料与煤气运动1.炉料下降的条件：（1）自由空间的形成①C的燃烧②渣铁排放③下料中重新排列④炉料软熔（2）炉料下降的力学分析P=P料-P摩-P浮-P气=P有效-P气P＞0顺行P≤0悬料，难行P料~品位↑，焦碳负荷↑，P料↑P摩~炉墙与炉料，炉料与炉料，H/D（设计问题）P浮~料柱浸泡在渣铁中产生，勤放渣铁P气~上升煤气对料柱的支撑力662.炉腹区煤气流炉腹区压差（ΔP）较大的原因，存在液态渣铁的动滞留（与冶炼强度I有关）和静滞留（与炉渣的物化性质有关），易形成液泛现象（flood）。为避免液泛现象要求：（1）渣量小→品位高、I小（2）提高焦碳质量（3）煤气流速小（4）初渣粘度小，保证一定（FeO）含量3.炉顶煤气的分布：（1）边缘气流→煤气利用差（2）中心气流→煤气利用一般，考虑大喷煤应以发展中心为主（3）两道气流→中心、边缘都有一定发展，传统型（4）管道气流→煤气分布失常50~60年代双锋为主（低I、原料差，以顺行为主）60~70年代平锋为主（I↑）现代以中心开放为主→VU↑、大喷煤需要674.上部调剂（1）合理布料的意义：①影响料柱的空隙度②不人为调整将产生偏析，煤气自动边缘分布（2）影响因素：①布料设备②装料制度：包括：料线批重装料次序68高